KR20170072695A - 그래핀 복합 도선의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 그래핀 복합 도선의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 연속 공정으로 그래핀 복합 도선의 그래핀 두께의 정밀한 제어가 가능할 뿐만 아니라 그래핀 복합 도선의 제조시간 및 비용을 절감할 수 있는 그래핀 복합 도선의 제조방법에 관한 것이다.

Description

그래핀 복합 도선의 제조방법{Method for the preparation of graphene composite conducting line}
본 발명은 그래핀 복합 도선의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 연속 공정으로 그래핀 복합 도선의 그래핀 두께의 정밀한 제어가 가능할 뿐만 아니라 그래핀 복합 도선의 제조시간 및 비용을 절감할 수 있는 그래핀 복합 도선의 제조방법에 관한 것이다.
전력 송전선, 통신선, 무선전력용 세선 등의 전선은 기본적으로 전도성 도체를 포함한다. 상기 전도성 도체로서 전기전도도, 즉 도전율이 높은 금, 은 등의 귀금속을 사용하는 경우 이러한 전도성 도체를 포함하는 전선의 제조비용이 증가하고 또한 비중이 커 전선의 무게가 증가하기 때문에, 가격 대비 도전율이 높고 비중이 상대적으로 낮은 구리 또는 구리 합금, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 등을 사용한다.
그러나, 전선의 도체로서 구리, 알루미늄 등을 사용하는 경우 구리 등의 순도를 고순도로 하는 것만으로는 비저항을 낮추는데 한계가 있기 때문에, 도체의 전기전도성을 향상시키기 위해 단면적을 증가시키는 것이 불가피하고 이에 따라 상기 도체를 감싸는 절연층의 체적이 함께 증가하게 된다.
결과적으로, 상기 도체와 절연층을 포함하는 전선의 전체적인 직경이 증가하고, 이에 따라 상기 전선의 제조비용이 증가할 뿐만 아니라 배선시 공간을 많이 차지하고 전선의 굴곡특성이 저하되어 작업성이 저하되는 문제가 있다.
한편, 상기 도체에 흐르는 전류에 따른 전기저항에 의해 열이 발생하고 이러한 열은 상기 도체를 감싸는 절연층의 수명에 영향을 주기 때문에 상기 도체의 방열 특성은 중요하고, 특히 발열이 큰 고전압 전선의 경우 도체의 방열 특성은 더욱 중요하다. 또한, 상기 도체의 방열 특성이 좋을수록 상기 도체의 허용 전류를 상승시킬 수 있어 보다 많은 전력을 송신할 수 있다.
상기 도체로서 구리, 구리합금, 알루미늄, 알루미늄합금 등을 사용하는 경우 상기 방열 특성은 우수하나, 금, 은과 같은 귀금속에 비해 대기에서 산화에 의한 부식 및 변색이 쉽게 일어나기 때문에 결과적으로 전기저항이 증가하고 단자부에서의 접합 특성이 떨어지는 문제가 있다.
상기 도체로서 구리 등의 내산화성을 향상시키기 위해 상기 구리 등의 도체 표면을 내산화성이 높은 금속 또는 아연, 주석, 니켈 등의 희생 피막 금속을 도금하거나, 벤조트리아졸, 크로뮴산아연 등의 성분을 함유하는 방청유를 도포하는 기술이 적용 가능하나, 상기 도금 또는 도포는 도체 제조시 별도의 공정을 거쳐야 하기 때문에 제조시간 및 제조비용이 많이 소요되고, 특히 상기 도체의 전기저항을 증가시킬 수 있어 상기 도체를 포함하는 전선의 송전 특성 또는 신호 전달 특성이 저하될 수 있다.
