KR101487211B1 - 고주파 전선 및 고주파 코일 - Google Patents

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Abstract

알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 중심 도체(導體)(1)와, 중심 도체(1)를 피복하는 동(銅)으로 이루어지고, 길이 방향으로 섬유상 조직(fibrous structure)을 가지는 피복층(2)과, 중심 도체(1)와 피복층(2) 사이에 형성되고, 피복층(2)보다 체적 저항율이 큰 금속간(金屬間) 화합물층(3)을 구비하고, 피복층(2)의 단면적이, 중심 도체(1), 금속간 화합물층(3), 및 피복층(2)을 합친 전체 단면적에 대하여 15% 이하이다.

Description

고주파 전선 및 고주파 코일{HIGH FREQUENCY CABLE AND HIGH FREQUENCY COIL}
본 발명은 고주파 전선(電線) 및 고주파 코일에 관한 것이며, 특히 각종 고주파 기기의 코일, 리츠선(litz wire) 및 케이블 등에 이용되는 고주파 전선 및 고주파 코일에 관한 것이다.
고주파 전류를 통전(通電)하는 기기(변압기, 모터, 리액터, 유도 가열 장치 및 자기 헤드 장치 등)의 코일 및 급전(給電) 케이블에 있어서는, 이 고주파 전류에 의해 발생한 자계에 의해 도체(導體) 내에 와전류 손(eddy-current lose)이 생기고, 그 결과로서 교류 저항이 증대(표피 효과 및 근접 효과가 증대)하게 되어 발열 및 소비 전력 증대를 일으킨다. 표피 효과 및 근접 효과의 증대를 억제하는 대책으로서, 일반적으로는 선의 세경화(細徑化)와 각 소선(素線)을 절연 피복한 리츠선을 채용함으로써 도모하고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1∼5 참조).
그러나, 선행 기술 수단으로는, 접속을 위한 납땜 처리에 있어서 절연 피막의 제거 작업이 곤란하며, 또한 소선의 개수가 증가하므로 세경화에는 한도가 있는 점과, 표피 효과보다 근접 효과가 압도적으로 지배적인 선 직경에서는 효과적인 억제 대책이 발견되지 않고 있으며, 세경화 대책에 의해 얻어지는 특성에는 한계가 있는 점이 상식화되어 있다. 그리고, 특허 문헌 1∼5에 대책예가 기재되어 있지만, 모두 아이디어적인 것이며 구체성이 부족하여, 유효한 대책이라고 할 수는 없다.
또한, 특허 문헌 2에서는, 중심 도체 및 외측 도체로 이루어지는 복합 도체를 복수 사용하여 연선(撚線)을 만들고, 열처리를 행하여 재결정화시킨 고주파 전선을 제조하고 있지만, 이 전선에서는 근접 효과를 충분히 억제하는 것이 곤란하고, 또한 제조 시에 손상되거나 변형되기 쉬워, 코일로서의 특성을 충분히 안정시키는 것이 곤란했다.
일본 특허출원 공개번호 2009-129550호 공보 일본 특허출원 공개번호 소 62-76216호 공보 일본 특허출원 공개번호 2005-108654호 공보 국제 공개 2006/046358호 일본 특허출원 공개번호 2002-150633호
전술한 문제점을 감안하여, 본 발명의 목적은, 교류 저항을 억제할 수 있고, 발열 및 소비 전력을 억제할 수 있는 고주파 전선 및 고주파 코일을 제공하는 것이다.
본 발명의 일태양에 의하면, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 중심 도체, 중심 도체를 피복하는 동(銅)으로 이루어지며, 길이 방향으로 섬유상 조직(fibrous structure)을 가지는 피복층, 및 중심 도체와 피복층 사이에 형성되며, 피복층보다 체적 저항율이 큰 금속간(金屬間) 화합물층을 구비하고, 피복층의 단면적이, 중심 도체, 금속간 화합물층, 및 피복층을 합친 전체 단면적에 대하여 15% 이하인 고주파 전선이 제공된다.
본 발명의 다른 태양에 의하면, 고주파 전선을 사용한 고주파 코일로서, 고주파 전선이, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 중심 도체, 중심 도체를 피복하는 동으로 이루어지며, 길이 방향으로 섬유상 조직을 가지는 피복층, 및 중심 도체와 피복층 사이에 형성되며, 피복층보다 체적 저항율이 큰 금속간 화합물층을 구비하고, 피복층의 단면적이, 중심 도체, 금속간 화합물층, 및 피복층을 합친 전체 단면적에 대하여 15% 이하인 고주파 코일이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 고주파 전선의 일례를 나타낸 단면도이다.
도 2는 비교예에 따른 동선(銅線)을 나타내는 단면도이다.
