KR20100029684A - 개포형 발포금속으로 구성되는 접지판 및 접지봉 - Google Patents

Abstract

본 발명은 개포형 발포금속봉 또는 개포형 발포금속판 상부에 구리판이 접합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 접지봉 또는 접지판에 관한 것이다.

본 발명의 접지봉 또는 접지판에 의하면 극대화된 표면적을 가진 개포형 발포금속이 토양에 접지전극이 되어 낙뢰나 비정상적인 전류를 토양에 신속하게 흘려줄 수 있으며 기존 접지봉이나 접지판의 무게의 약 10%이기 때문에 자원의 절약 측면에서 상당한 비용이 절감될 뿐 아니라 시공 시 운반 및 설치가 용이하다.

접지판, 접지봉, 개포형 발포금속, 접지저항

Description

개포형 발포금속으로 구성되는 접지판 및 접지봉{Grounding plate and grounding rod made of open-cell type metal foam}

본 발명은 개포형 발포금속을 이용하여 제작되는 접지봉 및 접지판에 관한 것으로 극대화된 표면적을 가진 개포형 발포금속이 토양에 접지전극이 되어 낙뢰나 비정상적인 전류를 토양에 신속하게 흘려줌으로써 장비를 보호할 수 있는 접지봉 및 접지판에 관한 것이다.

접지는 토양에 접지전극을 접속하여 통신장비, 전자계측장비, 피뢰장비 및 전력장비 등 전기를 이용하는 제 장비를 전기적으로 대지와 접속시켜 주는 것으로, 비이상적인 전류에 의한 과부하나 낙뢰에 의한 써지(serge)를 대지로 흘려보내 각종 장비들이 손상되는 것을 방지한다. 접지전극과 대지사이에 발생하는 접촉저항을 접지저항이라고 하며, 극히 짧은 시간에 비이상 과전류나 써지를 지면으로 방전시키기 위한 이상적인 수치는 '0'이나 실제로는 대부분의 경우 이상적인 접지저항의 확보는 불가능하다. 접지저항이 너무 크게되면 과전류나 뇌격전류 등의 일부만이 접지봉(판)을 통하여 방전되고 나머지 전하가 역류하면서 각종 장비나 주변 인체에 전달되어 각종 피해를 유발하는 문제가 있다. 이를 방지하기 위하여 접지봉이나 접지판은 용도에 따라 접지저항이 10~100Ω 이하가 되도록 매설하여 사용한다.

접지 저항은 접지봉이나 접지판의 수량에 따른 접지저항의 감소특성을 보여주는 도 1에서 확인할 수 있듯이 접지저항은 접지봉(판)의 수가 증가함에 따라 지수함수적으로 감소하게 된다. 그러나, 접지 저항이 어느 정도 감소하게 되면 접지 봉(판)의 수를 아무리 늘려도 더 이상 감소하지 않는 임계값에 도달하게 된다. 이러한 접지저항의 임계값은 접지면적 및 대지저항률과 관계가 있다.

접지저항은 접지봉(판)과 대지의 접촉면적과 관련이 있다. 즉, 도 2에서 보여주는 것과 같이 접지봉(판)의 크기가 클수록, 길이가 길수록 접지저항은 지수함수적으로 감소한다. 따라서 접지봉(판)의 접촉면적을 증가시킴으로써 접지저항을 낮추기 위해 접지봉의 표면에 블레이드를 형성한 접지봉이 국내등록특허 제635119호에 개시되어 있다. 또한 최근에는 동선을 메쉬(mesh) 구조로 지면에 포설하는 메쉬(mesh) 또는 그리드(grid) 접지를 사용하기도 한다. 그러나 이러한 메쉬 또는 그리드 접지는 사람이 이를 수작업으로 제작하여야 하고 시공이 어려우므로 시공비가 다른 접지 방식에 비하여 비싸며, 매우 넓은 시공 면적이 필요하고 유지보수가 불가능한 문제를 안고 있다.

