KR20180012054A - 그래핀 와이어, 이를 채용하는 케이블 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

그래핀 와이어, 그래핀 와이어가 적용된 케이블 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예는, 촉매 금속선; 및 상기 촉매 금속선 표면에 코팅된 그래핀층;을 포함하며, 상기 촉매 금속선은 적어도 두 개 이상의 단심선이 서로 꼬아진 연선을 포함하는, 그래핀 와이어를 개시한다.

Description

그래핀 와이어, 이를 채용하는 케이블 및 그 제조방법{Graphene wire, cable employing and Manufacturing method thereof}
본 발명의 실시예들은 그래핀 와이어, 이를 채용하는 케이블 및 그 제조방법에 관한 것이다.
그래핀은 탄소원자들이 2차원적으로 배열된 박막 물질로서, 그 내부에서 전하가 제로 유효 질량 입자(zero effective mass particle)로 작용하기 때문에 매우 높은 전기 전도도를 가지며, 또한 높은 열전도도, 탄성 등을 가지는 것으로 알려져 있다. 또한, 그래핀은 좁은 선폭에서도 노이즈 영향없이 고주파 신호 전송에 유리하다는 결과가 보고되고 있다.
그래핀은 평판 형태 뿐아니라 와이어 형태로 제조될 수 있으며, 전기 및 전자 장치에 필수적으로 설치되는 회로기판의 배선이나 투명 디스플레이, 가요성 디스플레이, 음향기기 등에 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 그래핀 와이어 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는, 촉매 금속선; 및 상기 촉매 금속선 표면에 코팅된 그래핀층;을 포함하며, 상기 촉매 금속선은 적어도 두 개 이상의 단심선이 서로 꼬아진 연선을 포함하는, 그래핀 와이어를 개시한다.
상기 촉매 금속선은 상기 연선의 표면에 코팅된 금속층을 더 포함할 수 있다.
상기 금속층은 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 로듐(Rh) 및 루테늄(Ru) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 단심선의 개수는 2 내지 20일 수 있다.
상기 그래핀 코팅층을 감싸는 절연층;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 적어도 하나의 그래핀 와이어; 상기 그래핀 와이어 주위에 길이 방향으로 집합된 인장선; 및 상기 그래핀 와이어 및 상기 인장선의 둘레를 감싸는 절연 피복;을 포함하며, 상기 그래핀 와이어는, 적어도 두 개 이상의 단심선이 서로 꼬아진 연선; 및 상기 연선의 둘레를 감싸며 배치되는 그래핀 코팅층;을 포함하는, 케이블을 개시한다.
상기 연선은 상기 적어도 두 개 이상의 단심선이 서로 꼬아진 표면상에 배치된 금속층을 더 포함할 수 있다.
상기 그래핀 코팅층을 감싸는 절연층;을 더 포함할 수 있다.
상기 인장선은 케브라 아라미드 얀(Kevlar aramid yarn), 에폭시 섬유봉(Fiber glass epoxy rod), 섬유강화폴리에틸렌(FRP; Fiber Reinforced Polyethylene), 고강도 섬유, 아연도금강선, 및 강선 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 그래핀 와이어는 복수로 구비되며, 상기 복수의 그래핀 와이어는 서로 꼬여서 배치될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는, 적어도 두 개의 단심선을 꼬아 연선 형태의 촉매 금속선을 형성하는 단계; 상기 촉매 금속선의 표면 상에 화학적 기상 증착법을 이용하여 그래핀층을 합성하여 그래핀 와이어를 제조하는 단계; 상기 그래핀 와이어의 주위에 길이 방향으로 인장선을 집합시키는 단계; 및 상기 그래핀 와이어 및 상기 인장선을 감싸는 절연 피복을 형성하는 단계;를 포함하는, 케이블의 제조방법을 개시한다.
