KR101999949B1 - Low surface resistance of composite based wire and the method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 복합소재기반의 표면 저항이 낮은 기능성 전선 및 그 제조방법으로, 종래의 금속 기반의 전선을 대체할 수 있게 하는 발명이다.The present invention relates to a low-surface-resistance functional wire based on a composite material and a method for manufacturing the same, which can replace a conventional metal-based wire.
특히, 탄소나노튜브를 폴리머에 균일하게 다량 혼합하는 기술을 활용하여 전선역할을 할 수 있는 저(低) 저항을 구현하고, 전선역할을 할 수 있는 연성을 가질 수 있도록 복합소재 조성물을 구성하는 방법과 이를 펠렛(pellet) 형태로 제조하는 기술이다.Particularly, a method of constructing a composite material composition so as to realize a low resistance that can serve as a wire by utilizing a technique of uniformly mixing a carbon nanotube with a polymer in a large amount and having ductility to function as a wire And a pellet.
또한, 제조된 펠렛 상태의 복합소재를 전선형태로 제조하는데 있어서 코어에 전도성 섬유나 금속 등을 사용하여 전도성을 보완하고, 전선의 길이에 따른 급격한 저항 증가를 방지하게 하며, 특히 전기 인입선과 복합소재 연결부위의 구조적 안정성을 확보하기 위한 전선구조 개발기술이 포함된 발명이다.Also, in manufacturing the pelletized composite material in the form of a wire, the core is supplemented with conductive fiber or metal to prevent the increase in resistance depending on the length of the wire, and in particular, It is an invention that includes a wire structure development technique to secure the structural stability of the connection site.
이 기술은 복합소재를 기반으로 하여 기존 전선소재인 금속의 문제점인 중량의 경량화에 주된 목적이 있으며 금속의 단점인 내화학성을 확보하는 것이다. 이를 위하여 코어부위에 최소량의 금속선을 인입하여 복합소재 전선의 길이별 표면 저항 차이를 최소화 하게하고 아울러 전도성을 보완하였고 연결부위의 안정성도 확보하게 하는 발명이다.This technology is based on composite materials and has the main purpose of weight reduction, which is a problem of metal which is a conventional wire material, and securing chemical resistance which is a disadvantage of metal. To this end, a minimum amount of metal wire is drawn into the core region to minimize the difference in the surface resistance of the composite wire with respect to the length thereof, as well as to improve the conductivity and ensure the stability of the connection portion.
본 발명은 파이 2미리 이내의 전선형태를 가지면서 구리전선에 비하여 획기적인 경량화 수준인 20% 이내의 무게를 가지고, 전선 길이변화에도 저항이 변화하지 않으며 저항 10Ω/sq 이내의 높은 전기적 성질과 고내부식성을 가지는 복합소재기반의 전선개발에 관한 것이다.The present invention has a wire shape within a pie of 2 mm and has a weight less than 20% which is an epoch-making weight reduction level compared to a copper wire. The resistance does not change even when the wire length changes, and has a high electrical property within 10? / Sq To the development of composite-based wires.
이는 전류밀도가 구리보다 100배 이상 높은 물질로 알려진 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube)의 특성을 활용하여 구리, 알루미늄 등 기존 금속전선소재를 대체할 수 있는 특수한 목적의 경량화 된 고분자금속하이브리드 전선소재의 제조방법과 고분자 하이브리드전선을 만드는 방법을 발명하고자하는 것이다.By using the characteristics of carbon nanotubes (CNTs), which are known to be more than 100 times higher in current density than copper, they can be used as special purpose lightweight polymer metal hybrid wires that can replace existing metal wire materials such as copper and aluminum And a method of producing a polymer hybrid wire.
즉, 탄소나노튜브를 폴리머(polymer)를 혼합하여 기존 전선(예를 들면, 구리) 대비 20% 이내의 중량 비중을 갖고, 10Ω/sq 이하의 저항을 가지며 전선 형태로 연속 생산 할 수 있는 복합소재의 제조방법 및 복합소재를 기반으로 하고 금속선 또는 전도성 섬유를 코어로 하는 전선을 제조하는 방법에 관한 것이다.That is, a composite material having a specific gravity within 20% of a conventional wire (for example, copper) mixed with a carbon nanotube polymer and having a resistance of 10? / Sq or less and being continuously produced in the form of a wire And a method for manufacturing a wire based on a composite material and using a metal wire or a conductive fiber as a core.
구체적으로는 반데르발스 힘에 의하여 뭉쳐져 있는 탄소나노튜브를 고분자에 고르게 혼입 되게 하기 위하여 고분자와 혼합하기 전에 특수한 분산방법으로 탄소나노튜브를 선행분산을 시행한다.Specifically, in order to uniformly incorporate the carbon nanotube aggregated by the van der Waals force into the polymer, the carbon nanotubes are pre-dispersed by a special dispersion method before mixing with the polymer.
그다음에 분산된 탄소나노튜브를 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 저밀도 폴리에틸렌(low-density polyethylene), 선형 저밀도 폴리에틸렌(linear low-density polyethylene), 고밀도 폴리에틸렌(high-density polyethylene) 등의 고분자 수지를 혼합 방법에 의하여 함께 혼입하고, 믹스한다.Then, the carbon nanotubes dispersed are dispersed in a polymer such as polypropylene, polyethylene, low-density polyethylene, linear low-density polyethylene, and high-density polyethylene The resins are mixed together by a mixing method and mixed.
이후, 200℃ 이상의 실린더온도와 2축 스크루가 장착된 압출장치로 스트랜드(strand) 상태로 압출하고 펠릿형태로 컷팅(cutting) 하는 공정을 거치면, 탄소나노튜브가 함유된 저 저항 성질을 가지면서 연성을 보유한 전선용 복합소재가 제조되는 것으로 만드는 법 선정과 공정기술이 포함된 발명이다.Thereafter, by extruding in a strand state with a cylinder temperature of 200 ° C or higher and an extruder equipped with a twin screw, and cutting into a pellet shape, a carbon nanotube- Which is an invention that includes selection of a process for manufacturing a composite material for a wire and a process technology.
또한, 제조된 펠렛 상태의 전선용 복합소재를 주재료로 하여 코어에 금속선을 인입하는 구성체로 설계배치하고, 그 표면을 절연체로 코팅하는 공정을 발명하여 기능성과 안정성을 확보한 복합소재 전선을 연속 제조하는 방법에 관한 발명이다.In addition, by designing and arranging the produced pelletized composite material for wire as the main material and inserting the metal wire into the core, and by coating the surface with an insulator, composite material wires having secured functionality and stability are continuously manufactured Of the invention.
전선(電線)은 전류가 흐르도록 하는 도체로 쓰이는 선으로, 전력 또는 전기 신호를 보내기 위해 사용된다.An electric wire is a conductor used to conduct current, and is used to send electric or electric signals.
일반적으로 전선은 절연을 위해 피복에 싸여져 있으며, 내부 구조에 따라 단선과 연선 등으로 나뉘며, 용도에 따라 피복 없이 도체가 노출된 전선으로 사용되기도 한다.Generally, wires are wrapped in insulation for insulation, and they are divided into single wire and twisted wire depending on the internal structure.
전선에 사용되는 재료는 대부분이 구리이며, 간혹 알루미늄이 사용된다.Most of the materials used for wires are copper and aluminum is sometimes used.
드물지만, 고가의 기기나 실험장비 등에는 은이 사용되며, 특수한 목적에 사용되기 위해 금이 사용되기도 한다.In rare cases, silver is used in expensive appliances or experimental equipment, and gold is used for special purposes.
즉, 전선은 표면 저항이 낮은 금속 도체를 기반으로 하며 피복절연을 위하여 고무, PVC, 폴리에틸렌 등 고분자를 사용하여 생활에 많이 활용되고 있다.That is, the electric wire is based on a metal conductor having a low surface resistance, and is widely used in life by using a polymer such as rubber, PVC, polyethylene for covering insulation.
또한, 전선에 사용되는 도체의 종류에 따라 전선의 무게가 달라진다.Also, the weight of the wire varies depending on the type of conductor used for the wire.
한편, 각 분야에서 부품소재의 표면 저항이 낮으면서 경량화가 가능한 복합소재를 개발하기 위해 고분자와 탄소 소재를 혼합한 복합소재에 관한 다양한 연구가 진행되고 있다.On the other hand, in order to develop a composite material which can be lightened while having low surface resistance of component materials in various fields, various researches are being conducted on a composite material containing a mixture of a polymer and a carbon material.
