WO2013180443A1 - 구리층을 갖는 철계부스바 및 그 제조방법 - Google Patents

구리층을 갖는 철계부스바 및 그 제조방법 Download PDF

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    • H01B1/02—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02G—INSTALLATION OF ELECTRIC CABLES OR LINES, OR OF COMBINED OPTICAL AND ELECTRIC CABLES OR LINES
    • H02G5/00—Installations of bus-bars
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    • H02G5/005—Laminated bus-bars

Definitions

  • the present invention relates to a busbar and a busbar manufacturing method, and more particularly to an iron-based busbar having a copper layer coated to a thickness of several tens of micrometers and a method for manufacturing the busbar.
  • busbars having an advantage of transferring more electrical energy to conductors of the same volume have been widely used as substitutes for cables. These busbars should have excellent electrical conductivity and ensure high strength and durability.
  • Busbars are used in distribution panels and switchboards, such as industrial to small households, where large-scale electrical energy transmission systems are required.
  • Such busbars are typically made of a copper rod, so that the thickness varies depending on the current capacity.
  • Copper the main raw material for busbars, is mostly dependent on imports, which is a disadvantage for overseas copper prices.
  • the price of copper fluctuates every year, causing large fluctuations in the amount of imports, leading to an increase in booth bar manufacturing costs.
  • a copper material is coated on the outside of aluminum to reduce costs, reduce weight, and improve performance, or a copper material is coated on the outside of an iron alloy to increase strength.
  • the formed busbars are coming out.
  • the busbar formed of the copper clad composite is manufactured by clad bonding method, hydrostatic extrusion method and indirect extrusion method.
  • Clad bonding method is formed by rolling two or more metal materials at a high temperature.
  • the hydrostatic extrusion method and the indirect extrusion method are to insert a billet of a predetermined form into an extrusion container so as to produce a busbar formed of a layered composite material.
  • the method of rolling by the cladding is generally made at a high temperature, the metal material such as copper, iron, etc. is oxidized at a low temperature of less than 200 °C or the thermal expansion coefficient between the different metal materials, the bonding is properly It is not made to produce a defective product, and this method also has a problem that the production process and equipment is complicated and the production cost is high.
  • the hydrostatic extrusion method is not easy to handle the pressure transfer solvent, and in addition to the indirect extrusion method, the extrusion apparatus is large, expensive, expensive to maintain, and complicated to use, resulting in inefficient work efficiency. It is becoming a factor to raise.
  • the present inventors have completed the present invention by developing a technique of coating a copper layer on the surface of the iron core material by several tens of micrometers by the sputtering method as a result of trying to solve the above disadvantages and problems of the prior art.
  • an object of the present invention is to provide a low-cost but high electrical conductivity than copper, and to provide a low-cost iron-containing iron layer uniformly coated with a thickness of several tens of micrometers on the surface of the iron core material. It is to provide an iron bus bar excellent in conductivity, durability and strength characteristics and a method of manufacturing the same.
  • Another object of the present invention is to improve the adhesion between the iron core material and the copper layer formed on the surface through the treatment including any one or more of the iron core material pre-treatment before forming the copper layer and the formation of the buffer layer between the iron core material and the copper layer
  • the present invention provides a bar and a manufacturing method thereof.
  • Another object of the present invention is to control the particle size of the copper layer formed on the surface of the iron core material to improve the specific surface area and conductivity to improve the characteristics of the busbar, as well as to control the various shapes and sizes of the busbar
  • the system provides a bus bar and a method of manufacturing the same.
  • Still another object of the present invention is to provide an iron bus bar and a method of manufacturing the same, which may further perform post-processing on the surface of the formed copper layer to prevent corrosion of the copper layer and / or to further reduce resistance and high quality texture.
  • Still another object of the present invention is to provide an iron busbar having a structure optimized for small and medium busbars, and a manufacturing method thereof.
  • the present invention is an iron core material consisting of an iron-containing material; It provides an iron bus bar comprising a; and a copper layer formed on the surface of the iron core material in a thickness of 10 ⁇ 30 ⁇ m.
  • the iron-containing material is any one selected from the group consisting of pure iron, carbon steel, stainless steel, Fe-Al-based alloys and Fe-Cu-based alloys.
  • it further comprises a buffer layer formed between the iron core material and the copper layer.
  • the buffer layer may include a first buffer layer formed to have a thickness of 1 ⁇ m or less from the surface of the iron core material and including 92.4 to 100 wt% of iron at an interface with the iron core material; And a second buffer layer formed between the first buffer layer and the copper layer to have a thickness of 1 ⁇ m or less and including 9.9 to 100 wt% of copper at an interface contacting the copper layer.
  • the buffer layer has a structure in which the first buffer layer and the second buffer layer are alternately repeated two or more times.
  • the copper layer further comprises a corrosion preventing layer formed to a thickness of 1 ⁇ m or less.
  • the corrosion protection layer is any one or more selected from the group consisting of Sn, Cr, Zr, Ag, Cu.
  • the corrosion protection layer comprises 0 to 1.9% by weight of any one of Sn, Cr, Zr, Ag and 84.2 to 100% by weight of Cu at the interface in contact with the copper layer.
  • the anti-corrosion layer further comprises a top layer formed with a thickness of less than 1 ⁇ m and formed of at least one of Ag or Ti.
  • the present invention comprises the steps of preparing an iron-based core; And a copper layer coating step of forming a copper layer having a thickness of 10 to 30 ⁇ m on the surface of the iron core material.
  • the copper layer coating step is carried out by sputtering.
  • the step of cleaning the iron core material with a plasma before performing the copper layer coating step is further performed.
  • the buffer layer coating step of forming a buffer layer on the surface of the iron core material before the copper layer coating step is further performed.
  • the buffer layer coating step is performed by sputtering to sequentially deposit simultaneously using two targets
  • the first buffer layer is applied by applying power to the iron target with a time difference after applying power to the iron target It has a thickness of less than 1 ⁇ m from the surface of the iron core material and is formed so as to contain 92.4 to 100% by weight of iron at the interface in contact with the iron core material
  • the second buffer layer has a thickness of less than 1 ⁇ m from the surface of the first buffer layer and a copper layer At the interface in contact with the copper is formed to contain 9.9 to 100% by weight.
  • the anti-corrosion layer coating step of further forming a corrosion protection layer to a thickness of 1 ⁇ m or less on the surface of the copper layer further.
  • the present invention has the following excellent effects.
  • the electrical conductivity is lower than the copper, but not only has a high strength, but also has a high electrical conductivity through the configuration to include a copper layer uniformly coated in a few tens of micro thickness on the surface of the iron-based core containing iron
  • the adhesion between the iron core material and the copper layer formed on the surface is improved through the treatment including any one or more of the iron core material pretreatment before forming the copper layer and the formation of the buffer layer between the iron core material and the copper layer.
  • the present invention it is possible to control the particle size of the copper layer formed on the surface of the iron core material, thereby improving the specific surface area and conductivity to improve the characteristics of the busbar, as well as to control various shapes and sizes of the busbar.
  • according to the present invention can provide an iron-based busbar of the structure optimized for small and medium busbar.
  • 1A to 1E are SEM cross-sectional images of iron bus bars obtained in embodiments and comparative examples of the present invention.
  • Figure 2 is a graph showing the heat load test results of the specimen according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a graph showing the heat load test results of the specimens according to another embodiment of the present invention.
  • 5 is a graph showing the temperature change according to the thickness change of the coating layer coated on the iron core during the thermal load test.
  • FIG. 6 is a TEM image photograph obtained by observing a cross section of a buffer layer made of a multilayer film by TEM.
  • the first technical feature of the present invention is that the bus bar, which is usually used for a distribution panel or switchboard made of copper, is a main component while having less influence on electrical conductivity, and the core part is an iron-containing material, and the dozens formed on the surface portion of the core material. Including a micrometer-thick copper layer, the cost is reduced while the electrical conductivity is in the configuration of the iron-based bus bar equal to or more than the copper bus bar. That is, the conventional busbar is composed entirely of copper, but because copper is a very expensive element, the cost of the busbar is not only very high but also has a weak strength.
  • the present invention is an iron core material consisting of an iron-containing material; It provides an iron bus bar comprising a; and a copper layer formed on the surface of the iron core material in a thickness of 10 ⁇ 30 ⁇ m.
  • Such a structure of the iron busbar according to the present invention is conceived from the skin depth effect that most of the current flowing through the busbar flows in the skin portion of the busbar. That is, the iron core constituting the iron bus bar of the present invention contributes to the improvement of the strength of the bus bar, and the copper layer forming the surface layer portion of the bus bar may be used as a path of current by being formed to a thickness of several tens of micrometers on the surface of the iron core material. Therefore, the iron bus bar according to the present invention may have excellent properties not only in electrical conductivity but also in strength and durability.
