KR102450479B1 - 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금 및 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 전선 - Google Patents

전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금 및 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 전선 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금 및 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 전선에 관한 것으로, 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은, 구리(Cu)와 철(Fe)의 중량 % 합이 75 ~ 98.6 중량 %, 니켈(Ni) 1.0 ~ 5.0 중량 %, 지르코늄(Zr) 0.3 ~ 1.0 중량 %, 나머지는 불가피한 불순물을 포함하며, 합금의 중심부에 구비되며, 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 제1층; 합금의 표면에 구비되며, 구리(Cu)를 포함하는 제3층; 상기 제1층과 상기 제3층 사이에 구비되며, 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 제2층;을 포함하는 것을 특징으로 하며, 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 전선은 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금을 통해 제작되는 것을 특징으로 하는 것이다.

Description

전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금 및 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 전선{KINIZ Alloy having excellent electrical conductivity and shielding performance, and Wire having excellent electrical conductivity and shielding performance}
본 발명은 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금 및 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 전선에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 합금에 니켈(Ni), 지르코늄(Zr) 등의 원소를 미량 첨가함에 따라 제조되는 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금으로, 표면에 구비되며 구리로 이루어지는 제3층과, 중심부에 구비되며 균질한 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 제1층과, 제1층과 제3층 사이에 구비되며 철(Fe)이 상대적으로 풍부한 제2층을 포함하여 3개의 영역으로 이루어지는 합금과, 이를 이용하여 제작된 전선에 관한 것이다.
일반적으로 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 동철합금은 다양한 산업분야에서 사용되고 있다. 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 동철합금은 구리(Cu)의 높은 전기전도성, 열전도 성능과 철(Fe)의 높은 강도, 강성의 특성을 함께 가지고 있어, 자성 전도성 재료, 전자파 차폐 재료, 방전 가공 재료 등의 다양한 분야에서 사용된다.
동철합금이 주조되는 과정을 살펴보면, 구리(Cu)와 철(Fe)을 용융시킨 이후, 용융 금속을 냉각시킴으로써 동철합금이 제조된다. 그러나 종래의 동철합금은 구리(Cu)와 철(Fe)이 서로 잘 혼합되지 못함에 따라 불균일한 미세조직을 갖는 등의 문제점이 있다.
도 1은 구리(Cu)와 철(Fe)에 대한 상태도를 나타내는 것이다. 구리(Cu)와 철(Fe)을 통해 동철합금을 주조시, 두 금속 간에 혼합 엔탈피가 높기 때문에, 용융된 합금에서 수지상 조직의 응고가 시작되는 고상선 직하에 액상이 두 개로 분리되는 준안정 영역(Metastable 영역)이 존재하게 된다.
용융된 합금을 급속 냉각하여 조직을 응고시킬 때, 용융된 합금이 준안정 영역(Metastable 영역)을 지나면서 냉각되면, 액상이 두 개로 분리되면서 상분리가 발생하게 되고, 이로 인해 두 원소가 따로 존재하는 불균질한 미세조직이 발생하는 문제가 있다.
구체적으로, 도 2를 참조하면, 상분리가 발생한 동철합금은 구리(Cu) 매트리스(Cu matrix)(10) 상에 철(Fe)(20)이 물방울 형태로 형성되면서, 두 원소가 따로 존재하는 불균질한 미세조직이 발생하게 된다.
도 2와 같이 상분리가 발생한 동철합금은 불균일한 변형을 유발함에 따라 가공이 어려운 문제점이 있는 것과 함께, 상분리가 발생한 동철합금은 국부적인 영역에서 전도성이 상대적으로 낮은 철(Fe) 상이 따로 존재하여 전도성이 낮아지게 되며, 반대로 국부적인 영역에서 강도가 상대적으로 낮은 구리(Cu) 상이 따로 존재함에 따라 강도가 낮아지는 문제가 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 동철합금의 제조에는 분말 야금법이나 분사 증착법 등이 주로 사용되고 있다. 분말 야금법은 구리(Cu) 분말과 철(Fe) 분말을 균일하게 혼합하고, 고온 소결설비를 통해 분말을 소결하여 균일한 조직과 성능의 구리(Cu)-철(Fe) 동철합금을 제조하는 방법이다.
분사 증착법은 구리(Cu)와 철(Fe)을 용해한 후, 용탕에 불활성 가스를 분무하여 용탕을 작은 액적 상태로 만들고, 이 액적은 고속으로 냉각하여 예비 성형체 타겟 상에서 응고시키면서 과립상 조직을 형성하는 방법이다.
