KR102573738B1 - 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

송전선의 가공지선 또는 중심 인장부에 포함되는 인장 심선은, 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재로 형성한 것을 특징으로 하며, 상기 복합선재는,
a) 제1 직경의 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선을 형성할 제1 카본섬유 실 다발을 감은 타래틀을 복수 개 준비하는 준비단계;
b) 상기 제1 카본섬유 실 다발을 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들로 분리하는 필라멘트 가공단계;
c) 상기 필라멘트 가공단계에서 분리된 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들을 아연 용융조 내의 용융된 아연 속으로 침투시켜서 아연 클래딩하는 아연 클래딩 단계; 및
d) 상기 아연 클래딩된 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들을 일정 규격의 다이 홀이 형성된 다이 금형장치를 통과시켜서 일정 규격의 인장 심선을 형성하는 심선 형성단계;를 포함하여 제조된다.

Description

아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 및 이의 제조방법{Transmission cable including zinc-cladding carbon fiber filament composite wire and the manufacturing method thereof}

본 발명은 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

가공송전선로는 전기의 수송로로서 전기적 성능과 혹독한 자연 조건에도 견디는 기계적 성능을 겸비하여야 한다.

가공 전선은 가공송전선로를 구성하는 가장 중요한 부분으로써, 도전율이 높을 것, 기계적 강도가 클 것, 가공성(유연성)이 클 것, 내구성이 있을 것, 비중이 작을 것, 경제적일 것 등의 조건을 충족하여야 한다.

가공송전선은 중심 측에 보강용 강선이 배치되고, 외 측에 도전성의 알루미늄 와이어(3)가 배치된다. 상기 중심 측의 보강용 강선은 일반적으로 여러 가닥이 꼬여진 강연선이며, 상기 강연선의 외 측으로 전력 수송을 위한 알루미늄 와이어가 여러 가닥 배치된다.

가공송전선은 전선의 강도를 유지시켜 주는 보강용 강선과 전류수송을 담당하는 알루미늄 도체로 이루어져 있다.

가공송전선 보강용 강선은 전력을 수송하는 상기 가공송전선의 보강을 위해 사용되는 강선이다. 가공 송전선 보강용 강선은 가공송전선의 전력 수송에 지장을 주지 않으면서도 가공 송전선을 보강해야 한다.

종래의 가공송전선으로 사용되는 강심알루미늄선(ACSR: Aluminum stranded conductors steel reinforced)은 송전선의 지지선 역할을 담당하는 강심소재로 연선한 1~19가닥의 고탄소 강선이 보강용 강선으로 사용되고 있다.

기존의 가공송전선 보강용 강선은 탄소 함량이 0.6 내지 0.8 중량 % 함유된 강선으로서, 인장강도가 1300 내지 1860Mpa 정도로 형성된다. 그러나 이러한 기존 보강용 강선은 인장강도가 낮아서 중심 측에 보강용 강선을 많이 배치해야 하고, 결과적으로 도전층 기능을 수행하는 알루미늄 와이어가 상대적으로 줄어들게 되어 알루미늄 와이어의 단면적을 증가시키는데 한계를 가진다.

이러한 문제를 해결하기 위해서, 탄소(C) 0.6 내지 0.8 중량 %, 망간(Mn) 6.0 내지 15.0 중량%, 니켈(Ni) 4.0 내지 8.0 중량%, 크롬(Cr) 16.0 내지 20.0 중량%, 질소(N) 0.2 내지 0.5 중량%의 조성을 갖는 질소강을 사용하여 인장강도를 향상시킨 시도가 있으나, 망간, 니켈, 크롬은 고가이므로 강선의 단가를 급격히 향상시키는 단점이 있다.

또한, 스테인리스 강선이나, 철(Fe)과 니켈(Ni)의 합금에 탄소(C), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 텅스텐(W), 나이오븀(Nb), 바나듐(V) 등을 복합 첨가한 인바와이어(invar wire)가 고송전 전력케이블에 적용되고 있으나, 이 또한 모두 고가의 원소가 포함되어 단가를 향상시키는 단점이 있다.

또한, 강선은 기계적 강도는 크나, 비중이 커서 송전탑 간에 처짐 현상을 유발시키는 문제를 가진다.

가공 송전선은 외부적 환경에 그대로 노출되어 있을 뿐만 아니라, 송전시 자체 온도가 90℃ 이상으로 상승하는 등 다소 가혹한 조건하에서 사용되고 있다. 특히, 고압 전류의 송전에 의해 발생하는 열은 가공 송전선을 지지하고 있는 중심 인장선을 팽창시키게 되고, 결국 가공 송전선의 처짐 현상이 발생하는 문제점이 있다.

특히, 종래부터 사용되어 온 강심이나 강선으로 된 인장선은 자체 중량이 무겁기 때문에, 가공 송전선의 이동이나 포설에 어려움이 따르고, 가공 송전선의 처짐 현상을 더욱 심화시키는 원인이 될 뿐만 아니라, 철탑이나 전주에 과중한 부담을 주게 되므로 안전상에도 문제가 되고 있다.