탄소 소재 중에서도 탄소나노튜브는 탄소 6개가 육각형을 이루고 있고, sp2 혼성을 가지면서 코어가 비어있는 관이 수십 개가 겹쳐진 원통 모양으로 되어있으며 그 외경이 나노크기인 물질이다.Of the carbon materials, carbon nanotubes are hexagonal carbon six, and span hybrid tubes with a hollow core with dozens of overlapping cylinders and nanoscale outer diameters.
특히, 탄소나노튜브는 내부구조 형태에 따라 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube), 이중벽 탄소나노튜브(double-walled carbon nanotube), 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube)로 구분된다.In particular, carbon nanotubes are classified into single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes, and multi-walled carbon nanotubes according to their internal structure. do.
또한, 탄소나노튜브는 강철의 1,000배에 달하는 강도와, 구리보다 100배 뛰어난 전기밀도를 지니고 있으며, 다이아몬드보다도 우수한 열전도성질을 보유하고 있는 물질이다.In addition, carbon nanotubes have a strength of 1,000 times that of steel, an
따라서 전기적이나 기계적 물성이 뛰어나 다양한 기능성물질의 개발을 위한 첨가제로 응용되고 있으며, 적용기능으로는 정전기 방지, 전자파 차폐, 레이더파 흡수, 차음, 방음, 방열 등에 적용이 되고 있으며, 전기전자 반도체 분야, 자동차 분야, 항공기 분야, 스포츠용품 분야 및 군사 분야 ,생활가전, 에너지 등 다양한 분야에 쓰이고 있는 특별한 소재이다.Therefore, it has been applied as an additive for the development of various functional materials with excellent electrical and mechanical properties. It is applied to static electricity, electromagnetic wave shielding, radar wave absorption, sound insulation, sound insulation, It is a special material used in various fields such as automobile field, aircraft field, sporting goods field, military field, household appliance, energy.
특히 탄소나노튜브의 전류밀도가 구리의 100배 이상이라는 것은, 구리보다 표면적이 100배작은 크기의 탄소나노튜브만으로도 전류를 흘러 보낼 수 있는 총량은 구리와 동일하다는 것을 의미한다.In particular, the current density of carbon nanotubes is more than 100 times that of copper, which means that the total amount of current that can be flowed through the carbon nanotubes having a
즉, 순수한 탄소나노튜브로 전선 형태로 제조가 가능하다면, 기존의 구리 전선 대비 1/100 굵기로 구리 전선의 효과를 발휘할 수 있고, 이를 활용한 응용 제품을 기대할 수 있다.In other words, if it is possible to fabricate a pure carbon nanotube into a wire form, it can exhibit the effect of copper wire with a thickness of 1/100 compared to a conventional copper wire, and application products utilizing the wire can be expected.
본 발명의 배경기술로는, 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0139003호(이하, 문헌 1), 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0066347호(이하, 문헌 2), 대한민국 등록특허공보 제10-1666884호(이하, 문헌 3) 및 일본 특허공보 특허 제6324128호(이하, 문헌 4)가 있다.Background Art [0002] As a background art of the present invention, there are disclosed Korean Patent Publication No. 10-2013-0139003 (hereinafter referred to as Document 1), Korean Patent Publication No. 10-2018-0066347 (hereinafter referred to as Document 2) -1666884 (hereinafter referred to as Document 3) and Japanese Patent Publication No. 6324128 (hereinafter referred to as Document 4).
문헌 1은 그래핀 및 탄소나노튜브의 혼합 탄소나노입자가 도입된 선형 저밀도 폴리에틸렌 복합체와 그 제조방법으로 그래핀, 탄소나노튜브가 혼합된 탄소나노입자를 선형 저밀도 폴리에틸렌 고분자에 용융 혼합한 복합체이다.
문헌 1의 복합체는 탄소나노튜브와 선형 저밀도 폴리에틸렌이 혼합된 복합체의 전기저항이 106Ω·㎝로 정전기를 방지하거나, 전자파를 차폐하는 기능만 있을 뿐, 전선으로 활용되기에는 높은 전기저항 값을 갖는다.The composite of
전기저항을 낮추기 위해 고함량의 탄소나노튜브를 혼입하여 저저항의 전선형태로 제조하는 방법은 특별한 기술개발이 요구된다.A method of manufacturing a low resistance wire by incorporating a high amount of carbon nanotubes in order to lower the electric resistance requires special technology development.
문헌 2는 탄소나노튜브를 갖는 실리콘 복합소재, 탄소나노튜브를 활용한 무금속 실리콘 복합소재의 제조방법으로 탄소나노튜브와 실리콘 오일을 혼합하여 전기저항이 1Ω/sq 이하인 복합소재이다.
문헌 2의 복합소재는 탄소나노튜브를 분산하여도 실리콘과 결합되지 않아 탄소나노튜브와 실리콘 오일을 히팅 교반 후에 분산 방식을 활용하나, 이는 습식 방식으로 다시 건조 공정이 필요한 문제가 있다.In the composite material of
더욱이, 이는 전선소재로서 활용이 가능하지 않는 조성물의 제조 방법이다.Moreover, it is a method for producing a composition which is not usable as a wire material.
문헌 3은 전자파차폐성이 우수하고 표면전기저항이 1Ω/sq 이하인 무금속 탄소나노튜브 복합소재의 제조방법 및 이에 의해 제조된 탄소나노튜브 복합소재, 이를 이용해 제조된 제품으로 열가소성 엘라스토머에 탄소나노튜브가 분산된 복합소재이다.
문헌 3의 복합소재는 아크릴계 음이온수지 분산액을 탄소나노튜브에 분무하여 탄소나노튜브의 분산성을 향상시키고 있으나, 이 방식은 증류수가 포함된 습식 분산 방식으로 수분을 제거하는 단계가 소요된다.The composite material of
또한, 이는 전선소재로서 활용이 될 수 없다.In addition, this can not be utilized as a wire material.
문헌 4는 선재, 이를 이용한 피복 전선 및 자동차용 와이어 하네스 선재의 제조방법으로 알루미늄과 탄소나노튜브를 혼합한 복합소재이다.
문헌 4의 복합소재는 알루미늄 분말과 산 처리 된 탄소나노튜브를 분산하여 혼합한 것으로 에탄올을 이용하여 분산된 탄소나노튜브는 첨가량이 일정량 증가하게 되면, 탄소나노튜브가 응집되면서 특성이 감소하는 문제가 있다.The composite material of
이에 비해 본 발명은 금속분말을 전혀 혼합되지 않는 것으로 고분자와 탄소나노튜브가 믹스되어 전도성 복합소재를 형성하고 있으며, 전선형태로 제조하는 공정에서도 알루미늄 분말이 아닌 금속선을 코어로 하는 형태의 전선을 제조하는 것이다.In contrast, the present invention does not mix metal powders at all and mixes polymer and carbon nanotubes to form a conductive composite material. In the process of manufacturing a wire, it is also possible to manufacture a wire having a metal wire as a core .
<배경기술 문헌>Background Art [0002]
(문헌 1) 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0139003호(Document 1) Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2013-0139003
(문헌 2) 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0066347호(Document 2) Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2018-0066347
(문헌 3) 대한민국 등록특허공보 제10-1666884호(Document 3) Korean Patent Registration No. 10-1666884
(문헌 4) 일본 특허공보 특허 제6324128호(Document 4) Japanese Patent Publication No. 6324128
본 발명은 상기 배경기술의 문제점을 해결하고, 인류의 문화와 기술이 진보하면서 세계가 1일 생활권에 들어갔으며, 기기와 기기 또는 전원인입선과 연결되는 다른 전원 연결 장치 등 모든 에너지의 공급에는 전선이 사용이 되고, 이의 소재는 금속으로 이루어져 있다.The present invention solves the problems of the background art, advances the human culture and technology, and the world enters the living zone for one day. The supply of all energy, such as equipment and other devices connected to the power line, The material is made of metal.
따라서 이를 무게와 내화학성이 뛰어난 복합소재로 대체하고자 하는 요구가 증가하고 있으며 특히 수송기계분야와 생산이나 생활의 편리를 가져주는 로봇 등의 역할이 계속 증가되고 있어 이를 해결하는 것을 목적으로 한다.Therefore, there is an increasing demand to replace it with a composite material having excellent weight and chemical resistance. In particular, the role of robots that provide convenience in production and living is continuously increasing.
