KR101771548B1 - 복합 전선 구조체 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

금속 도선의 표면에 탄소 재료 아일랜드 구조가 형성된 복합 전선 구조체 및 그 제조 방법을 제공한다. 이에 따라 탄소 재료 및 금속 복합 전선의 사용 시 안정성 문제점을 해결할 수 있고 전기적 특성, 기계적 특성 등의 저하를 방지하도록 할 수 있다. 또한, 위와 같은 복합 전선 구조체를 상업적 수준에서 대량 생산할 수 있다.

Description

복합 전선 구조체 및 그 제조 방법{Composite electric wire structure and method for manufacturing the same}
본 명세서는 복합 전선 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
그래핀 (Graphene)은 탄소원자가 6각형 모양을 형성하며 평면구조 (2차원적 구조)를 갖는 물질로 3차원적 구조를 갖는 흑연(graphite)과 1차원적 구조인 탄소나노튜브, 0차원적 구조인 플러렌(Fullerene) 등과 다른 물리적 특성을 나타낸다. 현재까지 보고된 단일층 그래핀 필름의 특징은 전자 이동도가 약 150,000 cm2V-1S-1, 광학적 투명도는 약 97.5%, 표면적이 약 2600 m2g- 1으로 기존의 탄소물질과 다른 독특한 특성을 가지고 있다. 특히, 그래핀의 독특한 전자 구조는 그래핀 내에서 전자가 질량이 없는 것처럼 이동하기 때문에, 그래핀 내에서의 전자 이동은 매우 빠르다. 특히, 전기 도선으로 널리 사용되는 구리보다 약 100 배 이상 높은 전기전도도를 나타내는 것으로 보고되고 있다.
한편, 현재 전선의 소재로는 금속 그 중에서도 다른 금속들에 비해 풍부한 매장량과 비교적 저렴한 구리(Cu)가 주종을 이루고 있다. 그러나 구리 전선은 가늘게 만들수록 열의 방출이 어려워 전력 손실이 발생하고, 두꺼운 구리 전선은 전자가 구리 도선 표면에 몰려 이동하는 표피 효과로 인해 전기 전도성이 떨어지는 문제점이 있다. 또한, 금속은 공기 중에서 쉽게 산화되어 금속 본연의 특성이 떨어지는 단점이 있다. 따라서 탄소나노튜브나 그래핀과 같은 전기적, 열적, 구조적 특성이 우수하면서도 유연한 특성을 갖는 탄소물질로 금속 도선을 대체하는 연구가 진행되었다. 하지만, 탄소나노튜브는 직경 대비 길이비가 높기는 하나, 실제 도선에 비해 짧은 길이이며, 탄소 섬유는 길이가 길고 도선으로 사용이 가능한 기계적 특성을 갖지만, 전기전도도가 낮은 단점이 있다.
일부 연구자들은 그래핀을 단독으로 사용하여 금속 전선을 대체하는 연구를 진행했었다(특허문헌 1). 이 방법에서는 우선, 금속층을 패턴하여 선형의 금속 촉매층을 형성한 후, 화학기상증착법을 이용하여 그래핀을 촉매층에 형성시킨 후 촉매층을 제거 및 분리하여 그래핀 섬유로 된 전선을 구성한다. 또한, 고분자 섬유에 금속을 증착시켜 표면을 코팅한 후 화학기상증착법을 이용하여 금속층 표면에 그래핀을 형성시킨 방법도 있다(특허문헌 2).
하지만, 본 발명자들의 연구에 따르면, 이러한 그래핀 전선은 그래핀 형상이 일정하지 않으며, 탄소나노튜브의 단점과 유사하게 길이가 짧은 구조적 문제점이 있다.　또한, 방법적 측면에서도 화학기상증착법을 이용하기 때문에 연속공정이 어렵고, 금속층을 제거하는 과정에서 섬유형상이 무너지거나 길이가 짧은 단섬유가 형성되는 단점이 있다.
한편, 금속선 표면에 카본 소소를 포함하는 고분자 층을 코팅하고 이에 마이크로파나 IPL(Intensed Pulse Light) 조사하여 그래핀층을 형성하도록 하거나(특허문헌 3, 4), 금속 도선 표면에 화학기상증착법을 이용하여 그래핀 층을 형성한 경우도 있다(비특허문헌 1).
이와 같이 금속선 표면에 그래핀 층을 형성하는 종래의 방법에서는 금속선 표면 전부를 그래핀 층으로 도포하게 되어 금속선 표면에 두꺼운 그래핀 층이 연속하여 피복된다.
도 1은 종래의 금속 도선에 형성되는 그래핀 구조를 나타내는 개략도로서, 도 1a는 특허 문헌 3에 개시된 금속 도선에 그래핀이 피복된 것을 보여주는 개략도이고(특허 문헌 3의 도 2), 도 1b는 특허 문헌 4에 개시된 금속 도선에 그래핀이 피복된 것을 보여주는 실제 사진이다(특허 문헌 4의 도 5).
도 1에서 알 수 있듯이, 특허 문헌 3의 경우 금속 도선 상에 그래핀 구조를 전체적으로 형성하고 있으며(도 1a 참조), 특허 문헌 4의 경우 그래핀이 금속 도선 상에 두껍게 피복되어 있음을 실제로 보여준다(도 1b 참조). 종래 문헌들은 위와 같이 금속 도선 상에 그래핀 층을 피복 형성함으로써 전기 전도도 등이 우수해 진다고 보고 있다.
그러나, 본 발명자들은 위와 같이 금속선 표면에 그래핀 층을 형성하는 종래의 방법이 실제 적용 시 다음의 문제점을 갖는다는 것을 알게 되었다.
즉, 금속 도전체 선에는 절연을 위하여 절연 피복을 하거나 도체 차폐층을 형성하는 등 도전체 상에 피복물이 접촉하게 된다(이하, 피복물이라고 한다). 종래 방법과 같이 그래핀이 금속선 표면을 모두 덮는 경우 그래핀과 절연 피복 등의 피복물이 직접 접할 수밖에 없게 된다. 그런데, 그래핀은 탄소 재료로서 절연 고분자로 이루어지는 절연 피복이나 차페 층 등의 피복물과는 접착력이 좋지 않기 때문에 결과적으로 그래핀이 도선을 연속적으로 피복한 구조는 피복물의 도선 접착력을 저하시킨다. 이에 따라, 전선의 사용 시 절연 피복 등의 피복물의 접착력 저하로 피복물이 터지거나 절연성 저하로 단락(쇼트)가 발생하거나 차폐성이 저하되는 등 다양한 문제점이 발생하게 된다. 또한, 이러한 문제점은 특히 전선이 구부러지거나 휘어지거나 또는 감겨서 사용되는 경우 등과 같이 전선을 변형하는 경우에 매우 빈번히 발생하게 된다. 더욱이, 송전 탑에 사용되는 송전 케이블과 같이 대용량 전선에 있어서 위와 같은 단락 등은 상당한 위험성을 수반한다. 따라서, 종래의 그래핀으로 피복된 금속 도선 기술은 사용 안전성 측면에서 큰 문제점을 야기하여 실제 적용이 제한될 수 있지만, 종래 이에 대한 고려가 없었다.
또한, 종래와 같이 금속 선 표면에 그래핀 층을 피복하게 되면 전선 사용 환경 특히 구부러지나 휘어지거나 감겨지는 사용 환경에서는 그래핀 층이 깨져셔 금속 도선 자체로부터도 탈리되어 그래핀 도포 효과가 저하되어 결과적으로 전기 전도성이나 유연성 내지 탄성 등의 기계적 특성의 저하가 나타나게 된다.
한편, 전선은 연속 공정으로 제조되고 생산 속도가 전선 단가에 미치는 영향이 크다. 따라서, 상술한 바와 같이 전선 사용 환경 특히 구부러지거나 휘어지거나 감겨지는 사용 환경에서도 피복이 터지거나 쇼트되는 일이 없어 안전성이 높으면서도 또한 전기 전도성이나 기계적 특성의 저하가 없는 복합 전선 구조체를 상업화에 적합하도록 대량 생산할 수 있는 방법도 요구된다.
한국특허출원공개 제2011-93666호 미국특허출원공개 제2013-0140058호 한국특허출원공개 제2013-58389호 한국특허출원공개 제2013-51418호
Current Applied Physics, K. J. Yoo et. al., 2012, 12, 115-118
본 발명의 구현예들에서는, 일측면에서, 이종 소재인 금속과 탄소재료(특히 그래핀)를 이용하여 전선을 구성하되, 단순히 금속 선에 탄소재료 층이 형성되도록 하는 것이 아니라, 금속 도선에 형성되는 탄소재료의 구조를 제어하도록 하는 복합 전선 구조체 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 구현예들에서는, 다른 일측면에서, 금속과 탄소재료를 포함하는 복합 전선 구조체에 절연 피복이나 차폐층 등 피복물 형성 시 접착력이 저하되는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 전선 사용 시 특히 전선을 구부리거나 휘거나 감아 사용하는 경우 등과 같이 전선 변형 시에도 피복물이 파열되거나 단락(쇼트)이 발생하거나 차폐성이 저하되는 것을 방지할 수 있는 복합 전선 구조체 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 구현예들에서는, 또 다른 일측면에서, 금속과 탄소재료를 포함하는 복합 전선 구조체에서 탄소재료 구조물과 금속 도선이 강한 상호 작용으로 결합할 수 있으며, 전선 사용 환경 특히 전선이 구부려지거나 휘어지거나 감겨지는 사용의 경우 등에도 탄소재료의 깨짐과 탈리에 의한 전기 전도성, 탄성이나 유연성 등의 기계적 특성의 저하를 방지할 수 있는 복합 전선 구조체 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 구현예들에서는, 또 다른 일측면에서, 전술한 바와 같이 전선 사용 환경 특히 구부러지거나 휘어지거나 감겨지는 사용 환경에서도 절연 피복이나 차폐층 등 피복물의 접착력 저하나 피복이 터지거나 쇼트되는 일이 없어 안전성이 높고, 또한 탄소재료 구조물과 금속 도선 간의 접착력이 우수하며, 전기 전도성이나 기계적 특성의 저하가 없는 복합 전선 구조체를 상업화에 적합하도록 대량 생산 할 수 있는 복합 전선 구조체 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 구현예들에서는, 또 다른 일 측면에서, AC (교류) 전도도, 납땜성, 탄델타, 크래징성, 신율, 내부식성 등이 향상된 복합 전선 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 복합 구조체 전선으로서, 금속 도선; 및 상기 금속 도선의 표면에 존재하는 탄소재료 아일랜드 구조;를 포함하고, 상기 탄소재료 아일랜드 구조는 금속 도선 표면에서 복수 개의 탄소재료 플레이크들이 분산되어 있고 또한 고립되어 있는 구조인 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 복합 구조체 전선으로서, 금속 도선; 상기 금속 도선의 표면에 존재하는 탄소재료 아일랜드 구조; 및 상기 금속 도선 및 탄소재료 아일랜드 구조를 피복하는 피복물을 포함하고, 상기 탄소재료 아일랜드 구조는 금속 도선 표면에서 탄소재료 플레이크들이 분산되어 있고 또한 고립되어 있는 구조이며, 상기 피복물은 탄소재료 아일랜드 구조가 존재하지 않는 부분에서 금속 도선과 접촉하고 탄소재료 아일랜드 구조가 존재하는 부분에서 탄소재료와 접촉하는 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 구현예들의 복합 전선 구조체 및 제조 방법에 의하면, 단순히 금속 선에 탄소재료 층이 형성된 것이 아니라, 금속 도선 표면에 형성되는 탄소재료의 구조를 제어함으로써, 탄소재료 및 금속 복합 전선의 사용 시 안정성 문제점과 전기적 특성, 기계적 특성 등의 저하 문제점을 해결할 수 있다.
