KR20160004256A - 절연 전선 및 그것을 이용한 전기ㆍ전자 기기, 모터 및 트랜스 - Google Patents

절연 전선 및 그것을 이용한 전기ㆍ전자 기기, 모터 및 트랜스 Download PDF

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후루카와 덴키 고교 가부시키가이샤
후루카와 마그넷트 와이야 가부시키가이샤
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Abstract

사각형 형상의 단면을 가지는 도체와, 해당 도체에 피복된 절연층으로 이루어지는 사각형 형상의 단면을 가지는 절연 전선으로서, 해당 절연층이, 기포를 포함하는 열경화성 수지로 이루어지는 발포층을 가지고, 단면이 평탄부와 코너부로 이루어지는 형상이며, 해당 평탄부의 두께를 T1[μm], 비유전율을 ε1로 하고, 코너부의 두께를 T2[μm], 비유전율을 ε2로 했을 때에, ε1 < 3이고, 또한 (T2/ε2) > (T1/ε1)의 관계를 만족하는 절연 전선 및 이것을 이용한 전기ㆍ전자 기기, 모터, 트랜스.

Description

절연 전선 및 그것을 이용한 전기ㆍ전자 기기, 모터 및 트랜스{INSULATED WIRE AND ELECTICAL AND ELECTRONIC EQUIPMENT, MOTOR, AND TRANSFORMER USING SAME}
본 발명은, 절연 전선 및 그것을 이용한 전기ㆍ전자 기기, 모터 및 트랜스에 관한 것이다.
인버터는, 효율적인 가변속 제어 장치로서, 차량용의 모터를 시작으로, 많은 전기 기기에 장착되고 있다. 그러나, 수 kHz ~ 수십 kHz로 스위칭이 행해지고, 그 펄스마다 서지 전압(surge voltag)이 발생한다. 이러한 인버터 서지는, 전반계(傳搬系)내에 있어서의 임피던스의 불연속점, 예를 들면 접속하는 배선의 시작단 또는 종단 등에 있어서 반사가 발생하고, 그 결과, 최대로 인버터 출력 전압의 2배의 전압이 인가된다. 특히, IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 등의 고속 스위칭 소자에 의해 발생하는 출력 펄스는, 전압 준도(峻度)가 높고, 그것에 의해 접속 케이블이 짧아도 서지 전압이 높으며, 또한 그 접속 케이블에 의한 전압 감쇠도 작아 그 결과, 인버터 출력 전압의 2배 가까운 전압이 발생한다.
인버터 관련 기기, 예를 들면, 고속 스위칭 소자, 인버터 모터, 변압기 등의 전기 기기 코일에는, 마그넷 와이어로서 주로 에나멜선인 절연 전선(절연 와이어라고도 한다)이 이용되고 있다. 따라서, 상술한 바와 같이, 인버터 관련 기기에서는, 인버터 출력 전압의 2배 가까운 전압이 걸리는 것으로부터, 인버터 서지에 기인하는 부분 방전 열화를 최소한으로 하는 것이, 절연 전선에 요구되고 있다.
일반적으로, 부분 방전 열화는, 전기 절연 재료의 부분 방전(미세한 공극 형태 결함 등이 있는 부분의 방전)으로 발생한 전하 입자의 충돌에 의한 분자쇄 절단 열화, 스퍼터링 열화, 국부 온도 상승에 의한 열 용융 혹은 열 분해 열화, 또는, 방전으로 발생한 오존에 의한 화학적 열화 등이 복잡하게 일어나는 현상을 말한다. 실제로 부분 방전 열화된 전기 절연 재료는, 그 두께의 감소가 보인다.
한편, 전기 기기의 소형화 및 고주파화에 수반하여, 최근에는 점적율(占積率)을 크게 할 수 있는 평각선(平角線)이 주목되고, 예를 들면, 차량용의 모터 등에의 적용이 진행되고 있다. 평각선에서는 전선끼리가 인접했을 때에 코너부에 공기 갭(空隙)이 형성되기 쉽고, 또한 도체 코너의 곡률반경이 작은 경우에는 전계(電界) 집중이 일어나서, 부분 방전이 발생하기 쉽다.
상기의 부분 방전의 문제를 해결하기 위해서, 평각선의 절연 피막의 두께를 크게 하는 시도가 이루어지고 있다. 예를 들면, 에나멜 평각선에 열가소성 수지를 피복하는 것이 제안되고 있다(특허 문헌 1 참조). 그러나, 절연 피막을 두껍게 하는 것은 점적율을 저하시키기 때문에, 개선의 여지가 있다. 또한, 절연 피막의 비유전율을 작게 하는 시도가 이루어지고 있다(특허 문헌 2, 3 참조). 그러나, 이들 수지를 절연 피막에 이용해도, 부분 방전 개시 전압의 점에서, 더 개선 여지가 있다.
일본 공개 특허 공보 2009-123418호 일본 공개 특허 공보 2012-234625호 일본 공개 특허 공보 2012-224714호
본 발명은, 상기 문제점을 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 높은 부분 방전 개시 전압을 유지하면서, 절연 피막(절연층)의 두께를 얇게 하여 점적율을 높이고, 또한 평각선의 코너부에 있어서의 절연성을 더 향상시킨 절연 전선 및 그것을 이용한 전기ㆍ전자 기기, 모터 및 트랜스를 제공하는 것이다.
본 발명자들은, 상기의 과제를 해결하기 위해서 예의 검토한 결과, 평각선 상에 기포를 포함시킨 열경화성 수지로 이루어지는 절연 피막을 형성하고, 또한 평탄부와 코너부에 있어서의 절연 피막의 유전율과 두께의 관계를 규정하는 것에 의해, 절연층의 두께가 얇아도 부분 방전 개시 전압이 높고, 평각선의 코너부의 절연성이 더 강화되며, 코너부의 부분 방전 개시 전압의 저하를 억제할 수 있는 것을 발견했다. 본 발명은, 이러한 발견(知見)에 근거하여 이루어진 것이다.
즉, 상기 과제는 이하의 수단에 의해 해결되었다.
(1) 사각형 형상의 단면을 가지는 도체와, 해당 도체에 피복된 절연층으로 이루어지는 사각형 형상의 단면을 가지는 절연 전선으로서, 해당 절연층이, 기포를 포함하는 열경화성 수지로 이루어지는 발포층을 가지고, 단면이 평탄부와 코너부로 이루어지는 형상이며, 해당 평탄부의 두께를 T1[μm], 비유전율을 ε1로 하고, 코너부의 두께를 T2[μm], 비유전율을 ε2로 했을 때에, ε1 < 3이고, 또한 (T2/ε2) > (T1/ε1)의 관계를 만족하는 절연 전선.
(2) 상기 절연층이, (T1/ε1) > 15의 관계를 더 만족하는 (1)에 기재된 절연 전선.
(3) 상기 발포층의 내주 및/또는 외주에, 기포를 포함하지 않는 무기포층을 가지는 (1) 또는 (2)에 기재된 절연 전선.
(4) 상기 발포층이, 폴리아미드이미드 수지 및 폴리이미드 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 열경화성 수지를 포함하는 (1) ~ (3) 중 어느한 항에 기재된 절연 전선.
(5) 상기 절연층이, 압출층을 가지고, 해당 압출층이, 비유전율 4 이하, 융점 260℃ 이상의 결정성 열가소성 수지를 포함하는 (1) ~ (4) 중 어느 한 항에 기재된 절연 전선.
(6) 상기 (1) ~ (5) 중 어느 한 항에 기재된 절연 전선을 이용한 전기ㆍ전자 기기, 모터, 트랜스.
본 명세서에 있어서, 「~」는, 그 전후에 기재되는 수치를 상한치 및 하한치로서 포함하는 의미로 사용된다.
본 발명에 의해, 부분 방전 개시 전압을 높게 유지하면서, 절연 피막의 두께를 얇게 하여 점적율을 높이고, 평각선의 코너부에 있어서의 절연성을 더 향상시킨 절연 전선 및 그것을 이용한 전기·전자 기기, 모터 및 트랜스를 제공할 수 있다. 또한, 본 명세서에 있어서, 「평각선」은, 사각형 형상의 단면을 가지는 도체 또는 사각형 형상의 단면을 가지는 절연 전선을 나타낸다.
특히, 본 발명의 절연 전선은, 사각형 형상의 단면을 가지는 도체 상에 기포를 포함하는 열경화성 수지로 이루어지는 발포층을 가지고, 평탄부의 절연 피막의 비유전율이 3 미만이기 때문에, 부분 방전 개시 전압이 높다. 또한, 본 발명의 절연 전선은, 평탄부 및 코너부에 있어서의 절연 피막의 두께와 비유전율의 사이에, 상기의 관계를 만족하는 것으로, 코너부의 절연성이 강화되고, 코너부의 부분 방전 개시 전압의 저하를 억제할 수 있다. 게다가, (T1/ε1) > 15의 관계를 만족하는 것으로, 부분 방전 개시 전압을 더 높게 할 수 있다.