나아가, 본 발명은 기존 구리 전선 대비 80%로 중량을 감소를 할 수 있는 초경량 전선으로 일반적으로 사용하는 전선보다 가벼우면서도 전선의 성질을 가지는 복합소재와 이를 이용하여 전선을 제공하는 것을 목적으로 한다.Further, the present invention aims to provide a composite material which is lighter in weight than an ordinary wire and can be reduced in weight by 80% compared to conventional copper wires, but has properties of electric wire and a wire using the composite material.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 전선용 복합소재는 분산 처리된 탄소나노튜브 10~30중량% 및 고분자 70~90중량%가 혼합 압출되고, 고분자는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌 중 어느 하나 이상이 포함되며, 표면 저항이 10Ω/sq 이하인 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the composite material for electric wire of the present invention is produced by mixing 10 to 30% by weight of dispersed carbon nanotubes and 70 to 90% by weight of polymer, and the polymer is polypropylene, polyethylene, low density polyethylene, Low-density polyethylene, and high-density polyethylene, and has a surface resistance of 10? / Sq or less.
본 발명에서 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브 또는 단일벽 탄소나노튜브를 사용하는 것을 특징으로 한다.The carbon nanotubes of the present invention are characterized by using multi-walled carbon nanotubes or single-walled carbon nanotubes.
본 발명의 전선용 복합소재의 제조방법은 탄소나노튜브를 전선 용도에 맞도록 분산하는 단계(S110); 분산 처리된 탄소나노튜브 10~30중량% 및 고분자 70~90중량%가 혼합하고 압출되어 전선용 복합소재가 제조되며 펠렛 사이징 되는 단계(S120);를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing a composite material for a wire according to the present invention comprises the steps of: (S110) dispersing carbon nanotubes in accordance with the application of a wire; 10 to 30% by weight of dispersed carbon nanotubes and 70 to 90% by weight of a polymer are mixed and extruded to produce a composite material for a wire and pelletize (S120).
전선용 복합소재가 제조되며 펠렛 사이징 되는 단계(S120)는 압출기를 이용하여 150~300℃에서 혼합 및 압출되는 것을 특징으로 한다.The composite material for wire is manufactured and the pellet sizing step (S120) is characterized in that it is mixed and extruded at 150 to 300 DEG C by using an extruder.
또 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 전선은 중심층과, 중심층을 피복하는 외층을 포함하고, 중심층은 전도성 섬유, 금속선을 그대로 또는 합금, 도금되는 것을 리드선으로 사용하며, 외층은 분산 처리된 탄소나노튜브 10~30중량% 및 고분자 70~90중량%가 혼합 압출된 복합소재를 포함하고, 고분자는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌 중 어느 하나 이상이 포함되며, 표면 저항이 10Ω/sq 이하인 것을 특징으로 한다.In order to accomplish still another object, the electric wire of the present invention includes a core layer and an outer layer covering the core layer, wherein the core layer is made of conductive fiber, metal wire or alloy, Wherein the polymer includes at least one of polypropylene, polyethylene, low density polyethylene, linear low density polyethylene, and high density polyethylene, and the composite material is a composite material in which 10 to 30 wt% of the carbon nanotubes and 70 to 90 wt% And a surface resistance of 10? / Sq or less.
본 발명의 전선의 제조방법은 탄소나노튜브를 전선 용도에 맞도록 분산하는 단계(S110); 분산 처리된 탄소나노튜브 10~30중량% 및 고분자 70~90중량%가 혼합하고 압출되어 전선용 복합소재가 제조되며 펠렛 사이징 되는 단계(S120); 전도성 섬유 또는 금속선을 리드선으로 활용하며, 그 선을 중심으로 한 복합소재 전선이 제조되는 단계(S130)를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method of manufacturing an electric wire according to the present invention includes the steps of: (S110) dispersing carbon nanotubes in accordance with a wire application; 10 to 30% by weight of dispersed carbon nanotubes and 70 to 90% by weight of a polymer are mixed and extruded to produce a composite material for a wire and pelletize (S 120); And a step (S130) of fabricating a composite material wire using the conductive fiber or metal wire as a lead wire and centering the wire.
본 발명은 제조된 전선을 절연물질로 도포하여 절연 복합소재 전선이 제조되는 단계(S140)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention further includes a step (S140) of fabricating an insulated composite wire by coating the produced wire with an insulating material.
본 발명에서 전도성 섬유는 탄소 섬유, 활성탄 섬유, 아라미드(aramid) 섬유 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the conductive fiber is characterized by being at least one of carbon fiber, activated carbon fiber, and aramid fiber.
본 발명에서 금속선은 구리, 알루미늄, 니켈, 주석, 은, 금, 아연, 철, 납 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.The metal wire in the present invention is characterized by being at least one of copper, aluminum, nickel, tin, silver, gold, zinc, iron and lead.
본 발명의 복합소재로 제조된 전선은 균일한 밀도, 전도성을 가지고 있어 전선으로의 역할뿐만 아니라 자동차, 기차, 선박, 비행기, 로봇 등에 사용되는 모터에 권선으로 적용 할 수 있으며, 구리의 20% 수준의 무게로 경량화로 인한 연비개선, 환경문제, 원가절감, 구동시간 연장 등의 다양한 효과를 가지는 제품을 제공하는 효과가 있다.The wire made of the composite material of the present invention has a uniform density and conductivity and can be applied as a winding to motors used for automobiles, trains, ships, airplanes, robots, etc., It is possible to provide a product having various effects such as improvement in fuel economy due to weight reduction, environmental problem, cost reduction, and prolongation of driving time.
나아가, 본 발명의 복합소재로 제조된 전선은 수송기계 외에도 생활가전 등 여러 용도의 전선으로 활용이 가능한 효과가 있다.Further, the wire made of the composite material of the present invention has an effect that it can be utilized as a wire for various purposes such as home appliances in addition to a transportation machine.
더 나아가, 본 발명은 구리나 금속을 대체할 수 있는 첨단고기능 고분자복합소재로서 다양한 방면에서 다양한 형태로의 응용 및 활용이 가능한 효과가 있다.Furthermore, the present invention is a high-tech, high-performance polymer composite material capable of replacing copper or metal, and has application and application in various forms in various forms.
도 1은 본 발명에 따른 복합소재기반의 표면 저항이 낮은 기능성 전선용 복합소재 및 전선, 절연 복합소재 전선의 제조방법 흐름도이다.
도 2는 분산 전, 후의 탄소나노튜브 구조와 이미지를 간략화 하여 나타낸 것이다.
도 3은 분산 된 탄소나노튜브이다.
도 4는 전선용 복합소재가 펠렛 형태로 제조된 것이다.
도 5는 전선용 복합소재를 이용한 전선의 단면 모식도이다.
도 6은 전선으로 제조되는 모식도이다.
도 7은 전선으로 제조되어 보빈에 감겨진 사진이다.
도 8은 본 발명에 따른 전선용 복합소재를 이용한 전선이다.
도 9는 탄소나노튜브 분산 전, 후의 전기전도성을 비교한 그래프이다.
도 10은 탄소나노튜브 분산 전, 후의 고분자에 혼합되는 함량을 비교한 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 전선용 복합소재를 사출 시편으로 제조된 것이다.
도 12는 저항 측정기이다.
도 13은 금속 전선, 복합소재 전선, 금속코어 복합소재 전선의 거리에 따른 저항을 비교한 그래프이다.
도 14는 본 발명에 따른 전선용 복합소재를 이용한 전선의 효율을 육안으로 확인한 결과이다.FIG. 1 is a flowchart of a composite material for a low-surface-resistance functional wire based on a composite material according to the present invention, and a method for manufacturing a wire and an insulated composite wire.
FIG. 2 shows the carbon nanotube structure and image before and after dispersion in a simplified manner.
FIG. 3 shows dispersed carbon nanotubes.
Fig. 4 shows a composite material for a wire produced in the form of pellets.
5 is a schematic cross-sectional view of a wire using a composite material for a wire.
Fig. 6 is a schematic diagram of a wire made from the wire.
Figure 7 is a photograph of a wire wound on a bobbin.
8 is a wire using a composite material for a wire according to the present invention.
9 is a graph comparing electrical conductivities before and after dispersion of carbon nanotubes.
FIG. 10 is a graph comparing contents of carbon nanotubes mixed before and after dispersion.
11 is a view showing a composite material for a wire according to the present invention produced from an injection specimen.
12 is a resistance meter.
13 is a graph comparing resistances of the metal wires, the composite wire, and the metal core composite wire according to distances.