즉, 절연 피복이나 차폐층 등 피복물 형성 시 해당 피복물이 탄소재료 뿐만 아니라 금속 전선에도 직접 고루 접착할 수 있어 접착력이 저하되지 않는다. 이에 따라, 전선 사용 환경 특히 전선을 구부리거나 휘거나 감아 사용하는 경우 등에도 피복이 파열되거나 단락(쇼트)이 발생하거나 차폐성이 저하되는 문제 등을 방지할 수 있어 안전성을 높일 수 있다.
또한, 복합 전선 구조체에서 탄소재료와 금속이 강한 상호 작용으로 결합할 수 있으면서도, 탄소재료의 깨짐이나 탈리를 방지하여 전선 사용 환경 특히 전선이 구부려지거나 휘는 경우 또는 감겨서 사용되는 경우 등에도 전기 전도성, 탄성이나 유연성 등의 기계적 특성 저하를 방지할 수 있다. 또한, 위와 같은 복합 전선 구조체를 상업적 수준에서 대량 생산할 수 있으므로 매우 유용하다.
또한, AC (교류) 전도도, 납땜성, 탄델타, 크래징성, 신율, 내부식성 등이 향상된 복합 전선 구조체를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 금속 도선에 형성되는 그래핀 구조를 나타내는 개략도로서, 도 1a는 특허 문헌 3에 개시된 금속 도선에 그래핀이 피복된 것을 보여주는 개략도이고(특허 문헌 3의 도 2 참조), 도 1b는 특허 문헌 4에 개시된 금속 도선에 그래핀이 피복된 것을 보여주는 실제 사진이다(특허 문헌 4의 도 5 참조).
도 2a는 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 복합 전선 구조체를 나타내는 개략도이고, 도 2b는 도 2a의 구조체에 절연체와 같은 피복물이 피복된 복합 전선 구조체를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 복합 전선 구조체의 연속 제조 공정을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에서 60 분간의 탄화 처리를 통해 제조된 그래핀/구리 복합 전선 구조체의 구조를 보여주는 SEM 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에서 탄화 공정 시간이 각각 10분(도 5a), 30분(도 5b), 60분(도 5c)일 때의 제조된 그래핀/구리 복합 전선 구조체 표면의 SEM 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에서 극성용매의 무게대비 0.5%(도 5a)와 3.0%(도 5b)인 고분자 용액으로 제조된 그래핀/구리 복합 전선 구조체 표면의 SEM 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2 및 비교예 1에 있어서, 사탐침(4-point probe)법을 이용하여 측정된 전기 전도도를 나타내는 그래프이다. 도 7에서 X축에는 비교예 1의 순수 구리 도선(Pristine) 및 실시예 2의 고분자 용액의 농도가 각각 표시되어 있으며, Y축에는 전기 전도도(단위 105 S/cm)가 표시되어 있다.
도 8은 본 발명의 실시예 3에서 0.192 mm 직경의 구리 도선을 이용하여 제조한 그래핀/구리 복합 전선 구조체 표면(도 7a) 및 비교예 1인 순수 구리 도선(Pristine) 표면(도 7b)의 SEM 사진이다.
도 9는 본 발명의 실시예 3에서 0.192 mm 직경의 구리 도선을 이용하여 제조한 그래핀/구리 복합 전선 구조체의 광학 이미지(도 9a) 및 라만 스펙트럼(도 9b)을 나타내는 것이다. 이와 같이 라만스펙트럼(Raman Spectroscopy) 분석을 통해 약 2700 cm-1에서 관찰되는 그래핀의 2D 피크가 확인되어 그래핀/구리 복합 도선의 결정성을 확인할 수 있었다.
도 10은 본 발명의 실시예 3 및 비교예 1에 있어서, 사탐침(4-point probe)법을 이용하여 측정된 전기 전도도를 나타내는 그래프이다. 도 10에서 X축에는 실시예(graphene으로 표시)와 비교예 1(pristine 및 anealed 된 경우)가 표시되어 있으며, Y축에는 전기 전도도(단위 105 S/cm)가 표시되어 있다.
도 11은 본 발명의 실시예 4의 그래핀/구리 복합 전선 구조체의 주파수에 따른 AC (교류) 전도도를 나타내는 그래프이다. 도 11에서 X축에는 비교예 1의 순수 구리 도선(Pristine) 및 실시예 4를 표시하고 있으며, Y축은 전기 전도도(단위:105 S/cm)를 나타낸다.
도 12은 본 발명의 실시예 4의 그래핀/구리 복합 전선 구조체의 파단면(도 12a) 및 비교예 1인 순수 구리 도선(Pristine)의 파단면(도 12b) SEM 사진이다.
도 13은 본 발명의 실시예 4 및 비교예 1의 순수 구리 도선(Pristine)에서 탄화 시간에 따른 그래핀/구리 복합 전선 구조체의 탄성률(Modulus)을 나타내는 그래프이다. 도 13에서 X축은 비교예 1의 순수 구리 도선(Pristine) 및 실시예 4의 각 탄화 시간을 표시하고 있으며, Y축은 모듈러스(단위: GPa)를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 실시예 4의 그래핀/구리 복합 전선 구조체의 신율(Elongation) 향상도를 나타내는 그래프이다. 도 14에서 X축은 비교예 1의 순수 구리 도선(Pristine) 및 실시예 4의 각 탄화 시간을 표시하고 있으며, Y축은 신율(단위:%)를 나타낸다.
도 15는 본 발명 비교예 2의 SEM 사진이고, 도 16은 비교예 3의 SEM 사진이다.
본 명세서에서 탄소 재료란 평면 구조(2차원 구조)를 가지는 고리화된 탄소 구조체를 의미한다. 이러한 탄소 재료는 6각형의 그래핀을 포함할 수 있고, 아울러 그래핀 뿐만 아니라 결정성이 떨어지는 2차원 탄소 재료를 포함할 수 있다 (즉, 그래핀 외에 예컨대 6각형을 제외한 다각형 탄소 구조, 결함이 부분적으로 존재하는 고리형 탄소구조나 비결정성 탄소가 포함될 수 있다). 또한 상기 탄소 재료는 그래핀으로만 이루어진 것일 수 있다.
본 명세서에서 탄소 재료 플레이크란 금속 도선 표면에서 존재하는 플레이크 형태의 탄소 재료를 의미한다.
본 명세서에서 그래핀 플레이크란 금속 도선 표면에서 존재하는 플레이크 형태의 그래핀을 의미한다. 그래핀 플레이크에는 복수 개의 육각형 고리들이 존재할 수 있다.
본 명세서에서 탄소 재료 아일랜드 구조란 탄소 재료 플레이크들이 도선 표면 상에서 분산되어 있으면서 또한 고립된 섬 구조(비연속적인 점 구조)을 이루고 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 그래핀 아일랜드 구조란 그래핀 플레이크들이 도선 표면 상에서 분산되어 있으면서 또한 고립된 섬 구조(비연속적인 점 구조)을 이루고 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 결함부란 다결정 금속의 입계(grain boundary)를 의미한다.
본 명세서에서 고분자 유래의 탄소 원자란 금속 도선에 제공된 고분자의 탄소 원자가 탄소 재료를 형성하는 것을 의미한다. 즉, 고분자가 분해되어 고분자 구조를 이루는 탄소 원자가 예컨대 그래핀 또는 적층체 형태의 구조를 형성하는 것을 의미한다.
본 명세서에서 외부 유래란 상기 고분자 유래가 아닌 다른 탄소 소스 (예컨대, 탄소 원자 함유 가스)로부터 제공된 탄소 원자가 탄소 재료를 형성하는 것을 의미한다.
본 명세서에 피복물이란 전선 구성 시 전도체(금속 도선이나 금속 도선에 그래핀 형성한 전도체)에 접촉하는 예컨대, 절연 피복이나 차폐층 등과 같은 피복물을 의미한다.
이하, 본 발명의 예시적인 구현예들을 상세히 설명한다.
본 발명자들은 금속과 탄소 재료로 복합 전선을 제조함에 있어서, 단순히 금속 도선 표면에 탄소 재료 층이 덮히도록 형성하는 것이 아니라, 금속 도선에 형성되는 탄소 재료의 구조를 제어하여 금속 도선 표면에서 탄소 재료 플레이크가 아일랜드 구조를 이루도록 하였다.
