KR101722582B1

KR101722582B1 - 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재의 제조방법

Info

Publication number: KR101722582B1
Application number: KR1020150087300A
Authority: KR
Inventors: 권한상; 문지훈; 홍상휘; 주성욱
Original assignee: 부경대학교 산학협력단; (주)차세대소재연구소; (주)부경대학교 기술지주회사
Priority date: 2015-06-19
Filing date: 2015-06-19
Publication date: 2017-04-18
Also published as: KR20160149735A

Abstract

본 발명은 카본나노튜브-알루미늄 분말을 분산유도제인 나노입자와 함께 혼합한 복합분말을 이용하여 전력용 복합선재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재의 제조방법은 CNT와 알루미늄 분말 및 분산유도제인 나노입자를 혼합하여 복합분말을 제조하는 단계와, 복합분말을 전도성 금속캔에 장입하는 단계와, 복합분말이 장입된 전도성 금속캔을 압출하여 복합선재를 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의한 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재의 제조방법에 의하면, 카본나노튜브의 알루미늄 분말 내부에서의 분산성을 높이게 되어 고강도 및 고연성을 갖는 전력 공급 전선용 복합선재의 제조가 가능하고, 혼합분말 제조공정이 매우 간단하고 각 공정에서 요구되는 설비 역시 간단하기 때문에 혼합분말 제조비용이 매우 저렴하며 양산이 용이하며, 제조 공정을 더욱 간단히 할 수 있으므로 안정적인 대량생산이 가능하며 제조비용이 절감되는 효과가 있다.

Description

카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재의 제조방법{Method for processing Composite Wire for Electrical Cable using Carbon NanoTube - Aluminum Composite Powder}

본 발명은 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 전력용 복합선재의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 카본나노튜브-알루미늄 분말을 분산유도제인 나노입자와 함께 혼합한 복합분말을 이용하여 전력용 복합선재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전력용 와이어(이하, '선재'라고 함)는 대부분 구리(Cu)로 제조되어 왔으나, 특수용도와 목적을 위해 백금이나 은(Ag)재질의 선재도 사용되고 있으며, 알루미늄합금 재질을 이용하여 제조되기도 한다.

알루미늄의 전기저항은 구리에 비해 1.6배, 중량은 약 0.3배, 인장강도는 약 0.55배로서, 가격이 저렴하고 가공성이 우수하며 내식성이 우수하고 가벼운 장점이 있으나, 알루미늄 선재가 구리 선재와 같은 효율을 갖기 위해서는 알루미늄 선재의 지름을 약 30%이상 크게 해야만 구리재 선재가 지니는 물성에 접근할 수 있다.

이러한 배경으로 알루미늄계 선재는 주로 고압 송전용으로 주로 이용되고 있다. 이외에도 강도를 보강한 알루미늄합금 선재나 선재 속에 강선(Core)를 넣어 제조한 알루미늄재 선재들을 배전선이나 급전선용으로 일부 제품화가 시도되고 있으나 효율성은 그다지 높지 않은 실정이다. 알루미늄계열의 전력용 선재는 전술한 바와 같은 다양한 장점들이 있음에도 불구하고 전력용 선재가 갖추어야 할 기계적, 물리적 성질을 갖추지 못해 활용도가 낮은 상황이다.

한편 카본나노튜브(Carbon Nanotube, 이하, 'CNT'라 함)의 개발에 따라 산업이나 공업분야에서 CNT를 다양하게 활용 및 응용이 시도되고 있다. CNT는 탄소 6개로 이루어진 육각 모양이 서로 연결되어 튜브형상을 이루고 있고, 전기전도도는 CNT의 순도에 따라 다소 차이가 있으나 대체로 구리와 비슷하고, 열전도율은 자연계에서 다이야몬드와 유사하며, 강도는 강철의 100배 정도 뛰어난 특징이 있다. 일 예로 탄소섬유는 1%만 변형시켜도 끊어지지만 CNT는 15%를 변형시켜도 견딜 수 있는 인장강도를 지니고 있다.