FIG. 14 is a result of visually checking the efficiency of a wire using a composite material for a wire according to the present invention.
이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.
본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다.The objects, features and advantages of the present invention will be easily understood by the following embodiments.
본 발명은 여기에서 개시되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수 있다. 여기에서 개시되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 제공되는 것이고, 본 발명의 기술적 사상 및 기술적 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention is not limited to the embodiments disclosed herein, but may be embodied in other forms. It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description of the present invention are exemplary and explanatory and are intended to provide further explanation of the invention as claimed. , ≪ / RTI > equivalents, or alternatives.
따라서 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 되며, 본 발명의 기술적 사상 및 기술적 범위에 포함되는 모든 변환이 포함되는 것으로 이해되어야 한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.Therefore, it should be understood that the present invention should not be limited by the following embodiments, and all transformations included in the technical idea and technical scope of the present invention are included. That is, those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions, substitutions, substitutions, improvements, additions, substitutions, additions, substitutions, additions, substitutions, additions, It will be understood that it is also within the scope of the invention.
본 발명은 다양한 변환이 가해질 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명한다. 도면들에서 요소의 크기 또는 요소들 사이의 상대적인 크기는 본 발명에 대한 명확한 이해를 위해서 다소 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 도면들에 도시된 요소의 형상이 제조 공정상의 변이 등에 의해서 다소 변경될 수 있다.The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments are illustrated and described in the drawings. The sizes of the elements or the relative sizes between the elements in the figures may be exaggerated somewhat for a clear understanding of the invention. Further, the shape of the elements shown in the drawings may be somewhat modified by variations in the manufacturing process or the like.
따라서 본 명세서에서 개시된 실시예들은 특별한 언급이 없는 한 도면에 도시된 형상으로 한정되어서는 안 되며, 어느 정도의 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Accordingly, the embodiments disclosed herein should not be construed as limited to the shapes shown in the drawings unless specifically stated, and should be understood to include some modifications.
한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 즉, 본 발명의 다양한 양상들, 특징들, 실시예들 또는 구현예들은 단독으로 또는 다양한 조합들로 사용될 수 있다.On the contrary, the various embodiments of the present invention can be combined with any other embodiments as long as there is no clear counterpoint. Any feature that is specifically or advantageously indicated as being advantageous may be combined with any other feature or feature that is indicated as being preferred or advantageous. That is, various aspects, features, embodiments, or implementations of the invention may be used singly or in various combinations.
본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 청구범위에 의해서 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 하고, 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한 통상의 기술을 가진 사람에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.It is to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting as to the scope of the specification, and all technical and scientific terms used herein have the same meanings as commonly understood in the art Has the same meaning as is generally understood by a person with. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에서 전선용 복합소재의 제조방법은 탄소나노튜브를 전선 용도에 맞도록 분산하는 단계(S110); 및 분산 처리된 탄소나노튜브 10~30중량% 및 고분자 70~90중량%가 혼합하고 압출되어 전선용 복합소재가 제조되며 펠렛 사이징 되는 단계(S120)를 포함하여 전선용 복합소재를 제조할 수 있다.The method for manufacturing a composite material for a wire according to the present invention includes the steps of: (S110) dispersing carbon nanotubes in accordance with the application of a wire; And 10 to 30% by weight of the dispersed carbon nanotubes and 70 to 90% by weight of the polymer are mixed and extruded to produce a composite material for a wire and pelletize (S120), whereby a composite material for a wire can be manufactured .
탄소나노튜브를 전선 용도에 맞도록 분산하는 단계(S110)는 반데르발스 힘에 의하여 뭉쳐져 있는 탄소나노튜브를 고분자에 고르게 혼입하고 전선의 균일한 밀도를 유지하기 위해서 고분자와 혼합하기 전에 맞춤식으로 분산이 선행으로 수행되어야한다.The step (S110) of dispersing the carbon nanotubes according to the purpose of the wire (S110) is to disperse the carbon nanotubes aggregated by the van der Waals force into the polymer uniformly and disperse them customarily before mixing with the polymer This should be done with precedence.
탄소나노튜브는 일반 고분자의 30배가 되는 큰 비표면적을 가지고 있어서 고분자에 10중량% 이상 혼합하는 것이 어렵다.Carbon nanotubes have a large specific surface area which is 30 times larger than that of general polymers, and it is difficult to mix carbon nanotubes in an amount of 10% by weight or more.
탄소나노튜브를 분산하는 기술은 기계적 분산, 용매와 분산제를 이용한 분산, 강산을 활용한 액상분산 등이 있으며, 일반적으로 용매와 분산제를 이용한 분산 방식을 적용하게 되면 전도성 페이스트, 잉크 등 코팅과 인쇄 소재의 첨가물에 활용이 가능하다.Techniques for dispersing carbon nanotubes include mechanical dispersion, dispersion using a solvent and a dispersant, and liquid dispersion using a strong acid. Generally, when a dispersion method using a solvent and a dispersant is applied, coatings and printing materials It is possible to use it as an additive.
그러나 위의 액상 분산 방식은 전선과 같은 성형 재료의 첨가물로서 활용할 수가 없으며, 플리스틱화 하는 생산을 요구하는 방식에 적합하지 못하다.However, the above-mentioned liquid dispersion method can not be utilized as an additive for a molding material such as electric wire, and is not suitable for a method which requires flastic production.
본 발명에서는 전선용으로 기계적 분산 방식을 수행하였다.In the present invention, a mechanical dispersion system was used for electric wires.
기계적 분산 방식은 탄소나노튜브를 특정한 환경조성을 한 후에 고속회전으로 회전분산 시키면서 고압, 고속의 공기의 저항에 의해 분산이 이루어지게 하는 것이다.In the mechanical dispersion method, carbon nanotubes are dispersed by resistance of high pressure and high speed air while rotating and dispersing the carbon nanotubes at a high speed after forming a specific environment.
구체적으로 분산기 내부의 온도는 40~100도 이내로 유지하고. 분산기의 속도는 10,000~20,000rpm으로 고속회전을 시키며, 작동시간은 5~60분 이내 시간의 조건으로 기계적 분산을 수행한다.Specifically, the temperature inside the disperser is kept within 40 to 100 degrees. The speed of the dispersing machine is rotated at a high speed of 10,000 to 20,000 rpm and the mechanical dispersion is performed under the condition that the operating time is within 5 to 60 minutes.
위와 같은 조건에서 탄소나노튜브가 분산하면 탄소나노튜브의 손상 없이 분산 전 대비 100~10,000배의 전도성이 향상되고 균일한 품질을 유지할 수 있는 도 3과 같은 전선용 탄소나노튜브를 분산 할 수 있다.When the carbon nanotubes are dispersed under the above conditions, it is possible to disperse the carbon nanotubes as shown in FIG. 3, which improves the conductivity of the carbon nanotubes by 100 to 10,000 times compared to the dispersion and maintains uniform quality.
또한, 이와 같이 분산된 탄소나노튜브는 동일 점도에서 50% 이상의 추가적인 탄소나노튜브를 농축이 가능하여 고함량의 탄소나노튜브 복합소재를 제조할 수 있다.In addition, the carbon nanotubes thus dispersed can concentrate more than 50% of the additional carbon nanotubes at the same viscosity, so that a high content of the carbon nanotube composite material can be produced.
이 때, 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브 또는 단일벽 탄소나노튜브를 사용하며, 직경 30nm 이하의 크기에 직경 1 기준으로 종횡비가 1:1,500 이하를 사용할 수 있다.At this time, the multi-walled carbon nanotubes or the single-walled carbon nanotubes are used as the carbon nanotubes, and an aspect ratio of 1: 1,500 or less can be used for a diameter of 30 nm or less and a diameter of 1 basis.
바람직하게는 직경이 10~30nm이며, 직경 1 기준으로 종횡비가 1:500~1,500인 것을 사용할 수 있으나, 사용자가 원하는 특정 표면 저항에 따라 직경과 종횡비가 변경될 수 있다.Preferably, a diameter of 10 to 30 nm and an aspect ratio of 1: 500 to 1,500 can be used, but the diameter and the aspect ratio may be changed according to a specific surface resistance desired by the user.
