KR20200144529A - 고분자-탄소 복합체 차폐층을 포함하는 고차폐 경량화 케이블 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력 전송 또는 통신을 위한 케이블에 관한 것으로, 이 케이블은 하나 이상의 전도체, 및 각각의 전도체를 둘러싸는 절연층을 포함하는 코어부; 상기 코어부를 둘러싸고, 고분자 물질의 기지(matrix)에 탄소 기반 입자를 분산시킨 고분자-탄소 복합체(polymer-carbon composite)로 형성되어, 전기저항도가 10 Ω·m 이하인 제 1 차폐층; 및 상기 제 1 차폐층을 둘러싸는 금속 기반의 제 2 차폐층;을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 구성에 의해, 높은 차폐 효율의 경량화 케이블을 제공할 수 있다.

Description

고분자-탄소 복합체 차폐층을 포함하는 고차폐 경량화 케이블{HIGH-SHIELDING LIGHT-WEIGHT CABLES INCLUDING SHIELDING LAYER OF POLYMER-CARBON COMPOSITE}

본 발명은 고차폐 경량화 케이블에 관한 것으로, 더 상세하게는 높은 전기 전도성을 갖는 탄소 입자를 함유한 고분자-탄소 복합체로 된 차폐층을 이용하여 중량이 감소되고 차폐 효율이 향상된 케이블에 관한 것이다.

전력을 전송하거나 통신을 위한 전기 신호를 전송하는 케이블, 특히 동축 케이블은 전송 성능과 주위 환경의 영향으로부터의 보호를 위해 다양한 구성요소들을 포함한다. 일반적으로, 이러한 케이블은 솔리드 또는 소선을 연선한 전도체를 비롯하여 전기 절연을 위한 유전체로 이루어진 절연층 및 전자파 차폐를 위한 전도성 물질로 이루어진 차폐층을 포함한다.

한편, 케이블은 사용되는 설비의 규모가 커짐에 따라 그 크기와 길이도 증가하는데, 특히 대형 화물차, 선박, 항공기, 철도, 우주선 등 크기가 크고 기술이 첨단화되는 운송 수단에는 적게는 수십 km에서 많게는 수천 km의 케이블이 사용되며, 따라서 케이블의 경량화는 차체 중량의 감소와 에너지 절약에 크게 기여할 수 있다.

종래에 사용되는 차폐층은 높은 전기 전도성을 갖는 금속재료가 전체 또는 대부분을 차지하는 호일(foil)을 감거나, 테이프를 엮거나 또는 와이어를 편조(braiding)하여 형성되었는데, 케이블을 경량화하기 위하여 무거운 금속재인 차폐층을 대체하는 새로운 구성과 재질의 차폐층에 대한 요구가 있었다.

이를 위하여, 구리나 알루미늄 등의 금속 호일 또는 금속 박막을 고분자 필름에 도포한 금속-고분자 호일로 형성된 차폐층이 제안되었으나, 이러한 차폐층은 케이블의 경량화에는 유리하지만 차폐 효율이 낮아 전자기파 간섭이 크지 않은 환경에서만 제한적으로 사용될 수 있는 단점이 있었다.

또한, 차폐 효율이 우수한 구리 편조 또는 구리 편조와 금속 호일(또는 금속-고분자 호일)을 함께 사용한 차폐층이 제안되었으나, 이를 포함하는 케이블의 차폐 효율은 구리 편조의 표면 밀도(coverage density)가 높을수록 증가하기 때문에, 높은 차폐 효율을 위해서는 구리 편조의 소선의 직경이나 개수가 증가하여야 하며, 이에 따라 케이블의 중량도 증가하게 되는 문제가 있었다.

한편, 금속이 아니지만 전기 전도성이 우수하고 질량은 훨씬 가벼운 탄소섬유, 탄소나노튜브 등의 탄소 나노 구조체를 케이블에 적용하고자 하는 시도가 있었다. 그러나, 나노미터 또는 마이크로미터 단위의 미세한 크기의 탄소 구조체는 집합체의 형태로 케이블에 적용되어야 하는데, 탄소소재 집합체의 전기 전도도와 차폐 효율은 구리 편조에 크게 미치지 못하였다. 또한, 구리 편조 수준의 차폐 효율을 얻기 위해서는 탄소 섬유 등에 금속 이온을 도핑하거나 도금하는 등의 추가 공정이 필요하고 이러한 추가 공정은 많은 시간과 비용이 소요되어 상업적인 적용이 크게 제한되었다. 뿐만 아니라, 탄소소재 집합체를 차폐층으로 케이블에 적용하기 위해서는 기존에 사용하던 장비나 공정외에 별도의 새로운 장비와 공정이 요구되는 단점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하여, 전기 전도성이 우수하면서도 질량이 가벼운 탄소 소재를 이용하여 차폐층의 중량을 줄이면서 높은 차폐 효율을 달성할 수 있고 고비용의 추가 공정없이 기존의 설비를 이용하여 제조 가능한 고차폐 경량화 케이블을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전력 전송 또는 통신을 위한 케이블은, 하나 이상의 전도체, 및 각각의 전도체를 둘러싸는 절연층을 포함하는 코어부; 상기 코어부를 둘러싸고, 고분자 물질의 기지(matrix)에 탄소 기반 입자를 분산시킨 고분자-탄소 복합체(polymer-carbon composite)로 형성되어, 전기저항도가 10 Ω·m 이하인 제 1 차폐층; 및 상기 제 1 차폐층을 둘러싸는 금속 기반의 제 2 차폐층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 고분자 물질은, 1,000 g/mol 이상의 수평균 분자량(number average molecular weight)을 가질 수 있으며, 더 바람직하게는 10,000 g/mol 이상, 또는 더 바람직하게는 1,000,000 g/mol 이상의 수평균 분자량을 가질 수 있다.

