KR102667072B1 - 구리 소선 및 동복 알루미늄 소선을 포함하는 하이브리드 도체 - Google Patents
구리 소선 및 동복 알루미늄 소선을 포함하는 하이브리드 도체 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 구리 소선과 동복 알루미늄 소선이 연합되어 형성된 하이브리드 도체에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 구리 소선에 비해 상대적으로 저항이 높은 동복 알루미늄 소선을 포함함에도 불구하고 전기적 특성의 저감을 최소화하면서, 유연성, 굴곡특성 등이 극대화되는 동시에, 제조비용 절감 및 경량화가 가능한 하이브리드 도체에 관한 것이다.
Description
본 발명은 구리 소선과 동복 알루미늄 소선이 연합되어 형성된 하이브리드 도체에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 구리 소선에 비해 상대적으로 저항이 높은 동복 알루미늄 소선을 포함함에도 불구하고 전기적 특성의 저감을 최소화하면서, 유연성, 굴곡특성 등이 극대화되는 동시에, 제조비용 절감 및 경량화가 가능한 하이브리드 도체에 관한 것이다.
통상적으로 케이블 도체로 사용되는 재료는 도전율이 높은 구리, 알루미늄, 은 또는 그 합금에 한정되어 있으며, 그 이외의 재료는 전기적 특성이 위에 언급한 구리 등에 비해 현저히 낮고, 전기적 특성이 뛰어난 재료는 원자재 가격이 너무 높아 케이블의 도체 소재로 사용되기엔 적합하지 않다.
종래 케이블 도체의 소재로 가장 많이 사용되어 왔던 구리는 케이블 도체 소재로는 최적의 조건인 높은 전기 전도도와 낮은 가격으로 인해 오랜 기간 주요 소재로 사용되어 왔다.
그러나, 국제 구리 가격 상승 및 원자재 가격 상승으로 케이블 도체의 주요 소재인 구리 매입에 소요되는 비용이 많이 증가함에 따라 케이블의 단가가 증가하고 있다. 특히, 도체의 재질은 재료의 전기적 특성과 원자재 가격이 일반적으로 비례 관계를 가지는 경우가 많으므로, 구리를 대체할 수 있는 재료는 대부분 가격이 저렴할 경우 구리에 비해 전기적 특성이 떨어지고, 전기적 특성이 뛰어날 경우 구리보다 가격이 높다.
또한, 구리 도체는 유연성, 굴곡특성 등이 불충분하고, 비중이 높아 이러한 구리 도체가 적용된 케이블의 유연성, 포설성, 작업성 등이 저하될 수 있다. 따라서, 구리에 비해 전기적 특성은 낮지만 가격이 저렴하고 유연성, 굴곡특성 등이 우수하며 비중이 낮아 케이블의 경량화가 가능한 알루미늄 등을 도체 소재로 사용하기 위한 연구가 지속되고 있다.
그런데, 알루미늄을 케이블 도체소재로 사용하는 경우, 구리에 비해 낮은 전기적 특성을 갖는 문제뿐만 아니라 빠른 반응속도로 인한 전기 전도를 방해하는 산화막 생성 문제, 상대적으로 구리에 비해 발열량이 많아서 발생하는 문제, 낮은 전기적 특성으로 인해 구리에 비해 케이블 도체로 활용시 단면적이 커지는 문제 등에 직면하게 된다.
그러므로, 종래 구리 도체에 비해 전기적 특성의 저감을 최소화하면서, 유연성, 굴곡특성 등이 극대화되는 동시에, 제조비용 절감 및 경량화가 가능한 케이블용 도체가 절실히 요구되고 있는 상황이다.
본 발명은 종래 구리 도체에 비해 전기적 특성의 저감을 최소화하면서 유연성, 굴곡특성 등이 극대화되는 케이블용 도체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 종래 구리 도체에 비해 제조비용 절감 및 경량화가 가능한 케이블용 도체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
구리 소선 및 동복 알루미늄 소선이 연합되어 형성된 하이브리드 도체로서, 하나 이상의 구리 소선 및 하나 이상의 동복 알루미늄 소선을 포함하고, 상기 동복 알루미늄 소선은 알루미늄 중심선 표면에 구리 피복층이 형성되며, 상기 하이브리드 도체의 총 체적을 기준으로, 상기 알루미늄 중심선의 총 체적이 10 내지 50%인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 도체를 제공한다.
여기서, 상기 동복 알루미늄 소선의 개수(Y)는 아래 수학식 1을 만족하는 정수인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 도체를 제공한다.