그러나 상기의 두 가지 공정은 반제품 제조시 고온 평형 압착 공정 설비 또는 분사 증착 장치가 필요하고, 공정이 복잡하며, 생산 주괴 중량과 규격이 한정되는 문제점이 있다. 또한, 상기의 두 가지 공정은 후속 공정인 냉간 가공 성형과 제조를 통한 고품질 제품 제조가 어려울 뿐 아니라, 생산 효율은 낮으면서 높은 비용이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 더욱 상세하게는 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 합금에 니켈(Ni), 지르코늄(Zr) 등의 원소를 미량 첨가함에 따라 제조되는 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금으로, 표면에 구비되며 구리로 이루어지는 제3층과, 중심부에 구비되며 균질한 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 제1층과, 제1층과 제3층 사이에 구비되며 철(Fe)이 상대적으로 풍부한 제2층을 포함하여 3개의 영역으로 이루어지는 합금과, 이를 이용하여 제작된 전선에 관한 것이다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은, 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 합금으로, 구리(Cu)와 철(Fe)의 중량 % 합이 90 ~ 98.6 중량 %, 니켈(Ni) 1.0 ~ 5.0 중량 %, 지르코늄(Zr) 0.3 ~ 5.0 중량 %, 나머지는 불가피한 불순물을 포함하며, 합금의 중심부에 구비되며, 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 구리(Cu)-철(Fe)층; 합금의 표면에 구비되며, 합금의 표면에서 구리(Cu)가 응고된 구리층;을 포함하며, 지르코늄(Zr)은 산소와 반응하여 ZrO2를 형성하며, 상기 ZrO2는 합금의 주조과정에서 수지상정의 핵생성 핵으로 작용하며, 상기 합금은, 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 금속이 녹은 용탕을 주조 몰드에서 냉각시켜서 제작되며, 상기 용탕은 도가니에서 금속을 녹여서 제작되며, 상기 도가니의 내부는 세라믹 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.
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상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금의 상기 도가니의 내부는 BN, MgO, Al2O3 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금의 상기 주조 몰드에서 상기 용탕과 접촉되는 부분은, 탄소를 포함하는 흑연 재질로 이루어질 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은 상기 용탕과 상기 주조 몰드의 접촉 시간을 조절하여 상기 구리층의 두께를 조절할 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금의 상기 구리(Cu)는 20 ~ 80 중량%, 상기 철(Fe)은 20 ~ 80 중량% 를 포함할 수 있다.
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상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금의 상기 합금의 주조 과정에서 용융 금속의 냉각 속도는 5.3x104 ℃/Sec 이하일 수 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 전선은 본 발명의 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금을 통해 제조될 수 있다.
본 발명은 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 합금에 니켈(Ni), 지르코늄(Zr) 등의 원소를 미량 첨가하여 키니즈 합금을 제조함에 따라, 상분리가 없는 균일한 미세조직을 가지는 키니즈 합금을 제조할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 합금은, 표면에 구비되며 구리로 이루어지는 제3층과, 중심부에 구비되며 균질한 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 제1층과, 제1층과 제3층 사이에 구비되며 철(Fe)이 상대적으로 풍부한 제2층을 포함하여 3개의 영역으로 이루어짐에 따라 전기 전도도와 차폐 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 구리(Cu)-철(Fe)에 대한 상태도에서 준안정 영역(Metastable 영역)이 도시된 것을 나타내는 도면이다.
도 2는 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 동철합금에서 상분리가 발생하였을 때의 합금 단면을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 니켈(Ni) 함량에 따른 구리(Cu)-철(Fe)의 상태도에서 준안정 영역(Metastable 영역)이 변화되는 것을 나타내는 도면이다.
도 4은 본 발명의 실시 예와 비교 예에 따른 상분리 발생 여부를 나타내는 도면이다.
도 5(a)는 표면에 구리를 포함하는 제3층이 형성된 본 발명의 실시 예와, 표면에 제3층이 형성되지 않은 비교예의 전도율을 나타낸 것이며, 도 5(b)는 본 발명의 실시 예에 따라 제3층(Cu층)의 두께에 따른 전도율을 나타낸 것이다.
