KR100771804B1 - 금속피복 카본 브러시 - Google Patents

Abstract

본 발명은 평균기공반경이 0.1~2.0㎛, 누적기공용적이 50~600㎣/g의 탄소질 재료로 이루어진 기재표면에 금속을 피복하여, 표면에 피복되는 금속의 막두께가 균일화되고, 표면의 색 불균일을 억제한 금속피복 카본 브러시를 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

금속피복 카본 브러시{METAL COATED CARBON BRUSH}

도 1은 실시예 1 및 비교예 1에 의한 카본 브러시의 외관을 비교하는 사진이다.

본 발명은 전기기계에 사용되는 금속피복 카본 브러시에 관한 것이다.

전기기계용 카본 브러시(이하, 브러시라고 함)가 사용되고 있는 전동기는 최근 특히 소형화, 대용량화가 진행되고 있고, 그에 사용되는 브러시는 소형이면서 전기전도 저항손실(이하, 저항손실이라고 함)이 작고 마모가 적은 브러시가 요구되게 되었다.

슬립링이나 저전압의 전동기에 사용되고 있는 브러시에는 지금까지 흑연분말과 금속분말을 혼합 소결시킨 금속질의 것이 자주 사용되고 있는데, 브러시에서의 저항손실을 낮추기 위해 금속의 함유량을 많게 하면 윤활성이나 대(對)아크성이 나빠지고, 마모량이 커진다는 문제가 있었다.

또한, 교류정류자 전동기용에서는 저항손실을 작게 하기 위해, 저항이 작은 재질을 이용하면 정류가 나빠지고 마모가 증가한다는 문제가 있었다.

반대로, 저항이 큰 재질을 사용한 경우에는, 큰 전류를 흘리면 저항발열에 의해 브러시의 온도가 상승한다. 브러시는 통상 리드선을 구리분말등으로 메워 넣어 압축, 접합하고 전류를 공급하는데, 브러시의 온도가 높으면 코킹 부분의 구리분말이나 리드선이 산화되어 통전이 나빠지고, 결국에는 전동기가 정지한다는 문제가 발생할 기능성이 있었다.

또한, 교류정류자 전동기용 중에서도 전기 청소기용 등과 같이 회전수가 높은 전동기에서는 고회전시에도 정류가 양호하고, 또한 청소기 본체의 사용기간 중 브러시 교환을 하지 않아도 좋도록, 수명을 매우 길게 하고 싶다는 요구특성에서, 흑연분말을 수지 바인더로 결합하여 경화시킨 레진본드계 재질이 사용되고 있는 것이 있다. 그러나, 레진본드계의 재질이 경우, 전류밀도가 큰 조건에서 사용하면 브러시 본체의 저항이 크므로 온도가 상승하고 바인더로 사용하고 있는 수지가 열에 열화된다는 문제도 있었다.

이들 문제를 해결하기 위해 카본을 적어도 한 성분으로서 포함하고 카본 브러시 전체로서의 전기저항이 감소되도록, 브러시 기재의 표면에 전기양도성 금속층을 피복하여 이루어진 카본 브러시가 알려져 있다(예를 들어, 일본 특개평5-182733호 참조).

그러나, 탄소질 재료 표면에 금속을 균일한 두께로 피복하는 것은 곤란했으므로, 피복막 두께의 편차에 의해 피복된 금속의 표면에 색 불균일이 발생하는 경우가 있고, 브러시를 사용하는 사용자에게 불쾌감을 안겨줄 우려가 있었다. 또한, 산화의 원인이 되어 양호한 전기저항을 유지할 수 없다.

본 발명은 표면에 피복되는 금속의 막두께가 균일화되고, 표면의 색 불균일을 억제한 금속피복 카본 브러시를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 관한 금속피복 카본 브러시는 평균기공반경이 0.1~2.0㎛, 누적기공용적이 50~600㎣/g인 탄소질재료로 이루어진 기재표면에 금속이 피복되어 이루어진 것이다. 또한, 상기 금속이 구리, 은, 또는 구리의 표면에 형성된 은으로부터 선택되는 것이다. 또한, 상기 금속의 막두께가 1~10㎛인 것이다. 그리고, 상기 금속이 무전해 도금법에 의해 형성된 것이다.

본 발명에서 사용되는 탄소질 재료로 이루어진 브러시 기재로서는 ①흑연분말을 열경화성 수지 등의 바인더로 혼련하고, 경화시키기만 한 것(레진본드계), ②흑연분말을 열경화성 수지 또는 피치 등의 바인더로 혼련하고, 저온에서 소성하여 바인더 성분을 탄화시킨 것(CG계), ③또한 고온에서 소성하여 탄소성분 중 적어도 일부를 흑연화 처리한 것(EG계)이 있다. 본 발명에서는 특히 ①의 레진본드계의 기재가 주된 대상이 된다. 레진본드계의 기재에서는 바인더로서 사용한 수지는 경화시킨 상태 그대로 사용하고, 이를 탄소화 또는 흑연화하고 있지 않으므로, 전기 절연성이 비교적 높다. 따라서, 저항이 크고 정류성이 양호한 이점이 있다. 반대로 저항이 큰 것에 기인하는 저항손실이 크고, 그 결과 발열이 크다는 결점이 발생하며, 고온조건하에서 장시간의 사용에 의해 수지가 열화하여 특성이 변화되는 결점이 함께 발생한다.