상기 인장선은 케브라 아라미드 얀(Kevlar aramid yarn), 에폭시 섬유봉(Fiber glass epoxy rod), 섬유강화폴리에틸렌(FRP; Fiber Reinforced Polyethylene), 고강도 섬유, 아연도금강선, 및 강선 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 그래핀층의 합성온도는 상기 인장선의 녹는점보다 높을 수 있다.
상기 절연 피복은 불소 수지 또는 직조물로 구비될 수 있다.
상기 그래핀층을 합성하기 전에, 상기 촉매 금속선에 플라즈마, 레이저, 예열 공정 중 적어도 하나를 수행할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 의한 그래핀 와이어 및 케이블은 촉매 금속선이 단심선이 꼬여진 연선을 포함하여, 인장강도, 유연성, 전기적 특성이 향상될 수 있으며, 그 위에 그래핀층을 형성하고 있어 그래핀층의 손상 없이 전기 전도도가 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 와이어를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 그래핀 와이어의 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 와이어의 단면도이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀 와이어의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀 와이어의 사이도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 케이블의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 그래핀 와이어 또는 케이블이 적용될 수 있는 이어폰을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블의 제조공정을 나타낸 순서도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. 이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 와이어(10)를 도시한 사시도이며, 도 2는 도 1의 그래핀 와이어(10)의 단면도, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 와이어(11, 12)의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 그래핀 와이어(10)은 촉매 금속선(110), 촉매 금속선(110) 표면에 코팅된 그래핀층(120)을 포함하며, 촉매 금속선(110)은 적어도 두 개 이상의 단심선(110a)이 서로 꼬아진 연선을 포함한다.
촉매 금속선(110)은 그래핀층(120)을 합성하기 위한 금속으로, 적어도 두 개 이상의 단심선(110a)이 서로 꼬아진 연선(stranded cable, 撚線)을 포함한다. 도 1에 있어서는 단심선(110a) 두 개가 꼬아진 형태를 도시하고 있으나, 도 3a 및 도 3b와 같이 단심선(110a)은 세 개 이상으로 구비될 수 있다. 도 3a의 그래핀 와이어(11)은 세 개의 단심선(110a)이 서로 꼬여져 연선을 구비하며, 도 3b의 그래핀 와이어(12)는 일곱 개의 단심선(110a)이 서로 꼬여져 연선을 구비한다. 그러나, 단심선(110a)의 개수는 이에 한정되지 않는다. 단심선(110a)의 개수는 와이어의 용도에 따라서 조절될 수 있으며 2개 이상으로 구비되면 본 발명의 범주 내에 속하게 된다. 일부 실시예에서, 단심선(110a)의 개수는 2개 내지 20개일 수 있다. 이 경우, 플렉서블 케이블에 적용하기 위한 것일 수 있다.
복수의 단심선(110a)은 시계 방향 또는 반시계 방향으로 나선형으로 꼬아서 연선으로 구비될 수 있다. 복수의 단심선(110a)을 서로 꼬아 연선으로 구비하는 것은 와이어의 인장강도와 가공의 용이성, 유연성, 전기적 특성 등을 확보하기 위한 것일 수 있다.
단심선(110a)은 그래핀층(120)을 합성하기 위한 금속을 포함할 수 있다. 예컨대, 단심선(110a)은 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 로듐(Rh) 및 루테늄(Ru) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 단심선(110a)은 상기 물질 중 하나의 물질이 90% 이상 포함된 금속으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
그래핀층(120)은 상기 촉매 금속선(110)의 표면에서 합성되어, 상기 촉매 금속선(110)의 표면을 코팅한다. 다시 말하면, 그래핀층(120)은 상기 적어도 두 개의 단심선(110a)이 서로 꼬아진 연선의 표면상에 코팅된다.
