KR101189858B1 - 케이블 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 적어도 하나의 케이블 코어와, 상기 케이블 코어의 외표면을 피복하는 적어도 1층의 절연층, 상기 절연층의 외표면을 피복하는 적어도 1층의 쉴드층 및, 상기 쉴드층의 표면을 피복하는 보호층을 포함하는 케이블을 제공한다. 상기 케이블 코어는 도전재료 및 복수개의 탄소 나노튜브를 포함한다. 상기 복수개의 탄소 나노튜브와 도전재료는 적어도 하나의 복합 탄소 나노튜브선을 구성한다. 상기 복수개의 탄소 나노튜브는 상기 복합 탄소 나노튜브선 중에서 케이블 코어의 축방향을 따라 질서정연하게 배열된다. 각 탄소 나노튜브의 외표면에 적어도 1층의 도전재료층이 형성되어 있다. 그리고, 본 발명은 케이블의 제조방법을 제공한다.

Description

케이블 및 그 제조방법{CABLE AND METHODS FOR MAKING THE SAME}
본 발명은 케이블 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 탄소 나노튜브에 의한 케이블 및 그 제조방법에 관한 것이다.
케이블은 전자산업에서 상용되고 있는 신호전송 매질이다. 미크로급의 케이블은 IT산업, 의학기기, 우주시설(Space Equipment) 등에 널리 사용되고 있다. 종래의 케이블은 내부에 2개의 도체가 설치되어 있다. 안쪽 도체는 전기신호를 전송하고, 바깥쪽 도체는 전송되는 전기신호에 대해 쉴드를 실시하여 상기 전기신호가 손실되는 것을 방지한다. 이로 인해, 상기 케이블은 고주파에 대한 손실이 작고, 쉴드 및 항재밍(Anti-Jamming) 능력이 강하며, 주파수 대역폭이 넓은 특성을 가진다["Electromagnetic Shielding of High-Voltage Cables"{M. De Wulf, P. Wouters et.al., Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 316, e908-e901(2007)} 참고].
일반적으로 케이블에 있어서, 내부로부터 순차적으로 안쪽 도체인 케이블 코 어, 상기 케이블 코어 표면을 피복하는 절연층, 상기 절연층을 피복하는 바깥쪽 도체인 쉴드층 및, 상기 쉴드층을 피복하는 보호층이 설치된다. 상기 케이블 코어는 전기신호를 전송하고, 재료는 구리(Cu), 알루미늄(Al) 또는 구리-아연(Cu-Zn) 합금을 위주로 한다. 상기 쉴드층은 일반적으로 금속 와이어의 편직(編織)에 의해 형성되거나 또는 금속 박막(薄膜)을 상기 절연층의 표면에 피복하는 것에 의해 형성된다. 상기 쉴드층은 전자기파 방해 또는 외부신호의 방해를 쉴드한다.
금속재료에 의해 형성된 케이블 코어에서의 가장 큰 문제점은 교류전기가 금속도체를 통해 전송될 때 표피효과(表皮效果; skin effect)가 발생되는 것이다. 표피효과는 금속도체에서 전류가 흐르는 유효 횡단면적을 작아지게 한다. 이 때문에, 금속도체의 유효저항치가 커져 케이블의 전송효율이 저하되거나 또는 전송신호가 손실될 수 있다. 또한, 금속재료를 코어 및 쉴드층으로 하는 케이블은 그 강도가 낮고, 질량 및 직경이 크므로, 항공영역, 우주시설 및 초미세(超微細) 케이블 등과 같은 특수한 영역에는 적용되지 않는다.
탄소 나노튜브는 새로운 형태의 1차원적 나노재료로서, 우수한 도전성능, 높은 인장강도(tensile strength) 및 높은 열 안정성을 가진다. 탄소 나노튜브는 재료과학, 화학, 물리학 등의 한계과학(Boundary Science)영역에서 매우 넓은 응용전경(foreground)을 보여 주고 있다. 현재, 탄소 나노뷰브와 금속의 혼합에 의해 형성되는 복합재료를 케이블 코어로 사용하고 있다. 그러나, 탄소 나노튜브가 금속 중에서 무질서하게 분산되어 있으므로 상기한 표피효과는 여전히 존재한다. 그리고, 탄소 나노튜브를 포함한 종래의 케이블의 제조방법에 있어서, 소량의 탄소 나노튜브와 금속을 진공용융, 진공소결(sinter), 또는 진공열압 등의 방법을 통해 혼합하므로, 그 제조방법이 복잡하다.
본 발명은, 우수한 도전성능, 우수한 기계적 강도, 비교적 가벼운 질량 및 비교적 작은 직경을 갖고, 제조방법이 간단하며, 제조비용이 낮고, 규모화 생산이 가능한 케이블 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 케이블은, 적어도 하나의 케이블 코어와, 적어도 1층의 절연층, 적어도 1층의 쉴드층 및, 1층의 보호층을 포함한다. 상기 절연층은 상기 케이블 코어의 외표면을 피복하고; 상기 쉴드층은 상기 절연층의 외표면을 피복하며; 상기 보호층은 상기 쉴드층의 외표면을 피복한다. 상기 케이블 코어는 도전재료 및 복수개의 탄소 나노튜브를 포함한다. 상기 복수개의 탄소 나노튜브와 도전재료는 적어도 하나의 복합 탄소 나노튜브선을 구성한다. 상기 복수개의 탄소 나노튜브는 상기 복합 탄소 나노튜브선 중에서 케이블 코어의 축방향을 따라 질서정연하게 배열된다. 각 탄소 나노튜브의 외표면에 적어도 1층의 도전재료층이 형성되어 있다.
또한 본 발명에 따른 케이블은, 적어도 하나의 케이블 코어와, 적어도 1층의 절연층, 적어도 1층의 쉴드층 및, 1층의 보호층을 포함한다. 상기 절연층은 상기 케이블 코어의 외표면을 피복하고; 상기 쉴드층은 상기 절연층의 외표면을 피복하며; 상기 보호층은 상기 쉴드층의 외표면을 피복한다. 상기 케이블 코어는 도전재 료 및 복수개의 탄소 나노튜브를 포함한다. 상기 케이블 코어 중의 복수개의 탄소 나노튜브는 적어도 하나의 탄소 나노튜브 선상구조를 구성한다. 상기 복수개의 탄소 나노튜브는 상기 탄소 나노튜브 선상구조 중에서 케이블 코어의 축방향을 따라 질서정연하게 배열된다. 상기 탄소 나노튜브 선상구조의 외표면에 적어도 1층의 도전재료층이 형성되어 있다.
또한, 본 발명에 따른 케이블의 제조방법은, 적어도 하나의 탄소 나노튜브 구조를 제공하는 공정과; 상기 적어도 하나의 탄소 나노튜브 구조에 적어도 1층의 도전재료층을 형성하여 케이블 코어를 얻는 공정과; 상기 케이블 코어의 외표면에 적어도 1층의 절연층을 형성하는 공정과; 상기 절연층의 외표면에 적어도 1층의 쉴드층을 형성하는 공정과; 상기 쉴드층의 외표면에 1층의 보호층을 형성하는 공정을 포함한다.
본 발명에 따른 케이블 및 그의 제조방법은 아래와 같은 이점이 있다.
