KR101828527B1 - 그라핀 코팅층을 포함하는 절연 전선 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 i) 구리, 구리 합금, 이종 금속이 도금된 구리 또는 이종 금속이 도금된 구리 합금으로 이루어진 선재; 및 ii) 상기 선재를 그라핀으로 코팅한 그라핀 코팅층을 포함하는 도체를 갖는 절연 전선에 관한 것이다. 그라핀 코팅층을 포함하는 도체를 갖는 본 발명의 절연 전선은 도전율, 열전도도 및 내산화성이 우수하다.

Description

그라핀 코팅층을 포함하는 절연 전선{Insulation Cable Including Graphene Coating Layer}
본 발명은 도전율 및 방열 특성이 크게 향상된 절연 전선에 관한 것이다.
절연 전선을 구성하는 도체로서 종래의 금 또는 은과 같은 귀금속을 사용할 경우 제조비용이 많이 들기 때문에, 가격 대비 도전율이 우수한 구리 또는 구리 합금을 주조하여, 원하는 크기로 압연 및 신선하여 도체로 사용되고 있다. 이와 같은 방식으로 제조된 도체에 높은 전류가 흐르게 하려면 고순도의 구리를 사용하거나 도체의 단면적을 크게 하여야 하는데, 고순도의 구리를 사용하는 것 만으로는 도체의 비저항을 높이는데 한계가 있어, 통상적으로는 도체의 단면적을 높이는 방식이 이용되고 있다. 따라서, 고전압용 절연 전선일수록 도체의 단면적이 높아져 절연 전선의 부피가 증가하게 되고, 이에 따라 배선시에 공간을 많이 소모하게 되며 비용이 증가하는 문제점이 발생한다.
한편, 도체에 흐르는 전류에 따른 전기 저항에 의해 열이 발생하고 절연층의 수명에 영향을 주기 때문에 고전압 환경에서는 도체의 방열 특성이 중요하며, 이러한 도체의 방열 특성이 좋을수록 도체의 허용 전류를 상승시키는 효과를 일으켜 보다 많은 전력을 송신할 수 있게 된다. 구리 또는 구리합금 도체를 사용할 경우 이와 같은 방열 특성은 우수하나, 금, 은과 같은 귀금속에 비해 대기에서 산화(부식) 및 변색이 쉽게 일어나기 때문에 전기저항이 증가하고 단자부에서의 접합 특성이 떨어지는 단점이 있다.
이를 방지하기 위하여 구리 또는 구리합금에 대해 내화성이 높은 금속을 도금하거나, 방청유를 도포하는 방식으로 표면처리를 하여 외부 환경으로부터 도체의 산화를 방지하는 방법이 고안되었다. 상기 금속을 도금하는 방식은 주로 아연, 주석, 니켈 등을 희생 피막 금속을 용융도금 또는 전기 방식으로 도금하는 것이며, 상기 방청유를 도포하는 방식은 구리 또는 구리합금의 표면에 벤조트리아졸, OSP(Organic Soldering preservative), 크로뮴산아연 성분의 방청도료를 도포하여 기름 보호막을 형성하는 것으로서, 이러한 방식들은 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에 비용과 시간이 많이 소모되며, 특히 도체의 전기저항을 증가시키고 신호 전달 특성에서도 도체 본래의 성능을 저하시키는 점에서 바람직하지 않다.
본 발명의 기술적 과제는 도전율, 열전도도 및 내산화성이 우수한 도체가 포함된 절연 전선을 제공하는 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 절연 전선은, i) 구리, 구리 합금, 이종 금속이 도금된 구리 또는 이종 금속이 도금된 구리 합금으로 이루어진 선재; 및 ii) 상기 선재를 그라핀으로 코팅한 그라핀 코팅층을 포함하는 도체를 포함한다.
본 발명의 절연 전선은 단면적의 직경이 작은 도체를 포함하여 절연 전선의 경량화를 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 우수한 도전율, 열전도도 및 내산화성을 갖는다.
또한, 본 발명은 종래의 도체의 산화 방지 방법과 달리, 여러 공정을 거치지 않고도 도체의 내산화성을 향상시킬 수 있어서, 비용 및 시간의 측면에서 유리하다.