한편, 본 발명의 절연 전선은, 상기 발포층의 내주 및/또는 외주에 기포를 포함하지 않는 무기포층을 가지는 것으로, 절연 피막의 절연 파괴 특성, 인장 강도 및 내마모성을 향상시킬 수 있다. 또한 본 발명의 절연 전선은, 발포층의 수지를, 폴리아미드이미드 수지 및/또는 폴리이미드 수지로 하는 것으로, 내열성이 우수하다.
또한, 절연층이, 그 최외층에 특정 비유전율 또한 특정 융점의 수지로 이루어지는 압출층을 마련하는 것으로, 절연층의 비유전율과 내열성을 떨어뜨리는 일 없이, 절연층의 두께를 크게 할 수 있고, 게다가 부분 방전 개시 전압을 더 높게 할 수 있다.
이 때문에, 본 발명의 절연 전선으로 이루어지는 코일은, 고점적율의 코일을 제작할 수 있기 때문에, 고성능인 모터 및 트랜스에 적합하게 이용할 수 있다.
본 발명의 상기 및 다른 특징 및 이점은, 적절하게 첨부된 도면을 참조하여, 하기의 기재로부터 보다 명백해질 것이다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시형태의 절연 전선을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 2는, 본 발명의 제2 실시형태의 절연 전선을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 제3 실시형태의 절연 전선을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 제4 실시형태의 절연 전선을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 제5 실시형태의 절연 전선을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 6은, 본 발명의 제6 실시형태의 절연 전선을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 7은, 본 발명의 절연 전선의 평탄부와 코너부를 나타내는 모식도이다.
도 8은, 발포층을 나타내는 모식도이다.
도 9는, 평각선 코너부와 평탄부의 쌓임으로 생기는 공극을 나타내는 모식도이다.
도 10은, 종래의 절연 전선의 일례를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 11은, 종래의 절연 전선의 다른 일례를 모식적으로 나타내는 단면도이다.
먼저, 본 발명의 절연 전선을 상세하게 설명한다.
≪절연 전선≫
본 발명의 절연 전선은, 사각형 형상의 단면을 가지는 도체와, 해당 도체에 피복된 절연층으로 이루어지는 사각형 형상의 단면을 가지는 절연 전선으로서, 해당 절연층이, 기포를 포함하는 열경화성 수지로 이루어지는 발포층을 가지고, 단면이 평탄부와 코너부로 이루어지는 형상이며, 해당 평탄부의 두께를 T1[μm], 비유전율을 ε1로 하고, 코너부의 두께를 T2[μm], 비유전율을 ε2로 했을 때에, ε1 < 3이고, 또한 (T2/ε2) > (T1/ε1)의 관계를 만족한다.
또한, 절연층이 발포층을 가진다는 것은, 절연층 그 자체가 발포층인 경우, 절연층이 복수의 층으로부터 이루어지고, 그 복수의 층의 하나가 발포층인 경우의 양쪽 모두를 의미한다.
이하, 본 발명의 절연 전선에 대해서, 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명의 절연 전선의 적합한 실시형태의 예를 도 1 ~ 도 6에 나타내는데, 본 발명의 절연 전선은 이들 실시형태로 한정되는 것은 아니다.
도 1에 나타내는 본 발명의 절연 전선의 일 실시형태인 단면도에서는, 단면이 평각형 형상의 도체(1)상에 기포를 포함하는 열경화성 수지로 이루어지는 발포층(3)이 절연층으로서 형성되고, 코너부의 절연층의 두께가 평탄부보다 크게 형성되어 있다.
도 2에 나타내는 본 발명의 절연 전선의 다른 실시형태인 단면도에서는, 단면이 평각형 형상의 도체(1)상에 기포를 포함하지 않는 내측 무기포층(4)과, 그 외주에 평탄부보다 코너부의 두께가 두꺼운 발포층(3)이 적층된 절연층(2)이 형성되어 있다.
도 3에 나타내는 본 발명의 절연 전선의 또 다른 실시형태인 단면도에서는, 단면이 평각형 형상의 도체(1)상에 기포를 포함하지 않는 내측 무기포층(4)과, 그 외주에 평탄부보다 코너부의 두께가 두꺼운 발포층(3)과, 그 외주에 외측 무기포층(5)이 더 적층된 절연층(2)이 형성되어 있다.
도 4에 나타내는 본 발명의 절연 전선의 또 다른 실시형태인 단면도에서는, 단면이 평각형 형상의 도체(1)상에 기포를 포함하지 않는 내측 무기포층(4)과, 그 외주에 평탄부보다 코너부의 두께가 두꺼운 발포층(3)과, 또한 그 외주에 외측 무기포층(5)과, 그 외주에 압출층(壓出層)(6)이 더 적층된 절연층(2)이 형성되어 있다.
도 5에 나타내는 본 발명의 절연 전선의 단면도는, 도 4의 변형이며, 단면이 평각형 형상의 도체(1)상에 기포를 포함하지 않는 내측 무기포층(4)과, 그 외주에 발포층(3)과, 또한 그 외주에 외측 무기포층(5)과, 그 외주에 평탄부보다 코너부의 두께가 두꺼운 압출층(6)이 더 적층된 절연층(2)이 형성되어 있다.
도 6에 나타내는 본 발명의 절연 전선의 단면도는, 도 4의 제2의 변형이며, 단면이 평각형 형상의 도체(1)상에 기포를 포함하지 않는 내측 무기포층(4)과, 그 외주에 평탄부보다 코너의 두께가 얇은 발포층(3)과, 또한 그 외주에 외측 무기포층(5)과, 그 외주에 평탄부보다 코너부의 두께가 두꺼운 압출층(6)이 더 적층된 절연층(2)이 형성되어 있다.
이하에서는, 도체, 절연층을 순차로 더 설명한다.
(도체)
본 발명의 절연 전선에 이용하는 도체(1)로서는, 종래로부터, 절연 와이어로 이용되고 있는 것을 사용할 수 있고, 예를 들면, 도전성의 금속이며, 구체적으로는, 구리, 알루미늄 또는 이들의 합금이고, 바람직하게는, 산소 함유량이 30 ppm 이하의 저산소 구리, 더 바람직하게는 산소 함유량이 20 ppm 이하의 저산소 구리 또는 무산소 구리의 도체이다. 산소 함유량이 30 ppm 이하이면, 도체를 용접하기 위해서 열로 용융시킨 경우, 용접 부분에 함유 산소에 기인하는 보이드의 발생이 없고, 용접 부분의 전기 저항이 악화되는 것을 방지함과 함께 용접 부분의 강도를 유지할 수 있다.
도체의 단면 형상은, 단면적이 커지는 형상이 바람직하고, 고정자-슬롯에 대한 점적율의 점에서 원형 이외의 형상을 가지는 것이 더 바람직하다. 본 발명에서는, 단면이 사각형(평각형) 형상의 도체를 사용하는데, 각부(角部)로부터의 부분 방전을 억제하는 점에서, 4모서리에 모따기(곡률반경(R))를 마련한 형상인 것이 바람직하다. 곡률반경(R)은 대략, 0.5㎜ 이하가 바람직하고, 0.2 ~ 0.4㎜의 범위가 보다 바람직하다. 도체의 단면의 크기(폭)는, 특별히 한정은 없지만, 장변이 대략 1 ~ 5㎜가 바람직하다. 단변과 장변의 길이의 비율은, 대략 1:1 ~ 1:4가 바람직하다.
(절연층)
본 발명에 있어서의 절연층은, 기포를 포함하는 열경화성 수지로 이루어지는 발포층을 가진다. 해당 발포층의 내주 및/또는 외주에 기포를 포함하지 않는 무기포층을 가져도 좋고, 외주에 압출층을 가져도 좋다. 절연층은, 도 1 ~ 6에 나타나는 바와 같이, 단면이 사각형 형상의 도체 상에 피복하여 형성된다.
절연층은, 평탄부의 두께를 T1[μm], 비유전율을 ε1로 하고, 코너부의 두께를 T2[μm], 비유전율을 ε2로 했을 때에, ε1 < 3이고, 또한 (T2/ε2) > (T1/ε1)의 관계를 유지하도록 형성된다. 또한, 평탄부는, 도체의 평탄한 부분을 피복하고 있는 부위로 정의하고, 코너부는, 도체의 코너부를 피복하고 있는 부위로 정의한다.
ε1은, 부분 방전 개시 전압의 관점에서, 2.8 이하가 바람직하고, 2.5 이하가 더 바람직하며, 2.3 이하가 특히 바람직하다. 하한은 한정되는 것은 아니지만, 실제적으로는 1.5 정도이다. 코너부의 절연성을 강화하는 관점에서, (T2/ε2)/(T1/ε1)의 값은, 1.05 이상이 바람직하고, 1.1 ~ 1.3의 범위가 더 바람직하다. 또한, (T1/ε1) > 15의 관계를 만족하면 부분 방전 개시 전압을 높게 할 수 있다는 점에서 보다 바람직하고, (T1/ε1) > 30인 것이 더 바람직하다. 상한은 한정되는 것은 아니지만, 실제적으로는 133 정도이다.