이와 같은 상반되는 특성의 요구는 브러시 기재 주위의 외표면에 구리, 은, 또는 구리의 표면에 형성된 은 중에서 선택되는 금속의 피복을 실시함으로써, 내부의 기재의 저항은 높아도 외표면에 피복된 금속의 작용으로 외관저항을 낮추고 온도상승을 억제하여 브러시의 사용에 의한 성능변화를 방지하는 등, 레진본드계 기재의 결점을 모두 보완할 수 있는 장점과 함께 매우 고성능의 브러시를 만들 수 있다.

그리고, 금속을 피복하는 브러시 기재로서는 평균기공반경이 0.1~2.0㎛, 바람직한 것은 0.5~1.5㎛, 누적기공용적이 50~600㎣/g, 바람직한 것은 100~500㎣/g이 되도록 조정한다. 그리고, 표면의 금속의 막두께가 1~10㎛, 바람직한 것은 2~5㎛가 되도록 금속을 피복함으로써, 표면에 금속을 피복한 경우에, 금속표면의 색 불균일을 억제할 수 있다.

브러시 기재의 표면에 금속의 피복을 실시하는 방법으로서는, 무전해 도금법이 바람직하다. 무전해 도금의 방법은 문헌 등에 의해 공지의 방법이 널리 채용된다. 예를 들어, 「무전해 도금」「마키쇼텐, 고베 도쿠조 저(1986)」에 상세히 기재되어 있고, 본 발명에 관한 브러시 기재에 대해서, 그 표면에 견고한 피막을 형성시킬 수 있다. 이 문헌에도 기재된 바와 같이, 무전해 도금의 원리는 예를 들어 구리를 예시하면, 구리염 수용액에 대해서 착화제로서 주석산 알칼리염, EDTA 등을 가하고, 약알칼리성하에서 착화상태로 안정화시키고, 환원제로서는 포름알데히드나 히드라진염 등을 사용하여 기재상에 구리피막을 석출 형성시키는 것이다.

상기 무전해 도금법에 따랐을 때, 전처리액 중에, 센시타이저로서 염화 제 1 주석(SnCl₂), 액티베이터로서 염화파라듐(PdCl₂)을 첨가한다. 그리고, 전해온도를 실온에서, 처리시간 30분간 이내, 바람직한 것은 15분간 이내 처리함으로써 기재표면에 막두께 1~10㎛의 균일한 막두께의 금속을 피복할 수 있다. 여기에서, 시판의 무전해 도금액에서는 80℃±5℃가 전해온도의 최적온도가 되어 있는 것도 있지만, 브러시 기재 등의 탄소질 재료에서는, 반응속도를 늦추고 금속결정구조를 치밀하게 하기 위해, 전해온도를 실온으로 하고 있다.

이하, 실시예에 의해 본 발명에 관한 금속피복 카본 브러시를 구체적으로 설명한다.

(실시예 1)

평균입자직경이 50㎛인 흑연입자 75질량%와, 바인더로서 에폭시 수지 25질량%를 혼합하여 혼련했다. 이 혼련물을 소정의 크기가 되도록 분쇄한 후, 15MPa로 소정 형상으로 성형하고, 180℃에서 열처리를 실시하여 바인더를 경화시켜 평균기공반경이 1.1㎛, 누적기공용적이 339㎣/g의 브러시 기재를 제작했다. 다음에 상기 기재를 수세한 후, 센시타이저로 이루어진 SnCl₂가 1.0질량% 첨가된 물·알콜로 형성되는 전처리액에 침지했다. 그리고, 다시 수세한 후, 액티베이터가 되는 PdCl₂가 1.0질량% 첨가된 물로 형성되는 전처리액에 침지한다. 전처리액에는 각각 3분간 침지하고 화학반응시킨 후, 수세하고 20~25℃로 조정된 황산구리의 수용액에 침지하고, 다음에 상기 용액중에 수산화나트륨을 가하여 10분간 유지하고, 기재표면에 2㎛의 거의 균일한 막두께의 구리를 피복했다. 또한, 기재의 평균기공반경 및 누적기공용적은 수은압입법(FISONS사 제조: 포로시미터 2000형)에 의해 계측하고 하기 수학식 1에 의해 산출했다.

