KR20140019960A - 편조용 동복 알루미늄 선재, 이를 포함하는 케이블 및 편조용 동복 알루미늄 선재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

편조용 동복 알루미늄 선재, 이를 포함하는 케이블 및 편조용 동복 알루미늄 선재의 제조방법이 개시된다. 본 발명의 실시예들에 따른 편조용 동복 알루미늄 선재, 이를 포함하는 케이블 및 편조용 동복 알루미늄 선재의 제조방법은 편조 공정에의 단선 확률을 낮춰 케이블 생산성을 향상시키고, 케이블 무게를 줄여 운송이나 포설하는 작업자의 작업용이성을 보장하며, 구리 선재만으로 이루어진 편조 보다 재료비를 감소시켜 원가 절감을 달성할 수 있다.

Description

편조용 동복 알루미늄 선재, 이를 포함하는 케이블 및 편조용 동복 알루미늄 선재의 제조방법{copper clad aluminum wire for braiding and cable including the same, manufacturing method of copper clad aluminum wire for braiding}

본 발명은 편조용 동복 알루미늄 선재, 이를 포함하는 케이블 및 편조용 동복 알루미늄 선재의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 편조 공정에의 단선 확률을 낮춰 케이블 생산성을 향상시킬 수 있고 비용절감 및 작업편이성을 보장할 수 있는 편조용 동복 알루미늄 선재, 이를 포함하는 케이블 및 편조용 동복 알루미늄 선재의 제조방법에 관한 것이다.

최근 국제 구리 가격 상승 및 원자재 가격 상승으로 케이블 편조의 주요 소재인 구리 매입에 소요되는 비용이 많이 증가함에 따라 구리와 동등한 수준의 전기적 특성을 발휘하면서도 가격과 성능 면에서 구리를 대체할 수 있는 소재에 대한 필요성이 증가하고 있다.

대체 소재의 개발에 있어 가장 큰 문제점은 구리와 동등한 수준의 전기적 특성을 가지면서도 기계적, 물리적 특성이 케이블 편조로 사용하기에 충분한 신뢰성을 가지는 소재를 확보하는 것이 어렵다는 것이다.

즉, 케이블 편조 소재 개발에 있어서는 구리와 동등하거나 만족할만한 수준의 도전율을 가지면서도 기계적, 물리적 특성이 케이블에 사용하기 충분한 신뢰성을 가지는지 여부가 제품 설계의 기준이 되며, 이를 만족하는 재료의 개발 및 케이블 적용을 위한 연구가 진행 중이다.

기존에 케이블 편조 재질로 가장 많이 사용되어 왔던 구리는 케이블 도체 소재로는 최적의 조건인 높은 도전율과 낮은 가격으로 인해 오랜 기간 주요 소재로 사용되어 왔다.

그러나 원자재 가격의 상승으로 구리의 가격이 기존에 비해 3배 이상 증가함에 따라 이보다 전기적 특성은 낮지만 가격이 저렴한 알루미늄 등을 편조 소재로 사용하기 위한 연구가 지속되고 있다.

그런데 알루미늄은 구리에 비해 낮은 전기적 특성을 갖는 문제뿐만 아니라 물리적인 특성, 특히 연신율이나 강도가 낮기 때문에 도체의 연선 공정에 비해 가혹한 편조 공정에서 단선이 발생하지 않을 정도의 특성을 맞추기 힘든 문제가 있다. 그리고, 알루미늄 합금의 경우에는 합금계열에 따라 이러한 물리적 특성을 보완할 수 있지만 대신 도전율이 상당히 낮아지는 문제가 있다.

이에 대한 대안으로 제안된 것이 구리 스트립(strip)을 알루미늄 로드(rod)에 감싼 형태의 선재인 동복 알루미늄 선재(Copper clad aluminum wire, CCA)이다. 동복 알루미늄 선재의 전기적 특성은 구리와 알루미늄의 특성 사이에 위치하고 알루미늄 적용에 있어 가장 큰 문제 중 하나인 구리에 비해 낮은 물리적 특성을 어느 정도 해결할 수 있기 때문에 복합재료로서 구리를 대체할 대안으로 연구되고 있다.

그러나 동복 알루미늄 선재를 편조용으로 사용하는 경우 선재의 기계적 특성 중 특히 연신율이 낮기 때문에 편조 공정에서 단선이 일어날 확률이 높다. 그리고 편조공정을 무사히 진행했다 하더라도 제품의 사용에 있어서 연속적인 진동이나 반복적인 움직임에 의하여 케이블 사용과정에서 단선이 발생할 가능성이 크다.

또한, 동복 알루미늄 선재는 구리의 기계적 특성, 특히 연신율 기준으로 세팅된 기존 편조 설비에 적합하지 않으므로, 구리 선재에 비해 단선이 발생할 가능성이 크고 단선방지를 위해 편조 선속을 낮출 경우 생산성이 떨어지는 문제가 발생한다.

