KR20180005972A - 복합 재료 송전 케이블의 제조방법 - Google Patents

복합 재료 송전 케이블의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복합 재료로 형성되는 외부 도체를 갖는 송전 케이블의 제조방법에 관한 것으로서, 둘 이상의 선재를 길게 연선 하여 내부 심선을 제작하는 단계, 알루미늄 분말에 탄소나노튜브와 분산유도제인 나노입자를 혼합하여 복합분말을 제조하는 단계, 복합분말을 전도성 금속 캔에 장입하는 단계, 복합분말이 장입된 전도성 금속 캔을 압출하여 복합선재를 제조하는 단계, 압출된 복합선재를 여러 가닥으로 제작하여 상기 내부심선 둘레를 감싸면서 내부 심선과 같은 방향으로 연선함으로써 외부 도체를 제작하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 벌크상의 소결체 제조공정을 거치지 않고 복합 분말을 알루미늄 캔 또는 구리 캔에 장입하여 바로 압출하여 전력용 복합선재를 제조함으로써, 제조 공정을 더욱 단순화 할 수 있으므로 안정적인 대량생산이 가능하며 제조비용이 절감되는 효과가 있으며, 본 발명에 따라 제조된 송전 케이블은 그 전기 전도성은 종래의 수준 내지 그 이상의 수준으로 유지되면서 무게가 가볍고 강도가 높아 송전탑 간 처짐 현상이 방지될 수 있고, 설치 작업이 보다 간편하게 이루어질 수 있는 효과가 있다.

Description

복합 재료 송전 케이블의 제조방법{Method for processing Transmission cable made of composite material}
본 발명은 복합 재료 송전 케이블의 제조방법에 관한 것으로, 특히 탄소나노튜브와 알루미늄이 배합되는 복합 재료로 형성되는 외부 도체를 갖는 복합 재료 송전 케이블의 제조방법에 관한 것이다.
전력의 장거리 송전을 위한 고압(66~765kV) 송전에 사용되는 대표적인 가공 송전선인 ACSR(Aluminum Conductor Steel-Reinforced)은 철탑에 설치되어 운용되는 제품의 특성상 인장강도가 큰 아연도금 강선이 코어로 사용되고 있어, 전선자체의 중량화, 열팽창으로 인한 처짐 현상으로 철탑간의 장간(Long Span) 시공이 곤란하여, 전선의 고강성화, 경량화, 고효율화를 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.
일반적으로 전선 재료로서는 구리가 가장 널리 사용되고 있지만 가격 및 비강도적인 측면에서 송전용 케이블에는 강선이 포함된 알루미늄 (구리 대비 전기전도도는 약 60%, 인장강도는 약 50%, 비중은 3배 이하임) 선재가 널리 사용되고 있다. 이 경우 송전은 전기전도도가 높은 알루미늄이 담당하며, 하중의 지지는 인장강도가 큰 강선이 담당하게 된다. 그리고 송전은 케이블의 중심 보다는 표면 쪽에서 주로 이루어지므로 강선이 코어에 배치되고 알루미늄은 강선을 둘러싸는 형태로 배치된다.
그런데 강선을 이루는 철의 밀도는 알루미늄에 비해서 약 세배 가량 크므로 코어를 이루는 강선으로 인하여 송전탑 사이에서 케이블의 처짐 현상이 발생된다.
따라서 기존의 가공 송전선의 전도성을 유지하는 상태에서 보다 가벼우면서도 동시에 인장강도가 큰 소재로 이루어지는 송전 케이블의 개발이 요청된다.
이러한 문제의 해결을 위한 종래 기술을 살펴보면, 도 1에 도시된 한국등록특허 제10-0817982의 '가공 송전선 인장선용 고분자 복합 선재 및 그 제조방법'을 들 수 있다.