도 6(a)는 본 발명의 실시 예와 따라 철(Fe)의 농도 구배를 가지는 키니즈 합금의 단면을 나타내는 미세조직 사진이며, 도 6(b)는 본 발명의 실시 예와 따라 철(Fe)의 농도 구배를 가지는 키니즈 합금의 단면에서의 원소 함량 구배를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 용융 금속의 냉각 속도에 따른 상분리 조직이 관찰되는 영역을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금의 단면을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 다양한 실시 예가 첨부된 도면과 연관되어 기재된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있다. 그러나 이는 본 발명의 다양한 실시 예를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 다양한 실시 예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경 및/또는 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용되었다.
본 발명의 다양한 실시 예에서 사용될 수 있는 "포함한다" 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 발명(disclosure)된 해당 기능, 동작 또는 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작 또는 구성요소 등을 제한하지 않는다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 다양한 실시 예에서 사용한 용어는 단지 특정일 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명의 다양한 실시 예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명의 다양한 실시 예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
본 발명은 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금 및 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 전선에 관한 것으로, 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 합금에 니켈(Ni), 지르코늄(Zr) 등의 원소를 미량 첨가함에 따라 제조되는 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금으로, 표면에 구비되며 구리로 이루어지는 제3층과, 중심부에 구비되며 균질한 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 제1층과, 제1층과 제3층 사이에 구비되며 철(Fe)이 상대적으로 풍부한 제2층을 포함하여 3개의 영역으로 이루어지는 합금과, 이를 이용하여 제작된 전선에 관한 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은, 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 합금에 니켈(Ni), 지르코늄(Zr) 등의 원소를 미량 첨가하여 제조함에 따라 중심부(제1층)에서 균질한 미세조직을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은, 표면에 구비되며 순수한 구리층으로 이루어질 수 있는 제3층과, 제1층과 제3층 사이에 구비되면서, 상대적으로 철(Fe) 함량이 높은 중간층(제2층)을 포함하여, 3개의 영역으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 전선은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금을 통해 제조될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은 구리(Cu), 철(Fe), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr)과 나머지는 불가피한 불순물을 포함한다.
상기 구리(Cu)(110)와 상기 철(Fe)(120)의 중량 % 합은 75 ~ 95 중량 % 또는 75 ~ 98.6 중량 % 또는 90 ~ 98.6 중량 %일 수 있으며, 합금에 사용용도에 따라 상기 구리(Cu)(110)와 상기 철(Fe)(110)의 중량 비율은 변경될 수 있다.
구체적으로, 상기 구리(Cu)(110)는 20 ~ 80 중량%, 상기 철(Fe)(120)은 20 ~ 80 중량%, 더욱 바람직하게는 상기 구리(Cu)(110)는 40 ~ 60 중량%, 상기 철(Fe)(120)은 30 ~ 50 중량% 일 수 있다. 이와 같은 범위에서 상기 구리(Cu)(110)와 상기 철(Fe)(120)의 중량 % 의 합은 75 ~ 95 중량 % 또는 75 ~ 98.6 중량% 또는 또는 90 ~ 98.6 중량 %일 수 있다. 다만, 상기 구리(Cu)(110)와 상기 철(Fe)(120)의 중량 % 비율은 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라서는 변경될 수 있음은 물론이다.
도 1을 참조하면, 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 합금 주조시, 구리(Cu)와 철(Fe) 간에 혼합 엔탈피가 높기 때문에, 용융된 합금에서 수지상 조직의 응고가 시작되는 고상선 직하에 액상이 두 개로 분리되는 준안정 영역(Metastable 영역)이 존재하게 된다. 용융된 합금을 급속 냉각하여 조직을 응고시킬 때 용융된 합금이 준안정 영역(Metastable 영역)을 지나면서 냉각되면, 도 2와 같이 두 원소가 따로 존재하는 불균질한 미세조직이 발생하는 문제가 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은 이와 같은 문제를 해결하기 위해 니켈(Ni)과 지르코늄(Zr)을 포함할 수 있다. 도 3은 니켈(Ni) 함량에 따른 구리(Cu)와 철(Fe)의 상태도를 나타내는 것이다. 도 3을 참조하면, 니켈(Ni) 함량이 증가할수록 준안정 영역(Metastable 영역)이 하강하는 것을 알 수 있다.
도 3과 같이 니켈(Ni) 함량이 증가할수록 준안정 영역(Metastable 영역)이 하강하게 됨에 따라 고상선과 준안정 영역(Metastable 영역) 간격이 넓어지게 되며, 이를 통해 용융된 합금을 냉각시켜 응고시킬 때, 용융 금속이 준안정 영역(Metastable 영역)을 지나면서 냉각되는 것을 방지할 수 있게 된다.