도 3은 비교예에 따른 동 피복 알루미늄선을 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 표피 효과를 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 근접 효과를 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 따른 표피 효과 깊이와 주파수의 관계[전선 단체(單體)의 단선(單線) 모델에서의 이론값]를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시형태에 따른 동선과 알루미늄선에 대하여 표피 효과와 주파수의 관계(전선 단체의 단선 모델에서의 이론값)를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시형태에 따른 동선과 알루미늄선에 대하여 근접 효과와 주파수의 관계(전선 단체의 단선 모델에서의 이론값)를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시형태에 따른 집합 도체를 철심 코어에 권취한 변압기 모델에서의 자심(磁心)의 전류에 의한 자속과 누설 자속(leakage flux)의 모식도이다.
도 10은 본 발명의 실시형태에 따른 고주파 변압기 예의 특성(이론값)을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시형태에 따른 와전류의 세그먼트 모델과 그 등가 회로(equivalent circuit)이다.
도 12는 본 발명의 실시형태에 따른 고주파 전선과 비교예에 따른 고주파 전선의 구조 및 특성(실측값)을 나타내는 표이다.
도 13의 (a)는, SCR 방식으로 제조된 터프 피치 동(TPC: Tough Pitch Copper)의 가공 조직의 단면을 나타내는 광학 현미경 사진이다.
도 13의 (b)는, 딥포밍(dip forming) 방식으로 제조된 동선의 가공 조직의 단면을 나타내는 광학 현미경 사진이다.
도 14의 (a)는, SCR 방식으로 제조된 터프 피치 동(TPC)의 재결정 조직의 단면을 나타내는 광학 현미경 사진이다.
도 14의 (b)는, 딥포밍 방식으로 제조된 동선의 재결정 조직의 단면을 나타내는 광학 현미경 사진이다.
도 15는 본 발명의 실시형태에 따른 와이어 인발 다이스(wire drawing dies)의 일례를 나타낸 모식도이다.
도 16은 와이어 인발 시 전단(剪斷) 응력의 구분을 나타내는 모식도이다.
도 17의 (a)는, 본 발명의 실시형태에 따른 와이어 인발 시 응력 분포 해석 결과를 나타내는 모식도 1이다.
도 17의 (b)는, 본 발명의 실시형태에 따른 와이어 인발 시 응력 분포 해석 결과를 나타내는 모식도 2이다.
도 17의 (c)는, 본 발명의 실시형태에 따른 와이어 인발 시 응력 분포 해석 결과를 나타내는 모식도 3이다.
도 18은 본 발명의 실시예 1에 따른 피복층과 중심 도체와의 계면의 투과형 전자 현미경 관찰 결과를 나타내는 사진이다.
도 19의 (a)는, 본 발명의 실시예 1에 따른 에너지 분산형 X선 분광 분석(EDS) 결과를 나타내는 그래프 1이다.
도 19의 (b)는, 본 발명의 실시예 1에 따른 EDS 분석 결과를 나타내는 그래프 2이다.
도 19의 (c)는, 본 발명의 실시예 1에 따른 EDS 분석 결과를 나타내는 그래프 3이다.
도 19의 (d)는, 본 발명의 실시예 1에 따른 EDS 분석 결과를 나타내는 그래프 4이다.
도 20의 (a)는, 본 발명의 실시예 2에 따른 리액터의 상면도이다.
도 20의 (b)는, 본 발명의 실시예 2에 따른 리액터의 측면도이다.
도 20의 (c)는, 본 발명의 실시예 2에 따른 리액터의 다른 측면도이다.
도 21은 본 발명의 실시예 2에 따른 리액터의 특성(실측값)을 나타낸 표이다.
도 22는 본 발명의 실시예 3에 따른 리액터의 특성(실측값)을 나타내는 그래프이다.
도 23은 본 발명의 실시예 3에 따른 리액터의 특성(실측값)을 나타낸 표이다.
다음으로, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태를 설명한다. 이하의 도면의 기재에 있어서, 동일하거나 또는 유사한 부분에는 동일하거나 또는 유사한 부호를 부여하고 있다. 단, 도면은 모식적인 것이며, 두께와 평면 치수와의 관계, 각 층의 두께의 비율 등은 실제와는 상이한 점에 유의해야한다. 따라서, 구체적인 두께나 치수는 이하의 설명을 참작하여 판단해야 할 것이다. 또한, 도면 사이에 있어서도 서로의 치수의 관계나 비율이 상이한 부분이 포함되어 있는 것은 물론이다.
또한, 이하에 나타내는 실시형태는, 본 발명의 기술적 사상을 구체화하기 위한 장치나 방법을 예시하는 것으로서, 본 발명의 기술적 사상은, 구성 부품의 재질, 형상, 구조, 배치 등을 하기의 것으로 특정하는 것이 아니다. 본 발명의 기술적 사상은, 특허 청구의 범위에 있어서, 다양한 변경을 가할 수 있다.