이러한 고분자 물질은, 예를 들어, 에폭시, 폴리에스터, 비닐에스터, 폴리에테르이미드, 폴리에테르케톤케톤, 폴리프탈아미드, 폴리에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리이미드, 페놀포름알데히드, 비스말레이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 아크릴로니트릴-부타디엔 스티렌 공중합체, 또는 다른 열경화성 물질이 사용될 수 있다.

또한, 상기 탄소 기반 입자는 전기 전도성이 우수한 입자들을 포함할 수 있다. 이러한 탄소 기반 입자는 그라파이트(graphite), 그래핀(graphene), 산화 그래핀(graphene oxide), 탄소나노튜브(carbon nanotube(CNT)), 탄소섬유(carbon fiber), 카본블랙(carbon black)의 입자들 또는 이들의 혼합물에서 선택될 수 있다. 바람직하게는, 탄소 기반 입자는 분말 형태일 수 있다. 즉, 탄소 기반 입자는 단일 종류의 탄소 소재로 이루어지거나, 구조와 형태가 서로 다른 둘 이상의 탄소 소재를 혼합한 혼합물일 수 있으며, 또는 전기 전도도 또는 고분자 물질과의 혼합도를 향상시키 위해 추가적인 처리 공정을 거친 탄소 소재로 이루어질 수 있다.

상기 고분자-탄소 복합체는, 상기 고분자 물질의 가공 온도 이상에서 상기 고분자 물질과 탄소 기반 입자를 기계적으로 혼합(mixing)하는 공정을 통해 생성될 수 있는데, 여기서 고분자 물질의 가공 온도는 고분자 분해(degradation)가 일어나지 않는 한도 내에서 혼합, 압출 등 고분자의 형태를 물리적으로 변형시킬 수 있을 정도의 온도를 의미한다. 이러한 가공 온도는 40℃ 이상일 수 있으며, 바람직하게는 60℃ 이상, 더 바람직하게는 70℃ 이상일 수 있다. 상기 제 1 차폐층의 전기저항도는 종래의 저 저항도 측정기(low resistivity tester)를 통해 측정이 가능하며, 고분자-탄소 복합체로 형성되는 제 1 차폐층의 전기저항도는 상온에서 10 Ω·m 이하일 수 있으나, 더 바람직하게는 1 Ω·m 이하이다. 이와 같이, 본 발명에 따른 고분자-탄소 복합체는 높은 차폐 효율을 제공할 수 있는 우수한 전기 전도성을 갖는다.

본 발명에 있어서, 고분자-탄소 복합체로 형성되는 제 1 차폐층은 상용의 용융 압출 공정을 통해 코어부 위에 고르게 도포됨으로써 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 차폐층은 케이블의 길이방향을 따라 코어부 위에 고분자-탄소 복합체를 용융 압출(extrusion)하여 형성될 수 있다. 이는 본 발명이 제공하는 주요한 이점 중 하나로서, 본 발명에 따르면 기존의 케이블 제조시 절연막 또는 피복 등을 형성하는 압출 공정에 사용하는 장비를 고분자-탄소 복합체의 차폐층을 형성하는 공정에서 그대로 사용할 수 있으며, 케이블 제조 라인 상에서 차폐층의 생성을 연속적인 공정으로 설계할 수 있다.

코어부가 복수의 전도체를 포함하는 다심 케이블의 경우에는, 복수의 전도체를 연합하고 단면이 원형이 되도록 공간을 채우는 충전제(filler)를 더 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 제 1 차폐층은 충전제 위에 고분자-탄소 복합체를 용융 압출하여 형성될 수 있다.

또한, 다심 케이블의 충전제 둘레에는 코어-충진제 구조 및 형태를 고정시키는 베딩층 또는 외부충격이나 부식으로부터 케이블을 보호하는 내부 시스층 등이 추가될 수 있는데, 이 경우 이들 베딩층 또는 내부 시스층 위에 고분자-탄소 복합체를 압출하여 제 1 차폐층이 형성될 수 있다.

그러나, 상기 고분자-탄소 복합체로 형성된 제 1 차폐층은 그 자체가 코어들 사이의 공간을 채우고 코어부 형태를 유지하는 충전제 기능을 하도록 압출될 수 있으며, 이 경우 별도의 충전제는 생략될 수 있고 제 1 차폐층은 차폐 기능에 더하여 충전제로서 기능하게 된다.

또한, 상기 고분자-탄소 복합체로 형성된 제 1 차폐층은 코어-충진제 구조를 고정시키는 베딩층의 기능을 하도록 충전제 둘레에 압출되어 베딩층이 생략될 수도 있으며, 내부 시스층을 대신하여 외부충격이나 부식으로부터 케이블을 보호하는 기능을 발휘할 수도 있어, 특수한 환경에서의 케이블에 대해 특별한 조건이 요구되지 않는 경우라면 내부 시스층이 생략될 수도 있다.