한국등록특허 제10-0817982호는 가공 송전선 인장선용 고분자 복합 선재(10) 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 절연재로 코팅된 고장력 중심 선재(11) 및 중심 선재(11)를 감싸게 배치된 복수개의 외부 선재(13)로 이루어진 가공 송전선 인장선용 복합 선재에 있어서, 외부 선재(13)는 중심 선재(11)와 길이방향으로 평행하거나, 중심 선재(11)를 중심축으로 하여 스파이럴 방식으로 꼬여지게 배치되며, 외부는 절연성 수지의 테이핑재로 감싸여지며, 중심 선재(11) 및 외부 선재(13)는 열경화성 수지, 산무수물계 또는 아민계의 화합물로서 액상인 경화제, 이미다졸계 화합물 또는 보론 트리플로라이드 에틸아민계 화합물인 촉진제, 스테아린산 아연(Zinc stearate)인 이형제, 및 나노클레이 또는 단척 유리섬유인 충진제를 포함하여 이루어진 섬유 강화 고분자 복합체 제조용 조성물로 제조된다.
이와 같은 종래 가공 송전선 인장선용 고분자 복합 선재 및 그 제조방법에 의하면, 고온에서 낮은 열팽창 계수를 가져 열적 특성을 유지하고, 처짐(sag)이 적게 발생하며, 인장강도, 굽힘특성 등 충분한 기계적 강도를 가지는 장점이 있지만, 도체(15)는 중심선재(11)를 감싸게 배치되어 외부선재(13)와 중심선재(11)는 전기전도와는 무관하다. 따라서 송전선 내부에 들어가는 인장선 자체가 종래의 강심 코어와 같은 전도성을 가지는 것은 아니므로 전도성은 종래의 수준이나 그 이상의 수준을 유지하면서 경량이고 강도가 더 높은 송전선 케이블에 관한 기술이 요청된다.
한편 카본나노튜브(Carbon Nanotube, 이하, 'CNT'라 함)의 개발에 따라 산업이나 공업분야에서 CNT를 다양하게 활용 및 응용이 시도되고 있다. CNT는 탄소 6개로 이루어진 육각 모양이 서로 연결되어 튜브형상을 이루고 있고, 전기전도도는 CNT의 순도에 따라 다소 차이가 있으나 대체로 구리와 비슷하고, 열전도율은 자연계에서 다이야몬드와 유사하며, 강도는 강철의 100배 정도 뛰어난 특징이 있다. 일 예로 탄소섬유는 1%만 변형시켜도 끊어지지만 CNT는 15%를 변형시켜도 견딜 수 있는 인장강도를 지니고 있다.
CNT에 대해서는 이미 많은 연구에 의해 기계적, 전기적, 화학적, 열적 특성이 매우 우수한 특성이 있다는 사실이 보고되고 있어 학계나 산업분야에서는 향후 차세대 복합재료 강화재로 크게 주목받고 있는 신물질이라 할 수 있다.
전술한 바와 같이 알루미늄이 지니고 있는 기계적 물리적 성질의 단점과 CNT에서 나타나는 기계적, 전기적, 화학적, 열적 특성의 장점을 결합하여 기계적 물리적 성질이 개질된 알루미늄계열의 소재를 제조할 수 있을 것으로 예측되는 바, 본 출원의 발명자는 이에 대한 연구결과를 "알루미늄 및 카본나노튜브를 이용한 전력용 복합 선재 제조방법 및 그것에 의해 제조된 제품"으로 출원하여 한국공개특허 제2013-0000647호로 공개된 바 있다.
한국공개특허 제2013-0000647호는 CNT를 균일하게 알루미늄입자에 분산시키기 위해 CNT와 알루미늄분말을 혼합한 분말 혼합물과 분산유도제를 일정비율로 혼합한 뒤 혼합물을 초음파로 분산 혼합물을 제조하는 단계와, 분산 혼합물에 포함된 분산유도제를 제거하기 위해 관상로에서 불활성 분위기로 열처리하여 분산유도제 성분을 완전히 제거하여 CNT 및 알루미늄 혼합분말을 제조하는 단계와, 얻어진 알루미늄 및 CNT 혼합분말을 스파크 플라즈마 소결기를 이용하여 벌크상의 소결체를 제조하는 단계, 및 상기 소결체를 열간압출기로 압출하여 알루미늄-카본나노튜브 복합 선재를 제조하는 단계로 제조되는 알루미늄과 카본나노튜브를 이용한 전력용 복합선재 제조방법에 관한 것이다.