여기서, 탄소 재료는 일부에서 결정성이 떨어지는 예컨대 6각형을 제외한 다각형 탄소 구조, 결함이 부분적으로 존재하는 고리형 탄소구조나 비결정성 탄소가 포함될 수 있지만, 주로 그래핀으로 이루어져 있고, 또한, 그래핀만으로 구성될 수도 있다. 따라서, 이하에서는 탄소 재료로서 그래핀을 예로 들어 그 구조를 설명하겠다.
도 2a는 본 발명의 예시적인 구현예에 따른 복합 전선 구조체를 나타내는 개략도이고, 도 2b는 도 2a의 구조체에 절연체가 피복된 복합 전선 구조체를 나타내는 개략도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 그래핀과 금속의 복합 구조체로 이루어진 전선은 금속 도선 상에 그래핀 플레이크들이 띄엄 뛰엄(이격하여) 분산(산포)되어 플레이크들이 고립된 그래핀 아일랜드 구조를 가진다.
이러한 그래핀 아일랜드 구조물의 실제 사진은 후술하는 예컨대 도 4에서 확인된다. 도 4 및 도 2a를 함께 참조하면, 금속 도선 표면상에 그래핀 플레이크들이 점 형상으로 분산되어 있고 이와 같이 분산된 플레이크들이 서로 고립되어 아일랜드 구조를 이루고 있음을 알 수 있다. 이와 같은 아일랜드 구조(또는 이를 비연속적 점 구조로 표현할 수도 있다)는 도 1 (선행 기술 도면)에 도시된 바와 같은 종래의 금속 도선 상에 형성된 그래핀 층과는 확연히 구분됨을 알 수 있다. 즉, 종래의 금속 도선 상에 형성된 그래핀 층은 금속 선을 전체적으로 다 덮는 연속적 구조를 가지게 된다. 도 1b의 실제 사진을 보면 금속 도선이 그래핀 층으로 두껍게 도포되어 있음을 볼 수 있다(이를 그래핀의 연속적인 면 구조라고 표현할 수 있다).
반면, 본 발명의 예시적인 구현예들에 의하면, 금속 도선 상에 그래핀 플레이크들의 아일랜드 구조를 가진다. 이러한 아일랜드 구조는 그래핀 층이 금속 도선을 피복한 구조(연속적 면 구조)가 아니라 그래핀 플레이크들의 금속 도선 상에 띄엄 띄엄 존재하는 비연속적 점 형상의 구조이다. 도 2a의 개략도에 도시된 바와 같이 일부 플레이크들이 붙어 있을 수 있지만, 이러한 연결된 플레이크들(이들을 플레이크들의 집합체로 표현할 수 있다) 역시 다른 플레이크와는 고립된 아일랜드 구조(비연속적 점 구조)를 나타내는 것이다.
본 발명의 예시적인 구현예들에서는, 이러한 구조를 가지는 복합 전선 구조체에 절연체 등의 피복물이 피복되도록 한다.
도 2b는 도 2a의 도선에 절연체 (예컨대 절연 고무, 플라스틱 등과 같은 절연 고분자) 등의 피복물이 피복된 모습을 나타내는 개략도이다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 그래핀이 금속 도선 전체에 연속적으로 존재하는 것이 아니라 아일랜드 구조를 가지며 형성되어 있기 때문에, 절연체 등의 피복물은 그래핀이 존재하지 않는 부분에서 금속과 직접 접촉할 수 있고, 나머지 부분에서 그래핀과 접촉할 수 있다. 따라서, 그래핀과 절연체 등의 피복물이 집적 접촉하는 영역이 최소화되어 접착력 저하를 방지할 수 있으면서도 금속 도선 상에 그래핀이 존재함으로써 얻어질 수 있는 전기 전도도나 기계적 특성의 향상도 동시에 이룰 수 있는 것이다.
또한, 전술한 바와 같이 절연체 등의 피복물이 그래핀이 존재하지 않는 부분에서 금속과 직접 접촉하게 됨에 따라, 전선 복합체 사용 (특히 전선이 구부러지거나 휘어지거나 감겨지거나 기타 전선에 외력이 가해지는 경우 등) 시 피복물의 파열을 방지할 수 있으며 절연성 저하로 인한 쇼트를 방지할 수 있다. 또한, 그래핀이 금속 도선에 연속적인 면 구조를 가지며 도포되어 있는 경우, 전선 사용 시 (특히 전선이 구부러지거 휘어지거나 감겨지거나 기타 전선에 외력이 가해지는 경우 등), 그래핀에 응력이 발생하게 되어 그래핀이 깨지고 도선으로부터 탈리되기 쉽다. 이에 따라, 전선 복합체에서는 전기 전도도와 탄성이나 유연성 등의 기계적 특성의 저하가 나타날 수 있고 전선복합체의 특성 불균일을 유발할 수 있게 된다. 반면, 본 발명의 예시적인 구현예들에서와 같은 아일랜드 구조에서는 그래핀 플레이크가 띄엄 띄엄 존재하여 그래핀 간 전달되는 응력이 작게 되어 상술한 전선 사용 환경의 경우에도 그래핀의 깨짐과 탈리를 방지할 수 있고 이에 따른 전기 전도도와 탄성, 유연성 등의 기계적 특성의 저하를 방지할 수 있으며, 또한 전선 복합체의 특성 불균일을 방지할 수 있게 되는 것이다.
예시적인 일 구현예에서, 탄소 재료 플레이크(그래핀 플레이크)는 금속 도선의 전체 면적 대비 5~90%, 바람직하게는 5~50%, 더욱 바람직하게는 20~50%로 존재할 수 있다. 이러한 탄소 재료 플레이크(그래핀 플레이크)는 금속 도선의 어느 일부분에서도 아일랜드 구조가 아닌 연속된 면 구조를 이루지 않는다. 앞서 설명했지만, 이와 같이 탄소 재료(그래핀)가 연속된 면 구조를 이룬 상태에서 절연체가 접촉하면 해당 면 구조 부분에서 접착력이 저하되고 피복 파열, 쇼트를 유도할 수 있기 때문이다.
예시적인 일 구현예에서, 탄소 재료 플레이크(그래핀 플레이크)는 금속 도선 표면에서 성장한 탄소 재료(그래핀) 성장체일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 금속 도선은 단결정 금속으로 이루어진 단결정 금속 도선일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 금속 도선은 결함부를 가지는 다결정 금속 도선이며, 탄소 재료 플레이크(그래핀 플레이크)는 결함부로부터 성장한 것일 수 있다.
다결정 도선의 경우는 결정면에 따라, 결합부인 입계(grain boundary)와 입자(grain)에 따라 그래핀 성장 반응속도가 다르므로, 아일랜드 구조의 그래핀이 형성되기가 용이할 수 있다.
도 2a 및 도 4를 다시 참조하면, 금속 입자와 입자 간에 선 형태의 계면이 존재함을 볼 수 있는데, 이러한 입계(grain boundary)가 결함부이다. 이러한 금속 결함부(금속 입계)를 가지는 금속 도선에서는 결합부에서 그래핀이 주로 성장하게 된다. 즉, 결함부에서는 노출되는 금속 원자의 수가 많게 되고, 따라서 그래핀이 고분자로부터 생성 시 기체 형태로 제거되는 부분 보다 그래핀이 형성되는 반응이 더 빨리 일어나게 된다. 따라서, 이러한 결함부는 그래핀 플레이크들의 주요 성장점 역할을 할 수 있다. 한편, 금속 입자(grains)로부터도 일부 그래핀 플레이크들이 성장할 수 있다. 이와 같이 그래핀 플레이크들을 금속 도선 상에서 동시 다발적으로 성장시킨 후 성장이 멈추게 되면, 그래핀 플래이크들의 아일랜드 구조(섬 구조, 비연속적 점 구조)를 얻을 수 있다. 여기서, 그래핀 플레이크는 몇 개가 결합되어 보다 큰 플레이크를 만들 수 있지만, 이와 같이 결합된 플레이크와 다른 플레이크는 여전히 아일랜드 구조를 이루어야 한다.
예시적인 일 구현예에서, 탄소 재료 플레이크(그래핀 플레이크)는 이종 원소가 도핑된 탄소 재료(그래핀)을 포함할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 탄소 재료 플레이크(그래핀 플레이크)는 고분자 유래의 탄소 (고분자에 포함되어 있던 탄소) 외에 외부 유래 탄소(별도로 제공되는 탄소소 예컨대, 탄화 원자 함유 가스로부터 제공된 탄소)를 더 포함할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 탄소 재료 플레이크(그래핀 플레이크)는 0.3 내지 30nm의 두께를 가질 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 전선은 단일 가닥일 수도 있고, 이러한 단일 가닥 전선 복수 개가 함께 사용(예컨대, 여러 가닥이 꼬아져서 사용)될 수 있다. 비제한적인 예시에서, 상기 단일 가닥 전선 직경은 예컨대 10nm 내지 100cm일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 탄소 재료 아일랜드 구조를 형성한 금속 도선을 사용한 복합 전선 구조체의 전기 전도도는 탄소 재료 아일랜드 구조 형성 없이 금속 도선 자체만 사용한 전선과 대비하여, 전기 전도도가 1% 이상, 바람직하게는 3% 이상, 더 바람직하게는 5% 이상, 더욱 바람직하게는 10% 이상의 상승을 나타낼 수 있다. 비제한적인 예시에서, 예컨대, 구리 도선의 경우 전기 전도도가 5.6 x 105 S/cm인데, 여기에 탄소 재료 아일랜드 구조를 형성하는 경우 5.8~6.01x 105 S/cm 정도로 증가할 수 있다. 또한, 비제한적인 예시에서, 예컨대 알루미늄 도선의 경우 전기 전도도가 3 x 105 S/cm인데, 여기에 탄소 재료 아일랜드 구조를 형성하는 경우 전기 전도도가 4 x 105 S/cm로 상승할 수 있다. 도선을 구성하는 경우 도선에 들어가는 금속 양이 매우 많기 때문에 전기 전도도가 1% 이상, 3% 이상, 5% 이상, 10% 이상으로 증가한다는 것은 상당한 정도의 증가를 의미한다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 복합 전선 구조체의 탄성은 0.1~1000 GPa일 수 있고, 바람직하게는 50~1000GPa일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 전선은 구부려지거나 휘어지거나 감겨지는 등의 방식 (즉, 직선 상태로부터 변형되는 경우를 말한다)으로 사용되는 것이고, 이와 같이 직선 상태로부터 변형되는 경우에도 전기 전도도 및 탄성의 저하가 실질적으로 나타나지 않을 수 있다. 전기 전도도 및/또는 탄성이 변화하더라도 1.0% 범위 이내에 있는 것을 실질적으로 동일하다고 할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 다결정 금속은 전이 금속, 비전이 금속, 전이후금속 또는 이들의 합금으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상으로 이루어질 수 있다. 전이 금속은 예컨대 Pt, Ru, Cu, Fe, Ni, Co, Pd, W, Ir, Rh, Sr, Ce, Pr, Nd, Sm 및 Re로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상 일 수 있다. 비 전이 금속은 Mg 및 B 로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 전이 후 금속은 Sn, Al, 및 Pb로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 금속 도선은 다층 구조로 이루어질 수 있다. 비제한적인 예시에서, 구리(외부) /알루미늄(내부), 주석(외부2)/구리(외부1)/알루미늄(내부) 으로 된 다층 금속 도선도 가능하다.