여기에서, r은 기공반경, δ는 수은의 표면장력(통상, 4.8×10^-3N을 채용), P는 가해진 압력, θ는 접촉각(141.3°를 채용)을 나타낸다. 또한, 계측범위는 기공반경이 75㎛~0.0068㎛(9.8×10³Pa~10.8×10⁷Pa)로 하고, 평균기공반경은 반경 0.01㎛의 누적기공용적의 1/2값에 대응하는 반경을 나타내고 있다. 또한, 이들 브러시 기재의 평균기공반경 및 누적기공용적은 도금 전후에 따라 변화되는 일은 없었다.

(실시예 2)

평균입자직경이 50㎛의 흑연입자 75질량%와, 바인더로서 에폭시 수지 25질량%를 혼합하여 혼련했다. 상기 혼련물을 소정의 크기가 되도록 분쇄한 후, 20MPa에서 소정 형상으로 성형하고, 180℃에서 열처리를 실시하고 바인더를 경화시켜 평균기공반경이 0.12㎛, 누적기공용적이 56㎣/g의 브러시 기재를 제작했다. 이하, 실시예 1과 동일하게 하여 표면에 구리를 피복했다.

(실시예 3)

평균입자직경이 50㎛인 흑연입자 75질량%와, 바인더로서 에폭시 수지 25질량%를 혼합하여 혼련했다. 상기 혼련물을 소정의 크기가 되도록 분쇄한 후, 10MPa에서 소정 형상으로 성형하고, 180℃에서 열처리를 실시하고 바인더를 경화시켜 평균기공반경이 1.9㎛, 누적기공용적이 571㎣/g인 브러시 기재를 제작했다. 이하, 실시예 1과 동일하게 하여 표면에 구리를 피복했다.

(비교예 1)

전처리 액중에 센시타이저가 되는 SnCl₂, 액티베이터가 되는 PdCl₂를 첨가하지 않은 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 하여 브러시 기재 표면에 구리를 피복한 금속피복 카본 브러시를 형성했다.

(비교예 2)

평균입자직경이 50㎛인 흑연입자 75질량%와, 바인더로서 에폭시 수지를 25질량%를 혼합하여 혼련했다. 상기 혼련물을 소정의 크기가 되도록 분쇄한 후, 23MPa에서 소정 형상으로 성형하고, 180℃에서 열처리를 실시하여 바인더를 경화시키고 평균기공반경이 0.08㎛, 누적기공용적이 44㎣/g의 브러시 기재를 제작했다. 이하, 실시예 1과 동일하게 하여 표면에 구리를 피복했다.

(비교예 3)

평균입자직경이 50㎛인 흑연입자 75질량%와, 바인더로서 에폭시 수지 25질량%를 혼합하여 혼련했다. 상기 혼련물을 소정의 크기가 되도록 분쇄한 후, 9MPa에서 소정 형상으로 성형하고, 180℃에서 열처리를 실시하여 바인더를 경화시켜 평균기공반경이 2.2㎛, 누적기공용적이 658㎣/g인 브러시 기재를 제작했다. 이 하, 실시예 1과 동일하게 하여 표면에 구리를 피복했다.

도 1에 실시예 1 및 비교예 1의 금속피복 카본 브러시의 표면 사진을 나타낸다. 비교예 1의 것은 표면의 금속에 색 불균일을 관찰할 수 있다.

또한, 비교예 2, 3의 것은 도금막의 박리가 발생함과 동시에 도금표면에 색 불균일도 관찰되었다.

이상과 같이 기재에 평균기공반경이 0.1~2.0㎛, 누적기공용적이 50~600㎣/g인 탄소질 재료를 사용하여, 무전해 도금시에 미리 센시타이저로서 SnCl₂, 액티베이터로서 PdCl₂가 첨가된 전처리액에 침지함으로써 표면에 색 불균일 없고 또한 견고하게 금속을 피복하는 것이 가능해지고, 사용자의 미적감각을 만족시킴과 동시에 산화방지도 가능해진다.

Claims (6)

1. 평균기공반경이 0.1~2.0㎛, 누적기공용적이 50~600㎣/g인 탄소질 재료로 이루어진 기재표면에 금속이 피복되어 이루어진 것을 특징으로 하는 금속피복 카본 브러시.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 금속은 구리, 은, 또는 구리의 표면에 형성된 은으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 금속피복 카본 브러시.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 금속의 막두께가 1~10㎛인 것을 특징으로 하는 금속피복 카본 브러시.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 금속은 무전해 도금법에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 금속피복 카본 브러시.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 금속은 무전해 도금법에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 금속피복 카본 브러시.
6. 탄소질 기재의 표면에 금속이 피복되어 이루어진 금속피복 카본 브러시에 있어서,

   평균기공반경이 0.1~2.0㎛, 누적기공용적이 50~600㎣/g인 것을 특징으로 하는 금속피복 카본 브러시.

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