첫째, 탄소 나노튜브가 케이블 중에서 케이블 코어의 축방향을 따라 질서정연하게 배열되기 때문에, 탄소 나노튜브를 포함하는 케이블은 우수한 도전성을 가진다.
둘째, 탄소 나노튜브가 우수한 역학 성능 및 비교적 가벼운 질량을 가지고 있기 때문에, 탄소 나노튜브를 포함하는 케이블은 순 금속 코어에 의한 케이블에 비해 기계적 강도가 높고, 질량이 가벼우며, 또 항공영역 및 우주시설 등과 같은 특수영역에도 적용된다.
셋째, 도전재료와 탄소 나노튜브에 의해 형성된 케이블 코어는 순 탄소 나노튜브에 의해 형성된 케이블 코어보다 도전성이 더욱 우수하다.
이하, 예시도면을 참조하면서 본 발명에 따른 케이블 및 그 제조방법에 대해 상세히 설명한다.
본 실시예에 따른 케이블은, 적어도 하나의 케이블 코어와, 적어도 1층의 절연층, 적어도 1층의 쉴드층 및, 1층의 보호층을 포함한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 케이블(10)의 단면도이다. 상기 케이블(10)은 동축 케이블이다. 상기 동축 케이블(10)은 케이블 코어(110)와, 상기 케이블 코어(110)의 외표면을 피복하는 절연층(120), 상기 절연층(120)의 외표면을 피복하는 쉴드층(130) 및, 상기 쉴드층(130)의 외표면을 피복하는 보호층(140)을 포함한다. 여기서, 상기 케이블 코어(110)와, 상기 절연층(120), 상기 쉴드층(130) 및, 상기 보호층(140)은 동축으로 설치된다.
상기 케이블 코어(110)는 적어도 하나의 복합 탄소 나노튜브선을 포함한다. 구체적으로 말하면, 상기 케이블 코어(110)는 하나의 복합 탄소 나노튜브선에 의해 구성되거나, 서로 감기거나 서로 평행하도록 설치되는 복수개의 복합 탄소 나노튜브선에 의해 구성될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 케이블 코어(110)는 하나의 복합 탄소 나노튜브선이다. 상기 케이블 코어(110)의 직경은 4.5nm～1mm이다. 상기 직경은 10㎛～30㎛로 하는 것이 바람직하다. 상기 복합 탄소 나노튜브선의 축방향과 상기 케이블 코어(110)의 축방향은 같다. 케이블 코어(110)의 축방향이란 상기 케이블 코어(110)의 길이 방향을 말한다.
상기 복합 탄소 나노튜브선은 탄소 나노튜브 및 도전재료에 의해 구성된다. 구체적으로 말하면, 상기 복합 탄소 나노튜브선은 복수개의 탄소 나노튜브를 포함하고, 각 탄소 나노튜브의 외표면에 모두 적어도 1층의 도전재료층이 피복되어 있다. 여기서, 각 탄소 나노튜브의 길이는 거의 같다. 그리고, 복수개의 탄소 나노튜브가 반 데르 발스(Van der Waals)의 힘에 의해 서로 연결되어 복합 탄소 나노튜브선을 형성한다. 상기 복합 탄소 나노튜브선에 있어서, 복수개의 탄소 나노튜브는 케이블 코어의 축방향을 따라 우선방위(Preferred Orientation)로 배열된다. 또한, 진일보해서 상기 복합 탄소 나노튜브선을 비틀어서 비틀림형태의 복합 탄소 나노튜브선을 형성할 수 있다. 상기 비틀림형태의 복합 탄소 나노튜브선에 있어서, 복수개의 탄소 나노튜브는 복합 탄소 나노튜브선의 축방향을 따라 나선형태로 배열된다. 즉, 상기 복수개의 탄소 나노튜브는 복합 탄소 나노튜브선의 축의 주위를 감기는 형태로 배열된다. 상기 복합 탄소 나노튜브선의 직경은 4.5nm～100㎛이다. 그 직경은 10㎛～30㎛로 하는 것이 바람직하다.
도 2는 도 1의 복합 탄소 나노튜브선 중의 한가닥 탄소 나노튜브(111)의 구조 단면도이다. 상기 복합 탄소 나노튜브선 중의 각 탄소 나노튜브(111)의 외표면에 모두 적어도 1층의 도전재료층이 피복되어 있다. 상기 도전재료층은 젖음층(wetting layer)(112)과, 전이층(transition layer)(113), 도전층(114) 및, 산화 방지층(anti-oxidation layer)(115)을 포함한다. 상기 젖음층(112)은 상기 탄소 나노튜브(111)의 외표면에 피복되고, 상기 전이층(113)은 상기 젖음층(112)의 외표면에 피복되며, 도전층(114)은 상기 전이층(113)의 외표면에 피복되고, 산화방지층(115)은 상기 도전층(114)의 외표면에 피복된다.
탄소 나노튜브(111)와 대부분의 금속의 젖음성이 다르기 때문에, 상기 탄소 나노튜브(111)와 도전층(114)을 더욱 잘 결합하기 위하여, 그들 사이에 젖음층(112)을 설치한다. 상기 젖음층(112)의 재료는 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 또는 티타늄(Ti)과 같은 상기 탄소 나노튜브(111)와 젖음성이 우수한 금속 또는 그들의 합금을 사용할 수 있다. 상기 젖음층(112)의 두께는 1nm～10nm이다. 본 실시예에서, 상기 젖음층(112)의 재료는 니켈(Ni)이고, 두께는 2nm이다. 또한, 상기 젖음층(112)은 설치하지 않아도 좋다.
상기 전이층(113)은 상기 젖음층(112)과 상기 도전층(114)을 더욱 잘 결합시키기 위해 설치한다. 상기 전이층(113)의 재료는 상기 젖음층(114)의 재료 및 상기 도전층(114)의 재료와 결합성이 우수한 재료를 사용한다. 상기 전이층(113)의 두께는 1nm～10nm이다. 본 실시예에서, 상기 전이층(113)의 재료는 구리(Cu)이고, 두께는 2nm이다. 또한, 상기 전이층(113)은 설치하지 않아도 좋다.
상기 도전층(114)은 복합 탄소 나노튜브선에 우수한 도전성을 가지게 하기 위해 설치한다. 상기 도전층(114)의 재료는 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 티타늄(Ti), 또는 백금(Pt)과 같은 도전성이 우수한 금속 또는 그들의 합금을 사용할 수 있다. 상기 도전층(114)의 두께는 1nm～20nm이다. 본 실시예에 서, 상기 도전층(114)의 재료는 은(Ag)이고, 두께는 5nm이다.
상기 산화방지층(115)은 상기 케이블(10)의 제조과정에서 상기 도전층(114)이 공기 중에서 산화되어 상기 케이블 코어(110)의 도전성이 저하되는 것을 방지하기 위해 설치한다. 상기 산화방지층(115)의 재료는 금(Au) 또는 백금(Pt)과 같은 공기 중에서 쉽게 산화되지 않는 성질이 비교적 안정된 금속 또는 그들의 합금을 사용할 수 있다. 상기 산화방지층(115)의 두께는 1nm～10nm이다. 본 실시예에서, 상기 산화방지층(115)의 재료는 백금(Pt)이고, 두께는 2nm이다. 또한, 상기 산화방지층(115)은 설치하지 않아도 좋다.