(고주파 전선의 구조)
본 발명의 실시형태에 따른 고주파 전선은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 알루미늄(Al) 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 중심 도체(1)와, 중심 도체(1)를 피복하는 동(Cu)으로 이루어지는 피복층(2)과, 중심 도체(1)와 피복층(2) 사이에, 중심 도체(1)로부터 피복층(2)에 걸쳐 경사적으로 조성이 변화하도록 형성되고, 피복층(2)보다 체적 저항율이 큰 금속간 화합물층(합금층)(3)을 구비한다.
피복층(2)의 단면적은, 중심 도체(1), 금속간 화합물층(3) 및 피복층(2)을 합친 고주파 전선 전체 단면적에 대하여 15% 이하이며, 3%∼15% 정도가 바람직하고, 보다 바람직하게는 3%∼10% 정도이며, 더욱 바람직하게는 3%∼5% 정도이다. 피복층(2)의 고주파 전선 전체에 대한 단면적의 비가 작을수록, 고주파 저항을 저감시킬 수 있다. 고주파 전선 전체의 직경은, 0.05mm∼0.6mm 정도가 바람직하다.
중심 도체(1)로서는, 예를 들면, 전기용 알루미늄(EC 알루미늄) 또는 Al-Mg-Si계 합금(JIS6000번대)의 알루미늄 합금을 사용할 수 있지만, 알루미늄 합금이 EC 알루미늄보다 체적 저항율이 크기 때문에 보다 바람직하다.
금속간 화합물층(3)은, 고주파 전선의 와이어 인발 공정에 있어서 감면율(減面率)이 각각 20% 이상인, 복수단(複數段)으로 조합한 다이스를 사용하여, 피복층(2)이 피복된 중심 도체(1)를 인발함으로써 생성된다. 금속간 화합물층(3)의 두께는 10nm∼1㎛ 정도이다. 금속간 화합물층(3)은, 예를 들면, Cu9Al4 및 CuAl2 등을 포함한다. 금속간 화합물층(3)의 체적 저항율은 피복층(2)의 체적 저항율보다 크며, 예를 들면, 10μΩcm∼40μΩcm 정도이다.
통상적으로, 변압기 또는 리액터 등의 코일에는, 도 2에 나타낸 바와 같은 동선(100)을 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리에스테르이미드, 폴리아미드이미드 또는 폴리이미드 등으로 절연 피복한 것이 사용된다. 동축(同軸) 케이블에 있어서는 고주파 전류 신호이므로 표피 효과 특성을 감안하여, 예를 들면, 도 3에 나타낸 바와 같은 알루미늄선(101)의 외측에 동층(銅層)(102)을 얇게 피복한 동 피복 알루미늄선(이하, "CCA선"이라고 함)이 사용된다.
최근에는, 고주파 변압기, 고속 모터, 리액터, 유전가열(dielectric heating) 장치, 자기 헤드 장치 및 비접촉 급전 장치 등의 수 kHz∼수백 kHz 정도의 고주파 전류를 통전하는 기기의 용도 확대가 진행되고 있으며, 이와 같은 기기에서 사용되는 고주파 전선에 있어서는, 교류 손실 저감을 목적으로 코일의 세경화가 진행되고 있으며, 또는 리츠선이 일반적으로 사용되고 있다. 그러나, 접속을 위한 납땜 처리에 있어서 절연 피막의 제거 작업을 곤란하게 하는 점과, 또한 소선 개수가 증가하므로, 세경화에는 한도가 있다. 이에 비해, 본 발명의 실시형태에 따른 고주파 전선에 따르면, 리츠선이 아니더라도, 교류 저항의 증대를 억제하기 위한 세경화 전선에 더 한층 억제 효과를 부여하는 것이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 도체에 있어서, 내부 자속에 의해 도체 내에 와전류가 흘러 표피 효과에 의해 교류 저항을 증대시킨다. 또한, 도 5에 나타낸 바와 같이, 도체에 있어서, 외부 자속에 의해 도체 내에 와전류가 흘러 근접 효과에 의해 교류 저항을 증대시킨다.
도 6은, 전선 단체의 단선 모델에서의 주파수와 표피 효과 깊이(skin depth)의 관계를 나타낸다. 표피 효과 깊이란, 전류 밀도가 표면의 1/e(약 0.37)이 되는 전선 표면으로부터의 깊이를 의미한다. 도 6으로부터, 적용 주파수가 100kHz 정도 이하의 경우, 소선 직경이 0.5mm(약 0.25mm의 표피 효과 깊이의 2배에 상당함)에 있어서는 표피 효과의 영향은 작은 것을 알 수 있다.