이와 같은 종래 알루미늄과 카본나노튜브를 이용한 전력용 복합선재 제조방법에 의하면, 분산유도제를 제거하기 위한 공정을 별도로 행하고 벌크상의 소결체를 제조하는 공정을 행해야 하므로 공정이 복잡하다는 문제점이 있다.
한국등록특허 제10-0817982(등록일자: 2008. 03. 24)
한국공개특허 제10-2013-0000647(공개일자: 2013. 01. 03)
이에 본 발명은 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 송전 케이블이 종래와 동등하거나 그 이상의 전도성을 가지면서도 종래의 송전 케이블 보다 경량이고 강도가 높아 처짐 현상이 방지될 수 있고, 고강도 고연성을 갖는 고압송전용 복합선재로서 알루미늄선재와 구리선재를 대체할 수 있는 더욱 개선된 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 복합재료 송전 케이블의 제조방법을 제공하는 데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 복합 재료 송전 케이블의 제조방법은 둘 이상의 선재를 길게 연선 하여 내부 심선을 제작하는 단계, 알루미늄 분말에 탄소나노튜브와 분산유도제인 나노입자를 혼합하여 복합분말을 제조하는 단계, 복합분말을 전도성 금속 캔에 장입하는 단계, 복합분말이 장입된 전도성 금속 캔을 압출하여 복합선재를 제조하는 단계, 압출된 복합선재를 여러 가닥으로 제작하여 상기 내부심선 둘레를 감싸면서 내부 심선과 같은 방향으로 연선함으로써 외부 도체를 제작하는 단계를 포함한다.
이 경우 복합분말을 제조하는 단계에서, 탄소나노튜브는 0.5~20체적%, 알루미늄 분말은 80~99체적%, 나노입자는 0.5~20체적%를 혼합하여 복합분말을 제조하는 것이 바람직하다.
그리고 나노입자는 나노SiC, 나노SiO2 나노Al2O3, 나노TiO2, 나노Fe3O4, 나노MgO, 나노ZrO2 의 세라믹 군 중에서 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한 복합분말을 제조하는 단계에서, 탄소나노튜브와 알루미늄 분말 및 나노입자를 불활성분위기의 용기에 넣어 볼밀기로 혼합하는 것이 바람직하다.
이때 바람직하게는 볼밀기로 혼합하는 과정에서, 마찰계수를 감소시키기 위해서 공정제어제로 헵탄(Heptane) 15~25 중량부를 첨가하여 혼합한다.
한편, 바람직하게는 전도성 금속캔은 알루미늄캔 또는 구리캔을 채택한다.
또한 복합선재를 제조하는 단계에서, 압출은 바람직하게는 열간 분말압출로 행한다. 그리고 열간 분말압출은 압출온도 350~550℃, 압출비 15~20로 행하는 것이 바람직하다.
내부 심선은 탄소 나노 튜브로 제조될 수 있다. 또는 내부 심선은 알루미늄에 탄소섬유가 균일하게 배합된 탄소 강화 알루미늄으로 제조될 수 있다. 외부 도체에서 적어도 최 외곽 층을 이루는 선재들은 외주면에 코팅되는 구리 코팅 층을 더 포함하여 제조될 수 있다. 이 경우 탄소 강화 알루미늄은 분말 알루미늄에 탄소 섬유 분말을 혼합되어 소결하여 형성한다.
본 발명에 의한 송전용 복합선재의 제조방법에 의하면, 벌크상의 소결체 제조공정을 거치지 않고 복합 분말을 알루미늄 캔 또는 구리 캔에 장입하여 바로 압출하여 전력용 복합선재를 제조함으로써, 제조 공정을 더욱 단순화 할 수 있으므로 안정적인 대량생산이 가능하며 제조비용이 절감되는 효과가 있다.