용융된 합금을 냉각시켜 응고시킬 때 준안정 영역(Metastable 영역)을 지나지 않음에 따라 액상이 두 개로 분리되면서 상분리가 발생하는 것을 방지할 수 있게 되고, 이를 통해 상분리가 없는 균질한 키니즈 합금이 제조된다.
상기 니켈(Ni)의 함량은 1 ~ 20 중량 % 일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 1.0 ~ 5.0 중량 % 일 수 있다. 상기 니켈(Ni)의 함량이 높아질수록 준안정 영역(Metastable 영역)이 하강하게 되지만, 상기 니켈(Ni)의 함량이 높아질수록 키니즈 합금의 전도성이 작아지는 문제가 있다. (구리(Cu)의 전도성이 니켈(Ni)보다 높기 때문에, 니켈(Ni)의 함량이 높아질수록 전도성은 작아진다.)
따라서, 상기 니켈(Ni)의 함량은 20 중량 % 이하인 것이 바람직하며, 전도성이 하강되는 것을 효율적으로 방지하기 위한 측면에서 5.0 중량 % 이하인 것이 바람직하다. 또한, 니켈(Ni)의 함량이 1.0 중량 % 이하인 경우에는 준안정 영역(Metastable 영역)이 하강하는 효과가 미비하기 때문에, 상기 니켈(Ni)의 함량은 1.0 중량 % 이상인 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는 니켈(Ni)의 함량이 1.0 ~ 5.0 중량 % 인 것이 좋다. 도 4는 니켈(Ni) 함량에 따른 상분리 발생 여부를 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 상기 니켈(Ni) 함량이 1.0 중량 % 이하일 경우 상분리가 발생할 수 있으나, 지르코늄(Zr)을 추가하면서, 상기 니켈(Ni) 함량이 1.0 중량 % 보다 클 때부터 상분리가 발생하지 않게 된다. 따라서, 상기 니켈(Ni) 함량은 1.0 중량 % 보다 큰 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은 구리(Cu)의 장점인 전기전도성을 활용하는 것으로, 전기전도성의 활용을 위해 키니즈 합금의 도전율은 40%IACS 이상으로 이루어지는 것이 바람직하다. 그러나 상기 니켈(Ni)의 함량이 높아질수록 키니즈 합금의 저항률이 증가하여 전기전도성이 떨어질 수 있다.
도 5(a) 및 도 5(b)를 참조하면, 상기 니켈(Ni)의 함량이 5.0 중량 % 보다 크면, 도전율이 40%IACS 까지 하락하게 되고, 상기 니켈(Ni)의 함량이 5.0 중량 % 보다 커질수록 도전율이 급격하게 하락하게 된다. 따라서, 상기 니켈(Ni)의 함량은 5.0 중량 % 보다 작은 것이 바람직하다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은, 상분리가 억제되는 최소한의 상기 니켈(Ni) 함량(1.0 중량 %)을 첨가하면서 도전율을 하락시키지 않는 범위(5.0 중량 %)에서 상기 니켈(Ni)을 첨가하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은 지르코늄(Zr)을 포함할 수 있으며, 상기 지르코늄(Zr)을 통해 수지상 조직의 응고를 빠르게 할 수 있는 효과가 있다.
구체적으로, 키니즈 합금에 포함된 상기 지르코늄(Zr)은 산소와 반응하여 ZrO2를 형성할 수 있으며, ZrO2는 합금의 주조과정에서 수지상정의 핵생성 핵으로 작용할 수 있다. 이와 같이 작용하는 상기 지르코늄(Zr)을 통해 수지상 조직의 응고를 빠르게 할 수 있는 효과가 있으며, 이를 통해 액상의 상분리가 일어나기 전에 고상으로 용융된 합금을 응고시킬 수 있게 된다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은 니켈(Ni)을 통해 준안정 영역(Metastable 영역)을 하강시켜 상분리가 일어나는 것을 방지하는 동시에, 지르코늄(Zr)을 통해 수지상 조직의 응고를 빠르게 발생시켜, 용융된 합금이 준안정 영역(Metastable 영역)을 지나가면서 응고되는 것을 방지할 수 있게 된다.
상기 지르코늄(Zr)의 함량은 0.1 ~ 5 중량 % 일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 0.3 ~ 1.0 중량 % 일 수 있다. 상기 지르코늄(Zr)의 함량이 높아질수록 수지상 조직의 응고 속도가 빨라지게 되지만, 상기 지르코늄(Zr)의 함량이 높아질수록 키니즈 합금의 전도성이 작아지는 문제가 있다. (구리(Cu)의 전도성이 지르코늄(Zr)보다 높기 때문에, 지르코늄(Zr)의 함량이 높아질수록 전도성은 작아진다.)
