KR102075311B1 - 고성능 차폐 케이블용 도체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고성능 차폐 케이블용 도체의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 신호전달이 우수하여 고성능 음향 케이블로 사용할 수 있는 동시에 케이블 내/외부 차폐 성능이 우수하며, 경량화 및 소형화가 가능한 고성능 차폐 케이블용 도체의 제조방법에 관한 것이다.

Description

고성능 차폐 케이블용 도체의 제조방법{Method for preparing a conductor for high performance screened cable}

본 발명은 고성능 차폐 케이블용 도체의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 신호전달이 우수하여 고성능 음향 케이블로 사용할 수 있는 동시에 케이블 내/외부 차폐 성능이 우수하며, 경량화 및 소형화가 가능한 고성능 차폐 케이블용 도체의 제조방법에 관한 것이다.

도 1은 종래 차폐 케이블의 횡단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래 차폐 케이블은 도체(10)와 상기 도체(10)를 감싸는 절연층(20)을 포함하는 하나 이상의 코어, 상기 코어를 전체적으로 감싸는 1차 쉬스(40), 상기 코어와 상기 1차 쉬스(40) 사이의 공간을 메우는 충진 개재(30), 상기 1차 쉬스를 감싸는 금속차폐편조(50), 상기 금속차폐편조(50)를 감싸는 2차 쉬스(60) 등을 포함할 수 있다.

종래 케이블용 도체(10)로 가장 널리 사용되는 금속은 구리이며, 그 중 전기 분해로 정련하여 불순물이 적어 전기전도도가 우수한 구리가 전기동(Tough Pitch Copper; TPC)이다.

현재 일반적인 케이블의 도체(10)는 거의 대부분이 전기동(TPC)을 사용하고 있으나, 오디오 및 신호 전달용 등의 특수 목적으로 사용되는 고성능 케이블의 도체는 고가이지만 고품질의 구리 도체가 요구되고 있는 추세이다.

특히, 물리학적으로 알려진 사실에 의하면 구리에서 92%는 구리 자체가 가지고 있는 구조적 저항이며 나머지 8%가 불순물 및 결함에 의한 저항이므로, 고해상도, 고출력 등을 구현하기 위해 고순도의 무산소동(Oxygen Free Copper; OFC)이 사용되고 있으나, 상기 구리 도체의 순도를 99.999 내지 99.9999%로 높이더라도 저항은 1.67×10^-8 Ω㎝ 수준에서 더 이상 줄지 않는다.

한편, 고품질의 구리 도체를 얻기 위해서는 불순물의 제거도 중요하지만 구리 금속의 결정 형상도 매우 중요하다. 일반적으로 금속은 결정으로 이루어져 있고 이런 결정들의 경계면들이 존재하게 되는데 이런 결정립들은 전류 및 신호의 흐름에 방해가 된다. 즉, 상기 구리 도체에 있어서 동일 면적 내의 결정이 크면 클수록 결정립의 수는 감소하고 이는 곧 전류 및 신호 흐름에 유리하게 작용하게 되며, 결과적으로 상기 구리 도체를 포함하는 케이블의 경량화 및 소형화가 가능하다.

또한, 상기 구리 도체에 있어서 동일 면적 내의 결정이 크면 클수록 결정들의 경계면이 줄어들어 이러한 경계면을 따라 발생하는 입계부식을 최소화할 수 있다.

나아가, 종래 케이블이 복수개의 코어를 포함하는 경우 각 코어에 포함되는 도체(10)에 전류가 흐를 때 상기 코어 외부로 방출되는 전자파가 케이블 내/외부에서 신호의 흐름에 영향을 미치는 문제가 있고, 금속차폐편조(50)를 통해 케이블 외부로의 전자파 방출을 어느 정도는 억제할 수 있으나 케이블 내부에서의 전자파 방출은 여전히 문제가 된다.