이하, 본 발명을 자세히 설명한다.
본 발명의 도체를 포함하는 절연 전선에 있어서, 상기 도체는, i) 구리, 구리 합금, 이종 금속이 도금된 구리 또는 이종 금속이 도금된 구리 합금으로 이루어진 선재; 및 ii) 상기 선재를 그라핀으로 코팅한 그라핀 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 선재로서 구리; 구리 합금; 이종 금속이 도금된 구리; 또는 이종 금속이 도금된 구리 합금;을 사용할 수 있으며, 그 중에서도 이종 금속이 도금된 구리; 또는 이종 금속이 도금된 구리 합금;을 사용하면 그라핀 코팅층을 짧은 시간에 용이하게 성장시킬 수 있고 전기전도도의 개선효과가 커서 바람직하다.
이러한 구리 또는 구리 합금을 도금하는데 사용되는 이종 금속은 구리 또는 구리 합금보다 융점이 높은 금속이며, 이러한 이종 금속으로서 구리보다 탄소고용도가 높은 Ni, Fe, Co, Ru, Rh, Pd, Ir, Pt 등의 금속을 1종 이상 사용할 수 있다.
이러한 이종 금속에 의한 도금 두께는 0.1 내지 0.7 마이크로미터가 바람직하다. 상기 두께가 0.1 마이크로미터 미만일 경우에는 그라핀 코팅층을 짧은 시간 내에 성장시키기 어렵고, 상기 두께가 0.7 마이크로미터를 초과하는 경우에는 도체의 저항이 감소하며 제조 비용이 상승하는 단점이 있다.
본 발명의 선재는 특정한 형태에 한정되지 않고 환봉 형태, 평각 형태 등 다양한 형태를 가질 수 있으며, 경량화를 위하여 선재는 단면적의 직경이 작을수록 바람직하다. 특히, 같은 두께의 그라핀을 코팅하더라도 선재의 단면적의 직경이 작을수록 상대적으로 그라핀 코팅의 비율이 높아져 도전율의 상승 효과가 극대화할 수 있을 뿐만 아니라 선재가 포함된 도체 전체의 부피도 감소시킬 수 있다. 바람직하게, 상기 선재의 단면적의 직경은 10 내지 100 ㎛이며, 선재의 단면적의 직경이 10 ㎛ 미만일 경우에는 CVD 공정에서 선재의 성분 중 구리가 증발됨으로써 선재의 강도가 급격히 떨어지고 그래핀의 균일한 코팅이 어려우며, 선재의 단면적의 직경이 100 ㎛를 초과할 경우에는 그래핀 코팅에 의한 도전율의 상승 효과가 좋지 못하다.
본 발명의 그라핀(graphene)는 20 ℃에서 약 1 g/cm3의 밀도, 약 -7×10-6/℃의 열팽창 계수, 약 5000 Wm-1K-1의 열전도도, 약 130 GPa의 인장강도를 갖는 것으로서, 선재에 통상적으로 사용되는 구리가 20 ℃에서 8.96 g/cm3의 밀도, 약 16.5×10-6/℃의 열팽창 계수, 약 397 Wm-1K-1의 열전도도, 약 130 GPa의 인장강도를 갖는 것과 비교하여 전반적으로 우수한 물성을 가지며, 특히 그라핀은 구리에 비해 밀도는 작지만 구리에 비해 수십배에 달하는 전류 밀도를 가지고 있어 선재에 코팅됨으로써 비코팅 선재에 비해 훨씬 향상된 도전율 및 방열 특성을 발휘한다. 또한, 본 발명의 그라핀은 우수한 내산화 특성을 가지고 있어서 선재의 부식 및 변색을 방지할 수 있어, 비코팅 선재(예를 들면, 구리 도체)에 금속을 도금하거나 방청유를 도포하는 종래의 공정이 불필요하게 되어 비용과 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있다.