절연층의 두께는, 주사 전자 현미경(SEM) 혹은 시판의 현미경 등으로 측정을 할 수 있다. 관찰 배율은 절연층의 두께에 대응하여 적절하게 결정할 수 있는 것인데, 대략 400배 이상이 바람직하다. 평탄부의 절연층의 두께(T1)는 균일한 것이 바람직하다. 평탄부의 절연층의 두께가 균일한 경우, T1로 하는 측정 개소는 적절하게 결정할 수 있는 것이지만, 두께에 편차가 있는 경우는 평균치를 이용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 균등 간격으로 5점 이상을 측정하고, 평균치를 산출하는 것이 바람직하다. 코너부의 절연층의 두께(T2)는 반드시 균일할 필요는 없고, 코너부의 정점의 두께가 최대로 되어 있는 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서의 T2는, 도 7에 나타낸 바와 같이, 도체의 코너부의 중심과 정점을 연결한 직선상에 있어서의 절연층의 두께로 정의한다. 사각형 형상의 도체에 있어서는 4개의 평탄부와 4개의 코너부가 존재하는데, 각각의 평탄부 및 코너부의 절연층의 두께가 다른 경우는, 각각의 평균치 중 최소치가 되는 부위의 두께를 T1, T2로 한다.
절연층의 두께는, 상기의 조건, 즉, ε1 < 3이고, 또한 (T2/ε2) > (T1/ε1)를 만족하는 범위이면, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 부분 방전 개시 전압 유지의 관점에서, 절연층의 두께(T1)는, 40μm 이상이 바람직하고, 60μm 이상이 더 바람직하고, 80μm 이상이 특히 바람직하다. 점적율의 관점에서 상한은 200μm 이하가 바람직하고, 150μm 이하가 더 바람직하고, 100μm 이하가 특히 바람직하다.
비유전율은, 절연층의 정전 용량으로부터 산출할 수 있다. 절연층의 정전 용량은 시판의 LCR 미터 등을 이용하여 측정을 할 수 있다. 측정 온도, 주파수에 대해서는, 필요에 대응하여 변경해도 좋지만, 본 발명에 있어서는, 특별히 기재가 없는 한, 25℃(실질 25±5℃라도 상관없다), 100 Hz에 있어서 측정한 값이다. 도체의 단면이 사각형인 경우, 절연층 전체의 정전 용량(Cp)은, 평탄부의 정전 용량(Cf)과 코너부의 정전 용량(Ce)의 합계(Cp = Cf+Ce)이다. 구체적으로는, 도체의 직선부의 장변과 단변의 길이를 L1, L2, 도체 코너의 곡률반경을 R, 절연층의 평탄부의 평균 두께를 Tf, 절연층의 코너부의 평균 두께를 Te, 진공의 유전율을 ε0, 평탄부의 비유전율을 ε1, 코너부의 비유전율을 ε2로 하면, 평탄부의 정전 용량(Cf) 및 코너부의 정전 용량(Ce)은 하기 식으로 나타난다. 여기서, Cf는 4개의 평탄부의 합계의 정전 용량이며, Ce는 4개의 코너부의 합계의 정전 용량이다. 이들 식과 실측한 절연 전선의 정전 용량(Cp, Cf, Ce)으로부터 ε1 및 ε2를 산출할 수 있다. 또한, 정전 용량의 계산에 이용하는 절연층의 평탄부의 평균 두께(Tf)와 T1는 일치하지만, 정전 용량의 계산에 이용하는 절연층의 코너부의 평균 두께(Te)와 T2는 반드시 일치하지는 않는다.
식 1 : Cf = ε1×ε0×2×(L1+L2)/Tf
식 2 : Ce = ε2×ε0×2×π/Log{(R+Te)/R}
식 3 : Cp = Cf+Ce
(발포층)
발포층은, 기포를 포함하는 열경화성 수지로 형성된다. 열경화성 수지로 형성되면, 기계 강도가 우수하기 때문에, 기포가 찌그러지기 어렵다는 효과가 얻어진다. 또한, 열경화성 수지는 유리 전이점(Tg)이 200℃ 이상인 것이 바람직하고, 230℃ 이상이 보다 바람직하며, 250℃ 이상이 특히 바람직하다. 열경화성 수지는 유리 전이점이 200℃ 이상이면, 내열성이 높기 때문에 고온하에서 발포층이 연화(軟化)되기 어렵고 기포가 찌그러지지 않고 비유전율이 상승하기 어려워진다. 또한, 열경화성 수지가 복수의 유리 전이점을 가지는 경우는, 가장 저온의 것을 유리 전이점으로 한다. 열경화성 수지로서는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 폴리아미드이미드 수지(PAI) 또는 폴리이미드 수지(PI)를 적합한 것으로 들 수 있다. 비유전율 및 내열성의 점에서, 폴리이미드 수지가 특히 바람직하다. 시판의 열경화성 수지로서는, 예를 들면, 폴리아미드이미드 바니시(히타치카세이샤(日立化成社)제, 상품명: HI-406), 폴리이미드 바니시(유니치카샤(UNICHIKA社)제, 상품명: U 이미드)를 사용할 수 있다. 열경화성 수지는, 이것들을 1종 단독으로 사용해도 좋고, 또한 2종 이상을 혼합하여 사용해도 좋다.
발포층은, 도 8에 나타낸 바와 같이, 기포가 일정하게 분포하고 있는 구조[도 8(a)]라도 좋고, 발포층의 기계 특성의 관점에서, 기포를 포함하는 층(9)과 기포를 포함하지 않는 층(10)이 적층되어 있는 구조[도 8(b)]로 해도 좋다. 발포층에 있어서의 기포를 포함하지 않는 층(10)과, 후술하는 내측 무기포층 및 외측 무기포층과의 차이는, 전자는 기포를 포함하는 층에 협지되어 존재하는 점이며, 내측 무기포층은 편측면(片側面)이 도체와 접하고, 외측 무기포층은 편측면에 아무것도 존재하지 않거나, 혹은 기포를 포함하지 않는 압출층과 접한다. 기포를 포함하지 않는 층은 절연층의 비유전율을 증대시키므로, 발포층에 있어서 기포를 포함하지 않는 층의 합계 두께는, 발포층의 두께에 대해서 50% 이하가 바람직하고, 40% 이하가 더 바람직하며, 30% 이하가 특히 바람직하다. 기포를 포함하지 않는 층의 1층분의 두께는 5μm 이하가 바람직하고, 3μm 이하가 특히 바람직하다. 발포층에 있어서의 기포를 포함하지 않는 층의 층 수는 바람직하게는 1 ~ 30이고, 보다 바람직하게는 5 ~ 20이며, 더 바람직하게는 8 ~ 15이다. 기포를 포함하는 층과 기포를 포함하지 않는 층을 형성하는 수지 재료는, 층간의 밀착성의 관점에서, 동일 재료인 것이 바람직하다.
여기서, 도 9는, 평각선 코너부의 공극을 나타내는 모식도이며, 도 9(a), 및 도 9(b) 모두, 평탄부와 코너부의 인접부에 쐐기 형상의 공극이 생기는 것을 나타내는 것이다.
도 9(a)에서는, 3개의 평각선이 쌓여진 중앙부에 대략 V자 형상의 공극이 생기고, 또한 평행하게 나열된 2개의 평각선의 평탄부와, 상측에 있는 1개의 평각선의 좌우의 코너부와의 사이에 공극이 생긴다. 또한, 도 9(b)에서는 2개의 평각선 중, 상측의 경사지게 기울어진 평각선이 하측의 평각선에 접하는 코너 부분에서 좌우의 공간이 공극이 된다.
기포는 기포중에 있어서의 부분 방전 발생의 관점에서 연통하고 있지 않는 독립 기포인 것이 바람직하다. 기포는, 절연성, 특히 기포 내에 있어서의 부분 방전 발생의 점에서, 절연층의 두께 방향의 최대 기포 지름이 10μm 이하인 것이 바람직하고, 5μm 이하가 더 바람직하며, 3μm 이하가 특히 바람직하다. 기포의 최소지름은, 특별히 제한되지 않지만, 실제적으로는, 1nm 이상이다. 기포의 크기는 발포층의 단면을 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰하여 측정할 수 있다. 예를 들면, 임의로 선택한 10개의 기포의 기포 지름을 측정하고, 측정치의 산술 평균치를 산출하여, 구할 수 있다. 기포는, 단면이 사각형 형상이라도 좋고, 타원 형상, 원형 형상이라도 좋다. 유전율 저감의 점에서, 사각형 형상인 것이 바람직하다.