따라서, 신호전달이 우수하여 고성능 음향 케이블로 사용할 수 있는 동시에 케이블 내/외부 차폐 성능이 우수하며, 경량화 및 소형화가 가능한 고성능 차폐 케이블이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 신호전달이 우수하여 고성능 음향 케이블로 사용할 수 있는 동시에 내/외부 차폐 성능이 우수한 고성능 차폐 케이블용 도체의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 경량화 및 소형화가 가능한 고성능 차폐 케이블용 도체의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,

고성능 차폐 케이블용 도체의 제조방법으로서, 초크랄스키법으로 단결정 구리를 성장시키는 단계, 상기 단결정 구리를 방전 가공으로 단결정 구리 와이어 형태로 절단하는 단계, 및 냉각 인발을 통해 단결정 구리 와이어를 원하는 직경으로 인발함으로써 길이방향으로 형성된 단결정 영역과 다결정 영역이 혼재하는 도체를 제조하는 단계를 포함하고, 상기 단결정 영역은 원자들이 빈틈 없이 밀집한 구조로 채워진 주기적 원자 배열을 갖고 상기 도체의 길이방향에서의 일 말단부터 타 말단까지 전체로 연결된 하나의 결정립으로 이루어져 있어 상기 도체의 길이방향에서의 양 말단 사이 전체에 결정립 경계면이 없는 결정구조의 영역이며, 상기 도체의 직경 방향으로 상기 단결정 영역과 상기 다결정 영역이 교대로 배치됨으로써 상기 다결정 영역은 상부 단결정 영역과 하부 단결정 영역 사이에 배치되는 하나 이상의 다결정 영역을 포함하고, 상기 도체의 횡단면인 원형의 중심을 지나는 길이방향의 임의의 종단면에서 상기 단결정 영역의 면적율이 50 내지 90%이고, 상기 다결정 영역의 면적율이 10 내지 50%인 것을 특징으로 하는, 고성능 차폐 케이블용 도체의 제조방법을 제공한다.

여기서, 상기 단결정 구리를 방전 가공으로 단결정 구리 와이어 형태로 절단한 후 불산을 이용한 습식 에칭법에 의해 상기 단결정 구리 와이어의 표면에 형성된 응력에 의한 산화막을 제거하는 것을 특징으로 하는, 고성능 차폐 케이블용 도체의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 단결정 구리 와이어의 표면을 테프론으로 코팅하고, 500 내지 900℃에서 열처리하는 것을 특징으로 하는, 고성능 차폐 케이블용 도체의 제조방법을 제공한다.

그리고, H₂O:HF=5:1 배합으로 3분 동안 습식 에칭법을 수행함으로써 상기 산화막을 제거하는 것을 특징으로 하는, 고성능 차폐 케이블용 도체의 제조방법을 제공한다.

나아가, 상기 냉각 인발 공정은 10 내지 50℃에서 10 내지 1,000 m/min의 인발 속도로 수행되는 것을 특징으로 하는, 고성능 차폐 케이블용 도체의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 고성능 차폐 케이블은 도체의 길이방향으로 단결정 영역과 다결정 영역의 적절한 분배를 통해 신호전달 성능을 크게 향상시키는 동시에 자체(self) 차폐 기능을 구현함으로써 내/외부 차폐 성능을 향상시키는 우수한 효과를 나타낸다.

또한, 본 발명에 따른 고성능 차폐 케이블은 자체적인 신호전달 성능이 우수하고 내/외부 차폐 성능이 우수하므로 도체 갯수 및 직경의 감소와 차폐층 두께 감소를 통해 경량화 및 소형화가 가능하다는 우수한 효과를 나타낸다.

도 1은 종래 차폐 케이블의 횡단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 고성능 차폐 케이블의 하나의 실시예에 관한 횡단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 도체의 부분 종단면 사진 및 이를 개략적으로 도시한 부분 종단면도이다.
도 4는 도 3에서 도체의 길이방향으로 단결정 영역과 다결정 영역에서의 신호 흐름을 개략적으로 도시한 것이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공 되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 2는 본 발명에 따른 고성능 차폐 케이블의 하나의 실시예에 관한 횡단면을 개략적으로 도시한 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고성능 차폐 케이블은 도체(100), 상기 도체(100)를 감싸는 절연층(200), 상기 절연층(200)을 감싸는 차폐층(300), 상기 차폐층(300)을 감싸는 쉬스층(400) 등을 포함할 수 있다.