본 발명에 의한 복합 재료 송전 케이블의 제조방법에 의한 복합 재료 송전 케이블은 전기 전도성은 종래의 수준 내지 그 이상의 수준으로 유지되면서 무게가 가볍고 강도가 높아 송전탑 간 처짐 현상이 방지될 수 있고, 설치 작업이 보다 간편하게 이루어질 수 있고, 카본나노튜브-알루미늄 분말을 분산유도제인 나노 실리콘 카바이드(nSiC) 등의 나노입자와 함께 혼합한 복합분말을 이용하여 전력용 복합선재를 제조함으로써, 카본나노튜브의 알루미늄 분말 내부에서의 분산성을 높이게 되어 고강도 및 고연성을 갖는 전력 공급 전선용 복합선재의 제조가 가능하고, 혼합분말 제조공정이 매우 간단하고 각 공정에서 요구되는 설비 역시 간단하기 때문에 혼합분말 제조비용이 매우 저렴하며 양산이 용이한 효과가 있다.
도 1은 종래 가공 송전선 인장선용 고분자 복합 선재를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 복합 재료 송전 케이블의 첫 번째 주요예를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 복합 재료 송전 케이블의 두 번째 주요예를 나타내는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따라 제조된 복합 재료 송전 케이블의 세 번째 주요예를 나타내는 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따라 제조된 복합 재료 송전 케이블의 부가예를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 복합 재료 송전 케이블 제조방법의 실시예를 나타내는 블럭도이다.
도 7은 본 발명에 따른 복합 재료 송전 케이블 제조방법의 실시예를 나타내는 개념도이다.
도 8은 표 1에 기재된 실시예 1 및 2에 따른 복합재료 송전 케이블을 절단하여 나타낸 절단 샘플의 사진이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
먼저 본 발명에 따라 제조된 복합 재료 송전 케이블에 대하여 설명한 다음, 본 발명에 따른 복합 재료 송전 케이블의 제조방법을 설명하기로 한다. 본 발명에 따라 제조된 복합 재료 송전 케이블은 세 개의 주요예와 하나의 부가예로 발현될 수 있다. 이하에서는 각 예들을 차례로 설명하기로 한다.
<송전 케이블의 첫 번째 주요예>
본 발명에 따라 제조된 복합 재료 송전 케이블의 첫 번째 주요예는 도 2에 도시된 바와 같이 둘 이상의 강선이 연선 되어 길게 형성되는 내부심선(12)과, 둘 이상의 금속 선재가 상기 내부 심선을 감싸며 연선 되어 길게 형성되는 외부 도체(11)로 이루어지며 이 경우 외부 도체(11)는 알루미늄 분말에 탄소나노튜브와 분산유도제인 나노입자가 균일하게 배합된 복합분말로 제조된 탄소 강화 알루미늄으로 되어 있다.
탄소나노튜브는 탄소의 동소체가 나선형으로 성장하여 육각형의 벌집형상으로 이루어지는 원기둥 모양의 나노구조로 형성되는 미세조직을 가지는 소재로서 제조방법에 따라 현재까지 발견된 물질 중 가장 강력한 강도를 가질 수 있는 물질이다. 그러면서도 무게가 가볍고 전기전도성을 띠므로 건축과 기계분야 뿐만 아니라 전기전자 분야에 사용되는 소재로서도 각광받고 있다.
따라서 외부도체가 탄소나노튜브가 첨가되는 탄소 강화 알루미늄으로 이루어지면 전도성은 그대로 유지되면서 강도가 더 증가되어 송전탑 사이에서 케이블의 처짐 현상이 억제되는 효과가 있다. 여기서 탄소 강화 알루미늄 자체는 공지의 기술이므로 더 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이 경우 내부심선(12)은 종전과 마찬가지로 강선으로 제조된다. 이때 강선은 아연이나 크롬 도금 내지 기타 전도성과 내식성이 향상되는 코팅 처리가 된 선재일 수 있다.
<송전 케이블의 두 번째 주요예>
본 발명에 따라 제조된 복합 재료 송전 케이블의 두 번째 주요예에서는 도 3에 도시된 바와 같이 내부심선(22)이 종래의 강선 대신에 탄소나노튜브로 이루어진다.
탄소나노튜브는 강도가 높으면서 전도성을 띠고 무게가 극히 가벼우므로 송전 케이블의 심선으로 종래에 사용되는 강선을 대체할 수 있다.