[수학식 1]
0.1A/{(X/2)2Π}≤Y≤0.5A/{(X/2)2Π}
상기 수학식 1에서,
A는 하이브리드 도체의 공칭 단면적(㎟)이고,
X는 소선의 직경(mm)이다.
또한, 상기 하이브리드 도체는 복수개의 동복 알루미늄 소선을 포함하고, 상기 복수개의 동복 알루미늄 소선들은 상기 하이브리드 도체를 구성하는 복수개의 소선들 중 중심에 배치된 중심 소선의 중심을 지나는 임의의 직선을 기준으로 거울대칭이 되거나 상기 중심을 기준으로 회전대칭이 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 도체를 제공한다.
그리고, 상기 하이브리드 도체의 하부를 서로 200 mm 이격된 두 점에서 각각 지지한 상태로 상기 이격된 두 점 사이의 중간 지점에서 상부로부터 100 mm/min의 속도로 하중을 인가하면서 상기 도체가 파괴되는 시점에서의 인가된 하중이 상기 하이브리드 도체와 소선 직경, 소선 개수 및 전체 직경이 동일하나 구리(Cu) 소선만으로 이루어진 도체에 대하여 상기와 동일한 방법으로 측정된 하중의 85% 이하인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 도체를 제공한다.
여기서, 상기 하이브리드 도체는 상기 중심 소선의 둘레에 배치되는 복수개의 소선들에 의해 형성되는 2개 이상의 소선층을 포함하고, 상기 동복 알루미늄 소선은 상기 소선층 중 최외각에 배치된 최외층을 제외한 소선층에 배치되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 도체를 제공한다.
또한, 상기 소선층들 중 n층에 포함되는 소선의 개수는 na개이고, 상기 a는 소선층들 중 1층에 포함되는 소선의 개수인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 도체를 제공한다.
그리고, 상기 소선의 직경은 0.3 내지 3.3 mm인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 도체를 제공한다.
한편, 상기 구리 소선은 구리(Cu) 순도가 99.9 중량% 이상이고, 은(Ag) 및 산소(O)를 제외한 불순물 총 함량이 100 ppm 이하인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 도체를 제공한다.
또한, 상기 알루미늄 중심선은 알루미늄(Al) 순도가 99.5 중량% 이상이고, 알루미늄을 제외한 합금원소의 총 함량이 0.5 중량% 이하인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 도체를 제공한다.
본 발명에 따른 하이브리드 도체는 구리 소선에 비해 상대적으로 저항이 높은 동복 알루미늄 소선을 포함함에도 불구하고 동복 알루미늄 소선의 개수와 배치를 정밀하게 조절함으로써 종래 구리 도체에 비해 전기적 특성의 저감을 최소화하면서 유연성, 굴곡특성 등이 극대화되는 우수한 효과를 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 하이브리드 도체는 종래 구리 도체에 비해 제조비용이 절감되고 경량화가 가능한 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 일 실시예의 하이브리드 도체의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 다른 실시예의 하이브리드 도체의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 다른 실시예의 하이브리드 도체의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 도체의 단면 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 도체는 구리 소선(10) 및 동복 알루미늄 소선(20)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 도 1a는 동복 알루미늄 소선(20)이 2개 포함되는 경우, 도 1b는 동복 알루미늄 소선(20)이 3개 포함되는 경우, 도 1c는 동복 알루미늄 소선(20)이 4개 포함되는 경우이다.
상기 구리 소선(10) 및 상기 동복 알루미늄 소선(20)은 그 단면 형상이 특별히 제한되지 않지만 예를 들어 원형일 수 있다.
상기 구리 소선(10)은 구리(Cu) 순도가 99.9 중량% 이상이고, 불순물 총 함량이 100 ppm 이하일 수 있고, 상기 불순물은 은(Ag) 및 산소(O)는 포함하지 않는다. 또한, 상기 동복 알루미늄 소선(20)은 알루미늄 중심선(21) 표면에 구리 피복층(22)이 형성될 수 있고, 상기 구리 피복층(22)은 상기 구리 소선(10)과 동일한 소재로 이루어질 수 있다. 한편, 상기 알루미늄 중심선(21)은 알루미늄(Al) 순도가 99.5 중량% 이상이고, 기타 합금원소의 총 함량이 0.5 중량% 이하일 수 있다.
또한, 상기 구리 소선(10) 및 상기 동복 알루미늄 소선(20)의 직경은 케이블 및 도체 규격에 따라 상이할 수 있고, 예를 들어, 0.3 내지 3.3 mm일 수 있다.