  • the iron bus bar of the present invention can not only secure excellent electrical conductivity of the bus bar through the copper layer formed on the surface of the iron core material, but also have high strength and low density due to the iron core material, thereby providing a stable advantage even when a lot of heat load is generated. .
  • the iron-containing material constituting the iron core material in the iron bus bar according to the present invention has a very advantageous effect in terms of cost reduction compared to conventional copper or aluminum.
  • the electrical conductivity is 103.06 copper, 64.95 aluminum and 17.5 iron, based on% IACS.Conductivity is 5.8 ⁇ 10 7 mhos / m for copper, 3.82 ⁇ 10 7 mhos / m for aluminum, and 1.03 ⁇ 10 7 for iron. Since mhos / m and stainless steel are 1.1 ⁇ 10 6 mhos / m, they have lower disadvantages than copper.
  • the conductivity is 9.52 ⁇ 10 6 mhos / m
  • the solder used as wiring material and bonding material in electronic component packaging is 7 ⁇ 10 6 mhos / m.
  • the conductivity of iron is inferior to that of other metal materials.
  • Table 1 shows the physical properties of copper, aluminum and iron.
  • iron not only has excellent electrical conductivity, but also has excellent strength compared to copper, aluminum, or other metal materials. That is, when the iron-containing material is used in the manufacture of the busbar, it can be given an excellent strength, thereby ensuring excellent durability can be safely protected from external shocks.
  • the density of about 88% of the copper can reduce the weight of the distribution panel or switchgear using a large number of busbars by more than 10% compared to the existing it is advantageous during work and transport. Its melting point is about 1.4 times that of copper and about 2.3 times that of aluminum, so it has excellent thermal stability.
  • the durability and stability at high temperature are relatively high, especially the yield strength and tensile strength are high, so the load or stress In this working environment there is an advantage that the durability is excellent stability.
  • the coefficient of thermal expansion is about 70% of copper and 50% of aluminum, which has the advantage that there is less fear of deformation when heat load occurs due to hot summer heating and cooling demand.
  • the iron-containing material constituting the iron core material of the present invention is lighter than copper and has a strength 1.5 times higher than that of copper and aluminum, and is excellent in thermal stability and durability as well as the price of copper. It can be seen that there is a big advantage of about 10 degrees.
  • the present invention is not particularly limited as long as it contains iron with respect to the type of iron-containing material constituting the iron core material and is conductive, but is preferably pure iron, carbon steel, stainless steel, Fe-Al alloy and Fe-Cu.
  • One kind selected from the group consisting of a series alloy can be used, and pure iron can be used to secure excellent electrical conductivity.
  • the iron bus bar of the present invention includes a copper layer formed on the surface of the iron core material, the thickness of the copper layer is preferably 10 ⁇ 30 ⁇ m the optimum thickness within the usable temperature range. If the thickness is less than 10 ⁇ m, the thickness of the copper layer may not be sufficient to obtain a skin depth effect, and thus the electrical conductivity may be lower than that of the conventionally known copper bus bar. The thicker the copper layer, the higher the electrical conductivity, but the thickness is more than 30 ⁇ m. This is because the cost saving effect is lowered and productivity may be lowered. In other words, the thicker the better, the higher the waste of time, the consumption of materials used, and the higher operating cost.
  • a second technical feature of the present invention is to further include a protective layer for protecting the buffer layer and the copper layer for improving the adhesion between the iron core and the copper layer forming the iron-based bus bar. That is, in comparison with the conventional copper busbar, the iron busbar composed of the iron core material and the copper layer formed on the surface of the iron bus bar as in the present invention may not only reduce the adhesion between the iron core material and the copper layer but also have an optimum thickness. It is because there exists a possibility that electrical conductivity may fall when a copper layer is damaged. In addition, when a buffer layer is formed between the iron core material and the copper layer, the buffer layer may improve the adhesion, as well as control the stress, and reduce the heat load.
  • the iron busbar of the present invention includes a buffer layer formed between the iron core material and the copper layer to improve physical properties of the iron busbar, such as to improve the adhesion between the iron core material and the copper layer formed on the surface of the iron core material. It may further include.
  • the buffer layer may be coated with a thickness such that the copper layer to be coated does not peel off with the iron core material, but may be preferably formed with a thickness of 0.2 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • the buffer layer may be one or more materials selected from the group consisting of Fe, Cu, Ni, Cr, Ti, Ta, Zr, Al, Mo, Ag and Au. It is preferable that 2 or more types are used in order to improve the adhesive force with a core material and a copper layer further. That is, it is because the iron content can be made as high as possible at the interface in contact with the iron core material, and the copper content can be formed as high as possible in the interface in contact with the copper layer.
  • the buffer layer is formed to have a thickness of less than 1 ⁇ m from the core surface and the first buffer layer containing 92.4 to 100% by weight of iron at the interface with the iron-based core; And a second buffer layer formed to have a thickness of 1 ⁇ m or less between the first buffer layer and the copper layer and including 95.9 to 100 wt% of copper at an interface contacting the copper layer.
  • the thickness of the first buffer layer and the second buffer layer may be reduced to have a structure formed by repeating two or more times alternately. Through this structure, the surface of the buffer layer can be made smoother and the stress can be lowered, and the adhesion between layers can be improved.A thin film of two or more kinds of materials having a constant thickness can be deposited alternately from several to 100 layers. .
  • the copper layer in order to improve the protection of the copper layer, that is, the corrosion resistance of the busbar, it may further include a corrosion preventing layer formed to a thickness of 1 ⁇ m or less on the surface of the copper layer.
  • the anti-corrosion layer may include any one or more selected from the group consisting of Sn, Cr, Zr, Ag, and Cu.
  • Sn, Cr, Zr, and Ag interfaces at the interface with the copper layer to increase adhesion to the copper layer, It contains 0 to 15.9% by weight of any one, Cu may be made of a metal containing 84.2 to 100% by weight.
  • the Cu content is preferably 100% by weight at the interface in contact with the copper layer, and the Cu content is preferably reduced toward the surface of the corrosion preventing layer.
  • the entire corrosion protection layer is formed of an alloy of copper and another metal, 0 to 15.9 weight of any one of Sn, Cr, Zr, and Ag so as to protect the copper layer and have an electrical conductivity of 90% or more compared to the electrical conductivity of the copper layer.
  • %, 84.2 to 100% by weight of Cu wherein 15.9% by weight of Sn, 1% by weight of Cr, 0.172w% by weight of Zr, and 8% by weight of Ag of each metal element forming an alloy with Cu.
  • corrosion resistance can also be enhanced with the least damage to electrical conductivity.
  • the iron bus bar of the present invention may further include a top layer formed on the surface of the anti-corrosion layer having a thickness of 1 ⁇ m or less and including at least one of Ag or Ti.
  • a top layer formed on the surface of the anti-corrosion layer having a thickness of 1 ⁇ m or less and including at least one of Ag or Ti.
  • the third technical feature of the present invention is not only to uniformly form a copper layer of several tens of micrometers on the surface of the iron core material by using the sputtering method, but also to control the particle size, thereby making the iron booth bar having excellent characteristics inexpensive. It is a method for manufacturing iron-based busbars that can be produced in large quantities.
  • Iron-based bus bar manufacturing method of the present invention comprises the steps of preparing an iron core material; And a copper layer coating step of forming a copper layer having a thickness of 10 to 30 ⁇ m on the iron core surface. In some cases, the step of coating any one or more of the buffer layer formed between the iron core material and the copper layer, the anti-corrosion layer formed on the surface of the copper layer, and the top layer formed on the surface of the anti-corrosion layer may be further performed.
  • the step of preparing the iron core material may be performed by preparing the iron core material consisting of the iron-containing material in consideration of the size and shape of the desired busbar.
  • the copper layer coating step is performed by sputtering capable of thickness control.
  • the coating may be uniformly performed and the particle size of the copper layer may be controlled, thereby improving electrical characteristics.
  • the iron-containing material constituting the iron core material it may be desirable to perform a treatment for removing the oxide layer formed on the surface of the iron core material after preparing the iron core material before coating the copper layer.
  • the iron-containing material is due to the nature of the oxide layer is formed on the surface to reduce the adhesion to the copper layer to be coated afterwards, and further may cause peeling.
  • peeling between the iron core material and the copper layer may occur due to the oxide layer present on the iron core material surface.