CNT에 대해서는 이미 많은 연구에 의해 기계적, 전기적, 화학적, 열적 특성이 매우 우수한 특성이 있다는 사실이 보고되고 있어 학계나 산업분야에서는 향후 차세대 복합재료 강화재로 크게 주목받고 있는 신물질이라 할 수 있다.

전술한 바와 같이 알루미늄이 지니고 있는 기계적 물리적 성질의 단점과 CNT에서 나타나는 기계적, 전기적, 화학적, 열적 특성의 장점을 결합하여 기계적 물리적 성질이 개질된 알루미늄계열의 소재를 제조할 수 있을 것으로 예측되는 바, 본 출원의 발명자는 이에 대한 연구결과를 "알루미늄 및 카본나노튜브를 이용한 전력용 복합 선재 제조방법 및 그것에 의해 제조된 제품"으로 출원하여 한국공개특허 제2013-0000647호로 공개된 바 있다.

한국공개특허 제2013-0000647호는 CNT를 균일하게 알루미늄입자에 분산시키기 위해 CNT와 알루미늄분말을 혼합한 분말 혼합물과 분산유도제를 일정 비율로 혼합한 뒤 혼합물을 초음파로 분산 혼합물을 제조하는 단계와, 분산 혼합물에 포함된 분산유도제를 제거하기 위해 관상로에서 불활성 분위기로 열처리하여 분산유도제 성분을 완전히 제거하여 CNT 및 알루미늄 혼합분말을 제조하는 단계와, 얻어진 알루미늄 및 CNT 혼합분말을 스파크 플라즈마 소결기를 이용하여 벌크상의 소결체를 제조하는 단계, 및 상기 소결체를 열간압출기로 압출하여 알루미늄-카본나노튜브 복합 선재를 제조하는 단계로 제조되는 알루미늄과 카본나노튜브를 이용한 전력용 복합선재 제조방법에 관한 것이다.

이와 같은 종래 알루미늄과 카본나노튜브를 이용한 전력용 복합선재 제조방법에 의하면, 분산유도제를 제거하기 위한 공정을 별도로 행하고 벌크상의 소결체를 제조하는 공정을 행해야 하므로 공정이 복잡하다는 문제점이 있었다.

본 발명은 종래 카본나노튜브와 알루미늄을 이용한 전력용 복합선재 제조방법의 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 고강도 고연성을 갖는 고압송전용 복합선재로서 알루미늄선재와 구리선재를 대체할 수 있는 더욱 개선된 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 카본나노튜브-알루미늄을 이용한 전력용 복합선재 제조방법은 CNT와 알루미늄 분말 및 분산유도제인 나노입자를 혼합하여 복합분말을 제조하는 단계와, 복합분말을 전도성 금속캔에 장입하는 단계와, 복합분말이 장입된 전도성 금속캔을 압출하여 복합선재를 제조하는 단계를 포함한다.

복합분말을 제조하는 단계에서 CNT는 0.5~20체적%, 알루미늄분말은 80~99체적%, 나노입자는 0.5~20체적%를 혼합한다.

나노입자는 나노SiC, 나노SiO₂ 나노Al₂O₃, 나노TiO₂, 나노Fe₃O₄, 나노MgO, 나노ZrO₂ 의 세라믹 군 중에서 어느 하나인 것이 바람직하다.

복합분말을 제조하는 단계에서 CNT와 알루미늄 분말 및 분산유도제인 나노입자를 불활성분위기의 용기에 넣어 볼밀기로 혼합하는 것이 바람직하다.

볼밀기로 밀링시 마찰계수를 감소시키기 위해서 공정제어제로 헵탄(Heptane)을 15~25중량부를 첨가하여 혼합하는 것이 바람직하다.

전도성 금속캔은 알루미늄캔 또는 구리캔인 것이 바람직하다.