따라서, 상기 지르코늄(Zr)의 함량은 5 중량 % 이하인 것이 바람직하며, 전도성이 하강되는 것을 효율적으로 방지하기 위한 측면에서 1 중량 % 이하인 것이 바람직하다. 또한, 지르코늄(Zr)의 함량이 0.1 중량 % 이하인 경우에는 수지상 조직의 응고 속도가 빨라지게 되는 효과가 미비하기 때문에, 상기 지르코늄(Zr)의 함량은 0.1 중량 % 이상인 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는 지르코늄(Zr)의 함량이 0.3 ~ 1.0 중량 % 인 것이 바람직하다. 지르코늄(Zr)의 함량은 니켈(Ni)을 통해 하강된 준안정 영역(Metastable 영역)에 따라 그 함량이 달라질 수 있으나, 지르코늄(Zr)의 함량이 적어 수지상 조직의 응고 속도가 느리게 되면, 용융된 금속이 준안정 영역(Metastable 영역)을 지나면서 응고될 위험이 있다.
또한, 지르코늄(Zr)의 함량이 0.3 중량 % 보다 작으면, ZrO2가 충분히 형성되지 않기 때문에 상분리 억제 효과를 가지게 되지 못할 수 있다. 따라서, 이를 방지하기 위해 지르코늄(Zr)의 함량은 0.3 중량 % 이상인 것이 바람직하다.
이와 함께, 지르코늄(Zr)의 함량이 1.0 중량 % 이하인 것이 바람직하다. 지르코늄(Zr)의 함량이 1.0 중량 % 보다 많은 경우 ZrO2의 산화물 크기가 커지게 되며, 이에 따라 ZrO2가 핵생성 핵이 아닌 개재물로 작용하게 되면서 전도성에 악영향을 미칠 수 있게 된다. 따라서, 지르코늄(Zr)의 함량이 1.0 중량 % 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은 니켈(Ni)과 지르코늄(Zr)을 동시에 사용함에 따라 상분리를 방지할 수 있는 장점이 있다. 도 4의 비교예 2를 참조하면, 니켈(Ni) 함량이 1.0 중량 % 이상이라도, 지르코늄(Zr)을 사용하지 않는다면, 상분리가 발생할 수 있다. 그러나, 도 4의 실시 예 1과 같이 니켈(Ni)과 지르코늄(Zr)을 동시에 사용하면, 상분리가 발생하지 않을 수 있게 된다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은, 합금의 중심부에 구비되는 제1층, 합금의 표면에 구비되는 제3층, 상기 제1층과 상기 제3층 사이에 구비되는 제2층을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은, 단면적에 따른 조성 상태가 표면으로부터 구리층(Cu층, 제3층), 상대적으로 철(Fe)의 함량이 풍부한 중간층(제2층), 구리(Cu)와 철(Fe)이 균일하게 분포하는 구리(Cu)-철(Fe)층을 형성할 수 있는 것으로, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은 3개의 영역으로 이루어질 수 있다.
상기 제1층은 합금의 중심부에 구비되는 것으로, 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 것이다. 상기 제1층은, 니켈(Ni), 지르코늄(Zr)을 사용함에 따라 균질한 구리(Cu)-철(Fe) 층으로 이루어질 수 있는 것이다.
상기 제3층은 합금의 표면에 구비되는 것으로, 구리(Cu)를 포함하는 것이다. 상기 제3층은 구리(Cu)로 이루어지면서 순수한 구리층으로 이루어질 수 있다. 도 5(a)는 합금의 표면에 구리로 이루어지는 상기 제3층을 포함하는 실시 예와, 합금의 표면에 구리로 이루어지는 상기 제3층을 포함하지 않는 비교예에 따른 합금의 전도율을 나타내는 것이며, 도 5(b)는 상기 제3층(Cu 층)의 두께에 따른 합금의 전도율을 나타내는 것이다.
도 5(a) 및 도 5(b)를 참조하면, 합금의 표면에 구리(Cu)로 이루어지는 상기 제3층을 구비함에 따라 합금의 전도율을 향상시킬 수 있게 된다. 상기 제3층은 구리(Cu)로 이루어지면서 순수한 구리층(Cu)으로 이루어지는 것이 바람직하지만, 상기 제3층은 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함할 수 있다.
