KR102005669B1 - 금속/카본 나노튜브 복합 와이어 - Google Patents

금속/카본 나노튜브 복합 와이어 Download PDF

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Abstract

멀티-스트랜드 복합 전기 전도체 조립체(10)가 제공된다. 멀티 스트랜드 복합 전기 전도체 조립체(10)는 카본 나노튜브들로 형성된 스트랜드(12), 그리고 카본 나노튜브 스트랜드(12)와 실질적으로 동일한 길이를 갖는 세장형 금속 스트랜드(14)를 포함한다. 조립체는 카본 나노튜브 스트랜드(12)와 실질적으로 동일한 길이를 갖는 복수의 금속 스트랜드(14)들을 추가적으로 포함할 수 있다. 카본 나노튜브 스트랜드(12)는 중앙 스트랜드(12)로서 위치할 수 있고, 복수의 금속 스트랜드(14)들이 카본 나노튜브 스트랜드(12)를 둘러싼다. 금속 스트랜드(14)는 구리, 은, 금 또는 알루미늄과 같은 재료로 형성될 수 있고, 니켈, 주석, 구리, 은, 및/또는 금과 같은 재료로 도금될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 금속 스트랜드(14)는 니켈, 주석, 구리, 은, 및/또는 금과 같은 재료로 피복될 수 있다.