따라서 두 번째 주요예에서는 내부심선(22)으로 종래의 강선 대신에 탄소나노튜브를 채택하여 강도와 전기전도성은 유지시키면서 송전 케이블의 무게를 더욱 가볍게 할 수 있다.
그러므로 두 번째 주요예에서 본 발명에 따라 제조된 복합 재료 송전 케이블은 외부 도체(21)는 첫 번째 주요예에서와 마찬가지로 탄소 강화 알루미늄을 채택하여 강도를 높이는 동시에 내부심선(22)은 강선 대신 탄소나노튜브로 이루어짐으로써 보다 가볍고 강도가 높으면서 전도성은 유지되는 케이블이 된다.
<송전 케이블의 세 번째 주요예>
본 발명에 따라 제조된 복합 재료 송전 케이블의 세 번째 주요예는 도 4에 도시된 바와 같이 외부 도체(31) 내의 내부심선(32)도 탄소 강화 알루미늄으로 이루어지는 예이다.
탄소 강화 알루미늄은 앞서 설명된 바와 같이 가볍고 강철보다 높은 전기전도도를 가지면서도 탄소나노튜브의 첨가로 인하여 강도가 향상된 소재이다. 따라서 종래의 강선 대신에 내부심선(32)을 이루는 소재로 탄소 강화 알루미늄을 채택하게 되면 케이블의 전체 무게가 종래보다 현저하게 감소하게 될 뿐만 아니라 알루미늄이 종래의 강선 보다 전기전도도가 훨씬 높으므로, 송전탑 간의 처짐 현상이 방지되면서 송전 케이블의 전도성은 더욱 향상된다.
<송전 케이블의 부가예>
본 발명에 따라 제조된 복합 재료 송전 케이블의 부가예는 도 5에 도시된 바와 같이 탄소 강화 알루미늄으로 이루어지는 외부 도체(41)의 외주 면에 구리 코팅 층(43)이 형성되어 있다. 내부심선(42)은 주요예와 동일하다.
구리는 알루미늄 보다 약 1.7배가량 전기전도도가 더 높고, 인장강도는 약 두 배 높은 소재이지만 가격이 알루미늄의 세 배 이상이므로 알루미늄을 대체하기에는 무리가 있다.
그런데 수십 Mhz 이상의 높은 주파수의 전류가 흐르는 케이블에서는 전류는 케이블의 표면에서 집중적으로 흐르게 된다. 따라서 값비싼 소재인 구리로 케이블을 제작 할 필요 없이 외부도체(41)의 표면에 구리 코팅 층(43)을 형성시킴으로써 전도도를 높일 수 있다. 도 5에서는 외부 도체(41) 중에서도 가장 외곽에 배치된 외부 도체(41)에만 구리 코팅 층(43)이 형성된 것으로 도시되어 있으나 본 발명에 따라 제조된 복합 재료 송전 케이블(40)을 이루는 모든 선재에도 구리 코팅 층(43)이 형성될 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 복합 재료 송전 케이블의 제조방법을 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 복합 재료 송전 케이블의 제조방법을 나타내는 블럭도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복합 재료 송전 케이블의 제조방법에 대한 개념도이며, 도 8은 도 6 및 도 7에 도시된 방법에 따라 제조된 상기 탄소 강화 알루미늄 선재의 절단 샘플 사진이다.
도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 복합 재료 송전 케이블 제조방법은, 둘 이상의 선재를 길게 연선 하여 내부 심선을 제작하는 단계(S10)와, 복합분말을 제조하는 단계(S20)와, 복합분말을 전도성 금속캡에 장입하는 단계(S30)와, 압출하여 복합선재를 제조하는 단계(S40) 및, 압출된 상기 복합선재를 여러 가닥으로 제작하여 상기 내부심선 둘레를 감싸면서 내부 심선과 같은 방향으로 연선 함으로써 외부 도체를 제작하는 단계(S50)로 이루어진다.
내부 심선을 제작하는 단계(S10)에서 내부 심선(12,22,32,42)은 도 2에 도시된 일반 강선일 수도 있고, 도 3에 도시된 바와 같이 탄소나노튜브 자체일 수도 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이 외부 도체와 같은 탄소나노튜브(이하 "CNT"라 칭한다) 분말이 첨가된 탄소 강화 알루미늄일 수도 있다.