상기 제3층이 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함할 때, 상기 제3층에서 구리(Cu)와 철(Fe)의 중량 합에 대한 철(Fe)의 중량 비율은 4% 이하인 것이 바람직하다. 즉, 상기 제3층은 대부분의 성분이 구리(Cu)로 이루어질 수 있으며, 나머지는 불가피한 철(Fe)과 불순물을 포함할 수 있는 것이다.
상기 제2층은, 상기 제1층과 상기 제3층 사이에 구비되는 것으로, 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 것이다. 상기 제2층은 상기 제1층에 비해서 철(Fe)의 함량이 상대적으로 높은 것이다. 구체적으로, 상기 제2층에서 구리(Cu)에 대한 철(Fe)의 중량 값은 상기 제1층에서 구리(Cu)에 대한 철(Fe)의 중량 값 보다 크게 형성될 수 있다.
즉, 도 6(a) 및 도 6(b)를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은 표면에서 중심으로 철(Fe)의 농도 구배가 형성될 수 있는 것으로, 표면에서부터 중간층으로 갈수록 구리(Cu)에 대한 철(Fe)의 중량 값이 높아진다. 중간층을 지나서 부터는 구리(Cu)에 대한 철(Fe)의 중량 값이 작아진 이후, 중심층에 근접할수록 구리(Cu)에 대한 철(Fe)의 중량 값이 균질해 진다.
본 발명의 실시 예와 같이 상기 제1층, 상기 제2층, 상기 제3층을 포함하는 합금은, 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 금속이 녹은 용탕을 주조 몰드에서 냉각시켜서 제작될 수 있다. 구체적으로, 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 금속이 녹은 용탕을 연속 주조하여 합금을 제작할 수 있다.
상기 용탕은, 도가니에서 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 금속을 녹여서 제작되며, 도가니에서 녹은 상기 용탕은 주조 몰드로 부어지면서 합금이 제작된다. 이때, 상기 용탕과 접촉되는 상기 도가니 내부는 세라믹 재질로 이루어질 수 있으며, 상기 주조 몰드에서 상기 용탕과 접촉되는 부분은, 탄소를 포함하는 흑연 재질로 이루어질 수 있다.
상기 주조 몰드에서 상기 용탕과 접촉되는 부분이 탄소를 포함하는 흑연 재질로 이루어지면, 흑연과 상기 용탕이 반응하여 탄소를 용출하게 된다. 용출된 탄소는 구리(Cu)와 철(Fe)의 상분리를 촉진하여 용탕내에 불균질한 합금형태를 형성하게 되면서, 합금의 표면에는 구리(Cu)로 이루어지는 상기 제3층이 형성될 수 있게 된다.
이때, 상기 용탕과 접촉되는 상기 도가니 내부는 철(Fe)과 반응하지 않는 세라믹 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 용탕과 접촉되는 상기 도가니 내부가 흑연으로 이루어지면, 흑연과 상기 용탕이 반응하여 용출된 탄소가 용탕 전체(표면에서 중심층까지)에서 구리(Cu)와 철(Fe)의 상분리를 촉진하여 불균질한 합금이 형성될 위험이 있다.
따라서, 상기 용탕과 접촉되는 상기 도가니 내부는 철(Fe)과 반응하지 않는 세라믹 재질로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 도가니 내부는 철(Fe)과 반응하지 않는 BN, MgO, Al2O3 중 어느 하나로 이루어질 수 있으며, BN, MgO, Al2O3 중 어느 하나 이상을 포함할 수도 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은, 상기 도가니 내부를 철(Fe)과 반응하지 않은 세라믹 재질로 하고, 상기 주조 몰드의 내부는 탄소를 포함하는 흑연 재질로 함에 따라, 상기 용탕의 표면에서만 상분리가 발생하면서, 상기 용탕의 중심층에서는 구리(Cu)와 철(Fe)이 균질하게 분포하도록 하는 것이다. 이와 같은 방법으로 합금의 표면에는 구리로 이루어지는 상기 제3층이 형성될 수 있으며, 상기 제3층을 통해 전도율을 향상시킬 수 있게 된다.
도 5(b)를 참조하면, 상기 제3층(Cu층 두께)가 높아질 수록 전도율이 높아지며, 상기 제3층의 두께는 상기 용탕과 상기 주조 몰드의 접촉 시간을 조절하여 조절될 수 있다.
구체적으로, 상기 용탕을 빠르게 냉각시켜 상기 주조 몰드와의 접촉시간이 작아지면, 상기 제3층의 두께(Cu층의 두께)를 얇게 할 수 있으며, 상기 용탕을 느리게 냉각시켜 상기 주조 몰드와의 접촉시간이 길어지면, 상기 제3층의 두께(Cu층의 두께)를 두껍게 할 수 있게 된다.