도 7 및 도 8은, 직경 0.4mm의 전선 단체의 단선 모델에서의 표피 효과 및 근접 효과에 의한 교류 저항-주파수 특성을 교류 저항 Rac와 직류 저항 Rdc의 비(Rac/Rdc)로 각각 나타낸다. 도 8에 있어서는, 외부 자장 H를 37.8 A/mm로 하였다. 도 7의 표피 효과에 의한 경우에는, 도 8의 근접 효과에 의한 경우에 비해 Rac/Rdc의 증대 경향이 매우 작다. 한편, 도 8의 근접 효과의 경우에는 주파수가 높아지면 Rac/Rdc가 현저하게 증대한다. 이 증대 경향은 외부 자장의 강도에 의존한다. 즉, 세경화 코일에서의 고주파 전류에 의한 교류 손실은 근접 효과가 지배적이다. 또한, 여기서의 이론 계산 결과로부터, 동선보다 알루미늄선이 작은 근접 효과 특성을 가지는 것을 알 수 있다. 근접 효과 대책으로서는, 도체의 선 직경을 가능한 범위에서 작게 하는 것 이외에, 도체의 체적 저항율을 크게 하는 방법이 유효한 것으로 밝혀졌지만, 크게 하는 것도 한계가 있으며, 일반적으로 사용되고 있는 도체 재료로부터 선택하는 것이 바람직하다. 범용 도체 재료인 동과 알루미늄을 비교한 경우, 도전율이 동의 약 61%인 알루미늄이 우수한 근접 효과 저감 특성을 가진다. 한편, 알루미늄의 경우에는 표면이 산화 피막으로 덮혀 있고, 특히 근접 효과 대책의 관점에 의한 세선에서는 그 제거가 극히 곤란하다. 따라서, 알루미늄선의 외측에 동을 얇게 씌운 CCA선에 주목하였다.
한편, CCA선의 경우에는, 동의 체적 저항율이 알루미늄보다 작으므로, 외부 자계에 의해 발생한 와전류가 동 측으로 모아져 선의 길이 방향으로 흐르기 쉽고, 동보다 근접 효과가 작은 알루미늄을 중심 도체에 적용하더라도 그 본래의 특성이 훼손된다.
고주파 전력 기기의 실례로서 도 9에 고주파 변압기 모델을 나타낸다. 고주파 변압기 모델은, 자심(10)과, 자심(10)의 주위를 권회(捲回)하는 제1 코일(11) 및 제2 코일(12)을 구비한다. 인접하는 제1 및 제2 코일(11, 12)을 흐르는 전류에 의한 자속뿐만 아니라, 자심(10)으로부터의 누설 자속이 제1 및 제2 코일(11, 12)에 유입되므로, 이들 외부 자속에 의한 와전류 손이 발생하게 된다. 그러므로, 고주파 변압기 모델에서는, 전선 단체의 단선 모델에 비해 교류 저항의 증대는 커지게 된다.
도 10에, 도 9에 나타낸 고주파 변압기 모델의 교류 저항-주파수 특성의 이론 계산값을 Rac/Rdc로 나타낸다. 이 실제 모델의 경우에도 알루미늄선이 동선보다 교류 저항이 크게 저감되는 것을 알 수 있다. 전술한 알루미늄선의 우위성은, 알루미늄의 체적 저항율이 동보다 큰 것에 의한 것이다. 반면, 알루미늄선은 납땜이 곤란한 점이 있다. 그러므로, 실용적으로는 알루미늄의 결점을 보충할 수 있는 CCA선이 적합한 것으로 여겨지지만, 동층을 외측에 설치함으로써 와전류가 동층을 흘러 오히려 알루미늄선 본래의 특성이 훼손된다.
이에 비해, 본 발명의 실시형태에 따른 고주파 전선에 의하면, 도 1에 나타낸 바와 같이, 피복층(2)보다 체적 저항율이 높은 금속간 화합물층(3)에 의해, 도 11에 나타낸 바와 같이, 중심 도체(1)로부터 피복층(2)을 향해 흘러드는 와전류를 억제할 수 있어, 표피 효과 및 근접 효과를 억제할 수 있다. 또한, 중심 도체(1)와 피복층(2)과의 계면에 금속간 화합물층(3)이 생성됨으로써, 등가적으로 피복층(2)의 두께를 감소시킨 선 직경으로 되어 근접 효과를 저감시킬 수 있다. 따라서, 연선(撚線)(리츠선)으로 하지 않아도 교류 저항을 억제할 수 있어, 발열 및 소비 전력을 억제할 수 있게 된다.