그래핀층(120)은 복수 개의 탄소원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 2차원 평면 시트 형태를 형성한 것으로서, 공유결합으로 연결된 탄소원자들은 기본 반복단위로서 6원환을 형성하나, 5원환 및/또는 7원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 그래핀층(120)은 다양한 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조는 그래핀층(120) 내에 포함될 수 있는 5원환 및/또는 7원환의 함량에 따라 달라질 수 있다. 그래핀층(120)은 기본적으로 서로 공유 결합된 탄소원자들(통상 sp2 결합)의 단일층으로 이루어질 수 있으나, 이들이 여러 개 적층되어 복수층으로 형성되는 것도 가능하다. 그래핀층(120)은 매우 높은 전하 이동도를 가지고 있어, 그래핀 와이어(10, 11, 12)의 전하 이동 속도를 높이는 역할을 할 수 있다.
특히, 고주파로 갈수록 전하는 도체의 표면을 따라 이동하는 바, 상기 촉매 금속선(110)의 표면에 형성된 그래핀층(120)에 의해서, 고주파에서 그래핀 와이어(10, 11, 12)의 전하 이동 속도가 향상될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 그래핀층(120)은 복수의 단심선(110a) 각각의 둘레를 감싸면서 배치되는 것이 아니라, 복수의 단심선(110a)이 꼬아진 연선의 둘레를 감싸면서 배치되고 있다.
만일, 그래핀층(120)을 복수의 단심선(110a) 각각에 형성한 후, 복수의 단심선(110a)를 서로 꼬는 연선 가공 작업을 할 경우, 표면에 형성된 그래핀층(120)이 손상을 입을 수 있어, 와이어의 성능의 저하를 가지고 올 수 있다. 본 발명의 실시예에 있어서는, 복수의 단심선(110a)를 꼬은 후, 그 표면상에 그래핀층(120)을 형성하고 있어 연선 가공 작업 시에 그래핀층(120)이 손상될 위험을 방지할 수 있다.
그래핀층(120)은 화학 기상 증착 방법(Chemical Vapor Deposition : CVD)에 의해서 합성될 수 있다. 예컨대, 촉매 금속선(110)과 탄소를 포함하는 가스(CH4, C2H2, C2H4, CO 등)을 챔버에 넣고 가열함으로써, 촉매 금속선(110)에 탄소가 흡수되도록 한다. 이어, 급속히 냉각을 수행하여 탄소를 결정화시키는 방법으로 그래핀층(120)을 합성할 수 있다.
도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀 와이어(13, 14, 15)를 도시한 단면도이다. 도 4a 내지 도 4b에 있어서, 도 1에서와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타내며, 여기서는 설명의 간략화를 위하여 이들의 중복 설명은 생략한다.
도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 그래핀 와이어(13, 14, 15, 16)은 촉매 금속선(110), 촉매 금속선(110) 표면에 코팅된 그래핀층(120)을 포함하며, 촉매 금속선(110)은 적어도 두 개 이상의 단심선(110a)이 서로 꼬아진 연선을 포함한다.
촉매 금속선(110)은 상기 연선의 표면에 배치된 금속층(113)을 포함한다. 즉, 금속층(113)은 상기 연선과 그래핀층(120) 사이에 배치된다. 금속층(113)은 그래핀층(120)을 합성하기 위한 촉매 금속의 역할을 할 수 있다. 이 경우, 단심선(110a)은 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등 전도성 물질일 수 있으며, 금속층(113)은 상기 단심선(110a)과 동종 또는 이종 물질로 이루어질 수 있다. 예컨대, 금속층(113)은 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 로듐(Rh) 및 루테늄(Ru) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 금속층(113)은 도금 또는 증착에 의해서 형성될 수 있다. 금속층(113)이 그래핀층(120)이 합성될 때, 촉매 금속의 역할을 수행함에 따라, 단심선(110a)은 촉매 금속 물질이 아닌 다양한 물질로 구비될 수 있다. 또는, 단심선(110a)의 순도는 금속층(113)의 순도보다 낮게 구비될 수 있다. 예를 들어, 단심선(110a)은 순도가 낮은 구리(Cu)로 구비될 수 있으며, 금속층(113)은 99.9% 이상의 구리(Cu)로 구비될 수 있다.