케이블(10)의 강도를 향상시키기 위해, 산화방지층(115)의 외표면에 강화층(强化層)(116)을 추가로 설치할 수 있다. 상기 강화층(116)의 재료는 폴리비닐알콜(PVA), 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸(PBO), 폴리에틸렌(PE), 또는 폴리염화비닐(PVC)과 같은 강도가 높은 폴리머를 사용할 수 있다. 상기 강화층(116)의 두께는 0.1㎛～1㎛이다. 본 실시예에서, 상기 강화층(116)의 재료는 폴리비닐알콜(PVA)이고, 두께는 0.5㎛이다. 또한, 상기 강화층(116)은 설치하지 않아도 좋다.
상기 절연층(120)은 전기적 절연에 사용된다. 상기 절연층(120)의 재료는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 폼(Polyethylene foam), 또는 나노점토/고분자(nano clay polymer) 복합재료에서 선택될 수 있다. 나노점토/고분자 복합재료 중의 나노점토는 나노급의 층상구조의 규산염광물질이다. 상기 규산염광물질은 복수종의 규산염수화물 및 소정량의 산화 알루미늄, 알칼리금속 산화물 및 알칼리토금속 산화물에 의해 구성된다. 상기 나노점토는 난연성이 우수하다. 상기 나노점토는 나노고령토(Kaolin) 또는 몬모릴로나이트(montmorillonite) 등을 사용하고, 고분자 재료는 실리콘수지, 폴리아미드(Polyamide) 및, 폴리에틸렌(PE) 및 폴리프로필렌(PP)과 같은 폴리올레핀(Polyolefin)을 사용한다. 그러나, 절연층(120)의 재료는 상기한 재료에 제한되는 것은 아니다. 본 실시예에서, 고분자 재료는 폴리에틸렌 폼을 사용한다.
상기 쉴드층(130)은 도전성 재료에 의해 형성되고, 전자기파 방해 또는 외부신호의 방해를 쉴드하는 작용한다. 상기 쉴드층(130)은 복수개의 금속 와이어에 의한 편직물(編織物) 또는 금속박막(薄膜)을 상기 절연층(120)의 외표면에 피복하는 것에 의해 형성될 수 있고, 또 복수개의 탄소 나노튜브선, 탄소 나노튜브가 질서정연하게 배열된 단층(單層)의 탄소 나노튜브막, 탄소 나노튜브가 질서정연하게 배열된 다층(多層) 탄소 나노튜브막, 또는 탄소 나노튜브가 무질서하게 배열된 탄소 나노튜브막을 상기 절연층(120)의 외표면에 피복하는 것에 의해 형성될 수도 있으며, 탄소 나노튜브를 포함하는 복합재료를 상기 절연층(120)의 외표면에 직접 피복하는 것에 의해 형성될 수도 있다.
여기서, 상기 금속와이어 또는 금속박막의 재료는 구리(Cu), 금(Au), 또는 은(Ag)과 같은 도전성이 우수한 금속 또는 그들의 합금이 사용된다. 상기 탄소 나노튜브선, 탄소 나노튜브가 질서정연하게 배열된 단층(單層) 또는 다층(多層)의 탄소 나노튜브막은 복수개의 탄소 나노튜브 단편(Segment)을 포함한다. 각 탄소 나노튜브 단편은 길이가 비슷하고 서로 평행으로 배열된 복수개의 탄소 나노튜브를 포함한다. 상기 복수개의 탄소 나노튜브 단편의 끝단과 끝단이 반 데르 발스의 힘에 의해 서로 연결되는 것에 의해 연속적인 탄소 나노튜브막 또는 탄소 나노튜브선을 형성한다. 상기 복합재료는 금속과 탄소 나노튜브의 복합 또는 폴리머와 탄소 나노튜브의 복합일 수 있다. 상기 폴리머 재료는 폴리에틸렌테레프탈레이드(PET), 폴리카보네이트(PC), 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리카보네이트/아크릴로니트릴부타디엔스티렌(PC/ABS) 등의 고분자 재료이다. 탄소 나노튜브를 상기한 폴리머용액 중에 균일하게 분산시킨 후, 상기 혼합용액을 절연층(120)의 외표면에 균일하게 도포하고 냉각하여 탄소 나노튜브를 포함한 폴리머층을 형성한다. 또한, 상기 쉴드층(130)은 탄소 나노튜브 복합박막 또는 탄소 나노튜브 복합 선상구조로 상기 절연층(120)을 피복하는 것에 의해 형성될 수도 있다. 상기 탄소 나노튜브 금속 복합 박막 또는 탄소 나노튜브 금속 복합 선상구조에 있어서, 탄소 나노튜브들은 질서정연하게 배열되어 있고, 상기 탄소 나노튜브들의 외표면에는 적어도 1층의 도전재료층이 피복되어 있다. 또한, 상기 쉴드층(130)은 상기한 복수종의 재료가 상기 절연층(120)의 외표면에 조합하는 것에 의해 구성될 수 있다.
상기 보호층(140)은 나노점토/고분자 재료와 같은 절연재료에 의해 형성된다. 여기서, 상기 나노점토는 나노고령토 또는 몬모릴로나이트을 사용하고, 고분자 재료는 실리콘수지, 폴리아미드 및, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌과 같은 폴리올레핀을 사용한다. 그러나, 보호층(140)의 재료는 상기한 재료에 제한되는 것은 아니다. 본 실시예에서, 보호층(140)의 재료는 나노고령토/폴리에틸렌 복합재료를 사용한다. 상기 나노고령토/폴리에틸렌 복합재료는 우수한 기계적 성능 및 난연성 을 갖는 저연 무할로겐(low-smoke halogen-free) 재료이다. 따라서, 상기 나노고령토/폴리에틸렌 복합재료는 케이블(10)에 보호를 제공할 뿐만 아니라 기계적, 물리적 및 화학적에 의한 손상을 방지하는 동시에 환경보호의 요구도 만족시킨다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하면서 본 실시예에 따른 케이블(10)의 제조방법에 대해 상세히 설명한다. 상기 케이블(10)의 제조방법은 다음과 같다.
공정 1: 탄소 나노튜브 어레이(216)를 제공한다. 상기 어레이가 초정렬 어레이(Superaligned Array) 탄소 나노튜브 어레이인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 탄소 나노튜브 어레이는, 단일벽 탄소 나노튜브 어레이, 이중벽 탄소 나노튜브 어레이 또는 다중벽 탄소 나노튜브 어레이 중의 일종 또는 몇 종이다.
본 실시예에서, 초정렬 어레이 탄소 나노튜브 어레이는 화학 기상 증착법 (Chemical Vapor Deposition, CVD)에 의해 형성된다. 그 공정은 다음과 같다.
(a) 평탄한 성장기판을 제공한다. 상기 기판으로서 P타입 또는 N타입 실리콘 웨이퍼(Silicon Wafer), 또는 표면에 산화층이 형성된 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있다. 본 실시예에서, 성장기판은 4인치의 실리콘 웨이퍼를 사용한다.
(b) 상기 성장기판의 표면에 균일한 촉매제(Catalyst)층을 형성한다. 상기 촉매제층의 재료는, 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 또는 상기 금속의 임의의 조합의 합금 중의 어느 한가지를 사용할 수 있다.