  • a mechanical method by polishing or polishing, a chemical method by etching or acidic solution, a method by plasma treatment, or an oxide layer having good adhesion to the surface oxide layer and having a stress relieving effect Insertion method can be used.
  • any method conventionally used in the art may be used.
  • the step of cleaning the iron core material with plasma was performed before the copper layer coating step. That is, when the iron core material is pre-sputtered or cleaned by plasma, the iron core material has an effect of etching a large portion of the contaminants and oxide layers remaining on the surface of the iron core material.
  • Plasma cleaning including pre-sputtering or pretreatment, is suitable for 30 minutes to 60 minutes at 1 mtorr, about 40 minutes, 1 kW, Ar 100 SCCM, for example, but can be adjusted according to the amount of iron core material.
  • the ambient temperature can rise to about 80 degrees. At this temperature, the specimen ambient temperature during sputtering rises to about 140 degrees. In some cases, such an increase in temperature may result in coating particle growth, and may not require a separate heat treatment step as described below.
  • the buffer layer coating step of forming a buffer layer on the surface of the iron core material is further performed before the copper layer coating step is performed in the method of manufacturing the iron booth bar of the present invention
  • the buffer layer coating step is performed by sequentially depositing two targets simultaneously. Sputtering is performed by applying power to the iron target with a time difference and then applying a power to the copper target so that the first buffer layer has a thickness of 1 ⁇ m or less from the surface of the iron core material and the iron is in contact with the iron core material. It is preferably formed to include from 100% by weight, the second buffer layer preferably has a thickness of less than 1 ⁇ m from the surface of the first buffer layer and is formed so that 95.9 to 100% by weight of copper in the interface with the copper layer.
  • the order of power applied to the target may be simultaneously deposited sequentially in consideration of the adhesion between the anti-corrosion layer or the uppermost layer.
  • the anti-corrosion layer and the uppermost layer may be used instead of two targets.
  • the sputtering for forming the copper layer, the buffer layer, the anti-corrosion layer and the uppermost layer can be coated on the entire surface of the iron core material without having to turn over, for example, using a rotating jig, depending on the type of target.
  • Power can be 4 ⁇ 5kW and can be operated for 30 ⁇ 300 minutes at basic pressure of 5.4x10 -6 torr
  • the heat treatment may be further performed in parallel or after the sputtering is performed to maintain 200 to 300 ° C.
  • heating can be performed during pre-sputtering, in situ even when copper layer is coated, and then after copper layer coating is finished, that is, when coating with sputtering and sputtering.
  • the iron core material can be inserted into the vacuum chamber for sputtering in advance, and then the heat can be started by applying a heat of about 200 degrees after removing the vacuum. At this time, the vacuum is maintained at a high vacuum (5x10 -5 torr or more).
  • the process can be continued by applying heat even during the process. At the end of the process, an additional 30 minutes or less of heat can be applied to the grain growth to lower the electrical conductivity. This heat treatment has the effect of lowering the temperature when using the busbar.
  • the iron core material may be removed from the vacuum chamber and put in a separate atmosphere or a vacuum furnace to be heat treated.
  • the temperature is in the range of 200-300 degrees. Vacuum must be maintained to prevent oxidation even during heat treatment.
  • a high vacuum of 5x10 -5 torr or higher is preferable. Although it may be considered to proceed in an argon atmosphere when the vacuum atmosphere is difficult, a vacuum atmosphere is more preferable.
  • the base pressure was maintained at about 5.4 ⁇ 10 ⁇ 6 torr, and the iron core and the target were washed.
  • the iron core material was cleaned through plasma cleaning, the chamber pressure was 1 mtorr, the output was RF 1 kW, the flow rate of Ar gas was 100 SCCM, and the cleaning was performed for 40 minutes.
  • the iron core was coated with copper to obtain iron bus bar 1 (COB-13; No. 13).
  • the iron core material, the copper target, and the molybdenum target were washed. Subsequently, molybdenum and copper were sputtered simultaneously for 30 minutes at a pressure of 1 mtorr, an output of 4 kW DC, and a flow rate of Ar gas at 100 SCCM to form a buffer layer.
  • the molybdenum target and the copper target can be opened at the same time by opening the shutter and sputtering, and then the substrate equipped with the iron core material is moved back and forth to the molybdenum target and the copper target once, and the reciprocating motion (section repeating movement) causes the molybdenum and copper to rotate.
  • each layer By forming each layer by the number, that is, by forming a plurality of first buffer layer formed of molybdenum and a plurality of second buffer layer formed of copper alternately, a multi-layer film (Mo / Cu / Mo 7-8 Mo / Cu / Mo) to form a buffer layer. Thereafter, copper was sputtered on the buffer layer at a DC of 5 kW for 2 hours to coat copper on the iron core material, thereby obtaining Comparative Preferred Bus Bar 3 (COB-12; No. 12).
  • the iron-based bus bar 1 of the present invention has a total copper coating layer thickness of 11.6 ⁇ m
  • FIG. 1b shows that the entire copper coating layer of the iron-based bus bar 2 has a thickness of 19.7 ⁇ m.
  • the coating layer thicknesses of the comparative preliminary bus bars 1 to 3 are 3.53 ⁇ m, 3.86 ⁇ m, and 8.27 ⁇ m, respectively.
  • Example 1 Along with the commercially available aluminum coated copper coated specimens, non-coated general iron specimens and copper specimens, and the iron-based busbar 1 obtained in Example 1 were prepared, and all the materials were subjected to a thermal load test. At this time, the thermal load test was used a thermal load tester, and after connecting each specimen having a cross-sectional area of 2x15SQ (30) to the tester, a current of about 100A was passed. Then, it was made to measure the change in temperature with respect to the specimen, the results are shown in FIG.
  • the copper specimen (copper) was 26.5 ° C.
  • the copper coated aluminum specimen (aluminum + copper clad) was found to be 29.3 ° C.
  • the iron-based bus bar 1 (iron +) prepared in Example 1 of the present invention. Copper coating) is 39.6 °C.
  • the busbar of the present invention can be preferably applied to various fields.
  • the general iron specimen (iron) not coated with copper is difficult to use as a bus bar at a level of 48.4 ° C.
  • the coating thickness of the copper preliminary core material (No. 10) is 3.53 ⁇ m
  • the comparative preliminary core material 2 ( 11) the total thickness is 3.86 ⁇ m
  • the buffer layer (Mo) is 0.81 ⁇ m and the copper layer is 3.15 ⁇ m.
  • the thickness of copper layer is 10 times thicker but the overall thickness is 0.33 ⁇ m thicker and the buffer layer (Mo The heat load test results show that 11 is about 4 ° C lower than 10, due to the structure of).
  • the total thickness of the comparative preliminary core material 3 (No. 12) was 8.27 ⁇ m
  • the buffer layer (Mo / Cu multilayer structure) was 1.37 ⁇ m.
  • the copper layer is made of 6.86 ⁇ m 11 and 12 are both a structure in which the buffer layer is formed, but the actual copper layer thickness 12 times than 11 times more than double the structure and 11 as can be seen in the experimental example described later
  • the thermal load test result was 12 times lower than about 11 times about 9 ° C, and it can be seen that there is no significant difference compared with 13 times.
  • a thermal load test was performed to observe the temperature change according to the thickness of the copper layer coated on the iron core material, and the result of the temperature change according to the coating thickness is shown in FIG. 5.
  • the temperature of the thermal load test results in a temperature of less than 40 ° C. when the thickness of the copper layer coated on the iron core material is 10 ⁇ m or more.
  • the thickness of the coating layer coated on the iron core material should be a certain thickness, that is, 10 ⁇ m or more as in the present invention.
  • Comparative Example iron busbar 3 No. 12 obtained in Comparative Example 3 was observed by TEM, and a part of the observed TEM image is shown in FIG. 6.
  • the buffer layer formed on Comparative Example Iron Bus Bar 3 has a multilayer film structure formed by depositing a plurality of layers having a fine thickness.
  • the buffer layer formed on Comparative Example Iron Bus Bar 3 was formed by alternating layers of fine thickness made of two different materials, molybdenum and copper, and FIG. 6 clearly shows a layer formed of molybdenum and copper. To show the distinction.
  • Comparative Preferred Core Material 3 (No. 12) has a total thickness of 8.27 ⁇ m, which is composed of a buffer layer (Mo / Cu) of 1.37 ⁇ m and a copper layer of 6.86 ⁇ m, and the iron bus bar 1 (No. 13) is made of a copper layer of 11.60 ⁇ m. It can be seen that when comparing the thickness of the copper layer of 12 and 13 only 13 is about 80% thicker than 12, the total thickness of 13 is about 40% thicker than 12.