예시적인 일 구현예에서, 탄소 재료 아일랜드 구조가 형성된 금속 도선상에 접촉할 피복물은 도전체 차폐층(conductor shied) 및/또는 절연층(insulator)일 수 있다. 전선은 응용 분야에 따라 그 구성이 다양하게 달라질 수 있지만, 탄소 재료 아일랜드 구조가 형성된 금속 도선에 접촉하는 피복물은 본 명세서에서 정의하는 피복물에 포함된다.
예시적인 일 구현예에서, 도전체 차폐층이 없이 바로 도전체 (본 발명의 예시적인 구현예들의 경우 금속 도선에 탄소 재료 아일랜드 구조가 형성된 것) 상에 절연층이 형성될 수도 있음은 물론이다.
또한, 예시적인 일 구현예에서, 절연층은 제1 절연층과 1차 절연층 상에 형성되는 제2 절연층 등의 복수 층으로 형성될 수 있다. 전선에 흘려주는 전류의 양이 높거나 고전압용 전선의 경우에서는 2차 이상으로 절연층을 형성하여 절연을 해줄 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 절연체는 예컨대 절연 고분자일 수 있다. 비제한적인 예시로서, 절연체로서는 폴리이미드를 사용할 수 있다. 이러한 절연체는 절연체 전구체인 폴리아크릴산 (PAA)으로부터 합성하여 얻어질 수 있다. 또한, 비제한적인 예시로서, 절연체로서는 폴리아미드이미드, 폴리아믹산, 폴리에스테르이미드 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따라 금속 도선 표면에 탄소 재료 플레이크의 아일랜드 구조가 형성되어 전도체를 구성함으로써 복합 전선 구조체에서 해당 전도체와 피복물 간의 접착력이 향상될 수 있다. 뿐만 아니라, AC (교류) 전도도, 납땜성, 탄델타, 크래징성, 신율 등이 향상될 수 있다.
접착 특성의 향상은 예컨대, 접촉 각으로도 확인할 수 있는데, 금속 도선과 절연층 고분자와의 접촉각이 가장 좋고 탄소 재료와 절연층 고분자의 접촉각은 상대적으로 낮기 때문에 아일랜드 형태로 탄소 재료 플레이크가 형성되는 경우 도선의 전면적을 탄소 재료가 덮는 것과 대비하여 접촉각이 더 좋고 절연층이 더 잘 형성될 수 있다.
또한, 금속 도선 상에 아일랜드 형태의 탄소 재료 플레이크가 존재하게 되면, 특히 400 Hz부터 18GHz까지의 AC(교류) 전기전도도가 향상될 수 있다. 일반적으로 DC (직류) 전기전도도에 비해 교류 전기전도도가 더 향상된다. 이는 교류의 경우 표면을 통해 전기가 흐르는 표피 효과가 더 크기 때문으로 생각된다.
또한, 납땜성은 서로 다른 금속 도선을 연결할 때의 특성으로서, 금속 도선 전체를 탄소 재료가 덮게 되는 경우 금속 도선만 있을 때와 대비하여 납땜성이 떨어지게 된다. 반면, 탄소 재료 플레이크가 아일랜드 형태로 형성하면, 탄소 재료가 형성되지 않은 금속 도선과 도선을 연결하는 경우와 유사한 납땜성을 가지도록 할 수 있으므로, 금속 도선 전체를 탄소 재료가 덮는 경우의 납땜성 저하를 방지할 수 있다.
또한, 탄델타 특성은 온도를 120도 정도까지 올리면서 도선이 절연파괴가 일어나는지를 확인하는 것인데, 도선과 절연층의 접착력이 좋을수록 탄델타 특성이 좋다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 구현예들에 의하면, 금속 도선 상의 탄소 재료 플레이크의 아일랜드 구조에 의하여 절연 피복 시의 접착력을 높일 수 있기 때문에, 금속 도선을 탄소 재료가 전면 피복한 것과 대비하여, 탄델타 특성도 우수할 수 있게 된다.
한편, 크래징성은 도선을 구부리는 등으로 임의로 변형을 시켰을 때 절연층이 파괴되는 정도인데, 이는 도선과 절연층의 접착력과 관련이 있다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 구현예들에 의하면, 금속 도선 상의 탄소 재료 플레이크의 아일랜드 구조에 의하여 절연 피복 시의 접착력을 높일 수 있기 때문에, 금속 도선을 탄소 재료가 전면 피복한 것과 대비하여, 크래징성도 우수하게 된다.
신율은 도선 한쪽 끝에 추를 달아 늘어나는 정도를 측정하는 것이다. 탄소 재료를 금속 도선에 전면 피복하는 경우와 대비하여, 금속 도선 상에 탄소 재료 플레이크의 아일랜드 구조를 형성하는 경우에 신율이 향상될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 구현예들에 따른 복합 전선 구조체는 케이블 재료로 이용될 수 있을 뿐만 아니라, 해당 복합 전선 구조체는 에너지 소자, 전자 소자 (예컨대 유연 전자 소자), 전자파 차폐 재료 등에도 이용될 수 있다.
즉, 해당 전선 구조체는 예컨대 유선 AC전력, 저주파 무선전력, 고주파 무선전력, LAN, PC 통신 및 기기 통신, RF 통신/무선전력 등과 같은 각종 케이블 용으로 사용될 수 있다.
또한, 에너지 소자로도 사용될 수 있다. 예컨대 전선과 같이 1차원 선형 형태의 에너지 소자를 구현한 후 직조하여 웨어러블 소재를 만들 수 있다. 이때, 에너지 소자의 기초 재료인 1차원 선형 재료로서 본 발명의 구현예들에 따른 복합 전선 구조체를 사용할 수 있다.
또한, 전자 소자의 경우에도 회로의 고집적화를 이루기 위해 고전도성 전선을 사용할 수 있고, 이에 본 발명의 구현예들에 따른 복합 전선 구조체가 적용될 수 있다.
또한, 전자파 차폐 소자는 전자파를 차단할 수 있는 보강재로서, 본 발명의 구현예들에 따른 복합 전선 구조체가 적용될 수 있다.
다음으로 본 발명의 구현예들에 따른 복합 전선 구조체의 제조 방법을 상술한다.
예시적인 구현예에서, 상기 복합 전선 구조체를 제조하는 방법은, 금속 도선에 고분자를 제공하는 제 1 단계; 및 금속 도선 및 제공된 고분자를 열처리하여 금속 도선에 제공된 고분자를 탄소 재료로 탄화하되, 탄화 시 고분자 일부를 제거하여 금속 도선을 노출시켜 탄소 재료 아일랜드 구조를 형성한다.
또한, 금속 도선 상에 그래핀 아일랜드 구조를 형성한 후, 피복물을 형성하는 제 3 단계를 더 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 예시적인 일 구현예에 따른 복합 전선 구조체의 연속 제조 공정을 나타내는 개략도이다.
도 3을 참조하면, 제 1 단계에서 금속 도선에 고분자 용액을 제공하고 용매를 제거하여 금속 도선 상에 고분자를 코팅한 후, 금속 도선 및 제공된 고분자를 열처리하여 금속 도선에 제공된 고분자를 탄소 재료로 탄화하며, 이때 탄화 시 고분자 일부를 제거하여 금속 도선을 노출시켜 탄소 재료 아일랜드 구조를 형성한다.
이와 같이 탄화 과정에서 고분자 일부를 제거하여 금속 도선을 노출하여 아일랜드 구조를 형성하기 위하여, 1단계에서 고분자 코팅 과정을 조절한다.
즉, 제 1 단계에서 고분자 용액의 전면 코팅 또는 선택적 코팅의 코팅 방법을 선택하고, 고분자의 종류, 고분자의 분자량, 고분자 용액 중의 고분자 농도, 고분자 용액의 코팅 속도 및 코팅된 고분자 용액의 용매 건조 속도로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나 이상의 변수를 조절하여 제 2 단계에서 형성되는 탄소 재료 아일랜드 구조를 제어(즉, 아일랜드 구조가 되도록 금속 도선 노출을 제어)하는 것이다.
이하 각 상술한다.
먼저 금속 도선에 고분자 용액을 제공하는 제 1 단계에 대하여 설명한다.
금속 도선 상에 고분자 용액을 제공하는 제 1 단계에서는 전체적 코팅 또는 선택적 코팅의 코팅 방법을 선택한 후, 고분자의 종류, 고분자의 분자량, 고분자 용액 중의 고분자 농도, 고분자 용액 코팅 속도, 코팅된 고분자 용액의 용매 건조 속도를 조절한다. 이에 따라, 제 2 단계에서 탄화 후 얻어지는 탄소 재료 아일랜드 구조를 제어할 수 있다.