따라서, 전기전도성, 방열특성 및 내산화성이 우수한 그래핀(graphene)이 코팅된 복합 도체가 이용되고 있다. 종래 그래핀(graphene) 코팅 공정은 진공에서 이루어지는 화학기상증착법(chemical vapor depostion; CVD) 또는 환원그래핀산화물(reduced graphene oxide) 분말을 이용한 방법이 적용되어 왔으나, 이러한 공정은 형성되는 그래핀 코팅의 두께를 균일하고 정밀하게 제어하는 것이 곤란할 뿐만 아니라, 연속공정으로 진행하기가 곤란해 복합 도체의 생산성에 한계가 있어 케이블용 도체에 적용하기가 어렵다.
따라서, 그래핀 복합 도체에서 그래핀 코팅의 두께를 균일하고 정밀하게 제어할 수 있는 동시에 연속공정으로 진행하는 것이 가능해 제조시간 및 제조비용을 절감할 수 있는 그래핀 복합 도체의 제조방법이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 그래핀 코팅의 두께를 균일하고 정밀하게 제어할 수 있는 그래핀 복합 도선의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 연속공정으로 진행할 수 있어 제조시간 및 제조비용을 절감할 수 있는 그래핀 복합 도선의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
a) 금속 도선을 제공하는 단계; b) 제공된 금속 도선을 신선하는 단계; c) 신선된 금속 도선을 그래핀 형성용 고분자 용액에 침지하는 단계; 및 d) 고분자 용액에 침지된 금속 도선을 300 내지 1,500 ℃에서 10 분 내지 2 시간 동안 소성시켜 금속 도선 표면에 그래핀을 성장시킴으로써 그래핀 코팅층을 형성하고 그래핀 복합 도선을 연화하는 단계를 포함하는, 그래핀 복합 도선의 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 그래핀 형성용 고분자 용액은 상기 용액의 총 중량을 기준으로 폴리아크릴로니트리릴(polyacrylonitrile; PAN)계, 피치계 및 레이온계 고분자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 고분자 1 내지 10 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 복합 도선의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 금속 도선은 이종 금속이 도금되거나 도금되지 않은 구리, 구리합금, 알루미늄 또는 알루미늄합금을 포함하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 복합 도선의 제조방법을 제공한다.
그리고, 상기 이종 금속은 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 납(Pb), 이리듐(Ir) 및 백금(Pt)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속인 것을 특징으로 하는, 그래핀 복합 도선의 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 이종 금속에 의한 도금 두께는 0.1 내지 0.7 ㎛인 것을 특징으로 하는, 그래핀 복합 도선의 제조방법을 제공한다.
한편, 상기 d) 단계 이후에 질산(HNO3) 용액을 이용하여 상기 그래핀 복합 도선의 표면을 화학적 처리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 복합 도선의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 d) 단계 이후에 바니시 코팅 및 소부단계, 권취유 도포단계, 권취단계, 검사단계, 자동계량 및 분류단계 및 포장단계로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 단계를 순차적으로 포함하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 복합 도선의 제조방법을 제공한다.
한편, 상기 d) 단계는 아래 수학식 2의 함수(ε) 값이 0.01 내지 0.1이 되도록 그래핀 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 복합 도선의 제조방법을 제공한다.
[수학식 2]
Figure pat00001
상기 수학식 2에서,
r은 상기 금속 도선의 반경이고,
δ는 아래 수학식 1에 정의된 바와 같고,
[수학식 1]
Figure pat00002
상기 수학식 1에서,
f는 상기 금속 도선에 흐르는 전류의 주파수이고,
μB는 상기 금속 도선의 투자율이고,
σB는 상기 금속 도선의 도전율이다.
t*는 아래 수학식 3에 정의된 바와 같다.
[수학식 3]
Figure pat00003
상기 수학식 3에서,
r은 상기 금속 도선의 반경이고,
t는 상기 그래핀 코팅층의 두께이고,
μg는 상기 그래핀 코팅층의 투자율이고,
σg는 상기 그래핀 코팅층의 도전율이고,
μB는 상기 금속 도선의 투자율이고,
σB는 상기 금속 도선의 도전율이다.