금속층(113)은 그래핀층(120)의 합성을 위한 것으로, 복수의 단심선(110a)이 꼬아진 후에 형성될 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 도 4d와 같이, 복수의 단심선(110a) 각각의 둘레에 금속층(113)이 형성된 후, 꼬아져 연선을 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 그래핀층(120)은 복수의 단심선(110a) 각각의 둘레를 감싸면서 배치되는 것이 아니라, 복수의 단심선(110a)이 꼬아진 연선의 둘레를 감싸면서 배치되고 있다.
만일, 그래핀층(120)을 복수의 단심선(110a) 각각에 형성한 후, 복수의 단심선(110a)를 서로 꼬는 연선 가공 작업을 할 경우, 표면에 형성된 그래핀층(120)이 손상을 입을 수 있어, 와이어의 성능의 저하를 가지고 올 수 있다. 본 발명의 실시예에 있어서는, 복수의 단심선(110a)를 꼬은 후, 그 표면상에 그래핀층(120)을 형성하고 있어 연선 가공 작업 시에 그래핀층(120)이 손상될 위험을 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀 와이어(17)의 사시도이다. 도 5에 있어서, 도 1에서와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타내며, 여기서는 설명의 간략화를 위하여 이들의 중복 설명은 생략한다.
도 5를 참조하면, 그래핀 와이어(17)은 촉매 금속선(110), 촉매 금속선(110) 표면에 코팅된 그래핀층(120)을 포함하며, 촉매 금속선(110)은 적어도 두 개 이상의 단심선(110a)이 서로 꼬아진 연선을 포함한다. 또한, 그래핀 와이어(20)는 상기 그래핀층(120)을 감싸는 절연층(140)을 더 포함한다.
절연층(140)은 상기 그래핀층(120)의 외부에 불소수지 등의 절연체를 코팅하여 형성하거나, 직조물를 이용하여 그래핀층(120)을 감싸도록 형성할 수 있다. 절연층(140)은 그래핀 와이어(17)을 절연하는 역할을 할 수 있다.
상기 불소수지는 분자 안에 불소를 함유한 수지를 총칭하는 것으로, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethlene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE; plychlorotrifluoroethylene), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF; polyvinylidenefluoride), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE; ethylenetetrafluoroethylene) 등이 있고, 이들의 배합물이 사용될 수도 있다. 상기 불소수지는 용융 성형에 의해 코팅, 성형품 등으로 성형될 수 있으나, 용융점도가 높은 일부 불소수지의 경우 분말 형태의 불소수지를 소결함으로써 성형품 등으로 성형될 수 있다.
상기 직조물은 섬유를 직조하여 구비된 것으로, 폴리아마이드 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유 등으로 이루어질 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 와이어(10)를 채용한 케이블(20)을 나타낸 사시도이다. 도 7는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀 와이어(18)를 채용한 케이블(21)을 나타낸 단면도이다. 도 6 및 도 7에 있어서, 도 1에서와 동일한 참조 부호는 동일 부재를 나타내며, 여기서는 설명의 간략화를 위하여 이들의 중복 설명은 생략한다.
도 6을 참조하면, 케이블(20)은 적어도 하나의 그래핀 와이어(10) 및 상기 그래핀 와이어(10)와 함께 길이방향으로 집합된 인장선(310)을 포함하며, 상기 그래핀 와이어(10) 및 인장선(310)을 감싸는 절연 피복(320)을 포함한다.
그래핀 와이어(10)는 촉매 금속선(110), 촉매 금속선(110) 표면에 코팅된 그래핀층(120)을 포함하며, 촉매 금속선(110)은 적어도 두 개 이상의 단심선(110a)이 서로 꼬아진 연선을 포함한다.