다음으로, 본 발명의 실시형태에 따른 고주파 전선과, 비교예로서, 재결정 온도 이상에서 열처리를 행하여 재결정화한 고주파 전선을 대비하여 설명한다. 본 발명의 실시형태에 따른 고주파 전선은, 복수단으로 조합한 다이스를 사용하여, 피복층(2)이 피복된 중심 도체(1)를 와이어 인발함으로써 생성되므로, 도 12에 모식적으로 나타낸 바와 같이, 중심 도체(1) 및 피복층(2)은 가공 조직이 되고, 길이 방향으로 섬유상 조직을 가진다. 여기서, 가공 조직이란, 냉간 가공을 받은 조직이다. 냉간 가공이란, 재결정 온도 이하에서 행하는 가공을 의미한다. 또한, 섬유상 조직이란, 와이어 인발 가공에 의해 결정 입자가 와이어 인발 방향으로 인장된 조직을 의미한다. 이와 같은 가공 조직의 예로서, 도 13의 (a)에 SCR(Southwire Continuous Rod) 방식으로 제조된 직경 0.9mm의 터프 피치 동(TPC)의 가공 조직의 단면을 나타내고, 도 13의 (b)에 딥포밍 방식으로 제조된 직경 0.9mm의 무산소동(OFC)의 가공 조직의 단면을 나타낸다.
한편, 비교예에 따른 고주파 전선은, 도 12에 모식적으로 나타낸 바와 같이, 재결정 온도 이상에서 열처리를 행하여 재결정화된 재결정 조직을 가진다. 여기서, 재결정 조직이란, 냉간 가공에 의해 변형을 일으킨 결정 입자가, 재결정에 의해 변형이 없는 결정으로 변화된 조직을 의미한다. 재결정 조직의 예로서, 도 14의 (a)에 SCR 방식으로 제조된 직경 0.9mm의 터프 피치 동(TPC)의 재결정 조직의 단면을 나타내고, 도 14의 (b)에 딥포밍 방식으로 제조된 직경 0.9mm의 무산소동(OFC)의 재결정 조직의 단면을 나타낸다.
또한, 도 12에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시형태에 따른 고주파 전선은, 비교예에 따른 고주파 전선에 비해 고유 저항값이 높으므로, 근접 효과를 더욱 억제할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시형태에 따른 고주파 전선은, 비교예에 따른 고주파 전선에 비하여 빅커스 경도(Vickers hardness)가 높으므로, 제조 시에 흠이나 변형이 쉽게 생기지 않아, 코일로서의 특성이 보다 안정된다.
(고주파 전선의 제조 방법)
다음으로, 본 발명의 실시형태에 따른 고주파 전선의 제조 방법을 설명한다. 그리고, 이하에 나타내는 제조 방법은 일례이며 특별히 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태에 따른 고주파 전선은 다양한 제조 방법에 의해 제조할 수 있다.
(가) 직경 9.5mm∼12.0mm 정도의 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 중심 도체(1)를 준비한다. 중심 도체(1)의 표면에, 0.1mm∼0.4mm 정도의 두께를 가지는 동테이프를 세로 부착 방식으로 부착하면서 TIG 용접 또는 플라즈마 용접 등을 행함으로써, 중심 도체(1)의 표면에 피복층(2)을 피복한다. 다음으로, 피복층(2)이 피복된 중심 도체(1)를 스킨 패스(skin path)로 직경 9.3mm∼12.3mm 정도로 성형함으로써, 피복층(2)이 피복된 중심 도체(1)로 이루어지는 모재를 제작한다.
(나) 다음으로, 모재를, 25∼26 패스 정도의 복수단의 와이어 인발 다이스를 통과시킴으로써 와이어 인발한다. 도 15에 나타낸 바와 같이, 와이어 인발 다이스(20)는, 엔트런스부(21), 어프로치부(22), 리덕션부(23), 베어링부(24) 및 백릴리프부(25)를 구비한다. 모재(4)는, 리덕션부(23)에 있어서 와이어 인발 전의 직경 d1보다 작은 직경 d2로 가공된다. 본 발명의 실시형태에서는, 각 와이어 인발 다이스에 있어서 도 15에 나타내는 리덕션 각도 α를 8°(전각 2α=16°) 정도, 1패스(와이어 인발 다이스)당 감면율을 20% 정도 이상, 바람직하게는 20%∼29% 정도로 한다. 와이어 인발 다이스의 감면율을 20% 정도 이상, 바람직하게는 20%∼29% 정도로 함으로써, 동일 방향의 큰 전단 응력을 지속적으로 발생시킬 수 있다. 이 전단 발열에 의해, 중심 도체(1)와 피복층(2)과의 계면에, 중심 도체(1)의 재료와 피복층(2)의 재료로 이루어지는 금속간 화합물층(3)이 형성된다. 복수단의 와이어 인발 다이스를 거치게 함으로써, 최종적으로 고주파 전선의 직경을 0.6mm 정도 이하로 한다.