여기서, 상기 금속 도선이 투자율이 0.99999 H/m이고 도전율이 1.0이며 반경(r)이 0.02 내지 2 mm인 구리 도선인 경우, 상기 그래핀 복합 도선에 흐르는 교류 전류의 주파수에 따른 상기 금속 도선의 반경(r)과 상기 그래핀 코팅층의 두께(t)의 비(r/t)가 아래 (i) 내지 (iii)의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 복합 도선의 제조방법을 제공한다.
(i) 교류 전류의 주파수가 0 ~ 10 kHz인 경우 1,000<r/t<18,000
(ii) 교류 전류의 주파수가 10 kHz ~ 1 GHz인 경우 950<r/t<13,900
(iii) 교류 전류의 주파수가 1 GHz 이상인 경우 950<r/t<10,000
또한, 상기 금속 도선이 투자율이 1.000021 H/m이고 구리비 도전율이 0.607이며 반경(r)이 0.02 내지 2 mm인 알루미늄 도선인 경우, 상기 그래핀 복합 도선에 흐르는 교류 전류의 주파수에 따른 상기 금속 도선의 반경(r)과 상기 그래핀 코팅층의 두께(t)의 비(r/t)가 아래 (i) 내지 (iii)의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 복합 도선의 제조방법을 제공한다.
(i) 교류 전류의 주파수가 0 ~ 10 kHz인 경우 1,650<r/t<19,000
(ii) 교류 전류의 주파수가 10 kHz ~ 1 GHz인 경우 1,560<r/t<22,900
(iii) 교류 전류의 주파수가 1 GHz 이상인 경우 1,560<r/t<16,400
본 발명에 따른 그래핀 복합 도선의 제조방법은 고분자 용액에 도선을 침지한 후 그래핀 성장 단계를 통해 그래핀 코팅의 두께를 균일하고 정밀하게 제어할 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 그래핀 복합 도선의 제조방법은 금속의 인발 공정에 있어어 필수적인 연화 공정과 그래핀 성장 공정을 동시에 연속적으로 수행함으로써 제조시간 및 제조비용을 절감할 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 그래핀 복합 도선의 제조방법의 흐름을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 그래핀 복합 도선의 제조방법에 의해 제조된 그래핀 복합 도선의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 2에 있어서 그래핀 코팅층을 도체층으로 환산한 경우의 단면을 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 그래핀 복합 도선의 제조방법의 흐름을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 그래핀 복합 도선의 제조방법은 아래 a) 내지 d) 단계를 포함할 수 있다.
a) 금속 도선을 제공하는 단계;
b) 제공된 금속 도선을 신선하는 단계;
c) 신선된 금속 도선을 그래핀 형성용 고분자 용액에 침지하는 단계; 및
d) 고분자 용액에 침지된 금속 도선을 300 내지 1,500 ℃에서 10 분 내지 2 시간 동안 소성시켜 금속 도선 표면에 그래핀을 성장시킴으로써 그래핀 코팅층을 형성하고 그래핀 복합 도선을 연화하는 단계
상기 a) 단계에서 제공되는 금속 도선은 전도성 물질로 이루어질 수 있고, 예를 들어, 구리, 구리합금, 알루미늄, 알루미늄합금, 이종 금속이 도금된 구리, 구리합금, 알루미늄, 알루미늄합금 등(이하, '구리 등'이라 칭한다)의 금속으로부터 선택될 수 있으며, 이러한 경우 그래핀 코팅층을 짧은 시간에 용이하게 성장시킬 수 있고 전기전도도의 개선효과가 크기 때문에 바람직하다.
또한, 상기 이종금속이 도금된 구리 등에 있어서, 상기 이종금속은 구리 등에 비해 융점이 높은 금속으로서 구리 등 보다 탄소고용도가 높은 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 납(Pb), 이리듐(Ir), 백금(Pt) 등으로부터 선택될 수 있다.
상기 이종금속에 의한 도금 두께는 0.1 내지 0.7 ㎛가 바람직하고, 상기 도금의 두께가 0.1 ㎛ 미만인 경우에는 그래핀 코팅층을 짧은 시간내에 성장시키기 어려울 수 있고, 0.7 ㎛ 초과인 경우에는 상기 도선의 전기저항이 증가하고 제조비용이 상승할 수 있다.