대지저항률은 접지저항의 계산 및 접지전극의 수의 계산에 절대적인 함수이다. 대지저항률은 토양의 수분함유, 수분이 함유한 화학적 성분, 토양의 종류, 지질 성분, 대지의 온도 등 기후와 지역적 특성에 따라 그 값이 크게 달라진다. 대지저항이 높은 토질에서는, 접지봉(판) 만을 매설하는 것이나 리드선을 매설하는 것만으로 접지저항을 낮출 수가 없어 대지저항을 낮출 수 있는 저감제를 사용한다. 저감제는 무기재료와 전해질을 함유하는 화학저감제와 시멘트, 골재, 탄소섬유를 함유하는 시멘트계 저감제가 있다. 일정한 접지저항을 유지하기 위해서는 접지저항 저감제의 투입량이 유지되어야 하나, 화학저감제의 경우 시간이 경과되면 투입된 접지저항 저감제가 빗물이나 지하수에 의해 유실되어 저감제의 기능이 상실될 뿐만 아니라 토양을 오염시키는 문제점이 발생한다. 시멘트계 저감제의 경우, 수분이 적고 협소한 사토나 암반지역에 장기간 사용시 쉽게 깨지거나 부스러져 원형이 손상되는 문제가 있다. 또한, 저감제를 사용하는 경우에는 접지봉(판)의 부식을 촉진하여 결과적으로 접지저항이 증가된다.

발포금속은 개기공형과 폐기공형으로 분류된다. 이 중에서 개포형발포 금속은 표면적이 극대화되어 있어 부피에 대한 비표면적(m²/m³)이 수 백에서 수천 배에 이른다. 발포금속은 비중이 해당금속의 3~15%정도로 경량화되어 작업시에 운반이 용이하고 작업이 손쉬워 작업 비용 측면에도 큰 장점을 가진다.

이러한 성질로 인하여 발포금속은 우주·항공분야와 환경분야 등에 다양하게 적용되고 있다. 즉, 경량의 특성으로 우주항공분야에서는 구조체로 이용되며, 환경분야에서는 타 재료에 비해 표면적이 월등히 크기 때문에 촉매(catalyst) 담체용으로 사용된다. 열전도도가 큰 큼속(Cu, Ag등)으로 개포형 발포금속을 제조했을 때에는 방열면적이 매우 커지므로 열분야에서 방열재나 흡열재로도 사용되고 있다. 또한 발포금속의 가지(ligament)가 3차원적으로 불규칙하기 때문에 소음분야에 활용되기도 한다.

개포형 발포금속은 폴리우레탄 필터폼을 매개로 주조법, 소결법 또는 도금법으로 제조되는데 주조법이나 소결법은 대량생산이 어려워 주로 도금법을 이용하게 된다. 도금법으로 개포형 발포금속을 제조하는 경우에 폴리우레탄 필터폼(Poly Urethane Filter Foam: PU 폼)에 먼저 전처리 작업에 의해 전도성을 부여하여 무전해도금을 행하고 무전해도금막의 두께를 더하기 위하여 전기도금과정을 행한다. 전기도금에 의해 일정 두께로 금속이 도금된 후 고온으로 열처리하면, PU 폼은 태워져 제거되고 개포형 발포금속만이 남게된다. 이때 PU폼에 전도성을 부여하기 위하여 일반적으로 염화팔라듐촉매법을 행하는데 최근에는 고가의 염화팔라듐을 사용하지 않으면서 보다 간단한 공정으로 개포형 발포금속을 제조하려는 시도들이 계속되고 있다.

개포형 발포금속은 Cu, Ag, Ni, Al, Sn, Zn 등 여러 종류의 금속으로 제조가 가능하고, 황동이나 철-크롬 등 2 원계 합금이나 철-니켈-크롬 등과 같은 3원계 합금으로도 제조할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 대지와의 접촉 면적이 커서 동일한 크기의 종래기술에 의한 접지봉(판)에 비해 접지저항이 낮은 접지봉(판)을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 중량이 가벼워 운반 및 시공이 용이하고 자원을 크게 절감할 수 있는 접지봉(판)을 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 개포형 발포금속봉 또는 개포형 발포금속판 상부에 구리판이 접합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 접지봉 또는 접지판에 관한 것이다.