  • the thermal load test temperature only varies within 2 ° C. From this result, it can be predicted that the number 12 includes a buffer layer made of a multilayer film, thereby reducing the thermal load.

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Abstract

본 발명은 구리로 코팅된 철계 부스바 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시형태는 철계심재; 및 상기 철계심재 상에 코팅된 구리층을 포함하는 철계 부스바 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 우수한 전기전도도를 가지면서도 강도 및 내구성이 높은 철계 부스바를 저렴하게 제조할 수 있다.

Description

구리층을 갖는 철계부스바 및 그 제조방법
본 발명은 부스바 및 부스바 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 수십 마이크로미터 두께로 코팅된 구리 층을 갖는 철계부스바 및 그 제조방법에 관한 것이다.
예전에는 전기에너지를 전달하기 위한 매개체로 케이블을 많이 사용해 왔으나, 최근 들어 같은 부피의 도체로 더욱 많은 전기에너지를 전달할 수 있는 장점을 갖는 부스바가 케이블의 대체품으로 많이 사용되고 있다. 이러한 부스바는 전기전도도가 우수하고, 높은 강도와 내구성이 확보되어야 한다.
부스바는 대용량의 전기에너지 전송 시스템의 설치가 필요한 공업용에서부터규모가 작은 가정용 등의 분전반이나 배전반에 사용된다. 이러한 부스바는 통상적으로 구리막대로 이루어져 있으며, 이에 따라 전류 용량에 따라 두께가 달라진다.
부스바의 주원료인 구리는 대부분 수입에 의존하고 있어 해외 구리가격에 민감하다는 단점이 있다. 구리 가격은 매년 요동치고 있어 수입될 때의 금액 변동이 커서부스바 제조 비용의 상승을 초래하고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 최근에는 원가를 절감하고 무게를 줄이며, 성능을 향상시키기 위해 알루미늄 외부에 구리를 피복하여 사용하거나, 강도를 높이기 위해 철합금 외부에 구리를 피복하여 사용하는 등 복합 재질로 형성된 부스바가 나오고 있다.
이러한 구리 피복 복합재로 형성된 부스바는 클래드(clad) 접합방법과 정수압 압출법(Hydrostatic Extrusion) 및 간접 압출법에 의해 제조되게 되는데, 클래드 접합방법은 두 가지 이상의 금속재료를 고온에서 압연하여 접합이 이루어지도록 하는 것이고, 정수압 압출법 및 간접 압출법은 소정 형태의 빌렛을 압출 콘테이너에 삽입하여 층상 복합 재질로 형성된 부스바를 제조할 수 있도록 하는 것이다.
그러나 상기 클래드 접합에 의한 압연 방법은 일반적으로 고온에서 이루어지게 되는데, 구리, 철 등의 금속재료는 200℃ 이하의 낮은 온도에서 산화가 이루어지거나 각각의 금속재료들 간에 열팽창률이 상이하여 접합이 제대로 이루어지지 않아 불량품을 양산하게 되며, 또한 이러한 방법은 제조공정 및 장비가 복잡하여 생산 비용이 많이 드는 문제점이 있다.
또한, 정수압압출방법은 압력전달용매의 취급이 용이하지 않으며, 간접압출방법과 함께 압출장치가 대형이고 고가이며 유지 보수비용이 많이 들며, 사용 방법이 복잡하여 작업의 효율성이 떨어져, 부스바의 단가를 상승시키는 요인이 되고 있다.
본 발명자는 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위해 노력한 결과 스퍼터링 방법으로 철계심재 표면에 구리층을 수십 마이크로 두께로 코팅하는 기술을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명의 목적은 구리보다 전기전도도는 낮지만 높은 강도를 가질 뿐만 아니라 저가인 철을 함유한 철계심재 표면에 수십 마이크로 두께로 균일하게 코팅된 구리층을 포함하도록 하는 구성을 통해 저렴하면서도 전기전도도, 내구성 및 강도 특성이 우수한 철계부스바 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 구리층 형성 전의 철계심재 전처리 및 철계심재와 구리층 사이의 버퍼층 형성 중 어느 하나 이상을 포함한 처리를 통해 철계심재와 그 표면에 형성된 구리층의 밀착력이 향상된 철계부스바 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 철계심재 표면에 형성되는 구리층의 입자크기제어가 가능하므로 비표면적 및 전도도를 향상시켜 부스바의 특성을 향상시킬 뿐만 아니라 부스바의 다양한 형상 및 크기 제어가 가능한 철계부스바 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 형성된 구리층 표면에 후공정을 더 수행하여 구리층의 부식 방지 및/또는 추가적인 저항감소 및 고급질감을 구현할 수 있는 철계부스바 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 중소형 부스바에 최적화 된 구조의 철계 부스바 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 철함유소재로 구성된 철계심재; 및 상기 철계심재 표면에 10~30㎛ 두께로 형성된 구리층;을 포함하는 철계 부스바를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 철함유소재는 순철, 탄소강, 스테인레스강, Fe-Al계 합금 및 Fe-Cu계 합금으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 철계심재와 구리층 사이에 형성된 버퍼층을 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 버퍼층은 상기 철계심재 표면으로부터 1㎛이하의 두께를 갖도록 형성되고 상기 철계심재와 닿는 계면에서 철이 92.4 내지 100 중량% 포함되는 제1버퍼층; 및 상기 제1버퍼층과 상기 구리층 사이에 1㎛이하의 두께를 갖도록 형성되고 상기 구리층과 닿는 계면에서 구리가 9.9~100 중량% 포함되는 제2버퍼층;을 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 버퍼층은 상기 제1버퍼층과 상기 제2버퍼층이 교대로 2회 이상 반복하여 형성된 구조이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 구리층 표면에 1㎛ 이하의 두께로 형성된 부식방지층을 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 부식방지층은 Sn, Cr, Zr, Ag, Cu로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나 이상이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 부식방지층은 상기 구리층과 닿는 계면에서 Sn, Cr, Zr, Ag 중 어느 하나를 0 ~ 1.9 중량% 및 Cu를 84.2 ~ 100 중량% 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 부식방지층 표면에 1㎛ 이하의 두께를 갖고 Ag 또는 Ti 중 하나 이상을 포함하도록 형성된 최상층을 더 포함한다.
또한, 본 발명은 철계 심재를 준비하는 단계; 및 상기 철계 심재 표면에 10~30㎛ 두께의 구리층을 형성하는 구리층 코팅단계;를 포함하는 철계 부스바 제조방법을 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 구리층 코팅단계는 스퍼터링(sputtering)으로 수행된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 스퍼터링을 수행하는 동안 또는 상기 스퍼터링이 수행된 다음 200 내지 300℃를 유지하는 열처리 단계를 더 수행한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 구리층 코팅단계를 수행하기 전에 상기 철계심재를 플라즈마로 클리닝하는 단계가 더 수행된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 구리층 코팅단계를 수행하기 전에 상기 철계심재 표면에 버퍼층을 형성하는 버퍼층 코팅단계가 더 수행된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 버퍼층 코팅단계는 2개의 타겟을 이용하여 순차적으로 동시 증착하는 스퍼터링으로 수행되는데, 철 타겟에 전원을 인가한 후 시차를 두고 구리 타겟에 전원을 인가하여 제1버퍼층이 상기 철계심재 표면으로부터 1㎛이하의 두께를 갖고 상기 철계심재와 닿는 계면에서 철이 92.4 내지 100 중량% 포함되도록 형성되며, 제2버퍼층이 상기 제1버퍼층 표면으로부터 1㎛이하의 두께를 갖고 구리층과 닿는 계면에서 구리가 9.9~100 중량% 포함되도록 형성된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 구리층 표면에 1㎛ 이하의 두께로 부식방지층을 더 형성하는 부식방지층코팅단계를 더 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 부식방지층 표면에 1㎛ 이하의 두께를 갖고 Ag 또는 Ti 중 하나 이상을 포함하는 최상층을 더 형성하는 최상층코팅단계를 더 포함한다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 갖는다.
먼저, 본 발명에 따르면, 구리보다 전기전도도는 낮지만 높은 강도를 가질 뿐만 아니라 저가인 철을 함유한 철계심재 표면에 수십 마이크로 두께로 균일하게 코팅된 구리층을 포함하도록 하는 구성을 통해 전기전도도, 강도 및 내구성이 우수한 철계부스바를 저렴하면서도 대량으로 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 구리층 형성 전의 철계심재 전처리 및 철계심재와 구리층 사이의 버퍼층 형성 중 어느 하나 이상을 포함한 처리를 통해 철계심재와 그 표면에 형성된 구리층의 밀착력이 향상된다.