본 발명의 실시형태에 따른 고주파 전선의 제조 방법에 의하면, 와이어 인발 공정에 있어서 복수단으로 조합한 다이스의 감면율을 20% 이상으로 함으로써, 와이어 인발 후에 열처리를 행하지 않고 중심 도체(1)과 피복층(2) 사이에 금속간 화합물층(3)을 형성하여, 도 1에 나타낸 고주파 전선을 제조할 수 있게 된다.
도 16 및 도 17의 (a)∼도 17의 (c)에 와이어 인발 시의 종단면 응력 분포의 유한 요소법(FEM) 해석 결과를 나타낸다. 도 16에 나타낸 전단 응력의 구분에 따라, 도 17의 (a)∼도 17의 (c)에 와이어 인발 다이스의 감면율이 5%, 10% 및 20%인 경우의 와이어 인발 시의 종단면 응력 분포가 나타나 있다. 도 17의 (a)∼도 17의 (c)로부터, 와이어 인발 다이스의 감면율이 20%인 경우, 와이어 인발 다이스의 감면율이 5% 및 10%인 경우에 비해, 큰 전단 응력이 발생하는 것을 알 수 있다. 본 발명의 실시형태에서는, 감면율이 20% 이상인 복수의 와이어 인발 다이스를 사용하여 서서히 와이어 인발하고, 비교적 큰 전단 발열을 연속적으로 또한 주기적으로 발생시킴으로써, 중심 도체(1)와 피복층(2) 사이에 경사적으로 조성이 변화하도록 금속간 화합물층(3)을 양호한 결합 상태로 생성할 수 있다.
(실시예 1)
본 발명의 실시예 1로서, 감면율이 각각 20% 이상인 복수의 와이어 인발 다이스를 사용하여, 도 1에 나타낸 바와 같이 중심 도체(1)와 피복층(2) 사이에 금속간 화합물층(3)이 형성되고, 피복층(2)의 단면적이 고주파 전선 전체 단면적의 5%인 고주파 전선(이하, "5% CCA선"이라고 함)을 제작하였다. 먼저, 직경 9.5mm의 알루미늄으로 이루어지는 중심 도체(1) 위에 0.15mm 두께의 동테이프를 세로 부착 방식으로 부착하면서 TIG 용접하고, 스킨 패스로 직경 9.25mm로 성형하여, 모재를 제작하였다. 이 모재를, 복수단(26 패스)의 와이어 인발 다이스에 통과시켜, 직경을 9.25mm로부터 0.4mm로 줄여서 인출하였다. 와이어 인발 다이스의 리덕션 각도 α는 일률적으로 8°(전각 2α=16°)로 하고, 제1 패스∼제3 패스의 감면율을 29%∼24%, 제4 패스∼제10 패스의 감면율을 23%∼21%, 제11 패스∼제26 패스의 감면율을 21%∼20%로 하였다.
본 발명의 실시예 1에 따른 5% CCA선에 대하여, 투과형 전자 현미경(TEM)을 사용하여 동/알루미늄 계면을 관찰했다. TEM 관찰에 의해, 제14 패스 후의 1.6mm 직경에 있어서 10nm 이상의 두께가 양호한 결합 상태의 금속간 화합물이 생성되어 있는 것을 확인하였다. 제26 패스 후의 0.4mm 직경에 있어서도 마찬가지로 10nm 이상의 두께의 금속간 화합물을 확인하였다.
도 18에 5% CCA선의 TEM 사진을 나타낸다. 도 18에 있어서, 흑색 부분이 동, 백색 부분이 알루미늄, 회색 부분이 금속간 화합물층을 나타낸다. 도 18로부터, 중심 도체(1)로부터 피복층(2)에 걸쳐서 경사적으로 조성이 변화하고 있으며 금속간 화합물층(3)이 양호한 결합 상태로 생성되어 있는 것을 알 수 있다. 도 18에 나타낸 중심 도체(1)의 점 P1, 금속간 화합물층(3)의 중심 도체 측의 점 P2, 피복층(2)의 점 P3, 금속간 화합물층(3)의 피복층(2) 측의 P4에 대하여 에너지 분산형 X선 분광 분석(EDS)에 의한 점 분석 결과를 도 19의 (a)∼도 19의 (d)에 각각 나타낸다. 도 19의 (b)에 나타낸 바와 같이, 금속간 화합물층(3)의 중심 도체(1) 측에서는 알루미늄 원자가 리치(rich)이며, 도 19의 (d)에 나타낸 바와 같이, 금속간 화합물층(3)의 피복층(2) 측에서는 동 원자가 리치인 것이 확인되었다. 도 19의 (a)∼도 19의 (d)로부터, 중심 도체(1)로부터 피복층(2)에 걸쳐 금속간 화합물층(3)을 구성하는 금속 재료가 경사적으로 분포되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 금속간 화합물층(3)의 주 조성은 Cu9Al4 및 CuAl2이며, Cu9Al4 및 CuAl2의 고유 저항은, 박평상(薄平狀)에 있어서 약 10 μΩcm 이상이다. 동의 고유 저항은 1.724μΩcm이므로, 금속간 화합물층의 고유 저항은 동의 5배 이상으로서, 충분히 큰 값이라고 할 수 있다.