분산 처리된 탄소나노튜브 10~30중량% 및 고분자 70~90중량%가 혼합하고 압출되어 전선용 복합소재가 제조되며 펠렛 사이징 되는 단계(S120)는 분산 처리된 탄소나노튜브와 고분자를 혼합기에 넣고 혼합물 제조를 수행한다.10 to 30% by weight of the dispersed carbon nanotubes and 70 to 90% by weight of the polymer are mixed and extruded to produce a composite material for electric wires and pellet sizing (S120). The dispersed carbon nanotubes and the polymer are put into a mixer The preparation of the mixture is carried out.
바람직하게는 분산 처리된 탄소나노튜브 15~25중량% 및 고분자 75~85중량%가 혼합될 수 있으며, 사용자가 원하는 전도성에 따라 분산 처리된 탄소나노튜브와 고분자의 함량을 변동하여 혼합할 수 있기에, 이에 한정되지 않는다.Preferably, 15 to 25 wt% of the dispersed carbon nanotubes and 75 to 85 wt% of the polymer may be mixed, and the content of the dispersed carbon nanotubes and the polymer may be mixed and varied according to the conductivity desired by the user , But is not limited thereto.
분산 처리된 탄소나노튜브가 저함량으로 혼합될 경우 저항이 높아 전선용으로 활용되기 어렵고, 탄소나노튜브가 과량으로 혼합될 경우는 고분자와의 혼합 상태가 균일하지 못하고 연성이 약해져서 전선용으로 사용할 수 없다.When dispersed carbon nanotubes are mixed at a low content, they are difficult to be used for electric wires because of high resistance. When carbon nanotubes are mixed excessively, mixing state with the polymer is not uniform, and ductility is weakened and can not be used for electric wires .
상기 고분자는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌 중 어느 하나 이상이 포함되며, 바람직하게는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌 중 어느 하나 이상이 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.The polymer may include at least one of polypropylene, polyethylene, linear low density polyethylene, low density polyethylene, and high density polyethylene, and preferably at least one of polypropylene, polyethylene, and linear low density polyethylene.
폴리프로필렌은 할로겐, 중금속 등의 물질이 포함되어 있지 않아 연소 시 유해물질 배출이 거의 없고, 재활용이 가능하다.Polypropylene does not contain substances such as halogen and heavy metals, so there is almost no emission of harmful substances when burning, and it is possible to recycle.
또한, 폴리프로필렌은 자동차 내장 및 엔진 주변부에 주로 사용되는 케이블로 일반적으로 100~125℃의 고열에서도 견디며, 밀도가 0.9~0.91g/cm3로 플라스틱 중에서 가장 가볍고, 기계적 강도가 크며, 내열성이 강한 장점이 있다.Further, the polypropylene can withstand even high temperatures of generally 100 ~ 125 ℃ the cable is mainly used for automobile interior and the engine periphery, the density is large in the light, the mechanical strength in a plastic 0.9 ~ 0.91g / cm 3, a strong heat-resistant There are advantages.
폴리에틸렌은 충격에 강하고, 내한성이 좋으며, 내수성이 뛰어나 수증기나 공기가 통하지 않고, 밀도가 0.91g/cm3로 선박, 로봇 등에 사용되는 모터의 권선으로 적용 가능한 효과가 있다.Polyethylene has the effect of being applicable to windings of motors used in ships, robots, etc., with a high impact resistance, good cold resistance, excellent water resistance, no steam or air, and density of 0.91 g / cm 3 .
선형 저밀도 폴리에틸렌은 기계적 강도와 투명성이 높고, 사출 성형 시에 밀도를 낮추어 유연성이 좋으며, 흐름성과 뒤틀림 현상이 최소화되어 밀도가 0.91g/cm3로 다양한 용도로 활용이 가능하다.Linear low density polyethylene has high mechanical strength and transparency, low density during injection molding, good flexibility, flowability and warping are minimized, and density is 0.91g / cm 3 , which can be used for various applications.
저밀도 폴리에틸렌은 가공성, 유연성, 투명성이 우수하며, 밀도가 0.91~0.94g/cm3로 유연성이 필요한 전선으로 활용이 가능하다.Low density polyethylene is excellent in workability, flexibility and transparency, and can be used as a wire requiring flexibility with a density of 0.91 to 0.94 g / cm 3 .
고밀도 폴리에틸렌은 충격에 강하고 내한성이 있고, 전기 특성과 내부식성이 뛰어나며, 밀도가 0.94~0.96g/cm3로 내부식성이 필요한 전선에 활용이 가능하다.High density polyethylene is resistant to impact, cold resistance, excellent electrical characteristics and corrosion resistance, and can be used for wires requiring density of 0.94 ~ 0.96g / cm 3 and corrosion resistance.
즉, 본 발명에서는 탄소나노튜브를 분산처리 하여 고분자에 혼합함에 따라 고함량의 탄소나노튜브를 혼합할 수 있게 하고, 전도성을 10배 이상 향상시킴과 동시에 균일한 품질을 구현할 수 있다.That is, according to the present invention, carbon nanotubes are dispersed and mixed in a polymer to mix a high-content carbon nanotube, and the conductivity can be improved by 10 times or more, and a uniform quality can be realized.
또한, 인장력과 유연성이 있는 고분자를 선택하여 전선으로서의 물리적 역할을 할 수 있도록 하는 과정이다.In addition, it is a process to select a polymer with tensile strength and flexibility to play a physical role as a wire.
위의 과정으로 혼합된 혼합물은 전선용 복합소재로 활용되기 위해 압출과 펠렛 사이징 된다.In the above process, the mixed mixture is extruded and pelletized to be used as a composite material for a wire.
이 때, 혼합물을 압출기에 넣고 150~300℃, 바람직하게는 200~300℃에서 실린더 분위기 속에서 2축 스크루를 사용하여 혼합되고, 스트랜드 상태로 압출되며, 냉각 수조를 통과하여 3~5mm의 원통 형태 펠렛 상태로 일정 크기로 잘라 도 4에 도시된 바와 같이 펠렛 형태의 전선용 복합소재로 제조된다.At this time, the mixture is put into an extruder and mixed using a twin screw in a cylinder atmosphere at 150 to 300 ° C, preferably 200 to 300 ° C, extruded in a stranded state, Shaped pellet is cut into a predetermined size and made into a pellet-shaped composite material for a wire as shown in FIG.
상기 압출기는 30~75mm 압출기를 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.The extruder may be a 30 to 75 mm extruder, but is not limited thereto.
150℃ 미만에서 혼합 및 압출 될 경우 사용하는 고분자가 용융되지 않아 펠렛 형태로 가공이 어렵게 되며, 300℃ 초과에서 혼합 및 압출 될 경우 고분자의 물성이 저하되어 일정한 형태의 펠렛으로 압출되지 않는다.When mixed and extruded at less than 150 ° C, the polymer used is not melted and is difficult to process in the form of pellets. When mixed and extruded at a temperature higher than 300 ° C, the physical properties of the polymer deteriorate and the polymer is not extruded into a certain form of pellets.
즉, 혼합물은 압출됨에 따라 펠렛 형태의 전선용 복합소재로 제조된다.That is, as the mixture is extruded, it is made of a composite material for electric wires in the form of pellets.
전선용 복합소재를 이용하여 복합소재 전선을 제조하기 위해서는 분산 처리된 탄소나노튜브 10~30중량% 및 고분자 70~90중량%가 혼합하고 압출되어 전선용 복합소재가 제조되며 펠렛 사이징 되는 단계(S120) 후단에 전도성 섬유 또는 금속선을 리드선으로 활용하며, 그 선을 중심으로 한 복합소재 전선이 제조되는 단계(S130)가 수행된다.In order to produce a composite wire using a wire composite material, 10 to 30% by weight of dispersed carbon nanotubes and 70 to 90% by weight of a polymer are mixed and extruded to produce a composite material for wire and pelletize (S120 A conductive fiber or a metal wire is used as a lead wire at the rear end, and a step S130 of fabricating a composite wire around the wire is performed.
상기 S110 단계와 S120 단계는 위의 과정과 동일하게 수행된다.Steps S110 and S120 are performed in the same manner as described above.
또한, 위의 과정을 통해 생성된 전선용 복합소재만을 이용하여 전선을 만들 수 있으나, 전선의 길이에 따라 표면 저항이 일정하게 유지되기 어려우므로 전도성 섬유 또는 금속선을 리드선으로 활용하며, 그 선을 중심으로 한 복합소재 전선이 제조되는 단계(S130)가 수행된다.In addition, although it is possible to make a wire using only the composite material for a wire generated through the above process, it is difficult to keep the surface resistance constant according to the length of the wire. Therefore, the conductive fiber or metal wire is used as a lead wire, (S130) is performed.