상기 개포형 발포금속의 재질은 금, 은, 구리, 니켈, 아연, 주석 또는 크롬과 같은 금속이나, 황동, 청동, 대용금(imitation gold, 구리-아연-주석 합금), 니켈-철, 크롬-철, 스테인레스강, 니켈-몰리브덴, 니켈-텅스텐 또는 니켈-코발트의 합금인 것이 바람직하다. 상기 금속 중, 금, 은, 니켈-텅스텐, 크롬-철 합금과 스테인레스스틸은 내식성이 강하여 접지봉(판)의 소재로 더욱 바람직하다. 이 중 은은 전기전도도가 금속 중 가장 높기 때문에 접지저항이 가장 낮을 뿐 아니라, 장기간 사용시에도 산화물의 형성에 의해 접지저항이 증가할 우려가 없기 때문에 가장 바람직하다. 종래의 원기둥 또는 판형태의 접지봉(판)의 경우에는 은의 가격이 상대적으로 비싸기 때문에 은으로 접지봉(판)을 만들어 쓰는 것은 현실적으로 불가능하지만, 본 발명의 접지봉(판)은 약 3~15%만의 은만으로도 제조가 가능하므로 큰 경제적 부담이 없이도 은 소재의 접지봉(판)을 제조할 수 있다.

개포형 발포금속봉(판)에 접지선으로부터 인가되는 전기가 잘 전달될 수 있도록 하기 위해서 발포금속봉(판)의 상부에 구리판을 접합시킨다. 상기 개포형 발포금속봉(판)과 상기 구리판의 접합은 브레이징용접(경납법)이나 솔더링(연납법)에 의해 이루어질 수 있다. 발포금속봉(판)이 상기와 같이 구리판에 접합되는 경우, 발포금속의 3차원 구조에 접합부분이 용접처리되어 접지저항이 줄어드는 효과가 있다. 경납법을 사용하는 경우, 브레이징용접(경납법)을 사용하여 은 성분을 배제하고 국부전지(galvanic cell) 현상을 최소화시키기 위해 인동 계열의 경납(filler metal)을 사용하여 수소분위기 중의, 700~1100℃사이의 온도에서 행하는 것이 바람직하다. 연납법과 경납법의 구분하는 기준은 온도로서 약 450℃정도를 기준으로하며 연납땜은 경납땜보다 융점이 낮은 금속을 합금하여 경납땜보다 낮은 온도에서 행하는 접합법이다.

본 발명의 접지봉 또는 접지판에 사용되는 개포형 발포금속의 제조방법은 종래기술의 영역에 속하므로 이에 대해서는 별도로 기술하지 않으며, 당업자라면 실시예에 기재된 방법과 발포 동 이외에도 종래기술을 참작하여 모든 종류의 발포금속을 용이하게 제조할 수 있을 것이다. 또한, 실시예에서는 발포형 개포금속을 이용하여 제조한 접지판에 대해서만 접지저항을 측정하여 그 효능을 비교하였으나, 그 형상은 판모양에 한정되는 것은 아니며 접지봉 역시 유사한 효과를 얻을 수 있음은 당업자라면 용이하게 예측하여 적용할 수 있을 것이다. 또한, 접지봉과 접지판은 그 모양의 차이만 있을 뿐으로 봉 형상의 접지인 접지봉 역시 실시예를 참조하면 용이하게 구성할 수 있을 것이다.

개포형 발포금속을 이용한 본 발명의 접지봉(판)은 동일 재질의 접지봉(판)에 비해 접지저항을 효과적으로 저감하여 접지 특성이 우수하였다.

본 발명의 접지봉 또는 접지판에 의하면 대지와의 접촉면적이 크기 때문에 접지저항이 낮아 낙뢰나 비이상적인 전류로 인한 과전류를 대지로 빠르게 흘려보낼 수 있다.

또한 재질이 은 등과 같이 내식성이 강하고 전기전도도가 높으나 고가이므로 사용이 불가능하였던 재질의 금속이라도 기존 접지봉(판)의 3~15% 만으로도 제조가 가능하므로 비용의 부담없이 사용이 가능하다.

또한 기존 접지봉이나 접지판의 무게의 약 10%이기 때문에 자원의 절약 측면에서 상당한 비용이 절감될 뿐 아니라 시공 시 운반 및 설치가 용이하다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 예시적인 목적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예

실시예 1 : 접지판의 제조

폴리우레탄 필터폼을 10~25% 수산화 나트륨 수용액에 침지하여 95℃에서 15분간 유지하였다. 상기 수산화 나트륨 용액을 아세트산으로 중화한 후 폴리우레탄 폼을 꺼내어 수세하였다.