(실시예 2)
본 발명의 실시예 2로서, 도 20의 (a)∼도 20의 (c)에 나타낸 바와 같이, 0.4mm로 인발한 5% CCA선에 폴리우레탄을 피복한 코일(이하, "5% CCA 코일"이라고 함)을 제작하고, 자심(32)과, 자심(32) 주위에 배치된 5% CCA 코일(31)을 구비하는 리액터를 제작하였다. 5% CCA 코일(31)은 14개 사용하였고, 권취 횟수는 80턴으로 하였다. 또한, 비교예로서 알루미늄 코일 및 동 코일을 사용하여 리액터를 각각 제작하였다. 제작한 각 리액터를 사용하여 직류 저항 및 교류 저항을 측정하였다.
도 21에, 본 발명의 실시예 2에 따른 5% CCA 코일을, 알루미늄 코일 및 동 코일과 비교한 특성을 나타낸다. 인덕턴스를 거의 동일하게 맞춘 리액터에 있어서, 5% CCA 코일을 동 코일과 대비하면, 직류 저항이 1.57배이지만, 교류 저항은 대략 절반으로 저감되는 것을 알 수 있다.
(실시예 3)
본 발명의 실시예 3으로서, 본 발명의 제2 실시예와 동일한 5% CCA 코일을 사용한 리액터 외에, 도 1에 나타낸 피복층(2)의 단면적이 전선 전체 단면적의 15%인 고주파 전선 코일(이하, "15% CCA 코일"이라고 함), 피복층(2)의 단면적이 전선 전체 단면적의 10%인 고주파 전선 코일(이하, "10% CCA 코일"이라고 함), 중심 도체(1)로서 알루미늄 합금(JIS6063 합금)을 사용하고, 피복층(2)의 단면적이 전선 전체 단면적의 5%인 고주파 전선의 코일(이하, "합금 알루미늄 5% CCA 코일"이라고 함)을 사용한 리액터를, 5% CCA 코일을 사용한 리액터와 동일한 조건에서 각각 제작하였다.
도 22 및 도 23에는, 본 발명의 실시예 3에 따른 15% CCA 코일, 10% CCA 코일, 5% CCA 코일, 합금 알루미늄 5% CCA 코일과, 비교예에 따른 동 코일 및 알루미늄 코일 각각에 대한 교류 저항-주파수 특성을 나타내었다. 도 22 및 도 23으로부터, 15% CCA 코일, 10% CCA 코일, 5% CCA 코일에서는, 동 코일에 비해 교류 저항이 크게 저감되는 것을 알 수 있다. 또한, 합금 알루미늄 5% CCA 코일에서는, 동 코일 및 알루미늄 코일에 비해 교류 저항이 크게 저감되어 있는 것을 알 수 있다.
또한, 15% CCA 코일, 10% CCA 코일, 5% CCA 코일의 특성값으로부터, 도 1에 나타낸 피복층(2)의 단면적비가 작을수록 교류 저항이 작은 것을 알 수 있다. 이는, 와전류를 억제한 효과에 더하여, 금속간 화합물층(3)이 생성됨으로써, 등가적으로 피복층(2)의 두께를 줄인 선 직경으로 된 것에 따른 근접 효과 저감 때문인 것으로 판명되었다. 이론적으로는, 근접 효과는 선 직경의 4제곱에 비례하는 것으로 알려져 있다.
(그 외의 실시형태)
본 발명은 상기 실시형태에 의해 기재되었지만, 본 개시의 일부를 이루는 논술 및 도면은 본 발명을 한정하는 것으로 이해해서는 안된다. 본 개시로부터 당업자에게는 다양한 대체 실시형태, 실시예 및 운용 기술이 명백해 질 것이다.