이에 따라 내부 심선을 이루는 소재로서 종래의 강선 대신에 카본섬유를 적용하려고 하는 연구가 수행되고 있다.

카본섬유는 대표적으로 이용되는 강화재로서 밀도가 낮으면서 높은 비강도와 비강성도 및 높은 열적 전기적 전도성과 낮은 열팽창계수를 가지는 덕분에 기존의 기계적 특성이 필요한 분야뿐만 아니라 전자 패키징 등 열적 특성의 응용분야에서도 금속기지 내에 보강재로 사용되고 있으며 활발한 연구가 진행되는 소재이다.

따라서 카본섬유로 이루어지는 복합소재는 종래의 철강 소재에 비하여 현저하게 가볍고 열팽창계수가 낮으면서도 강성과 전도성은 유지되므로 본 발명에서는 내부 심선을 이루는 소재로 카본섬유 복합 소재를 적용하는 방안이 연구된 바 있다.

일반적으로 가공 송전선은 실외에서 소정의 간격으로 설치된 다수의 철탑이나 전주 등의 지지물에 걸쳐짐으로써 설치되는데, 이러한 환경적인 특성상 가공 송전선의 인장선은 인장강도 등 물성이 우수하고, 고장력이며 저이도 특성을 갖출 것이 요구된다.

대한민국 등록특허 10-1798472호에서는 카본섬유 복합 소재가 내장되는 송전선이 소개된 바 있다.

상기 특허문헌에서는 외부 도체인 동, 알루미늄, 또는 이들의 합금이 내부 심선인 카본섬유와 접촉될 경우 카본섬유에 비하여 동 또는 알루미늄이 더욱 활성화 되면서 동을 양극으로 하는 갈바닉 부식이 발생될 수 있는 문제점과, 내부 심선인 카본섬유 복합 소재와 외부 도체인 알루미늄 간에서는 알루미늄이 희생양극(sacrificial anode)으로 작용되어 부식이 발생되는 문제점을 해결한 것을 특징으로 한다.

상기 문제점을 해결하기 위해 상기 특허문헌에서는 내부 심선 사이에 폴리머 그리스가 충진된다.

그리고 폴리머 그리스로 부식이 현저하게 방지될 수는 있으나 폴리머 그리스는 내부 심선과 외부 도체를 완전히 차단시키지는 못하므로 추가적인 부식 방지 수단으로서 외부 도체인 알루미늄 선재 표면에 아크릴 코팅층이 형성한 것을 특징으로 한다.

이 경우 내부 심선 사이에 충진된 그리스와 아크릴 코팅층으로 인하여 외부 도체와 내부 심선의 접촉은 이중으로 방지된다.

또 다른 예에서는 내부 심선 표면에는 아연 도금 층이 형성되는 구성을 더 포함한다.

내부 심선의 표면에 형성된 아연 도금 층은 희생양극으로 작용됨으로써 아연 도금 층과 접촉되는 알루미늄의 부식을 방지시키는 작용을 할 수 있다. 이 경우 아연 도금 층 자체의 내식성 향상을 위하여 아연 도금 후에 크로메이트(chromate)처리를 추가적으로 실시하거나, 아연도금층 표면에 추가적인 내식용 도장이 실시될 수 있는 내용이 소개된 바 있다.

이에 따라 카본섬유 복합 소재가 내장되는 송전선은 내부 심선이 카본섬유 복합 소재로 이루어짐으로써 종래의 강선에 비하여 현저하게 가벼우면서 강도는 종래 수준으로 유지되어 송전탑 간의 처짐 현상이 방지될 수 있고, 내부 심선 사이에 폴리머 그리스가 충진되어 내부 심선과 외부 도체 사이에 발생될 수 있는 갈바닉 부식 현상이 방지되며, 구리 도금 층이 형성되어 도전성이 종래보다 더 향상되면서, 광촉매 층이 도포되어 외부 오염이 절감되는 효과가 있다.

대한민국 등록특허 10-1798482호(카본섬유 복합 소재가 내장되는 송전선)

본 발명은 미세한 카본섬유 필라멘트에 아연을 클래딩하여 제조된 아연 클래딩 탄소 복합선재의 심선으로 송전선의 중심 인장선 또는 가공 지선을 형성한 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 강도 및 도전율이 우수하고, 유연성 및 연선 stranding이 우수한 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 송전선의 가공지선 또는 중심 인장부에 포함되는 인장 심선에 있어서, 상기 인장 심선은, 카본섬유에서 폴리머 수지를 제거한 카본섬유 필라멘트에 아연을 클래딩하고 이들을 결합하여 제조된 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재로 형성한 것을 특징으로 한다.