즉, 본 발명에 따른 고분자-탄소 복합체로 형성된 제 1 차폐층은 높은 효율의 차폐 기능에 더하여 충전제, 베딩층, 또는 내부 시스층 등의 기능을 할 수 있어, 케이블에서 충전제, 베딩층, 또는 내부 시스층 등을 생략하여 케이블을 경량화 할 수 있다.

상기 고분자-탄소 복합체는, 제 1 차폐층이 설정된 전기저항도를 만족하도록, 또는 케이블이 설정된 차폐 효율을 만족하도록, 고분자-탄소 복합체 중 고분자 물질 대비 탄소 기반 입자의 함량비가 결정될 수 있다.

예를 들어, 제 1 차폐층의 우수한 전기 전도성과 압출 공정을 위한 용융 가공성을 확보하기 위하여 탄소 기반 입자의 함량은 고분자 물질 100 중량부에 대해 5 중량부 이상, 더 바람직하게는 10 중량부 이상이다. 또한, 탄소 기반 입자의 함량은 고분자 물질 100 중량부에 대해 100 중량부 이하, 더 바람직하게는 50 중량부 이하일 수 있다.

탄소 기반 입자의 함량은 고분자 물질 100 중량부에 대해 5 중량부 이상, 더 바람직하게는 10 중량부 이상이고, 100 중량부 이하, 더 바람직하게는 50 중량부 이하일 수 있다.

또한, 상기 제 1 차폐층의 두께도 설정된 전기저항도를 만족하도록 또는 설정된 차폐 효율을 만족하도록 결정될 수 있다.

예를 들어, 제 1 차폐층은 우수한 차폐 효율 및 케이블의 경량화를 위해 0.1 mm 내지 5 mm, 더 바람직하게는 0.5 mm 내지 2 mm의 두께로 형성될 수 있다. 그러나, 제 1 차폐층의 두께는 케이블의 중량이 증가하더라도 더 높은 차폐 효율이 필요한 경우에는 5mm를 초과하도록 형성될 수도 있다.

한편, 상기 고분자-탄소 복합체는 제1 차폐층의 기계적 물리적 내구성, 내열성, 내유성 등을 향상시키기 위해 가교(crosslinking)될 수 있으며, 이를 위해 고분자-탄소 복합체에는 가교제(crosslinking agent) 및/또는 가교조제(crosslinking co-agent)가 첨가될 수 있다. 즉, 가교 조건에 부합하는 적합한 가교제와 가교조제를 선택하여 고분자 물질과 탄소 기반 입자와 함께 내부 혼합기(internal mixer) 또는 롤-밀 혼합기(roll-mill mixer) 등의 일반적인 혼합기로 혼합할 수 있으며, 앞서 설명한 용융 압출 공정을 통해 코어부 위에 도포된 후, 추가로 가열하거나 자외선을 조사하는 등의 가교 공정을 통해 가교될 수 있다.

상기 제 2 차폐층은 금속 호일 또는 금속-고분자 호일을 테이핑하거나, 또는 여러 가닥의 금속 소선 또는 소선 집합을 편조하여 형성될 수 있다. 제 2 차폐층을 이루는 금속의 종류는 구리 또는 알루미늄과 같은 전기 전도성이 우수한 금속이다.

스트립 형태의 금속 호일로 제 2 차폐층을 형성하는 경우, 제 2 차폐층은 중첨(helicoidal) 또는 종첨(longitudinal) 테이핑 공정을 통해 구현될 수 있다. 또한, 여러 가닥의 금속 소선들로 제 2 차폐층을 형성하는 경우, 제 2 차폐층은 편조(braiding) 공정을 통해 구현될 수 있으며, 이 경우 케이블이 설정된 차폐 효율을 만족하도록 금속 편조 차폐층의 표면 밀도가 결정될 수 있다.

바람직한 실시형태에서, 상기 제 2 차폐층의 방사상 내부 또는 외부에는 고분자-탄소 복합체로 형성된 하나 이상의 제 3 차폐층이 부가될 수 있다. 이러한 제 3 차폐층은 금속 소재의 제 2 차폐층을 증가시키지 않으면서 케이블의 전체 차폐 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 케이블은, 매우 낮은 전기 저항성 또는 높은 전기 전도성의 고분자-탄소 복합체로 형성된 차폐층을 이용하여 우수한 차폐 효율을 유지하면서 기존의 금속으로만 차폐층을 구성한 케이블에 비해 중량을 현저히 줄일 수 있는 이점이 있다. 그리하여, 본 발명에 따른 케이블이 선박, 차량, 자동차, 항공기 등에 전자 장치의 전력 공급 또는 통신을 위해서 설치될 때 차체 무게의 감소와 연비의 상승을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 케이블은, 미소 크기의 탄소 소재의 입자를 고분자-탄소 복합체의 형태로 케이블에 적용하는바, 기존의 압출기를 사용하여 제조가 가능하여 새로운 설비나 공정의 추가없이 쉽게 생산 라인에 적용할 수 있는 이점이 있다. 또한, 본 발명에 따른 케이블은, 고분자-탄소 복합체의 조성비, 차폐층의 두께 및/또는 차폐층의 수를 조절하여 케이블의 설치 목적과 환경에 따라 필요한 차폐 효율과 케이블의 경량화를 달성할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블의 단면도이다.

이하에서는 본 발명을 첨부된 도면을 참조한 실시예를 통하여 더 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블의 단면도이다. 도시된 케이블(10)은 코어부(100), 제 1 차폐층(200), 제 2 차폐층(300) 및 외부 시스(400)를 포함한다. 그러나, 도 1의 케이블(10)의 구성요소들은 예시적인 것이며 이에 한정되지 아니하고, 연피층, 반도전층, 절연층, 바인더 테이프와 같은 주지의 케이블 구성을 더 포함할 수 있으며, 경우에 따라 일부 요소는 생략될 수 있다.