발포층의 체적에 차지하는 공극의 체적비(공극률)는, 상기의 조건, 즉, ε1 < 3이고, 또한 (T2/ε2) > (T1/ε1)를 만족하는 한 한정되는 것은 아니지만, 기계 특성의 관점에서, 70% 이하가 바람직하고, 60% 이하가 더 바람직하며, 50% 이하가 특히 바람직하다. 공극률의 하한은, 유전율의 관점에서, 20% 이상이 바람직하고, 30% 이상이 더 바람직하며, 40% 이상이 특히 바람직하다. 발포층의 체적에 차지하는 공극의 체적비(공극률)는, 종합적으로, 20 ~ 70%가 바람직하고, 30 ~ 60%가 더 바람직하며, 40 ~ 50%가 특히 바람직하다. 발포층의 공극률은, 발포층의 밀도(d) 및 발포층을 형성하는 수지의 밀도(do)로부터, 하기 식으로 산출할 수 있다. 각각의 밀도는, 예를 들면, 수중 치환법에 의해 측정한 값을 이용한다.
식 4 : {1-(d/do)}×100[%]
(내측 무기포층)
내측 무기포층은 발포층의 내주에 배치되고, 도체와 접한다. 내측 무기포층은, 단층이라도 좋고 복층이라도 좋고, 예를 들면, 두께, 생산성에 대응하여 적절한 층 수가 선택된다. 이 내측 무기포층은, 절연층의 내열성, 절연 파괴 특성, 인장 강도, 내마모성, 및 도체와의 밀착성의 향상에 기여한다. 내측 무기포층은, 내열성을 구비하고, 바니시화할 수 있는 수지로 구성하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 절연층의 내열성이 우수할 뿐만 아니라, 제조 공정에서 연속적으로 절연층을 성형할 수 있고, 내측 무기포층과 발포층과의 계면에 이물 등이 혼입되지 않기 때문에, 품질이 향상된다는 메리트가 얻어진다. 구체적으로는, 폴리아미드이미드(PAI), 폴리이미드(PI), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리페닐설폰(PPSU) 및 폴리에테르설폰(PES)을 들 수 있고, 폴리아미드이미드(PAI) 및 폴리이미드(PI)가 특히 적합하다. 이것들을 1종 단독으로 사용해도 좋고, 또한 2종 이상을 혼합하여 사용해도 좋다. 또한, 다른 수지를 적층하여 형성해도 좋다. 내측 무기포층 중, 도체와 접하는 표면에는 도체와의 밀착력이 높은 수지를 선택하는 것이 바람직하고, 밀착력을 더 향상시키기 위한 첨가제를 포함하는 것이 특히 바람직하다. 예를 들면, 구리 도체의 경우에는, 폴리아미드이미드 수지에 멜라민을 첨가한 수지로 이루어지는 층을 도체와의 접촉면에 배치하는 것이 좋다.
내측 무기포층의 두께는, 상기의 조건, 즉, ε1 < 3이고, 또한 (T2/ε2) > (T1/ε1)를 만족하는 한 한정되는 것은 아니지만, 절연층의 내열성, 절연 파괴 특성, 인장 강도, 내마모성, 및 도체와의 밀착성 등의 관점에서, 3μm 이상이 바람직하고, 5μm 이상이 더 바람직하며, 10μm 이상이 특히 바람직하다. 실제적으로는, 두께의 상한은 50μm 이하이다. 절연층의 유전율의 관점에서, 후술하는 외측 무기포층 및 압출층과의 합계의 두께가, 절연층 전체의 두께의 60% 이하가 바람직하고, 50% 이하가 더 바람직하며, 40% 이하가 특히 바람직하다.
(외측 무기포층)
외측 무기포층은 발포층의 외주에 배치된다. 외측 무기포층은, 단층이라도 좋고 복층이라도 좋고, 예를 들면, 두께, 생산성에 대응하여 적절한 층 수가 선택된다. 이 외측 무기포층은, 절연층의 내열성, 절연 파괴 특성, 인장 강도, 내마모성의 향상, 및, 후술하는 압출층을 부여한 경우에는, 압출층과의 밀착력의 향상에 기여한다. 외측 무기포층은 바니시화할 수 있는 수지로 구성하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 절연층의 내열성이 우수할 뿐만 아니라, 제조 공정에서 연속적으로 절연층을 성형할 수 있고, 외측 무기포층과 발포층과의 계면에 이물 등이 혼입되지 않기 때문에, 품질이 향상된다는 메리트가 있다. 구체적으로는, 폴리아미드이미드(PAI), 폴리이미드(PI), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리페닐설폰(PPSU) 및 폴리에테르설폰(PES)을 들 수 있고, 폴리아미드이미드(PAI) 및 폴리이미드(PI)가 특히 적합하다. 이것들을 1종 단독으로 사용해도 좋고, 또한 2종 이상을 혼합하여 사용해도 좋다. 또한, 다른 수지를 적층하여 형성해도 좋다. 외측 무기포층의 일부에 절연층의 내부분방전성(耐部分放電性)을 향상시키는 물질을 함유시켜도 좋다. 구체적으로는, 1차 입자 지름이 200㎚ 이하의 실리카, 티타니아를 적합한 것으로 들 수 있다. 외측 무기포층의 외주에 압출층을 부여하는 경우에는, 압출층과 접하는 표면에, 압출층과의 밀착력이 높은 수지를 선택하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기의 폴리에테르이미드, 폴리페닐설폰 및 폴리에테르설폰을 적합한 것으로 들 수 있다.
외측 무기포층의 두께는, 상기의 조건, 즉, ε1 < 3이고, 또한 (T2/ε2) > (T1/ε1)를 만족하는 한 한정되는 것은 아니지만, 절연층의 내열성, 절연 파괴 특성, 인장 강도, 내마모성, 및 압출층과의 밀착성 등의 관점에서, 3μm 이상이 바람직하고, 5μm 이상이 더 바람직하며, 10μm 이상이 특히 바람직하다. 절연층의 유전율의 관점에서, 상술한 내측 무기포층, 및 후술하는 압출층과의 합계의 두께가, 절연층 전체의 두께의 60% 이하가 바람직하고, 50% 이하가 더 바람직하며, 40% 이하가 특히 바람직하다. 실제적으로는, 두께의 상한은 100μm 이하이다.
내측 무기포층 및 외측 무기포층을 형성하는 수지는, 상기의 것으로 한정되지 않고, 내열성을 만족시키고, 비유전율을 저감시키며, 기계 강도를 향상시킨 수지로 형성되어도 좋다. 구체적으로는, 비유전율을 저감시키고, 기계 강도를 향상시킨 폴리아미드이미드 및 폴리이미드의 변성 수지를 이용할 수 있다. 이것에 의해 절연층의 비유전율을 보다 저감할 수 있고, 또한 인장 특성이나 마모성 등의 기계 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, 이러한, 비유전율을 저감시키고, 기계 강도를 향상시킨 수지는, 200℃ 이상의 유리 전이점을 가지고 있는 것이 바람직하다.
내측 무기포층 및 외측 무기포층은, 기포를 실질적으로 함유하지 않는, 소위중실층(中實層)이다. 여기서, 「실질적으로 함유하지 않는다」는, 기포를 전혀 함유하지 않을 뿐만 아니라, 특성에 영향을 주지 않는 정도로 기포를 함유하고 있는 경우도 포함한다. 예를 들면, 내측 무기포층의 단면을 주사 전자 현미경(SEM)으로 관찰한 관찰면에 있어서, 1개/㎠ 이하라면, 기포를 함유하고 있어도 좋다.
(압출층)
압출층은, 외측 무기포층의 외주에 배치되고, 비유전율이 4 이하, 융점이 260℃ 이상의 결정성 열가소성 수지를 포함하는 수지 재료를 압출 성형하여 이루어진다. 여기서, 비유전율의 하한은 2 이상이 바람직하고, 융점의 상한은 400℃ 이하가 바람직하다.
이 압출층은, 절연층의 절연 파괴 특성, 코너부의 절연성 강화, 인장 강도, 내마모성, 내약품성 및 내열성의 향상 등에 기여한다. 비유전율이 4 이하이므로, 절연층의 저비유전율성을 양호하게 유지할 수 있고, 융점이 260℃ 이상이므로, 절연층의 내열성을 양호하게 유지할 수 있다. 이 조건을 만족하는 결정성 열가소성 수지로서는, 예를 들면, 폴리에스테르수지, 불소수지, 폴리에테르에테르케톤(PEEK)(변성 폴리에테르에테르케톤을 포함한다), 열가소성 폴리이미드(열가소성 PI) 및 폴리페닐렌설파이드(PPS)를 들 수 있다. 이들 중에서도, 비유전율이 특히 작고, 인장 탄성률이 높으며, 인장 강도 및 내마모성이 우수하다는 점에서, 폴리에테르에테르케톤, 열가소성 폴리이미드 또는 폴리페닐렌설파이드가 특히 바람직하다. 시판의 열가소성 수지로서는, 폴리에테르에테르케톤(솔베이스페셜리티폴리머즈샤(SOLVAY SPECIALTY POLYMERS 社)제, 상품명: 키타스파이어 KT-820), 열가소성 폴리이미드(미츠이카가쿠샤(三井化學社)제, 상품명: 오람 PL450C), 폴리페닐렌설파이드(DIC사제, 상품명: FZ-2100) 등을 들 수 있다. 압출층을 형성하는 수지는, 내열성이나 절연성에 영향을 주지 않는 범위에서, 다른 수지나 엘라스토머, 각종 첨가제 등을 블랜딩(blending)한 것이라도 좋다.