상기 도체(100)는 구리로 이루어져 있고, 바람직하게는 고순도의 무산소동(Oxygen Free Copper; OFC)으로 이루어져 있으며, 상기 도체(100)의 비저항은 1.72×10^-8Ω㎝ 이하일 수 있다.

도 3은 도 2에 도시된 도체의 부분 종단면 사진 및 이를 개략적으로 도시한 부분 종단면도이고, 도 4는 도 3에서 도체의 길이방향으로 단결정 영역과 다결정 영역에서의 신호 흐름을 개략적으로 도시한 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 도체(100)는 이의 길이방향으로 단결정 영역과 다결정 영역이 혼재되어 있을 수 있고, 바람직하게는 상기 도체(100)의 직경 방향으로 단결정 영역과 다결정 영역이 교대로 배치될 수 있다. 상기 단결정 영역은 구리 원자들이 빈틈 없거나 빈틈이 최소화된 밀집한 구조로 채워진 주기적 원자 배열을 갖는 결정구조의 영역을 의미한다.

예를 들어, 상기 단결정 영역은 도체(100)의 길이방향으로 모든 결정립의 길이가 100 ㎛ 이상, 바람직하게는 1,000 내지 10,000 ㎛인 영역을 의미하고, 바람직하게는 두체(100)의 직경방향으로 모든 결정립의 폭이 3 내지 10 ㎛일 수 있다.

도 3b 및 4a에 도시된 바와 같이, 상기 단결정 영역은 이를 통과하는 신호가 산란되거나 소멸되는 결정립 경계면이 없거나 최소화되기 때문에 전송되는 신호가 그대로 유지되어 상기 도체(100)의 신호전송 성능을 크게 향상시키는 기능을 수행할 수 있고, 결과적으로 케이블에서 도체의 갯수 및 직경을 감소시킬 수 있어 케이블의 경량화 및 소형화를 가능하게 할 수 있다.

그리고, 도 3b 및 4b에 도시된 바와 같이, 상기 다결정 영역은 구리 원자들 사이에 빈틈이 존재하여 쌓여진 원자들이 서로 다른 방향성을 갖게 되는 영역을 의미하고, 다수의 결정립 경계면이 존재하여 상기 단결정 영역으로부터 방출된 전자파 신호 또는 외부 케이블 또는 전자장치로부터 방출된 전자파 신호를 산란시키고 소멸시켜 자체적으로(self) 차폐 기능을 수행할 수 있고, 결과적으로 상기 차폐층(300)의 두께를 감소시킬 수 있어 케이블의 경량화 및 소형화를 가능하게 할 수 있다.

또한, 외부 케이블 또는 전자장치로부터 방출된 전자파 신호를 차단하기 위해 상기 다결정 영역은 상기 도체(100)의 표면측에 배치되는 것이 바람직하다.

상기 도체(100)의 횡단면인 원형의 중심을 지나는 길이방향의 임의의 종단면에서 상기 단결정 영역의 면적율, 상기 종단면의 전체 단면적에서 상기 단결정 영역의 총 면적이 차지하는 비율은 50% 이상, 예를 들어, 50 내지 90%일 수 있다. 상기 단결정 영역의 면적율이 50% 미만인 경우 상기 도체(100)의 신호전달 성능이 급격히 저하될 수 있는 반면, 90% 초과인 경우 자체(self) 차폐 기능이 불충분할 수 있다.

상기 도체(100)는 아래 a) 내지 c) 단계를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다.

a) 단결정 구리를 성장시키는 단계,

b) 단결정 구리 와이어 형태로 절단하는 단계, 및

c) 단결정 구리 와이어를 목적한 직경으로 인발하는 단계

상기 단계 a)와 관련하여, 종래 브리지만법(Bridgemann method)이라는 결정성장법을 이용하여 단결정 구리 와이어를 제조하려고 했던 시도가 있었으나, 이 방법은 수정 튜브를 사용하여 성장시키므로 대량 생산이 불가능하고 비용이 너무 비싸면서 결정의 질도 좋지 않아 상업적으로 성공하지 못했다.