도 1에 도시된 케이블(10)은 전자기파 신호가 전파되는 세 개의 멀티 코어를 포함하는 다심 케이블로서, 코어부(100)는 세 개의 코어(110)를 포함하며, 각각의 코어(110)는 전도체(111), 전도체를 감싸는 도체외층(112), 및 절연층(113)을 포함한다.

전도체(111)는 구리, 알루미늄, 알루미늄 합금, 동복 알루미늄 등 전기 전도성이 높은 금속으로 이루어진다. 전도체(111)는 단일체인 솔리드 도체 또는 얇은 복수의 소선이 연선된 집합체인 연선 도체일 수 있다.

전도체(111)를 둘러싸는 도체외층(112)은 케이블(10)의 용도 및 사용 환경에 따라 적합한 기능을 제공하는 분리 테이프, 내화 테이프, 도전성 테이프 등과 같은 테이프가 중첨 또는 종첨 테이핑 공정을 통해 전도체(111) 외면에 형성될 수 있다. 또한, 도체외층(112)은 카본블랙과 같은 전도성 성분을 함유한 고분자 복합체의 용융 압출 공정을 통해 전도체(111) 외면에 형성된 반도전층으로서, 연선 도체의 전계를 균일하게 분포시키는 기능 및 도체-절연체 계면에서의 부분방전 및 국부적인 전기 스트레스의 집중을 완화시키는 기능을 할 수 있다. 도체외층(112)은 선택적인 구성이며 필요에 따라 생략될 수도 있다.

도체외층(112)을 둘러싸는 절연층(113)은 도체외층(112)의 외면 상에 유전체를 용융 압출하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 전도체(111) 상에 내화 테이프가 중첨 테이핑된 경우, 절연층(113)은 내화 테이프 층을 균일하게 감싸도록 길이방향을 따라 유전체를 용융 압출하여 형성될 수 있다.

이상의 전도체(111), 도체외층(112) 및 절연층(113)은 하나의 코어(110)를 구성하고, 세 개의 코어(110)들은 일정한 피치로 서로 꼬인 코어 연합체를 형성한다.

코어 연합체의 외측에는 코어들을 연합하여 단면이 원형이 되도록 채우는 충전제(120)가 배치된다. 충전제(120)는 폴리에스터, 폴리프로필렌(PP), 폴리염화비닐(PVC), 에틸렌 프로필렌 디엔모노머(EPDM), 에스터 얀, 아미드 얀, 폴리에스테르 얀, 아라미드 얀 등으로 형성될 수 있다. 충전제(120)를 형성하는 재료는 케이블(10)의 용도나 사용 환경에 따라 인장력, 방습, 내연성과 같은 물리적 화학적 특성을 갖는 다양한 열경화성 또는 열가소성 고분자로부터 선택될 수 있다. 충전제(120) 둘레에는 코어-충전제 구성과 형태를 유지하기 위한 베딩층(130)이 배치되며, 이는 PVC, PE, 폴리올레핀 등으로 형성될 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에서는, 세 개의 코어(110)들의 코어 연합체 둘레에 충전제(120)와 베딩층(130)을 포함하여 하나의 코어부(100)를 구성한다. 그러나, 코어부의 구성은 이에 한정되지 않고, 단일 코어만으로 구성되거나 두 개 또는 네 개 이상의 코어들이 연합되어 구성될 수도 있으며, 충전제(120)와 베딩층(130)은 케이블의 사용 환경에 따라 생략될 수도 있다.

본 발명에 따르면, 상기 코어부(100) 둘레에 고분자-탄소 복합체(polymer-carbon composite)로 형성된 제 1 차폐층(200)이 배치되고, 제 1 차폐층(200) 둘레에는 금속 기반의 제 2 차폐층(300)이 배치된다.

상기 제 1 차폐층(200)을 구성하는 고분자-탄소 복합체는 고분자 물질의 가공 온도 이상에서 고분자 물질과 탄소 기반 입자를 기계적으로 혼합(mixing)하여 형성된다. 고분자 물질은 1,000 g/mol 이상의 수평균 분자량(number average molecular weight)을 가지는 것을 사용될 수 있으며, 바람직하게는 10,000 g/mol 이상, 또는 1,000,000 g/mol 이상의 수평균 분자량을 가지는 것이 사용될 수 있다. 이러한 고분자 물질은, 예를 들어, 에폭시, 폴리에스터, 비닐에스터, 폴리에테르이미드, 폴리에테르케톤케톤, 폴리프탈아미드, 폴리에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리이미드, 페놀포름알데히드, 비스말레이미드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 아크릴로니트릴-부타디엔 스티렌 공중합체, 또는 다른 열경화성 물질이 사용될 수 있다.

상기 탄소 기반 입자는 그라파이트, 그래핀, 산화 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 카본블랙 중 하나 이상의 분말로 형성된다. 즉, 탄소 기반 입자는 단일 종류의 탄소 소재로 이루어질 수도 있고, 구조와 형태가 서로 다른 둘 이상의 탄소 소재의 혼합물로 형성될 수도 있으며, 또는 전기 전도도 또는 고분자 물질과의 혼합도를 향상시키 위해 추가적인 처리 공정을 거친 탄소 소재가 사용될 수도 있다.