본 발명에 있어서, 압출층에 이용하는 결정성 열가소성 수지의 비유전율은, 온도 25℃(실질적으로 25±5℃라도 상관없다), 주파수 100 Hz에 있어서의 값이며, 구체적으로는, 단면이 원형인 도체 상에, 상기의 수지를 압출 피복한 압출 절연 전선을 제조하여, 하기 식에 의해 구했다.
식 5 : εr* = Cp*ㆍLog(b/a)/(2πε0)
식 5에 있어서, εr*는 결정성 열가소성 수지의 비유전율, Cp*는 압출 절연 전선의 단위 길이당의 정전 용량[pF/m], a는 도체의 외경, b는 절연 전선의 외경, ε0는 진공의 유전율(8.855×10-12[F/m])을 각각 나타낸다. Cp*는 시판의 LCR 미터 등으로 측정할 수 있고, a 및 b는 시판의 마이크로미터 등으로 측정할 수 있다. 단면이 사각형 형상의 도체 상에, 상기의 결정성 열가소성 수지를 압출 피복한 압출 절연 전선을 이용한 경우는, 상술의 식 1 ~ 식 3에 의해 구할 수 있다.
유리 전이점 부근의 탄성률의 저하를 억제하고, 고온하에서의 기계 특성을 발휘할 수 있다는 점에서, 압출층을 형성하는 결정성 열가소성 수지의 결정화도를 높게 하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 결정화도는 50% 이상이 바람직하고, 70% 이상이 더 바람직하며, 80% 이상이 특히 바람직하다. 여기서의 결정화도는, 시차 주사 열량 분석(DSC)을 이용하여 측정할 수 있는 값으로, 결정성 수지가 규칙적으로 배열하고 있는 정도를 나타낸다. 예를 들면 압출층에 PPS를 이용한 경우에는, 무발포 영역을 적당량 채취하고, 예를 들면 5℃/min의 속도로 승온시키고, 300℃을 초과하는 영역에서 보이는 융해에 기인하는 흡열량(융해 열량)과 150℃ 근처에서 볼 수 있는 결정화에 기인하는 발열량(결정화 열량)을 산출하고, 융해 열량에 대한, 융해 열량으로부터 결정화 열량을 뺀 열량의 비율을, 결정화도로 한다. 계산식을 이하에 나타낸다.
식 6 : 피막 결정화도(%) = [(융해 열량-결정화 열량)/(융해 열량)]×100
압출층에 PPS 이외의 결정성 열가소성 수지를 이용한 경우에도, 융해열 피크 및 결정화 피크 온도는 다르지만, 동일하게 식 6에 의해 피막 결정화도를 산출할 수 있다.
압출층에 사용되는 결정성 열가소성 수지에는, 특성에 영향을 미치지 않는 범위에서, 산화 방지제, 대전(帶電) 방지제, 자외선 방지제, 광 안정제, 형광 증백제, 안료, 염료, 상용화(相溶化)제, 윤활제, 강화제, 난연제, 가교제, 가교 조제(助劑), 왁스, 가소제, 증점제, 감점제(減粘劑), 및 엘라스토머 등의 각종 첨가제를 배합해도 좋다.
(절연층의 형성 방법)
발포층은, 상술의 열경화성 수지를 특정 복수 종류의 용매에 녹인 바니시를, 도체상 혹은, 미리 도체상에 형성한 내측 무기포층 상에, 적절하게 복수회 도포, 베이킹로(爐)에서 베이킹하여 형성할 수 있다. 수지 바니시를 도포하는 방법은, 통상의 방법으로 좋고, 단면 형상이 사각형 형상의 도체의 경우, 우물정(井) 형상으로 형성된 「유니버셜 다이스」로 칭해지는 다이스를 이용하는 방법을 들 수 있다. 이 사각형 형상 도체에 이용하는 유니버셜 다이스의 세로변과 가로변의 사이는 일정한 곡률을 가지고 연결되도록 설계되어 있어도 좋다. 이들 수지 바니시가 도포된 도체는 통상의 방법으로 베이킹로에서 베이킹된다. 구체적인 베이킹 조건은, 사용되는 로의 형상 등에 좌우되는데, 대략 5m의 자연 대류식의 수직형 로(爐)라면, 400 ~ 600℃에서 통과 시간을 10 ~ 90초로 설정하는 것에 의해 달성할 수 있다.
발포층을 형성하는 방법으로서는, 열경화성 수지와, 특정 유기 용매 및 적어도 1종류의 고비등점 용매를 포함하는 1종류 이상, 바람직하게는 2종 이상의 용제를 혼합한 발포 바니시를 이용하는 것이 바람직하다.
발포층에 사용되는 발포 바니시의 유기 용제는 열경화성 수지를 용해시키는 용매로서 작용한다. 이 유기 용매로서는 열경화성 수지의 반응을 저해하지 않는 한은 특별히 제한은 없고, 예를 들면, N-메틸-2-피롤리돈(NMP), N,N-디메틸아세트아미드(DMAC), 디메틸술폭시드, N,N-디메틸포름아미드 등의 아미드계 용매, N,N-디메틸에틸렌우레아, N,N-디메틸프로필렌우레아, 테트라메틸요소 등의 요소계 용매, γ-부틸로락톤, γ-카프로락톤 등의 락톤계 용매, 프로필렌카보네이트 등의 카보네이트계 용매, 메틸에틸케톤, 메틸이소부틸케톤, 시클로헥사논 등의 케톤계 용매, 초산에틸, 초산 n-부틸, 부틸셀로솔브 아세테이트, 부틸카비톨 아세테이트, 에틸셀로솔브 아세테이트, 에틸카르비톨 아세테이트 등의 에스테르계 용매, 디글라임, 트리글라임, 테트라글라임 등의 글라임계 용매, 톨루엔, 크실렌, 시클로헥산 등의 탄화수소계 용매, 설포란 등의 설폰계 용매 등을 들 수 있다. 이들 중에서도 고용해성, 고반응 촉진성 등의 점에서 아미드계 용매, 요소계 용매가 바람직하고, 가열에 의한 가교 반응을 저해하기 쉬운 수소 원자를 갖지 않는 등의 점에서, N-메틸-2-피롤리돈, N,N-디메틸아세트아미드, N,N-디메틸에틸렌우레아, N,N-디메틸프로필렌우레아, 테트라메틸요소가 보다 바람직하고, N-메틸-2-피롤리돈이 특히 바람직하다. 이 유기 용제의 비등점은, 바람직하게는 160℃ ~ 250℃, 보다 바람직하게는 165℃ ~ 210℃이다.
기포 형성용으로 사용 가능한 고비등점 용매의 비등점은, 바람직하게는 180℃ ~ 300℃, 보다 바람직하게는 210℃ ~ 260℃이다.
이러한 비등점을 가지는 고비등점 용매는, 구체적으로는, 디에틸렌글리콜 디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 디에틸렌글리콜 디부틸에테르, 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르, 테트라에틸렌글리콜 모노메틸에테르 등을 이용할 수 있다. 기포 지름의 편차가 작은 점에 있어서 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르가 보다 바람직하다. 이들 외에도, 디프로필렌글리콜 디메틸에테르, 디에틸렌글리콜 에틸메틸에테르, 디프로필렌글리콜 모노메틸에테르, 디에틸렌글리콜 디에틸에테르, 디에틸렌글리콜 모노메틸에테르, 디에틸렌글리콜 부틸메틸에테르, 트리프로필렌글리콜 디메틸에테르, 디에틸렌글리콜 모노부틸에테르, 에틸렌글리콜 모노페닐에테르, 트리에틸렌글리콜 모노메틸에테르, 트리에틸렌글리콜 부틸메틸에테르, 폴리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 폴리에틸렌글리콜 모노메틸에테르, 프로필렌글리콜 모노메틸에테르 등을 사용할 수 있다.
고비등점 용매는, 1종이라도 좋지만, 기포가 넓은 온도 범위에서 발생하는 효과가 얻어지는 점에서, 적어도 2종을 조합하여 이용하는 것이 바람직하다. 고비등점 용매의 적어도 2종의 바람직한 조합은, 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르와 디에틸렌글리콜 디부틸에테르, 디에틸렌글리콜 디부틸에테르와 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜 모노메틸에테르와 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜 부틸메틸에테르와 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르이며, 보다 바람직하게는 디에틸렌글리콜 디부틸에테르와 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르, 트리에틸렌글리콜 모노메틸에테르와 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르의 조합이다.