직경 3mm의 인장 심선은, 직경 10㎛의 카본섬유 50,000 ~ 60,000가닥을 가공한 카본섬유 필라멘트로 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 송전선의 가공지선 또는 중심 인장부에 포함되는 인장 심선의 제조방법에 있어서, 상기 인장 심선은 제조방법은 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재로 형성한 것을 특징으로 하며, 상기 복합선재는, a) 제1 직경의 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선을 형성할 제1 카본섬유 실 다발을 감은 타래틀을 복수 개 준비하는 준비단계; b) 상기 제1 카본섬유 실 다발을 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들로 분리하는 필라멘트 가공단계; c) 상기 필라멘트 가공단계에서 분리된 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들을 아연 용융조 내의 용융된 아연 속으로 침투시켜서 아연 클래딩하는 아연 클래딩 단계; 및 d) 상기 아연 클래딩된 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들을 일정 규격의 다이 홀이 형성된 다이 금형장치를 통과시켜서 일정 규격의 인장 심선을 형성하는 심선 형성단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 카본섬유 필라멘트 가공단계는 상기 제1 카본섬유 실 다발에 대해 250~350℃의 질소분위기의 열처리 과정을 통해 카본섬유 실 형성을 위해 합성된 접착용 폴리머 수지를 포함하는 불순물을 제거하고, 상기 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들로 분리하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 필라멘트 가공단계는, 상기 분리된 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들을 질소 분위기 내에서 스프레딩 롤러를 통과시켜서 평탄하게 펴주는 스프레딩 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.

상기 스프레딩 단계는 하나의 타래틀 당 0.3 ~ 0.8m의 폭으로 펴주는 것을 특징으로 한다.

상기 아연 용융조는 아연 물질이 400~500℃에서 용융된 것을 특징으로 하며, 상기 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들이 펼쳐진 상태에서 1~2m/sec 속도로 5 ~ 15s ec 동안 통과하면서 상기 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들에 아연 클래딩이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 아연 클래딩 단계에는, 상기 아연 용융조 내의 종단에서 상기 펼쳐진 상태의 클래딩된 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들을 가이드 롤러들에 의해 상기 다이 금형장치(60)의 중심으로 모으는 가이드 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 아연 클래딩 단계에서 각 카본섬유 필라멘트 가닥은 0.02 ~ 100㎛ 두께로 아연 클래딩 중합이 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 아연 클래딩 단계에서 아연 클래딩된 카본섬유 필라멘트 가닥은 상기 준비단계의 제1 카본섬유 실을 구성하는 카본섬유 단면적의 1,2 ~ 5.0 배의 크기로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 심선 형성단계는 아연 클래딩된 카본섬유 필라멘트 가닥 들의 클래딩된 아연이 용융상태를 유지한 채로 상기 다이 금형장치를 통과하여 심선을 형성하며, 상기 다이 금형장치를 통과 후에는 상기 심선을 냉각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재는 종래의 인장성에 비하여 강도 및 도전율이 우수하고, 유연성 및 연선 stranding이 우수한 인장선을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재는 전도성을 높이면서 섬유와 유사한 유연성을 나타낼 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 심선의 제조방법에 대한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 심선의 제조장치에 대한 평면도를 간략하게 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선의 예를 도시한 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속될 수 있지만, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 '연결', '결합' 또는 '접속'될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

이하 본 발명의 구현에 따른 아연클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선의 보강선 및 이의 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.

카본섬유는 유기섬유를 비활성 기체 속에서 가열, 탄화하여 만든 섬유로서 제조과정에서 산소, 수소, 질소 등의 분자가 빠져나가 중량이 감소되므로 금속보다 가벼운 반면, 금속에 비해 탄성과 강도가 뛰어난 특성을 나타낸다.

인장선으로 사용되는 중심선이 송전 케이블에서 전류가 흐르는 전선로로 사용되는 점에서 전도성이 좋아야 한다. 탄소는 탄소 복합소재로 심선을 형성할 경우 도전체인 알루미늄 보다 전도율이 떨어지고, 유연성도 떨어진다.

카본은 철선에 비해 가벼워서 이도 처짐에 유리하나, 카본은 외부에 노출되면 약해진다. 이를 보강하기 위해 카본 심선의 표면을 수지, 유리섬유 또는 알루미늄 등 금속으로 피복하여 사용하기도 한다.

그러나 카본 심선 자체가 충격 및 복원력이 약하여 카본 심선 표면을 수지, 유리섬유 또는 알루미늄 등 금속으로 피복한 카본 컴포지트 선의 경우에도 내부에 크랙이 발생되어 문제가 발생되기도 한다.

또한, 많은 연구에서 카본섬유 실(yarn)을 이용한 인장선 개발을 시도하였으나, 카본섬유 자체는 폴리머 수지로 합성된 것이어서 이러한 카본섬유 수만 가닥으로 제조된 카본섬유 실(yarn)을 이용한 인장선의 경우, 전도성 및 열에 취약하여 실용화되지 못하였다.

이러한 문제점을 개선하기 위해 본 발명의 일 실시 에에 따른 가공 송전선에 포함되는 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재는 카본섬유에서 폴리머 수지를 제거한 카본섬유 필라멘트 가닥에 아연을 클래딩하고 이들을 결합하여 제조된 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재로 송전선의 가공지선 또는 송전선 중심 인장부의 인장 심선을 형성한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재는 송전선의 가공지선 또는 송전선의 중심부 인장선의 심선으로 적용될 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재는 카본섬유에 포함된 폴리머 수지를 제거하고 폴리머 수지 대신 아연 클래딩으로 피복한 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 심선의 제조방법에 대한 순서도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 심선의 제조장치에 대한 평면도를 간략하게 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 먼저 카본섬유 실(Yarn)의 전처리 단계(110)가 수행된다.