특히, 상기 제 1 차폐층(200)은 전기저항도가 10 Ω·m 이하가 되도록 형성되는데, 이러한 전기저항도는 저 저항도 측정기(low resistivity tester)를 통해 측정될 수 있는 것으로 제 1 차폐층이 전도성이 우수한 상기 고분자-탄소 복합체로 형성됨으로써 전기저항도가 10 Ω·m 이하로 형성될 수 있고, 더 바람직하게는 1 Ω·m 이하로 형성될 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 케이블은 높은 차폐 효율을 제공하면서 중량을 감소시킬 수 있는 고분자-탄소 복합체로 형성된 차폐층을 이용함으로써 고차폐 경량화가 가능한 것이다.

상기 제 1 차폐층(200)은, 상용의 용융 압출 공정을 통해 케이블의 길이방향을 따라 코어부(100) 위에 고분자-탄소 복합체를 압출하여 형성된다. 즉, 본 발명의 제 1 차폐층을 구성하는 고분자-탄소 복합체는 기존의 케이블 제조시 사용되는 장비를 사용하여 코어부(100) 위에 배치될 수 있으며, 별도의 새로운 장비나 공정이 필요하지 않다.

본 실시예에서는, 코어부(100)가 코어 연합체 둘레에 충전제(120)와 베딩층(130)을 포함하므로, 제 1 차폐층(200)은 베딩층(130) 위에 고분자-탄소 복합체를 압출하여 형성된다. 그러나, 고분자-탄소 복합체는 그 자체가 코어 연합체의 단면이 원형이 되도록 채우는 충전제의 기능을 할 수 있고, 또한 코어-충전제 구성을 유지하기 위한 베딩층의 기능을 할 수 있으므로, 다른 실시예에서는, 베딩층이 생략되거나, 충전제 및 베딩층이 모두 생략되고, 고분자-탄소 복합체로 형성된 제 1 차폐층(200)이 이들을 대체할 수 있다.

또한, 본 실시예에서는 도시되지 않았으나, 코어부(100) 둘레에는 외부충격이나 부식으로부터 케이블을 보호하는 내부 시스층이 추가 될 수도 있으나, 고분자-탄소 복합체는 그 자체가 케이블을 보호하는 내부 시스층의 기능을 할 수 있으므로, 다른 실시예에서는, 고분자-탄소 복합체로 형성된 제 1 차폐층이 내부 시스층을 대체하여 그 기능을 수행할 수도 있다.

즉, 본 발명에 따른 고분자-탄소 복합체로 형성된 제 1 차폐층(200)은 저중량에 고효율의 차폐 기능에 더하여 충전제, 베딩층, 또는 내부 시스층 등의 기능을 할 수 있어, 케이블에서 충전제, 베딩층, 또는 내부 시스층 등을 생략하여 케이블을 더 경량화 할 수 있다.

상기 제 1 차폐층(200)의 고분자-탄소 복합체는, 상기한 바와 같이 우수한 전기 전도성을 제공하고 상용의 압출 공정을 위한 용융 가공성을 확보하기 위하여, 탄소 기반 입자의 함량이 고분자 물질 100 중량부에 대해 5 중량부 이상, 더 바람직하게는 10 중량부 이상이고, 100 중량부 이하, 더 바람직하게는 50 중량부 이하일 수 있다. 특히, 고분자-탄소 복합체 중 고분자 물질 대비 탄소 기반 입자의 함량비는 제 1 차폐층이 설정된 전기저항도를 만족하도록, 또는 케이블이 설정된 차폐 효율을 만족하도록 결정된다.

또한, 상기 제 1 차폐층(200)의 두께도 설정된 전기저항도를 만족하도록 또는 설정된 차폐 효율을 만족하도록 결정되며, 우수한 차폐 효율 및 케이블의 경량화를 위해 0.1 mm 내지 5 mm, 더 바람직하게는 0.5 mm 내지 2 mm의 두께로 형성될 수 있다. 그러나, 제 1 차폐층의 두께는 케이블의 중량이 증가하더라도 더 높은 차폐 효율이 필요한 경우에는 5mm를 초과하도록 형성될 수도 있다. 이때, 제 1 차폐층의 두께는 제 1 차폐층과 접하는 상부층과 하부층 사이의 최단거리로 정의하며, 본 실시예에서는, 제 1 차폐층(200)이 코어부의 베딩층(130) 및 제2 차폐층(300)과 접하므로, 제 1 차폐층의 두께는 베딩층(130)의 외표면과 제2 차폐층(300)의 내표면 사이의 최단거리이다. 다른 실시예에서, 코어부의 베딩층(130)과 충전제(120)가 생략되는 경우에는 제 1 차폐층(200)이 코어들의 절연층(113)과 접하게 되므로 제 1 차폐층의 두께는 코어들의 절연층(113)의 외표면과 제 2 차폐층(300)의 내표면 사이의 최단거리가 될 것이다.

한편, 상기 고분자-탄소 복합체는 제1 차폐층(200)의 기계적 물리적 내구성, 내열성, 내유성 등을 향상시키기 위해 가교될 수 있으며, 이를 위해 고분자-탄소 복합체에 가교제 및/또는 가교조제가 첨가될 수 있다. 가교제와 가교조제는 내부 혼합기 또는 롤-밀 혼합기 등의 일반적인 혼합기로 혼합될 수 있으며, 용융 압출 공정을 통해 코어부 위에 고분자-탄소 복합체가 도포된 후, 추가로 가열하거나 자외선을 조사하는 등의 가교 공정을 통해 가교될 수 있다.