인장선(310)은 케이블(20)의 항장력을 보충함으로써 케이블(20) 내부의 그래핀 와이어(10)을 보호하는 기능을 수행하고, 케브라 아라미드 얀(Kevlar aramid yarn), 에폭시 섬유봉(Fiber glass epoxy rod), 섬유강화폴리에틸렌(FRP; Fiber Reinforced Polyethylene), 고강도 섬유, 아연도금강선, 강선 등으로 이루어질 수 있다. 인장선(310)은 복수로 구비될 수 있으며, 상기 케이블(20)에서 요구되는 굽힘 특성, 항장력 등에 따라 그 직경과 개수를 달리할 수 있다.
상기 인장선(310)의 녹는점은 그래핀층(120)의 합성 온도 보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 케브라 아라미드 얀의 경우 녹는점이 300도 부근으로 그래핀층(120)의 합성 온도인 600도 ~ 1050도 보다 낮다. 따라서, 인장선(310)은 그래핀층(120)을 합성하기 전에는 적용할 수 없다. 따라서, 인장선(310)은 그래핀 와이어(10)를 제조한 후, 집합 공정을 통해서 케이블(20)에 적용하는 것이 바람직하다.
절연 피복(320)은 상기 그래핀 와이어(10)와 상기 인장선(310)을 함께 감싼다. 절연 피복(320)은 불소수지 등의 절연체를 코팅하여 형성하거나, 직조물를 이용하여 그래핀 와이어(10) 및 인장선(310)을 감싸도록 형성할 수 있다.
상기 불소수지는 분자 안에 불소를 함유한 수지를 총칭하는 것으로, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethlene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE; plychlorotrifluoroethylene), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF; polyvinylidenefluoride), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE; ethylenetetrafluoroethylene) 등이 있고, 이들의 배합물이 사용될 수도 있다. 상기 불소수지는 용융 성형에 의해 코팅, 성형품 등으로 성형될 수 있으나, 용융점도가 높은 일부 불소수지의 경우 분말 형태의 불소수지를 소결함으로써 성형품 등으로 성형될 수 있다.
상기 직조물은 섬유를 직조하여 구비된 것으로, 폴리아마이드 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유 등으로 이루어질 수 있다.
도 6에 있어서, 케이블(20)은 도 1의 그래핀 와이어(10)을 적용한 것을 예시로 들었으나, 본 발명의 실시예는 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 실시예에 따른 케이블은 도 1 내지 도 5를 예로 들어 설명한 그래핀 와이어(10, 11, 12, 13, 14, 15, 16) 및 그 변형예들의 적용이 가능하다.
예컨대, 도 7을 참조하면, 케이블(21)은 적어도 두 개의 그래핀 와이어(18) 및 인장선(310)을 포함하며, 상기 그래핀 와이어(18) 및 인장선(310)을 감싸는 절연 피복(320)을 포함한다.
그래핀 와이어(18)는 촉매 금속선(110), 촉매 금속선(110) 표면에 코팅된 그래핀층(120)을 포함하며, 촉매 금속선(110)은 적어도 두 개 이상의 단심선(110a)이 서로 꼬아진 연선을 포함한다. 또한, 그래핀 와이어(18)는 상기 연선을 감싸는 절연층(140)을 더 포함할 수 있다. 도 7에 있어서, 촉매 금속선(110)은 세 개의 단심선(110a)이 서로 꼬아진 연선으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않는다.
케이블(21)은 적어도 두 개의 그래핀 와이어(18)를 포함하며, 적어도 두 개의 그래핀 와이어(18)는 서로 꼬아져 배치될 수 있다. 도 7에 있어서는 그래핀 와이어(18)은 두 개가 집합된 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 그래핀 와이어(18)의 개수는 케이블(21)의 특성에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 그래핀 와이어(10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17. 18) 및 케이블(20, 21)은 다양한 분야에 적용될 수 있다. 예를 들어, 그래핀 와이어(10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17. 18) 및 케이블(20, 21)은 통신 케이블, RF 케이블, 전력 케이블 등에 적용될 수 있다. 또한, 그래핀 와이어(10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17. 18) 및 케이블(20, 21)은, 도 8에서와 같이, 이어폰 또는 헤드폰 등에 사용되는 음향 케이블로 적용될 수 있다. 또는, 오디오와 스피커를 연결하는 음향 케이블로 적용될 수 있다.