(c) 상기 촉매제층이 형성되어 있는 성장기판에 대하여, 700～900℃의 공기 중에서 약 30～90분 동안 어닐(Anneal: 풀림)처리를 진행한다.
(d) 상기 어닐처리를 한 성장기판을 보호기체가 있는 반응로에 넣고, 500～740℃까지 가열한다. 그 후, 탄소소스(Carbon Source) 가스를 반응로에 주입한 후 약 5～30분 동안 반응시켜, 상기한 성장기판에 탄소 나노튜브를 성장시켜 탄소 나노튜브 어레이를 얻는다. 상기 탄소 나노튜브 어레이의 높이는 200㎛～400㎛이다. 상기 탄소 나노튜브 어레이는 서로 평행이고 상기 성장기판에 수직으로 성장한 복수개의 탄소 나노튜브로 형성된 순수한 탄소 나노튜브 어레이이다. 즉, 상기한 성장조건의 제어에 의해, 성장한 탄소 나노튜브 어레이 중에 다른 물질(무정형탄소 또는 촉매제의 금속과립)이 거의 존재하지 않는다. 상기 탄소 나노튜브 어레이에 있어서, 탄소 나노튜브들이 서로 반 데르 발스의 힘에 의해 긴밀히 연결하여 어레이를 이룬다. 상기 탄소 나노튜브 어레이와 상기 성장기판의 면적은 거의 동등하다.
상기한 탄소소스 가스로서는 화학적 성질이 비교적 활발한 에틸렌(C2H4), 메탄(CH4), 아세틸렌(C2H2) 등을 사용할 수 있고, 상기한 보호기체로서는 질소(N) 또는 비활성 기체를 사용할 수 있다. 본 실시예에서는, 탄소소스 가스로서 아세틸렌을 사용하고, 보호기체로서 아르곤(Ar)가스를 사용한다.
공정 2: 드로잉(Drawing) 공구로 상기한 탄소 나노튜브 어레이(216)에서 탄소 나노튜브 구조(214)를 당겨 낸다.
상기 탄소 나노튜브 구조(214)의 구체적인 제조방법은 아래와 같다.
(a) 상기한 탄소 나노튜브 어레이(216)에서 일정한 폭의 복수개의 탄소 나노 튜브 단편을 선택한다. 본 실시예에서, 일정한 폭을 가지는 접착용 테이프 또는 핀을 상기 탄소 나노튜브 어레이(216)에 접촉하여 일정한 폭의 복수개의 탄소 나노튜브 단편을 선택한다.
(b) 상기 탄소 나노튜브 어레이(216)의 성장방향에 거의 수직으로 되는 방향을 따라 일정한 속도로 상기 선택한 복수개의 탄소 나노튜브 단편을 드로잉하여, 연속적인 탄소 나노튜브 구조(214)를 얻는다.
상기한 드로잉과정에서, 당기는 힘의 작용 하에 상기 복수개의 탄소 나노튜브 단편은 당기는 힘의 방향을 따라 상기한 성장기판에서 점진적으로 탈리된다. 이 때, 탈리된 탄소 나노튜브 단편들의 끝단이 각각 반 데르 발스의 힘에 의해 기타 탄소 나노튜브 단편들의 끝단과 연결되어, 균일하고 일정한 폭을 가지는 연속적인 탄소 나노튜브 구조(214)를 형성한다. 이 탄소 나노튜브 구조(214)는 끝단과 끝단이 서로 연결되고 정향배열된 복수개의 탄소 나노튜브 단편을 포함한다. 상기 탄소 나노튜브 구조(214) 중의 탄소 나노튜브의 배열방향은 상기 탄소 나노튜브 구조(214)를 당기는 방향과 거의 평행한다.
상기 탄소 나노튜브 구조(214)는 탄소 나노튜브막 또는 탄소 나노튜브선이다. 다시 말하면, 선택된 복수개의 탄소 나노튜브 단편의 폭이 비교적 넓을 경우, 드로잉하여 얻은 탄소 나노튜브 구조(214)는 탄소 나노튜브막이고[미시우주적(Microcosmic) 구조는 도 5를 참조], 선택된 복수개의 탄소 나노튜브 단편의 폭이 비교적 좁을 경우, 드로잉하여 얻은 탄소 나노튜브 구조(214)는 탄소 나노튜브선에 근사하다.
상기 직접 당겨 얻고 탄소 나노튜브가 우선방위로 배열된 탄소 나노튜브 구조(214)는 탄소 나노튜브가 무질서하게 배열된 탄소 나노튜브 구조보다 더욱 우수한 균일성을 가진다. 또한, 직접 당겨 얻은 탄소 나노튜브 구조(214)의 제조방법이 간단하고 신속하여 산업화 실현에 적용된다.
공정 3: 상기 탄소 나노튜브 구조(214)의 외표면에 적어도 1층의 도전재료층을 형성하여, 복합 탄소 나노튜브선(222)을 형성하는 것으로 케이블 코어를 얻는다.
본 실시예에서, 진공 증착 또는 이온 스퍼터링(Sputtering)과 같은 물리 기상 증착법(Physical Vapor Deposition, PVD)으로 도전재료층을 증착한다. 진공 증착법으로 도전재료층을 증착하는 것이 바람직하다.
진공 증착법으로 도전재료층을 형성하는 절차는 다음과 같다.
(a) 처음으로, 진공용기(210)를 제공한다.
상기 진공용기(210)는 증착 구간을 구비한다. 상기 증착 구간의 상부와 하부에는 적어도 하나의 증발원(Vaporizing sources)(212)이 설치되어 있다. 상기 적어도 하나의 증발원(212)은 적어도 1층의 도전재료층이 형성되는 순서에 따라 상기 탄소 나노튜브 구조(214)의 연신(延伸)방향으로 설치된다. 상기 각 증발원(212)은 모두 하나의 가열장치(도시되지 않았음)에 의해 가열된다. 상기 탄소 나노튜브 구조(214)는 상기 상하부의 증발원(212)의 사이에 상기 증발원(212)들과 일정한 간격을 두도록 설치된다. 상기 탄소 나노튜브 구조(214)의 상하 표면은 각각 상기 상하부의 증발원(212)에 대향한다. 상기 진공용기(210)는 외접된 진공펌 프(Vacuum Pump)(도시되지 않았음)에 의해 예정된 진공도에 도달할 수 있다. 상기 증발원(212)의 재료는 상기 탄소 나노튜브 구조(214)에 증착하려는 도전재료이다.
(b) 다음으로, 상기 증발원(212)을 가열하는 것으로 상기 증발원(212)의 재료를 증발 또는 승화시켜 도전재료 증기를 얻는다. 상기 도전재료 증기는 차가운 탄소 나노튜브 구조(214)를 만나서 상기 탄소 나노튜브 구조(214)의 상하 표면에 응집되어 도전재료층을 형성한다. 상기 탄소 나노튜브 구조(214) 중의 탄소 나노튜브들 사이에 간격이 존재하고 상기 탄소 나노튜브 구조(214)의 두께가 비교적 얇으므로, 상기 도전재료가 상기 탄소 나노튜브 구조(214) 중에 침입된다. 이로 인해, 상기 도전재료는 각 탄소 나노튜브의 외표면에 증착된다. 도전재료층이 증착된 탄소 나노튜브 구조(214)의 미시우주적 구조는 도 6 및 도 7의 사진을 참조한다.