상기 제 2 차폐층(300)은 금속 호일 또는 금속-고분자 호일을 테이핑하거나, 또는 여러 가닥의 금속 소선 또는 소선 집합을 편조하여 형성될 수 있다. 제 2 차폐층(300)을 이루는 금속의 종류는 구리 또는 알루미늄과 같은 전기 전도성이 우수한 금속이다.

상기 제 2 차폐층(300)이 스트립 형태의 금속 호일인 경우 중첨 또는 종첨 테이핑 공정을 통해 구현되고, 여러 가닥의 금속 소선들이 사용되는 경우 편조(braiding) 공정을 통해 구현되며, 이 경우 금속 소선(와이어)은 구리 도선, 주석이 코팅된 구리 도선, 알루미늄 도선, 알루미늄 합금 도선, 동복 알루미늄 도선 및 구리, 알루미늄, 니켈 등과 같은 금속이 고분자 또는 탄소섬유에 도금된 금속 컴포지트(metal composite) 도선이고, 금속 편조 차폐층의 표면 밀도는 케이블이 설정된 차폐 효율을 만족하도록 결정된다.

본 실시예에서, 제 2 차폐층(300) 둘레에는 케이블(10)의 용도와 사용 환경에 적합한 재질로 형성되는 외부 시스(400) 배치된다.

도시되지 않았으나, 다른 실시예에서는, 제 2 차폐층(300) 둘레에 제 1 차폐층과 같이 고분자-탄소 복합체로 형성된 하나 이상의 제 3 차폐층이 부가될 수 있으며, 또는 필요에 따라 제 2 차폐층(300)의 내부측 제 1 차폐층과의 사이에도 하나 이상의 제 3 차폐층이 부가될 수 있다. 이러한 제 3 차폐층을 부가함으로써 필요한 경우 금속 소재의 제 2 차폐층의 두께를 증가시키지 않으면서 케이블의 전체 차폐 효율을 향상시킬 수 있다.

예

다음은 본 발명에 따라 제조된 케이블과 종래의 구성에 따라 제조된 케이블의 차폐효율과 중량을 테스트하여 비교한 것이다.

본 예에서, 본 발명에 따라 제조된 케이블과 종래의 구성에 따른 케이블은 코어부가 동일하게 다음과 같이 구성되었다:

전도체를 형성하는 구리 연선 집합체는 IEC 60228(class 2)에 따라서, 직경 0.255±0.005 mm의 주석 코팅된 구리 소선 47 가닥을 피치 99.0 mm의 간격으로 오른쪽으로 감아서 제조되었다. 폭이 서로 다른 두 종류의 내화용 테이프를 구리 연선 집합체 위에 감아서 두 개의 층으로 구성된 도체외층을 구성하였다. 폭이 10 mm 이고 두께가 0.130 mm 인 내화용 테이프(mica-glass tape, SR854G, 원아엠씨)를 45±5%의 중첩 허용율로 중첨 테이핑하고, 이 내화용 테이프 위에 폭이 15 mm 이고 두께가 0.130 mm 인 내화용 테이프를 45±5%의 중첩 허용율로 중첨 테이핑하였다. 내화 테이프가 테이핑된 구리 연선 집합체의 절연층은 IEC 60092-351(HF-HEPR)에 따라 에틸렌-프로필렌 공중합체(ethylene-propylene copolymer)를 기반으로한 절연 컴파운드(insulation compound, E-80, 극동전선)를 내화 테이프층 상부에 0.900±0.100mm 두께로 용융 압출한 후 고온/고압의 CCV 라인(catenary continuous vulcanization line)에서 가교하여 형성하였다. 구리 연선 집합체에 내화 테이프를 감고 절연층을 입힌 코어를 세 개 준비하고, 세 개의 코어를 피치 171.0 mm의 간격으로 오른쪽으로 회전시켜 연합하였다. 충전제는 아미드 섬유사를 바인더 형태로 집합시켜 제조한 폭 55 mm의 바인더 충전물(13500 데니아, 성원산업) 3개를 각 코어 사이의 빈공간에 위치시켜 3개의 코어와 함께 연합하는 방식으로 형성되었다.

한편, 본 발명에 따라 제조된 케이블에서, 고분자-탄소 복합체는 니트릴 고무(nitrile rubber(NBR))를 기지로 하고 탄소나노튜브(CNT)를 NBR 100 중량 대비 20 중량부로 혼합하여 형성된 NBR-CNT 복합체(K-Nanos-INB141, 금호석유화학)가 사용되었고, 이때 저저항도 측정기로 상온에서 측정된 전기저항도는 1 Ω·cm 였다.

NBR-CNT 복합체의 가교를 위해, 과산화수소계 가교제인 bis(t-부틸 퍼옥시이소프로필) 벤젠 (Perbutyl P, NOF Corporation)을 NBR-CNT 복합체 100 중량 대비 1 중량부 첨가하고, 롤-밀 혼합기로 80℃의 롤 온도에서 5분간 혼합하였다.

가교제가 첨가된 NBR-CNT 복합체를 연속적인 주입이 가능하도록 긴 리본 형태로 획득하고, 이를 코어-충전제를 포함하는 코어부 위에 1 mm의 두께로 압출하여 제 1 차폐층을 형성하였으며, 압출 공정 이후 고온/고압의 CCV 라인(catenary continuous vulcanization line)에서 가교되었다.