상기 전처리 단계에서는 먼저 제1 직경의 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선을 형성할 제1 카본섬유 실(91) 다발을 준비하는 준비단계(111단계)가 수행된다.

일반적으로 카본섬유는 0.02 ~ 100㎛ 의 카본섬유 필라멘트 10,000 ~100,000 가닥이 각각 폴리머 수지로 접합되어 카본섬유 실로 타래를 형성하여 제품이 공급된다.

예를 들면 카본섬유 실(91)은 굵기 1.0mm~10mm 로 공급된다.

준비단계(111단계)에서는 제1 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선 굵기에 해당하는 제1 카본섬유 실 다발을 준비하는 과정을 포함한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 카본섬유 실 다발은 일정 규격의 카본섬유 실(91)을 감은 1 ~ 20 타래 범위 내에서 준비된다.

각 타래는 타래틀(10)에 감겨져서 준비된다.

즉, 111단계는 제1 직경의 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선을 형성할 제1 카본섬유 실 다발을 감은 타래틀을 복수 개 준비된다.

카본섬유 필라멘트 자체는 공기 중에 노출이 되면, 쉽게 산화되고 크랙이 발생되는데, 이러한 현상을 방지하기 위해 일반적인 카본섬유(Carbon Fiber Reinforced Polymer) 실은 카본섬유에 폴리머 수지가 감싸는 형태의 혼합물로 제조된다.

그러나 이와 같은 카본섬유에 폴리머 수지가 감싼 카본섬유 실을 송전선의 재료로 사용할 경우, 내부에 혼합된 폴리머 수지에 의해 도전성이 좋지 않으면, 열에 취약해 진다.

본 발명의 일 실시 예에서는 카본섬유 실(91)에서 폴리머 수지를 제거한 카본섬유 필라멘트를 용융된 아연에 침지시켜 이동하는 것에 의한 아연 클래딩을 수행하여 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 카본섬유 필라멘트(93)는 카본섬유(Carbon Fiber Reinforced Polymer) 실(91)에서 폴리머 수지를 제거하고 남은 카본원사를 구성하는 하나의 기본 가닥을 의미한다.

본 발명의 일 실시 예에서는 설정된 규격의 심선을 제조하는 데 필요한 굵기에 해당하는 1.0mm~10mm로 형성된 카본섬유 실이 1 ~ 20 타래의 범위에서 제1 카본섬유 실 다발이 준비된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 설정된 규격의 심선 직경은 1mm ~ 10mm 범위에서 선택적으로 적용될 수 있다.

예를 들면 굵기 1.0mm의 카본섬유 실(91)은 10㎛의 카본섬유 약 8,600~9,600 가닥으로 형성된다. 또한, 굵기 1.0mm의 카본섬유 실(91)은 5㎛의 카본섬유 약 33,000~ 38500 가닥으로 형성된다

본 발명의 일 실시 예에서 카본섬유 필라멘트에 아연 클래딩으로 피복을 하게 되면, 단면적이 공급된 카본섬유의 1,2 ~ 5.0 배로 굵어진 아연 클래딩된 카본섬유 필라멘트로 제조된다.

아연 클래딩된 카본섬유 필라멘트에서 클래딩된 아연 함유량이 많으면, 도전율 및 유연성 면에서는 유리하다. 한편, 클래딩된 아연 함유량이 적을 경우는 많은 경우에 비하여 인장 강도 면에서 유리한다.

본 발명의 일 실시 예에서는 클래딩된 아연 함유량은 공급되는 카본섬유 실을 구성하는 각 카본섬유 단면적의 1,2 ~ 5.0 배 범위에서 심선의 용도에 맞추어 선택적으로 적용한다. 아연 클래딩 공정 시의 아연 클래딩 통과 속도를 조절하는 것에 의해 아연 함유량을 조절하여 제조될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서는 일반적인 알루미늄 합금선을 포함하는 송전선의 가공지선 또는 중심 인장부에 사용되는 인장 심선에 포함된 아연 함유량은 공급되는 카본섬유의 단면적에 비해 1.4 ~ 1.6 배의 굵기로 클래딩하는 것이 가장 바람직한 것으로 분석되었다.

예를 들면, 바람직한 실시 예에서 5㎛의 카본섬유의 경우, 폴리머 피복을 제거하고 아연 클래딩을 거치면, 약 5.9 ~ 6.3㎛의 아연 클래딩된 카본섬유 필라멘트로 형성된다.

또한, 바람직한 실시 예에서, 10㎛의 카본섬유의 경우, 폴리머 피복을 제거하고 아연 클래딩을 거치면, 약 11.8 ~ 12.7㎛의 아연 클래딩된 카본섬유 필라멘트로 형성된다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 클래딩된 용융상태의 11.8 ~ 12.7㎛ 아연 피복된 카본섬유 필라멘트 약 50000 ~ 60,000 가닥을 3mm의 다이 금형장치(60)로 통과시키면 3mm의 심선이 형성된다.

