KR20230130891A - 전기전도도 및 작업성이 향상되는 연선 도체 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기전도도 및 작업성이 향상되는 연선 도체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 제조과정에서 보빈 권취/풀림 그리고 압축에 의한 가공경화로 인한 저항 증가와 이에 따른 전기전도도 저하가 최소화되고, 항복강도 및 굽힘강도 증가와 이에 따른 작업성 저하가 최소화되는 연선 도체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

전기전도도 및 작업성이 향상되는 연선 도체 및 이의 제조방법{A stranded conductor having an excellent electrical conductivity and workability and method for preparing the same}

본 발명은 전기전도도 및 작업성이 향상되는 연선 도체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 제조과정에서 보빈 권취/풀림 그리고 압축에 의한 가공경화로 인한 저항 증가와 이에 따른 전기전도도 저하가 최소화되고, 항복강도 및 굽힘강도 증가와 이에 따른 작업성 저하가 최소화되는 연선 도체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

배전용 케이블 등의 케이블은 신선 및 열처리를 통해 금속 소선을 제조하고 보빈에 권취한 다음 권취된 금속 소선 복수개를 보빈으로부터 풀면서 연합하고 다이스 등을 통해 전체적으로 원형으로 압축하여 점적률을 높임으로써 연선 도체를 제조한 후 절연, 시스 등을 압출하여 제조한다.

여기서, 연선 도체를 구성하는 복수개의 금속 소선은 신선 후 보빈에 권취하고 다시 보빈으로부터 푸는 과정에서 1차적으로 손상을 받고, 연합된 상태에서 전체적으로 원형으로 압축하는 과정에서 2차적으로 손상을 받으며, 특히 연선 도체의 최외층에 배치된 금속 소선의 경우 가공경화가 심각해질 수 있다.

이러한 가공경화를 통해 연선 도체의 저항은 증가하여 전기전도도가 저하되고, 항복강도 및 굽힘강도가 증가하여 도체 굽힘시 작용되는 최대 하중이 증가하여 굽힘이 어렵고 굽힘 후 복원력이 크게 작용하는 등 케이블 시공시 작업성이 크게 저하되는 문제가 있다.

따라서, 제조과정에서 보빈 권취/풀림 그리고 압축에 의한 가공경화로 인한 저항 증가와 이에 따른 전기전도도 저하가 최소화되고, 항복강도 및 굽힘강도 증가와 이에 따른 작업성 저하가 최소화되는 연선 도체 및 이의 제조방법이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 전기전도도 저하가 최소화되고, 항복강도 및 굽힘강도 증가와 이에 따른 작업성 저하가 최소화되는 연선 도체 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은,

복수 개의 금속 소선으로 구성된 도체로서, 상기 복수 개의 금속 소선은 하나 이상의 소선층을 형성하고, 상기 하나 이상의 소선층 중 최외층에 배치된 임의의 금속 소선은 임의의 횡단면에서 중심의 중심부와 둘레의 외곽부를 포함하고, 상기 외곽부에 배치된 결정립들의 평균면적을 기준으로 상기 외곽부에 배치된 결정립들의 평균면적과 상기 중심부에 배치된 결정립들의 평균면적의 차이의 비율인, 아래 수학식으로 정의되는 결정립 평균면적비가 ±30% 이내인, 연선 도체를 제공한다.

[수학식]

결정립 평균면적비(%) = (중심부의 결정립 평균 면적 - 외곽부의 결정립 평균 면적) × 100% / 외곽부의 결정립 평균 면적

여기서, 상기 결정립 평균면적비가 0 내지 30%인 것을 특징으로 하는, 연선 도체를 제공한다.

또한, 상기 횡단면의 총 단면적을 기준으로 상기 중심부는 40 내지 50%를 차지하고 상기 외곽부는 50 내지 60%를 차지하는 것을 특징으로 하는, 연선 도체를 제공한다.

그리고, 상기 연선 도체의 압축률은 0 내지 20%인 것을 특징으로 하는, 연선 도체를 제공한다.

나아가, 상기 금속 소선은 전기동 또는 무산소동 선재를 포함하고, 상기 금속 소선은 전기전도도가 95 내지 104% IACS, 항복강도가 100 내지 400 MPa, 인장강도가 150 내지 450 MPa, 신율이 1 내지 40%인 것을 특징으로 하는, 연선 도체를 제공한다.

여기서, 상기 금속 소선은 직경이 0.16 내지 6.0 mm, 총 갯수가 7 내지 127개, 상기 연선 도체를 구성하는 복수 개의 금속 소선들의 꼬임 피치가 상기 연선 도체 전체 외경의 10 내지 25배, 상기 연선 도체 전체 외경이 1 내지 70 mm인 것을 특징으로 하는, 연선 도체를 제공한다.