복합선재를 제조하는 단계에서 압출은 열간 분말압출로 하며, 열간분말압출은 압출온도 350~550℃, 압출비 15~20로 행해지는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 송전용 복합선재의 제조방법에 의하면, 카본나노튜브-알루미늄 분말을 분산유도제인 나노 실리콘 카바이드(nSiC) 등의 나노입자와 함께 혼합한 복합분말을 이용하여 전력용 복합선재를 제조함으로써, 카본나노튜브의 알루미늄 분말 내부에서의 분산성을 높이게 되어 고강도 및 고연성을 갖는 전력 공급 전선용 복합선재의 제조가 가능하고, 혼합분말 제조공정이 매우 간단하고 각 공정에서 요구되는 설비 역시 간단하기 때문에 혼합분말 제조비용이 매우 저렴하며 양산이 용이하다는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의한 송전용 복합선재의 제조방법에 의하면, 벌크상의 소결체 제조공정을 거치지 않고 복합 분말을 알루미늄 캔 또는 구리 캔에 장입하여 바로 압출하여 전력용 복합선재를 제조함으로써, 제조 공정을 더욱 간단히 할 수 있으므로 안정적인 대량생산이 가능하며 제조비용이 절감되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재의 제조방법을 나타내는 공정도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재 케이블을 절단하여 나타낸 절단 샘플의 사진이다.

이하에서는 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재의 제조방법에 관하여 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(구비)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함(구비)할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재의 제조방법을 나타내는 공정도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재의 제조방법을 설명하기 위한 도면이다. 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재의 제조방법은 복합분말을 제조하는 단계(S10)와, 복합분말을 전도성 금속캔에 장입하는 단계(S20)와, 압출하여 복합선재를 제조하는 단계(S30)로 이루어진다.

복합분말을 제조하는 단계(S10)는 CNT와 알루미늄 분말 및 분산유도제인 나노입자를 혼합하여 복합분말을 제조하는 단계로서, CNT를 균일하게 알루미늄입자에 분산시키기 위해 CNT: 0.5~20체적%와, 알루미늄분말: 80~99체적% 및 분산유도제인 나노입자 0.5~20체적%를 불활성 분위기의 스테인리스 용기에 넣고 플래너터리 볼밀기로 혼합하여 복합분말을 제조하는 단계이다.

나노입자는 나노SiC, 나노SiO₂ 나노Al₂O₃, 나노TiO₂, 나노Fe₃O₄, 나노MgO, 나노ZrO₂ 의 세라믹 군 중에서 어느 하나인 것이 바람직하며, 특히 나노SiC를 사용하는 것이 바람직하다. 마이크로사이즈의 알루미늄입자는 나노사이즈의 CNT와 사이즈 차이가 커서 분산이 어렵고, CNT는 강한 반데발스힘에 의해 응집되기 쉬운데, 분산유도제인 나노입자는 CNT를 알루미늄 입자에 균일하게 분산시키는 작용을 한다.

본 발명에 사용된 나노SiC(나노 실리콘카바이드, nano Silicon carbide)는 인장강도가 높고 날카로우며 일정한 도전성과 도열성을 갖고 있으며 높은 경도, 고내화성과 열충격에 강하며 고온성질과 화학적 안정성이 우수하여 연마재, 내화재로서 사용되고 있다. 알루미늄 입자표면에 존재하는 나노SiC입자는 CNT와 Al의 직접적인 접촉을 억제하여 일반적으로 알려져 있는 CNT와 Al 의 반응에 의해서 생성될 수 있는 불건전상의 알루미늄카바이드의 생성을 억제하는 역할을 수행한다.

본 실시예서는 CNT: 0.5~20체적%와, 알루미늄분말: 80~99체적%를 분산유도제인 나노SiC를 0.5~20체적%의 비율로 아르곤 분위기의 용기에 장입한 후 플레너터리 볼밀기를 이용하여 360rpm, 볼과 분말의 비율은 10:1, 밀링시 마찰계수를 감소시키기 위해서 공정제어제로 헵탄(Heptane)을 15~25중량부를 첨가하고, 30분 이내로 혼합하여 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 제조하는 단계(S10)를 수행한다. 이때, 나노SiC입자는, 일반적으로 기계적 밀링 공정시 발생되는 회전력에 의해 볼이 회전하면서 장입된 분말 내부로 침투하여 분말을 혼합하는 것과 같은 효과처럼 극미세한 나노크기의 SiC입자가 밀링볼과 같은 역할로 CNT 내부로 침투하여 물리적으로 응집된 CNT를 분리하고 유동성을 촉진시켜 알루미늄 표면에 균일하게 분산 혼합된다.