한편, 구리를 단결정으로 성장시키는 방법으로는 초크랄스키법(Czochralski mothod)이라는 잘 알려진 방법이 주로 사용되어 왔고, 초크랄스키법은 구리 용탕에 단결정 구리 시드(seed)를 접촉시켜 서서히 회전시키면서 위로 당기면 구리가 냉각되면서 단결정 구리로 성장하게 되는 방법이다. 초크랄스키법으로 단결정 구리를 성장시키는 경우 1시간당 0.1 내지 1 mm 정도의 크기로 원자들이 쌓여간다.

초크랄스키법으로 단결정 구리를 성장시키는 단계 a)는 성장시키고자 하는 구리 덩어리를 석영도가니, 흑연도가니, 알루미나도가니 등의 성장도가니에 넣고, 상기 성장도가니는 유도코일을 이용한 유도코일 또는 탄소히터를 이용하여 구리의 융점(Tm)인 1083℃ 보다 약 30℃ 이상 높은 온도로 상기 구리 덩어리를 가열하여 용융시킨 후, 1000 내지 1100℃에서 구리 용탕에 단결정 구리 시드(seed)를 접촉시켜 서서히 회전시키면서 위로 당기면 구리가 냉각되면서 단결정 구리로 성장하는 방식으로 수행될 수 있다.

상기 단계 b)는 단결정 구리를 방전 가공으로 단결정 구리 와이어 형태로 절단하는 것을 통해 응력에 대한 변형을 최소화하면서 단결정 구조의 파괴 없이 와이어 형태로 절단이 가능하다. 그리고, 이러한 제조 공정에 의해 얻어진 단결정 구리 와이어는 가공 과정에서 형성된 응력의 영향이 남아 있을 수 있기 때문에, 핸드 브러셔나 알루미나분말을 사용하여 와이어의 표면 응력의 영향을 제거하는 광학적연마를 추가로 수행할 수 있다.

또한, 단결정 구리 와이어의 표면에 형성된 응력의 영향은 희석된 불산을 이용하여 제거될 수 있다. 방전 가공 중에 형성된 구리 와이어의 표면 응력은 대부분 산화막으로 이루어져 있으며 이러한 산화막은 H₂O:HF=5:1 배합으로 습식 에칭법에 의해 제거가 가능하며 습식 에칭 시간은 3분 정도로 유지한다.

한편, 단결정 구리 와이어는 표면에 전기방전방법, 레이저증착방법, 열화학기상증착방법, 플라즈마화학기상증착방법 등을 통해 DLC(Diamon Like Carbon) 코팅 또는 테프론 코팅을 하여 상기 와이어의 특성을 개선할 수도 있고, 상기 와이어의 결정성을 더욱 높이기 위해 500 내지 900℃ 부근에서 열처리를 할 수 있다.

상기 단계 c)는 냉각 인발을 통해 단결정 구리 와이어를 원하는 직경으로 인발함으로써 인발된 도체(100)의 길이방향으로 단결정 영역과 다결정 영역이 혼재하는 도체(100)를 제조할 수 있고, 냉각 인발 공정에서 온도를 10 내지 50 ℃로 조절하고 인발 속도를 10 내지 1,000 m/min으로 조절함으로써 상기 단결정 영역의 면적율이 50% 이상, 예를 들어 50 내지 90% 이상인 도체(100)를 제조할 수 있다.

상기 절연층(200)은 일반적으로 폴리올레핀 등의 고분자 수지를 베이스 수지로 포함하는 절연 조성물의 압출에 의해 형성될 수 있고, 상기 도체(100)의 직경에 따라 목적한 절연 내력을 구현하기 위한 적절한 두께로 압출될 수 있다.

상기 차폐층(300)은 상기 도체(100)의 자체(self) 차폐 기능에도 불구하고 상기 도체(100) 밖으로 방출된 전자파가 상기 케이블 외부로 방출되어 상기 케이블에 인접한 다른 케이블 또는 전자장치에서의 신호에 영향을 미치거나 또는 외부의 다른 케이블 또는 전자장치로부터의 전자파가 상기 케이블 내부로 전달되어 신호간섭을 일으키지 않도록 상기 전자파를 차단하는 추가적인 차폐 기능을 수행하게 된다.