한편, 금속 소선으로 신선하는 공정, 복수 개의 금속 소선을 연합하는 공정, 연합한 금속 소선들을 전체적으로 원형 압축하는 공정, 및 압축된 금속 소선들을 열처리하는 공정을 포함하는, 상기 연선 도체의 제조방법를 제공한다.

여기서, 상기 열처리는 400 내지 600℃에서 15 내지 60분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는, 상기 연선 도체의 제조방법을 제공한다.

또한, 금속 소선으로 신선한 후 열처리하고 보빈에 권취하며, 권취된 복수 개의 금속 소선을 보빈으로부터 풀면서 연합하는 것을 특징으로 하는, 상기 연선 도체의 제조방법을 제공한다.

한편, 상기 연선 도체, 및 상기 연선 도체를 감싸는 절연층이나 시스층 또는 이들 모두를 포함하는, 케이블을 제공한다.

본 발명은 연선 후 열처리를 통해 금속 소선 단면의 특정 영역별 결정립 면적을 조절함으로써 전기전도도 저하를 최소화하고 항복강도 및 굽힘강도 증가와 이에 따른 작업성 저하를 최소화하는 우수한 효과를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 연선 도체의 횡단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 실시예 1 및 2 각각의 최외층 금속 소선 외곽부 및 중심부 결정립을 보여주는 광학현미경 사진이다.
도 3은 비교예 1 및 2 각각의 최외층 금속 소선 외곽부 및 중심부 결정립을 보여주는 광학현미경 사진이다.

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 제공되어 지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 연선 도체의 횡단면을 개략적으로 도시한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연선 도체(100)는 복수 개의 금속 소선(10)을 연합한 후 열처리함으로써 제조할 수 있고, 선택적으로 상기 복수 개의 금속 소선(10)을 연합한 후 다이스 등을 통과시켜 전체적으로 원형으로 압축한 후 열처리를 수행함으로써 제조할 수 있다.

본 발명자들은 연선 도체(100)를 구성하는 금속 소선(10) 각각을 신선한 후 보빈에 권취하고 연합을 위해 다시 보빈으로부터 푸는 공정, 그리고 연합 후 다이스 등을 통과시켜 전체적으로 원형으로 압축하는 공정 등에서 가공경화를 통해 최외층(110)에 배치된 금속 소선들의 결정립이 미세화되고, 특히 최외층(110)에 배치된 임의의 금속 소선의 횡단면 중 외곽부(11)에 배치된 결정립들의 평균면적과 중심부(12)에 배치된 결정립들의 평균면적의 차이가 일정 수준을 초과하는 경우 연선 도체(100)의 전기전도도, 항복강도, 굽힘강도, 인장강도, 신율 등이 크게 저하됨으로 실험적으로 확인함으로써 본 발명을 완성했다.

여기서, 상기 중심부(12)는 상기 금속 소선의 임의의 횡단면 총 면적을 기준으로 40 내지 50%를 차지하는 중심 영역을 의미하고, 상기 외곽부(11)는 상기 금속 소선의 임의의 횡단면 총 면적을 기준으로 50 내지 60%를 차지하는 둘레 영역을 의미한다.

또한, 결정립들의 평균면적은 외곽부(11) 또는 중심부(12)에 배치되는 결정립들 중 임의의 결정립 10개 이상, 바람직하게는 40개 내지 50개의 면적을 평균한 값일 수 있고, 예를 들어, 광학 현미경으로 촬영한 이미지를 Image Analyzer 등의 범용 소프트웨어에 입력하여 측정할 수 있다.

구체적으로, 상기 연선 도체(100)를 구성하는 복수 개의 금속 소선 중 최외층(110)에 배치된 임의의 금속 소선에서 임의의 횡단면 중 외곽부(11)에 배치된 결정립들의 평균면적을 기준으로 중심부(12)에 배치된 결정립들의 평균면적의 차이를 나타내는 결정립 평균면적비가 ±30% 이내, 특히 0 내지 30%로 조절될 수 있다.

상기 결정립 평균면적비는 아래와 같은 수학식으로 정의할 수 있다.

[수학식]

결정립 평균면적비(%) = (중심부의 결정립 평균 면적 - 외곽부의 결정립 평균 면적) × 100% / 외곽부의 결정립 평균 면적

이러한 외곽부(11) 및 중심부(12) 각각에 배치된 결정립들의 평균면적의 조절은 앞서 기술한 바와 같이 연합 후 열처리를 통해 금속 소선의 결정립, 특히 외곽부(11)에 배치된 금속 소선의 결정립들의 크기를 조대화함으로써 수행할 수 있으며, 열처리 조건은 외곽부(11)와 중심부(12) 각각에 배치된 결정립들의 평균면적 차이에 따라 온도 400 내지 600℃ 및 시간 15 내지 60분에서 적절히 선택할 수 있다.