복합분말을 제조하는 단계(S10)는 CNT와 알루미늄 분말 및 분산유도제인 나노입자를 혼합하여 복합분말을 제조하는 단계로서, CNT를 균일하게 알루미늄입자에 분산시키기 위해 CNT: 0.5~20체적%와, 알루미늄분말: 80~99체적% 및 분산유도제인 나노입자 0.5~20체적%를 불활성 분위기의 스테인리스 용기에 넣고 플래너터리 볼밀기로 혼합하여 복합분말을 제조하는 단계이다.
나노입자는 나노SiC, 나노SiO2 나노Al2O3, 나노TiO2, 나노Fe3O4, 나노MgO, 나노ZrO2 의 세라믹 군 중에서 어느 하나인 것이 바람직하며, 특히 나노SiC를 사용하는 것이 바람직하다. 마이크로사이즈의 알루미늄입자는 나노사이즈의 CNT와 사이즈 차이가 커서 분산이 어렵고, CNT는 강한 반데발스힘에 의해 응집되기 쉬운데, 분산유도제인 나노입자는 CNT를 알루미늄 입자에 균일하게 분산시키는 작용을 한다.
본 발명에 사용된 나노SiC(나노 실리콘카바이드, nano Silicon carbide)는 인장강도가 높고 날카로우며 일정한 도전성과 도열성을 갖고 있으며 높은 경도, 고내화성과 열충격에 강하며 고온성질과 화학적 안정성이 우수하여 연마재, 내화재로서 사용되고 있다. 알루미늄 입자표면에 존재하는 나노SiC입자는 CNT와 Al의 직접적인 접촉을 억제하여 일반적으로 알려져 있는 CNT와 Al 의 반응에 의해서 생성될 수 있는 불건전상의 알루미늄카바이드의 생성을 억제하는 역할을 수행한다.
본 실시예서는 CNT: 0.5~20체적%와, 알루미늄분말: 80~99체적%를 분산유도제인 나노SiC를 0.5~20체적%의 비율로 아르곤 분위기의 용기에 장입한 후 플레너터리 볼밀기를 이용하여 360rpm, 볼과 분말의 비율은 10:1, 밀링시 마찰계수를 감소시키기 위해서 공정제어제로 헵탄(Heptane)을 15~25중량부를 첨가하고, 30분 이내로 혼합하여 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 제조하는 단계(S10)를 수행한다. 이때, 나노SiC입자는, 일반적으로 기계적 밀링 공정시 발생되는 회전력에 의해 볼이 회전하면서 장입된 분말 내부로 침투하여 분말을 혼합하는 것과 같은 효과처럼 극미세한 나노크기의 SiC입자가 밀링볼과 같은 역할로 CNT 내부로 침투하여 물리적으로 응집된 CNT를 분리하고 유동성을 촉진시켜 알루미늄 표면에 균일하게 분산 혼합된다.
CNT는 목적물의 형상에는 영향을 미치지 않으나 CNT함량이 적으면 분산유도제인 나노SiC의 함량을 줄이고, 반대로 CNT를 많이 첨가할수록 효과적인 분산을 위해 나노SiC의 함량을 증가시키는 것이 필요하다.
복합분말을 전도성 금속캔에 장입하는 단계(S20)는 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 복합분말을 제조하는 단계(S10)에서 제조된 카본나노튜브-알루미늄 복합분말(1)을 가이더(G)를 통해 전도성 금속캔(2)에 장입하고 캡(C)으로 봉입하는 단계다. 전도성 금속캔(2)은 전기 및 열전도성이 있는 금속은 모두 사용 가능하지만, 알루미늄 캔이나 구리 캔을 사용하는 것이 바람직하다. 전도성 금속 캔의 두께는 0.5mm ~ 2 mm 정도로 한다.