Description

금속/카본 나노튜브 복합 와이어{METALLIC/CARBON NANOTUBE COMPOSITE WIRE}
본 출원은 2017년 2월 20일자로 출원된 미국 특허 출원 제 15/436,898 호에 대한 우선권의 이익을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 전기 와이어들에 관련한 것이며, 더 구체적으로 카본 나노튜브와 금속 스트랜드(strand)들로 형성된 복합 전기 와이어에 관한 것이다.
전통적으로, 자동차의 전기 케이블들은 일반적인 승용 차량에 있어서 15kg 내지 28kg의 질량을 가질 수 있는 구리 와이어 전도체들로 만들어진다. 차량 배출 요건을 충족시키도록 차량 질량을 줄이기 위해, 자동차 생산자들은 또한 알루미늄 전도체들을 사용하기 시작했다. 하지만, 알루미늄 와이어 전도체들은 동일한 크기의 구리 와이어와 비교해서 줄어든 파단 강도와 줄어든 신장 강도를 가지고 있기 때문에, 그로 인해서 0.75㎟보다 작은 단면적 (약 0.5mm의 직경)을 갖는 와이어들에 대해서 적합한 대체품이 아니다. 현대 차량들의 많은 와이어들은, 차량을 통해 전력을 전달하는 것보다 디지털 신호들을 전송한다. 데이터 신호 회로들을 위해 선택된 와이어 직경은 종종, 와이어의 전기적 성질들보다 와이어에 요구되는 기계적 강도들에 의해 결정되고, 그리고 회로들은 작은 직경의 와이어들을 사용해서 효과적으로 만들어질 수 있다.
아라미드 섬유 스트랜드 등과 같은 강도 부재를 금속 스트랜드들과 함께 활용하는 세장형 복합 전도체들, 또는 복합 와이어들은 완성된 전도체들의 강도를 향상시키고 중량을 줄이기 위하여 사용되어 왔다. 스테인레스 스틸 스트랜드들을 포함하는 다른 복합재료들은 중량에 작은 영향을 끼치면서 강도를 향상시키기 위해서 사용되어 왔다. 하지만 아라미드 섬유들과 같은 비전도성 부재들 또는 스테인레스 스틸과 같은 고저항 부재들의 포함은 복합 와이어의 전체적인 전기 저항을 증가시킨다. 추가적으로, 복합 와이어들은 압착 결합 단자에 의한 말단 처리에 적합하지 않다. 압착 공정 중에, 비전도성 또는 고저항 부재가 와이어의 바깥 부분으로 이동할 수 있고, 그로 인해서 단자와 와이어 사이의 저항이 증가하는 것을 유발한다. 이 증가는 아라미드 섬유들과 스테인레스 스틸 스트랜드들의 높은 전기 저항 때문이다.
스트랜디드(stranded) 카본 나노튜브(CNT)들은 작은 직경 와이어들을 위해 충분한 강도를 제공하는 가벼운 중량의 전기 전도체이다. 한편, CNT 스트랜드들은 현재로서는 대부분의 자동차 어플리케이션들을 위한 충분한 전도도를 제공하지 않는다. 추가적으로, CNT 스트랜드들은 압착 결합 단자에 의해 쉽게 말단 처리되지 않는다. 더욱이, CNT 스트랜드들은 납땜 단자에 의해 어려움 없이 말단 처리되지 않으며, 이는 스트랜드들이 납땜에 의해 쉽게 젖지 않기 때문이다.
따라서, 작은 치수의 배선을 위한 구리 와이어 전도체들의 작은 질량의 대체품이 여전히 요구된다.
배경 섹션에서 논의된 주제가 배경 섹션에서 언급된 결과로 인해 단순히 선행 기술로 간주되어서는 안 된다. 유사하게, 배경 섹션에서 언급되거나 배경 섹션의 주제와 관련된 문제가 선행 기술에서 이전에 인식된 것으로 간주되어서는 안 된다. 배경 섹션에 있는 주제는 단순히 다른 접근을 나타내며, 그 자체로 또한 발명이 될 수 있다.
발명의 일 실시예에 따라, 멀티-스트랜드 복합 전기 전도체 조립체가 제공된다. 멀티-스트랜드 복합 전기 전도체 조립체는 적어도 50mm의 길이를 갖는 카본 나노튜브들로 기본적으로 이뤄진 세장형 스트랜드, 그리고 카본 나노튜브 스트랜드와 실질적으로 동일한 길이를 갖는 세장형 금속 스트랜드를 포함한다. 조립체는 카본 나노튜브 스트랜드와 실질적으로 동일한 길이를 갖는 복수의 금속 스트랜드들을 추가적으로 포함할 수 있다. 카본 나노튜브 스트랜드는 중앙 스트랜드로서 위치될 수 있고, 복수의 금속 스트랜드들은 카본 나노튜브 스트랜드를 둘러싼다. 조립체는 한 개의 카본 나노튜브 스트랜드와 여섯 개의 금속 스트랜드들로 구성될 수 있다. 금속 스트랜드는 구리, 은, 금, 또는 알루미늄과 같은 재료로 형성될 수 있다. 금속 스트랜드는 니켈, 주석, 구리, 은, 및/또는 금과 같은 재료로 도금될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 금속 스트랜드는 니켈, 주석, 구리, 은, 및/또는 금과 같은 재료로 피복될 수 있다. 조립체는 조립체의 일 단부에 압착되거나 또는 납땜 되어 있는 전기 단자를 추가적으로 포함할 수 있다. 조립체는 금속 스트랜드와 카본 나노튜브 스트랜드를 모두 감싸는 유전성 폴리머 재료로 형성된 절연 슬리브를 또한 포함할 수 있다.
본 발명은 지금부터 첨부 도면들을 참조하여 예시의 방식으로 설명될 것이다.
도 1은 한 실시예에 따른 멀티-스트랜드 복합 전기 전도체 조립체의 사시도이다.
도 2는 한 실시예에 따라 도 1의 멀티-스트랜드 복합 전기 전도체 조립체에 압착된 단자의 단면도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 멀티-스트랜드 복합 전기 전도체 조립체의 사시도이다.
스트랜디드 카본 나노튜브(CNT) 전도체들은 스트랜디드 금속 전도체들과 비교하여 향상된 강도와 감소된 밀도를 제공한다. 스트랜디드 CNT 전도체들은 동일한 직경을 가진 구리 스트랜드와 비교하여 160% 더 높은 신장 강도를 가지고, 동일한 직경을 가진 알루미늄 스트랜드와 비교하여 330% 더 높은 신장 강도를 갖는다. 추가적으로 스트랜디드 CNT 전도체는, 구리 스트랜드 밀도의 16%의 밀도를 가지며 알루미늄 스트랜드 밀도의 52%의 밀도를 갖는다. 하지만, 스트랜디드 CNT 전도체는 줄어든 전기 전도도의 결과로서 구리 스트랜드와 비교하여 16.7배 높은 저항을 가지고, 알루미늄 스트랜드와 비교하여 8.3배 높은 저항을 가진다. 스트랜디드 CNT 전도체들의 감소된 전기 전도도를 처리하기 위해, 복합 전도체, 즉, 한 개 또는 그 이상의 금속, 금속 도금된, 또는 금속 피복된 스트랜드들과 함께 한 개 또는 그 이상의 CNT 스트랜드들로 구성된 복합 와이어가 제공된다. 복합 와이어의 CNT 스트랜드들이 최종 복합 와이어의 강도와 밀도를 향상시키면서, 복합 와이어의 금속 스트랜드들은 전체적인 전기 전도도를 향상시킨다. CNT 스트랜드들의 높은 신장 강도가 전체적으로 동등한 신장 강도를 갖는 복합 와이어 내에서 작은 직경의 금속 전도체들을 허용하면서, 금속 스트랜드들은 특히 디지털 신호를 전송하는 어플리케이션들에서 충분한 전기 전도도를 제공한다. CNT 스트랜드들의 낮은 밀도는 또한 금속 스트랜드들에 비교했을 때 중량의 감소를 제공한다. 전도성 CNT 스트랜드(들)의 포함은 아라미드 또는 스테인레스 스틸 스트랜드로 만들어진 복합 와이어들에 비해 복합 와이어 단부들의 전기 단자들의 압착 결부 성능을 향상시키며 이는 CNT 스트랜드(12)가 아라미드 스트랜드와는 달리 결합성을 가지고 있기 때문이라는 것, 그리고 스테인레스 스틸 스트랜드와는 달리 구리 스트랜드와 비슷한 압축 성능을 갖기 때문이라는 것이 발명자들에 의해서 또한 관찰되었다.