예컨대, 도 8을 참조하면, 이어폰은 연결 잭(31), 연결 잭(31)으로부터 연장되는 연장 케이블(34) 및 연장 케이블(34)의 한쪽 끝으로부터 분기되어 연장되는 분리 케이블(34a, 34b)로 이루어질 수 있다. 귀에 착용되는 착용 몸체(32a, 32b)는 분리 케이블(34a, 34b)의 한쪽 끝에 각각 결합이 될 수 있다. 착용 몸체(32a, 32b)에 결합되는 분리 케이블(34a, 34b) 부분에 삽입 홈 고정 쇠(35a)와 돌기 고정 쇠(35b)가 설치될 수 있다. 이 때, 연장 케이블(34) 및 분리 케이블(34a, 34b)에 본 발명의 실시예들에 따른 그래핀 와이어(10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17. 18) 또는 케이블(20, 21)이 적용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블(20)의 제조 공정을 설명하기 위한 순선도이다.
도 9를 참조하면, 먼저 적어도 두 개의 단심선(110a)을 꼬아서 연선 형태의 촉매 금속선(110)을 준비한다.(S1) 적어도 두 개의 단심선(110a)는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 꼬을 수 있다. 촉매 금속선(110)은 상기 연선 상에 금속층(113)이 도금 또는 코팅된 것으로 준비될 수도 있다. 촉매 금속선(110) 및/또는 금속층(113)은 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 로듐(Rh) 및 루테늄(Ru) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그래핀층(120)을 형성하기 전에, 촉매 금속선(110)의 표면 상에 플라즈마, 레이저, 예열 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 공정이 수행될 수 있다. 상기 플라즈마 공정 및 레이저 공정은 그래핀이 합성될 촉매 금속선(110) 상에 불순물을 제거하고 금속 부재의 조직을 치밀하게하기 위한 공정일 수 있다. 상기 예열 공정은 그래핀층(120)의 합성 및/또는 코팅 전에, 화학기상증착이 용이하게 일어날 수 있는 온도로 미리 촉매 금속선(110)를 가열하는 공정을 의미할 수 있다.
그 다음, 복수의 단심선(110a)이 꼬아진 연선의 표면상에 그래핀층(120)을 합성한다.(S2) 그래핀층(120)은 화학기상층착법(CVD)에 의해 합성되어 동시에 코팅되는 것으로, 예를 들어, 상기 그래핀층(120)은 탄소 소스를 포함하는 반응 가스를 주입하는 화학기상증착법에 의하여 상기 촉매 금속선(110) 표면에 그래핀층(120)이 합성되어 동시에 코팅되는 것이나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 화학기상증착법은 열 화학기상증착법 (thermal chemical vapor deposition; T-CVD), 급속 열처리 화학기상증착법 (rapid thermal chemical vapor deposition; RTCVD), 플라즈마 화학기상증착법(plasma enhanced chemical vapor deposition; PECVD), 유도전류플라즈마 화학기상증착법(inductively coupled plasma enhanced chemical vapor deposition; ICPCVD), 유기금속화학기상증착법(metal organic chemical vapor deposition; MOCVD), 저압화학증기증착(low pressure chemical vapor deposition; LPCVD), 상압화학증기증착(atmospheric pressure chemical vapor deposition; APCVD) 또는 Laser heating 등을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
먼저, 촉매 금속선(110)을 챔버에 두고, 600도 이상의 고온, 바람직하게는 약 800도 내지 1050도의 온도로 승온한다. 승온 온도 및 승온 속도에 따라서 촉매 금속선(110)의 재결정화/결정 성장의 거동이 달라지게된다. 일부 실시예에서, 승온은 촉매 금속선(110)의 결정립의 크기가 커지고 특정 결정 방향으로 결정이 성장할 수 있도록 수초 내지 수분으로 빠르게 수행할 수 있다. 이러한 조건에서 저항값이 매우 낮은 그래핀이 합성될 수 있다.