이와 같이 상기 주조 몰드에서 상기 용탕이 냉각되는 냉각 시간을 소정의 시간으로 조정하면, 상기 주조 몰드의 흑연에서 용출된 탄소가 상기 용탕의 동철합금과 반응하여 구리(Cu)와 철(Fe)의 상분리를 촉진하게 된다.
그에 따라 용융온도가 낮은 구리(Cu)가 합금의 표면(제3층)에서 우선적으로 응고하고, 용융온도가 높은 철(Fe)은 내부로 이동하면서 온도가 하강함에 따라 철(Fe)이 일부 편석되어 철(Fe)이 상대적으로 풍부한 구리(Cu)-철(Fe) 합금 영역(제2층)이 형성되고, 내부(중심)에는 균질한 조성의 구리(Cu)-철(Fe) 합금 영역(제1층)이 형성되어 3층으로 이루어진 키니즈 합금을 제조된다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은 상기와 같은 방법으로 제조됨에 따라 전기전도성이 우수한 구리층이 표면층에 존재하게 되며, 전기가 도체의 표면으로 흐르는 특성에 의해 전기 전도성이 기존의 동철합금보다 우수하게 됨과 동시에 차폐 성능도 향상된다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은 상술한 바와 같이, 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 금속이 녹은 용탕을 연속 주조하여 제작될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은 연속 주조 공정을 통하지 않고 제조될 수도 있으며, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은 흑연 재질의 주형 또는 몰드를 통해 표면에 구리로 이루어지는 제3층이 구성되도록 제조될 수도 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은 구리(Cu), 철(Fe), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr) 이외에 탄소(C)를 포함할 수 있으며, 탄소(C)는 0.02 중량 % 이하(0%를 포함하지 않음) 일 수 있다.
다만, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금 전체에서 탄소(C)의 중량을 0.02 중량 % 이하로 한정하였으나, 고전도도와 차폐능을 동시에 갖도록 하기 위해 주조 몰드 제조시에 흑연 주조 몰드를 사용하여 주조 몰드로부터 용출된 탄소로 인해 합금의 표면(제3층)에서는 그 함량이 초과될 수도 있다.
합금의 표면(제3층)에서 탄소 함량이 증가되어 응고시에 도 6(a) 및 도 6(b)와 같이 구리(Cu)와 철(Fe)의 상분리가 발생하고, 표면측의 온도가 하강함에 따라 외부에 순수 구리층이 응고되며, 철(Fe)은 내부로 확산되어 내부에 철(Fe) 농도가 높은 제2층이 형성되고, 중심부(제3층)에는 구리(Cu)와 철(Fe)이 균일한 키니즈 합금이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은 구리(Cu), 철(Fe), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr) 이외에 나머지는 불가피한 불순물을 포함할 수 있는 것으로, 불가피한 불순물은 키니즈 합금에 필요한 다양한 성분일 수 있다. 가령, 불가피한 불순물은 크롬(Cr), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 규소(Si) 등일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은 합금에 포함된 성분을 용융시키고 이를 냉각시키면서 주조될 수 있다. 이와 같은 합금의 주조 과정에서 용융 금속의 냉각 속도는 5.3x104 ℃/Sec 이하인 것이 바람직하다.
도 3을 참조하면, 상술한 바와 같이 니켈(Ni)을 통해서 준안정 영역(Metastable 영역)을 하강시키고, 지르코늄(Zr)을 통해 응고 속도를 빠르게 하더라도, 냉각 속도가 너무 빠르면 합금이 준안정 영역(Metastable 영역)을 지나가면서 응고될 수 있다.
도 7을 참조하면, 냉각 속도가 5.3x104 ℃/Sec 보다 작아질수록 상분리 영역이 관찰되는 면적이 작아지는 것을 알 수 있다. 냉각 속도가 빨리지면, 용융 금속이 응고될 때 준안정 영역(Metastable 영역)을 지나가면서 응고되어 상분리가 발생하게 되는데, 냉각 속도가 5.3x104 ℃/Sec 보다 작아지면서 점차적으로 상분리 영역이 감소하게 된다. 따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 키니즈 합금은 합금의 주조 과정에서 용융 금속의 냉각 속도를 5.3x104 ℃/Sec 이하로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 전선은, 상술한 본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금을 통해 제조될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 전선은 상술한 본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금의 특징이 모두 적용될 수 있다.