또한, 탄소 나노튜부 구조(214)와 각 증발원(212)의 거리 및 증발원(212)들 사이의 거리에 대한 조절에 의해 각 증발원(212)은 대응되는 증착구역을 가진다. 복수층의 도전재료층의 증착이 필요할 경우, 복수개의 증발원(212)을 동시에 가열하여 탄소 나노튜브 구조(214)를 상기 각 증발원(212)의 대응 증착구역을 통과시켜 상기 탄소 나노튜브 구조(214)에 복수층의 도전재료층을 형성한다. 도전재료 증기의 밀도를 향상시키는 한편 도전재료가 산화되는 것을 방지하기 위하여, 진공용기(210) 중의 진공도를 1Pa(파스칼) 보다 크도록 한다. 본 실시예에서, 진공용기(210) 중의 진공도는 4×10-4Pa이다.
또한, 상기한 공정 1 중의 탄소 나노튜브 어레이(216)를 상기 진공용기(210) 중에 직접 설치하여 복합 탄소 나노튜브선(222)을 형성할 수 있다. 그 절차는 다음과 같다. (a) 우선, 진공용기(210) 중에서 드로잉 공구로 탄소 나노튜브 에레이(216)를 드로잉하여 탄소 나노튜브 구조(214)를 얻는다. (b) 다음에, 상기 적어도 하나의 증발원(212)을 가열하여 상기 탄소 나노튜브 구조(214)의 외표면에 적어도 1층의 도전재료층을 증착한다. 상기 탄소 나노튜브 구조(214)를 소정 속도로 지속적으로 당기고, 또 상기 탄소 나노튜브 구조(214)를 상기 증발원의 증착구역에 연속적으로 통과시켜 복합 탄소 나노튜브선(222)을 연속적으로 생산할 수 있다.
본 실시예에서, 진공증착법으로 적어도 1층의 도전재료층을 형성하는 절차는 다음과 같다. (a) 상기 탄소 나노튜브 구조(214)의 외표면에 1층의 젖음층을 형성한다. (b) 상기 젖음층의 외표면에 1층의 전이층을 형성한다. (c) 상기 전이층의 외표면에 1층의 도전층을 형성한다. (d) 상기 도전층의 외표면에 1층의 산화방지층을 형성한다. 즉, 상기 탄소 나노튜브 구조(214)를 연속적으로 각 재료층에 대응되는 증발원(212)의 증착구역을 통과시킨다. 그 중에서, 젖음층, 전이층 및 산화방지층의 제조절차를 생략하여도 좋다.
또한, 적어도 1층의 도전재료층을 상기 탄소 나노튜브 구조(214)의 외표면에 형성한 후, 상기 도전재료층의 외표면에 강화층을 추가로 형성할 수 있다. 구체적으로 말하면, 적어도 1층의 도전재료층이 형성되어 있는 탄소 나노튜브 구조(214)를 폴리머 용액이 담겨 있는 용기(container)(220) 내를 통과시킨다. 통과 과정에서, 상기 탄소 나노튜브 구조(214) 전체가 상기 용기(220)에 담겨 있는 폴리머 용 액에 의해 침투된다. 상기 폴리머 용액은 분자간의 작용력에 의해 상기 도전재료층의 외표면에 부착된다. 상기 부착된 폴리머 용액이 응고되어 강화층을 형성한다.
상기 탄소 나노튜브 구조(214)가 탄소 나노튜브선일 경우, 적어도 1층의 도전재료층이 형성되어 있는 탄소 나노튜브선, 즉 복합 탄소 나노튜브선(222)은 여타의 후속처리는 필요없다.
상기 탄소 나노튜브 구조(214)가 탄소 나노튜브막일 경우, 복합 탄소 나노튜브선(222)의 형성방법에는 적어도 1층의 도전재료층이 형성되어 있는 탄소 나노튜브막에 대한 기계적 처리가 추가로 포함된다. 상기 기계적 처리는 아래와 같은 두가지 방식이 있다.
첫 번째 방식: 적어도 1층의 도전재료층이 형성되어 있는 탄소 나노튜브 구조(214)를 기계적 외력으로 비틀어서 복합 탄소 나노튜브선(222)을 형성한다.
두 번째 방식: 적어도 1층의 도전재료층이 형성되어 있는 탄소 나노튜브 구조(214)를 절단하여 복합 탄소 나노튜브선(222)을 형성한다.
상기 비틀어서 복합 탄소 나노튜브선(222)을 형성하는 절차는 아래와 같은 두가지 방식이 있다.
(a) 상기 탄소 나노튜브 구조(214)의 일단에 접착되어 있는 드로잉공구를 회전 발동기에 고정하여 상기 탄소 나노튜브막을 비튼다. 이로 인해, 복합 탄소 나노튜브선(222)이 형성된다.
(b) 미부(尾部)에 탄소 나노튜브 구조(214)를 접착할 수 있는 방적구(紡績 具)를 제공한다. 상기 탄소 나노튜브 구조(214)와 방적구의 미부를 결합한 후, 상기 방적구를 회전함으로써, 상기 탄소 나노튜브 구조(214)를 비틀어서 복합 탄소 나노튜브선(222)을 형성한다. 상기 방적구의 회전방식에 대해서는 한정하지 않는다. 즉, 상기 방적구를 시계 방향으로 회전할 수 있거나, 반시계 방향으로 회전할 수 있고, 또 시계 방향과 반시계 방향을 결합하여 회전할 수 있다.
상기 탄소 나노튜브 구조를 비트는 방식은 아래와 같은 두가지가 있다.
방식 1: 탄소 나노튜브가 배열되는 방향을 따른 탄소 나노튜브 구조(214)의 양단을 비틀어서 복합 탄소 나노튜브선(222)을 형성할 수 있다.
방식 2: 탄소 나노튜브가 배열되는 방향에 수직되는 탄소 나노튜브 구조(214)의 양단을 비틀어서 복합 탄소 나노튜브선(222)을 형성할 수 있다.
그 중에서, 방식 1이 바람직하다. 상기한 방법에 의해 형성된 복합 탄소 나노튜브선(222)은 비틀림형태 구조를 가진다(도 8의 주사 전자현미경 사진을 참조).
상기 절단하여 복합 탄소 나노튜브선(222)을 형성하는 절차는 다음과 같다.
상기 탄소 나노튜브 구조(214)를 당기는 방향을 따라 절단하여 복수개의 복합 탄소 나노튜브선(222)을 형성한다. 상기 복수개의 탄소 나노튜브선(222)을 더욱 중첩하고 비틀어서 직경이 비교적 큰 복합 탄소 나노튜브선(222)을 형성할 수 있다. 이에 의해, 직경이 비교적 큰 케이블 코어를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 복합 탄소 나노튜브선(222)의 제조방법은 상기한 방법에만 한정되는 것은 아니다. 탄소 나노튜브막으로 복합 탄소 나노튜브선(222)을 형성할 수만 있다면 모두 본 발명이 보호하려는 범주에 속하다.