고분자 종류 선택 시, 탄화 공정 시 탄소 원자가 남는 비율, 즉, 탄화 수율을 고려하여야 한다. 탄화 수율이 낮은 경우, 아일랜드 구조의 개수가 적어지거나 아일랜드 구조가 형성되지 않을 수 있으므로, 금속 도선에 그래핀이 아일랜드 구조를 이루며 전체적으로 성장하려면 탄화 수율이 높아야 한다. 그러나 탄화 수율이 너무 높게 되면 두꺼운 그래핀 또는 그라파이트층이 도선의 전면적에 코팅될 수 있어서 아일랜드 구조를 만들 수 없다. 앞서 설명한 바와 같이, 이와 같이 두꺼운 그래핀 층은 도선과의 결합력이 약화되어 구부리거나 휘는 등 변형이 가해지는 경우 그래핀이 부스러질 수 있다. 또한, 두꺼운 그래핀 층은 도선과의 결합력이 약하므로 도선과 그래핀 층의 계면을 제외한 그래핀 층 부분은 탈리될 수 있고 결과적으로 분리된 그래핀은 도선에 불순물로 작용하여 절연 피복과의 결합력을 떨어뜨릴 수 있다.
예시적인 구현예들에서, 고분자로는 탄소 섬유를 형성하는 고분자인 폴리아크릴로니트릴(PAN), 내재적 기공성 고분자(PIMs, Polymers of Intrinsic Microporosity), 피치(pitch), 리그닌(lignin), 폴리이미드(PI), 레이온(rayon) 등을 사용할 수 있다. 후술하는 비제한적인 실시예서는 PAN 고분자를 사용하였다.
또한, 고분자의 분자량에 따라 도선 표면에 성장하는 그래핀 아일랜드의 크기가 조절될 수 있다. 높은 분자량의 고분자는 탄화 후, 생성되는 그래핀 아일랜드의 크기가 커지는 반면, 낮은 분자량의 고분자의 경우는 크기가 작은 아일랜드를 넓은 영역에 성장시킬 수 있다. 또한, 고분자의 분자량이 너무 크면 아일랜드 구조가 형성되지 않고 전체적으로 덮는 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 선행 특허 문헌 4에서는 분자량이 950,000인 PMMA를 사용하는데 해당 분자량을 가지는 PMMA 용액으로 코팅하게 되면 도 1b에 도시된 바와 같이 아일랜드 구조가 만들어지지 않고 금속 그래핀이 도선을 덮는 형태가 된다. 이에 따라 절연 피복 형성 시 접착력 저하 등의 문제를 야기하게 되는 것이다.
비제한적인 예시에서, 폴리아크릴로니트릴은 중량평균분자량이 800,000 이하, 바람직하게는 118,000 내지 520,000 일 수 있다.
비제한적인 예시에서, 내재적 기공성 고분자는 중량평균분자량이 50,000 이하일 수 있다.
비제한적인 예시에서, 피치는 중량평균분자량이 10,000 이하일 수 있고, 바람직하게는 100 내지 1500이다.
비제한적인 예시에서, 레이온은 중량평균분자량이 10,000 이하일 수 있다.
비제한적인 예시에서, 폴리이미드는 중량평균분자량이 800,000 이하, 바람직하게는 100,000 내지 500,000일 수 있다.
비제한적인 예시에서, 리그닌은 중량평균분자량이 10,000 이하일 수 있다.
또한, 고분자의 코팅 속도를 통해 도선에 코팅되는 고분자 층의 두께를 조절할 수 있다. 지나치게 코팅 속도가 낮으면, 두꺼운 고분자 층이 형성되어 아일랜드 구조가 형성되지 않을 수 있고 도선에 코팅된 고분자 층의 두께가 불균일할 수 있다. 지나치게 코팅 속도가 빠르면, 얇게 코팅시킬 수 있지만, 도선 표면에 고분자가 불균일하게 코팅되어 그래핀 아일랜드의 개수가 적어질 수 있다.
한편, 코팅된 고분자는 용액 상태로 도선에 코팅이 되기 때문에, 용액에 함유된 용매를 제거하는 공정이 필요하게 된다. 여기서 용매가 증발될 때 그 속도에 따라 코팅된 고분자의 균일도가 달라지게 된다. 용매의 건조 속도가 너무 빠른 경우, 고분자가 도선 표면에 골고루 남아 있지 않고 일부분에 몰려서 남고 다른 일부분에서는 남지 않아 아일랜드 구조가 형성되지 않거나 적게 형성될 수 있다. 건조 속도가 느린 경우, 균일한 고분자 층을 코팅할 수 있지만, 공정 시간이 오래 걸리기 때문에 대량생산에 적합하지 않는다는 단점이 있다.
금속 도선 상에 고분자를 제공하는 방법은 전면 코팅 방법 또는 선택적 코팅 방법이 있다.
전면 코팅 또는 선택적 코팅 시, 금속 도선 상에 고분자 층이 형성된 후 탄화 시 고분자가 기체화하여 일부 제거되어 금속 도선을 노출하게 된다. 이에 따라 탄소 재료 아일랜드 구조가 형성될 수 있다. 물론 선택적 코팅에서는 도선에 선택적으로 고분자 층을 아일랜드 구조로 형성할 수도 있고, 또한 선택적으로 형성된 고분자 층 부분에서도 탄화에 의하여 더 작은 아일랜드 구조가 형성될 수 있다.
전면 코팅 방법으로는 예컨대 스핀코팅 (spin coating), 딥코팅 (dip coating), 바코팅 (bar coating), 스프레이 (spray)법을 사용할 수 있다.
선택적인 코팅 방법으로는, 선택적 영역에 고분자를 제공하여 고분자 박막을 제조할 수 있는 예컨대 잉크젯 프린팅 (inkjet printing), 그라비아 (gravure) 및 그라비아 오프셋 (gravure-offset), 플렉소 인쇄법 (flexography), 스크린 프린팅 (screen-printing)법, 나노 임프린팅 (nano imprinting), 등을 사용할 수 있다.
한편, 자기 조립의 경우 전면 코팅, 선택적 코팅 둘 다를 수행할 수 있다.
이러한 각 코팅 방법에 있어서 전술한 고분자 코팅 조건 (고분자의 종류, 분자량, 고분자 용액 중의 고분자 농도, 고분자 용액의 코팅 속도, 고분자 용액 중 용매 건조 속도)을 조절한다. 그 외 코팅 시 온도와 습도에도 영향을 받을 수 있다. 온도가 너무 높은 경우 코팅이 잘 이루어지지 않을 수 있으므로 온도는 상온 (20~30도)로 조절한다. 습도는 상대 습도가 약 20% 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 상대 습도가 너무 높은 경우 고분자를 녹인 용매와 대기 중의 물이 치환되어 구멍이 뚫린 형태로 코팅이 될 수 있다.
딥 코팅은 고분자 용액에 담그는 방법이며, 대량 생산에 적합할 수 있다. 후술하는 비제한적인 실시예에서는 딥코팅을 사용하였다.
스핀코팅은 고분자 용액을 떨어뜨린 후, 회전을 주어 얇은 박막을 코팅하는 기술이다. 연속 공정으로 도선을 코팅할 때, 스핀 코팅 방법은 활용이 어려울 수 있지만, 코일 형태로 도선을 배열한 후, 고분자를 코팅하고 이를 탄화시키는 방식을 사용한다면 스핀 코팅을 이용하는 것도 가능하다. 이러한 스핀 코팅을 이용하는 경우 전술한 5 가지 공정 조건 외에 회전 속도에 따라 코팅되는 고분자 박막의 특성이 달라질 수 있으므로, 스핀 코팅의 경우 아일랜드 구조가 나올 수 있도록 회전 속도/회전판의 온도를 제어한다.
바코팅은 도선에 절연 고분자 (예컨대 후술하는 PAA 고분자)를 코팅할 때도 사용되는 기술로, 도선과 바 사이의 간격을 조절함으로써 고분자의 코팅 두께를 조절할 수 있다. 또한, 도선의 이동 속도를 통해 코팅 속도를 조절할 수 있다.
스프레이 방법은 대표적인 코팅방법으로 노즐의 크기, 분사압력, 분사 가스 (carrier gas)에 따라 코팅되는 정도를 바꿀 수 있다.
자기 조립 법의 경우는, 예컨대 서로 섞이지 않는 두 가지 고분자를 혼합하여 코팅 후, 해당 코팅에 한 고분자만 녹을 수 있는 용매 증기를 쪼여 주면 한 고분자의 유동성을 높여 동일 고분자끼리 자기 조립을 유도하거나(전면 코팅), 한 고분자를 녹여 추출하는 방식으로 코팅(선택적 코팅)할 수 있다. 또는 혼합 고분자를 코팅한 후 열을 가하여 분해 온도가 낮은 고분자를 제거하여 코팅 (선택적 코팅)할 수 있다. 이와 같이 용매와 열 등을 이용해 한 고분자가 동일한 종류끼리 조립하여 상분리를 유도하고 이러한 원리에 기초하여 전면 또는 선택적으로 코팅하게 된다.
전술한 딥코팅, 스핀코팅, 바코팅, 스프레이 법, 자기 조립법에 의한 전면 코팅 등은 도선 전면에 고분자를 코팅하는 방법이다. 그러나, 도선 전체 면에 고분자를 코팅한다고 하여 그래핀이 전면에 피복되는 것이 아니다. 즉, 도선 전체 면에 고분자를 코팅하더라도 고분자가 탄화처리시 기체로 분해되기 때문에, 일정 두께 이하로 고분자를 코팅하게 되면, 그래핀 (또는 2차원 탄소 재료) 아일랜드 형태가 나타나게 된다.
예시적인 구현예에서, 전술한 바와 같이, 전면 코팅의 경우 고분자의 종류와 분자량을 선택한 후 1 ~ 60 nm, 바람직하게는 40~60nm의 두께로 고분자를 전면 코팅한다. 이와 같이 코팅 후 탄화 처리하게 되면 고분자가 분해(정확히는 decomposition되는 것으로 고분자가 저분자 형태로 쪼개지는 것)되어 일부는 기체로 제거되고 일부는 도선 표면 상에 그래핀 아일랜드 구조를 생성할 수 있다.
