KR101376602B1 - 전자기파 차폐용 철동합금 압연박판 및 그 제조방법 - Google Patents

전자기파 차폐용 철동합금 압연박판 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철 3 ~ 30중량%와 나머지 동을 함유하는 철동합금 압연박판 즉, 철 3 ~ 30중량%와 동 70 ~ 97중량%로 이루어진 철동합금 압연박판의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 철동합금 압연박판은 철동모합금과 금속구리의 용탕을 슬라브로 주조하여 열처리 및 단단압연기로 총압하율 90%이상으로 압연하여 100 ~ 10㎛ 두께의 철 3 ~ 30중량%와 동 70 ~ 97중량%로 이루어진 철동합금 압연박판을 제조하는 것으로 이루어지며, 본 발명의 철동합금 압연박판은 1GHz ~ 1.5GHz 고주파 영역에서 80dB 이상의 전자기파 차폐효과를 나타내므로 전자기파 차폐효과가 극히 우수하여 정밀기계나 로봇, 자동차 등의 회로에서 노이즈에 의한 오작동 제어, 휴대폰의 노이즈 감소를 할 수 있는 장점이 있어 전자기파 차폐소재로 널리 적용될 수 있다.

Description

전자기파 차폐용 철동합금 압연박판 및 그 제조방법 {Electromagnetic wave shielding Fe-Cu Foil and Manufacturing method for the same}
본 발명은 전자기파 차폐용 철동합금 압연박판 및 그 제조방법에 관한 것이며, 구체적으로는 전자기파 차폐 특성을 갖는 전자기파 차폐용 철동합금 압연박판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 케이블은 보통 보호 외피나 외장 안에 하나 이상의 전선이나 광섬유의 묶음이 절연된 상태로 내장되어 있으며, 전선은 높은 전도도와 전기저항이 적고, 견인강도가 요구되므로 1 ~ 5㎜ 정도의 구리선을 몇 줄 내지 몇십 줄을 한데 꼬은 동연선(銅撚線)이나, 중심부에 강철선을 꼬아 넣고 둘레에는 알루미늄선을 사용한 강심(鋼心) 알루미늄선을 사용하고 있으며, 27.5만V의 초고압 송전선에서는 이 같은 도체를 다시 몇 가닥 다발로 만든 복도체방식(複導體方式)이 주류를 이루고 있다.
상기한 케이블은 용도에 따라 전력용 케이블과 정보 통신분야의 제어용 케이블 등으로 사용되고 있으며, 제어용 케이블의 경우에는 외부로부터 발생되는 전자기파 및 정전기에 의해 케이블 내의 전기 신호 등에 노이즈(noise)가 발생되는 것을 방지하기 위해 전자기파를 차폐하여야 한다.
전자기파 차폐기술로는 동 테이프나 알루미늄 테이프를 피복하는 방식으로 전자기파 차폐가 적용되는 통신케이블에 적용되고 있으나, 동이나 알루미늄, 철 등 일반적인 금속소재로는 차폐가 되지만, 자기파는 일반적인 금속으로는 차폐가 어렵고 비철이 아닌 철을 사용했을 경우에는 단심케이블의 경우 전자기유도에 의한 열이 발생되어 케이블의 수명 단축이나 노후화가 빠르게 진행되는 문제점이 있을 뿐 아니라 내식성이 약해 추가로 도금공정이 필요하며 또 더 나아가 동테이프를 감고 다시 연철테이프를 감거나 연철테이프를 감고 동선으로 감는 방식을 사용하고 있으나, 열이 발생되거나 이중작업으로 인한 케이블 생산비용의 증가, 철의 부식을 방지하기 위한 도금비용의 증가에 따른 문제점 및 차폐효과도 30㏈ 이하의 수준으로서 40㏈ 이상의 차폐수준을 요구하는 제어용케이블이나 10미크론 정도의 극압연박을 사용하는 차폐재로는 생산이 불가했던 문제점이 있었다.