상기 도선의 단면 형상과 단면적은 상기 도선을 포함하는 전선의 용도, 송전량 등에 따라 통상의 기술자에 의해 적절히 선택될 수 있고, 예를 들어, 상기 도선의 단면 형상은 원형, 타원형, 직사각형 등일 수 있다.
상기 c) 단계에서 사용되는 그래핀 형성용 고분자 용액은 예를 들어 폴리아크릴로니트리릴(polyacrylonitrile; PAN)계, 피치계, 레이온계 고분자와 유기용매를 포함하는 용액을 사용할 수 있다. 여기서, 상기 고분자 용액의 총 중량을 기준으로 상기 고분자는 1 내지 10 중량%, 바람직하게는 3 내지 10 중량%의 함량으로 포함될 수 있다.
상기 c) 단계에서 도선을 그래핀 형성용 고분자 용액에 침지시킨 후 상기 도선 표면에 잔존하는 그래핀 형성용 고분자를 상기 d) 단계의 300 내지 1,500℃의 고온에서 산화 및 탄화시키는 소성을 통해 상기 도선 표면에 그래핀을 성장시킬 수 있다.
상기 그래핀(graphene)은 흑연인 '그라파이트(graphite)'와 탄소이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사 'ene'을 결합하여 만든 용어로서 그라파이트는 탄소를 육각형의 벌집모양으로 층층이 쌓아올린 구조로 이루어져 있는데 그래핀은 흑연에서 가장 얇게 한 겹을 떼어낸 것이다.
상기 그래핀은 2차원 평면형태를 가지고 있으며 두께는 0.2nm 정도로 매우 얇으면서 물리적·화학적 안정성이 높은 나노물질로서 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고 반도체로 주로 사용되는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있으며 강도는 강철보다 200배 이상 강하며 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다. 또한, 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질이 저하되지 않는다.
구체적으로, 상기 그래핀은 20℃에서 약 1 g/㎤의 밀도, 약 -7×10-6/℃의 열팽창 계수, 약 5,000 Wm-1K-1의 열전도도, 약 130 GPa의 인장강도를 갖고, 구리 도전율을 1이라 할 때 도전율이 100이고, 투자율은 1 H/m인 것으로서, 구리에 비해 전반적으로 우수한 물성을 가진다.
이러한 그래핀으로 이루어진 그래핀 코팅층은 상기 도선의 표면에 형성됨으로써 상기 그래핀 코팅층이 형성되지 않은 도체에 비해 훨씬 향상된 도전율 및 방열 특성을 발휘하게 된다. 또한, 그래핀은 우수한 내산화성을 가지고 있어서 도선의 부식 및 변색을 방지할 수 있기 때문에 상기 도선에 금속을 도금하거나 방청유를 도포하는 공정이 불필요하게 되어 제조비용과 생산성을 획기적으로 향상될 수 있다.
본 발명에 따른 그래핀 복합 도선의 제조방법은 금속 도선의 인발 공정에서 필수적인 연화 공정과 그래핀 성장 공정을 동시에 연속적으로 수행함으로써 종래 화학기상증착법(CVD) 등에 의한 비연속 공정에 비해 제조시간 및 제조비용을 크게 절감할 수 있는 동시에, 그래핀 성장을 위한 소성의 공정조건, 즉 소성온도와 소성시간을 조절함으로써 균일하게 제어된 그래핀 코팅층을 형성할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 그래핀 복합 도선의 제조방법은 상기 d) 단계 이후에 바니시 코팅 및 소부공정, 권취유 도포공정, 권취공정, 검사공정, 자동계량 및 분류공정, 포장공정 등을 순차적 및 선택적으로 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 d) 단계 이후에 질산(HNO3) 용액 등을 이용하여 그래핀 복합 도선의 표면을 화학적 처리를 할 경우 상기 그래핀 코팅층에 질소(N) 또는 인(P) 등이 도핑(dopping)되어 상기 그래핀 코팅층의 도전율을 추가로 상승시킬 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 그래핀 복합 도선의 제조방법에 의해 제조된 그래핀 복합 도선의 단면을 개략적으로 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 그래핀 복합 도선은 금속 도선(10)과 이의 표면에 형성된 그래핀 코팅층(20)을 포함할 수 있다.