한편, 잉크젯 프린팅 (inkjet printing), 그라비아 (gravure) 및 그라비아 오프셋 (gravure-offset), 플렉소 인쇄법 (flexography), 스크린 프린팅 (screen-printing)법, 나노 임프린팅 (nano imprinting), 자기 조립법에 의한 선택적 코팅은 부분적으로 고분자를 코팅하는 방법으로 앞서 설명한 방법들과 달리 고분자 제공 단계에서부터 규칙적으로 고분자를 코팅하여 아일랜드 구조를 형성할 수 있다. 이와 같이 선택적 코팅 시에는 도선 표면 상에 선택적으로 형성된 고분자 층으로부터 그래핀이 형성되므로, 전면 코팅 방법과 대비할 때, 고분자 층 두께가 보다 두껍고 분자량이 높을 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 선택적 코팅 방법을 사용하는 경우 고분자 층의 두께는 1~200nm, 바람직하게는 1~150 nm일 수 있다.
한편, 전면 코팅 방법이건 선택적 코팅 방법이건 고분자 층이 두꺼울수록 도선의 금속과 접촉하지 못하는 고분자가 늘어나고 이에 따라 육각형 고리 구조의 비율이 작아지고 비정질 탄소가 생성될 수 있다. 그 결과 복합 도선의 전기적, 기계적 특성이 순수 그래핀으로만 이루어지는 경우와 대비하여 저하될 수 있다. 또한, 전면 코팅 방법에 의하는 경우나 선택적 고분자 코팅에 의하는 경우나 고분자 층 두께가 전술한 범위 보다 더 얇은 경우 그래핀 플레이크가 형성되지 않을 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 고분자의 농도는 고분자 용액 중 1~10wt% 농도 범위 내에서 조절할 수 있다.
여기서 고분자의 농도란 고분자 용액에 녹아 있는 고분자의 함량을 말하는 것으로 예컨대 5wt% 고분자 농도란 고분자 용액 100 g 중 고분자가 5g이고, 95g이 용매임을 의미한다.
비제한적인 예시에서, PAN, PIMs, PI, 리그닌, Rayon, Pitch 등의 고분자를 이용하여 전면 코팅 방법을 사용 시 고분자 용액 중 0.1~7wt%의 농도로 함유될 수 있다.
비제한적인 예시에서, PAN, PIMs, PI, 리그닌, Rayon, Pitch 등의 고분자를 이용하여 선택적 코팅 방법을 사용 시 고분자 농도는 고분자 용액 중 0.5~10wt%의 농도로 사용할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 금속 도선에 고분자를 제공하기 전 금속 도선의 표면 처리 단계를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 접착력 향상을 위한 금속 도선 표면 처리로서 고분자 제공 전 금속을 녹는점 이하의 온도에서 열처리할 수 있다. 이와 같이 녹는점 이하의 온도에서 금속을 열처리하게 되면, 금속이 일부 기화되면서 표면 거칠기가 증가하게 되고 이렇게 되면, 코팅되는 고분자와 금속 표면이 닿는 부분이 늘어나게 되어 접착력이 높아질 수 있다. 마찬가지로, 고분자를 금속 도선에 제공하기 전에, 알칼리 용액(특히 강알카리 용액) 또는 산성 용액(특히 강산성 용액)을 사용하여 화학적 표면처리를 하거나, 플라즈마, 이온빔, 방사선, 자외선 조사, 마이크로웨이브 등을 이용하여 물리적 표면처리를 함으로써 금속의 표면 거칠기를 증가시킬 수 있다. 이에 따라 고분자와 금속 도선간 접착력이 향상되도록 유도할 수 있고, 결과적으로 금속 도선과 그래핀 아일랜드 간의 접착력을 증가시키게 된다.
예시적인 일 구현예에서는, 금속 도선을 부분적으로 표면 처리하는 것이 바람직하다. 상술하면, 금속 표면 처리시 예컨대 열처리 온도를 상대적으로 낮게 하거나, 화학적 처리 시 상대적으로 낮은 농도의 용액을 사용하거나 물리적 처리 시 빔 조사 시간을 짧게 하는 등과 같이 표면 처리의 강도를 낮출 수 있다. 이와 같이 표면 처리 강도를 조절하는 방식으로 금속 표면을 부분적으로 표면 처리할 수 있는데, 이와 같이 부분적으로 표면 처리된 부분은 고분자와 금속도선과의 결합력이 다른 부분에 비해 강하기 때문에 해당 부분에서 그래핀 플레이크가 형성될 확률이 높다. 이러한 표면처리를 통해 금속 도선 표면에 형성되는 그래핀 플레이크의 개수, 크기 등을 조절하여 결과적으로 그래핀 아일랜드 구조를 제어할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 표면 처리된 금속 도선의 표면 거칠기는 0.01 ~ 100 nm이거나 더 바람직하게는 0.1 ~ 20 nm일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 금속 도선에 고분자를 제공 후 안정화 단계를 더 거칠 수 있다. 여기서, 안정화란 선형의 고분자를 육각형 고리 구조의 고분자로 변형시켜주는 것을 의미한다. 이러한 안정화를 거치게 되면, 탄화 후 탄소원자가 남는 수율을 높일 수 있다. 이를 통해, 탄소 재료의 형태 및 품질 (6각형 그래핀이 많고 5각형이나 비정질 탄소가 적을수록 품질이 우수하다)을 조절할 수 있게 된다.
상술하면, 탄화 처리 시 고온 (예컨대 1000도)에서 탄화처리를 하게 되는데, 이때 그래핀 생성반응과 탄소원자가 기체로 제거되는 반응이 동시에 일어난다. 이에 따라, 탄소 원료인 고분자의 지나친 손실이 생기는 경우 그래핀의 균일한 성장이 어려워질 수 있다. 이를 방지하기 위하여 1000도에서 열처리하기 전에 안정화를 수행하는 것이 바람직하다. 안정화 수행에 의해 탄소 원료인 고분자 손실을 방지하면서, 또한 그래핀 플레이크의 두께, 형태 및 아일랜드 형상을 제어하기가 용이하여 품질을 조절할 수 있게 된다.
예시적인 일 구현예에서, 전술한 PAN, pitch, rayon등은 안정화를 거치는 것이 바람직하다.
예시적인 일 구현예에서, 상기 안정화 단계는 상기 열처리(탄화) 전 고분자를 공기, 산소 또는 진공 분위기하에서 400℃ 이하의 온도에서 열처리하여 열적 안정화를 유도하거나, 알칼리 수용액(특히 강알칼리 수용액) 또는 알칼리성 유기용액(특히 강알칼리성 유기용액)을 사용하여 화학적 안정화 반응을 유도하거나, 플라즈마, 이온빔, 방사선, 자외선 조사, 마이크로 웨이브 등을 이용하여 안정화 반응을 유도할 수 있다. 또한 공단량체를 고분자와 반응시켜 고분자 사슬의 구조를 변화시키거나 고분자 사슬을 화학적으로 가교시켜 안정화 반응을 유도할 수도 있다.
다음으로, 고분자가 제공된 금속을 열처리하여(400℃ 내지 1800℃) 고분자의 탄화를 수행한다. 금속 도선 상에 고분자 제공 시 상술한 바와 같이 제어 과정을 수행하고, 간단한 열처리(탄화)를 수행함으로써 금속 도선 상에 아일랜드 구조를 가지는 그래핀을 용이하게 제공할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 금속 도선 상에 고분자가 제공된 복합체를 불활성 가스, 수소 등의 일종 이상의 가스가 포함된 가스 분위기 또는 진공분위기 조건하의 400℃ 내지 1800℃ 조건하에서 열처리(탄화)할 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 복합 전선 구조체의 전기적 특성을 변화시키기 위해 이종 원소 예컨대 질소, 보론, 산소, 황 등의 이종 원소를 함유한 도핑 가스(비제한적인 예시로서, 암모니아 가스 등)를 주입하여 열처리할 수 있다. 이에 따라 복합 전선 구조체의 그래핀에는 이종 원소가 도핑될 수 있다.
또한, 복합 전선 구조체의 품질을 높이기 위해 탄소 원자가 함유된 가스, 예컨대 아세틸렌, 에틸렌, 메탄 등과 같은 탄소 원자(탄화 원자)가 함유된 가스를 함께 주입할 수 있다. 이와 같이 탄소 원자가 함유된 가스를 주입하면, 탄화 과정에서 그래핀의 크기가 증가하거나, 특히 결함부(금속의 입계)에 그래핀이 생성되지 않은 경우 기체 상태로 탄소원료를 추가적으로 공급하여 그래핀을 추가로 성장시킴으로써 복합도선의 전기전도도/기계적 특성을 향상시킬 수 있다. 이에 따라 얻어진 복합 전선 구조체에서는 그래핀에 고분자 유래의 탄소(고분자로부터 제공된 탄소, 고분자에 포함되어 있던 탄소)가 아닌 외부 유래의 탄소(고분자 유래가 아닌 다른 소스로부터 제공된 탄소, 예컨대 탄소 원자 함유 가스로부터 제공된 탄소)의 포함될 수 있다. 이러한 탄소는 비정질 탄소나 기타 디펙트를 감소시켜 탄소 재료의 품질을 높일 수 있다.
예시적인 일 구현예에서, 열처리를 통한 탄화 재료 아일랜드 구조를 형성한 후 피복물을 피복하는 단계를 수행한다. 이러한 피복물은 앞서 설명한 바와 같이, 차폐층이거나 절연체일 수 있다. 이러한 피복물 형성은 당해 기술 분야에 잘 알려져 있으며, 예컨대 피복물질을 코팅하고 열처리하여 형성할 수 있다.
이하, 본 발명의 예시적인 구현예들에 따른 구체적인 실시예를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니며 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예들이 구현될 수 있고, 단지 하기 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 함과 동시에 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 실시를 용이하게 하고자 하는 것임이 이해될 것이다.