한편, 이러한 편조 공정을 적용하여 완성된 제품에 있어서는 케이블 편조로서 구리와 동등한 수준 이상의 유연성을 가져야 하며 케이블 포설 작업에서 편조의 변형이나 단선이 발생하지 않아야 한다.

구체적으로, 시공과정에서 편조 풀림이나 연결을 위한 벗김성 등이 좋아야 하며 특히 유연성이 매우 중요한 특성으로서 케이블 포설 시 작업자의 작업성에 직접적인 영향을 미치는 특성이므로 제품 설계 시에 이를 고려하여야 한다.

더 나아가, 동복 알루미늄 선재는 복합재료의 한계로 인해 구리에 비해 상대적으로 낮은 전기적 특성을 갖는다. 그렇기 때문에 케이블 편조의 목적이 전자파 차폐인 경우에는 구리 선재로 구성된 편조 보다 낮은 차폐율을 가지는 문제가 있다.

따라서 동복 알루미늄 선재를 케이블 편조로 활용하기 위해서는 구리와 알루미늄 함량의 비율, 기계적 강도, 연신율, 유연성, 전기적 특성 등 다수의 인자가 기술적으로 고려되어야 하며, 위와 같은 모든 필요조건을 만족함으로써 케이블 편조로 활용할 수 있는 편조용 동복 알루미늄 선재의 필요성이 대두되고 있다.

본 발명의 실시예들은 기존 구리 선재의 특성에 가깝거나 동등한 편조용 동복 알루미늄 선재를 제공함으로써 편조 공정에의 단선 확률을 낮춰 케이블 생산성을 향상시키고자 한다.

또한, 케이블 무게를 줄여 운송이나 포설하는 작업자의 작업용이성을 보장하고자 한다.

또한, 구리 선재만으로 이루어진 편조 보다 재료비를 감소시켜 원가 절감을 통해 전체적인 케이블 제조비용을 낮추고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 내선 및, 상기 내선을 둘러싸며 전체 부피의 15% 내지 25%를 차지하는 구리로 이루어진 외선을 포함하되, 신선 후 열처리 되는 것을 특징으로 하는 편조용 동복 알루미늄 선재가 제공될 수 있다.

상기 열처리는 400℃ 내지 500℃에서 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 열처리는 신선 후 라인 상에서 바로 열처리 되는 인시투(in-situ) 방식으로 이루어질 수 있으며, 열풀림(annealing) 처리 후 공냉시키는 방식으로 이루어질 수 있다.

상기 알루미늄 합금은 A1000계열 또는 A5000계열의 비열처리 합금으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 다수의 소선을 연선하여 이루어진 적어도 하나의 도체층과, 상기 도체층을 절연시키는 절연층과, 하나의 또는 다수가 연합된 상기 도체층의 절연층 외측을 감싸는 내부쉬스층과, 상기 내부쉬스층을 감싸며, 차폐, 접지 또는 강도보강의 적어도 하나의 기능을 수행하기 위한 편조층 및, 상기 편조층 외측에 구비되며, 내부 구성을 보호하기 위한 외부쉬스층을 포함하며, 상기 편조층은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 내선과, 상기 내선을 둘러싸며 전체 부피의 15% 내지 25%를 차지하는 구리로 이루어진 외선을 구비하고, 신선 후 열처리 되어 이루어진 편조용 동복 알루미늄 선재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 케이블이 제공될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 알루미늄 선재 또는 알루미늄 합금 선재 외주면에 구리 스트립을 둘러싸고 용접하는 단계와, 구리 부피가 15% 내지 25%를 차지하는 동복 알루미늄 선재를 신선하는 단계 및, 상기 신선된 동복 알루미늄 선재를 열처리하는 단계를 포함하는 편조용 동복 알루미늄 선재의 제조방법이 제공될 수 있다.

여기서 상기 구리 스트립 용접 시 발생하는 열을 냉각하는 단계가 더 포함될 수 있다.

상기 열처리하는 단계는 신선 후 라인 상에서 바로 열처리 되는 인시투(in-situ) 방식으로 이루어지며, 400℃ 내지 500℃에서 열풀림(annealing) 처리 후 공냉시키는 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예들은 기존 구리 선재의 특성에 가깝거나 동등한 편조용 동복 알루미늄 선재를 제공함으로써 편조 공정에의 단선 확률을 낮춰 케이블 생산성을 향상시킬 수 있다.

또한, 케이블 무게를 줄여 운송이나 포설하는 작업자의 작업용이성을 보장할 수 있다.