구체적으로, 도 2a는 소선층이 2개이고 동복 알루미늄 소선(20)의 개수가 5개인 경우, 도 2b는 소선층이 2개이고 동복 알루미늄 소선(20)의 개수가 4개인 경우를 각각 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 도체는 이의 단면에서 소선들 중 중심에 배치된 중심 소선 둘레에 배치된 복수개의 소선들에 의해 형성되는 소선층이 2개 이상일 수 있다. 즉, 상기 중심 소선과 직접적으로 접촉하며 이의 둘레에 배치된 소선들의 층이 1층이고, 상기 1층의 소선들과 접촉하며 이의 둘레에 배치된 소선들의 층이 2층일 수 있으며, 이러한 소선층들은 다수의 층, 예를 들어 3개, 4개, 5개 등의 층으로 형성될 수 있다.
상기 각각의 소선층들에 포함되는 소선의 개수는 소선의 직경에 따라 상이할 수 있고, 예를 들어, n층에 포함되는 소선의 개수는 na개일 수 있고, 여기서 a는 1층에 포함되는 소선의 개수이다. 즉, 1층의 소선 개수가 6개인 경우, 2층의 소선 개수는 12개, 3층의 소선 개수는 18개, 4층의 소선 개수는 24개, 5층의 소선 개수는 30개일 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 도체에 있어서, 상기 알루미늄 중심선(21)의 총 체적은, 상기 하이브리드 도체의 전체 체적을 기준으로, 10 내지 50%일 수 있고, 바람직하게는 상기 수치범위 내에서, 케이블 규격에서 요구되는 도체의 공칭단면적, 즉 상기 도체를 구성하는 소선들의 총 단면적에 따른 체적저항 등의 전기적 특성을 만족하는 최대값일 수 있다.
여기서, 상기 알루미늄 중심선(21)의 총 체적이 10% 미만인 경우 상기 하이브리드 도체의 유연성, 굴곡특성 등이 불충분할 수 있고, 제조비용 절감 및 경량화의 효과가 미미할 수 있는 반면, 50% 초과인 경우 상기 케이블 규격에서 요구되는 도체의 전기적 특성을 만족할 수 없다.
이에 기초하여, 상기 하이브리드 도체에서 동복 알루미늄 소선(20)의 개수(Y)는 아래 수학식 1을 만족하는 정수일 수 있다.
[수학식 1]
0.1A/{(X/2)2Π}≤Y≤0.5A/{(X/2)2Π}
상기 수학식 1에서,
A는 하이브리드 도체의 공칭 단면적(㎟)이고,
X는 소선의 직경(mm)이다.
또한, 상기 하이브리드 도체의 중심 소선은 상기 구리 소선(10)이거나 상기 동복 알루미늄 소선(20)일 수 있고, 상기 중심 소선과 접촉하면서 이의 둘레에 배치된 소선들 중 복수개의 동복 알루미늄 소선(20)들은 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 상기 중심 소선의 중심을 지나는 임의의 직선을 기준으로 거울대칭이 되거나 상기 중심을 기준으로 회전대칭이 되도록 배치될 수 있다. 즉, 상기 중심 소선의 중심을 기준으로 예를 들어 60°, 120°, 180°등으로 상기 복수개의 동복 알루미늄 소선(20)들을 회전시킬때 서로 겹쳐질 수 있는 위치에 배치될 수 있다.
나아가, 각각의 소선층에는 하나 이상의 동복 알루미늄 소선(20)이 포함될 수 있고, 도체의 표피효과(skin effect), 즉 도체에 전류가 흐를 때 전류가 도체의 표면 부근만을 흐르는 현상을 고려할 때 상기 동복 알루미늄 소선(20)에 비해 상대적으로 저항이 낮고 전기적 특성이 우수한 구리 소선(10)이 소선층들 중 최외층에 배치되고 상기 동복 알루미늄 소선(20)은 상기 중심 소선을 비롯하여 가급적 안쪽 층, 즉 최외층을 제외한 소선층에 배치되는 것이 전기적 특성을 확보하는 측면에서 유리할 수 있다.
본 발명에 따른 하이브리드 도체는 앞서 기술한 바와 같이 구리 소선(10)과 동복 알루미늄 소선(20)의 개수와 배치가 정밀하게 제어됨으로써 종래 구리 도체에 비해 전기적 특성의 저감을 최소화하면서 굽힘 하중이 85% 이하로 유연성, 굴곡특성 등이 극대화되는 우수한 효과를 나타내는 동시에, 종래 구리 도체에 비해 제조비용이 절감되고 경량화가 가능하다.