바람직하게는, 상기 차폐층(300)은 고전도 탄소섬유 개재를 포함할 수 있다. 상기 고전도 탄소섬유 개재는 필라멘트 수가 24 K 이하, 예를 들어 6 내지 24 K일 수 있고, 일부 탄소섬유 필라멘트는 표면이 금속, 예를 들어 구리계 금속으로 코팅될 수 있다.

상기 금속 코팅의 두께는 0.03 ㎛ 이상, 예를 들어, 0.03 내지 0.1 ㎛일 수 있고, 이렇게 표면이 금속 코팅된 탄소섬유 표면의 전기전도도는 5.0×10³ S/cm 이상, 예를 들어, 5.0×10³ 내지 1.0×10⁴ S/cm일 수 있으며, 금속 코팅된 탄소섬유 밀도는 4.0 g/㎤ 이하, 예를 들어, 1.0 내지 4.0 g/㎤일 수 있다.

상기 차폐층(300)은 상기 고전도 탄소섬유를 고르고 넓게 펼치는 스프레딩 공정을 수행한 후 펼친 탄소섬유를 절연층(200) 위로 방사한 후 그 위에 호스식 쉬스를 압출함으로써 형성될 수 있다.

상기 쉬스층(400)은 충실식 쉬스 공정이나 호스식 쉬스 공정을 통해 형성될 수 있고, 상기 차폐층(300)이 상기 고전도 탄소섬유 개재로부터 형성되는 경우 케이블의 제조공정 편의상 호스식 쉬스 공정을 통해 형성되는 것이 바람직하다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.

100 : 도체 200 : 절연층
300 : 차폐층 400 : 쉬스층

Claims (5)

1. 고성능 차폐 케이블용 도체의 제조방법으로서,
   초크랄스키법으로 단결정 구리를 성장시키는 단계,
   상기 단결정 구리를 방전 가공으로 단결정 구리 와이어 형태로 절단하는 단계, 및
   10 내지 50℃에서 10 내지 1,000 m/min의 인발 속도로 수행되는 냉각 인발을 통해 단결정 구리 와이어를 원하는 직경으로 인발함으로써 길이방향으로 형성된 단결정 영역과 다결정 영역이 혼재하는 도체를 제조하는 단계를 포함하고,
   상기 단결정 영역은 원자들이 빈틈 없이 밀집한 구조로 채워진 주기적 원자 배열을 갖고 상기 도체의 길이방향에서의 일 말단부터 타 말단까지 전체로 연결된 하나의 결정립으로 이루어져 있어 상기 도체의 길이방향에서의 양 말단 사이 전체에 결정립 경계면이 없는 결정구조의 영역이며,
   상기 도체의 직경 방향으로 상기 단결정 영역과 상기 다결정 영역이 교대로 배치됨으로써 상기 다결정 영역은 상부 단결정 영역과 하부 단결정 영역 사이에 배치되는 하나 이상의 다결정 영역을 포함하고,
   상기 도체의 횡단면인 원형의 중심을 지나는 길이방향의 임의의 종단면에서 상기 단결정 영역의 면적율이 50 내지 90%이고, 상기 다결정 영역의 면적율이 10 내지 50%인 것을 특징으로 하는, 고성능 차폐 케이블용 도체의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 단결정 구리를 방전 가공으로 단결정 구리 와이어 형태로 절단한 후 불산을 이용한 습식 에칭법에 의해 상기 단결정 구리 와이어의 표면에 형성된 응력에 의한 산화막을 제거하는 것을 특징으로 하는, 고성능 차폐 케이블용 도체의 제조방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 단결정 구리 와이어의 표면을 테프론으로 코팅하고, 500 내지 900℃에서 열처리하는 것을 특징으로 하는, 고성능 차폐 케이블용 도체의 제조방법.
4. 제2항에 있어서,
   H₂O:HF=5:1 배합으로 3분 동안 습식 에칭법을 수행함으로써 상기 산화막을 제거하는 것을 특징으로 하는, 고성능 차폐 케이블용 도체의 제조방법.
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