또한, 본 발명에 따르면 철계심재 표면에 형성되는 구리층의 입자크기제어가 가능하므로 비표면적 및 전도도를 향상시켜 부스바의 특성을 향상시킬 뿐만 아니라 부스바의 다양한 형상 및 크기 제어가 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면 형성된 구리층 표면에 후공정을 더 수행하여 구리층의 부식 방지 및/또는 추가적인 저항감소 및 고급질감을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 중소형 부스바에 최적화 된 구조의 철계 부스바를 제공할 수 있다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명의 실시예들 및 비교예들에서 얻어진 철계부스바들의 SEM 단면이미지 사진들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시편의 열부하 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 시편들의 열부하 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예들 및 비교예들에서 얻어진 철계부스바들의 열부하테스트 수행결과에 따른 온도변화추이그래프이다.
도 5는 열부하테스트시 철계심재에 코팅되는 코팅층의 두께변화에 따른 온도변화를 보여주는 그래프이다.
도 6은 다층막으로 이루어진 버퍼층의 단면을 TEM으로 관찰하여 얻어진 TEM이미지 사진이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명의 제1 기술적 특징은 통상 전체가 구리로 이루어진 분전반이나 배전반에 사용되는 부스바를 전기전도도에 영향을 덜 미치면서도 주된 구성요소가 되는 심재부분은 철함유 소재이고, 심재의 표면부분에 형성된 수십 마이크로미터 두께의 구리층을 포함하는 구성을 통해 원가는 절감하면서도 전기전도도는 구리 부스바와 동일하거나 그 이상인 철계부스바의 구성에 있다. 즉, 종래 부스바는 전체가 구리로 구성되지만 구리가 매우 고가의 원소이므로 부스바의 비용 또한 매우 높은 문제가 있었을 뿐만 아니라 강도가 약한 문제점이 있었기 때문이다.
따라서, 본 발명은 철함유소재로 구성된 철계심재; 및 상기 철계심재 표면에 10~30㎛ 두께로 형성된 구리층;을 포함하는 철계 부스바를 제공한다.
이와 같은 본 발명에 따른 철계 부스바의 구조는 부스바를 통해 흐르는 전류는 대부분이 부스바의 표피 부분에서 흐르게 된다는 스킨 뎁스(skin depth) 효과에서 착안된 것이다. 즉, 본 발명의 철계 부스바를 구성하는 철계심재는 부스바의 강도 향상에 기여하게 되고 철계 심재의 표면에 수십 마이크로미터 두께로 형성되어 부스바의 표층부를 이루는 구리층은 전류의 경로로서 이용될 수 있으므로 본 발명에 따른 철계 부스바는 전기전도도뿐만 아니라 강도와 내구성까지 우수한 특성을 가질 수 있기 때문이다. 이처럼 본 발명의 철계 부스바는 철계 심재 표면에 형성된 구리층을 통해 부스바의 우수한 전기전도도를 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 철계 심재로 인해 강도는 높고 밀도는 낮아 열부하가 많이 발생하더라도 안정적인 장점이 있다.
먼저, 본 발명에 따른 철계 부스바에서 철계심재를 구성하는 철함유소재는 기존에 사용되던 구리나 알루미늄에 비하여 원가절감 면에서 아주 유리한 효과를 가진다. 다만, 전기전도도가 %IACS 기준으로 구리가 103.06, 알루미늄이 64.95, 철이 17.5이며, 이를 도전율로 나타내면 구리가5.8×107mhos/m, 알루미늄이 3.82×107mhos/m, 철이 1.03×107mhos/m, 스테인레스강은 1.1×106mhos/m이므로 구리에 비해서는 낮은 단점이 있다. 하지만, 전자부품의 전극용 코팅이나 전극재료로 사용되는 백금의 경우에는 도전율이 9.52×106mhos/m, 전자부품 패키징에서 배선재료와 접합재료로 사용되는 솔더는 7×106mhos/m의 도전율을 갖는데, 이러한 점을 감안할 경우 철의 도전율은 다른 금속재료에 비해 결코 뒤지지 않는 수치이다.
하기 표 1에 구리, 알루미늄 및 철의 물성치를 나타내었다.
표 1
구분 구리 알루미늄 철
밀도(g/㎠) 8.96 2.69 7.87
녹는점(℃) 1083.4 660.37 1535
열팽창계수(10-6/℃) 16.5 23.6 11.7
열전도도(W/㎝K)at 273K 4.01 2.36 0.835
전기전도도(%IACS) 103.06 64.95 17.75
도전율(mhos/m) 5.80×107 3.82×107 1.03×107
비저항(μΩ·㎝) 1.67 2.65 9.71
항복강도(MPa) 69~365 215~415 276~621
인장강도(MPa) 221~455 141~460 414~689
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 철은 우수한 전기전도도를 가지고 있을 뿐만 아니라, 구리나 알루미늄 또는 그 외 다른 금속재료에 비하여 우수한 강도를 가지고 있다. 즉, 철함유 소재를 부스바 제작에 이용할 경우, 우수한 강도를 부여할 수 있으므로 우수한 내구성을 확보하여 외부의 충격으로부터 안전하게 보호될 수 있다. 또한, 밀도가 구리의 약 88% 수준으로 부스바를 대량으로 사용하는 분전반이나 배전반의 무게를 기존대비 10%이상 줄일 수 있어 작업 및 운반시에 유리하다. 녹는점은 구리의 약 1.4배, 알루미늄의 약 2.3배 높아 열적인 안정성 또한 우수하다.
여름에 냉난방 부하가 급증하면 분전반이나 배전반의 부스바에도 전기가 많이 흐르게 되어 순간적으로 온도가 올라갈 경우 고온에서의 내구성과 안정성이 상대적으로 높고, 특히 항복강도와 인장강도가 높아 열부하와 더불어 하중이나 응력이 작용하는 환경에서 내구성이 안정성이 우수하다는 장점이 있다. 그리고 열팽창계수는 구리의 약 70% 수준이고, 알루미늄의 50% 수준으로서 무더운 여름 냉난방 수요로 인한 열부하 발생시 변형의 우려도 상대적으로 적다는 장점이 있다.
이와 같이, 본 발명의 철계심재를 구성하는 철함유소재는 무게가 구리에 비해 가벼우면서도 강도는 구리와 알루미늄에 비해서 1.5배 이상 높고 열적인 안정성과 내구성도 우수할 뿐만 아니라 가격도 구리의 1/10 정도 수준이라는 큰 장점이 있는 것을 알 수 있다.
한편, 본 발명에서는 철계심재를 구성하는 철함유소재의 종류에 대해서 철을 함유하고 도전성이 있기만 하면 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는 순철, 탄소강, 스테인레스강, Fe-Al계 합금 및 Fe-Cu계 합금으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종을 이용할 수 있으며, 우수한 전기전도도를 확보하기 위해서는 순철을 이용할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 철계부스바는 철계심재 표면에 형성된 구리층을 포함하는데, 구리층의 두께는 사용가능 온도범위 내에서 최적두께인 10~30㎛인 것이 바람직하다. 10㎛미만일 경우에는 스킨 뎁스(skin depth) 효과를 얻기에 충분한 구리층 두께를 확보하지 못하여 전기전도도가 종래 알려진 구리부스바에 비해 떨어질 수 있고, 구리층은 두꺼울수록 전기전도도가 향상되지만 30㎛를 초과하게 되면 비용절감 효과는 저하되고 생산성 또한 저하될 수 있기 때문이다. 즉, 두꺼울수록 좋으나 시간낭비와 사용재료 소모와 공정가동단가가 높아져 생산단가가 높아진다.
본 발명의 제2 기술적 특징은 철계부스바를 이루는 철계심재와 구리층의 밀착력을 향상시키기 위한 버퍼층 및 구리층을 보호하기 위한 보호층을 더 포함한 것에 있다. 즉, 종래의 구리부스바와 비교하여 본 발명과 같이 철계심재와 그 표면에 형성된 구리층으로 구성된 철계부스바의 경우 철계심재와 구리층의 밀착력이 저하될 우려가 있을 뿐만 아니라 최적 두께를 가진 구리층이 손상되면 전기전도도가 저하될 우려가 있기 때문이다. 또한 철계심재와 구리층 사이에 버퍼층이 형성되면 버퍼층으로 인해 밀착력의 향상 효과는 물론 스트레스를 낮게 제어할 수 있으며 열부하를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
따라서, 본 발명의 철계부스바는 철계심재와 철계심재 표면에 형성되는 구리층간의 밀착력을 보다 향상시키는 등 철계부스바의 물리적 특성을 향상시키기 위하여 철계심재와 구리층 사이에 형성된 버퍼층을 더 포함할 수 있다. 버퍼층은 코팅되는 구리층이 철계심재와 박리가 일어나지 않을 정도의 두께로 코팅될 수 있는데 0.2㎛ ~ 5㎛의 두께로 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
이 때 버퍼층은 Fe계, Cu계, Ni계, Cr계, Ti계, Ta계, Zr계, Al계, Mo계, Ag계 및 Au계로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 재료를 사용할 수 있지만, 철계심재 및 구리층과의 밀착력을 보다 향상시키기 위해 2종 이상이 사용되는 것이 바람직하다. 즉 철계심재와 닿는 계면에서는 철 함유량을 가능한 높게 하고, 구리층과 닿는 계면에서는 구리 함유량을 가능한 높게 형성하는 구성을 갖도록 할 수 있기 때문이다.