따라서, 바람직한 실시 예에서 3mm의 심선을 제조하기 위해서 10㎛의 카본섬유는 약 50,000 ~ 60,000가닥이 필요하게 된다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 카본섬유를 이용하여 제조되는 제1 아연 클래딩 탄소 복합선재의 심선의 직경이 3mm를 제조에 해당하는 10㎛의 카본섬유 필라멘트(93) 8,600~9,600 가닥으로 이루어진 1mm의 카본섬유 실(91)이 6타래가 타래틀(10)에 감겨져서 준비된다.

다음은 상기 준비된 제1 카본섬유 실 다발에 대해 카본섬유 필라멘트 가공단계가 수행된다.

상기 카본섬유 필라멘트 가공단계에서는 제1 카본섬유 실(91)을 감은 1 ~ 20 타래틀(10, 또는 풀림틀)로부터 풀려져서 인입된 제1 카본섬유 실(91)에 대해 폴리머 수지를 제거하여 카본섬유 필라멘트 가닥으로 분리하는 과정이 수행된다.

상기 카본섬유 필라멘트 가공단계에서는 질소분위기의 열처리 과정을 통해 카본섬유 실 형성을 위해 합성된 접착용 폴리머 수지를 포함하는 불순물을 제거하고, 상기 제1 카본섬유 실(91) 다발을 제1 카본섬유 필라멘트 가닥(93) 그룹으로 분리하는 과정이 포함된다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 카본섬유에서 폴리머 수지가 제거되면, 공기 중에서 산화되기 쉽고, 쉽게 크랙이 발생되기 때문에 폴리머 수지를 제거하는 공정은, 폴리머 수지가 제거된 카본섬유 필라멘트의 산화방지를 위해 질소 분위기로 채워진 밀폐된 질소 분위기의 열처리 하우징(30) 내에서 수행된다.

질소 분위기의 열처리 하우징(30)은 밀페된 원통형 관으로 형성될 수 있다.

폴리머 수지로 합성된 카본섬유에 250℃ 이상의 열을 가하면, 폴리머 수지가 녹아서 분리되며, 접착제 역할을 하던 폴리머 수지가 분리되면, 폴리머 수지가 제거된 카본섬유 필라멘트는 서로 벌어지게 된다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 카본섬유 필라멘트 가공단계는 질소 분위기 열처리 하우징(30) 내에서 약 250~350℃의 온도의 질소분위기에서 약 20 ~ 60초 동안 수행된다.

카본섬유 필라멘트 가공단계에서 카본섬유 실(91)에 함유된 폴리머 수지가 제거되고 카본섬유 필라멘트(93)의 온도도 열처리 온도로 상승하게 된다.

카본섬유 필라멘트의 온도가 열처리 온도로 상승하게 되면, 후공정으로 이어지는 아연 클레딩의 도금 효율이 좋아진다.

다음은 상기 카본섬유 필라멘트 가공단계를 거친 제1 카본섬유 필라멘트(93) 가닥 그룹 들에 대해, 각 필라멘트 표면상에 용융된 아연이 골고루 결합되어 입혀주고, 클래딩 공정을 효율적으로 수행되기 위해 평탄하게 펴주는 스프레딩 단계(130)가 수행된다.

상기 스프레딩 단계(130)에서는 폴리머 수지가 제거되어 서로 분리된 카본섬유 필라멘트 가닥 그룹을 각 타래 별로 약 0.3 ~ 0.8m의 폭으로 넓게 벌려주는 과정이 수행된다.

상기 스프레딩 단계(130)에는 상기 제1 카본섬유 필라멘트(93) 가닥 그룹들을 압착 롤러로 형성된 스프레딩 롤러(20) 사이를 통과시키는 과정을 더 포함할 수 있다. 카본섬유 필라멘트(93) 가닥 그룹이 스프레딩 롤러 사이를 통과하면, 눌려져서 각 타래틀(10) 별로 각 카본섬유 필라멘트(93) 가닥이 평면으로 분리되어 약 0.3 ~ 0.8m의 폭으로 넓게 펼쳐진다.

상기 스프레딩 단계(130)는 산화방지를 위해 상기 카본섬유 필라멘트 가공단계에 이어서 질소 분위기로 채워진 밀폐된 공간에서 수행된다.

본 발명의 일 실시 예에서는 상기 제1 카본섬유 필라멘트(93) 가닥 그룹들을 각 타래(10) 별로 각각 0.3 ~ 0.8m의 폭으로 넓게 벌려준다.

다음은 상기 스프레딩 단계(130)를 거쳐서 0.3 ~ 0.8m의 폭으로 펼쳐진 제1 카본섬유 필라멘트(93) 가닥 그룹으로 형성된 1~ 20개 그룹을 아연 용융조(50) 내의 용융된 아연 속으로 침지시켜서 아연 클래딩하는 아연 클래딩 단계(140)가 수행된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩은 아연 코팅과 다르게 아연 용융조(50)에서 카본섬유와 아연 간에 확산 용접(fusion welding)이 일어나서 탄소와 아연을 중합시켜 결합된 구조가 된다. 이에 따라 아연 클래딩은 아연 코팅과 달리 클래딩된 화합물이 확산 중합되어 분리가 거의 불가능하게 되는 이점이 있다.