기포 형성용의 고비등점 용매는, 열경화성 수지를 용해시키는 용매보다도 고비등점인 것이 바람직하고, 1종류로 발포 바니시에 첨가되는 경우에는 열경화성 수지의 용매보다 10℃ 이상 높은 비등점인 것이 바람직하다. 또한, 1종류로 사용한 경우에는, 고비등점 용매는 기포 핵제와 발포제의 양쪽의 역할을 가진다. 한편, 2종류 이상의 고비등점 용매를 사용한 경우에는, 가장 높은 비등점의 것이 발포제, 중간의 비등점을 가지는 기포 형성용의 고비등점 용매가 기포 핵제로서 작용한다. 가장 비등점의 높은 용매의 비등점은 특정 유기 용제보다 20℃ 이상 높은 것이 바람직하고, 30 ~ 60℃ 이상 높은 것이 보다 바람직하다. 중간의 비등점을 가지는 기포 형성용의 고비등점 용매는, 발포제로서 작용하는 용매의 비등점과 특정 유기 용제의 중간의 비등점이면 좋고, 발포제의 비등점과 10℃ 이상의 비등점 차인 것이 바람직하다. 중간의 비등점을 가지는 기포 형성용의 고비등점 용매가, 발포제로서 작용하는 용매에 비하여, 보다 큰 열경화성 수지의 용해도를 가지는 경우, 발포 바니시 베이킹 후에 균일한 기포를 형성할 수 있다. 2종류 이상의 고비등점 용매를 사용하는 경우에, 중간의 비등점을 가지는 고비등점 용매에 대한 가장 높은 비등점을 가지는 고비등점 용매의 사용 비율은, 예를 들면, 질량비로 99/1 ~ 1/99가 바람직하고, 기포의 형성의 용이라는 점에서 10/1 ~ 1/10이 보다 바람직하다.
발포층을, 도 8(b)에 나타낸 바와 같이, 기포를 포함하는 층과 기포를 포함하지 않는 층과의 적층 구조로 형성하려면, 우선, 상술의 발포 바니시를 도체에 도포, 베이킹하여 기포를 포함하는 층을 형성한 후, 형성된 기포를 포함하는 층의 위에, 통상의 방법으로 제작된 수지 바니시를 도포, 베이킹하여 기포를 포함하지 않는 층을 형성하고, 이후, 동일하게 하여, 기포를 포함하는 층 및 기포를 포함하지 않는 층을 소정 수 형성한다.
특히, 발포 바니시를 이용하여 기포를 포함하지 않는 층을 효율적으로 제작하는 방법으로서는, 바니시 도포시의 바니시 온도를 낮추는 방법이 있고, 이유에 대해서는 잘 알 수 없지만, 아마 이 현상은, 가열에 의한 증발을 부분적으로 억제하는 것에 의한 기포의 성장 저해에 의한 것으로 생각된다. 또한, 베이킹로의 풍속을 억제하는 등 증발 효율을 억제하는 수법을 이용하는 것으로도 적절하게 제작 가능하다. 예를 들면, 바니시 온도를 15℃까지 낮추면, 또는 풍속을 5m/초까지 억제하면, 발포 바니시를 이용해도 기포를 포함하지 않는 층을 효율적으로 제작할 수 있다.
발포층은, 상술의 발포 바니시를, 바람직하게는 복수회 도포, 베이킹하여 형성할 수 있다. 수지 바니시를 도포하는 방법은, 통상의 방법으로 좋고, 예를 들면, 도체의 단면 형상이 사각형이라면 우물정(井) 형상으로 형성된 「유니버셜 다이스」로 칭해지는 다이스를 이용하는 방법을 들 수 있다. 이 사각형 형상 도체에 이용하는 유니버셜 다이스의 세로변과 가로변의 사이는 일정한 곡률을 가지고 연결되도록 설계되어 있어도 좋다.
발포층에 있어서, 피막의 평탄부의 두께는 유니버셜 다이스와 도체 또는 내측 무기포층의 평탄부와의 간극에 의해서, 즉 발포 바니시의 도포되는 두께에 의해서 제어가 가능하다. 간극의 길이가 길수록 평탄부는 두껍게 할 수 있다. 또한, 코너부의 두께에 대해서는, 유니버셜 다이스의 세로변과 가로변의 사이의 연결부의 곡률반경(R)에 의해서 제어가 가능하다. 곡률반경(R)이 작을수록, 발포층의 코너부의 두께가 두꺼워진다.
도체 또는 내측 무기포층의 평탄부와 다이스의 평탄부의 간극은, 최대로 10 ~ 200μm가 바람직하고, 20 ~ 80μm가 보다 바람직하다. 너무 짧으면 도포가 불균일해지고, 너무 길면 베이킹 후의 외관 불량이 발생한다. 또한, 유니버셜 다이스의 세로변과 가로변의 연결부에 설치되는 곡률을 가지는 부분의 곡률반경(R)은, 0.01 ~ 1.0mm인 것이 일반적이다.
내측 무기포층 및 외측 무기포층은, 상술의 수지 바니시를, 바람직하게는 복수회 도포, 베이킹하여 형성할 수 있다. 수지 바니시를 도포하는 방법은, 통상의 방법으로 좋고, 예를 들면, 상술한 유니버셜 다이스를 이용하는 방법을 들 수 있다.
내측 무기포층 및 외측 무기포층에 있어서, 피막의 평탄부의 두께는 유니버셜 다이스와 도체의 평탄부와의 간극에 의해서, 즉 바니시의 도포되는 두께에 의해서 제어가 가능하다. 간극의 길이가 길수록 평탄부는 두껍게 할 수 있다. 또한, 코너부의 두께에 대해서는, 유니버셜 다이스의 세로변과 가로변의 사이의 연결부의 곡률에 의해서 제어가 가능하다. 곡률반경(R)이 작을수록, 발포층의 코너부의 두께가 두꺼워진다.
도선의 평탄부와 다이스의 평탄부의 간극은 최대로 10 ~ 200μm가 바람직하고, 20 ~ 80μm가 보다 바람직하다. 너무 짧으면 도포가 불균일해지고, 너무 길면 베이킹 후의 외관 불량이 발생한다. 또한, 유니버셜 다이스의 세로변과 가로변의 연결부에 설치되는 곡률을 가지는 부분의 곡률반경(R)은, 0.01 ~ 1.0mm인 것이 일반적이다.
이들 수지 바니시를 도포한 도체는 통상의 방법으로 베이킹로에서 베이킹 된다. 구체적인 베이킹 조건은 그 사용되는 로의 형상 등에 좌우되는데, 대략 5m의 자연 대류식의 수직형 로라면, 400 ~ 500℃에서 통과 시간을 10 ~ 90초로 설정하는 것에 의해 달성할 수 있다.
압출층은, 발포층 혹은 외측 무기포층 상에, 상술의 열가소성 수지를 압출 성형하여 형성할 수 있다. 압출 성형시의 조건, 예를 들면, 압출 온도 조건은, 이용하는 열가소성 수지에 대응하여 적절하게 설정된다. 바람직한 압출 온도의 일례를 들면, 구체적으로는, 압출 피복에 적절한 용융 점도로 하기 위해서, 융점보다 30℃ 이상, 바람직하게는 약 40℃에서 60℃ 이상 높은 온도로 압출 온도를 설정한다. 이와 같이, 압출 성형에 의해서 압출 피복 수지층을 형성하면, 제조 공정에서 베이킹로를 통과하는 회수를 줄일 수 있기 때문에, 발포층을 형성하는 수지의 열 열화나, 도체의 산화에 기인하는 도체와 절연층의 밀착력의 저하를 일으키는 일 없이, 절연층의 두께를 두껍게 할 수 있다는 이점이 있다.
[실시예]
이하에서, 본 발명을 실시예에 근거하여 더 상세하게 설명하는데, 본 발명은 이것들로 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명은, 상기의 본 발명의 실시형태 및 하기 실시예로 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사항의 범위 내에 있어서, 여러 가지의 변경이 가능하다.
(발포층을 형성하는 발포 PAI 바니시)
2L 세퍼러블 플라스크(separable flask)에 PAI 바니시(HI-406(상품명), 히타치카세이샤제, 수지 성분 33 질량% 용액)를 넣고, 이 용액에 기포 형성제로서 디에틸렌글리콜 디메틸에테르 및 트리에틸렌글리콜 디메틸에테르를 첨가하여, 발포층을 형성하는 발포 PAI 바니시를 얻었다.
(발포층을 형성하는 발포 PI 바니시)
발포층을 형성하는 발포 PI 바니시는, 2L용 세퍼러블 플라스크에, U 이미드(상품명, 유니치카샤제, 수지 성분 25 질량%의 NMP 용액) 1000 g을 넣고, 용제로서 NMP 75 g, 디에틸렌글리콜 디부틸에테르 50 g, 테트라에틸렌글리콜 디메틸에테르 200 g를 첨가하는 것에 의해 얻었다.
(내측 무기포층 및 외측 무기포층을 형성하는 PAI 바니시)
2L 세퍼러블 플라스크에 PAI 바니시(HI-406(상품명), 히타치카세이샤제, 수지 성분 33 질량% 용액)를 넣고, NMP를 더 첨가하여 수지 성분 26 질량% 용액으로 하고, 내측 무기포층 및 외측 무기포층을 형성하는 PAI 바니시를 얻었다.