그 다음, 탄소 소스를 공급하여 촉매 금속선(110) 표면에 그래핀을 합성시킨다.
상기 탄소 소스는 일산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 탄소 소스 또는 타르, 고분자, 석탄 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 고체 상태의 탄소 소스를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 탄소 소스는 상기 탄소 소스만으로 존재하거나, 또는 헬륨, 아르곤 등과 같은 불활성 가스와 상기 탄소 소스가 함께 존재할 수도 있다. 또한, 상기 탄소 소스는 상기 탄소 소스와 더불어 수소를 포함할 수 있다. 수소는 상기 기재의 표면을 깨끗하게 유지하여 기상 반응을 제어하기 위하여 사용될 수 있다.
상기 탄소 소스를 기상으로 공급하면서 열처리 하면 상기 탄소 소스에 존재하는 탄소 성분들이 결합하여 상기 촉매 금속선(110) 표면에서 주로 6 각형의 판상 구조를 형성하면서 그래핀층(120)이 합성된다. 그 다음, 일정한 속도로 상온으로 냉각하여 합성된 그래핀층(120)의 안정성을 높여 그래핀 와이어(10)을 완성한다.
그래핀 와이어(10)를 완성한 후, 인장선(310)을 그래핀 와이어(10)와 길이 방향으로 집합시킨 후(S3), 그래핀 와이어(10) 및 인장선(310)을 절연 피복(320)으로 감싼다. (S4)
인장선(310)은 케이블(20)의 항장력을 보충함으로써 케이블(20) 내부의 그래핀 와이어(10)을 보호하는 기능을 수행하는 것으로, 케브라 아라미드 얀(Kevlar aramid yarn), 에폭시 섬유봉(Fiber glass epoxy rod), 섬유강화폴리에틸렌(FRP; Fiber Reinforced Polyethylene), 고강도 섬유, 아연도금강선, 강선 등으로 이루어질 수 있다. 인장선(310)은 복수로 구비될 수 있으며, 상기 케이블(20)에서 요구되는 굽힘 특성, 항장력 등에 따라 그 직경과 개수를 달리할 수 있다.
상기 인장선(310)의 녹는점은 그래핀층(120)의 합성 온도 보다 낮을 수 있다. 예를 들어, 케브라 아라미드 얀의 경우 녹는점이 300도 부근으로 그래핀층(120)의 합성 온도인 600도 ~ 1050도 보다 낮다. 따라서, 인장선(310)은 그래핀층(120)을 합성하기 전에는 적용할 수 없다. 따라서, 인장선(310)은 그래핀 와이어(10)를 제조한 후, 집합 공정을 통해서 케이블(20)에 적용하는 것이 바람직하다.
절연 피복(320)은 상기 그래핀 와이어(10)와 상기 인장선(310)을 함께 감싼다. 절연 피복(320)은 불소수지 등의 절연체를 코팅하여 형성하거나, 직조물를 이용하여 그래핀 와이어(10) 및 인장선(310)을 감싸도록 형성할 수 있다.
상기 불소수지는 분자 안에 불소를 함유한 수지를 총칭하는 것으로, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE; polytetrafluoroethlene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE; plychlorotrifluoroethylene), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF; polyvinylidenefluoride), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE; ethylenetetrafluoroethylene) 등이 있고, 이들의 배합물이 사용될 수도 있다. 상기 불소수지는 용융 성형에 의해 코팅, 성형품 등으로 성형될 수 있으나, 용융점도가 높은 일부 불소수지의 경우 분말 형태의 불소수지를 소결함으로써 성형품 등으로 성형될 수 있다.