또한, 구리 선재만으로 이루어진 편조 보다 재료비를 감소시켜 원가 절감을 통해 전체적인 케이블 제조비용을 낮출 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 편조용 동복 알루미늄 선재가 제조되는 과정을 나타낸 구성도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 편조용 동복 알루미늄 선재의 제조공정을 나타낸 순서도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 편조용 동복 알루미늄 선재 제조 시 수행하는 열처리 관련 그래프
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 동복 알루미늄 선재 편조층이 적용된 케이블을 도시한 사시도
도 5는 본 발명의 실시예들과 비교 예들에 따른 편조층의 기계적, 전기적 특성을 수치로 나타낸 표
도 6은 도 5의 표에 나타난 비교 예들 중 단선이 발생한 결과를 도시한 평면도이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 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 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 편조용 동복 알루미늄 선재가 제조되는 과정을 나타낸 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 편조용 동복 알루미늄 선재의 제조공정을 나타낸 순서도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 편조용 동복 알루미늄 선재 제조 시 수행하는 열처리 관련 그래프이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 동복 알루미늄 선재 편조층이 적용된 케이블을 도시한 사시도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 편조용 동복 알루미늄 선재(10)는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 내선(12) 및, 상기 내선(12)을 둘러싸며 전체 부피의 15% 내지 25%를 차지하는 구리로 이루어진 외선(14)을 포함하되, 신선 후 열처리 되어 이루어질 수 있다.

상기 동복 알루미늄 선재(10)는 내측이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고 외측이 부피가 15% 내지 25%를 차지하는 구리로 이루어질 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 내선(12)의 외주면에 구리로 된 외선(14)을 둘러싸고 이를 용접하여 동복 알루미늄 선재(10)를 제조하게 된다.

여기서, 상기 내선(12)은 알루미늄만으로 이루어지거나 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있는데, 알루미늄 합금의 경우 AL(알루미늄), Fe(철), Cu(구리), Mg(마그네슘), Si(규소), Zn(아연)의 조성 원소와 그 외 기타 불순물을 포함하여 이루어질 수 있다.

이러한 알루미늄 합금 내선(12)을 제조하는 공정을 살펴보면, 먼저 AL(알루미늄), Fe(철), Cu(구리), Mg(마그네슘), Si(규소), Zn(아연) 등을 조성 원소로 하는 합금 소재를 준비한 후, 냉간 상태에서 목적하는 형상 및 외경으로 신선하여 완성할 수 있다.

특히, 본 발명에서는 순도가 높은(99%이상) A1000계열 알루미늄 합금과 Al-Mg계인 A5000계열 알루미늄 합금과 같은 비열처리 합금이 내선(12)으로 사용될 수 있다.

A1000계열 알루미늄은 낮은 강도를 갖는 특징이 있지만, 가공성, 내식성, 표면 처리성이 뛰어나고, 전기전도성, 열전도성도 우수해 송,배전용 재료 및 방열재료로 많이 사용된다. 따라서, A1000계열 알루미늄 합금은 양호한 전기적 특성을 발휘하여야 하는 케이블의 편조용으로 적용하는 것이 바람직하다.

그리고, A5000계열 알루미늄 합금은 낮은 도전율 대신 양호한 기계적 특성을 발휘하므로 구조재로 많이 활용되고, 합금의 종류도 많다. A5000계열 알루미늄은 일반 상태에서는 강도가 조금 저하하고 연신율이 증가하는 특징을 가지며 해수나 공업지대의 오염 대기에 강하므로, 이러한 특징을 활용할 수 있는 케이블에 적용하는 것이 바람직하다.

결론적으로, 도전율을 중요시할 경우에는 순도가 높은 A1000계열 알루미늄 합금을 적용하여 인장강도 12~14kgf/mm², 도전율 65% 내지 70%를 확보할 수 있는 동복 알루미늄 선재(10)를 사용하여야 하며, 기계적 특성을 중요시할 때에는 A5000계열 알루미늄 합금을 적용하여 인장강도를 17~20kgf/mm²까지 보강시키고 도전율 35% 이상을 확보할 수 있는 동복 알루미늄 선재(10)를 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 동복 알루미늄 선재(10)의 내선(12)을 둘러싸는 구리로 된 외선(14), 즉 구리 스트립은 동복 알루미늄 선재(10)의 전체 부피에서 15% 내지 25%, 더욱 바람직하게는 20% 내지 25%를 차지하도록 그 두께를 조절하여 적용할 수 있다.

즉, 편조용 동복 알루미늄 선재(10)에서 구리의 부피비는 전체 단면적 대비 15% 내지 25%가 적합하며, 보다 바람직하게는 20% 내지 25%에서 좋은 특성을 가진다.

그 이유는 동복 알루미늄 선재(10)의 기계적 특성은 일반적으로 코어재료인 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 특성과 클래딩 재료인 구리의 사이 값을 가지는데 구리의 부피비가 15%보다 낮은 경우에는 기계적 특성이 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 기계적 특성에 가까워져 유연한 특성을 얻기 힘들고, 반대로 구리 부피비가 높아지면 가격대비 증가하는 선재의 특성이 비효율적이기 때문이다.

도 1과 도 2를 참조하여 동복 알루미늄 선재(10)의 제조과정을 좀 더 구체적으로 살펴보면, 먼저 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 된 내선(12)에 구리 스트립으로 된 외선(14)을 둘러싸고 이를 용접기(19)로 용접한다(S10).