탄소나노튜브가 고분자에 10중량% 이상 포함된 전선용 복합소재를 사용하면서, 도 5와 같이 코어 즉, 중심층에 주재료인 복합소재의 단면적 20%를 초과하지 않는 금속선으로 구성하게 되면, 구성체의 길이 변화에 관계없이 표면 저항이 10Ω/sq 이하의 표면 저항을 유지하면서도 전도성을 높여주고 경량화의 장점을 유지할 수 있는 기능성 복합소재 전선을 제조할 수 있다.When a composite material for a wire containing 10% by weight or more of carbon nanotubes in a polymer is used and the core, that is, the core layer is made of a metal wire which does not exceed 20% of the cross-sectional area of the composite material as the main material as shown in Fig. 5, It is possible to manufacture a functional composite wire capable of maintaining the surface resistance of the surface resistance of 10? / Sq or less irrespective of the change in length, while maintaining the advantage of lighter weight by increasing the conductivity.
또한, 이러한 구성은 금속선이 전선을 제조하는 공정에서 리드선의 역할을 할 수 있다.Also, such a configuration can serve as a lead wire in the process of manufacturing the wire.
특히 코어는 전선의 전기 인입 또는 연결부위에서의 저항차이와 기계적 강도의 차이에서 비롯되는 불안정성을 해소 할 수 있는 복합소재기반의 경량화 전선을 제조할 수 있다.Particularly, the core can produce a lightweight composite wire based on a composite material which can eliminate the instability caused by a difference in resistance and a difference in mechanical strength between the electric power of the electric wire and the connection portion.
이 때, 전도성 섬유는 탄소 섬유, 활성탄 섬유, 아라미드 섬유 중 어느 하나 이상이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 아라미드 섬유를 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.At this time, at least one of carbon fiber, activated carbon fiber and aramid fiber may be used as the conductive fiber, and aramid fiber is preferably used, but not limited thereto.
아라미드 섬유는 인장강도와 강인성, 내열성이 뛰어나며 고강력, 고탄성률을 갖고 있어 광케이블 전선에 활용될 수 있다.Aramid fiber is excellent in tensile strength, toughness and heat resistance, and has a high strength and a high modulus of elasticity and can be used in an optical cable cable.
상기 금속선은 구리, 니켈, 알루미늄, 주석, 은, 금, 아연, 철, 납 중 어느 하나 이상이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 구리, 니켈, 알루미늄 중 어느 하나 이상을 사용할 수 있으나, 전선의 용도에 따라 금속선의 종류는 변동될 수 있으므로 이에 한정되지 않는다.At least one of copper, nickel, aluminum, tin, silver, gold, zinc, iron, and lead may be used as the metal wire, and preferably at least one of copper, nickel and aluminum may be used. The kind of the metal wire may vary, so it is not limited thereto.
도 6에 도시된 바와 같이, 펠렛 형태의 전선용 복합소재의 용융 온도는 150~300℃, 바람직하게는 200~300℃에서 수행될 수 있으나 복합소재의 구성 또는 중심층의 재질에 따라서 적절히 조정될 수 있기에 이에 한정되지 않는다.As shown in FIG. 6, the melting temperature of the pellet-shaped composite material for electric wires can be 150 to 300 ° C, preferably 200 to 300 ° C, but can be appropriately adjusted depending on the composition of the composite material or the material of the center layer But is not limited thereto.
다음으로 압착과 건조가 수행되는데, 금속 리드선을 감싸는 복합소재를 사이징 및 일체시키기 위해 롤과 롤 사이를 통과시키면서 동시에 건조 챔버를 통과시키는 공정을 거친다.Next, compression and drying are carried out, in which the composite material surrounding the metal lead wire is passed through a drying chamber while passing between rolls to size and integrate the composite material.
건조는 적외선건조, 진공건조, 열풍건조, 고주파건조, 마이크로 웨이브건조, 동결건조 등 다양한 방식으로 수행될 수 있으나, 바람직하게는 적외선건조 또는 열풍건조로 수행되며, 가장 바람직하게는 적외선건조로 수행될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.The drying can be carried out in various ways such as infrared drying, vacuum drying, hot air drying, high frequency drying, microwave drying and freeze drying, but is preferably performed by infrared drying or hot air drying and most preferably by infrared drying But is not limited thereto.
적외선건조는 적외선의 복사 에너지를 건조의 열원으로 이용하기에 재료 자체의 온도나 건조 속도를 임의로 조절할 수 있어 건조 속도를 빠르게 진행할 수 있고, 복사된 면을 선택적, 집중적으로 건조시킬 수 있는 장점이 잇다.Since infrared radiation uses infrared radiation as a heat source for drying, the temperature and drying speed of the material itself can be arbitrarily adjusted, so that the drying speed can be rapidly increased and the copied surface can be selectively and intensively dried .
본 발명에서는 적외선건조 시에 온도와 시간범위를 50~100℃, 5~10분 수행될 수 있으며, 바람직하게는 60~90℃, 5~9분, 가장 바람직하게는 70~80℃, 5~8분 수행될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.In the present invention, the temperature and the time range for drying the infrared ray may be 50 to 100 ° C for 5 to 10 minutes, preferably 60 to 90 ° C for 5 to 9 minutes, most preferably 70 to 80 ° C, But it is not limited thereto.
위의 과정으로 완성된 전선은 용도나 원하는 표면 저항 값에 맞춰 전선의 굵기나 길이를 조절할 수 있는 사이징 단계가 추가로 수행될 수 있다.The completed wire can be further subjected to a sizing step to adjust the thickness or length of the wire in accordance with the intended use or desired surface resistance.
위의 단계가 순차적으로 진행됨에 따라 전선을 연속 생산할 수 있다.As the above steps progress sequentially, the wires can be continuously produced.
또한, 코어에 사용되는 전도성 섬유 또는 금속선은 가닥수와 단면 크기를 제한하지 않으며, 이에 대한 선택과 구성은 요구되는 전도성이나 경량화목표치에 따라 결정이 된다.In addition, the conductive fibers or metal wires used in the core do not limit the number and size of the strands, and the choice and configuration is determined by the desired conductivity and lightweighting goals.
도 1에 도시된 바와 같이, 위의 과정으로 제조된 복합소재 전선에 절연물질을 도포하여 절연 복합소재 전선을 제조하기 위해 전도성 섬유 또는 금속선을 리드선으로 활용하며, 그 선을 중심으로 한 복합소재 전선이 제조되는 단계(S130) 후단에 제조된 전선을 절연물질로 도포하여 절연 복합소재 전선이 제조되는 단계(S140)가 수행된다.As shown in FIG. 1, a conductive fiber or a metal wire is used as a lead wire to form an insulated composite wire by applying an insulating material to the composite wire produced in the above process, and a composite wire A step S140 is performed in which the insulated composite wire is manufactured by coating the wire after the step S130 with the insulated material.
상기 S110 단계, S120 단계와 S130 단계는 위의 과정과 동일하게 수행된다.Steps S110, S120 and S130 are performed in the same manner as described above.
제조된 전선을 절연물질로 도포하여 절연 복합소재 전선이 제조되는 단계(S140)는 아크릴, 실리콘, 우레탄, 에나멜 등을 복합소재 전선 외층에 균일하게 분사한 후, 건조하여 절연 피복을 가진 절연 복합소재 전선을 제조할 수 있다.In the step S140 of manufacturing the insulated composite wire by coating the manufactured wire with an insulating material, acrylic, silicone, urethane and enamel are uniformly sprayed on the outer layer of the composite wire and then dried to form an insulating composite material Wires can be manufactured.
이 때, 건조 방식은 위의 과정과 동일한 조건으로 적외선건조로 수행될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.At this time, the drying method can be performed by infrared drying under the same conditions as the above-mentioned process, but is not limited thereto.
도 6과 같은 공정으로 중심층 즉, 코어를 중심으로 복합소재가 감싸게 되면, 압착, 건조, 사이징, 도포, 건조 과정이 순차적으로 연계되어 진행됨에 따라 절연코팅 된 복합소재기반 저 저항 기능성 전선이 제조된다.6, when the composite material is wrapped around the center layer, that is, the core, the process of pressing, drying, sizing, coating, and drying proceeds in sequence, do.
코어에 금속선 중 구리는 높은 열과 전기 전도도의 특성을 가지고 있고, 밀도 8.94g/cm3이며, 표면 저항이 10-(3~10)Ω/sq로 주로 전선이나 전자 회로에 많이 사용된다.Copper in the core metal has high heat and electrical conductivity, density is 8.94 g / cm 3 , surface resistance is 10 - (3 ~ 10) Ω / sq and it is mainly used in electric wires and electronic circuits.