특히, 버퍼층은 심재 표면으로부터 1㎛이하의 두께를 갖도록 형성되고 철계심재와 닿는 계면에서 철이 92.4 내지 100 중량% 포함되는 제1버퍼층; 및 제1버퍼층과 구리층 사이에 1㎛이하의 두께를 갖도록 형성되고 구리층과 닿는 계면에서 구리가 95.9~100 중량% 포함되는 제2버퍼층;을 포함하도록 형성될 수 있는데, 필요에 따라서는 제1버퍼층과 제2버퍼층의 두께를 얇게 하여 교대로 2회 이상 반복하여 형성된 구조를 가질 수도 있다. 이러한 구조를 통해 버퍼층의 표면을 보다 매끈하게 만들어주고 스트레스도 낮출 수 있는 한편 층간 밀착력도 향상될 수 있는데, 얇고 일정한 두께의 2종류이상 물질로 된 막을 교대로 수개 내지 100층 내외까지 증착할 수 있다.
또한, 구리층의 보호, 즉, 부스바의 내식성을 향상시키기 위하여 구리층 표면에 1㎛ 이하의 두께로 형성된 부식방지층을 더 포함할 수 있다. 부식방지층은 Sn, Cr, Zr, Ag, Cu로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있는데, 구리층과의 밀착력을 높이기 위해 구리층과 닿는 계면에서는 Sn, Cr, Zr, Ag 중 어느 하나를 0 ~ 15.9 중량% 포함하고, Cu는 84.2 ~ 100 중량% 포함하는 금속으로 이루어질 수 있다. 이 때 밀착력 향상의 효과를 배가시키기 위해 구리층과 닿는 계면에서 Cu의 함량이 100중량%이고 부식방지층의 표면으로 갈수록 Cu 함량이 감소되는 것이 바람직하다.
한편, 부식방지층 전체가 구리와 다른 금속의 합금으로 형성된 경우 구리층 보호는 물론 구리층의 전기전도도와 비교하여 90%이상의 전기전도도를 갖도록 Sn, Cr, Zr, Ag 중 어느 하나를 0 ~ 15.9 중량%, Cu를 84.2 ~ 100 중량% 포함할 수 있는데, Cu와 합금을 형성하는 각 금속원소 중 Sn은 15.9 중량%, Cr은 1 중량%, Zr은 0.172w중량%, Ag는 8중량% 이하로 포함될 때, 전기전도도를 가장 덜 손상시키면서 내부식성 또한 높일 수 있다.
경우에 따라서는 본 발명의 철계부스바는 상기 부식방지층 표면에 1㎛ 이하의 두께를 갖고 Ag 또는 Ti 중 하나 이상을 포함하도록 형성된 최상층을 더 포함할 수 있다. 즉, 외관상 구리색상 대신 은으로 색상을 입혀 고급질감 구현할 수 있으며 구리와 거의 대등한 전도도를 가지지만 낮은 저항을 갖는 은을 포함함으로써 부스바의 특성 향상에 기여하는 부분이 있기 때문이다. 특히 Ag와 Ti의 합금인 경우 Ti을 0~2wt% 포함하면 고급질감 구현은 물론 내식성이 보다 향상될 수 있다.
본 발명의 제3 기술적 특징은 스퍼터링 방법을 사용함으로써 철계심재 표면에 수십 마이크로 미터 두께의 구리층을 균일하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라 입자크기 제어가 가능하여 우수한 특성을 가진 철계부스바를 저렴하면서 대량으로 생산할 수 있는 철계부스바 제조방법에 있다.
본 발명의 철계부스바 제조방법은 철계 심재를 준비하는 단계; 및 상기 철계 심재 표면에 10~30㎛ 두께의 구리층을 형성하는 구리층 코팅단계;를 포함한다. 경우에 따라서는 철계심재와 구리층 사이에 형성되는 버퍼층, 구리층 표면에 형성되는 부식방지층 및 부식방지층 표면에 형성되는 최상층 중 어느 하나 이상의 층을 코팅하는 단계를 더 수행할 수 있다.
먼저, 철계 심재를 준비하는 단계는 원하는 부스바의 크기 및 형상을 고려하여 철함유소재로 구성된 철계 심재를 준비하여 수행될 수 있다.
다음으로, 구리층 코팅단계에서 10~30㎛ 두께의 구리층을 형성하기 위해서는 두께 제어가 가능한 스퍼터링으로 구리층 코팅단계가 수행되는 것이 바람직하다. 이와 같이 스퍼터링으로 구리층을 코팅하게 되면 코팅이 균일하게 이루어지고 구리층을 형성하는 입자크기의 제어가 가능하므로 전기적 특성을 보다 향상시킬 수 있다.
한편, 철계 심재를 구성하는 철함유소재의 재료특성상 철계 심재를 준비한 다음 구리층을 코팅하기 전에 철계 심재의 표면에 형성된 산화층을 제거하기 위한 처리를 수행하는 것이 바람직할 수 있다. 즉 철함유 소재는 그 특성상 표면에 산화층이 형성되어 이후 코팅되는 구리층과의 밀착력을 감소시키고, 나아가 박리를 유발할 수 있기 때문이다. 그 결과 철계 심재 표면의 산화층을 제거하지 않고 구리층을 형성하는 경우에는 철계 심재 표면에 존재하는 산화층으로 인해 철계심재와 구리층 간 박리가 일어날 수 있기 때문이다. 따라서, 이러한 산화층에 의한 문제를 해결하기 위해 폴리싱이나 연마에 의한 기계적 방법이나 에칭액 또는 산성액에 의한 화학적 방법, 또는 플라즈마처리에 의한 방법이나 표면 산화층과 접착력이 좋고 스트레스의 완화효과가 있는 산화물층을 삽입하는 방법을 이용할 수 있다. 또한, 상기 철계 심재에 대하여 표면 처리 및 세정을 실시하는 것이 바람직하다. 표면 처리 및 세정 방법에 대해서는 당해 기술분야에서 통상적으로 이용될 수 있는 방법을 모두 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 특히 산화층에 의한 문제를 해결하기 위해 철계심재를 플라즈마로 클리닝하는 단계를 구리층 코팅 단계 전에 수행하였다. 즉, 철계 심재를 프리-스퍼터링 즉 플라즈마로 클리닝하게 되면, 철계 심재 표면에 남아있는 오염물질과 산화물층을 상당부분 에칭하는 효과가 있기 때문이다. 프리-스퍼터링 즉 전처리를포함한 플라즈마 세정은 예를 들어 1mtorr, 약 40분, 1kW, Ar 100 SCCM 조건에서 30분~60분정도 하면 적당하나 철계 심재의 양에 따라서 조절될 수 있다. 이와 같은 프리-스퍼터링시 주변온도는 80도 정도까지 올라갈 수 있다. 이정도의 온도와 스퍼터링시의 시편 주변온도는 140도 가까이 올라간다. 경우에 따라서는 이러한 온도의 증가만으로도 코팅 입자 성장을 가져와 후술하는 바와 같은 별도의 열처리 단계가 필요 없을 수도 있다.
본 발명의 철계부스바 제조방법에서 구리층 코팅단계를 수행하기 전에 철계심재 표면에 버퍼층을 형성하는 버퍼층 코팅단계가 더 수행되는 경우, 버퍼층 코팅단계는 2개의 타겟을 이용하여 순차적으로 동시 증착하는 스퍼터링으로 수행되는데, 철 타겟에 전원을 인가한 후 시차를 두고 구리 타겟에 전원을 인가하여 제1버퍼층이 상기 철계심재 표면으로부터 1㎛이하의 두께를 갖고 상기 철계심재와 닿는 계면에서 철이 92.4 내지 100 중량% 포함되도록 형성되며, 제2버퍼층이 상기 제1버퍼층 표면으로부터 1㎛이하의 두께를 갖고 구리층과 닿는 계면에서 구리가 95.9~100 중량% 포함되도록 형성되는 것이 바람직하다.