상기한 전자기파 차폐기술과 관련하여 선행기술로 예를 들면, 국내 특허공보 공고번호 특 1990-2983호에 주석 1-4중량%, 안티몬 2-7중량% 등으로 이루어진 '연합금 박엽체 및 이를 사용한 케이블 피복용 연 라미네이트 테이프를 개시하고 있으나, 연합금은 내식성은 뛰어나나, 도전성이 떨어져 전자기파 차폐효과가 떨어지는 단점이 있으며, 또 국내 등록특허공보 등록번호 제10-567739호에는 알루미늄 포일층과; 상기 알루미늄 포일층의 일면에 접착제층을 매개로 하여 접착되어 적층되는 필름층과; 상기 필름층의 외면에 우레탄 계열의 수지 용액을 입혀 건조시켜서 히트실링 처리되어 형성되는 우레탄수지 접착층과; 펠릿을 용융시킨 상태에서 상기 우레탄수지 접착층의 외면에 분출하여 코팅 형성되어 적층되는 본딩층을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 알루미늄 마일라 테이프를 개시하고 있으나, 필름층을 갖으며, 접착제 등으로 양 층을 적층하는 등 제조공정이 복잡하여 생산성이 저하되며, 층과 층 사이가 벌어지는 문제점이 있을 뿐 아니라 동이나 알루미늄, 철 등의 소재에서는 0.1㎒에서 100㎒에 이르는 저주파 영역에서는 전자기파 차폐효과가 거의 없는 문제점이 있다.
그리고 본 발명의 발명자가 개발한 국내 특허공보 등록번호 제 10-1182110호에는 무산소동 또는 타프피치동을의 압연 로울러에 들어갈 수 있도록 주조하여 평판으로 만든 다음, 압연공정당 압하율 50%로 하는 공정을 반복하는 방법으로 두께 0.5 ~ 3㎜로 압연하고, 진공로에서 150 ~ 400℃로 30분 ~ 8시간동안 열처리한 다음, 압하율 50%로 하는 공정을 반복하는 방법으로 두께가 6~ 40㎛되도록 압연하는 압연동박에 의한 동테이프 제조방법을 개시하고 있으며, 이러한 선행기술은 압연 롤러와 열처리로 간단하게 압연동박판을 제조할 수 있으나, 동테이프인 원재료가 고가인 까닭으로 제조원가가 높으며, 동테이프는 강도가 낮아 압연시 종종 테이프가 훼손되는 문제점이 있었다.
본 발명은 종래기술 및 상기 선행기술의 문제점을 해결하여 전력용, 제어용(CVS, CVVS, CCVS 등) 동축케이블의 전자기파 차폐용으로 사용하는 기존의 동 테이프, 알루미늄 마일라 테이프, 동테이프-철테이프 등을 대체할 수 있는 철동합금에 의한 전자기파 차폐효과가 우수한 소재를 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 기존의 동 테이프, 알루미늄 마일라 테이프, 동테이프-철테이프 등을 전력용, 제어용(CVS, CVVS, CCVS 등) 동축케이블에 사용한 전자기파 차폐 케이블을 대체할 수 있는 전자기파 차폐용 철동합금 압연박판 및 그 제조방법의 제공을 목적으로 하며, 보다 상세하게는 전자기파 차폐 특성을 갖는 전자기파 차폐용 철동합금 압연박판 및 그 제조방법의 제공을 목적으로 하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 과제의 해결수단으로 전자기파 차폐용 철동합금 압연박판의 제조방법은 재료금속을 용해한 용탕을 주조하고, 열처리한 다음 압연하는 것으로 이루어지며, 보다 구체적으로는 a) 철동(Fe-Cu)모합금과 동(Cu)을 용해시켜 철 3 ~ 30중량%와 동 70 ~ 97중량%로 이루어지는 용탕을 형성하는 용탕형성공정과; b) 용탕표면에 무수붕사 및 빙정석으로부터 선택되는 어느 하나를 투입하는 용탕피복공정과; c) 상기 용탕을 철동합금 슬라브로 주조하는 주조공정과; d) 상기 슬라브를 열간 압연하고 면삭한 후 냉간압연으로 조압연하여 제1평판체를 제조하는 조압연공정과; e) 상기 제1평판체를 열처리하여 탄성을 제거하여 제2평판체를 제조하는 열처리공정; 및 f)상기 제2평판체를 반복압연에 의해 총압하율 90%이상으로 압연하여 100 ~ 10㎛ 박판을 제조하는 압연공정을 포함하는 것으로 이루어진다.