본 발명의 실시형태에 따른 고주파 전선으로서 소선(단선)을 설명하였으나, 이 소선을 복수로 묶은 집합선이나, 연선으로 만들어 리츠선으로서 사용할 수도 있으며, 집합선이나 리츠선의 경우에도 더욱 유효하게 교류 저항을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시형태에 따른 고주파 전선은, 고주파 변압기, 모터, 리액터, 초크 코일, 유도 가열 장치, 자기 헤드, 고주파 급전 케이블, DC 전원 유닛, 스위칭 전원, AC 어댑터, 와전류 검출 방식 등의 변위 센서·탐상(探傷) 센서, IH 쿠킹 히터, 코일 또는 급전 케이블 등의 비접촉 급전 장치 또는 고주파 전류 발생 장치 등의 각종 장치에 적용할 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시형태에 따른 고주파 전선을 코일로 만드는 경우나 리츠선으로서 사용하는 경우 등, 고주파 전선을 변형시킬 때는, 가공 조직(길이 방향의 섬유상 조직)을 유지하기 위해 열처리를 행하지 않고 변형시킨다. 또한, 중심 도체(1) 및 피복층(2) 각각의 저항값을 보다 높이기 위해 재결정 온도보다 낮은 온도에서 열처리를 행해도 된다. 열처리를 행하는 경우에는, 열처리를 행하면서 고주파 전선을 변형시켜도 되고, 고주파 전선을 변형시킨 후에 열처리를 행해도 된다. 또한, 열처리는 고주파 전선 전체에 대하여 행해도 되고, 국소적으로 행해도 된다.
이와 같이, 본 발명은 여기서는 기재하고 있지 않은 다양한 실시형태 등을 포함하는 것은 물론이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 상기 설명으로부터 타당한 특허 청구의 범위에 따른 발명 특정 사항에 의해서만 정해지는 것이다.
[산업상 이용가능성]
본 발명의 고주파 전선 및 고주파 코일은, 고주파 변압기, 모터, 리액터, 초크 코일, 유도 가열 장치, 자기 헤드, 고주파 급전 케이블, DC 전원 유닛, 스위칭 전원, AC 어댑터, 와전류 검출 방식 등의 변위 센서·탐상 센서, IH 쿠킹 히터, 코일 또는 급전 케이블 등의 비접촉 급전 장치 또는 고주파 전류 발생 장치 등의 각종 장치의 제조업을 포함하는 전자 기기 산업에 이용 가능하다.

Claims (7)

  1. 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 중심 도체(導體);
    상기 중심 도체를 피복하는 동(銅)으로 이루어지고, 길이 방향으로 섬유상 조직(fibrous structure)을 가지는 피복층; 및
    상기 중심 도체와 상기 피복층 사이에 형성되고, 상기 피복층보다 체적 저항율이 큰 금속간(金屬間) 화합물층
    을 구비하고,
    상기 피복층의 단면적이, 상기 중심 도체, 상기 금속간 화합물층, 및 상기 피복층을 합친 전체 단면적에 대하여 3% 이상, 15% 이하이고,
    상기 금속간 화합물층은, 상기 피복층이 피복된 상기 중심 도체를 감면율(減面率)이 각각 20% 이상인 복수단(複數段)의 다이스(dies)를 사용하여 와이어 인발(wire drawing)함으로써 형성되는,
    고주파 전선.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속간 화합물층은, 상기 중심 도체로부터 상기 피복층에 걸쳐 경사적으로 조성이 변화하도록 형성되어 있는, 고주파 전선.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속간 화합물층의 두께는 10nm∼1㎛인, 고주파 전선.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속간 화합물층의 체적 저항율은 10μΩcm 이상인, 고주파 전선.
  5. 고주파 전선을 사용한 고주파 코일로서,
    상기 고주파 전선은,
    알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 중심 도체;
    상기 중심 도체를 피복하는 동으로 이루어지고, 길이 방향으로 섬유상 조직을 가지는 피복층; 및
    상기 중심 도체와 상기 피복층 사이에 형성되고, 상기 피복층보다 체적 저항율이 큰 금속간 화합물층
    을 구비하고,
    상기 피복층의 단면적은, 상기 중심 도체, 상기 금속간 화합물층, 및 상기 피복층을 합친 전체 단면적에 대하여 3% 이상, 15% 이하이고,
    상기 금속간 화합물층은, 상기 피복층이 피복된 상기 중심 도체를 감면율(減面率)이 각각 20% 이상인 복수단(複數段)의 다이스(dies)를 사용하여 와이어 인발(wire drawing)함으로써 형성되는,
    고주파 코일.
  6. 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 중심 도체의 표면을, 동으로 이루어지는 피복층으로 덮는 공정; 및
    상기 피복층이 피복된 상기 중심 도체를, 감면율이 각각 20% 이상인 복수단의 다이스를 사용하여 와이어 인발함으로써, 상기 피복층에 있어서 길이 방향으로 섬유상 조직을 형성하고, 또한 상기 복수단의 다이스를 사용하여 와이어 인발함으로써, 상기 중심 도체와 상기 피복층 사이에, 상기 피복층보다 체적 저항율이 큰 금속간 화합물층을 형성하는 공정
    을 포함하는 고주파 전선의 제조 방법.
  7. 삭제
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