도 1은 이후 복합 와이어(10)로 지칭되는 멀티-스트랜드 복합 전기 전도체 조립체의 비-제한적인 예시를 도시한다. 복합 와이어는 기본적으로 카본 나노튜브들로 구성되고 적어도 50mm의 길이를 갖는 한 개의 세장형 스트랜드(12)를 포함한다. 자동차 어플리케이션에서 복합 와이어는 최대 7m의 길이를 가질 수 있다. 카본 나노튜브(CNT) 스트랜드(12)는 수 마이크로미터에서 수 밀리미터 범위의 길이를 갖는 카본 나노튜브 섬유들을 원하는 길이와 직경을 갖는 스트랜드 또는 실로 방적함으로써 형성된다. CNT 스트랜드들을 형성하기 위한 공정들은 당업자들에게 익숙한 습식 또는 건식 방적 공정들을 사용할 수 있다. 도시된 예시에서, CNT 스트랜드(12)는, 카본 나노튜브 스트랜드(12)와 실질적으로 동일한 길이를 갖는 구리로 형성되고 CNT 스트랜드(12) 주위에 꼬여 있는 여섯 개의 세장형 금속 스트랜드(14)들에 의해 둘러싸여 있다. 본 명세서에서 사용된 “실질적으로 동일한 길이”는 구리 스트랜드(14)들과 CNT 스트랜드(12)의 길이가 1% 이하로 다른 것을 의미한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어 “구리”는 구리 원소 또는 구리가 주된 구성 성분인 합금을 의미한다.
변형된 실시예에서, 금속 스트랜드(14)들은 알루미늄, 은, 또는 금으로 형성될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 용어들 “알루미늄, 은, 그리고 금”은 명명된 원소의 기본 형태 또는 명명된 원소가 주된 구성성분인 합금을 의미한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 금속 스트랜드(14)의 외부 표면은 니켈, 주석, 구리, 은, 및/또는 금과 같은 다른 금속 재료로 도금되거나 또는 피복될 수 있다. 도금(16) 또는 피복(16)은 금속 스트랜드(14)의 향상된 전기 전도도를 제공하기 위해 또는 내식성을 제공하기 위해 추가될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 용어들 “니켈과 주석”은 명명된 원소의 기본 형태 또는 명명된 원소가 주된 구성성분인 합금을 의미한다. 금속 와이어(14)들을 다른 금속들을 이용해 피복하거나 도금시키는 공정들은, 당업자들에게 잘 알려져 있다.
구리 스트랜드(14)들과 CNT 스트랜드(12)는 폴리에틸렌(polyethylene)(PE), 폴리프로필렌(polypropylene)(PP), 폴리비닐클로라이드(polyvinylchloride)(PVC), 폴리아미드(polyamide)(NYLON), 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene)(PFTE)과 같은 유전성 재료로 형성된 절연 자켓(18) 안에 감싸진다. 절연 자켓은 바람직하게 0.1mm 내지 0.4mm 사이의 두께를 가질 수 있다. 절연 자켓(18)은 당업자에게 잘 알려진 압출 공정들을 사용해 구리 스트랜드(12)와 CNT 스트랜드(14)에 도포될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 복합 와이어(10)의 단부는, 복합 와이어(10) 위로 접혀 있고 복합 와이어(10)와 단자(20) 사이에서 압착 접속을 형성하기 위해 압축된 한 쌍의 압착 윙(22)들을 갖는, 전기 단자(20)에 의해 말단 처리된다. 발명가들은 복합 와이어(10)와 단자(20) 사이의 만족스러운 접속이 종래의 압착 단자들과 압착 형성 기술들을 통해 달성될 수 있다는 것을 발견했다. 대안적으로, 전기 단자는 복합 와이어의 단부에 납땜될 수 있다.
도 3은 복합 와이어(24)의 대안적인 실시예를 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 단일 구리 스트랜드(26)는 여섯 개의 CNT 스트랜드(28)들로 둘러싸여 있다. 구리 스트랜드(26)와 CNT 스트랜드(28)들은 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리비닐크롤라이드(polyvinylchloride), 폴리아미드(polyamide), 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene)과 같은 유전성 재료로 형성된 절연 자켓(30) 안에 감싸진다.
복합 와이어의 대안적인 실시예들은 더 많거나 또는 더 적은 CNT 스트랜드들, 그리고 더 많거나 또는 더 적은 금속 스트랜드들을 가질 수 있다. 각 타입의 스트랜드 개수와 직경은 기계적 강도, 전기 전도도, 그리고 전기 전류 용량에 대한 디자인 고려 사항에 따라 결정된다. 복합 와이어의 길이는 복합 와이어의 특정 어플리케이션에 의해 결정될 것이다.
따라서, 멀티-스트랜드 복합 전기 전도체 조립체(10) 또는 복합 와이어가 제공된다. 복합 와이어(10)는 금속 스트랜디드 와이어와 비교해서 줄어든 직경과 중량의 이점을 제공하면서, 여전히 많은 어플리케이션들 특히 디지털 신호 전송을 위해 충분한 전기 전도도를 제공한다.
본원의 발명이 그것의 바람직한 실시예의 관점에서 설명되었지만, 그것에 제한되도록 의도된 것은 아니고, 그보다도 후술되는 청구항에 기재된 범위 내에서 가능하다. 나아가, 사용된 제 1, 제 2, 등의 용어는 어떠한 중요성의 순서도 나타내지 않으며, 그보다도, 제 1, 제 2, 등의 용어는 하나의 요소를 다른 것과 구별하기 위해서 사용된다. 더 나아가, 관사 등의 용어의 사용은 수량의 제한을 나타내지 않으며, 그보다도 인용된 항목이 적어도 한 개 이상 있음을 나타낸다. 추가적으로, ‘상부’, ‘하부’ 등의 방향성 용어들은 어떠한 특정 방향을 나타내지 않고, 그보다도 ‘상부’, ‘하부’ 등의 용어들은 어느 구성 요소를 다른 것으로부터 구별하고 다양한 구성 요소들 사이의 위치적 관계를 확립하기 위해서 사용된다.