본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위한 과제의 해결수단으로 전자기파 차폐용 철동합금 압연박판은 상기한 a)공정 내지 f)공정으로 이루어진 전자기파 차폐용 철동합금 압연박판의 제조방법에 의해 제조되는 철 3 ~ 30중량%와 나머지 동을 함유하는 철동합금 압연박판 즉, 철 3 ~ 30중량%와 동 70 ~ 97중량%로 이루어지고, 1GHz ~ 1.5GHz 고주파 영역에서 80dB 이상의 전자기파 차폐효과를 나타내는 두께 100 ~ 10㎛의 전자기파 차폐용 철동합금(Copper Ferrous Alloy ; CFA) 압연박판으로 이루어진다.
상기 본 발명에 따른 a)용탕형성공정은 재료금속으로 철동(Fe-Cu)모합금과 금속 동(Cu)을 함께 용해시키는 것으로 이루어지며, 재료금속의 하나로 철동모합금을 사용하는 것에 의해 용해온도를 1300℃로 낮추어 용해할 수 있으므로 금속 철을 용해할 경우 철의 융점인 1539℃의 고온으로 용해함으로써 발생되는 철의 과도한 산화와 로벽의 침식, 사용지그의 제한에 따른 제반 문제점을 해결할 수 있다.
상기 철동(Fe-Cu)모합금은 본 발명이 속하는 기술분야에서 알려진 방법에 의해 제조할 수 있다. 예를 들면, 철을 완전히 용해시킨 용탕 내에 구리와 플럭스를 투입하고 용해시킨 다음 용탕 표면의 플럭스를 제거하고 응고시켜 철동모합금 잉고트를 제조하는 방법으로 제조할 수 있으며, 철과 동의 함량이 중량비로 50 대 50 또는 40 대 60인 철동모합금을 사용하는 것이 바람직하다.
또 상기 철동모함금과 함께 용해시키는 금속 동(Cu)의 투입비율은 본 발명에 따른 철 3 ~ 30중량%와 나머지 동을 함유하는 철동합금의 제조를 위하여 철과 동의 함유비율을 유지할 수 있는 범위로 투입되어야 하기 때문에 상기 철동모합금의 사용량에 따라 정해진다.
본 발명에 따른 b) 용탕피복공정에서 투입하는 무수붕사 또는 빙정석은 재료금속의 용탕표면을 피복하여 철의 산화를 방지하는 용탕표면 피복재이며, 철은 융점이 높아 산화되기 쉬우며 특히, 철산화물인 Fe2O3, Fe3O4 등은 비금속 개재물로 존재하여 열간 압연시 압연판이 깨지는 원인이 되기 때문에 철이 산화가 되지 않도록 용해 주조시 용탕의 표면피복을 철저히 해주어야 하며, 동을 용해할 때는 일반적으로 용탕피복을 위하여 카본Flux 또는 숯을 도포하지만, 철동합금에 카본Flux 또는 숯을 피복재로 사용할 경우 카본Flux 또는 숯의 탄소성분이 철과 결합하여 FeC나 Fe3C가 되어 도전율을 떨어뜨리면서 동시에 전자기파 차폐 기능을 감소시킨다.
본 발명에서는 무수붕사 또는 빙정석을 사용하여 용탕의 표면을 피복하여 철의 산화를 막는 것으로 이루어지며, 피복재는 철동모합금 100중량부에 대하여 0.1 ~ 0.5중량부의 비율로 투입하는 것으로 이루어진다.