여기서, 외곽부(11)에 배치된 결정립들의 평균면적을 기준으로 중심부(12)에 배치된 결정립들의 평균면적 차이가 ±30%의 범위를 벗어나는 경우, 특히 +30% 초과인 경우 상기 연선 도체(100)의 저항 증가에 따른 전기전도도 저하, 항복강도 및 굽힘강도 저하에 따른 작업성 저하, 인장강도 및 신율 등 상온 기계적 특성 저하 등의 문제가 유발될 수 있다.

예를 들어, 상기 금속 소선(10)은 구리(Cu)선, 특히 전기동 또는 무산소동 선재이거나, 알루미늄 선재일 수 있고, 전기전도도는 95 내지 104% IACS, 항복강도는 100 내지 400 MPa, 인장강도는 150 내지 450 MPa, 신율은 1 내지 40%일 수 있다.

또한, 상기 금속 소선(10)은 직경이 약 0.16 내지 6.0 mm, 상기 연선 도체(100)에 포함된 금속 소선(10)의 총 갯수는 7 내지 127개, 상기 연선 도체(100)를 구성하는 금속 소선(10)들의 꼬임 피치는 상기 연선 도체(100) 전체 외경의 약 10 내지 25배이며, 여기서 상기 연선 도체(100) 전체 외경은 약 1 내지 70 mm일 수 있다.

나아가, 상기 연선 도체(100)는 연합 후 전체적으로 원형으로 압축시 압출률이 0 내지 20%, 바람직하게는 5 내지 12%일 수 있다. 여기서, 상기 압축률은 상기 연선 도체(100)의 압축 전의 단면적 기준 압축 후의 단면적의 감소율을 의미한다.

[실시예]

1. 제조예

아래 표 1에 기재된 구성으로 연선 도체를 제조했고, 상기 연선 도체의 최외층에 배치된 금속 소선 중 임의의 금속 소선의 단면을 광학 현미경으로 촬영한 이미지, 즉 도 2 및 3에 도시된 바와 같은 이미지를 Image Analyzer에 입력하여 외곽부 및 중심부 각각의 결정립 평균면적을 구하고 결정립 평균면적비, 즉 최외층에 배치된 금속 소선에서 외곽부에 배치된 결정립 평균면적을 기준으로 외곽부에 배치된 결정립 평균면적과 중심부에 배치된 결정립 평균면적의 차이의 비율을 계산했다.

	금속 소선 직경(mm)	금속 소선 개수(개)	꼬임 피치 (mm)	도체 외경 (mm)	압축률 (%)	열처리 조건 (℃/분)	결정립 평균면적비(%)
실시예1	2.59	19	240	11.4	12	600/30	-8
실시예2						400/30	-19
실시예3						500/30	-11
비교예1						150/30	72
비교예2						200/30	55
비교예3						300/30	43

2. 물성 평가

실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3 각각의 연선 도체의 전기전도도, 항복강도, 굽힘강도, 인장강도 및 신율을 각각 측정했고, 측정 결과는 아래 표 2에 기재된 바와 같다.

전기전도도는 물체에 전류가 잘 흐르는 정도를 나타내는 것으로 일반적으로 International Annealed Copper Standard의 약자인 %IACS로 표시한다. 열처리한 순동(Pure Copper)을 20℃에서 측정한 비저항 1.73 x 10^-8Ωm을 100%IACS로 정하고 다른 금속의 전도도를 상대적으로 비교한 수치이다. 선재의 전기전도도 평가는 우선 4 point probe 법을 통해 선재의 저항을 측정하고 그 후 선재의 단위 중량을 측정하여 측정된 저항을 단위 중량으로 나누어 비저항값을 계산한다. 계산된 비저항값을 100%IACS값 대비 증감 정도로 선재의 전기전도도인 %IACS값을 구할 수 있다.

항복강도, 인장강도 및 신율은 KS B 5521에 규정된 인장 시험 설비를 사용하여 KS C 3002 규격에 따라 300mm/min 이하의 속도로 진행한다. 항복강도는 힘에 견딜 수 있는 최대한의 응력, 소성변형을 시작할 때의 응력이며 0.2% 오프셋을 하여 시험편의 단면적에 대한 하중의 값으로 구할 수 있다. 인장강도는 시험편의 단면적에 대한 최대 하중으로부터 그 값을 구할 수 있다. 신율은 시험 종료 후 시험편의 파단된 부분을 맞추어 초기 표점거리 대비 늘어난 표점거리의 비율로 구할 수 있다.