상기 복합 탄소 나노튜브선(222)을 제1롤러(224)에 수집(收集)할 수 있다. 그 수집방식은 상기 복합 탄소 나노튜브선(222)을 제1롤러(224)에 감는 것이다. 상기 복합 탄소 나노튜브선(222)을 케이블 코어로 한다.
또한, 탄소 나노튜브 구조(214)의 형성, 적어도 1층의 도전재료층의 형성, 강화층의 형성, 탄소 나노튜브 구조(214)에 대한 비트는 절차 및, 복합 탄소 나노튜브선(222)의 수집 절차 등을 모두 진공용기(210) 중에서 진행하는 것에 의해 복합 탄소 나노튜브선(222)을 연속적으로 생산할 수 있다.
공정 4: 상기 케이블 코어의 외표면에 적어도 1층의 절연층을 형성한다.
케이블 코어가 하나의 복합 탄소 나노튜브선(222)만을 포함할 경우, 용융상태의 폴리머를 제1압착장치(squeezing device)(230)로 상기 복합 탄소 나노튜브선(222)의 외표면에 압착하는 것으로 상기 절연층을 형성한다. 본 실시예에서, 용융상태의 폴리머는 폴리에틸렌 폼이다. 상기 복합 탄소 나노튜브선(222)이 제1압착장치에서 나오는 즉시, 상기 탄소 나노튜브선 (222)의 외표면에 압착된 용융상태의 폴리머는 팽창되어 절연층을 형성한다.
상기 절연층이 복수층일 경우, 상기한 절차를 반복적으로 실시하면 된다.
공정 5: 상기 절연층의 외표면에 적어도 1층의 쉴드층을 형성한다.
제2롤러(234)에 의해 제공되는 쉴드 밴드(shielding band)(232)를 상기 절연층의 주위를 따라 감싸서 쉴드층을 형성한다. 상기 쉴드 밴드(232)는 띠모양 막구조 또는 선상구조로 된다. 상기 띠모양 막구조는 금속 박막, 탄소 나노튜브막 또는 복합 탄소 나노튜브막 등을 포함하고, 상기 선상구조는 탄소 나노튜브선, 복합 탄소 나노튜브 선상구조 또는 금속선 등을 포함한다. 또한, 상기 쉴드 밴드(232)는 상기 복수종의 재료의 편직에 의해 형성될 수도 있다. 상기 쉴드 밴드(232)는, 점착제를 통해 상기 절연층의 외표면에 부착되어 쉴드층을 형성하거나, 상기 절연층의 외표면에 직접 감싸서 쉴드층을 형성할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 쉴드층은 복수개의 탄소 나노튜브선에 의해 형성된다. 상기 탄소 나노튜브선을 직접 상기 절연층의 외표면에 직접 감싸거나, 상기 복수개의 탄소 나노튜브선을 편직하여 그물모양 구조로 상기 절연층의 외표면에 감싸는 것으로 상기 쉴드층을 형성한다. 각 탄소 나노튜브선은 탄소 나노튜브 어레이로부터 얻은 복수개의 탄소 나노튜브 단편을 포함한다. 각 탄소 나노튜브 단편은 길이가 비슷하고 서로 평행인 복수개의 탄소 나노튜브에 의해 형성된다. 상기 탄소 나노튜브 단편들의 끝단과 끝단은 반 데르 발스의 힘에 의해 서로 연결된다.
상기 케이블 코어를 완전히 쉴드하기 위하여, 상기 절연층의 외표면에 쉴드 밴드(232)를 틈이 없도록 감싸는 것이 바람직하다. 즉, 서로 인접하는 쉴드 밴드(232)의 변을 중첩되도록 감싸는 것이다. 상기 탄소 나노튜브선, 복합 탄소 나노튜브 선상구조 또는 금속선 등과 같은 선상구조의 쉴드 밴드(232)를 직접 상기 절연층의 외표면에 직접 감싸거나, 상기 복수개의 탄소 나노튜브선을 편직하여 그물모양 구조로 상기 절연층의 외표면에 감싼다. 다시 말하면, 복수개의 탄소 나노튜브선 또는 금속선이 복수개의 보빈(bobbin)(236)을 통해 상기 절연층의 외표면에 다른 나선 방향으로 감싸서 쉴드층을 형성한다.
또한, 상기 쉴드층이 복수층일 경우, 상기한 절차를 반복하여 복수층의 쉴드 층을 얻을 수 있다.
공정 6: 상기 쉴드층의 외표면에 보호층을 형성한다.
상기 보호층은, 제2압착장치를 통해 상기 쉴드층의 외표면에 형성된다. 즉, 상기 보호층은 용융상태의 폴리머를 상기 쉴드층의 외표면에 압착한 후, 냉각하는 것에 의해 상기 쉴드층의 외표면에 형성된다.
상기한 방법에 의해 형성된 케이블을 제3롤러(260)에 수집(收集)할 수 있다. 상기 케이블을 롤러에 수집하는 것은 저장 또는 운송을 편리하게 하기 위해서이다.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 케이블(30)의 단면도이다. 상기 케이블(30)은 복수개의 케이블 코어(310)(도 9에서는 7개가 도시되었음)와, 복수개의 절연층(320), 쉴드층(330) 및, 보호층(340)을 포함한다. 상기 복수개의 절연층(320)은 각기 매개 케이블 코어(310)의 외표면을 피복하고, 상기 쉴드층(330)은 상기 복수개 절연층(320)의 외부를 피복하며, 상기 보호층(340)은 상기 쉴드층(330)의 외부를 피복한다. 상기 쉴드층(330)과 상기 절연층(320) 사이의 틈에는 절연재료를 채워 넣을 수 있다. 그 중에서, 각 케이블 코어(310), 각각의 절연층(320), 쉴드층(330) 및 보호층(340)의 구조, 재료 및 제조방법은, 제1실시예의 케이블 코어(110), 절연층(120), 쉴드층(130) 및 보호층(140)의 구조, 재료 및 제조방법과 기본적으로 같다.
도 10은 본 발명의 제3실시예에 따른 케이블(40)의 단면도이다. 상기 케이블(40)은 복수개의 케이블 코어(410)(도 10에서는 5개가 도시되었음)와, 복수개의 절연층(420), 복수개의 쉴드층(430) 및, 보호층(440)을 포함한다. 상기 복수개의 절연층(420)은 각각 각 케이블 코어(410)의 외표면을 피복하고, 상기 복수개의 쉴드층(430)은 각각 각 절연층(420)의 외표면을 피복하며, 상기 보호층 (440)은 복수개의 쉴드층(430)의 외부를 피복한다. 상기 쉴드층(430)의 작용은, 각 케이블 코어(410)에 대해 단독으로 쉴드한다. 이러한 경우, 외부의 요소가 상기 케이블 코어(410) 내부에서 전송되는 전기신호에 대한 간섭을 방지할 뿐만 아니라, 각 케이블 코어(410) 내부에서 전송되는 다른 전기신호간의 간섭도 방지할 수 있다. 여기서, 각 케이블 코어(410), 절연층(420), 쉴드층(430) 및 보호층(440)의 구조, 재료 및 제조방법은, 제1실시예의 케이블 코어(110), 절연층(120), 쉴드층(130) 및 보호층(140)의 구조, 재료 및 제조방법과 기본적으로 같다.