상기 그래핀 복합 도선이 교류 송전선 또는 교류 신호를 전달하는 통신선에 사용되는 경우 상기 금속 도선(10)의 외측 부분에 전류 밀도가 집중되는 표피효과(skin effect)가 발생한다. 교류 전류의 경우 전류의 흐름이 바뀌면서 쇄교가 생기는데 이 쇄교하는 양이 도선의 안쪽에 더 많고, 쇄교양이 많아지면 도선 내의 인덕턴스량이 증가하고 이로 인해서 도선 내부의 저항이 외부보다 커지기 때문에, 저항이 큰 내부보다는 저항이 상대적으로 작은 외부, 즉 도선 표면으로 전류밀도가 크게 생기는 표피효과가 발생하는 것이다.
상기 금속 도선(10)에 흐르는 교류 전류에 의해 발생하는 표피효과로 인해 전류밀도가 집중되는 표피깊이(δ)는 아래 수학식 1에 의해 정의될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00004
상기 수학식 1에서,
f는 상기 금속 도선을 흐르는 교류 전류의 주파수이고,
μB는 상기 금속 도선의 투자율이고,
σB는 상기 금속 도선의 도전율이다.
상기 수학식 1에서 정의된 바와 같이, 상기 표피깊이(δ)는 상기 금속 도선(10)을 흐르는 교류 전류의 주파수(f), 상기 금속 도선(10)의 투자율(μ) 및 도전율(σ)에 의해 결정될 수 있으므로, 상기 그래핀 복합 도선에서 상기 그래핀 코팅층(20)의 두께(t)를 상기 결정된 표피깊이(δ)와 동일하거나 이에 근접하게 함으로써 표피효과에 의해 외부에 집중된 전류가 금속 도선(10)에 비해 도전율이 수십배 내지 백배 큰 그래핀 코팅층(20)에만 또는 그래핀 코팅칭(20)에 주로 흐르도록 유도할 수 있고, 이로써 상기 그래핀 복합 도선의 전기전도성을 극대화할 수 있다.
그러나, 상기 그래핀 복합 도선의 전기전도성을 극대화하기 위해, 즉 표피효과에 의해 도선 외부에 집중된 전류가 도전율이 높은 상기 그래핀 코팅층(20)에만 또는 상기 그래핀 코팅칭(20)에 주로 흐르도록 하기 위해, 상기 그래핀 코팅층(20)을 상기 표피깊이(δ)와 동일하거나 이에 근접하는 과도한 두께로 형성하는 경우, 상기 그래핀 코팅층(20) 내부에 결함이 발생함으로써 상기 그래핀 코팅층(20)의 도전율 및 방열 특성이 크게 저하될 뿐만 아니라 상기 그래핀 코팅층(20) 자체가 쉽게 파손될 수 있다.
따라서, 본 발명의 발명자는 아래 수학식 2의 함수(ε) 값이 약 0.01 내지 0.1인 경우 상기 그래핀 코팅층(20) 내부의 결함을 억제하는 동시에 상기 그래핀 복합 도선의 전기전도성을 극대화할 수 있음을 발견함으로써 본 발명을 완성하였다.
[수학식 2]
Figure pat00005
상기 수학식 2에서,
r은 금속 도선의 반경이고,
δ는 아래 수학식 1에 정의된 바와 같고,
[수학식 1]
Figure pat00006
상기 수학식 1에서,
f는 상기 금속 도선에 흐르는 전류의 주파수이고,
μB는 상기 금속 도선의 투자율이고,
σB는 상기 금속 도선의 도전율이다.
t*는 아래 수학식 3에 정의된 바와 같다.