상기 아연 용융조(50)는 98 ~ 99% 아연 물질이 400~500℃에서 용융된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 용융조(50)는 약 10m의 길이 및 폭으로 형성되며, 상기 제1 카본섬유 필라멘트 가닥 그룹, 또는 복수의 그룹이 일시에 통과시키도록 제작된다.

상기 아연 용융조(50)의 아연 용융물 속을 상기 제1 카본섬유 필라멘트 가닥들이 1~2m/sec 속도로 5 ~ 15sec 동안 침지되어 통과하면서 카본섬유 필라멘트에 아연 클래딩이 이루어진다.

상기 아연 클래딩 단계에서 한 가닥의 카본섬유 필라멘트는 0.02 ~ 100㎛ 두께로 아연 클래딩 중합이 형성된다.

상기 아연 클래딩 단계(140)에는 아연 클래딩된 카본섬유 필라멘트 가닥들을 설정된 ROD 직경으로 그룹화하기 위해 아연 클래딩된 카본섬유 필라멘트 가닥들이 아연 용융조(50) 내부의 종단 부분에 형성된 가이드 롤러들(41, 42, 43)을 통과하면서 아연 용융조(50)의 종단 경계부에 설치된 다이 금형장치(60)의 중심 측으로 모으도록 하는 가이드 단계를 포함한다.

상기 가이드 단계는 아연 용융조(50) 내에서 수행된다.

상기 아연 클래딩 단계(140)의 가이드 단계 후에는 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선을 형성하는 심선 형성단계(150)가 수행된다.

상기 심선 형성단계(150)는 상기 가이드 단계에서 모아진 제1 아연 클래딩된 카본섬유 필라멘트 그룹은 설정된 심선 규격의 다이 홀이 형성된 다이 금형장치(60)를 통과시키면서 설정된 규격의 제1 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선(99)이 형성되는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 아연 클래딩된 카본섬유 필라멘트 그룹은 다이 금형장치(60)를 통과 전까지 클래딩된 아연이 용융 상태이며, 상기 다이 금형장치(60)를 통과하면서 점차 굳어진다.

예를 들면, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 10㎛의 카본섬유 50,000 ~ 60,000가닥(예를 들면, 8,600~9,600 가닥으로 이루어진 1mm의 카본섬유 실(91) 6타래)로부터 제조된 아연 클래딩된 카본섬유 필라멘트 50,000 ~ 60,000가닥을 인입하여 3mm 다이 금형장치(60)의 금형 다이 홀을 통과하면서 3mm의 제1 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선(99)이 형성된다.

또한, 심선 형성단계(150)에는 상기 금형 다이를 통과한 후에 형성된 제1 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선(99)을 냉각시키는 냉각 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 냉각 단계에서는 냉각수에 의해 상온까지 냉각시킨다.

상기 심선 형성단계(150)에서 형성된 제1 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선은 권취기(Tak-Up) 또는 coiler로 감아서 저장된다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 심선의 제조방법은, 권취기(70)의 동력 전달에 의해 전체 공정이 수행되는 것을 특징으로 한다. 예를 들면, 타래(10)에 카본섬유 실이 감겨져 준비된 상태에서 권취기를 회전시켜서 끌어당기는 동작으로 전체 카본섬유의 아연 클래딩 공정이 이동되면서 수행된다.

상기 제작된 제1 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선(99)은 용도에 따라 3 ~ 36 가닥으로 꼬아서 송전선의 중심 인장선으로 사용될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선의 예를 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가공송전선은 중심부에 복수의 인장 심선(510) 및 상기 인장 심선(510) 주변을 감싸는 알루미늄, 동, 또는 이들의 합금으로 형성된 도체부(520, 530)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예인 도 3에서는 도체부(520, 530)를 사다리꼴 형상 구조로 도시하였으나, 상기 도체부(520, 530)는 원형 또는 여러 다각형 형상 구조로 채택할 수 있다.

인장 심선(510)은 가공송전선의 중심에 배치되어 가공송전선의 전체 하중을 지지하고, 경간의 인장력을 지지한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 인장 심선(510)은 복수 개, 예를 들어 7개가 연선된 구조로 이루어질 수 있다. 인장 심선(510)은 수만 개의 아연 클래딩된 카본섬유 필라멘트로 형성된 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재로 형성된 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 복수 개의 인장 심선(510)이 상호 간에 긴밀하게 결합될 수 있으므로, 가공송전선은 높은 인장하중을 발휘할 수 있게 된다.

일반적으로 카본섬유와 클래딩된 아연은 결합력이 우수하여 쉽게 분리되지 않는다. 또한, 송전선의 경우 상기 인장 심선 주위로 주도전체인 동, 알루미늄, 또는 이들의 합금선으로 송전전선을 형성하게 된다.