도 11은 본 발명의 제4실시예에 따른 케이블(50)의 단면도이고, 도 12는 도 11의 케이블(50) 중의 케이블 코어(520)의 사시도이다.
도 11을 참조하면, 상기 케이블(50)은 동축 케이블이다. 상기 동축 케이블(50)은 케이블 코어(520)와, 상기 케이블 코어(520)의 외표면을 피복하는 절연층(530), 상기 절연층(530)의 외표면을 피복하는 쉴드층(540) 및, 상기 쉴드층(540)의 외표면을 피복하는 보호층(550)을 포함한다. 그 중에서, 케이블 코어(520)와, 절연층(530), 쉴드층(540) 및, 보호층(550)은 동축으로 설치된다.
도 12를 참조하면, 상기 케이블 코어(520)는 탄소 나노튜브 선상구조(500) 및 상기 탄소 나노튜브 선상구조(500)의 외표면을 피복한 도전재료층(510)을 포함한다. 구체적으로 말하면, 상기 도전재료층(510)은, 상기 탄소 나노튜브 선상구조의 외표면에 직접 결합하는 젖음층(512)과, 상기 젖음층(512)의 외표면에 피복되는 전이층(513), 상기 전이층(513)의 외표면에 피복되는 도전층(514) 및, 상기 도전층의 외표면에 피복되는 산화방지층(515)을 포함한다. 상기 도전재료층(510)은 최저한으로 도전층(514)을 포함한다. 상기 젖음층(512)과, 상기 전이층(513) 및, 상기 산화방지층(515)은 설치하지 않아도 좋다. 상기 케이블 코어(520)의 직경은 1㎛ 보다 크다. 바람직하기는, 상기 케이블 코어(520)의 직경은 10㎛～30㎛ 또는 1cm로 한다. 상기 케이블(50)의 강도를 향상시키기 위하여 도전재료층(510) 외부에 강화층(516)을 추가로 설치할 수 있다.
본 실시예의 젖음층(512)과, 전이층(513), 도전층(514), 산화방지층(515) 및, 강화층(516)의 구조 및 재료는, 제1실시예의 젖음층(112)과, 전이층(113), 도전층(114), 산화방지층(115) 및, 강화층(116)의 구조 및 재료와 동등하다.
상기 탄소 나노튜브 선상구조(500)는 적어도 하나의 탄소 나노튜브선 (502)을 포함한다. 상기 탄소 나노튜브선(502)의 직경은 4.5nm～100㎛이다.
도 13을 참조하면, 상기 탄소 나노튜브 선상구조(500)는 복수개의 탄소 나노튜브선(502)에 의해 구성된 묶음형태 또는 비틀림형태 구조일 수 있다. 탄소 나노튜브 선상구조(500)의 직경이 100㎛ 보다 작을 경우, 상기 탄소 나노튜브 선상구조(500)에 의해 형성된 케이블(50)은 신호전송영역에 응용될 수 있고, 탄소 나노튜브 선상구조(500)의 직경이 100㎛ 보다 클 경우, 상기 탄소 나노튜브 선상구조(500)에 의해 형성된 케이블(50)은 전력전송영역에 응용될 수 있다.
상기 탄소 나노튜브선(502)은 복수개의 탄소 나노튜브에 의해 묶음형태 또는 비틀림형태의 탄소 나노튜브선으로 될 수 있다.
도 14를 참조하면, 묶음형태의 탄소 나노튜브선(502)은 케이블 코어의 축방향을 따라 우선방위로 배열된 복수개의 탄소 나노튜브 단편을 포함한다. 각 탄소 나노튜브 단편은 길이가 비슷하고 서로 평행으로 배열된 복수개의 탄소 나노튜브 묶음을 포함한다. 상기 복수개의 탄소 나노튜브 단편의 끝단과 끝단이 반 데르 발스의 힘에 의해 서로 연결되고, 상기 탄소 나노튜브 묶음은 동일하게 우선방위로 배열된 복수개의 탄소 나노튜브를 포함한다. 상기 묶음형태의 탄소 나노튜브선(502)에 있어서, 복수개의 탄소 나노튜브는 선의 축방향을 따라 우선방위로 배열되고, 복수개의 탄소 나노튜브의 끝단과 끝단은 반 데르 발스의 힘에 의해 서로 연결된다. 상기 묶음형태의 탄소 나노튜브선(502)의 직경은 10㎛～30㎛로 하는 것이 바람직하다.
상기 비틀림형태의 탄소 나노튜브선(502)은 선의 축방향을 따라 나선형태로 배열된 복수개의 탄소 나노튜브를 포함한다. 즉, 상기 탄소 나노튜브선(502)의 축의 주위를 감는 형태로 배열되는 복수개의 탄소 나노튜브를 포함한다. 상기 복수개의 탄소 나노튜브의 끝단과 끝단은 반 데르 발스의 힘에 의해 서로 연결된다. 상기 비틀림형태의 탄소 나노튜브선(502)의 직경은 10㎛～30㎛로 하는 것이 바람직하다.
상기 탄소 나노튜브 선상구조(500) 중의 탄소 나노튜브는 단일벽 탄소 나노뷰브, 이중벽 탄소 나노뷰브 또는 다중벽 탄소 나노뷰브를 포함한다. 상기 단일벽 탄소 나노뷰브의 직경은 0.5nm～50nm이고, 이중벽 탄소 나노뷰브의 직경은 1nm～50nm이며, 다중벽 탄소 나노뷰브의 직경은 1.5nm～50nm이다.
종래 기술에 비하여, 상기한 본 발명에 따른 복합 탄소 나노튜브선을 코어로 하는 케이블 및 그의 제조방법은 아래와 같은 이점이 있다.
첫째, 복합 탄소 나노튜브선이 반 데르 발스의 힘에 의해 서로 연결되고 우선방위로 배열된 복수개의 탄소 나노튜브 단편을 포함하고, 각 탄소 나노튜브의 외표면에 모두 도전층이 형성된다. 그 중에서, 탄소 나노튜브 단편은 도전 및 지지작용을 한다. 상기 탄소 나노튜브층을 형성한 후 형성된 복합 탄소 나노튜브선은 종래의 금속도선 보다 더욱 가늘고, 또 초미세(超微細) 케이블의 제조에 적합하다.
둘째, 탄소 나노튜브는 중공인 튜브구조이고, 상기 탄소 나노튜브의 외표면에 형성된 도전재료층은 두께가 수 나노미터이기 때문에, 전류가 상기 도전재료층을 흐를 때 표피현상이 기본적으로 발생되지 않아, 신호의 전송과정에 있어서의 케이블의 신호손실을 회피할 수 있다.
셋째, 탄소 나노튜브가 우수한 역학적 성능 및 중공인 튜브구조를 가지므로, 탄소 나노튜브에 의한 케이블은 종래의 금속도선에 의한 케이블에 비해 기계적 강도가 높고, 질량이 가벼우며, 또 항공영역 및 우주시설 등과 같은 특수영역에도 적용된다.
넷째, 외표면에 도전재료층이 설치된 탄소 나노튜브를 포함하는 복합 탄소 나노튜브선에 의한 케이블 코어는, 순수한 탄소 나노튜브선에 의한 케이블 코어 보다 도전성이 더욱 우수하다.