[실시예 1]
탄화 공정 시간에 따른 그래핀/구리 복합 전선 구조체의 제조 특성을 확인하기 위해, 직경이 0.192 mm인 구리 도선을 준비하고, 극성용매의 무게대비 3.0%의 낮은 농도의 고분자 용액을 제조하였다. 극성용매는 다이메틸포름아마이드 (DMF, N,N-dimethlyformamide)이며, 고분자는 폴리아크릴로나이트릴 (PAN, polyacrylonitrile)이다. 사용한 폴리아크릴로니트릴(PAN)의 분자량은 150,000이고, 탄화 수율은 40~50%이다.
코팅 방법으로는 전면 코팅 방법으로서 딥 코팅을 사용하였다. 코팅 속도는 0.5 m/min로 하였고, 건조 속도는 0.5시간으로 하였다. 코팅 두께는 약 50 nm이었다.
즉, 구리 도선을 상기 속도로 고분자 용액 속에 수 초 간 담가 뺀 뒤, 온도 70℃의 진공 분위기 하에서 30 분간 건조시켰다. 코팅 시 온도는 상온(25도), 코팅 시 상대 습도는 20%이었다.
이어서 5 sccm 유량의 수소 가스 분위기 하에서 1000℃까지 승온시켜 각각 10, 30, 60 분간의 가열 (탄화 처리)를 수행하였다. 이에 따라 고분자가 탄화되면서 그래핀 플레이크의 아일랜드 구조가 나타났다 (후술하는 도 4 등 참조).
한편, 절연체 피복하는 과정은 다음과 같다. 즉, 우선 PAA 고분자를 포함하는 N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) 용액을 그래핀 아일랜드 구조가 형성된 구리 도선에 코팅을 한다. 코팅 후, PAA고분자를 PI 고분자로 바꿔주기 위해 열처리를 수행한다. 열처리를 수행하게 되면 용매가 공기 중으로 증발하면서 PI 고분자 피복이 형성된다. 이때 열처리로에 도선을 넣기 전에, 절연 피복을 형성하는 고분자의 두께를 일정하게 하기 위해, 금속 바를 도선에 접촉시킨다. 여기서, 도선과 금속 바 사이의 간격을 일정하게 유지한 상태에서 도선이 지나가게 되면, 이격 간격만큼 코팅되는 고분자의 두께는 일정해 진다. 이러한, 열처리 (최대 400도)를 마치면 두께가 일정한 PI 절연체가 형성될 수 있다. 400도 이상의 온도에서는 PI 고분자가 그래핀으로 가는 반응이 일어날 수 있거나, PI 고분자가 분해되어 제거되기 때문에, 최대 400도까지 온도를 올린다.
[실시예 2]
상기 실시예 1에서 구리 도선의 직경, 고분자 용액의 농도 및 탄화 공정 시간을 제외하고 동일한 공정을 통해 고전도성 그래핀/구리 복합 도선을 제조하였다. 직경이 0.197 mm인 구리 도선을 준비하고, 극성용매의 무게대비 각각 0.5, 1.5, 3.0%의 고분자 용액을 사용하여, 30분간의 탄화 처리 시간을 통해 그래핀/구리 복합 도선을 제조하였다.
[실시예 3]
상기 실시예 2에서 구리 도선의 직경과 고분자 용액의 농도를 제외하고 동일한 공정을 통해 그래핀/구리 복합 도선을 제조하였다. 각각0.180, 0.192, 0.197 mm의 직경을 가지는 구리 도선을 준비하고, 극성용매의 무게대비 1.0%인 고분자 용액의 사용을 통해 고전도성 그래핀/구리 복합 도선을 제조하였다.
[실시예 4]
상기 실시예 3에서 0.192 mm인 구리 도선을 사용하여 탄화 공정을 수행한 것을 제외하고 동일한 공정을 통해 고전도성 그래핀/구리 복합 도선을 제조하되, 이때의 탄화 공정은 60 sccm 유량의 수소 가스 분위기 하에서 1000℃까지 승온시켜 각각 10, 20, 30 분간의 탄화 처리 시간을 주었다.
[비교예 1]
상기 실시예 3에서 사용한 0.192 mm 인 구리 도선에 고분자를 제공하지 않고 순수 구리 도선(pristine)을 준비하거나, 또는 이를 열처리만 하여 구리 도선을 제조하였다(annealed).
[비교예 2]
0.192 mm인 구리 도선에 화학적 기상 증착법 (CVD, chemical vapor deposition)을 이용하여 구리 도선 전체에 그래핀이 형성된 그래핀/구리 복합 도선을 제조하였다. 상세하게는 구리 도선을 5 sccm유량의 수소 분위기 하에서 1000℃까지 승온시킨 뒤, 산화구리의 제거와 구리 입계의 성장을 위해 15분간 전처리를 하였다. 전처리가 끝나면, 구리 도선 전체에 그래핀을 형성하기 위해 기체 탄소원인 30 sccm 유량의 메탄 가스를 추가로 흘려주어 30분간 합성하였다.
[비교예 3]
실시예 1과 달리 구리 도선 전체에 그래핀이 형성되도록 그래핀/구리 복합 도선을 제조하였다. 그 외 다른 조건은 실시예 1과 동일하게 하였다. 전면 코팅을 위하여 비교예 3에서 사용된 고분자 용액은 극성 용매의 무게대비 15%인 상대적으로 매우 높은 농도의 용액을 사용하였다.
[특성 평가]
도 4은 본 발명의 실시예 1에서 60 분간의 탄화 처리를 통해 제조된 그래핀/구리 복합 전선 구조체의 구조를 보여주는 SEM 사진이다.
도 4에 나타난 바와 같이, 제조된 그래핀과 구리의 복합 전선 구조체는 구리 도선 상에 그래핀 플레이크가 아일랜드 구조(비연속적 점 구조)를 이루고 있음을 알 수 있다. 참고로, 도 4에 보이는 선 형상으로 보이는 것은 결합부(금속 입계)이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에서 탄화 공정 시간이 각각 10분(도 5a), 30분(도 5b), 60분(도 5c)일 때의 제조된 그래핀/구리 복합 전선 구조체 표면의 SEM 사진이다.
탄화 공정 시간이 증가함에 따라 그래핀 플레이크 수와 크기가 증가함을 확인할 수 있었다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에서 극성용매의 무게대비 0.5%(도 6a)와 3.0%(도 6b)인 고분자 용액으로 제조된 그래핀/구리 복합 전선 구조체 표면의 SEM 사진이다.
고분자 용액의 농도가 증가함에 따라 그래핀 플레이크 수가 증가함을 확인할 수 있었다. 그러나, 앞서 설명한 바와 같이 그래핀 플레이크가 분산 고립된 아일랜드 구조를 갖도록 하기 위하여 고분자 용액의 농도는 일정 범위로 제한되어야 한다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 있어서, 사탐침(4-point probe)법을 이용하여 측정된 전기 전도도를 나타내는 그래프이다. 도 7에서 X축에는 실시예 2의 고분자 용액의 농도가 각각 표시되어 있으며, Y축에는 전기 전도도(단위 105 S/cm)가 표시되어 있다. 도 7에서는 고분자 용액 코팅하지 않은 순수 구리 도선(열처리하기 전)를 pristine으로 표시하고 있다.
도 8은 본 발명의 실시예 3에서 0.192 mm 직경의 구리 도선을 이용하여 제조한 그래핀/구리 복합 전선 구조체 표면(도 8a) 및 순수 구리 도선 표면(도 8b)의 SEM 사진이다.
순수 구리 도선은 구리 도선 제조 시에 형성된 결이 확인된 반면, 그래핀과 구리의 복합 전선 구조체 표면은 열처리(탄화)를 통해 표면 거칠기가 완화되었고, 그래핀 플레이크가 형성되었음을 확인할 수 있었다.
도 9는 본 발명의 실시예 3에서 0.192 mm 직경의 구리 도선을 이용하여 제조한 그래핀/구리 복합 전선 구조체의 광학 이미지(도 9a) 및 라만 스펙트럼(도 9b)을 나타내는 것이다. 이와 같이 라만스펙트럼(Raman Spectroscopy) 분석을 통해 약 2700 cm-1에서 관찰되는 그래핀의 2D 피크가 확인되어 그래핀/구리 복합 도선의 결정성을 확인할 수 있었다.
도 10은 본 발명의 실시예 3 및 비교예 1에 있어서, 사탐침(4-point probe)법을 이용하여 측정된 전기 전도도를 나타내는 그래프이다. 도 10에서 X축에는 각 실시예와 비교예 1가 표시되어 있으며, Y축에는 전기 전도도(단위 105 S/cm)가 표시되어 있다. 도 10에서 순수한 구리 도선 자체를 pristine으로 표시하였고, 이를 열처리한 것을 annealed로 표시하고 있다. 또한, 그래핀 아일랜드 구조가 형성된 것을 Graphene으로 표시하였다.
도 10으로부터 알 수 있듯이, 그래핀/구리 복합 전선 구조체의 전기 전도도는 순수 구리 도선에 비해 향상된 성능을 지님을 확인할 수 있었다. 열처리만한 구리 도선은 순수 구리 도선의 전기 전도도와 비슷한 수치를 보였다.
도 11은 본 발명의 실시예 4 및 비교예 1의 순수 구리 도선(pristine)에서 탄화 시간에 따른 그래핀/구리 복합 전선 구조체의 주파수에 따른 AC (교류) 전도도를 나타내는 그래프이다. 도 11에서 X축은 비교예 1 및 실시예 4 (30분)를 표시하고 있으며, Y축은 전기 전도도(단위:105 S/cm)를 나타낸다.
도 11에서 알 수 있듯이, 그래핀/구리 복합 전선 구조체는 순수 구리 도선에 비해 주파수에 따라 최대 5.78% 향상되었음을 확인할 수 있다.
도 12은 본 발명의 실시예 4의 그래핀/구리 복합 전선 구조체의 파단면(도 12a) 및 비교예 1인 순수 구리 도선(pristine)의 파단면(도 12b) SEM 사진이다.
한편, 상기의 제조된 그래핀/구리 복합 전선 구조체의 기계적 특성을 평가하기 위해, 인장강도시험기(UTM, Universal Testing Machine)를 이용하여 탄성률을 측정하였다.