상기 본 발명에 따른 d)조압연공정은 상기 c)주조공공정에서 주조된 슬라브를 압연에 적합한 정도로 평판체를 형성하는 전처리단계이며, e)열처리공정은 상기 d)조압연공정에서 얻어진 제1평판체를 철동합금 소재의 전자기파 차폐특성을 최대로 나타낼 수 있도록 열처리하며, 열처리조건은 질소가스분위기 또는 부피단위로 수소가 0.1 ~ 10% 함유한 질소가스 분위기 하에 300℃에서 800℃의 온도구간에서 3 ~ 21시간 열처리하거나 또는 300℃에서 800℃의 온도구간에서 1 ~ 7시간씩 3회로 나누어 열처리하여 경도가 1/4H- 1/2H가 되도록 열처리하는 것으로 이루어진다.
상기 f)압연공정은 전자기파 차폐효과를 최대화시키는 압연비로 압연하며, 5 ~ 6회 반복압연에 의해 총압하율이 90%이상 되도록 압연하여 100 ~ 10㎛ 박판을 제조하는 것으로 이루어지며, 본 발명의 압연공정은 잘 알려진 다단압연기 예를 들면, 20단 압연기로 압연하여 100 ~ 10㎛ 박판을 제작할 수 있다.
그리고 본 발명의 또 다른 목적은 상기 본 발명에 따른 a)용탕형성공정 내지 f)압연공정에 의해 제조된 철 3 ~ 30중량%와 나머지 동을 함유하는 철동합금(Copper Ferrous Alloy ; CFA) 100 ~ 10㎛ 압연박판을 이용하여 제조한 전자기파 차폐특성을 갖는 케이블로 이루어지며, 본 발명에 따른 전자기파 차폐특성을 갖는 케이블은 일반적으로 중앙도체와 절연층 및 외부피복층으로 이루어진 케이블에서 절연층 외부를 상기 본 발명에 따른 철 3 ~ 20중량%와 나머지 동을 함유하는 철동합금(Copper Ferrous Alloy ; CFA) 100 ~ 10㎛ 압연박판을 나선형으로 테이핑하여 전자기파 차폐층을 형성한 다음 외부피복층을 형성하는 것으로 이루어진다.
본 발명의 철 3 ~ 30중량%와 나머지 동을 함유하는 철동합금(Copper Ferrous Alloy ; CFA)은 전자기파 차폐효과를 최대화 할 수 있는 높은 압하율로 압연하여 박판으로 형성할 수 있는 특징이 있으며, 이러한 철동합금 압연박판에 의해 제조된 전자기파 차폐용 케이블은 동이나 알루미늄, 철을 차폐재로 사용하는 기존 케이블에 비하여 고강도, 내부식성 및 전자기파 등의 차폐기능이 뛰어나며, 제조공정이 단순하여 생산성 향상과 원재료의 원가를 절감할 수 있으며, 또한 본 발명의 철동합금 압연박판은 1GHz ~ 1.5GHz 고주파 영역에서 80dB 이상의 전자기파 차폐효과를 나타내므로 기존 동 소재가 30dB 이하인 점을 감안하면 본 발명에 따른 철동합금 압연박판의 전자기파 차폐효과가 극히 우수하여 정밀기계나 로봇, 자동차 등의 회로에서 노이즈에 의한 오작동 제어, 휴대폰의 노이즈 감소를 할 수 있는 장점이 있어 전자기파 차폐소재로 널리 적용될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 철동합금(Copper Ferrous Alloy ; CFA90)의 0.1T 압연박판에 대한 전자기파 차폐효과 시험성적서 사본.
도 2는 본 발명의 철동합금(Copper Ferrous Alloy ; CFA90)의 10㎛ 압연박판에 대한 전자기파 차폐효과를 나타내는 도표.
도 3은 20단 다단압연기를 개략적으로 나타낸 도면.