그리고, 상기 용접기(19)로 외선(14)을 용접할 때 발생하는 열을 냉각장치(30)를 통해 냉각한다(S20). 이는 용접으로 인하여 구리와 알루미늄 접촉 부위가 고온으로 상승하여 부식에 취약한 계면 반응층이 생성되고 박리될 가능성이 커지는 위험성을 방지하기 위함이다. 이러한 냉각장치(30)로는 저온의 불활성 기체를 분사하는 방식의 장치가 사용될 수 있다.

그 후 신선 다이스(40)를 거치면서 구리 부피가 15% 내지 25%, 더욱 바람직하게는 20% 내지 25%인 동복 알루미늄 선재(10)가 신선(wire drawing)되는데(S30), 신선과정을 통해 원하는 형상과 직경의 동복 알루미늄 선재(10)를 얻을 수 있다.

이때, 상기 신선 다이스(40)는 원통체 형상의 다이스 케이스(43)를 구비하며, 상기 다이스 케이스(43) 내측에는 선재입구(47)에서 부터 선재출구(49)까지 경사지게 통공 형성된 다이스팁(45)이 고정 설치될 수 있다.

상기와 같은 구조로 되어 있는 다이스팁(45)의 선재입구(47)를 통하여 굵은 직경의 선재가 들어가면, 상기 선재출구(49)를 통하여 보다 얇은 직경의 선재가 나오게 되며, 이를 통해 동복 알루미늄 선재(10)를 원하는 형상과 직경으로 신선하고 내선(12)과 외선(14)의 결합력을 높일 수 있다.

한편, 이와 같이 편조용 동복 알루미늄 선재(10)를 신선 후에는 열처리 가공을 추가로 수행할 수 있다(S40). 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 편조용 동복 알루미늄 선재(10)의 열처리는 신선 후 라인상에서 바로 열처리를 하는 인시투(in-situ) 방식을 적용할 수 있다.

열처리 방법에는 여러 가지가 있는데 각각 장·단점이 존재하며 크게 두 가지로 분류하면, 신선 후 라인상에서 바로 열처리를 하는 인시투(in-situ) 방식과 신선 이후 보빈(60)에 감겨진 상태로 로에 집어넣어 열처리를 하는 배치(batch) 방식으로 나눌 수 있다.

그런데 배치 방식 열처리는 열원에서 공급되는 열의 전달이 불균일하기 때문에 균일한 열처리 효과를 얻을 수 없고, 본 발명과 같이 고른 특성을 가져야 하는 선재를 생산하기 위해서는 신선과정에서 직결하여 열처리하는 직결 열처리 방법 즉, 인시투 공정을 적용하는 것이 바람직하다.

이 경우 배치 방식에 비해 별도의 열처리 시간이 소모되지 않으므로 생산성이 향상되는 효과 또한 가진다. 이러한 열처리 방법을 통해 A1000계열 합금을 사용한 동복 알루미늄 선재의 경우에는 연신율을 15% 이상, A5000계열 합금을 사용한 경우에는 연신율을 8% 이상이 되도록 열처리를 진행한다.

본 발명에 따른 편조용 동복 알루미늄 선재(10)는 알루미늄과 구리의 복합재료이므로 상기한 조건을 만족하기 위하여 열처리 온도는 일반적인 연동선의 열처리 조건보다 낮은 온도로 진행하여야 한다.

구체적으로, 도 3에 도시한 그래프와 같이, 본 발명에 따른 열처리 싸이클은 공정 중 발생한 가공경화(work hardening)을 제거하기 위하여 400℃ 내지 500℃ 사이에서 한차례 열풀림(annealing) 처리 후 공냉시키는 방식이 적합하다.

이는 400℃ 이하일 경우에는 열풀림이 완전치 않아 원하는 연신율이 달성되지 않고, 500℃ 이상일 경우 미세조직의 결정이 조대화(crystal growing)되어 인장강도를 포함한 전반적인 기계적 특성이 저하될 수 있기 때문이다.

동복 알루미늄 선재(10)의 열처리를 위해 다양한 열원이 사용될 수 있지만, 도 1에서와 같이 고주파 가열기(50)를 사용하여 신선 후 라인상에서 바로 400℃ 내지 500℃에서 가열할 수 있으며, 이후 공냉시킨 후 보빈(60)에 권취하여 취합함으로써, 편조용 동복 알루미늄 선재(10)를 생산할 수 있다.

이와 같이 생산된 본 발명에 따른 편조용 동복 알루미늄 선재(10)는 주로 선박/해양용 및 항만용 등 대구경 케이블 등에 주로 적용될 수 있으며, 차폐, 접지 또는 강도 보강 등의 목적으로 선박/해양용 전력, 제어, 신호, 통신, 센서 케이블 등에 적용할 수 있다.

구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이 상기한 동복 알루미늄 선재(10)를 편조 공정에 적용한 본 발명에 따른 케이블(1000)은 크게 다수의 소선(101)을 연선하여 이루어진 적어도 하나의 도체층(110)과, 상기 도체층(110)을 절연시키는 절연층(120)과, 하나의 또는 다수가 연합된 상기 도체층(110)의 절연층(120) 외측을 감싸는 내부쉬스층(130)과, 상기 내부쉬스층(130)을 감싸며, 차폐, 접지 또는 강도보강의 적어도 하나의 기능을 수행하기 위한 편조층(140) 및, 상기 편조층(140) 외측에 구비되며, 내부 구성을 보호하기 위한 외부쉬스층(150)을 포함하여 이루어질 수 있다.

