KR20180109394A - 단결정 구리 와이어 도체, 이를 포함하는 케이블 및 이의 제조방법 - Google Patents

단결정 구리 와이어 도체, 이를 포함하는 케이블 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단결정 구리 와이어 도체, 이를 포함하는 케이블 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 전기전도도 및 신호전달이 뛰어나고 내식성이 향상되며 케이블의 경량화 및 소형화를 가능하게 하는 고품질 단결정 구리 와이어 도체, 이를 포함하는 케이블 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

단결정 구리 와이어 도체, 이를 포함하는 케이블 및 이의 제조방법{Single crystal copper wire conductor, cable comprising the same, and method for preparing the same}
본 발명은 단결정 구리 와이어 도체, 이를 포함하는 케이블 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 전기전도도 및 신호전달이 뛰어나고 내식성이 향상되며 케이블의 경량화 및 소형화를 가능하게 하는 고품질 단결정 구리 와이어 도체, 이를 포함하는 케이블 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
종래 케이블용 도체로 가장 널리 사용되는 금속은 구리이며, 그 중 전기 분해로 정련하여 불순물이 적어 전기전도도가 우수한 구리가 전기동(Tough Pitch Copper; TPC)이다.
현재 일반적인 케이블의 도체는 거의 대부분이 전기동(TPC)을 사용하고 있으나, 오디오 및 신호 전달용 등의 특수 목적으로 사용되는 케이블의 도체는 고가이지만 고품질의 구리 도체가 요구되고 있는 추세이다.
특히, 물리학적으로 알려진 사실에 의하면 구리에서 92%는 구리 자체가 가지고 있는 구조적 저항이며 나머지 8%가 불순물 및 결함에 의한 저항이므로, 고해상도, 고출력 등을 구현하기 위해 고순도의 무산소동(Oxygen Free Copper; OFC)이 사용되고 있으나, 상기 구리 도체의 순도를 99.999 내지 99.9999%로 높이더라도 저항은 1.67×10-8 Ω㎝ 수준에서 더 이상 줄지 않는다.
한편, 고품질의 구리 도체를 얻기 위해서는 불순물의 제거도 중요하지만 구리 금속의 결정 형상도 매우 중요하다. 일반적으로 금속은 결정으로 이루어져 있고 이런 결정들의 경계면들이 존재하게 되는데 이런 결정립들은 전류 및 신호의 흐름에 방해가 된다. 즉, 상기 구리 도체에 있어서 동일 면적 내의 결정이 크면 클수록 결정립의 수는 감소하고 이는 곧 전류 및 신호 흐름에 유리하게 작용하게 되며, 결과적으로 상기 구리 도체를 포함하는 케이블의 경량화 및 소형화가 가능하다.
또한, 상기 구리 도체에 있어서 동일 면적 내의 결정이 크면 클수록 결정들의 경계면이 줄어들어 이러한 경계면을 따라 발생하는 입계부식을 최소화할 수 있다.
따라서, 결정구조가 잘 갖추어져 전기전도도 및 신호전달이 뛰어나고 내식성이 향상되며 케이블의 경량화 및 소형화를 가능하게 하는 고품질의 단결정 구리 와이어 도체, 이를 포함하는 케이블 및 이의 제조방법이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 전기전도도 및 신호전달이 뛰어난 단결정 구리 와이어 도체, 이를 포함하는 케이블 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 내식성이 향상되는 단결정 구리 와이어 도체, 이를 포함하는 케이블 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가, 본 발명은 케이블의 경량화 및 소형화를 가능하게 하는 고품질의 단결정 구리 와이어 도체, 이를 포함하는 케이블 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,
단결정 구리 와이어 도체로서, 임의의 단면에서의 1 ㎤의 단위면적당 결정립의 수가 10 내지 100/㎤이고, 저항이 1.6530×10-8 Ω㎝ 이하인 것을 특징으로 하는, 단결정 구리 와이어 도체를 제공한다.
여기서, 광학적연마 또는 불산(HF)에 의해 표면의 산화막이 제거됨으로써 표면 응력의 영향이 제거된 것을 특징으로 하는, 단결정 구리 와이어 도체를 제공한다.
또한, 표면이 DLC(Diamon Like Carbon) 코팅 또는 테프론 코팅 처리된 것을 특징으로 하는, 단결정 구리 와이어 도체를 제공한다.