[수학식 3]
Figure pat00007
상기 수학식 3에서,
r은 상기 금속 도선의 반경이고,
t는 상기 그래핀 코팅층의 두께이고,
μg는 상기 그래핀 코팅층의 투자율이고,
σg는 상기 그래핀 코팅층의 도전율이고,
μB는 상기 금속 도선의 투자율이고,
σB는 상기 금속 도선의 도전율이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 수학식 1의 δ는 상기 그래핀 코팅층(20)을 상기 금속 도선(10)과 동일한 투자율과 도전율을 갖는 것으로 환산한 경우 상기 그래핀 복합 도선에 교류 전류가 흘러 표피효과가 일어날 때의 표피깊이를 의미하고, 상기 수학식 3의 t*는 상기 그래핀 코팅층(20)을 상기 금속 도선(10)과 동일한 투자율과 도전율을 갖는 것으로 환산한 경우의 그래핀 코팅층의 두께를 의미한다.
즉, 함수(ε) 값이 약 0.01 미만인 경우 상기 그래핀 코팅층(20)에 의한 상기 그래핀 복합 도선의 전기전도성의 향상이 미미한 반면, 약 0.1 초과인 경우 상기 그래핀 코팅층 내부의 결함이 발생하여 상기 그래핀 코팅층의 도전율 및 방열 특성이 크게 저하될 뿐만 아니라 상기 그래핀 코팅층 자체가 쉽게 파손될 수 있다.
예를 들어, 반경(r)이 0.02 내지 2 mm인 구리(투자율 : 0.99999 H/m, 도전율 : 1.0) 도선(10)의 표면에 두께(t)의 그래핀 코팅층(20)이 형성된 그래핀 복합 도선에 관한 상기 함수(ε) 값이 약 0.01 내지 0.1인 경우 상기 그래핀 복합 도선에 흐르는 교류 전류의 주파수에 따른 금속 도선(10)의 반경(r)과 그래핀 코팅층(20)의 두께(t)의 비(r/t)는 아래와 같다.
(i) 교류 전류의 주파수가 0 ~ 10 kHz인 경우 1,000<r/t<18,000
(ii) 교류 전류의 주파수가 10 kHz ~ 1 GHz인 경우 950<r/t<13,900
(iii) 교류 전류의 주파수가 1 GHz 이상인 경우 950<r/t<10,000
또한, 반경(r)이 0.02 내지 2 mm인 알루미늄(투자율 : 1.000021 H/m, 구리비 도전율 : 0.607) 도선(10)의 표면에 두께(t)의 그래핀 코팅층(20)이 형성된 그래핀 복합 도선에 관한 상기 함수(ε) 값이 약 0.01 내지 0.1인 경우 상기 그래핀 복합 도선에 흐르는 교류 전류의 주파수에 따른 금속 도선(10)의 반경(r)과 그래핀 코팅층(20)의 두께(t)의 비(r/t)는 아래와 같다.