압출하여 복합선재를 제조하는 단계(S30)는 복합분말이 장입된 전도성 금속 캔을 압출하여 복합선재를 제조하는 단계로서, 압출은 350~550℃에서 압출비 15~20로 열간 분말압출한다. 분말압출은 분말공정 특유의 조직의 미세화에 의한 성능이 개선되고, 분말혼합물의 압출에 의한 분산효과가 있으며, 일반압출에 비해 압출압력이 낮고 압출온도 및 압출속도의 선택범위도 넓다. 제조된 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재(3)가 도 7의 (b)에 나타나 있다.
이와 같은 제조방법에 의해 제조된 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재는 전기전도성은 순수 알루미늄 또는 구리와 거의 동일하지만 인장강도는 순수 알루미늄에 대비 약 400% 증가하였고, 연신율은 순수 알루미늄과 동일하거나 50% 정도 감소하였지만, 중량은 순수 알루미늄 대비 약 5% 이내로 감소하였고 순수 구리 대비 약 1/3수준으로 감소하여 경량화된 고강도 고연성 송전용 복합선재를 제조할 수 있음이 확인되었다.
아래 [표 1]은 비교예(순수 알루미늄과 순수 구리 및 Al-CNT)의 선재와 본 발명의 실시예(실시예1 및 실시예 2)에 대한 복합선재의 물성을 나타낸 표이다.
샘플 인장강도
(Mpa)		 연신율
(%)		 비커스경도
(Hv)		 열팽창계수
(10-6K-1)		 열전도도
(W/mK)		 전기전도도
(S/m)
비교예1
(순수 Al)		 50 -30 16 23 230 3.5x107
비교예2
(순수 Cu)		 220 -30 30 17 400 5.96x107
비교예3
(Al-CNT)		 200 -21 100 20 -300 3.61x107
실시예1
(Al-CNT Al캔)		 190 -10 100 20 -250 3.53x107
실시예2
(Al-CNT Cu캔)		 210 -10 100 18 -330 5.82x107
상기 [표 1]에서 비교예 1 내지 3의 CNT는 순도 99.5%, 직경과 길이는 각각 20㎚와 30㎛이고, 알루미늄 분말은 평균입경 16㎛, 순도 99.8%인 원료를 사용하였다. 비교예의 분산유도제로 솔벤트와 천연고무액을 1:1로 혼합한 용액을 사용하였다.
실시예 1 및 2의 CNT는 순도 95%, 직경과 길이는 각각 80㎚와 20㎛이고, 알루미늄 분말은 평균입경 63㎛, 순도 99.5%인 원료를 사용하였다. 실시예의 분산유도제로 순도 99.8%, 평균입경 20㎚의 나노SiC입자를 사용하였다.
[비교예 3(Al-CNT)의 샘플 제조]
CNT 10중량%와 알루미늄분말 80중량%를 혼합한 Al-CNT 혼합물을 분산유도제(솔벤트와 천연고무액을 1:1로 혼합한 용액)와 1:1로 혼합하여 초음파를 12분동안 조사하여 분산혼합물을 제조한 후, 분산혼합물을 관상로에서 불활성 분위기로 500℃로 1.5시간동안 열처리하여 분산유도제 성분을 완전히 제거하여 Al-CNT 혼합물을 제조한 다음, 얻어진 Al-CNT 혼합물을 스파크 플라즈마 소결기(일본스미토모 코알 미닝사, 모델 SPS-S515)를 이용하여 온도 450℃, 압력 50MPa, 홀딩시간 30분으로 소결하여 벌크상의 소결체를 제조한 후, 소결체를 열간압출기(일본 시마츠사, 모델 UH-500kN)로 압출온도 450℃, 압출비 20 조건으로 압출하여 Al-CNT 선재를 제조하였다.
[실시예 1(Al-CNT + Al 캔)의 샘플 제조]
CNT: 10체적%와, 알루미늄분말: 85체적%를 분산유도제인 나노SiC를 5체적%의 비율로 아르곤 분위기의 용기에 장입한 후 플레너터리 볼밀기(독일 Retsch사 모델 PM400)를 이용하여 360rpm, 볼과 분말의 비율은 10:1, 밀링시 마찰계수를 감소시키기 위해서 공정제어제로 헵탄(Heptane)을 20중량부를 첨가하고, 20분 혼합하여 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 제조하였다. 이때, 분말을 장입한 용기는 500㎖ 용량의 스테인레스 재질이며, 직경 10mm의 스테인레스 볼을 사용하였다.