(내측 무기포층 및 외측 무기포층을 형성하는 PI 바니시)
2L 세퍼러블 플라스크에 PI 바니시(U 이미드(상품명), 유니치카샤제, 수지 성분 25 질량% 용액)를 넣고, NMP를 더 첨가하여 수지 성분 20 질량% 용액으로 하고, 내측 무기포층 및 외측 무기포층을 형성하는 PI 바니시를 얻었다.
(외측 무기포층을 형성하는 PPSU 바니시)
PPSU로서 레이델 R(솔베이샤제, 상품명) 200 g를 NMP 1000 g에 용해시켜서 수지 성분 20 질량% 용액으로 하고, 외측 무기포층을 형성하는 PPSU 바니시를 얻었다.
(외측 무기포층을 형성하는 PES 바니시)
PES로서 스미카엑셀 4100G(스미토모카가쿠샤(住友化學社)제, 상품명) 100 g를 NMP 1000 g에 용해시켜서 수지 성분 10 질량% 용액으로 하고, 외측 무기포층을 형성하는 PES 바니시를 얻었다.
(외측 무기포층을 형성하는 PEI 바니시)
울템 1000(GE플라스틱사제, 상품명) 150 g를 NMP 1000 g에 용해시켜서 수지 성분 15 질량% 용액으로 하고, 외측 무기포층을 형성하는 PEI 바니시를 얻었다.
(압출층을 형성하는 PPS)
PPS로서 FZ-2100(DIC사제, 상품명)을 이용했다.
(압출층을 형성하는 PEEK)
PEEK로서 450G(빅트렉스쟈판샤(VICTREX JAPAN 社)제, 상품명)를 이용했다.
(압출층을 형성하는 열가소성 PI)
열가소성 PI로서 오람 PL450C(미츠이카가쿠샤제, 상품명)를 이용했다.
(도체)
도체는, 단면이 1.8mm×3.4mm(두께×폭)이며, 4모서리의 모따기 곡률반경 R = 0.3[mm]의 평각 도체(산소 함유량 15 ppm의 구리제)를 이용했다.
(실시예 1)
상기 도체 상에, 상기 PAI의 발포층을 가지는, 도 1에 나타나는 절연 전선을 제조했다. 구체적으로는, 유니버셜 다이스의 세로변과 가로변의 사이의 연결부의 곡률반경이 r = 0.2mm인 다이스를 이용하여, 도체 상에 발포 PAI 바니시를 도포하고, 로(爐) 온도 520℃, 1회당 20초로 베이킹을 행하고, 이것을 8회 반복하여, PAI의 발포층을 형성하고, 실시예 1의 절연 전선을 얻었다.
(실시예 2)
상기 도체 상에, 상기 PI의 내측 무기포층과, 상기 PI의 발포층을 가지는, 도 2에 나타나는 절연 전선을 제조했다. 구체적으로는, 유니버셜 다이스의 세로변과 가로변의 사이의 연결부의 곡률반경이 r = 0.3mm인 다이스를 이용하여, 도체 상에 PI 바니시를 도포하고, 로(爐) 온도 520℃, 1회당 20초로 베이킹을 행하고, 이것을 4회 반복하여, PI의 내측 무기포층을 형성하고, 그 위에, 발포 PI 바니시를 8회 베이킹하여, PI의 발포층을 형성하고, 실시예 2의 절연 전선을 얻었다.
(실시예 3)
상기 도체 상에, 상기 PAI의 내측 무기포층과, 상기 PAI의 발포층과, 상기 PI의 외측 무기포층을 가지는, 도 3에 나타내는 절연 전선을 제조했다. 구체적으로는, 유니버셜 다이스의 세로변과 가로변의 사이의 연결부의 곡률반경이 r = 0.4mm인 다이스를 이용하여, 도체 상에 PAI 바니시를 도포하고, 로(爐) 온도 520℃, 1회당 20초로 베이킹을 행하고, 이것을 2회 반복하여 PAI의 내측 무기포층을 형성하고, 그 위에, 발포 PAI 바니시를 8회 베이킹하여, PAI의 발포층을 형성하고, 그 위에, PI 바니시를 6회 베이킹하여, PI의 외측 무기포층을 형성하고, 실시예 3의 절연 전선을 얻었다.
(실시예 4)
상기 도체 상에, 상기 PAI의 내측 무기포층과, 상기 PAI의 발포층과, 상기 PPSU의 외측 무기포층과, 상기 PPS의 압출층을 가지는, 도 4에 나타내는 절연 전선을 제조했다. 구체적으로는, 유니버셜 다이스의 세로변과 가로변의 사이의 연결부의 곡률반경이 r = 0.4mm인 다이스를 이용하여, 도체 상에 PAI 바니시를 도포하고, 로(爐) 온도 520℃, 1회당 20초로 베이킹을 행하며, 이것을 6회 반복하여 PAI의 내측 무기포층을 형성하고, 그 위에, 발포 PAI 바니시를 8회 베이킹하여, PAI의 발포층을 형성하고, 또한 그 위에, PPSU 바니시를 2회 베이킹하여 외측 무기포층을 얻었다. 얻어진 외측 무기포층에 대해서 상기 PPS 수지를 다이스 온도 320℃, 수지압 30 MPa에서 압출기에 의해 피복하여 압출층을 형성하고, 실시예 4의 절연 전선을 얻었다.
(실시예 5)
상기 도체 상에, 상기 PAI의 내측 무기포층과, 상기 PAI의 발포층과, 상기 PES의 외측 무기포층과, 상기 PEEK의 압출층을 가지는, 도 5에 나타내는 절연 전선을 제조했다. 구체적으로는, 유니버셜 다이스의 세로변과 가로변의 사이의 연결부의 곡률반경이 r = 0.6mm인 다이스를 이용하여, 도체 상에 PAI 바니시를 도포하고, 로(爐) 온도 520℃, 1회당 20초로 베이킹을 행하고, 이것을 3회 반복하여 PAI의 내측 무기포층을 형성하고, 그 위에, 발포 PAI 바니시를 10회 베이킹하여, PAI의 발포층을 형성하고, 또한 그 위에, PES 바니시를 4회 베이킹하여 외측 무기포층을 얻었다. 얻어진 외측 무기포층에 대해서 상기 PEEK 수지를 다이스 온도 400℃, 수지압 30 MPa에서 압출기에 의해 피복하여 압출층을 형성하고, 실시예 5의 절연 전선을 얻었다.
(실시예 6)
상기 도체 상에, 상기 PAI의 내측 무기포층과, 상기 PAI의 발포층과, 상기 PEI의 외측 무기포층과, 상기 열가소성 PI의 압출층을 가지는, 도 5에 나타내는 절연 전선을 제조했다. 구체적으로는, 유니버셜 다이스의 세로변과 가로변의 사이의 연결부의 곡률반경이 r = 0.6mm인 다이스를 이용하여, 도체 상에 PAI 바니시를 도포하고, 로(爐) 온도 520℃, 1회당 20초로 베이킹을 행하며, 이것을 3회 반복하여 PAI의 내측 무기포층을 형성하고, 그 위에, 발포 PAI 바니시를 10회 베이킹하여, PAI의 발포층을 형성하고, 또한 그 위에, PEI 바니시를 3회 베이킹하여 외측 무기포층을 얻었다. 얻어진 외측 무기포층에 대해서 상기 열가소성 PI수지를 다이스 온도 400℃, 수지압 30 MPa에서 압출기에 의해 피복하여 압출층을 형성하고, 실시예 6의 절연 전선을 얻었다.
(실시예 7)
상기 도체 상에, 상기 PI의 내측 무기포층과, 상기 PI의 발포층과, 상기 PEI의 외측 무기포층과, 상기 PEEK의 압출층을 가지는, 도 6에 나타내는 절연 전선을 제조했다. 구체적으로는, 유니버셜 다이스의 세로변과 가로변의 사이의 연결부의 곡률반경이 r = 0.7mm인 다이스를 이용하여, 도체 상에 PI 바니시를 도포하고, 로(爐) 온도 520℃, 1회당 20초로 베이킹을 행하며, 이것을 3회 반복하여, PI의 내측 무기포층을 형성하고, 그 위에, 발포 PI 바니시를 8회 베이킹하여, PI의 발포층을 형성하고, 또한 그 위에, PEI 바니시를 3회 베이킹하여 외측 무기포층을 얻었다. 얻어진 외측 무기포층에 대해서 상기 PEEK 수지를 다이스 온도 400℃, 수지압 30 MPa에서 압출기에 의해 피복하여 압출층을 형성하고, 실시예 7의 절연 전선을 얻었다.
(비교예 1)
상기 도체 상에, 상기 PAI의 내측 무기포층을 절연층으로서 가지는, 도 10에 나타내는 절연 전선을 제조했다. 구체적으로는, 유니버셜 다이스의 세로변과 가로변의 사이의 연결부의 곡률반경이 r = 0.5mm인 다이스를 이용하여 도체 상에 PAI 바니시를 도포하고, 로(爐) 온도 520℃, 1회당 20초로 베이킹을 행하며, 이것을 16회 반복하여, PAI의 절연층을 형성하고, 비교예 1의 절연 전선을 얻었다.