제 1 차폐층 둘레의 제 2 차폐층은 금속 편조로 형성되었는데, NBR-CNT 복합체 차폐층의 손상을 방지하기 위하여, 먼저 두께 0.05 mm, 폭 50 mm의 PET 테이프를 종첨으로 테이핑하고, 이 PET 테이프 층 위에 금속 편조가 적용되었으며, 금속 편조는 소선의 직경이 0.300 mm인 주석이 코팅된 구리도선 N 가닥들로 이루어진 구리도선 집합 16개를 피치 55 mm 간격으로 36.17°의 편조각으로 꼬아서 만든 구리 편조로 형성되었다. 이때, 각각 N이 9, 6, 4, 2로서, 9가닥, 6가닥, 4가닥, 및 2가닥의 구리도선으로 구리도선 집합을 형성하여 표면 밀도를 달리하는 실시예 1 내지 4의 케이블이 제조되었다.

구리 편조의 표면 밀도는 IEC 60092-350:2014에 규정된 다음의 식에 의해 구할 수 있다:

여기서, G는 표면밀도, F는 충전계수(filling factor), α는 편조각, 즉 케이블 축과 구리도선이 이루는 각도, d는 구리도선의 소선경(diameter), N은 구리도선 집합(carrier)을 구성하는 구리도선의 가닥수, P는 mm당 피크 (pick)의 수를 의미한다.

즉, 실시예 1 내지 4의 케이블의 구리 편조의 표면 밀도는 각각 104%(실시예 1, SC104), 69%(실시예 2, SC69), 46%(실시예 3, SC46) 및 23%(실시예 4, SC23)였다.

한편, 종래의 구성에 따라 제조되는 비교예(Control)의 케이블은 코어부의 충전제 둘레에 종래의 SHF2 형태의 베딩층(XLPO-5, 극동전선)을 압출 형성하고, 압출 공정 이후 고온/고압의 CCV 라인(catenary continuous vulcanization line)에서 가교되었다.

베딩층 둘레에는 금속 편조 차폐층이 형성되었는데, 상기 실시예 1 - 4에서와 같이, 베딩층의 손상을 방지하기 위하여, 먼저 두께 0.05 mm, 폭 50 mm의 PET 테이프를 종첨으로 테이핑하고, 그 위에 금속 편조가 적용되었으며, 금속 편조는 소선의 직경이 0.300 mm인 주석이 코팅된 구리도선 9 가닥들로 이루어진 구리도선 집합 16개를 피치 55 mm 간격으로 36.17°의 편조각으로 꼬아서 만든 구리 편조로 형성되었다. 따라서, 비교예의 케이블의 구리 편조의 표면 밀도는 실시예 1과 동일하게 104%였다.

상기 실시예 1 내지 4(SC104, SC69, SC46, SC23) 및 비교예(Control)의 케이블에 대해, ㈜가이던트(Guidant)사의 CoMeT 90 system에서 삼축방법(triaxial method)으로 IEC 62153-4-3:2013 및 IEC 62153-4-4:2015 규격에 따라 전이 임피던스(transfer impedance) 및 차폐 감쇄(screening attenuation)를 측정하여 300 kHz 내지 1 GHz 범위의 주파수에서 차폐 효율을 측정하였다. 그리고, 케이블의 중량은, 각 케이블을 5m씩 준비하고 이를 1m 단위로 절단한 5개의 시료들의 중량을 평균하여 결정하였다.

상기 실시예 1 내지 4 및 비교예의 케이블들의 차폐 효율과 중량의 측정결과는 아래의 표 1과 같았다:

케이블	주파수에 따른 차폐효율(dB)					중량(g/m) 감소율(%)
	300 kHz	3 MHz	30 MHz	300 MHz	1 GHz
비교예 Control	85	66	53	44	55	300
실시예1 SC104	85	67	55	56	57	280 (6.7%)
실시예2 SC69	76	58	45	47	54	255 (15%)
실시예3 SC46	71	52	38	41	52	235 (22%)
실시예4 SC23	68	48	33	37	47	220 (27%)

표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 동일한 구리 편조 차폐층의 표면 밀도 104%를 갖는 종래의 케이블(비교예)의 비전도성 SHF2 베딩층을 NBR-CNT 복합체 차폐층으로 대체한 경우(실시예 1), 모든 주파수 범위에서 차폐 효율이 향상되었으며, 특히 300 MHz에서는 종래의 케이블(비교예)에 비해 약 27% 이상 향상된 것을 확인할 수 있다. 이는 본 발명에 따른 실시예 1의 NBR-CNT 복합체 차폐층을 포함하는 케이블(SC104)이 전자기파 간섭(EMI)이 심한 환경에서도 사용할 수 있는 고차폐 성능의 케이블임을 의미한다. 동시에 본 발명에 따른 실시예 1의 케이블(SC104)은 종래의 케이블(비교예)에 비해 단위미터 당 중량이 약 6.7% 감소되었다. 이는 본 발명에 따른 케이블에 사용된 NBR-CNT 복합체의 비중은 1.12로서 종래의 케이블의 SHF2 베딩층의 비중 1.20 보다 낮기 때문이다.또한, 일반적인 신호용/제어용 케이블에서 요구되는 차폐효율이 40dB 이상임을 고려할 때, 본 발명에 따라 NBR-CNT 복합체 차폐층을 사용하여 구리 편조 차폐층의 표면 밀도를 69%로 낮춘 실시예 2의 케이블(SC69)도 측정된 모든 주파수 범위에서 40dB 이상의 차폐 효율을 갖기 때문에, 경량화 케이블로서 충분히 사용될 수 있음을 확인할 수 있다.