이하에서는 첨부한 도면 및 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하지만 아래 설명에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<실시예1> 본 발명의 철동합금(10Fe- 90Cu; CFA90)의 슬라브 주조
미리 준비한 철동모합금(50Fe- 50Cu) 잉고트 150㎏을 고주파 유도로 내에 장입하고 전기를 인가하여 완전히 용해시킨 다음, 금속 동 600㎏을 장입하고, 계속하여 플럭스 300g 투입하여 용탕 온도를 1400℃까지 올린 후 전력 공급을 중지하고, 탈산처리하고, 약5분간 진정시킨 다음 표면의 플럭스를 유지하면서 수직연속주조방식으로 1300℃에서 몰드로 이탕하여 두께 150mm 폭300mm 길이 2000mm의 슬라브로 주조하였다
<실시예2> 본 발명의 철동합금(10Fe- 90Cu; CFA90) 0.1T 두께의 압연박판 제조
상기 <실시예1>에서 얻은 슬라브를 일반적인 방법에 따라 12㎜ 두께로 열간 압연하고 면삭한 후, 1㎜ 두께로 냉간압연기에서 조압연하여 제1평판체를 얻은 다음, 질소분기하에 300℃에서 800℃의 온도구간에서 20시간 열처리하여 제2평판체를 얻었다.
상기 제2평판체를 압연소재로 하여 [도 3]에 나타낸 바와 같은 20단 압연기로 1T → 0.7T → 0.4T → 0.28T → 0.2T → 0.14 → 0.1T의 두께를 갖도록 순차적으로 압연하여 총압하율 90%인 0.1T 두께의 철동합금(10Fe- 90Cu; CFA90) 압연판박을 제조하였다.
<실시예3> 본 발명의 철동합금(10Fe- 90Cu; CFA90) 10㎛ 두께의 압연박판 제조
상기 <실시예1>와 동일한 방법으로 얻은 슬라브를 일반적인 방법에 따라 1㎜ 두께로 열간 압연하고 면삭한 후, 0.1㎜ 두께로 냉간압연기에서 조압연하여 제1평판체를 얻은 다음, 질소분기하에 300℃에서 800℃의 온도구간에서 20시간 열처리하여 제2평판체를 얻었다.
상기 제2평판체를 <실시예2>와 동일한 방법으로 압연하여 총압하율 90%인 0.01T(10㎛)두께의 철동합금(10Fe- 90Cu; CFA90) 압연박을 제조하였다.
상기 <실시예2> 및 <실시예3>의 다단 압연기를 개략적으로 설명하면 [도 3]에 도시되 바와 같이 압연장치(2)는 압연되는 압연재(W)를 권출하는 권출부(3)와 압연된 압연재(W)를 권취하는 권취부(4)를 갖고 있고, 권출부(3)와 권취부(4) 사이에는 압연재(W)를 압연하는 다단압연기(1)가 설치되어 있으며, 압연재(W)를 판 통과 방향을 정역(正逆)으로 전환하면서(판 통과 방향을 [도 3]의 흑색 화살표와 백색 화살표 사이에서 반전시키면서) 리버스 압연할 수 있도록 되어 있다.
<시험예1 및 2>
상기 <실시예2> 및 <실시예3>에서 제조한 0.1T 및 0.01T(10㎛)두께의 본 발명의 철동합금(10Fe- 90Cu; CFA90) 압연박판 각각에 대하여 전자기파 차폐효과를 시험하고 [도 1 (a), (b)] 및 [도 2]로 첨부하였다.
첨부한 [도 1(a), (b)]은 한국산업기술시험원의 시험성적서(1면, 4면)로 본 발명의 철동합금(10Fe- 90Cu; CFA90) 0.1T 두께의 압연박판에 대한 전자기파 차폐효과의 측정결과를 나타내며, [도 2]는 본 발명의 철동합금(10Fe- 90Cu; CFA90) 10㎛ 두께의 압연박판에 대한 측정결과를 나타낸 도표로서 [도 1 (a), (b)] 및 [도 2]의 측정결과에 나타난 바에 의하면, 본 발명의 철동합금 압연박판은 1GHz ~ 1.5GHz 고주파 영역에서 80dB 이상의 전자기파 차폐효과가 나타내고 있음을 확인할 수 있으므로 기존 동 소재가 30dB 이하인 점을 감안하면 본 발명에 따른 철동합금 압연박판의 전자기파 효과가 매우 우수하다는 것을 수 있다.