(비교예 2)
상기 도체 상에, 상기 내측 무기포층으로서 제작한 PAI 바니시의 PAI층과, 상기 PEEK의 압출층을 가지는, 도 11에 나타내는 절연 전선을 제조했다. 구체적으로는, 비교예 1에서 얻은 절연 전선의 외주에, 상기 PEEK 수지를 다이스 온도 400℃, 수지압 30 MPa에서 압출기에 의해 피복하여 압출층을 형성하고, 비교예 2의 절연 전선을 얻었다.
이와 같이 하여 제조한, 실시예 1 ~ 7, 비교예 1 및 2의 절연 전선에 대해서 이하의 평가를 행했다. 결과를 표 1에 나타낸다.
(비유전율)
비유전율은, 절연 전선의 정전 용량을 측정하고, 정전 용량과 도체의 크기 및 절연층의 두께로부터, 상술의 식에 근거하여 산출했다. 정전 용량의 측정은, LCR 하이 테스터(히오키덴키카부시키가이샤(日置電機株式會社)제, 형식 3532-50)를 이용하여, 25℃에서 측정했다. 평탄부의 비유전율 ε1이 3 미만을 합격으로 하여 「B」로 나타내고, 2.5 이하를 특히 우수한 것으로 하여 「A」로 나타내며, 3 이상을 불합격으로 하여 「C」로 나타냈다.
(부분 방전 개시 전압)
부분 방전 개시 전압의 측정에는, 기쿠스이덴시고교(菊水電子工業)제의 부분 방전 시험기 「KPD2050」(상품명)을 이용했다. 부분 방전 개시 전압의 측정은, 평각선의 평탄부 및 코너부의 각각에 대해서 실시했다. 평탄부의 측정에는, 2개의 절연 전선의 단면으로 말하자면 장변이 되는 면과 면끼리를, 평각선의 길이 방향의 길이 100mm에 걸쳐서 겹치게 한 시료를 이용했다. 코너부의 측정에는, 한쪽의 평각선의 단면으로 말하자면 장변이 되는 면과 다른쪽의 평각선의 코너부를, 평각선의 길이 방향의 길이 100mm에 걸쳐서 접촉시킨 시료를 이용했다. 이 2개의 평각선의 도체간에 50 Hz 정현파의 교류 전압을 가하고, 승압은 50 V/초의 일정한 속도로 행하고, 10 pC의 부분 방전이 발생한 시점의 전압을 읽어냈다. 온도는 25℃에서, 측정했다.
부분 방전 개시 전압의 측정치가 0.7 kV(실효치) 이상인 경우를 합격으로 하여 「B」로 나타내고, 1 kV(실효치) 이상인 경우를 특히 우수한 것으로 하여 「A」로 나타내며, 0.7 kV(실효치) 미만인 경우를 불합격으로 하여 「C」로 나타냈다.
(종합 평가)
종합 평가는, 상술의 각 시험의 평가가 모두 「A」인 경우를 특히 우수한 것으로 하여 종합 평가 「A」로 나타내고, 「B」와 「A」인 경우를 종합 평가를 합격으로 하여 「B」로 나타내고, 어느 하나라도 「C」가 있는 경우를, 종합 평가를 불합격으로 하여 「C」로 나타냈다.
Figure pct00001
상기 표 1에 나타내는 바와 같이, 절연층이, 기포를 포함하는 열경화성 수지(실시예에서는 폴리아미드이미드 및 폴리이미드의 예를 나타냈다)로 이루어지는 발포층을 가지면, 절연층의 비유전율을 작게 할 수 있고, 평탄부의 비유전율 ε1이 3 미만을 달성할 수 있으며, 부분 방전 개시 전압을 높게 할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 구체적으로는, 실시예 1과 비교예 1과의 비교, 및 실시예 4 ~ 6과 비교예 2과의 비교에 의해, 절연층의 수지가 동일한 경우라도, 실시예 1 및 실시예 4 ~ 6이, 부분 방전 개시 전압이 높아져 있다.
또한, 평탄부의 두께를 T1[μm], 비유전율을 ε1로 하고, 코너부의 두께를 T2[μm], 비유전율을 ε2로 했을 때에, (T2/ε2) > (T1/ε1)의 관계를 만족하는 것에 의해, 코너부의 절연성이 강화되고, 코너부의 부분 방전 개시 전압의 저하를 억제할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 구체적으로는, 실시예 1 ~ 7 및 비교예 1에 나타나는 바와 같이, 상기 관계를 만족하는 실시예 1 ~ 7에 있어서는, 코너부의 부분 방전 개시 전압이 평탄부보다 높고, 상기 관계를 만족하지 않는 비교예 1에 있어서는, 코너부의 부분 방전 개시 전압이 평탄부보다 낮아져 있다.
또한, (T1/ε1) > 15의 관계를 만족하는 것에 의해, 부분 방전 개시 전압을 더 높일 수 있다는 것을 알 수 있었다. 구체적으로는, 실시예 1 ~ 7에 나타낸 바와 같이, 이 관계를 만족하는 것에 의해 부분 방전 개시 전압을, 평탄부, 코너부 모두 0.7 kV 이상으로 할 수 있다.
또한, 발포층의 내주 및 외주에 무기포층을 가지면, 부분 방전 개시 전압을 높일 수 있고, 압출층을 가지면, 부분 방전 개시 전압을 더 높일 수 있다. 구체적으로는, 실시예 4 ~ 7에 나타낸 바와 같다.
이상과 같이, 본 발명의 절연 전선은, 절연층의 유전율이 극히 작기 때문에, 절연층의 두께가 얇아도 부분 방전 개시 전압이 높고, 또한 평각선의 코너부의 절연성이 강화되는 것으로, 코너부의 부분 방전 개시 전압의 저하를 억제할 수 있다는 것을 알 수 있었다.
상술한 바와 같이, 절연 피막의 두께가 얇아도, 부분 방전 개시 전압이 높고, 또한 평각선의 코너부에 있어서의 절연성이 강화된 본 발명의 절연 전선은, 예를 들면, 자동차를 시작으로 각종 전기ㆍ전자 기기 등, 구체적으로는, 인버터 관련 기기, 고속 스위칭 소자, 인버터 모터, 변압기 등의 전기 기기 코일이나 우주용 전기 기기, 항공기용 전기 기기, 원자력용 전기 기기, 에너지용 전기 기기, 자동차용 전기 기기 등의, 내전압성이나 내열성을 필요로 하는 분야의 절연 와이어로서 이용 가능하다. 특히 HV(하이브리드 카)나 EV(전기 자동차)의 구동 모터용의 코일로서 적합하다.
본 발명의 절연 전선은, 모터나 트랜스 등에 이용되고, 고성능의 전기ㆍ전자 기기를 제공할 수 있다.
본 발명을 그 실시형태와 함께 설명했는데, 우리는 특별히 지정하지 않는 한, 우리의 발명을 설명의 어느 세세한 부분에 있어서도 한정하려고 하는 것이 아니며, 첨부의 청구의 범위에 나타낸 발명의 정신과 범위에 반하는 일 없이 폭넓게 해석 되는 것이 당연하다고 생각한다.
본원은, 2013년 4월 26일에 일본에서 특허출원된 일본특허출원 2013-094724에 근거하는 우선권을 주장하는 것이며, 이것은 여기에 참조하여 그 내용을 본 명세서의 기재의 일부로서 넣는다.
1 : 도체 2 : 절연층
3 : 발포층 4 : 내측 무기포층
5 : 외측 무기포층 6 : 압출층
7 : 에나멜 8 : 기포
9 : 기포를 포함하는 층
10 : 기포를 포함하지 않는 층 R : 도체 코너의 곡률반경
T1 : 평탄부의 두께 T2 : 코너부의 두께

Claims (6)

  1. 사각형 형상의 단면을 가지는 도체와, 해당 도체에 피복된 절연층으로 이루어지는 사각형 형상의 단면을 가지는 절연 전선으로서,
    해당 절연층이, 기포를 포함하는 열경화성 수지로 이루어지는 발포층을 가지고, 단면이 평탄부와 코너부로 이루어지는 형상이며, 해당 평탄부의 두께를 T1[μm], 비유전율을 ε1로 하고, 코너부의 두께를 T2[μm], 비유전율을 ε2로 했을 때에, ε1 < 3이고, 또한 (T2/ε2) > (T1/ε1)의 관계를 만족하는 절연 전선.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연층이, (T1/ε1) > 15의 관계를 더 만족하는 절연 전선.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 발포층의 내주 및/또는 외주에, 기포를 포함하지 않는 무기포층을 가지는 절연 전선.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발포층이, 폴리아미드이미드 수지 및 폴리이미드 수지로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 열경화성 수지를 포함하는 절연 전선.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 절연층이, 압출층(壓出層)을 가지고, 해당 압출층이, 비유전율 4 이하, 융점 260℃ 이상의 결정성 열가소성 수지를 포함하는 절연 전선.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 절연 전선을 이용한 전기ㆍ전자 기기, 모터, 트랜스.
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