버퍼층과 동일하게 부식방지층 및 최상층을 2개의 타겟을 이용하여 더 형성하는 경우 타겟에 인가되는 전원의 순서는 형성되는 부식방지층 또는 최상층과 닿는 계면과의 밀착력을 고려하여 순차적으로 동시 증착될 수 있다.
경우에 따라서는 2개의 타겟이 아니라 버퍼층, 부식방지층 및 최상층에 포함된 금속과 동일한 종류 및 함량으로 합금된 합금 타겟을 1개 사용할 수도 있다.
본 발명의 제조방법에서 구리층, 버퍼층, 부식방지층 및 최상층을 형성하기 위한 스퍼터링은 예를 들어 회전지그를 사용하여 뒤집을 필요 없이 철계심재 표면 전체에 코팅을 수행할 수 있는데, 타겟의 종류에 따라 파워4~5kW이고 기본 압력 5.4x10-6torr이상에서 30~300분 동안 수행할 수 있다.
이와 같은 스퍼터링을 수행하는 동안 열처리를 병행하거나 스퍼터링이 수행된 다음 200 내지 300℃를 유지하는 열처리 단계를 더 수행할 수 있다.
예를 들어 스퍼터링과 열처리를 병행하는 경우 프리-스퍼터링시에도 가열하고, 구리층 코팅 시에도 in situ로 가열하며, 이후 구리층 코팅 종료 후도 가열할 수 있는데, 즉 프리스퍼터링과 스퍼터링으로 코팅할 때 미리 철계 심재를 스퍼터링을 위한 진공챔버에 삽입한 다음 진공을 뽑고 나서 열을 200도정도 가하여 열처리를 시작할 수 있다. 이때 진공은 고진공(5x10-5torr이상)을 유지한다. 공정 중에도 계속 열을 가하여 공정을 진행할 수 있다. 공정이 끝나면 추가적으로 30분정도 300도 이하의 열을 가하여 결정립성장을 시켜 전기전도도를 더 낮출 수 있다. 이러한 열처리는 부스바 사용시 온도를 낮추는 효과를 가져온다.
스퍼터링 공정이 끝난 후 열처리를 수행하는 경우에는, 예를 들면 철계 심재를 진공챔버에서 꺼낸 후 따로 분위기로나 진공로에 집어넣고 열처리를 할 수 있다. 이때 온도는 200-300도 범위에서 한다. 열처리시에도 산화가 안되도록 진공을 유지해야하며, 이때 진공도는 5x10-5torr이상의 고진공이 바람직하다. 진공분위기가 어려울시 아르곤분위기에서 진행하는 것도 고려해볼 수 있으나 진공분위기가 더욱 바람직하다.
실시예 1
450x120x6.35mm 크기를 갖는 순도 4N의 구리 타겟과 철계 심재를 준비한 뒤, 베이스 프레셔(base pressure)를 5.4×10-6torr 내외로 유지하고, 철계심재와 타겟을 세정하였다. 이 때, 철계심재의 세정은 플라즈마 세정을 통해 이루어졌으며, 플라즈마 세정시 챔버의 기압은 1mtorr, 출력은 RF 1kW, Ar가스의 유량은 100SCCM이었고, 상기 세정은 40분 동안 이루어졌다. 이후, 챔버의 기압을 1mtorr, 출력을 DC 5kW, Ar가스의 유량을 100SCCM으로 하여 3시간 동안 스퍼터링함으로써, 상기 철계심재에 구리를 코팅하여 철계부스바 1(COB-13; 13번)을 얻었다.
실시예 2
스퍼터링 시간을 5시간 동안 한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 철계부스바 2(COB-14; 14번)를 얻었다.
비교예 1
스퍼터링 시간을 1시간 동안 한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 비교예철계부스바1(COB-10; 10번)을 얻었다.
비교예 2
450x120x6.35mm크기를 갖는 순도 4N의 구리 타겟 및 몰리브덴 타겟과 철계 심재를 준비한 뒤, 베이스 프레셔(base pressure)를 5.4×10-6torr 내외로 유지하고, 철계심재와 구리 타겟 및 몰리브덴 타겟을 실시예1과 동일하게 세정하였다. 이후, 챔버의 기압을 1mtorr, 출력을 DC 4kW, Ar가스의 유량을 100SCCM으로 하여 먼저 몰리브덴을 29분 동안 스퍼터링한 다음 구리를 DC 4kW로 1시간 동안 스퍼터링함으로써, 상기 철계심재에 구리를 코팅하여 비교예철계부스바 2(COB-11; 11번)를 얻었다.
비교예 3
비교예 2와 동일한 방법으로 철계심재와 구리 타겟 및 몰리브덴 타겟을 세정하였다. 이후, 챔버의 기압을 1mtorr, 출력을 DC 4kW, Ar가스의 유량을 100SCCM으로 하여 몰리브덴 및 구리를 동시에 30분 동안 스퍼터링하여 버퍼층을 형성하였다. 이 때, 몰리브덴 타겟과 구리타겟을 동시에 셔터를 열고 스퍼터링할 수 있도록 한 후 철계심재가 장착된 기판을 한번은 몰리브덴타겟, 한번은 구리타겟 쪽으로 왔다 갔다 왕복운동(구간반복운동)시켜 몰리브덴과 구리가 회전한 수만큼 각각의 층이 형성되도록 하여 즉 미세한 두께의 몰리브덴으로 형성된 제1버퍼층과 구리로 형성된 제2버퍼층이 교대로 다수개 형성되도록 함으로써, 다층막(Mo/Cu/Mo.....Mo/Cu/Mo)으로 이루어진 버퍼층을 형성하였다. 그 후 버퍼층 상에 구리를 DC 5kW로 2시간 동안 스퍼터링함으로써, 상기 철계심재에 구리를 코팅하여 비교예철계부스바 3(COB-12; 12번)을 얻었다.
실험예 1
실시예1 및 2에서 얻어진 철계부스바1 및 2와 비교예1 내지 3에서 얻어진 비교예부스바1 내지 3을 SEM으로 단면 이미지를 관찰하여 코팅된 전체층 두께를 측정하고, 단면이미지를 도 1a 내지 도 1e에 각각 나타내었다.
도 1a로부터 본 발명의 철계부스바1은 구리코팅층 전체두께가 11.6㎛임을 알 수 있으며, 도 1b는 본 발명의 철계부스바2의 구리코팅층 전체두께가 19.7㎛임을 보여준다. 한편, 도1c 내지 도1e로부터 비교예철계부스바 1 내지 3의 코팅층 두께가 각각 3.53㎛, 3.86㎛ 및 8.27㎛임을 알 수 있다.
실험예 2
시중에 판매되고 있는 알루미늄에 구리가 피복된 시편과 더불어 코팅처리되지 않은 일반철 시편과 구리 시편 및 실시예1에서 얻어진 철계부스바1을 준비한 뒤, 상기 모든 재료들에 대하여 열부하 테스트를 실시하였다. 이 때, 열부하 테스트는 열부하 테스터기를 이용하였고, 상기 테스터기에 단면적 2x15SQ(30)인 각 시편을 연결한 뒤, 약 100A의 전류를 흘려주었다. 이후, 시편에 대하여 시간에 따른 온도의 변화를 측정하는 것으로 이루어졌으며, 그 결과는 도 2에 나타내었다.
도 2와 같이, 구리 시편(구리)은 26.5℃, 구리가 피복된 알루미늄 시편(알루미늄+구리피복)은 29.3℃로 나타났으며, 본 발명의 실시예1에서 제조된 철계부스바1(철+구리 코팅)은 39.6℃임을 알 수 있다. 통상적으로 부스바의 열부하가 40℃를 넘게 되면 사용이 곤란하다는 점을 고려할 때, 본 발명의 부스바는 다양한 분야에 바람직하게 적용될 수 있음을 알 수 있다. 한편, 구리가 코팅되지 않은 일반철 시편(철)은 48.4℃ 수준으로 부스바로서의 사용이 곤란하다는 것을 알 수 있다.