다만, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은 전선에만 이용되는 것으로 한정되지는 않으며, 높은 전도율이 요구되는 다양한 분야에서 사용될 수 있음은 물론이다.
상술한 본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은 니켈(Ni), 지르코늄(Zr) 등의 원소를 미량 첨가하여 키니즈 합금을 제조함에 따라, 상분리가 없는 균일한 미세조직을 가지는 키니즈 합금을 제조할 수 있는 장점이 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 키니즈 합금은 니켈(Ni)을 포함함에 따라 준안정 영역(Metastable 영역)을 하강시킬 수 있고, 지르코늄(Zr)을 포함함에 따라 수지상 조직의 응고를 빠르게 할 수 있다. 이를 통해 용융 금속이 냉각될 때, 준안정 영역(Metastable 영역) 지나면서 냉각되어 상분리가 발생하는 것을 방지할 수 있게 되어, 도 5와 같이 상분리가 없는 균일한 미세조직을 가지는 키니즈 합금을 제조할 수 있게 된다.
도 2는 종래의 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 동철합금에서 상분리가 발생하였을 때의 합금 단면을 나타내는 도면이며, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 균질한 미세조직을 가지는 키니즈 합금의 단면을 나타내는 도면이다.
도 2와 도 8을 비교하면, 본 발명의 실시 예에 따른 키니즈 합금은 니켈(Ni), 지르코늄(Zr) 등의 원소를 미량 첨가하여 제조됨에 따라 구리(Cu) 매트리스(Cu matrix)(10) 상에 철(Fe)(20)이 물방울 형태로 형성되면서 두 원소가 따로 존재하는 불균질한 미세조직이 발생하지 않으며, 구리(Cu)(110)에 철(Fe)(120) 덴드라이트(dendrite) 조직이 골고루 분포되면서 균질한 미세조직을 가지는 것을 확인할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은, 표면에 구비되며 구리로 이루어지는 제3층과, 중심부에 구비되며 균질한 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 제1층과, 제1층과 제3층 사이에 구비되며 철(Fe)이 풍부한 제2층을 포함하여 3개의 영역으로 이루어짐에 따라 전기 전도도와 차폐 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금은, 용탕과 접촉되는 부분이 탄소를 포함하는 흑연 재질로 이루어지는 주조 몰드를 통해 제작됨에 따라, 표면(제3층)은 구리로 이루어지도록 하며, 내부(제2층, 제1층)는 철(Fe) 농도 구배를 갖도록 함에 따라 높은 전기 전도성과 차폐성을 동시에 갖는 장점이 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 많은 변형이 제공될 수 있다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위를 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
110...구리(Cu) 120....철(Fe)

Claims (13)

  1. 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 합금에 있어서,
    구리(Cu)와 철(Fe)의 중량 % 합이 90 ~ 98.6 중량 %,
    니켈(Ni) 1.0 ~ 5.0 중량 %, 지르코늄(Zr) 0.3 ~ 5.0 중량 %, 나머지는 불가피한 불순물을 포함하며,
    합금의 중심부에 구비되며, 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 구리(Cu)-철(Fe)층;
    합금의 표면에 구비되며, 합금의 표면에서 구리(Cu)가 응고된 구리층;을 포함하며,
    지르코늄(Zr)은 산소와 반응하여 ZrO2를 형성하며,
    상기 ZrO2는 합금의 주조과정에서 수지상정의 핵생성 핵으로 작용하며,
    상기 합금은, 구리(Cu)와 철(Fe)을 포함하는 금속이 녹은 용탕을 주조 몰드에서 냉각시켜서 제작되며,
    상기 용탕은 도가니에서 금속을 녹여서 제작되며, 상기 도가니의 내부는 세라믹 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 도가니의 내부는 BN, MgO, Al2O3 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 주조 몰드에서 상기 용탕과 접촉되는 부분은, 탄소를 포함하는 흑연 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 용탕과 상기 주조 몰드의 접촉 시간을 조절하여 상기 구리층의 두께를 조절하는 것을 특징으로 하는 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 구리(Cu)는 20 ~ 80 중량%, 상기 철(Fe)은 20 ~ 80 중량% 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 합금의 주조 과정에서 용융 금속의 냉각 속도는 5.3x104 ℃/Sec 이하인 것을 특징으로 하는 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 키니즈 합금.
  13. 제1항에 따른 합금을 통해 제조되는 전기 전도도와 차폐 성능이 우수한 전선.
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