이어 1L 당 염화주석(II) 5 g, 염산(HCl) 7 ㎖를 함유하는 수용액에 침적하여 30~45℃에서 30분 동안 방치한 후 꺼내어 수세하였다. 이어 1L 당 염화팔라듐(PdCl₂) 0.3g, 염산(HCl) 2 ㎖를 함유하는 수용액에 침지하여 30~40℃에서 30분간 유지한 후 꺼내어 수세하였다. 수세한 폴리 우레탄폼을 공기교반과 여과장치가 있는 도금욕조에 침지하여 1~3㎛ 두께의 막이 형성되도록 40~50℃에서 15~20분간 무전해 동도금을 실시하였다. 도금액으로는 1 L당 황산동(CuSO₄·5H₂O) 35g, 가성소다(NaOH) 49g, 롯셀염(KNaC₄H₆O₆) 170g, 37% 포르말린(HCHO) 10㎖이 함유된 수용액을 사용하였다. 무전해 도금이 완료되면 꺼내어 수세하였다.

수세 후 무전해도금된 폴리우레탄 필터폼은 다시 전기도금액에 침적하여 20~25℃에서 전류밀도 0.1~0.5A/dm²의 조건에서 5~20분간 스트라이크 처리한 후 , 전류밀도 1~10A/dm²의 조건에서 도금층의 두께가 10~50㎛가 되도록 전기도금하였다. 전기도금액은 lL 당 황산동(CuSO₄·5H₂O) 200g, 황산(H₂SO₄) 60㎖, KOTAC(Daiwa Special Chemical사) 4cc가 함유된 용액을 사용하였다. 전기도금이 완료되면 생성된 구리폼을 수세하여 잔류하는 도금액을 모두 세정한 후, 수소환원 열처리로에서 850~900℃를 유지하며 50분간 열처리하였다.

전술한 방법에 의해 제조한 발포 동을 300×300×25㎤ 및 500×500×25㎤ 크기로 자른 후 각각의 상부나 중심 부에 구리판을 연납법, 경납법으로 용접하거나 구리판을 볼트 체결하고 구리판에 리드선을 터미널 단자나 직접 용접 등으로 연결하여 접지판을 구성하였다.

구체적인 접지봉과 접지판의 구성 예는 도3 과 도4에 도시하였다.

실시예 2 : 접지저항의 측정

실시예 1에서 제조한 접지판에 의한 접지저항을 측정하고 그 결과를 표 1에 나타내었다. 비교를 위하여 동일 조건에서 시중에서 흔히 유통되는 구리 재질의 접지봉 및 접지판을 사용하였을 경우의 접지저항을 측정하여 함께 나타내었다.

보다 구체적으로 대지 저항율이 800Ω·m인 지면에 표 1의 접지봉 또는 접지판을 75cm 깊이로 매설하고 동선을 연결한 후 3점식 측정기(LEM사의 UNILAP GEO X)를 사용하여 전위강하법에 의해 접지저항값을 측정하였다. 시험전류 순환을 위한 전극은 접지봉 또는 접지판으로부터 10m 이격된 위치에 설치하였다. 접지봉 또는 접지판을 2개 연결하여 측정하는 경우에는 접지봉(판)끼리의 간격이 2m가 되도록 병렬 연결하였다.

표 1에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 개포형 발포금속으로 이루어진 접지판은 같은 재질의 접지봉이나 접지판에 비해 접지저항을 효과적으로 감소시킬 수 있었다.

도 1은 접지봉의 수에 따른 접지 저항의 변화를 보여주는 그래프.

도 2는 접지와 대지의 접촉 면적에 대한 접지저항의 변화를 보여주는 그래프.

도 3은 일실시예에 의한 접지봉의 모식도.

도 4는 일실시예에 의한 접지판의 사진.

Claims (3)

1. 개포형 발포금속봉 또는 개포형 발포금속판 상부에 구리판이 접합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 접지봉 또는 접지판.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 개포형 발포금속의 재질이 금, 은, 구리, 니켈, 아연, 주석, 크롬, 황동, 청동, 대용금(imitation gold), 니켈-철, 크롬-철, 스테인레스스틸, 니켈-몰리브덴, 니켈-텅스텐 또는 니켈-코발트의 합금인 것을 특징으로 하는 접지봉 또는 접지판.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 개포형 발포금속봉 또는 개포형 발포금속판과 상기 구리판의 접합은 브레이징용접(경납법)이나 솔더링(연납법)에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 접지봉 또는 접지판.

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