이러한 본 발명의 그라핀을 선재에 코팅하는 방법은 다양하며, 예를 들면, CVD(Chemical Vapor Deposition), PECVD(Plasma Enhenced Chemical Vapor Deposition) 방식에 의해 선재에 직접적으로 증착하는 방법; 그래파이트 플레이크(Graphite flake) 등을 선재 위에 배열한 후 어닐링 하는 방법; 그라핀 서스펜젼에 선재를 디핑(Dipping)하는 방법; 전기영동 침작(Electrophoretic Deposition) 방식에 의해 선재에 간접적으로 증착하는 방법; 등이 있다. 이러한 다양한 방법 중에서 CVD 방식을 이용하여 그라핀을 선재에 코팅할 경우, 전기전도도가 높고, 균일성이 뛰어나며 그라핀의 코팅 두께를 효율적으로 제어할 수 있어서 CVD 방식을 이용하는 것이 가장 바람직하다. 즉, CVD 방식에서, CH4 가스의 유량과 증착 온도를 높을수록, 코팅 후의 냉각 속도를 늦출수록, 그라핀 코팅층의 두께가 두꺼워지므로, 이러한 점을 이용하여 그라핀의 코팅 두께를 효율적으로 제어할 수 있다. 또한, CVD 방식을 이용할 경우 상압 환경에서도 그라핀을 증착할 수 있기 때문에 연속 공정으로 제작할 수 있다는 장점도 있다.
추가적으로, 상기 그라핀을 선재에 코팅한 후에 HNO3 용액 등을 이용하여 화학적 처리를 할 경우, 그라핀 층에 N 또는 P 도핑(Doping)이 되어 그라핀의 도전율을 더욱 상승시킬 수 있다.
본 발명의 그라핀은 바람직하게 10 내지 1000개의 층으로 이루어지며, 더욱 바람직하게 100 내지 800개의 층으로 이루어진다. 상기 그라핀이 10개 미만의 층으로 이루어질 경우 선재의 산화방지 효과는 기대할 수 있으나, 선재 대비 그라핀의 단면적의 비율이 너무 낮아 그라핀에 의한 도전율의 상승 효과가 거의 없으며 방열 특성의 개선 효과도 거의 없다. 또한, 상기 그라핀이 1000개를 초과하는 층으로 이루어질 경우 CVD 방식으로 선재에 코팅될 때 그라핀 내에 결함이 발생하여 그라핀에 의한 도전율의 상승 효과가 없고 방열 특성의 개선 효과가 거의 없을 뿐만 아니라, 그라핀을 구성하는 층 간의 약한 결합력으로 인해 코팅층이 쉽게 파손되는 문제점이 발생한다.
또한, 본 발명은 상기 도체를 감싸는 절연층을 더 포함하는 절연 전선을 제공한다. 본 발명의 선재; 상기 선재를 그라핀으로 코팅한 그라핀 코팅층으로 이루어진 도체에 피복을 입혀 절연층을 형성함으로써 그라핀 코팅층을 보호하여 코팅 효과를 장기간 지속할 수 있다.
이하 실시예를 들어 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 본 발명이 속하는 분야의 평균적 기술자는 아래 실시예에 기재된 실시 태양 외에 여러 가지 다른 형태로 본 발명을 변경할 수 있으며, 이하 실시예는 본 발명을 예시할 따름이지 본 발명의 기술적 사상의 범위를 아래 실시예 범위로 한정하기 위한 의도라고 해석해서는 아니된다.
<실시예 1~6 및 비교예 1~12>
본 발명의 절연 전선의 성능을 살펴보기 위하여 아래 표 1에 나타낸 선재의 단면적의 직경과 그라핀 코팅층을 갖는 절연 전선을 제조하였으며, 그 제조 과정은 다음과 같다.
먼저, 단면적의 직경이 20 ㎛와 50 ㎛인 구리 선재를 각각 튜브 퍼니스(tube furnace)에 넣고 700 scm의 아르곤 기체를 흘려주면서 900℃까지 가열하여 10분 이상 유지하여 구리 표면의 불순물을 제거하였다. 그 후 10 내지 30분 동안 튜브에 CH4 가스를 10 내지 50 sccm로 흘려주고, H2 가스를 1000 sccm로 흘려주었다. 그 후 CH4 가스와 H2 가스의 투입을 중단하고 아르곤 가스를 1000 sccm으로 흘려주어 퍼징(purging) 하면서 냉각장치를 통하여 튜브를 냉각하여 그라핀 코팅층을 형성하였다. 그라핀의 코팅층의 두께는 단면 TEM으로 측정하였으면 10회 측정의 평균값으로 두께(층의 개수)를 산정하여 하기 표 1에 나타냈다.