제조된 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 직경 12mm, 두께 1.5mm의 알루미늄 캔에 투입하여 봉입하고, 열간압출기(일본 시마츠사, 모델 UH-500kN)로 압출온도 450℃, 압출비 20 조건으로 열간 분말압출하여 Al-CNT(Al캔) 복합선재를 제조하였다.
[실시예 2(Al-CNT + Cu 캔)의 샘플 제조]
실시예 1에서 알루미늄 캔을 구리 캔으로 대체하여 Al-CNT(Cu캔) 복합선재를 제조하였다.
도 8은 상기 [표1]에서의 실시예 1 및 실시예 2에 따라 제조된 카본나노튜브-알루미늄 복합분말을 이용한 송전용 복합선재 케이블을 절단하여 나타낸 샘플의 사진이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
1: 복합분말 2: 전도성 금속 캔
3: 복합선재
10,20,30,40: 복합 재료 송전 케이블
11,21,31,41: 외부 도체
12,22,32,42: 내부 심선
43: 구리 코팅 층
C: 캡 G: 가이드

Claims (12)

  1. 둘 이상의 선재를 길게 연선 하여 내부 심선을 제작하는 단계;
    알루미늄 분말에 탄소나노튜브와 분산유도제인 나노입자를 혼합하여 복합분말을 제조하는 단계;
    상기 복합분말을 전도성 금속 캔에 장입하는 단계;
    상기 복합분말이 장입된 전도성 금속 캔을 압출하여 복합선재를 제조하는 단계;
    압출된 상기 복합선재를 여러 가닥으로 제작하여 상기 내부심선 둘레를 감싸면서 내부 심선과 같은 방향으로 연선 함으로써 외부 도체를 제작하는 단계; 를 포함하는 복합 재료 송전 케이블의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복합분말을 제조하는 단계에서, 상기 탄소나노튜브는 0.5~20체적%, 상기 알루미늄 분말은 80~99체적%, 상기 나노입자는 0.5~20체적%를 혼합하여 복합분말을 제조하는 것을 특징으로 하는 복합 재료 송전 케이블의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노입자는 나노SiC, 나노SiO2 나노Al2O3, 나노TiO2, 나노Fe3O4, 나노MgO, 나노ZrO2 의 세라믹 군 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 복합 재료 송전 케이블의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 복합분말을 제조하는 단계에서, 상기 탄소나노튜브와 상기 알루미늄 분말 및 상기 나노입자를 불활성분위기의 용기에 넣어 볼밀기로 혼합하는 것을 특징으로 하는 복합 재료 송전 케이블의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 볼밀기로 혼합하는 과정에서, 마찰계수를 감소시키기 위해서 공정제어제로 헵탄(Heptane) 15~25 중량부를 첨가하여 혼합하는 것을 특징으로 하는 복합 재료 송전 케이블의 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 전도성 금속캔은 알루미늄캔 또는 구리캔인 것을 특징으로 하는 복합 재료 송전 케이블의 제조방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 복합선재를 제조하는 단계에서, 압출은 열간 분말압출로 행하는 것을 특징으로 하는 복합 재료 송전 케이블의 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 열간 분말압출은 압출온도 350~550℃, 압출비 15~20로 행해지는 것을 특징으로 하는 복합 재료 송전 케이블의 제조방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 내부 심선은 탄소나노튜브로 제조되는 것을 특징으로 하는 복합 재료 송전 케이블의 제조방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 내부 심선은 알루미늄에 탄소섬유가 균일하게 배합된 탄소 강화 알루미늄으로 제조되는 것을 특징으로 하는 복합 재료 송전 케이블의 제조방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 도체에서 적어도 최 외곽 층을 이루는 선재들은 표면에 형성되는 구리 코팅 층을 더 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하는 복합 재료 송전 케이블의 제조방법.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 탄소 강화 알루미늄은 분말 알루미늄에 탄소 섬유 분말을 혼합하여 소결시킴으로써 형성하는 것을 특징으로 하는 복합 재료 송전 케이블의 제조방법.
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