CNT는 목적물의 형상에는 영향을 미치지 않으나 CNT함량이 적으면 분산유도제인 나노SiC의 함량을 줄이고, 반대로 CNT를 많이 첨가할수록 효과적인 분산을 위해 나노SiC의 함량을 증가시키는 것이 필요하다.

복합분말을 전도성 금속캔에 장입하는 단계(S20)는 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이, 복합분말을 제조하는 단계(S10)에서 제조된 카본나노튜브-알루미늄 복합분말(10)을 가이더(G)를 통해 전도성 금속캔(20)에 장입하고 캡(C)으로 봉입하는 단계다. 전도성 금속캔(20)은 전기 및 열전도성이 있는 금속은 모두 사용가능하지만, 알루미늄 캔이나 구리 캔을 사용하는 것이 바람직하다. 전도성 금속캔의 두께는 0.5mm ~ 2 mm 정도로 한다.

압출하여 복합선재를 제조하는 단계(S30)는 복합분말이 장입된 전도성 금속캔을 압출하여 복합선재를 제조하는 단계로서, 압출은 350~550℃에서 압출비 15~20로 열간 분말압출한다. 분말압출은 분말공정 특유의 조직의 미세화에 의한 성능이 개선되고, 분말혼합물의 압출에 의한 분산효과가 있으며, 일반압출에 비해 압출압력이 낮고 압출온도 및 압출속도의 선택범위도 넓다. 제조된 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재(30)가 도 2의 (b)에 나타나 있다.

이와 같은 제조방법에 의해 제조된 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재는 전기전도성은 순수 알루미늄 또는 구리와 거의 동일하지만 인장강도는 순수 알루미늄에 대비 약 400% 증가하였고, 연신율은 순수 알루미늄과 동일하거나 50% 정도 감소하였지만, 중량은 순수 알루미늄 대비 약 5% 이내로 감소하였고 순수 구리 대비 약 1/3수준으로 감소하여 경량화된 고강도 고연성 송전용 복합선재를 제조할 수 있음이 확인되었다.

아래 [표 1]은 비교예(순수 알루미늄과 순수 구리 및 Al-CNT)의 선재와 본 발명의 실시예(실시예1 및 실시예 2)에 대한 복합선재의 물성을 나타낸 표이다.

비교예의 CNT는 순도 99.5%, 직경과 길이는 각각 20㎚와 30㎛이고, 알루미늄 분말은 평균입경 16㎛, 순도 99.8%인 원료를 사용하였다. 비교예의 분산유도제로 솔벤트와 천연고무액을 1:1로 혼합한 용액을 사용하였다.

실시예의 CNT는 순도 95%, 직경과 길이는 각각 80㎚와 20㎛이고, 알루미늄 분말은 평균입경 63㎛, 순도 99.5%인 원료를 사용하였다. 실시예의 분산유도제로 순도 99.8%, 평균입경 20㎚의 나노SiC입자를 사용하였다.

[비교예 3(Al-CNT)의 샘플 제조]

CNT 10중량%와 알루미늄분말 80중량%를 혼합한 Al-CNT 혼합물을 분산유도제(솔벤트와 천연고무액을 1:1로 혼합한 용액)와 1:1로 혼합하여 초음파를 12분동안 조사하여 분산혼합물을 제조한 후, 분산혼합물을 관상로에서 불활성 분위기로 500℃로 1.5시간동안 열처리하여 분산유도제 성분을 완전히 제거하여 Al-CNT 혼합물을 제조한 다음, 얻어진 Al-CNT 혼합물을 스파크 플라즈마 소결기(일본스미토모 코알 미닝사, 모델 SPS-S515)를 이용하여 온도 450℃, 압력 50MPa, 홀딩시간 30분으로 소결하여 벌크상의 소결체를 제조한 후, 소결체를 열간압출기(일본 시마츠사, 모델 UH-500kN)로 압출온도 450℃, 압출비 20 조건으로 압출하여 Al-CNT 선재를 제조하였다.