다섯째, 복합 탄소 나노튜브선은 탄소 나노튜브막을 직접 비틀어서 형성되거나 탄소 나노튜브 어레이에서 직접 당겨 얻기 때문에, 그 제조방법이 간단하고, 제 조비용이 저렴하다.
여섯째, 탄소 나노튜브 어레이에서 탄소 나노튜브 구조를 얻는 절차 및 적어도 1층의 도전재료층을 형성하는 절차가 모두 진공용기 중에서 진행되므로, 케이블 코어의 규모화 생산에 유리하다. 따라서, 케이블의 규모화 생산에도 유리하다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는것은 아니고, 첨부된 특허 청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 케이블의 단면도이다.
도 2는 도 1의 케이블 중의 한가닥 탄소 나노튜브의 구조 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 케이블의 제조방법의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 케이블의 제조장치의 구조도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소 나노튜브막의 주사 전자현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 도전재료층이 형성되어 있는 탄소 나노튜브막의 주사 전자현미경 사진이다.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 도전재료층이 형성되어 있는 탄소 나노튜브막 중의 탄소 나노튜브의 투과 전자현미경 사진이다.
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 탄소 나노튜브 구조를 비틀어 형성된 비틀림형태의 탄소 나노튜브의 선상구조의 주사 전자현미경 사진이다.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 케이블의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 제3실시예에 따른 케이블의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제4실시예에 따른 케이블의 단면도이다.
도 12는 도11의 케이블 중의 케이블 코어의 사시도이다.
도 13은 도12의 케이블 코어 중의 탄소 나노튜브 선상구조의 단면도이다.
도 14는 본 발명의 제4실시예에 따른 묶음형태의 탄소 나노튜브선의 주사 전자현미경 사진이다.
＜도면 부호 설명＞
10 --- 케이블 110 --- 케이블 코어
111 --- 탄소 나노튜브 112 --- 젖음층
113 --- 전이층 114 --- 도전층
115 --- 산화방지층 116 --- 강화층
120 --- 절연층 130 --- 쉴드층
140 --- 보호층 210 --- 진공용기
212 --- 증발원 214 --- 탄소 나노튜브 구조
216 --- 탄소 나노튜브 어레이 220 --- 용기
222 --- 복합 탄소 나노튜브선 224 --- 제1롤러
230 --- 제1압착장치 232 --- 쉴드 밴드
234 --- 제2롤러 236 --- 보빈
240 --- 제1압착장치 260 --- 제1롤러

Claims (15)

  1. 적어도 하나의 케이블 코어와, 상기 케이블 코어를 피복하는 적어도 1층의 절연층, 상기 절연층을 피복하는 적어도 1층의 쉴드층 및, 상기 쉴드층을 피복하는 보호층을 구비하되, 상기 케이블 코어가 복수개의 탄소 나노튜브 및 도전재료를 포함하는 케이블에 있어서,
    상기 복수개의 탄소 나노튜브 및 도전재료는 적어도 하나의 복합 탄소 나노튜브선을 구성하고,
    상기 복수개의 탄소 나노튜브는 복합 탄소 나노튜브선 중에서 케이블 코어의 축방향을 따라 질서정연하게 배열되며,
    각 탄소 나노튜브의 외표면에 적어도 1층의 도전재료층이 피복되고,
    상기 도전재료층은 젖음층과, 전이층, 도전층 및, 산화방지층을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복합 탄소 나노튜브선 중에서 탄소 나노튜브는 케이블 코어의 축방향을 따라 우선방위로 배열되는 것을 특징으로 하는 케이블.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복합 탄소 나노튜브선 중에서 탄소 나노튜브는 케이블 코어의 축방향을 따라 나선형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 케이블.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복합 탄소 나노튜브선의 직경이 4.5nm～100㎛인 것을 특징으로 하는 케이블.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 케이블 코어는 복수개의 복합 탄소 나노튜브선을 포함하고,
    상기 복수개의 복합 탄소 나노튜브선은 서로 평행으로 묶음을 이루거나, 또는 서로 비틀려져 비틀림형태를 이루는 것을 특징으로 하는 케이블.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 도전재료층의 재료는 구리, 은, 금, 니켈, 팔라듐, 티타늄, 백금 또는 그들의 임의의 조합의 합금이고, 상기 도전재료층의 두께는 1nm～20nm인 것을 특징으로 하는 케이블.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 케이블 코어는 도전층의 외표면에 설치되는 강화층을 추가로 포함하고,
    상기 강화층의 재료가 폴리비닐알콜, 폴리파라페닐렌벤조비스옥사졸, 폴리에틸렌, 또는 폴리염화비닐인 것을 특징으로 하는 케이블.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 케이블 코어의 직경이 4.5nm 보다 큰 것을 특징으로 하는 케이블.
  9. 제1항에 있어서,
    케이블은, 복수개의 케이블 코어와, 각각 각 케이블 코어의 외표면을 피복하는 복수개의 절연층, 각각 각 절연층의 외표면을 피복하는 복수개의 쉴드층 및, 상기 복수개의 쉴드층을 피복하는 하나의 보호층을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블.
  10. 적어도 하나의 케이블 코어와, 상기 케이블 코어를 피복하는 적어도 1층의 절연층, 상기 절연층을 피복하는 적어도 1층의 쉴드층 및, 상기 쉴드층을 피복하는 하나의 보호층을 구비하되, 상기 케이블 코어는 복수개의 탄소 나노튜브 및 도전재료를 포함하는 케이블에 있어서,
    상기 케이블 코어 중의 복수개의 탄소 나노튜브는 적어도 하나의 탄소 나노튜브 선상구조를 형성하고,
    상기 복수개의 탄소 나노튜브는 탄소 나노튜브 선상구조 중에서 케이블 코어의 축방향을 따라 질서정연하게 배열되며,
    상기 도전재료가 상기 탄소 나노튜브 선상구조의 외표면을 피복해서 적어도 1층의 도전재료층을 형성하고,
    상기 도전재료층은 젖음층과, 전이층, 도전층 및, 산화방지층을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블.
  11. 케이블의 제조방법에 있어서,
    적어도 하나의 탄소 나노튜브 구조를 제공하는 공정과;
    상기 적어도 하나의 탄소 나노튜브 구조의 외표면에 젖음층과, 전이층, 도전층 및, 산화방지층을 포함하는 적어도 1층의 도전재료층을 형성하여 케이블 코어를 얻는 공정과;
    상기 케이블 코어의 외표면에 적어도 1층의 절연층을 형성하는 공정과;
    상기 절연층의 외표면에 적어도 1층의 쉴드층을 형성하는 공정; 및
    상기 쉴드층의 외표면에 보호층을 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 도전재료층은 진공증착법 또는 이온 스퍼터링법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 케이블의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브 구조가 탄소 나노튜브막 또는 탄소 나노튜브선을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 탄소 나노튜브 구조가 탄소 나노튜브막일 경우, 상기 케이블의 제조방법은 도전재료층이 형성되어 있는 탄소 나노튜브막에 대해 기계적 처리를 실시하는 절차를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 기계적 처리는 도전재료층이 형성되어 있는 탄소 나노튜브막에 대해 비트는 절차 또는 도전재료층이 형성되어 있는 탄소 나노튜브막에 대해 절단을 실시하는 절차를 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블의 제조방법.
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