따라서 구리를 금속선으로 사용하게 되면 무게에 대한 제약을 받을 수 있지만, 본 발명과 같은 복합소재 전선을 사용하면 전류밀도가 구리보다 100배 이상 큰 물질인 탄소나노튜브의 특성에 의해 일반적인 전선에 사용되는 구리보다 적은 양을 사용하여도 외층에 포함된 탄소나노튜브에 의해 일반적인 전선에 사용할 수 있는 전도성을 가지면서도 가벼운 전선을 활용할 수 있다.Therefore, when a copper wire is used as a metal wire, it may be restricted in weight. However, when a composite wire such as the present invention is used, carbon nanotubes whose current density is 100 times larger than copper are used for general wires Using less than copper, carbon nanotubes contained in the outer layer can utilize conductive and lightweight wires that can be used for conventional wires.
즉, 경량화와 금속이 가지지 못하는 내화학이 필요한 환경 등 특수 목적의 전선으로 대체하여 사용이 가능하여 신규수요를 확보할 수 있다.In other words, it can be replaced with a special-purpose electric wire such as light weight and environment that does not have metal, and thus it is possible to secure new demand.
위의 제조방법으로 제조된 전선은 고분자소재에 탄소나노튜브가 다량 혼합됨에 따라 높은 전도성과 연성을 가지며, 코어에 전도성 섬유 또는 금속을 구성하게 함으로서 전선형태로의 연속제조 용이성과 전도성의 보완 및 길이변동에도 저항의 균일성, 연결부위의 안정성 등을 모두 만족하기 때문에 금속대체용 복합소재기반의 경량화 된 기능성 전선으로 제조가 가능하다.The wire manufactured by the above method has high conductivity and ductility due to mixing of a large amount of carbon nanotubes in a polymer material and constitutes a conductive fiber or metal in the core, thereby facilitating continuous production in a wire form, It is possible to manufacture a lightweight functional wire based on a composite material for substitution because it satisfies uniformity of resistance, stability of connection region and the like.
특히, 본 발명으로 제조된 전선은 자동차, 기차, 선박, 비행기, 로봇 등에 사용되는 모터에 권선으로 적용됨에 따라 구리의 20% 수준의 무게로 경량화로 인한 연비개선, 환경문제, 원가절감, 구동시간 연장 등의 다양한 효과를 가지는 제품을 제조할 수 있다.Particularly, since the electric wire manufactured by the present invention is applied to a motor used for an automobile, a train, a ship, an airplane, a robot and the like, the electric wire is weighted by 20% of copper, And the like can be produced.
<실험예 1><Experimental Example 1>
탄소나노튜브의 기계적 분산 전, 후에 따른 물성 변화를 확인하였다.The change of physical properties before and after mechanical dispersion of carbon nanotubes was confirmed.
도 2와 같이, 반데르발스 힘에 의하여 뭉쳐져 있는 탄소나노튜브가 분산됨에 따라 고분자에 혼입되어도 한쪽으로 뭉치지 않게 혼합될 수 있음을 유추할 수 있다.As shown in FIG. 2, carbon nanotubes aggregated by van der Waals force can be dispersed, so that it can be concluded that the carbon nanotubes can be mixed so as not to aggregate on one side even if they are incorporated into the polymer.
또한, 탄소나노튜브를 상기 실시예와 같이 분산하게 되면, 균일한 품질을 보장할 수 있다.Further, if carbon nanotubes are dispersed as in the above embodiment, uniform quality can be ensured.
도 9와 같이, 기계적 분산 전 탄소나노튜브의 표면 저항은 각각 1.0E＋06Ω/sq, 1.0E+07Ω/sq, 1.0E+04Ω/sq로 1.0E+04~07Ω/sq임을 확인하였다.As shown in FIG. 9, it was confirmed that the surface resistances of the carbon nanotubes before mechanical dispersion were 1.0E + 06? / Sq, 1.0E + 07? / Sq and 1.0E + 04? / Sq, respectively.
또한, 분산 후 탄소나노튜브의 표면 저항은 각각 1.0E+02Ω/sq, 1.0E+03Ω/sq, 1.0E+00Ω/sq로 1.0E+00~03Ω/sq임을 확인하였다.Also, it was confirmed that the surface resistivities of the carbon nanotubes after dispersion were 1.0E + 02? / Sq, 1.0E + 03? / Sq and 1.0E + 00? / Sq, respectively.
탄소나노튜브를 기계적 분산 전, 후를 비교하면 분산됨에 따라 표면 저항이 현저하게 감소되는 것을 확인하였다.When carbon nanotubes were dispersed before and after mechanical dispersion, it was confirmed that the surface resistance was remarkably decreased as dispersed.
즉, 탄소나노튜브를 분산시키면 저항이 낮아져 전기전도성이 높아짐을 알 수 있다.That is, when the carbon nanotubes are dispersed, the resistance decreases and the electric conductivity increases.
따라서 탄소나노튜브를 분산하게 되면, 동일 함량으로 전기전도성이 100~10,000배가 향상되며, 특정 수치의 요구 전도성을 소량의 분산된 탄소나노튜브를 사용하여 구현이 가능한 효과가 있다.Therefore, when the carbon nanotubes are dispersed, the electric conductivity can be improved by 100 to 10,000 times with the same amount, and the required conductivity of the specific value can be realized by using a small amount of dispersed carbon nanotubes.
나아가, 탄소나노튜브를 분산하면 도 10과 같이, 분산 전의 탄소나노뷰트보다 분산된 탄소나노튜브가 고분자에 50~100% 더 혼입될 수 있음을 알 수 있다.Further, when the carbon nanotubes are dispersed, it can be seen that carbon nanotubes dispersed from the carbon nano-butts before dispersion can be mixed with the polymer in an amount of 50 to 100% as shown in FIG.
<실험예 2><Experimental Example 2>
분산 처리 된 탄소나노튜브 1~30중량% 및 고분자 70~99중량% 혼합되어 제조된 복합소재를 도 11과 같은 사출 시편을 제조하여 고분자별 함량별로 도 12의 측정기를 사용하여 저항을 측정하였다.The composite material prepared by mixing 1-30 wt.% Of dispersed carbon nanotubes and 70-99 wt.% Of polymer was prepared as an injection specimen as shown in FIG. 11 and the resistance was measured for each polymer content using the measuring device of FIG.
상기 고분자는 폴리에틸렌과 폴리프로필렌을 사용하였다.Polyethylene and polypropylene were used as the polymer.
아래 [표 1]은 탄소나노튜브 함량과 고분자 종류 및 함량에 따른 저항 변화를 나타낸 것이다.[Table 1] shows the resistance change depending on the carbon nanotube content and polymer type and content.
(중량%)Carbon nanotube
(weight%)
전선으로 활용되기 위해서 저항이 10Ω/sq 이하에 해당되어야 한다.In order to be used as a wire, the resistance should be less than 10 Ω / sq.
즉, 폴리에틸렌이 포함된 전선은 탄소나노튜브가 11중량% 이상 혼합되어야 10Ω/sq 이하의 저항을 구현할 수 있다.That is, a wire containing polyethylene should have a resistance of 10? / Sq or less when mixed with carbon nanotubes of 11 wt% or more.
또한, 폴리에틸렌이 포함된 전선은 탄소나노튜브 9, 10, 11, 12, 15, 20, 25, 30중량%에서 각각 저항이 8, 6, 4, 2.3, 2, 1.8, 1, 1Ω/sq으로 탄소나노튜브 함량에 따라 저항이 정비례 관계로 전도성이 좋아지는 현상을 확인하였다.The wires containing polyethylene are 8, 6, 4, 2.3, 2, 1.8, 1, 1 Ω / sq at the
즉, 폴리에틸렌이 포함된 전선은 10Ω/sq 이하의 저항을 구현하기 위해 탄소나노튜브가 9~30중량% 혼합되었을 때 저항이 1~8Ω/sq로 전선에 가장 적합한 것을 알 수 있다.That is, when the carbon nanotubes are mixed with 9 to 30 wt% to realize a resistance of 10 Ω / sq or less, the wires containing polyethylene are most suitable for wires with a resistance of 1 to 8 Ω / sq.