굽힘강도는 ISO 7438 규격에 따른 3point bending 법으로 진행되었다. 두 개의 지지대 위에 시험편의 양 끝을 각각 위치하게 하여 시험편의 중심부를 Former로 눌러 시험편이 굽혀질 때 가해지는 최대 하중을 나타낸 값이다.

	전기전도도 (%IACS)	항복강도 (MPa)	굽힘강도 (Max.load (N))	인장강도 (MPa)	신율 (%)
실시예1	101.3	67.3	145.1	238.2	27.1
실시예2	101.1	66.2	127.5	237.9	28.0
실시예3	101.6	65.1	138.5	239.1	30.9
비교예1	99.8	287.6	388.2	324.6	4.7
비교예2	99.6	293.5	361.7	326.8	4.1
비교예3	100.1	257.0	357.1	309.9	8.8

상기 표 2에 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3의 연선 도체는 연합 후 적절한 열처리를 통해 최외층에 배치된 금속 소선에서의 결정립 면적 균일도를 향상시켜 저항 저감에 따른 전기전도도 향상, 항복강도 및 굽힙강도 저감에 따른 작업성 향상, 인장강도 및 신율의 상온 기계적 특성 향상이 확인되었다.

한편, 연선 도체의 최외층에 배치된 금속 소선의 횡단면에서 외곽부에 배치된 결정립의 평균면적과 중심부에 배치된 결정립의 평균면적의 차이가 30%를 초과하는 비교예 1 내지 3의 연선 도체는 저항 증가에 따른 전기전도도 저하, 항복강도 및 굽힘강도 증가에 따른 작업성 저하, 인장강도 및 신율의 상온 기계적 강도 저하가 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.

100 : 연선 도체
110 : 최외층
10 : 금속 소선
11 : 중심부
12 : 외곽부

Claims (10)

1. 복수 개의 금속 소선으로 구성된 도체로서,
   상기 복수 개의 금속 소선은 하나 이상의 소선층을 형성하고,
   상기 하나 이상의 소선층 중 최외층에 배치된 임의의 금속 소선은 임의의 횡단면에서 중심의 중심부와 둘레의 외곽부를 포함하고,
   상기 외곽부에 배치된 결정립들의 평균면적을 기준으로 상기 외곽부에 배치된 결정립들의 평균면적과 상기 중심부에 배치된 결정립들의 평균면적의 차이의 비율인, 아래 수학식으로 정의되는 결정립 평균면적비가 ±30% 이내인, 연선 도체.
   [수학식]
   결정립 평균면적비(%) = (중심부의 결정립 평균 면적 - 외곽부의 결정립 평균 면적) × 100% / 외곽부의 결정립 평균 면적
2. 제1항에 있어서,
   상기 결정립 평균면적비가 0 내지 30%인 것을 특징으로 하는, 연선 도체.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 횡단면의 총 단면적을 기준으로 상기 중심부는 40 내지 50%를 차지하고 상기 외곽부는 50 내지 60%를 차지하는 것을 특징으로 하는, 연선 도체.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 연선 도체의 압축률은 0 내지 20%인 것을 특징으로 하는, 연선 도체.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 금속 소선은 전기동 또는 무산소동 선재를 포함하고,
   상기 금속 소선은 전기전도도가 95 내지 104% IACS, 항복강도가 100 내지 400 MPa, 인장강도가 150 내지 450 MPa, 신율이 1 내지 40%인 것을 특징으로 하는, 연선 도체.
6. 제5항에 있어서,
   상기 금속 소선은 직경이 0.16 내지 6.0 mm, 총 갯수가 7 내지 127개, 상기 연선 도체를 구성하는 복수 개의 금속 소선들의 꼬임 피치가 상기 연선 도체 전체 외경의 10 내지 25배, 상기 연선 도체 전체 외경이 1 내지 70 mm인 것을 특징으로 하는, 연선 도체.
7. 금속 소선으로 신선하는 공정,
   복수 개의 금속 소선을 연합하는 공정,
   연합한 금속 소선들을 전체적으로 원형 압축하는 공정, 및
   압축된 금속 소선들을 열처리하는 공정을 포함하는, 제1항 또는 제2항에 따른 연선 도체의 제조방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 열처리는 400 내지 600℃에서 15 내지 60분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는, 제1항 또는 제2항에 따른 연선 도체의 제조방법.
9. 제7항에 있어서,
   금속 소선으로 신선한 후 열처리하고 보빈에 권취하며,
   권취된 복수 개의 금속 소선을 보빈으로부터 풀면서 연합하는 것을 특징으로 하는, 제1항 또는 제2항에 따른 연선 도체의 제조방법.
10. 제1항 또는 제2항에 따른 연선 도체, 및
    상기 연선 도체를 감싸는 절연층이나 시스층 또는 이들 모두를 포함하는, 케이블.