물론, 여기서 상기 편조층(140)은 전술한 바와 같이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 내선(12)과, 상기 내선(12)을 둘러싸며 전체 부피의 15% 내지 25%를 차지하는 구리로 이루어진 외선(14)을 구비하고, 신선 후 400℃ 내지 500℃에서 열처리 되어 이루어진 편조용 동복 알루미늄 선재(10)로 이루어질 수 있다.

이때, 편조층(140)을 이루는 동복 알루미늄 선재(10)의 직경 a는 케이블 종류나 용도에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

상기 도체층(110)을 이루는 소선(101)은 구리, 알루미늄, 알루미늄 합금, 동복 알루미늄 등 용도에 따라 다양한 재질로 이루어질 수 있으며, 다수의 소선(101)을 소정 피치로 연선하여 생산할 수 있다. 이때, 상기 도체층(110)으로는 소선(101)을 연선한 후 압축시킨 압축도체를 적용하는 것도 가능하다.

상기 도체층(110) 외각에는 절연층(120)이 구비될 수 있다. 상기 절연층(120)은 절연성 및 내충격성 특성을 갖는 물질로 이루어지며, 상기 도체층(110)을 피복하여 보호하고 절연시키는 역할을 수행한다.

구체적으로, 상기 절연층(120)은 실리콘(Silicone), 가교 폴리에틸렌(Cross-linked polyethylene; XLPE), 가교 풀리올레핀(Cross Linked Polyollefin; XLPO), 에틸렌프로필렌고무(ethylene-propylene rubber; EPR), 폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC) 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다.

상기 절연층(120) 외측을 감싸는 내부쉬스층(130)은 외부 충격을 흡수함으로써 그 내부의 도체층(110)을 보호하는 역할을 수행한다. 상기 내부쉬스층(130)은 고분자 재료 중에서 상대적으로 내충격성이 크면서 비할로겐계(halogen free)인 폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC), 폴리클로프렌고무(polychloroprene rubber; CR), 크로로설폰화 폴리에틸렌(Chloro Sulfonated Polyethylene; CSPE), 염소화 폴리에틸렌(chlorinated polyethylene; CPE), 에틸렌초산비닐수지(ethylene vinyl acetate; EVA) 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 외부쉬스층(150)은 케이블(1000)의 최외곽에 구비되어 외부 충격이나 부식 작용으로부터 케이블(1000)을 보호한다. 상기 외부쉬스층(150)은 내부쉬스층(130)과 마찬가지로 내충격성이 크면서 비할로겐계(halogen free)인 폴리염화비닐(polyvinyl chloride; PVC), 폴리클로프렌고무(polychloroprene rubber; CR), 크로로설폰화 폴리에틸렌(Chloro Sulfonated Polyethylene; CSPE), 염소화 폴리에틸렌(chlorinated polyethylene; CPE), 에틸렌초산비닐수지(ethylene vinyl acetate; EVA) 또는 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다.

그리고 그 외에도 각 구성요소 사이에 테이핑 작업이 수행될 수 있으며, 전술한 케이블(1000)의 구성요소와 각 구성요소를 이루는 재질들은 필요에 따라 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예들과 비교 예들에 따른 편조층의 기계적, 전기적 특성을 수치로 나타낸 표이고, 도 6은 도 5의 표에 나타난 비교 예들 중 단선이 발생한 결과를 도시한 평면도이다.

도 5와 도 6을 참조하면, <실시예 1>에 나타난 조건 대로 선박용 케이블에 동복 알루미늄 선재를 적용하는 경우를 예로 들어 설명하면 다음과 같다.

우선 선박용 케이블 제조를 위하여 10SQ TA 연선 도체를 3상이 가능하도록 3개의 보빈에 나누어 준비하고 각각의 도체에 절연공정을 진행하여 절연된 도체를 제작한다.

이를 공정 중 풀리지 않는 범위의 연합피치를 설정하여 얀과 함께 연합 후 테이핑 작업까지 진행하면 테이핑 작업이 마무리된 연합 완료된 도체가 만들어진다. 이 상태의 케이블 반제품에 내부시스 작업을 진행하면 외경 약 20mm의 편조 가능한 반제품이 완성된다.

한편, 본 발명에 의해 만들어진 편조용 동복 알루미늄 선재를 편조 공정의 작업성 평가를 위해 직경 a를 0.16mm로 맞추어 생산하고 구리 부피는 21%를 적용하였다.

편조용 동복 알루미늄 선재의 제조방법은 본 발명의 내용과 같이 구리 스트립을 A1000계열 특히, A1350 로드(rod)를 둘러싼 형태로 조관하고 신선 공정을 거쳐 직경 0.16mm로 선재를 뽑아낸다.