폴리프로필렌이 포함된 전선은 탄소나노튜브를 30중량% 혼합했을 경우 저항이 0.08Ω/sq까지 내려가며 탄소나노튜브가 10중량% 이상 혼합된 복합소재를 단독으로 이용하여도 복합소재 전선용 소재로 활용이 가능하다.The electric wire containing polypropylene has a resistance of 0.08? / Sq when 30 wt% of carbon nanotubes are mixed, and even if a composite material containing 10 wt% or more of carbon nanotubes is mixed alone, It is available.
또한, 폴리프로필렌이 포함된 전선은 10Ω/sq 이하의 저항을 구현하기 위해 탄소나노튜브가 9~30중량% 혼합되었을 때 저항이 0.08~6Ω/sq로 전선에 가장 적합한 것을 알 수 있다.In order to realize a resistance of 10 Ω / sq or less, the wire containing polypropylene has a resistance of 0.08-6? / Sq when the carbon nanotube is mixed with 9-30 wt%, which is most suitable for the wire.
표 1에 도시된 바와 같이, 고분자 중에서 폴리에틸렌과 폴리프로필렌에 따른 저항을 비교한 결과, 각각 탄소나노튜브를 같은 양 혼합하였을 때 폴리프로필렌의 저항이 낮은 것을 확인할 수 있다.As shown in Table 1, the resistances of polyethylene and polypropylene in the polymer were compared, and it was confirmed that the resistance of polypropylene was low when carbon nanotubes were mixed in the same amount.
이는 동량의 탄소나노튜브를 함유하였을 때, 폴리에틸렌보다 폴리프로필렌에 혼합하였을 때 전도성이 더 좋은 것을 확인할 수 있다.It can be confirmed that when the same amount of carbon nanotubes is contained, the conductivity is better when mixed with polypropylene than polyethylene.
<실험예 3><Experimental Example 3>
도 6과 같은 방법으로 금속 전선용 복합소재의 전선을 제조한 바, 탄소나노튜브 함량별로 제조하고 코어에 금속을 인입시킨 전선과 인입하지 않은 전선을 거리별로 저항을 측정하였다.As shown in FIG. 6, a composite wire for a metal wire was manufactured. The resistance of each wire was measured according to the carbon nanotube content and the metal wire inserted into the core.
금속은 구리선을 이용하였다.The metal was copper wire.
아래 [표 2]는 금속 전선, 전도성 섬유 전선, 복합소재 전선, 금속코어 복합소재 전선의 거리에 따른 저항을 비교한 결과이다.Table 2 below compares the resistance of metal wires, conductive fiber wires, composite wire and metal core composite wire.
[표 2]와 도 13에 도시된 바와 같이, 1~500cm까지 거리별 저항을 측정한 결과 금속, 전도성 섬유 전선과 복합소재는 거리가 증가함에 따라 저항이 증가하였다.As shown in [Table 2] and FIG. 13, resistance of the metal, conductive fiber cable and composite material increased with increasing distance from 1 to 500 cm.
반면, 금속코어 복합소재는 거리가 증가함에도 저항은 4.7~5.8Ω/sq로 거의 동일하게 측정되었다.On the other hand, metal core composites showed almost the same resistance with increasing distance, 4.7 ~ 5.8? / Sq.
또한, 금속코어 복합소재는 1~500cm의 거리에서 10Ω/sq 이하의 저항을 갖기에 전선으로 활용이 가능함을 알 수 있다.In addition, it can be seen that the metal core composite material has a resistance of less than 10? / Sq at a distance of 1 to 500 cm, so that it can be used as an electric wire.
즉, 복합소재 전선 코어에 금속을 인입함으로써 거리별 저항차이가 없는 소재로 케이블로 활용이 가능하다.In other words, it is possible to use cable as a material that does not have a difference in resistance by distance by introducing metal into a composite wire core.
<실험예 4><Experimental Example 4>
본 발명에 따른 전선용 복합소재를 이용하여 제조된 전선의 효율을 육안으로 확인하였다.The efficiency of the wire manufactured using the composite material for a wire according to the present invention was visually confirmed.
금속코어 복합소재로 제조된 전선을 플러그가 달린 전선 중간에 연결하여 전구에 불이 들어오는 지를 육안으로 확인하였다.A wire made of a metal core composite was connected to the middle of a wire with a plug to visually check whether the light was on.
도 14에 도시된 바와 같이, 금속코어 복합소재로 제조된 전선을 콘센트에 연결한 결과로 전구에 불이 들어오는 것을 통해 일반적인 전선으로 대체하여 사용하여도 문제가 없음을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 14, it can be confirmed that the electric wire made of the metal core composite material is connected to the outlet, so that it can be used as a general wire by replacing the electric wire through the lamp.
특히, 금속코어 복합소재로 제조된 전선을 전선으로 활용할 경우 구리보다 밀도가 5~7배 낮은 매우 가벼운 전선을 제조할 수 있고, 그로 인해 자동차, 기차, 선박, 비행기, 로봇 등 수송 및 이동장치에 사용되는 전선과 모터에 적용하게 되면 경량화로 인한 많은 장점을 가질 수 있다.Especially, when a wire made of a metal core composite material is used as a wire, a very light wire having a
본 발명은 표면 저항이 낮은 기능성 전선 및 그 제조방법으로 탄소나노튜브를 첨가한 고분자 복합소재와 금속을 하이브리드로 사용하여 길이별 표면 저항 차이가 최소화되며, 동시에 경량화 되어 여러 산업 분야에 적용이 가능한 발명이다.The present invention relates to a functional wire having a low surface resistance and a method of manufacturing the same, which can be applied to various industrial fields by minimizing the difference in surface resistance between the carbon nanotubes and the metal using the hybrid, to be.
Claims (6)
코어인 중심층과, 중심층을 피복하는 외층을 포함하고,
중심층은 전도성 섬유 또는 금속선을 리드선으로 사용하며,
외층은 기계적 분산 처리된 탄소나노튜브 10 내지 30중량% 및 고분자 70 내지 90중량%가 혼합 압출되어 펠렛 형태로 제조된 복합소재를 포함하고,
탄소나노튜브는 직경이 10 내지 30nm이며, 직경 1 기준으로 종횡비가 1 대 500 내지 1,500이고,
기계적 분산은 탄소나노튜브를 내부 온도가 40 내지 100℃인 분산기에서 5 내지 60분, 10,000 내지 20,000rpm으로 고속회전 되며,
분산 후 탄소나노튜브의 표면 저항이 1.0E+0 내지 3Ω/sq이고,
고분자는 폴리프로필렌(polypropylene) 또는 폴리에틸렌(polyethylene)이 포함되고,
전도성 섬유는 탄소 섬유, 활성탄 섬유, 아라미드 섬유 중 어느 하나 이상이 포함되고,
금속선은 구리, 니켈, 알루미늄, 주석, 은, 금, 아연, 철, 납 중 어느 하나 이상이 포함되며,
펠렛 형태로 제조된 복합소재가 200 내지 300℃에서 용융되어 중심층을 감싸며 압착 및 50 내지 100℃, 5 내지 10분 적외선 건조 공정으로 전선이 연속 제조되고,
표면 저항이 0.08 내지 6Ω/sq이며, 내화학성을 가지는 것을 특징으로 하는, 전선.
A wire having the property of a wire and having a constant resistance even when the length is increased,
A core layer which is a core, and an outer layer which covers the core layer,
The core layer uses conductive fibers or metal wires as lead wires,
Wherein the outer layer comprises a composite material in which 10 to 30% by weight of mechanically dispersed carbon nanotubes and 70 to 90% by weight of a polymer are mixed and extruded to produce a pellet,
The carbon nanotubes have a diameter of 10 to 30 nm and an aspect ratio of 1 to 500 to 1,500 on a diameter of 1 basis,
The mechanical dispersion is rotated at a high speed in a disperser having an internal temperature of 40 to 100 DEG C for 5 to 60 minutes at 10,000 to 20,000 rpm,
The surface resistance of the carbon nanotubes after dispersion is 1.0E + 0 to 3? / Sq,
The polymer includes polypropylene or polyethylene,
The conductive fiber includes at least one of carbon fiber, activated carbon fiber, and aramid fiber,
The metal wire includes at least one of copper, nickel, aluminum, tin, silver, gold, zinc, iron,
The composite material produced in the form of pellets is melted at 200 to 300 ° C, and the wires are continuously produced by pressing and heating at 50 to 100 ° C for 5 to 10 minutes,
A surface resistance of 0.08 to 6? / Sq, and a chemical resistance.
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