본 발명에 따른 실시예 3의 케이블(SC46)과 실시예 4의 케이블(SC23)은 NBR-CNT 복합체 차폐층을 사용하여 구리 편조 차폐층의 표면 밀도를 46%와 23%로 크게 낮추어 중량이 각각 22% 및 27% 감소되었으며, 일부 주파수 대역에서 차폐효율이 40dB 미만이었으나, 차폐 효율이 40dB 이상이 될 수 있는 일부 주파수 영역에서 사용되거나 또는 전자기파 간섭이 심하지 않은 환경에서 경량화 케이블로서 충분히 사용될 수 있음을 확인할 수 있다.

또한, 상기 실시예 3과 실시예 4의 케이블과 같이 구리 편조 차폐층의 표면 밀도를 크게 낮추더라도, 코어부의 충전제를 생략하고 NBR-CNT 복합체 차폐층을 더 두껍게 형성하거나, NBR-CNT 복합체 중 CNT 입자의 함량을 증가시키거나, 또는 구리 편조 차폐층 위에 NBR-CNT 복합체 차폐층은 더 추가함으로써 차폐 효율을 40dB 이상으로 충분히 높일 수 있을 것이다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 이하 청구범위에서 청구하는 본 발명의 구성을 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변형 실시들은 청구범위의 기재 범위 내에 있게 된다.

10: 케이블 100: 코어부
110: 코어 111: 전도체
112: 도체외층 113: 절연층
120: 충전제 130: 베딩층
200: 제 1 차폐층 300: 제 2 차폐층
400: 외부 시스

Claims (13)

1. 전력 전송 또는 통신을 위한 케이블로서,
   하나 이상의 전도체, 및 각각의 전도체를 둘러싸는 절연층을 포함하는 코어부;
   상기 코어부를 둘러싸고, 고분자 물질의 기지(matrix)에 탄소 기반 입자를 분산시킨 고분자-탄소 복합체(polymer-carbon composite)로 형성되어, 전기저항도가 10 Ω·m 이하인 제 1 차폐층; 및
   상기 제 1 차폐층을 둘러싸는 금속 기반의 제 2 차폐층;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 케이블.
2. 제1항에 있어서,
   상기 고분자 물질은, 1,000 g/mol 이상의 수평균 분자량(number average molecular weight)을 가지는 것을 특징으로 하는, 케이블.
3. 제1항에 있어서,
   상기 탄소 기반 입자는, 그라파이트, 그래핀, 산화 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소섬유, 카본블랙, 및 이들의 혼합물에서 선택된 입자들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 케이블.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 고분자-탄소 복합체는, 고분자 물질의 가공 온도 이상에서 고분자 물질과 탄소 기반 입자를 기계적으로 혼합(mixing)하여 형성되는 것을 특징으로 하는, 케이블.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제 1 차폐층이 설정된 전기저항도를 만족하도록, 또는 상기 케이블이 설정된 차폐 효율을 만족하도록, 상기 고분자-탄소 복합체 중 상기 고분자 물질 대비 탄소 기반 입자의 함량비, 또는 상기 제 1 차폐층의 두께가 결정되는 것을 특징으로 하는, 케이블.
6. 제5항에 있어서,
   상기 고분자-탄소 복합체 중 탄소 기반 입자의 함량은 고분자 물질 100 중량부에 대해 5 중량부 이상 100 중량부 이하인 것을 특징으로 하는, 케이블
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 1 차폐층은, 상기 코어부 위에 상기 고분자-탄소 복합체를 케이블의 길이방향을 따라 용융 압출(extrusion)하여 형성되는 것을 특징으로 하는, 케이블.
8. 제7항에 있어서,
   상기 코어부는 복수의 전도체를 포함하고, 상기 복수의 전도체를 연합하고 단면이 원형이 되도록 공간을 채우는 충전제(filler)를 더 포함하며,
   상기 제 1 차폐층은 상기 충전제 위에 상기 고분자-탄소 복합체를 용융 압출하여 형성되는 것을 특징으로 하는, 케이블.
9. 제7항에 있어서,
   상기 제 1 차폐층의 고분자-탄소 복합체는 상기 코어부 둘레의 충전제, 베딩층 또는 내부 시스층으로서 기능하는 것을 특징으로 하는 케이블.
10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고분자-탄소 복합체는 가교제(cross linking agent) 및/또는 가교조제 (crosslinking co-agent)를 포함하여 가교될 수 있는 것을 특징으로 하는, 케이블.
11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 차폐층은 금속 호일 또는 금속-고분자 호일을 테이핑하거나, 또는 여러 가닥의 금속 소선을 편조하여 형성되는 것을 특징으로 하는, 케이블.
12. 제11항에 있어서,
    상기 제 2 차폐층은 여러 가닥의 금속 소선을 편조하여 형성되고,
    상기 케이블이 설정된 차폐효율을 만족하도록, 상기 금속 편조의 표면 밀도가 결정되는 것을 특징으로 하는, 케이블.
13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 차폐층의 방사상 내부 또는 외부에 고분자-탄소 복합체로 형성된 하나 이상의 제 3 차폐층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 케이블.

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