실험예 3
순철 및 순동, 실시예1 및 실시예2에서 얻어진 철계부스바1(13번) 및 철계부스바2(14번)를 대상으로 단면적은 2x15SQ(30)이고 전류는 100A 또는 80A인 조건하에서 열부하테스트를 실험예2와 동일하게 실시하고 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3으로부터, 실제 부스바 사용조건에 가까운 80A 전류하에서의 실험결과는 철계부스바 1 및 2가 모두 35℃ 이하의 온도를 나타내는 것을 알 수 있을 뿐만 아니라 보다 가혹한 조건인 100A 실험결과에서도 40℃에 근접하는 온도를 보여주는 것을 알 수 있다. 특히, 철계 부스바2는 80A 전류하에서는 31.1℃ 라는 가장 낮은 온도를 보여줄 뿐만 아니라 100A 전류하에서도 36.7℃를 나타내는 것을 알 수 있으므로, 본 발명과 같이 철계심재 위에 구리층을 일정두께 즉 10 ㎛ 이상으로 코팅하게 되면 구리부스바에 준하는 성능을 갖는 스피드바를 제조할 수 있는 것을 예측할 수 있다.
실험예 4
철계부스바1(13번), 철계부스바2(14번), 비교예 철계부스바1(10번), 비교예 철계부스바2(11번), 비교예 철계부스바3(12번)을 대상으로 실험예2와 동일한 조건으로 열부하테스트를 수행하고 각 시편에 대한 온도변화추이곡선을 도 4에 나타내었다.
도 4로부터, 철계심재에 코팅된 구리층의 두께가 10㎛ 보다 작게 되면 비교예철계심재2 및 3과 같이 철계심재/버퍼층/구리층 구조를 갖더라도 실제 사용되기에 적합하지 않은 온도를 갖는 것을 알 수 있다.
즉, 비교예철계심재1(10번)과 비교예철계심재2(11번)을 대비해 보면 비교예철계심재1(10번)은 구리층의 코팅두께가 3.53㎛이고, 비교예철계심재2(11번)는 전체두께가 3.86㎛로서 버퍼층(Mo) 0.81㎛와 구리층 3.15㎛로 이루어진 것을 알 수 있는데, 실제 구리층의 두께는 10번이 더 두껍지만 전체두께는 0.33㎛ 더 두껍고 버퍼층(Mo)이 형성된 구조로 인해 열부하테스트 결과는 11번이 10번보다 약 4℃ 정도 더 낮은 것을 알 수 있기 때문이다. 이러한 실험결과는 버퍼층이 열부하를 낮추는데 효과가 있을 수도 있음을 예측하게 한다.
또한, 비교예철계심재2(11번)과 비교예철계심재3(12번)을 대비해 보면 비교예철계심재3(12번)은 전체두께가 8.27㎛로서 버퍼층(Mo/Cu 다층구조) 1.37㎛와 구리층 6.86㎛로 이루어진 것을 알 수 있어 11번과 12번은 모두 버퍼층이 형성된 구조이지만 실제 구리층의 두께가 11번보다 12번이 2배 이상 두꺼운 구조 및 후술하는 실험예에서 알 수 있듯이 11번과는 달리 미세한 두께의 다층막으로 이루어진 버퍼층으로 인해 열부하테스트 결과가 12번이 11번보다 약 9℃ 정도 더 낮을 뿐만 아니라 13번과 비교하여 큰 차이를 나타내지 않는 것을 알 수 있다.
실험예 5
철계심재 상에 코팅되는 구리층의 두께에 따른 온도변화를 관찰하는 열부하테스트를 수행하고 코팅두께에 따른 온도변화 결과 그래프를 도 5에 나타내었다.
도 5에 도시된 바와 같이 철계심재 상에 코팅되는 구리층의 두께가 10㎛이상이 되어야 열부하테스트 결과 온도가 40℃미만이 되는 것을 알 수 있다.
이러한 실험결과들은 철계심재 상에 코팅되는 코팅층의 두께가 본 발명과 같이 일정두께 즉 10㎛ 이상이 되어야 함을 보여준다.
실험예 6
비교예3에서 얻어진 비교예 철계부스바3(12번)의 단면을 TEM으로 관찰하고 관찰된 단면의 일부 TEM이미지를 도 6에 도시하였다.
도 6으로부터, 비교예 철계부스바3(12번)에 형성된 버퍼층이 미세한 두께를 가진 층이 다수개 증착되어 형성된 다층막 구조임을 알 수 있다. 특히 상술된 바와 같이 비교예 철계부스바3(12번)에 형성된 버퍼층은 2개의 서로 다른 물질 즉 몰리브덴과 구리로 미세한 두께의 층을 번갈아 형성하였는데, 도 6은 몰리브덴과 구리가 형성한 층이 명확하게 구분되는 것을 보여준다.
한편, 비교예철계심재3(12번)은 전체두께가 8.27㎛로서 버퍼층(Mo/Cu) 1.37㎛와 구리층 6.86㎛로 이루어지고, 철계부스바1(13번)은 구리층 11.60㎛로 이루어진 것을 알 수 있어 12번과 13번의 구리층 두께만을 비교하면 13번이 12번에 비해 약80% 정도 더 두껍고, 전체두께로는 13번이 12번에 비해 약40% 더 두껍다.
하지만 열부하테스트 온도는 2℃ 이내로 밖에 차이가 나지 않는 것을 알 수 있는데, 이 결과로부터 12번이 다층막으로 된 버퍼층을 포함함으로써 열부하를 낮추는 효과가 있음을 예측할 수 있다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (17)

  1. 철함유소재로 구성된 철계심재; 및
    상기 철계심재 표면에 10~30㎛ 두께로 형성된 구리층;을 포함하는 철계 부스바.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 철함유소재는 순철, 탄소강, 스테인레스강, Fe-Al계 합금 및 Fe-Cu계 합금으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 철계 부스바.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 철계심재와 구리층 사이에 형성된 버퍼층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 부스바.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 버퍼층은 상기 철계심재 표면으로부터 1㎛이하의 두께를 갖도록 형성되고 상기 철계심재와 닿는 계면에서 철이 92.4 내지 100 중량% 포함되는 제1버퍼층; 및 상기 제1버퍼층과 상기 구리층 사이에 1㎛이하의 두께를 갖도록 형성되고 상기 구리층과 닿는 계면에서 구리가 95.9~100 중량% 포함되는 제2버퍼층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 부스바.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 버퍼층은 상기 제1버퍼층과 상기 제2버퍼층이 교대로 2회 이상 반복하여 형성된 구조인 것을 특징으로 하는 철계 부스바.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구리층 표면에 1㎛ 이하의 두께로 형성된 부식방지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 부스바.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 부식방지층은 Sn, Cr, Zr, Ag, Cu로 구성된 그룹에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 부스바.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 부식방지층은 상기 구리층과 닿는 계면에서 Sn, Cr, Zr, Ag 중 어느 하나를 0 ~ 15.9 중량% 및 Cu를 84.2 ~ 100 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 부스바.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 부식방지층 표면에 1㎛ 이하의 두께를 갖고 Ag 또는 Ti 중 하나 이상을 포함하도록 형성된 최상층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 부스바.
  10. 철계 심재를 준비하는 단계; 및
    상기 철계 심재 표면에 10~30㎛ 두께의 구리층을 형성하는 구리층 코팅단계;를 포함하는 철계 부스바 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 구리층 코팅단계는 스퍼터링(sputtering)으로 수행되는 것을 특징으로 하는 철계 부스바 제조방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 스퍼터링을 수행하는 동안 또는 상기 스퍼터링이 수행된 다음 200 내지 300℃를 유지하는 열처리 단계를 더 수행하는 것을 특징으로 하는 철계 부스바 제조방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 구리층 코팅단계를 수행하기 전에 상기 철계심재를 플라즈마로 클리닝하는 단계가 더 수행되는 것을 특징으로 하는 철계 부스바 제조방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 구리층 코팅단계를 수행하기 전에 상기 철계심재 표면에 버퍼층을 형성하는 버퍼층 코팅단계가 더 수행되는 것을 특징으로 하는 철계 부스바 제조방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 버퍼층 코팅단계는 2개의 타겟을 이용하여 순차적으로 동시 증착하는 스퍼터링으로 수행되는데, 철 타겟에 전원을 인가한 후 시차를 두고 구리 타겟에 전원을 인가하여 제1버퍼층이 상기 철계심재 표면으로부터 1㎛이하의 두께를 갖고 상기 철계심재와 닿는 계면에서 철이 92.4 내지 100 중량% 포함되도록 형성되며, 제2버퍼층이 상기 제1버퍼층 표면으로부터 1㎛이하의 두께를 갖고 구리층과 닿는 계면에서 구리가 95.9~100 중량% 포함되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 철계 부스바 제조방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 구리층 표면에 1㎛ 이하의 두께로 부식방지층을 더 형성하는 부식방지층코팅단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 부스바 제조방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 부식방지층 표면에 1㎛ 이하의 두께를 갖고 Ag 또는 Ti 중 하나 이상을 포함하는 최상층을 더 형성하는 최상층코팅단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 철계 부스바 제조방법.
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