여기서, 800 내지 900℃에서 열처리된 것을 특징으로 하는, 단결정 구리 와이어 도체를 제공한다.
한편, 상기 단결정 구리 와이어 도체 및 상기 도체를 감싸는 절연체를 포함하는 케이블을 제공한다.
또한, 초크랄스키법(Czochralski mothod)으로 단결정 구리를 성장시키는 단계 및 방전 가공으로 단결정 구리 와이어 형태로 절단하는 단계를 포함하는, 단결정 구리 와이어의 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 초크랄스키법으로 단결정 구리를 성장시키는 단계는 구리 덩어리를 성장도가니에 넣고 구리의 융점(Tm)인 1083℃ 보다 30 ℃ 이상 높은 온도로 상기 구리 덩어리를 가열하여 용융시킨 후 1000 내지 1100℃에서 구리 용탕에 단결정 구리 시드(seed)를 접촉시켜 서서히 회전시키면서 위로 당기면 구리가 냉각되면서 단결정 구리로 성장하는 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 단결정 구리 와이어의 제조방법.
또한, 상기 단결정 구리 와이어의 표면 응력의 영향을 제거하기 위해 상기 단결정 구리 와이어의 표면에 대해 광학적연마 또는 불산에 의한 표면산화막 제거 처리를 추가로 수행하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 단결정 구리 와이어의 제조방법을 제공한다.
그리고, 상기 단결정 구리 와이의 표면에 대해 DLC(Diamon Like Carbon) 코팅 또는 테프론 코팅을 수행한 후, 800 내지 900℃에서 열처리를 수행하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 단결정 구리 와이어의 제조방법을 제공한다.
한편, 초크랄스키법으로 단결정 구리를 성장시키는 단계, 방전 가공으로 단결정 구리 와이어 형태로 절단하는 단계, 단결정 구리 와이어를 목적한 직경으로 인발하는 단계; 단결정 구리 인발선재를 연합시키는 단계; 및 연합된 인발선재를 절연체로 감싸는 단계를 포함하는, 케이블의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 단결정 구리 와이어 도체는 특정한 결정구조를 보유함으로써 케이블의 도체로 사용되는 경우 전기전도도 및 신호전달이 우수한 효과를 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 단결정 구리 와이어 도체는 감소한 결정들의 경계면에 의해 내식성이 향상되는 우수한 효과를 나타낸다.
나아가, 본 발명에 따른 단결정 구리 와이어 도체는 감소한 불순물의 함량 및 특정한 결정구조를 통해 저감된 저항을 보유함으로써 이를 포함하는 케이블의 경량화 및 소형화를 가능하게 하는 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 단결정 구리 와이어와 일반 구리 와이어의 결정구조를 나타내는 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 단결정 구리 와이어 도체를 포함하는 케이블의 제조방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도체 소재별 선재의 측면의 결정구조를 나타내는 사진이다.
도 4는 도체 소재별 선재의 단면의 결정구조를 나타내는 사진이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공 되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명은 단결정 구리 와이어 도체에 관한 것이다.
단결정 구리는 구리 원자들이 빈틈 없이 밀집한 구조로 채워진 주기적 원자배열을 갖는 결정구조의 구리를 의미하고, 단결정 구조로 결정을 성장시킴은 원자 하나하나가 매우 규칙적으로 배열되어 빈틈없이 쌓아가는 과정과 같다. 이에 비해 일반 구리는 원자들 사이에 빈틈이 존재하여 쌓여진 원자들이 서로 다른 방향성을 갖게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 단결정 구리 와이어와 일반 구리 와이어의 결정구조를 나타내는 사진이다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 일반 구리의 경우 일반적으로 임의의 단면에서의 단위면적(1㎤)당 결정립의 수가 109 내지 1012/㎤인 반면, 도 1a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 단결정 구리는 결정립의 수가 10 내지 100/㎤일 수 있다. 이로써, 본 발명에 따른 단결정 구리는 일반 구리에 비해 저항을 약 8% 정도 줄일 수 있어 저항이 약 1.5945×10-8Ω㎝ 정도일 수 있다.
8%의 저항은 그리 크지 않다고 할지 모르지만 구리의 저항을 8% 줄인 것은 저항 측면에서 구리를 은(Ag)과 같이 만든 것에 해당한다. 구리의 불순물을 줄여 99.9999 내지 99.99999%의 고순도 무산소동을 만들어도 저항은 별로 줄지 않지만 단결정이 되었을 때는 이렇게 큰 차이가 난다. 이는 전류의 흐름에 결정들의 경계면이 미치는 영향이 얼마나 큰지를 짐작하게 한다.