일반적으로, 카본과 알루미늄이 접촉하게 되면, 결합력이 약할 뿐 아니라 탄소에 크랙이 발생할 수 있다. 그러나 아연은 탄소 및 알루미늄과 결합력이 강하고, 외부 충격에도 강하기 때문에 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선은 가공 설치작업에도 파손 염려가 없으며, 또한, 인장력이 강하여 이도 처짐에도 유리하다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선은 다른 방법으로 제조된 인장선에 비해 월등한 효과를 가진다.

최근 복합소재로 연구되고 있는 인장선 소재로는 ① 탄소복합선재의 표면을 유리로 피복한 유리섬유 피복 탄소복합재(ACCC), ② 탄소복합선재의 표면을 알루미늄으로 피복한 알루미늄 피복 탄소복합재(LSCC) ③ 탄소복합선재의 표면을 아연으로 코팅한 아연 코팅 탄소복합재를 들 수 있다.

최근 연구되고 있는 인장선용 심선 소재와 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선 샘플을 비교 분석하였다.

a) 인장 강도는 샘플> ③ > ② > ① 순으로 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합재 심선이 우수한 것으로 분석되었다.

b) 도전율은 ② > 샘플 > ③ > ① 순으로써, ② 알루미늄 피복 탄소복합재(LSCC)가 가장 우수하였고, 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합재 심선이 그 다음으로 비교적 우수한 것으로 분석되었다.

c) 유연성(flexibility)은 샘플> ③ > ② ＞ ① 순으로 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합재 심선의 경우, 카본섬유 필라멘트에 유연성을 가진 아연이 클래딩되어 수만 가닥으로 형성된 특징에 의해 유연성(flexibility)은 가장 우수한 것으로 분석되었다.

이 유연성(flexibility) 특성은 송전선의 인장선을 설치할 때 아주 중요한 특성 중에 하나로 평가된다.

d) 연선 stranding 특성에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 샘플이 연선 stranding 작업 시 파손 없이 가장 효과적인 것으로 분석되었다. 제품③, ②, ① 의 경우 연선 stranding 작업과 유사한 외부 충격을 가하면, 소선 중에서 내부의 탄소 복합재가 크랙이 발생되는 소선이 발생된다. 송전선의 경우 인장선에 사용되는 연성 중에서 어느 한 가닥이라도 크랙이나 파손이 되면, 전체 인장력에 상당한 문제가 발생된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합재 심선의 경우 수만 가닥으로 이루어져 있어서 인장강도 및 유연성이 우수하여 파손되지 않을뿐더러, 수만 가닥으로 이루어진 복합 선재중 어느 한 가닥이 파손되어도 안전율 면에서는 문제가 발생되지 않는다. 따라서 연선 stranding 특성에서는 가장 효과적인 것으로 분석되었다.

e) 송전선 가설 시 피복층과 탄소복합재의 분리되는 현상에 있어서는 ② 알루미늄 피복 탄소복합재(LSCC)의 경우 강한 장력을 주어 송전선을 당길 때, 피복된 알루미늄이 분리되는 현상이 발생될 수 있다. 나머지 소재 및 본 발명의 일 실시 예에 따른 샘플의 경우 송전선 가설 이상의 장력을 인가하여도 분리되지 않는 것으로 분석되었다.

6) 열 저항성 특성에 있어서는 ① 유리섬유 피복 탄소복합재(ACCC)의 경우 폴리머 수지가 열에 취약한 것으로 분석되었으며, ② 알루미늄 피복 탄소복합재(LSCC) ③아연 코팅 탄소복합재는 비교적 열에 강한 것으로 분석되었고, 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선 샘플은 아연과 카본섬유 필라멘트 간의 중합으로 화합물이 형성되어 열에 가장 강한 것으로 분석되었다.

아연 코팅 탄소복합재는 탄소복합재가 카본섬유로 되어 있으나, 카본섬유 자체가 외부 공기 중에 노출 시 산화되고, 크랙이 발생되는 것을 방지하기 위해 폴리머 수지로 결합된 특성 때문에, 본 발명의 일 실시 예에 따른 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합재 심선 보다 열저항성 면에서는 약한 것으로 분석되었다.

10: 타래틀
20: 스프레딩 롤러
30: 질소 분위기 열처리 하우징
41, 42,43: 가이드 롤러
50: 아연 용융조
60: 다이 금형장치
91: 카본섬유 실
93: 카본섬유 필라멘트
99, 510: 심선
520, 530: 도체

Claims (11)