선재의 단면적의 직경(㎛) 그라핀 코팅층의 두께(층의 개수)
실시예 1
20
 10
실시예 2 500
실시예 3 1000
실시예 4
50
 10
실시예 5 500
실시예 6 1000
비교예 1
20
 0(코팅층 없음)
비교예 2 5
비교예 3 1500
비교예 4
50		 0(코팅층 없음)
비교예 5 5
비교예 6 1500
비교예 7
5
 0(코팅층 없음)
비교예 8 500
비교예 9 1500
비교예 10
150
 0(코팅층 없음)
비교예 11 500
비교예 12 1500
물성 측정 및 평가
상기 실시예(1~6) 및 비교예(1~12)에 따르는 절연 전선에 대하여, 1) 도전율(%IACS)는 four point probe를 사용하여 측정하고, 2) 방열 특성을 나타내는 열전도도(W/mK)는 열전도도 측정 장치를 사용하여 측정하고, 3) 내산화성은 100 ℃ 컨벡션 오븐(convection oven)에서 2일 동안 보관한 후 AES Depth profile을 측정하여, 상기 오븐 열처리 전후의 산화층의 두께를 비교하여, 하기의 표 2에 나타냈다.
　 도전율
(%IACS)		 열전도도
(W/mK)		 오븐열처리 전 산화층 두께
(nm)		 오븐열처리 후 산화층 두께
(nm)
실시예1 102 379 13 20
실시예2 120 453 10 15
실시예3 130 503 10 21
실시예4 105 409 15 23
실시예5 118 420 11 20
실시예6 121 431 13 19
비교예1 99 388 20 780
비교예2 102 399 13 20
비교예3 134 601 11 18
비교예4 100 401 31 890
비교예5 102 405 16 21
비교예6 122 441 8 15
비교예7 99 385 8 140
비교예8 100 399 11 19
비교예9 100 394 14 36
비교예10 100 381 12 170
비교예11 101 405 16 19
비교예12 103 411 14 18
상기 표 2에 정리한 바와 같이, 선재의 단면적의 직경이 20 ㎛ 또는 50 ㎛일 때, 그라핀 코팅층의 두께가 10개 이상 1000개 이하인 경우(본 발명의 실시예 1 내지 6)에는, 그라핀 코팅층의 두께가 10개 미만 또는 1000개를 초과하는 경우(비교예 1 내지 6)에 비해 도체의 도전율, 열전도도 및 내산화성이 훨씬 뛰어났음을 알 수 있다.
또한, 선재의 단면적의 직경이 20 ㎛ 또는 50 ㎛인 경우(본 발명의 실시예 1 내지 6), 선재의 단면적의 직경이 5 ㎛ 또는 150 ㎛인 경우(비교예 7 내지 12)보다 도체의 도전율 및 열전도도가 더욱 뛰어나, 선재의 단면적의 직경이 작을수록 우수한 효과가 발휘됨을 알 수 있었다.

Claims (7)

  1. 도체를 포함하는 절연 전선에 있어서,
    상기 도체는,
    구리, 구리 합금, 이종 금속이 도금된 구리 또는 이종 금속이 도금된 구리 합금으로 이루어진 직경이 20 내지 50 ㎛인 선재; 및
    상기 선재를 그라핀으로 10 내지 1,000개의 층으로 CVD 방식에 의해 코팅하여 이루어진 그라핀 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 전선.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 선재는 이종 금속이 도금된 구리 또는 이종 금속이 도금된 구리 합금인 것을 특징으로 하는 절연 전선.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 이종 금속은 Ni, Fe, Co, Ru, Rh, Pd, Ir 및 Pt로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 절연 전선.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 도체를 감싸는 절연층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 전선.
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