종래 브리지만법(Bridgemann method)이라는 결정성장법을 이용하여 단결정 구리 와이어를 제조하려고 했던 시도가 있었으나, 이 방법은 수정 튜브를 사용하여 성장시키므로 대량 생산이 불가능하고 비용이 너무 비싸면서 결정의 질도 좋지 않아 상업적으로 성공하지 못했다.
한편, 구리를 단결정으로 성장시키는 방법으로는 초크랄스키법(Czochralski mothod)이라는 잘 알려진 방법이 주로 사용되어 왔고, 초크랄스키법은 구리 용탕에 단결정 구리 시드(seed)를 접촉시켜 서서히 회전시키면서 위로 당기면 구리가 냉각되면서 단결정 구리로 성장하게 되는 방법이다.
초크랄스키법으로 단결정 구리를 성장시키는 경우 1시간당 0.1 내지 1 mm 정도의 크기로 원자들이 쌓여간다. 문제는 성장된 결정으로부터 이 결정의 구조를 깨트리지 않고 어떻게 와이어 형태로 만드느냐 하는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 단결정 구리 와이어 도체를 포함하는 케이블의 제조방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 단결정 구리 와이어 도체를 포함하는 케이블의 제조방법은 아래 단계들을 순차적으로 포함한다.
초크랄스키법으로 단결정 구리를 성장시키는 단계(S100),
방전 가공으로 단결정 구리 와이어 형태로 절단하는 단계(S200),
단결정 구리 와이어를 목적한 직경으로 인발하는 단계(S300);
단결정 구리 인발선재를 연합시키는 단계(S400); 및
연합된 인발선재를 절연체로 감싸는 단계(S500).
여기서, 초크랄스키법으로 단결정 구리를 성장시키는 단계(S100)는 성장시키고자 하는 구리 덩어리를 석영도가니, 흑연도가니, 알루미나도가니 등의 성장도가니에 넣고, 상기 성장도가니는 유도코일을 이용한 유도코일 또는 탄소히터를 이용하여 구리의 융점(Tm)인 1083℃ 보다 약 30℃ 이상 높은 온도로 상기 구리 덩어리를 가열하여 용융시킨 후, 1000 내지 1100℃에서 구리 용탕에 단결정 구리 시드(seed)를 접촉시켜 서서히 회전시키면서 위로 당기면 구리가 냉각되면서 단결정 구리로 성장하는 방식으로 수행될 수 있다.
또한, 방전 가공으로 단결정 구리 와이어 형태로 절단하는 단계(S200)를 통해 응력에 대한 변형을 최소화하면서 단결정 구조의 파괴 없이 와이어 형태로 절단이 가능하다. 그리고, 이러한 제조 공정에 의해 얻어진 단결정 구리 와이어는 가공 과정에서 형성된 응력의 영향이 남아 있을 수 있기 때문에, 핸드 브러셔나 알루미나분말을 사용하여 와이어의 표면 응력의 영향을 제거하는 광학적연마를 추가로 수행할 수 있다.
또한, 단결정 구리 와이어의 표면에 형성된 응력의 영향은 희석된 불산을 이용하여 제거될 수 있다. 방전 가공 중에 형성된 구리 와이어의 표면 응력은 대부분 산화막으로 이루어져 있으며 이러한 산화막은 H2O:HF=5:1 배합으로 습식 에칭법에 의해 제거가 가능하며 습식 에칭 시간은 3분 정도로 유지한다.
한편, 단결정 구리 와이어는 표면에 전기방전방법, 레이저증착방법, 열화학기상증착방법, 플라즈마화학기상증착방법 등을 통해 DLC(Diamon Like Carbon) 코팅 또는 테프론 코팅을 하여 상기 와이어의 특성을 개선할 수도 있고, 상기 와이어의 결정성을 더욱 높이기 위해 800 내지 900℃ 부근에서 열처리를 할 수 있다.
도 3은 도체 소재별 선재의 측면 및 단면의 결정구조를 나타내는 사진이고, 도 4는 도체 소재별 선재의 단면의 결정구조를 나타내는 사진이다.