도 13는 본 발명의 실시예 4 및 비교예 1의 순수 구리 도선(pristine)에서 탄화 시간에 따른 그래핀/구리 복합 전선 구조체의 탄성률(Modulus)을 나타내는 그래프이다. 도 13에서 X축은 비교예 1의 순수 구리 도선(pristine) 및 실시예 4의 탄화 시간을 표시하고 있으며, Y축은 모듈러스(단위: GPa)를 나타낸다.
도 13에서 알 수 있듯이, 그래핀/구리 복합 전선 구조체는 순수 구리 도선에 비해 최대 2 배 높은 탄성률을 보임을 확인할 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시예 4의 그래핀/구리 복합 전선 구조체의 신율(Elongation) 향상도를 나타내는 그래프이다. 도 14에서 X축은 비교예 1의 순수 구리 도선(pristine) 및 실시예 4의 탄화 시간을 표시하고 있으며, Y축은 신율(단위:%)를 나타낸다. 또한, 도 12의 파단면 사진을 함께 참조하면, 최대한 늘어진 상태에서 끊어진 모습을 나타낸다. 구리 도선의 경우 늘어지다가 가운데 부분이 잘린 듯한 형태를 보이는 점을 고려할 때, 그래핀/구리 복합 도선이 순수 구리 도선에 비해 보다 더 많이 늘어나는 것으로 유연성이 우수함을 확인할 수 있다.
한편, 도 15은 비교예 2의 SEM 사진이고, 도 16는 비교예 3의 SEM 사진이다.
도 15 및 16로부터 확인할 수 있듯이, CVD 방법을 사용한 비교예 2의 경우 도선 전체에 그래핀 피복이 형성되었고, 또한 고분자 농도가 높은 비교예 3의 경우도 도선 전체에 그래핀 피복이 형성됨을 알 수 있다.

Claims (38)

  1. 복합 구조체 전선으로서,
    금속 도선;
    상기 금속 도선의 표면에 존재하는 탄소 재료 아일랜드 구조; 및
    상기 금속 도선 및 탄소 재료 아일랜드 구조를 직접 접촉하여 피복하는 피복물을 포함하고,
    상기 탄소 재료 아일랜드 구조는 금속 도선 표면에서 탄소 재료 플레이크가 분산 및 고립되어 있는 것이고,
    상기 탄소 재료 플레이크는 금속 도선의 금속 입계로부터 성장한 성장체를 포함하며,
    상기 피복물은 탄소 재료 아일랜드 구조가 존재하지 않는 부분에서 금속 도선과 접촉하고 탄소 재료 아일랜드 구조가 존재하는 부분에서 탄소 재료와 접촉하는 것이며,
    상기 피복물은 절연 피복 또는 도체 차폐층인 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서
    상기 탄소 재료는 그래핀인 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    탄소 재료 플레이크는 금속 도선의 전체 면적 대비 5~90%로 존재하는 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소 재료 플레이크는 금속 도선의 입자로부터 성장한 성장체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소 재료 플레이크는 이종 원소가 도핑된 탄소 재료 플레이크를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소 재료 플레이크는 고분자 유래의 탄소 외에 외부 유래 탄소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체.
  10. 제 1 항에 있어서,
    탄소 재료 플레이크는 0.3 내지 30nm의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체.
  11. 제 1 항에 있어서,
    복합 전선 구조체는 단일 가닥이거나 단일 가닥의 복 수개 집합체인 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 단일 가닥 복합 전선 구조체의 직경은 10nm 내지 100cm 인 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 전선 구조체의 전기 전도도는, 탄소 재료 아일랜드 구조가 형성되지 않은 금속 도선의 전기 전도도와 대비하여, 1% 이상의 상승을 나타내는 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 전선 구조체의 탄성은 0.1~1000 GPa인 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합 전선 구조체는 직선 상태로부터 변형되는 경우에 전기 전도도 및 탄성 중 하나 이상의 저하가 1% 이내로 나타나는 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속은 단결정 금속 또는 다결정 금속인 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속은 전이 금속, 비전이 금속, 전이 후 금속, 또는 이들의 합금으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상으로 이루어지고,
    상기 전이 금속은 Pt, Ru, Cu, Fe, Ni, Co, Pd, W, Ir, Rh, Sr, Ce, Pr, Nd, Sm 및 Re로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상이고,
    상기 비 전이 금속은 Mg, B, Sn 및 Al로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상이고,
    상기 전이 후 금속은 Sn, Al, 및 Pb로 이루어지는 그룹에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체.
  18. 제 1 항에 있어서,
    금속 도선은 다층 구조로 이루어지는 다층 금속 도선인 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체.
  19. 삭제
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 도선은 표면 처리된 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체.
  21. 복합 구조체 전선의 제조 방법으로서,
    금속 도선 표면에 그래핀을 형성하되, 금속 도선 표면에서 탄소 재료 아일랜드 구조를 형성하도록 하는 것이고,
    탄소 재료 아일랜드 구조는 금속 도선 표면에서 탄소 재료 플레이크가 분산 및 고립되어 있는 구조이며,
    상기 탄소 재료 플레이크는 금속 도선의 금속 입계로부터 성장한 성장체를 포함하고,
    금속 도선 및 탄소 재료 아일랜드 구조를 피복물로 직접 접촉하도록 피복하는 것이고,
    상기 피복물은 탄소 재료 아일랜드 구조가 존재하지 않는 부분에서 금속 도선과 접촉하고 탄소 재료 아일랜드 구조가 존재하는 부분에서 탄소 재료와 접촉하는 것이며,
    상기 피복물은 절연 피복 또는 도체 차폐층인 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체의 제조 방법.
  22. 삭제
  23. 제 21 항에 있어서,
    탄소 재료는 그래핀인 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체의 제조 방법.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 제조 방법은,
    금속 도선에 고분자를 제공하는 제 1 단계; 및
    금속 도선 및 제공된 고분자를 열처리하여 금속 도선에 제공된 고분자를 탄소 재료로 탄화하되, 탄화 시 고분자 일부를 제거하여 금속 도선을 노출시켜 탄소 재료 아일랜드 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체의 제조 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제조 방법은, 제 1 단계에서 금속 도선에 고분자 용액을 제공하고 용매를 제거하여 금속 도선 상에 고분자를 코팅하는 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체의 제조 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 제조 방법은, 제 1 단계에서 고분자 용액의 전면 코팅 또는 선택적 코팅의 코팅 방법을 선택하고, 고분자의 종류, 고분자의 분자량, 고분자 용액 중의 고분자 농도, 고분자 용액의 코팅 속도 및 코팅된 고분자 용액의 용매 건조 속도로 이루어지는 그룹에서 선택된 하나 이상의 변수를 조절하여 제 2 단계에서 형성되는 탄소 재료 아일랜드 구조를 제어하는 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체의 제조 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 고분자는 폴리아크릴로니트릴 (polyacrylonitrile), 내재적 기공성 고분자(PIMs), 폴리이미드(PI), 리그닌 (lignin), 레이온(Rayon) 또는 피치 (pitch), 또는 이들의 하나 이상의 혼합물인 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체의 제조 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    폴리아크릴로니트릴의 중량평균분자량은 800,000 이하이고,
    내재적 기공성 고분자의 중량평균분자량은 50,000 이하이고,
    폴리이미드의 중량평균분자량은 800,000 이하이고,
    리그닌의 중량평균분자량은 10,000 이하이고,
    레이온의 중량평균분자량은 10,000 이하이고,
    피치의 중량평균분자량은 10,000 이하인 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체의 제조 방법.
  29. 제 26 항에 있어서,
    전면 코팅 방법으로 코팅 시 금속 도선 상에 코팅되는 고분자 층의 두께는 1~60nm 이고,
    선택적 코팅 방법으로 코팅 시 금속 도산 상에 코팅되는 고분자 층의 두께는 1~200nm 인 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체의 제조 방법.
  30. 제 26 항에 있어서,
    고분자의 농도는 전면 코팅 방법을 사용 시 고분자 용액 중 고분자 농도를 0.1~7wt%의 농도로 조절하고,
    선택적 코팅 방법을 사용 시 고분자 용액 중 고분자 농도를 0.5~10wt%로 조절하는 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체의 제조 방법.
  31. 제 24 항에 있어서,
    금속 도선에 고분자를 제공하기 전, 금속 도선의 표면 처리를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체의 제조 방법.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 표면 처리 시 금속의 녹는점 이하의 온도에서 열처리하거나, 알카리 용액 또는 산성 용액을 사용하여 화학적 표면처리를 하거나, 플라즈마, 이온빔, 방사선, 자외선 조사 또는 마이크로웨이브를 이용하여 물리적 표면처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체의 제조 방법.
  33. 제 31 항에 있어서,
    상기 금속 도선을 부분적으로 표면 처리하는 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체의 제조 방법.
  34. 제 24 항에 있어서,
    금속 도선에 고분자를 제공한 후, 안정화를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체의 제조 방법.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 안정화는, 탄화 단계 전 고분자를 400℃ 이하의 온도에서 먼저 열처리하거나,
    알칼리 수용액 또는 알칼리성 유기용액을 사용하여 화학적 안정화 반응을 유도하거나,
    플라즈마, 이온빔, 방사선, 자외선 조사 또는 마이크로 웨이브를 안정화 반응을 유도하거나,
    공단량체를 고분자와 반응시켜 고분자 사슬의 구조를 변화시키거나 고분자 사슬을 화학적으로 가교시켜 안정화 반응을 유도하는 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체의 제조 방법.
  36. 제 24 항에 있어서,
    열처리 시, 가스 분위기 또는 진공 분위기 조건하의 400℃ 내지 1800℃ 조건하에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체의 제조 방법.
  37. 제 24 항에 있어서,
    열처리 시, 이종 원소를 함유한 도핑 가스를 주입하여 열처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체의 제조 방법.
  38. 제 24 항에 있어서,
    열처리 시, 탄소 원자가 함유된 가스를 주입하여 열처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 복합 전선 구조체의 제조 방법.
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