1. 송전선의 가공지선에 포함된 인장 심선 또는 송전선의 중심 인장부에 포함되는 인장 심선을 포함하는 송전선에 있어서,
   상기 인장 심선은,
   수천 또는 수만 가닥의 카본섬유 혼합물로 형성된 카본섬유 실(yarn)을 250 ~ 350℃의 밀폐된 질소분위기의 열처리 과정을 통과시켜서, 폴리머수지를 제거한 카본섬유 필라멘트의 개별 가닥으로 분리하고 - 여기서 상기 카본섬유 필라멘트는 상기 카본섬유 실(yarn)에서 폴리머 수지를 제거하고 남은 카본원사를 구성하는 하나의 기본 가닥을 의미함,
   상기 분리된 카본섬유 필라멘트의 개별 가닥들을 질소 분위기 내에서 스프레딩 롤러에 통과시켜서 상기 카본섬유 필라멘트의 개별 가닥들이 분리되어 0.3 ~ 0.8m의 폭으로 평탄하게 펴주어 넓게 벌리도록 스프레딩한 후, 아연 용융조를 통과시켜서 상기 카본섬유 필라멘트의 개별 가닥들의 표면에 아연이 확산 중합되도록 아연 클래딩을 수행하고, 다이 금형장치에 의해 심선으로 형성되는 과정을 포함하여 제조된 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재로 형성한 것을 특징으로 하는 송전선.
2. 제1항에 있어서,
   직경이 3mm 굵기를 가지는 상기 인장 심선은,
   직경 10㎛의 카본섬유 50,000 ~ 60,000가닥을 가공한 카본섬유 필라멘트로 형성된 것을 특징으로 하는 송전선
3. 송전선의 가공지선에 포함된 인장 심선 또는 송전선의 중심 인장부에 포함되는 인장 심선이 포함되는 송전선의 제조방법에 있어서,
   상기 인장 심선 제조방법은,
   a) 제1 직경의 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재의 심선을 형성할 제1 카본섬유 실(yarn)을 감은 타래틀을 복수 개 준비하는 준비 단계;
   b) 상기 제1 카본섬유 실(yarn)을 제1 카본섬유 필라멘트의 개별 가닥들로 분리하는 필라멘트 가공단계; - 여기서 상기 제1카본섬유 필라멘트는 수천 또는 수만 가닥의 카본섬유 혼합물로 형성된 상기 제1 카본섬유 실(yarn)에서 폴리머 수지를 제거하고 남은 카본원사를 구성하는 하나의 기본 가닥을 의미함.
   c) 상기 필라멘트 가공단계에서 분리된 제1 카본섬유 필라멘트의 개별 가닥들을 아연 용융조 내의 용융된 아연 속으로 침투시켜서 표면에 아연이 확산 중합되도록 아연 클래딩하는 아연 클래딩 단계; 및
   d) 상기 아연 클래딩된 제1 카본섬유 필라멘트의 개별 가닥들을 일정 규격의 다이 홀이 형성된 다이 금형장치를 통과시켜서 일정 규격의 인장 심선을 형성하는 심선 형성 단계;
   를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하되,
   상기 필라멘트 가공단계는,
   상기 제1 카본섬유 실(yarn)에 대해 250 ~ 350℃의 질소분위기의 열처리 과정을 통해 상기 카본섬유 실(yarn) 형성을 위해 합성된 접착용 폴리머 수지를 포함하는 불순물을 제거하고, 상기 제1 카본섬유 필라멘트의 개별 가닥들로 분리하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하고,
   상기 분리된 제1 카본섬유 필라멘트의 개별 가닥들을 질소 분위기 내에서 스프레딩 롤러에 통과시켜서 넓게 벌리도록 스프레딩하여 주는 스프레딩 단계; 를 더 포함하되,
   상기 스프레딩 단계는 하나의 타래틀 당 상기 제1 카본섬유 필라멘트의 개별 가닥들이 분리되어 0.3 ~ 0.8m의 폭으로 평탄하게 펴주어 넓게 벌려주는 것을 특징으로 하는 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 제조방법.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제3항에 있어서,
   상기 아연 용융조는 아연 물질이 400~500℃에서 용융된 것을 특징으로 하며,
   상기 c) 단계는, 상기 제1 카본섬유 필라멘트의 개별 가닥들이 펼쳐진 상태에서 1 ~ 2m/sec 속도로 5 ~ 15sec 동안 통과하면서 상기 제1 카본섬유 필라멘트의 개별 가닥들에 대해 아연 클래딩이 이루어지는 것을 특징으로 하는 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 제조방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 c) 단계에는, 상기 아연 용융조 내의 종단에서 상기 펼쳐진 상태의 아연 클래딩된 제1 카본섬유 필라멘트의 개별 가닥들을 가이드 롤러들에 의해 상기 다이 금형장치의 중심으로 모으는 가이드 단계를 더 포함하는 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 제조방법.
9. 제3항에 있어서,
   상기 c) 단계에서, 상기 제1 카본섬유 필라멘트의 개별 가닥은 0.02 ~ 100㎛ 두께로 클래딩 중합이 형성되는 것을 특징으로 하는 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 제조방법.
10. 제3항에 있어서,
    상기 c) 단계에서, 상기 아연 클래딩된 제1카본섬유 필라멘트의 개별 가닥은 상기 a) 단계의 제1 카본섬유 실(yarn)을 구성하는 카본섬유 단면적의 1,2 ~ 5.0 배의 굵기로 형성되는 것을 특징으로 하는 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 제조방법.
11. 제3항에 있어서
    상기 d) 단계는, 상기 아연 클래딩된 제1 카본섬유 필라멘트의 개별 가닥들의 클래딩된 아연이 용융상태를 유지한 채로 상기 다이 금형장치를 통과하여 심선을 형성하며, 상기 다이 금형장치를 통과 후에는 상기 심선을 냉각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 아연 클래딩 카본섬유 필라멘트 복합선재를 포함하는 송전선 제조방법.

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