참고적으로, 아래 전자기파 차폐효과를 (%)로 나타내는 계산식에 의하면 전자기파 차폐효과에서 80dB와 30dB를 비교하면, 80dB 이상의 전자기파 차폐를 나타내는 본 발명에 따른 동철합금 압연박판의 전자기파 차폐효과가 100000배 우수한 것으로 계산된다.
[계산식] 전력차폐효과(%)=(1- 10-A/10)× 100 (식에서 A는 dB).
즉, 상기 계산식에 따라 80dB의 전자기파 차폐효과(%)는 99.999999%이고, 30dB의 전자기파 차폐효과(%)는 99.9%로 계산되므로 차폐효과 100%를 기준할 때, 0.000001% 투과와 0.1% 투과의 차이가 있으므로 전자기파 차폐효과에서 80dB가 30dB에 비하여 전자기파 차폐효과가 100000배 우수한 것으로 계산된다.
1 : 다단 압연기 2 : 압연 장치
3 : 압연되는 압연재(W)를 권출하는 권출부
4 : 압연된 압연재(W)를 권취하는 권취부

Claims (5)

  1. a) 철동(Fe-Cu)모합금과 동(Cu)을 용해시켜 철 5 ~ 20중량%와 동 80 ~ 95중량%로 이루어진 용탕을 형성하는 용탕형성공정과;
    b) 용탕표면에 무수붕사 및 빙정석으로부터 선택되는 어느 하나를 투입하는 용탕피복공정과;
    c) 상기 용탕을 철동합금 슬라브로 주조하는 주조공정과;
    d) 상기 슬라브를 열간 압연하고 면삭한 후 냉간압연으로 조압연하여 제1평판체를 제조하는 조압연공정과;
    e) 상기 제1평판체을 열처리하여 잔류응력을 제거하여 제2평판체를 제조하는 열처리공정; 및
    f) 상기 제2평판체을 반복압연에 의해 총압하율 90%이상으로 압연하여 100 ~ 10㎛ 박판을 제조하는 압연공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 철 5 ~ 20중량%와 동 80 ~ 95중량%로 이루어진 전자기파 차폐용 철동합금(Copper Ferrous Alloy ; CFA) 압연박판의 제조방법.
  2. 청구항1에 있어서, a)용탕형성공정의 철동(Fe-Cu)모합금은 철과 동의 함량이 중량비로 50 대 50 또는 40 대 60인 것을 특징으로 하는 철 5 ~ 20중량%와 동 80 ~ 95중량%로 이루어진 전자기파 차폐용 철동합금(Copper Ferrous Alloy ; CFA) 압연박판의 제조방법.
  3. 청구항1 또는 청구항2에 있어서, e) 열처리공정은 질소가스분위기 또는 부피단위로 수소가 0.1 ~ 10% 함유한 질소가스분위기 하에 300℃에서 800℃의 온도구간에서 3 ~ 21시간 열처리하거나 또는 300℃에서 800℃의 온도구간에서 1 ~ 7시간씩 3회로 나누어 열처리하여 경도가 1/4H- 1/2H가 되도록 열처리하는 것을 특징으로 하는 철 5 ~ 20중량%와 동 80 ~ 95중량%로 이루어진 전자기파 차폐용 철동합금(Copper Ferrous Alloy ; CFA) 압연박판의 제조방법.
  4. 청구항3에 있어서 f)압연공정은 다단압연기로 5 ~ 6회 반복 압연하는 것을 특징으로 하는 철 5 ~ 20중량%와 동 80 ~ 95중량%로 이루어진 전자기파 차폐용 철동합금(Copper Ferrous Alloy ; CFA) 압연박판의 제조방법.
  5. 청구항 4에 기재된 제조방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 철 5 ~ 20중량%와 동 80 ~ 95중량%로 이루어진 전자기파 차폐용 철동합금(Copper Ferrous Alloy ; CFA) 압연박판.
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