상기 직조물은 섬유를 직조하여 구비된 것으로, 폴리아마이드 섬유, 폴리에스테르 섬유, 폴리에틸렌 섬유, 폴리프로필렌 섬유 등으로 이루어질 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 의한 그래핀 와이어(10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18) 및 케이블(20, 21)은 촉매 금속선(110)이 단심선(110a)이 꼬여진 연선을 포함하여, 인장강도, 유연성, 전기적 특성이 향상될 수 있으며, 그 위에 그래핀층(120)을 형성하고 있어 그래핀층(120)의 손상 없이 전기 전도도가 향상될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17. 18: 그래핀 와이어
20, 21: 케이블
110a: 단심선
110: 촉매 금속선
113: 금속층
120: 그래핀층
140: 절연층
310: 인장선
320: 절연 피복

Claims (15)

  1. 촉매 금속선; 및
    상기 촉매 금속선 표면에 코팅된 그래핀층;을 포함하며,
    상기 촉매 금속선은 적어도 두 개 이상의 단심선이 서로 꼬아진 연선을 포함하는, 그래핀 와이어.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매 금속선은 상기 연선의 표면에 코팅된 금속층을 더 포함하는, 그래핀 와이어.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 금속층은 구리(Cu), 니켈(Ni), 코발트(Co), 티타늄(Ti), 백금(Pt), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 로듐(Rh) 및 루테늄(Ru) 중 적어도 하나를 포함하는, 그래핀 와이어.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단심선의 개수는 2 내지 20인, 그래핀 와이어.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 그래핀 코팅층을 감싸는 절연층;을 더 포함하는, 그래핀 와이어.
  6. 적어도 하나의 그래핀 와이어;
    상기 그래핀 와이어 주위에 길이 방향으로 집합된 인장선; 및
    상기 그래핀 와이어 및 상기 인장선의 둘레를 감싸는 절연 피복;을 포함하며,
    상기 그래핀 와이어는,
    적어도 두 개 이상의 단심선이 서로 꼬아진 연선; 및
    상기 연선의 둘레를 감싸며 배치되는 그래핀 코팅층;을 포함하는, 케이블.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연선은 상기 적어도 두 개 이상의 단심선이 서로 꼬아진 표면상에 배치된 금속층을 더 포함하는, 케이블.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 그래핀 코팅층을 감싸는 절연층;을 더 포함하는, 케이블.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 인장선은 케브라 아라미드 얀(Kevlar aramid yarn), 에폭시 섬유봉(Fiber glass epoxy rod), 섬유강화폴리에틸렌(FRP; Fiber Reinforced Polyethylene), 고강도 섬유, 아연도금강선, 및 강선 중 적어도 하나를 포함하는, 케이블.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 그래핀 와이어는 복수로 구비되며, 상기 복수의 그래핀 와이어는 서로 꼬여서 배치되는, 케이블.
  11. 적어도 두 개의 단심선을 꼬아 연선 형태의 촉매 금속선을 형성하는 단계;
    상기 촉매 금속선의 표면 상에 화학적 기상 증착법을 이용하여 그래핀층을 합성하여 그래핀 와이어를 제조하는 단계;
    상기 그래핀 와이어의 주위에 길이 방향으로 인장선을 집합시키는 단계; 및
    상기 그래핀 와이어 및 상기 인장선을 감싸는 절연 피복을 형성하는 단계;를 포함하는, 케이블의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 인장선은 케브라 아라미드 얀(Kevlar aramid yarn), 에폭시 섬유봉(Fiber glass epoxy rod), 섬유강화폴리에틸렌(FRP; Fiber Reinforced Polyethylene), 고강도 섬유, 아연도금강선, 및 강선 중 적어도 하나를 포함하는, 케이블의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 그래핀층의 합성온도는 상기 인장선의 녹는점보다 높은, 케이블의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 절연 피복은 불소 수지 또는 직조물로 구비되는, 케이블의 제조방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 그래핀층을 합성하기 전에, 상기 촉매 금속선에 플라즈마, 레이저, 예열 공정 중 적어도 하나를 수행하는, 케이블의 제조방법.
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