(i) 교류 전류의 주파수가 0 ~ 10 kHz인 경우 1,650<r/t<19,000
(ii) 교류 전류의 주파수가 10 kHz ~ 1 GHz인 경우 1,560<r/t<22,900
(iii) 교류 전류의 주파수가 1 GHz 이상인 경우 1,560<r/t<16,400
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 : 금속 도선 20 : 그래핀 코팅층

Claims (10)

  1. a) 금속 도선을 제공하는 단계;
    b) 제공된 금속 도선을 신선하는 단계;
    c) 신선된 금속 도선을 그래핀 형성용 고분자 용액에 침지하는 단계; 및
    d) 고분자 용액에 침지된 금속 도선을 300 내지 1,500 ℃에서 10 분 내지 2 시간 동안 소성시켜 금속 도선 표면에 그래핀을 성장시킴으로써 그래핀 코팅층을 형성하고 그래핀 복합 도선을 연화하는 단계를 포함하는, 그래핀 복합 도선의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀 형성용 고분자 용액은 상기 용액의 총 중량을 기준으로 폴리아크릴로니트리릴(polyacrylonitrile; PAN)계, 피치계 및 레이온계 고분자로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 고분자 1 내지 10 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 복합 도선의 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 금속 도선은 이종 금속이 도금되거나 도금되지 않은 구리, 구리합금, 알루미늄 또는 알루미늄합금을 포함하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 복합 도선의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 이종 금속은 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 납(Pb), 이리듐(Ir) 및 백금(Pt)으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속인 것을 특징으로 하는, 그래핀 복합 도선의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 이종 금속에 의한 도금 두께는 0.1 내지 0.7 ㎛인 것을 특징으로 하는, 그래핀 복합 도선의 제조방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 d) 단계 이후에 질산(HNO3) 용액을 이용하여 상기 그래핀 복합 도선의 표면을 화학적 처리하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 복합 도선의 제조방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 d) 단계 이후에 바니시 코팅 및 소부단계, 권취유 도포단계, 권취단계, 검사단계, 자동계량 및 분류단계 및 포장단계로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 단계를 순차적으로 포함하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 복합 도선의 제조방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 d) 단계는 아래 수학식 2의 함수(ε) 값이 0.01 내지 0.1이 되도록 그래핀 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 복합 도선의 제조방법.
    [수학식 2]
    Figure pat00008

    상기 수학식 2에서,
    r은 상기 금속 도선의 반경이고,
    δ는 아래 수학식 1에 정의된 바와 같고,
    [수학식 1]
    Figure pat00009

    상기 수학식 1에서,
    f는 상기 금속 도선에 흐르는 전류의 주파수이고,
    μB는 상기 금속 도선의 투자율이고,
    σB는 상기 금속 도선의 도전율이다.
    t*는 아래 수학식 3에 정의된 바와 같다.
    [수학식 3]
    Figure pat00010

    상기 수학식 3에서,
    r은 상기 금속 도선의 반경이고,
    t는 상기 그래핀 코팅층의 두께이고,
    μg는 상기 그래핀 코팅층의 투자율이고,
    σg는 상기 그래핀 코팅층의 도전율이고,
    μB는 상기 금속 도선의 투자율이고,
    σB는 상기 금속 도선의 도전율이다.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 금속 도선이 투자율이 0.99999 H/m이고 도전율이 1.0이며 반경(r)이 0.02 내지 2 mm인 구리 도선인 경우, 상기 그래핀 복합 도선에 흐르는 교류 전류의 주파수에 따른 상기 금속 도선의 반경(r)과 상기 그래핀 코팅층의 두께(t)의 비(r/t)가 아래 (i) 내지 (iii)의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 복합 도선의 제조방법.
    (i) 교류 전류의 주파수가 0 ~ 10 kHz인 경우 1,000<r/t<18,000
    (ii) 교류 전류의 주파수가 10 kHz ~ 1 GHz인 경우 950<r/t<13,900
    (iii) 교류 전류의 주파수가 1 GHz 이상인 경우 950<r/t<10,000
  10. 제8항에 있어서,
    상기 금속 도선이 투자율이 1.000021 H/m이고 구리비 도전율이 0.607이며 반경(r)이 0.02 내지 2 mm인 알루미늄 도선인 경우, 상기 그래핀 복합 도선에 흐르는 교류 전류의 주파수에 따른 상기 금속 도선의 반경(r)과 상기 그래핀 코팅층의 두께(t)의 비(r/t)가 아래 (i) 내지 (iii)의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는, 그래핀 복합 도선의 제조방법.
    (i) 교류 전류의 주파수가 0 ~ 10 kHz인 경우 1,650<r/t<19,000
    (ii) 교류 전류의 주파수가 10 kHz ~ 1 GHz인 경우 1,560<r/t<22,900
    (iii) 교류 전류의 주파수가 1 GHz 이상인 경우 1,560<r/t<16,400
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