Claims (10)

  1. 멀티-스트랜드 복합 전기 전도체 조립체(10)이며,
    적어도 50mm의 길이를 갖는 카본 나노튜브들로 기본적으로 구성된 세장형 스트랜드(12); 및
    카본 나노튜브 스트랜드(12)와 실질적으로 동일한 길이를 갖는 세장형 알루미늄 스트랜드(14)를 포함하고,
    알루미늄 스트랜드(14)는 니켈, 구리, 은, 그리고 금으로 구성된 리스트로부터 선택된 재료로 도금되거나 피복된,
    멀티-스트랜드 복합 전기 전도체 조립체(10).
  2. 제 1항에 있어서,
    카본 나노튜브 스트랜드(12)와 실질적으로 동일한 길이를 갖는 복수의 알루미늄 스트랜드(14)들을 추가적으로 포함하고,
    알루미늄 스트랜드(14)는 니켈, 구리, 은, 그리고 금으로 구성된 리스트로부터 선택된 재료로 피복된,
    멀티-스트랜드 복합 전기 전도체 조립체(10).
  3. 제 2항에 있어서,
    카본 나노튜브 스트랜드(12)가 중앙 스트랜드(12)이고,
    복수의 알루미늄 스트랜드(14)들이 카본 나노튜브 스트랜드(12)를 둘러싸는,
    멀티-스트랜드 복합 전기 전도체 조립체(10).
  4. 제 3항에 있어서,
    멀티-스트랜드 복합 전기 전도체 조립체(10)가 한 개의 카본 나노튜브 스트랜드(12)와 여섯 개의 알루미늄 스트랜드(14)들로 구성되는,
    멀티-스트랜드 복합 전기 전도체 조립체(10).
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    멀티-스트랜드 복합 전기 전도체 조립체(10)의 단부에 압착된 전기 단자(20)를 추가적으로 포함하는,
    멀티-스트랜드 복합 전기 전도체 조립체(10).
  9. 제 1항에 있어서,
    멀티-스트랜드 복합 전기 전도체 조립체(10)의 단부에 납땜된 전기 단자(20)를 추가적으로 포함하는,
    멀티-스트랜드 복합 전기 전도체 조립체(10).
  10. 제 1항에 있어서,
    알루미늄 스트랜드(14)와 카본 나노튜브 스트랜드(12)를 감싸고, 유전성 폴리머 재료로 형성된 절연 슬리브를 추가적으로 포함하는,
    멀티-스트랜드 복합 전기 전도체 조립체(10).
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