[실시예 1(Al-CNT + Al 캔)의 샘플 제조]

CNT: 10체적%와, 알루미늄분말: 85체적%를 분산유도제인 나노SiC를 5체적%의 비율로 아르곤 분위기의 용기에 장입한 후 플레너터리 볼밀기(독일 Retsch사 모델 PM400)를 이용하여 360rpm, 볼과 분말의 비율은 10:1, 밀링시 마찰계수를 감소시키기 위해서 공정제어제로 헵탄(Heptane)을 20중량부를 첨가하고, 20분 혼합하여 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 제조하였다. 이때, 분말을 장입한 용기는 500㎖ 용량의 스테인레스 재질이며, 직경 10mm의 스테인레스 볼을 사용하였다.

제조된 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 직경 12mm, 두께 1.5mm의 알루미늄 캔에 투입하여 봉입하고, 열간압출기(일본 시마츠사, 모델 UH-500kN)로 압출온도 450℃, 압출비 20 조건으로 열간 분말압출하여 Al-CNT(Al캔) 복합선재를 제조하였다.

[실시예 2(Al-CNT + Cu 캔)의 샘플 제조)

비교예 4에서 알루미늄 캔을 구리 캔으로 대체하여 Al-CNT(Cu캔) 복합선재를 제조하였다.

도 3은 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재 케이블을 절단하여 나타낸 샘플의 사진이다.

샘플	인장강도 (MPa)	연신율 (%)	비커스 경도(Hv)	열팽창 계수 (10^-6K^-1)	열전도도 (W/mK)	전기 전도도 (S/m)
비교예1 (순수 Al)	50	~30	16	23	230	3.5x10⁷
비교예2 (순수 Cu)	220	~30	30	17	400	5.96x10⁷
비교예3 (Al-CNT)	200	~21	100	20	~300	3.61x10⁷
실시예1 (Al-CNT Al캔)	190	~10	100	20	~250	3.53x10⁷
실시예1 (Al-CNT Cu캔)	210	~10	100	18	~330	5.82x10⁷

본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 다양한 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

10 : 복합분말 20 : 전도성 금속캔
30 : 복합선재
C : 캡 G : 가이더

Claims

CNT와 알루미늄 분말 및 분산유도제인 나노입자를 혼합하여 복합분말을 제조하는 단계;
상기 복합분말을 전도성 금속캔에 장입하고 캡(C)으로 봉입하는 단계;
상기 복합분말이 장입된 상기 전도성 금속캔을 압출하여 복합선재를 제조하는 단계;를
포함하고,
상기 복합선재를 제조하는 단계에서, 압출은 열간 분말압출로 행하며,
상기 열간 분말압출은 압출온도 350~550℃, 압출비 15~20로 행해지는
것을 특징으로 하는 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 복합분말을 제조하는 단계에서, 상기 CNT는 0.5~20체적%, 상기 알루미늄분말은 80~99체적%, 상기 나노입자는 0.5~20체적%를 혼합하여 복합분말을 제조하는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 나노입자는 나노SiC, 나노SiO₂ 나노Al₂O₃, 나노TiO₂, 나노Fe₃O₄, 나노MgO, 나노ZrO₂ 의 세라믹 군 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 복합분말을 제조하는 단계에서, 상기 CNT와 상기 알루미늄 분말 및 분산유도제인 상기 나노입자를 불활성분위기의 용기에 넣어 볼밀기로 혼합하는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재의 제조방법.
청구항 4에 있어서,
상기 볼밀기로 밀링시, 마찰계수를 감소시키기 위해서 공정제어제로 헵탄(Heptane) 15~25중량부를 첨가하여 혼합하는 것을 특징으로 하는 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 전도성 금속캔은 알루미늄캔 또는 구리캔인 것을 특징으로 하는 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재의 제조방법.
삭제
삭제
청구항 1 내지 청구항 6 중의 어느 하나의 제조방법으로 제조된 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재.