신선 최종 단계에서는 라인상에 직접 고주파 가열기 등의 열처리 설비를 갖추어 450℃ 조건으로 열처리를 실시하였는데 신선공정 중 가공 경화된 선재의 연신율이 16%까지 회복되었고 인장강도는 약 14.5kgf/mm²인 것으로 측정되었다.

그리고, 이렇게 제조된 동복 알루미늄 선재를 준비된 외경 20mm의 반제품 케이블에 적용하여 편조 작업을 실시한다. 여기서 편조 구조는 편조 대상의 직경이나 편조 목적에 따라 달라질 수 있지만 본 실시예에서는 7합사 16타수로 진행하였고 편조 전 합사기를 통해 미리 선재를 7개씩 합사하였다.

편조 공정에서는 구리 선재와 동일한 세팅으로 낮은 선속에서 시작하여 점점 선속을 높이고, 편조 각도를 변경시켜가면서 작업성을 평가하였으며 평가 결과 구리와 동일한 속도로 편조 작업이 가능함을 확인하였다.

본 발명에 의하여 <실시예 1>과 같이 0.16 mm 동복 알루미늄 선재로 편조 작업을 실시하면 편조 외경, 편조 선속, 작업성은 동일 직경의 구리 선재로 편조를 진행할 때와 동등한 수준인 것으로 확인되었다.

그리고, 편조의 무게는 구리 선재 대비 49% 수준으로 낮아졌고 인장강도는 14.5kgf/mm²이며 구조해석 시뮬레이션 결과 케이블 포설시 인장력(980N)과 비틀림(80도/10m당)을 동시에 받는 환경에서의 안전율과 유연성은 구리 선재에 비해 높은 것으로 확인되었다. 도전율 또한 구리 선재 대비 66%로 적정 수준인 것으로 측정되었다.

한편, <실시예 2>에 나타난 조건 대로 항만용 케이블에 동복 알루미늄 선재를 적용하는 경우를 예로 들어 설명하면 다음과 같다.

우선 항만용 케이블 제조를 위하여 35SQ TA 연선 도체를 3상이 가능하도록 3개의 보빈에 나누어 준비하고 각각의 도체에 절연공정을 진행하여 절연된 도체를 제작한다.

이를 공정 중 풀리지 않는 범위의 연합피치를 설정하여 얀과 함께 연합 후 테이핑 작업까지 진행하면 테이핑 작업이 마무리된 연합 완료된 도체가 만들어진다. 이 상태의 케이블 반제품에 내부시스 작업을 진행하면 외경 약 40mm의 편조 가능한 반제품이 완성된다.

한편, 본 발명에 의해 만들어진 편조용 동복 알루미늄 선재를 편조 공정의 작업성 평가를 위해 직경 a를 0.35mm로 맞추어 생산하고 이때 구리 부피는 20%를 적용하였다.

편조용 동복 알루미늄 선재의 제조방법은 본 발명의 내용과 같이 구리 스트립을 A5000계열 특히, A5154 로드(rod)를 둘러싼 형태로 조관하고 신선 공정을 거쳐 직경 0.35mm로 선재를 뽑아낸다.

신선 최종 단계에서는 라인상에 직접 고주파 가열기 등의 열처리 설비를 갖추어 470℃ 조건으로 열처리를 실시하였는데 신선공정 중 가공 경화된 선재의 연신율이 11.8%까지 회복되었고 인장강도는 약 17.8kgf/mm²인 것으로 측정되었다.

그리고, 이렇게 제조된 동복 알루미늄 선재를 준비된 외경 40mm의 반제품 케이블에 적용하여 편조 작업을 실시한다. 본 실시예에서도 <실시예 1>과 같이 7합사 16타수로 진행하였고 편조전 합사기를 통해 미리 선재를 7개씩 합사하였다.

편조 공정에서는 구리 선재와 동일한 세팅으로 낮은 선속에서 시작하여 점점 선속을 높이고, 편조 각도를 변경시켜가면서 작업성을 평가하였으며 평가 결과 본 실시예에서도 구리와 동일한 속도로 편조 작업이 가능함을 확인하였다.

본 발명에 의하여 <실시예 2>과 같이 0.35 mm 동복 알루미늄 선재로 편조 작업을 실시하면 편조 외경, 편조 선속, 작업성은 동일 직경의 구리 선재로 편조를 진행할 때와 동등한 수준인 것으로 확인되었다.

그리고, 편조의 무게는 구리 선재 대비 48% 수준으로 낮아졌고 인장강도는 17.8kgf/mm²이며 구조해석 시뮬레이션 결과 케이블 포설시 인장력(980N)과 비틀림(80도/10m당)을 동시에 받는 환경에서의 안전율과 유연성은 구리 선재에 비해 높은 것으로 확인되었다. 도전율 또한 구리 선재 대비 37%로 적정 수준인 것으로 측정되었다.