[실시예]
1. 제조예
아래 표 1에 나타난 바와 같은 소선 구조를 갖는 도체를 제조했다.
| 실시예 | 비교예 | |
| 단면 구조 |
||
| 소선직경(mm) | 2.2 | 2.2 |
| 전체 직경(mm) | 6.6 | 6.6 |
| Cu 소선 개수 | 5 | 7 |
| CCA 소선 개수 | 2 | 0 |
2. 굽힘 특성 평가
실시예 및 비교예 각각의 도체의 하부를 서로 200 mm 이격된 두 점에서 각각 지지한 상태로 상기 이격된 두 점 사이의 중간 지점에서 상부로부터 100 mm/min의 속도로 하중을 인가하면서 시편이 파괴되는 시점에서의 인가된 하중을 3회씩 측정했다. 측정결과는 아래 표에 2에 나타난 바와 같다.
| 실시예 | 비교예 | |
| 1회측정하중(N) | 60.8 | 71.8 |
| 2회측정하중(N) | 60.8 | 73.0 |
| 3회측정하중(N) | 61.3 | 73.3 |
| 평균하중(N) | 61.0 | 72.7 |
| 표준편차 | 0.27 | 0.79 |
| 비율 | 83.9% | 100% |
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 구리(Cu) 소선과 동복 알루미늄 소선(CCA) 소선이 연합된 실시예의 도체가 구리(Cu) 소선만으로 연합된 비교예의 도체에 비해 굴곡 특성이 안정적으로 향상된 것으로 확인되었다.
본 명세서는 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.
10 : 구리 소선 20 : 동복 알루미늄 소선
Claims (9)
- 구리 소선 및 동복 알루미늄 소선이 연합되어 형성된 하이브리드 도체로서,
하나 이상의 구리 소선 및 복수개의 동복 알루미늄 소선을 포함하고,
상기 동복 알루미늄 소선은 알루미늄 중심선 표면에 구리 피복층이 형성되며,
상기 하이브리드 도체의 총 체적을 기준으로, 상기 알루미늄 중심선의 총 체적이 10 내지 50%이며,
상기 복수개의 동복 알루미늄 소선들은 상기 하이브리드 도체를 구성하는 복수개의 소선들 중 중심에 배치된 중심 소선의 중심을 지나는 임의의 직선을 기준으로 거울대칭이 되거나 상기 중심을 기준으로 회전대칭이 되도록 배치되고,
상기 중심 소선의 둘레에 배치되는 복수개의 소선들에 의해 형성되는 하나 이상의 소선층을 포함하고,
상기 소선층 각각에는 상기 구리 소선이 포함되며,
상기 동복 알루미늄 소선의 개수(Y)는 아래 수학식 1을 만족하는 정수이고,
[수학식 1]
0.1A/{(X/2)2Π}≤Y≤0.5A/{(X/2)2Π}
상기 수학식 1에서,
A는 하이브리드 도체의 공칭 단면적(㎟)이고,
X는 소선의 직경(mm)이며,
상기 하이브리드 도체의 하부를 서로 200 mm 이격된 두 점에서 각각 지지한 상태로 상기 이격된 두 점 사이의 중간 지점에서 상부로부터 100 mm/min의 속도로 하중을 인가하면서 상기 도체가 파괴되는 시점에서의 인가된 하중이 상기 하이브리드 도체와 소선 직경, 소선 개수 및 전체 직경이 동일하나 구리(Cu) 소선만으로 이루어진 도체에 대하여 상기와 동일한 방법으로 측정된 하중의 85% 이하인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 도체. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 하이브리드 도체는 상기 중심 소선의 둘레에 배치되는 복수개의 소선들에 의해 형성되는 2개 이상의 소선층을 포함하고,
상기 동복 알루미늄 소선은 상기 소선층 중 최외각에 배치된 최외층을 제외한 소선층에 배치되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 도체. - 제5항에 있어서,
상기 소선층들 중 n층에 포함되는 소선의 개수는 na개이고,
상기 a는 소선층들 중 1층에 포함되는 소선의 개수인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 도체. - 제6항에 있어서,
상기 소선의 직경은 0.3 내지 3.3 mm인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 도체. - 제1항에 있어서,
상기 구리 소선은 구리(Cu) 순도가 99.9 중량% 이상이고, 은(Ag) 및 산소(O)를 제외한 불순물 총 함량이 100 ppm 이하인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 도체. - 제1항에 있어서,
상기 알루미늄 중심선은 알루미늄(Al) 순도가 99.5 중량% 이상이고, 알루미늄을 제외한 합금원소의 총 함량이 0.5 중량% 이하인 것을 특징으로 하는, 하이브리드 도체.
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