도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 도 3a 및 4a의 무산소동(OFC) 및 도 3b 및 4b의 단방향성 결정 무산소 동선(Pure Copper by Ohno Continuous Casting process; PCOCC)의 결정구조는 미세한 결정립을 다수 포함하여 결정들의 경계면이 다수 존재하는 반면, 도 3c 및 4c의 본 발명에 따른 단결정 구리 와이어의 결정구조는 결정들의 경계면이 나타나지 않으며 하나의 결정을 이루는 것으로 확인되었고, 도 3d 및 4d의 단결정 구리 인발선재는 인발에 의해 결정이 깨지더라도 기존의 도 3a 및 4a의 무산소동(OFC) 및 도 3b 및 4b의 단방향성 결정 무산소 동선(PCOCC) 대비 큰 결정 구조를 가지며, 이로써 전기전도도와 내식성이 향상되는 것으로 예측된다.
아래 표 1은 도체 소재별 와이어의 비저항값 및 전도율을 측정한 결과를 나타내고 있다.
선재종류 무산소동 PCOCC 단결정 인발선재 단결정 와이어
비저항값(Ω㎝) 1.6840×10-8 1.6840×10-8 1.6520×10-8 1.5945×10-8
전도율(%) 100 100 101.9 105.6
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 단결정 구리 와이어 및 단결정 구리 인발선재는 기존의 무산소동 및 단방향성 결정 무산소 동선(PCOCC)에 비해 비저항값이 저감되어 1.6530×10-8 Ω㎝ 이하이고, 이로써 전기전도율이 향상된 것으로 확인되었다.
상기에서는 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.

Claims (10)

  1. 단결정 구리 와이어 도체로서,
    임의의 단면에서의 1 ㎤의 단위면적당 결정립의 수가 10 내지 100/㎤이고,
    저항이 1.6530×10-8 Ω㎝ 이하인 것을 특징으로 하는, 단결정 구리 와이어 도체.
  2. 제1항에 있어서,
    광학적연마 또는 불산(HF)에 의해 표면의 산화막이 제거됨으로써 표면 응력의 영향이 제거된 것을 특징으로 하는, 단결정 구리 와이어 도체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    표면이 DLC(Diamon Like Carbon) 코팅 또는 테프론 코팅 처리된 것을 특징으로 하는, 단결정 구리 와이어 도체.
  4. 제3항에 있어서,
    800 내지 900℃에서 열처리된 것을 특징으로 하는, 단결정 구리 와이어 도체.
  5. 제1항 또는 제2항의 단결정 구리 와이어 도체 및 상기 도체를 감싸는 절연체를 포함하는 케이블.
  6. 초크랄스키법(Czochralski mothod)으로 단결정 구리를 성장시키는 단계 및 방전 가공으로 단결정 구리 와이어 형태로 절단하는 단계를 포함하는, 단결정 구리 와이어의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 초크랄스키법으로 단결정 구리를 성장시키는 단계는 구리 덩어리를 성장도가니에 넣고 구리의 융점(Tm)인 1083℃ 보다 30 ℃ 높은 온도로 상기 구리 덩어리를 가열하여 용융시킨 후 1000 내지 1100℃에서 구리 용탕에 단결정 구리 시드(seed)를 접촉시켜 서서히 회전시키면서 위로 당기면 구리가 냉각되면서 단결정 구리로 성장하는 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 단결정 구리 와이어의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 단결정 구리 와이어의 표면 응력의 영향을 제거하기 위해 상기 단결정 구리 와이어의 표면에 대해 광학적연마 또는 불산에 의한 표면산화막 제거 처리를 추가로 수행하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 단결정 구리 와이어의 제조방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 단결정 구리 와이의 표면에 대해 DLC(Diamon Like Carbon) 코팅 또는 테프론 코팅을 수행한 후, 800 내지 900℃에서 열처리를 수행하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 단결정 구리 와이어의 제조방법.
  10. 초크랄스키법으로 단결정 구리를 성장시키는 단계,
    방전 가공으로 단결정 구리 와이어 형태로 절단하는 단계,
    단결정 구리 와이어를 목적한 직경으로 인발하는 단계;
    단결정 구리 인발선재를 연합시키는 단계; 및
    연합된 인발선재를 절연체로 감싸는 단계를 포함하는, 케이블의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20210133836A (ko) 2020-04-29 2021-11-08 한국전기연구원 단결정성 케이블용 와이어 도체와 이를 포함하는 단결정 케이블

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