이와 같이 본 발명에 따른 <실시예 1>과 <실시예 2>의 편조는 구리 부피가 15% 내지 25%, 더욱 바람직하게는 20% 내지 25%를 차지하는 동복 알루미늄 선재로 이루어지며, 신선 후 400℃ 내지 500℃ 범위 내에서 열처리함으로써 인장강도, 연신율, 도전율 등 기계적, 전기적 특성에 있어서 모두 적정 수준을 유지하였다.

한편, 도 5의 비교예에서 살펴볼 수 있듯이 본 발명에서 벗어나는 범위의 동복 알루미늄 선재를 편조에 적용하는 경우에는 만족하는 결과를 얻을 수 없다.

구체적으로 먼저 <비교예 1>에서는 열처리 조건은 본 발명의 범위를 만족하면서, 구리 부피%를 15% 내지 25%를 벗어나는 범위의 동복 알루미늄 선재를 편조에 적용하였다.

A1000계열에 구리 부피%를 10%로 한 동복 알루미늄 선재를 편조로 적용한 경우 인장강도나 도전율에서 적정 범위를 벗어난 결과가 도출되었으며, 제품외관도 도 6에 도시된 것처럼 단선이 발생하여 편조 특성이 안 좋은 것으로 확인되었다.

그리고, 같은 조건에서 구리 부피%를 30%로 한 동복 알루미늄 선재를 편조로 적용한 경우 구리 비율이 올라가서 편조 특성은 좋게 나왔지만 비용이 많이 증가하여 비용 대비 효율이 안 좋은 것으로 판명되었다.

한편 <비교예 2>에서 보는 바와 같이, 구리 부피%를 20%로 고정하고 열처리 조건을 달리하여 결과를 비교해 보면, 본 발명의 범위 내인 450℃에서 열처리 한 경우에는 기계적, 전기적 특성 및 제품 외관에 있어서 모두 양호한 결과를 얻었지만, 400℃ 이하인 300℃를 적용한 경우에는 연신율이 10%로 적정 범위를 벗어났고 제품 외관도 불량한 것으로 확인되었다.

그리고, 500℃ 이상인 600℃를 적용한 경우에는 인장강도가 10.6kgf/mm²로 적정 범위를 벗어났고 도 6에 도시된 것처럼 단선이 발생하여 편조 특성이 좋지 않은 것으로 결과가 나왔다.

그리고, 마지막으로 <비교예 3>에서 보듯이, 열처리 방식을 배치(batch)방식과 인시투(in-situ)방식으로 나누어 적용해 보면, 배치 방식은 결과 수치가 일응 적정 범위 내인 것으로 나왔지만, 매번 실험 시마다 결과가 균일하지 못하여 적정한 결과의 기대 가능성이 낮은 것으로 확인되었고, 실제 공정 적용시 생산효율이 저하되는 문제가 발생하였다.

따라서, 열처리 방식에 있어서도 본 발명의 실시예에서 언급한 바와 같이 인시투 방식을 적용하는 것이 바람직한 것으로 판명되었다.

이러한 본 발명의 실시예들에 따른 편조용 동복 알루미늄 선재와 이를 편조로 적용한 케이블은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명의 조건에 따라 제조된 동복 알루미늄 선재는 구리 선재의 편조작업 수준과 동일하게 세팅된 설비에서 편조 공정을 진행할 때에도 단선의 발생 확률이 낮다.

이는 편조 공정에서 단선이 발생하는 가장 큰 이유인 선재의 연신율이 상기 본 발명에 따른 제조기술을 통해 보완되었기 때문이다. 본 발명에 의한 공정을 적용한 경우 A1000계열의 경우는 15% 내지 20% 수준, A5000계열의 경우는 8% 내지 12%에 달하는 연신율을 확보할 수 있으며 이에 따라 단선확률의 감소하므로 케이블의 생산성을 향상시켜 구리와 동등한 수준의 제품 성능을 기대할 수 있다.

둘째, 높은 내비틀림, 내인장, 유연성 등의 특성을 확보할 수 있다. 실제 케이블 포설 시 선박 또는 해양용 케이블의 경우 인장력과 비틀림을 동시에 받는 환경에서 작업이 이루어진다. 이때 본 발명에 따른 적합한 구조설계를 통해 만들어진 편조는 동일한 소선경으로 만들어진 구리 편조에 비해 강도는 낮지만 케이블이 실제 사용되는 환경, 즉 포설시 인장과 비틀림이 동시에 주어지는 환경에서는 오히려 구리에 비해 안전율이 우수한 특성을 가지며 유연성 측면에서 우수함을 확인할 수 있다.

실제, 본 발명의 동복 알루미늄 선재를 편조로 적용한 케이블을 이용하여 시험한 결과 8도/m (10m당 80도) 수준의 비틀림과 100kgf(980N) 수준의 인장력을 적용한 경우에도 매우 양호한 특성을 보여주었다.

이러한 결과는 실제 제품 적용에 있어 신뢰성을 확보할 수 있는 매우 바람직한 결과이다. 또한, 이는 동복 알루미늄 선재와 구리 선재에 대한 동일 구조 편조체의 구조해석 시뮬레이션을 실행한 결과에서도 일치하였다.

셋째, 작업자가 케이블 포설 작업을 수행할 때 높은 편이성을 보장할 수 있다. 본 발명에 따른 동복 알루미늄 선재를 편조로 적용한 케이블은 상기한 바와 같이 좋은 특성을 발휘하면서도 무게가 구리를 적용한 경우에 비하여 절반 이하(A1000계열:49%, A5000계열:42%) 수준으로 많이 줄어들게 되므로, 수작업으로 수행하고 굴곡 환경이 많은 선박 또는 해양용 케이블 특성에 적합하다. 그리고, 접지 작업을 위해 편조를 뒤집어서 벗겨내거나 꺾을 시에 오히려 구리 선재로 만들어진 편조에 비해 더 쉽고 간편하게 작업할 수 있다.

물론, 동복 알루미늄 선재의 경우 차폐 성능에 직접적인 영향을 미치는 도전율이 구리에 비해 낮다는 단점이 있지만 선박 또는 해양용 케이블에서는 전자파의 차폐 목적보다 접지가 주목적이므로 크게 문제가 되지는 않는다.

넷째, 알루미늄은 구리에 비해 원자재 가격이 1/4 수준이기 때문에 동복 알루미늄 선재를 적용한 편조는 그 가격이 대략 구리 선재를 적용한 편조의 1/3 내지 1/2 수준이다. 따라서, 편조 재료의 원가가 절반 이하로 떨어지기 때문에 케이블 원가가 전체적으로 줄어들게 되어 원가절감 효과를 기대할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 일 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 : 동복 알루미늄 선재 12 : 내선
14 : 외선 140 : 편조층
1000 : 케이블

Claims (13)

1. 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 내선; 및
   상기 내선을 둘러싸며 전체 부피의 15% 내지 25%를 차지하는 구리로 이루어진 외선;을 포함하되,
   신선 후 열처리 되는 것을 특징으로 하는 편조용 동복 알루미늄 선재.
2. 제1항에 있어서,
   상기 열처리는 400℃ 내지 500℃에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 편조용 동복 알루미늄 선재.
3. 제1항에 있어서,
   상기 열처리는 신선 후 라인 상에서 바로 열처리 되는 인시투(in-situ) 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 편조용 동복 알루미늄 선재.
4. 제1항에 있어서,
   상기 열처리는 400℃ 내지 500℃에서 열풀림(annealing) 처리 후 공냉시키는 것을 특징으로 하는 편조용 동복 알루미늄 선재.
5. 제1항에 있어서,
   상기 알루미늄 합금은 A1000계열 또는 A5000계열의 비열처리 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 편조용 동복 알루미늄 선재.
6. 다수의 소선을 연선하여 이루어진 적어도 하나의 도체층;
   상기 도체층을 절연시키는 절연층;
   하나의 또는 다수가 연합된 상기 도체층의 절연층 외측을 감싸는 내부쉬스층;
   상기 내부쉬스층을 감싸며, 차폐, 접지 또는 강도보강의 적어도 하나의 기능을 수행하기 위한 편조층; 및
   상기 편조층 외측에 구비되며, 내부 구성을 보호하기 위한 외부쉬스층;을 포함하며,
   상기 편조층은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 내선과, 상기 내선을 둘러싸며 전체 부피의 15% 내지 25%를 차지하는 구리로 이루어진 외선을 구비하고, 신선 후 열처리 되어 이루어진 편조용 동복 알루미늄 선재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 케이블.
7. 제6항에 있어서,
   상기 열처리는 400℃ 내지 500℃에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 케이블.
8. 제6항에 있어서,
   상기 열처리는 신선 후 라인 상에서 바로 열처리 되는 인시투(in-situ) 방식으로 이루어지고, 400℃ 내지 500℃에서 열풀림(annealing) 처리 후 공냉시키는 것을 특징으로 하는 케이블.
9. 알루미늄 선재 또는 알루미늄 합금 선재 외주면에 구리 스트립을 둘러싸고 용접하는 단계;
   구리 부피가 15% 내지 25%를 차지하는 동복 알루미늄 선재를 신선하는 단계; 및,
   상기 신선된 동복 알루미늄 선재를 열처리하는 단계;를 포함하는 편조용 동복 알루미늄 선재의 제조방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 열처리는 400℃ 내지 500℃에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 편조용 동복 알루미늄 선재의 제조방법.
11. 제9항에 있어서,
    상기 구리 스트립 용접 시 발생하는 열을 냉각하는 단계를 더 포함하는 편조용 동복 알루미늄 선재의 제조방법.
12. 제9항에 있어서,
    상기 열처리하는 단계는 신선 후 라인 상에서 바로 열처리 되는 인시투(in-situ) 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 편조용 동복 알루미늄 선재의 제조방법.
13. 제9항에 있어서,
    상기 열처리 단계는 400℃ 내지 500℃에서 열풀림(annealing) 처리 후 공냉시키는 단계를 더 포함하는 편조용 동복 알루미늄 선재의 제조방법.

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