KR101328640B1 - 도전성 잉크를 이용한 적층식 코일의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의해 코일을 제작하는 방법은 기존의 전선을 감아서 코일을 제작하는 방법이 지니고 있던 문제점을 해결하기 위해 절연성을 지닌 필름이나 절연지 등의 평판 위에 도전성 잉크를 이용하여 권선을 인쇄하여 코일을 제작하는 방법으로, 필요한 권선수를 확보하기 위해 한 평판에 필요한 만큼의 권선수를 인쇄하거나 여러 평판에 권선수를 나누어 인쇄한 후 적층함으로써 원하는 전체 권선수를 확보하는 것을 특징으로 하며, 적층하여 제작하는 경우에는 각 층별 권선을 상호 전기적으로 연결하기 위해서 개별 평판에 인쇄된 권선의 시작단 또는 끝단에 해당 평판의 후면으로 구멍을 내고 그 구멍에 도전성 잉크 또는 다른 도체를 삽입하여 각 층별 권선 시작단과 끝단이 각기 다른 층의 끝단이나 시작단에서 전기적으로 연결되게 함으로써, 도전성 잉크를 이용하여 인쇄된 권선으로 코일을 제작할 수 있는 방법을 제공한다.

Description

도전성 잉크를 이용한 적층식 코일의 제조방법 {Manufacturing method of a coil with conductive ink }

본 발명은 발전기, 모터, 변압기, 변류기, 변성기 등에 사용되는 코일의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 절연성을 지닌 필름, 절연지 등의 평판 위에 도전성 잉크로 수 회 이상의 나선형 라인을 인쇄한 후 그 인쇄된 평판을 필요한 매수만큼 겹침으로써 평판에 인쇄된 나선형 라인이 인덕턴스의 역할을 하게 하는데, 개별 평판에 인쇄된 권선의 양 시작단과 끝단이 상하로 적층되는 각기 다른 층의 인쇄권선 끝단 또는 시작단과 전기적으로 연결되어 층별 권수를 모두 합한 권선수에 의해 코일의 전체 권선수가 정해지도록 하는 것을 특징으로 하는 코일의 제조방법에 관한 것이다

전자기계에 있어 인덕턴스를 목적으로 도선을 감은 것을 일반적으로 코일이라고 하는데, 이 코일에 전류를 흘리면 자속이 발생하고 전자유도나 전자력의 작용을 촉진한다. 이러한 코일의 성질을 이용하여 발전기, 모터, 변압기, 변류기, 계기, 또는 고조파의 동조회로나 필터 등에 사용되고 있다.

이 코일을 발전기에 사용할 때는 전기자코일과 계자코일로 구분하기도 하며, 계자코일은 철심과 더불어 자속을 유기하고 그 자속을 끊는 역할을 하는 전기자 코일에서 전기가 발생된다.

이 코일을 모터에 사용할 때는 발전기와 구조는 유사하나, 역할은 발전기와는 반대로 전기적 에너지를 운동에너지로 바꾸는데, 직류형과 교류형, 유도형과 동기형에 따라 코일의 구성과 배치가 달라진다

이 코일을 변압기에 사용할 때는 변압기의 내부구조에서 철심, 탭절환기, 절연재 등과 함께 1차코일, 2차코일 형태로 적용되며, 일반적으로 전기동이 사용되는데, 소전류의 경우에는 원형동선을 사용하고 그 이상의 전류값에서는 단면이 판 모양의 평각동선이 사용되기도 한다.변압기에서의 코일의 배치는 저압코일과 고압코일이 철심을 통하여 결합된다

이 코일을 변류기에 사용할 때는 변류기의 1차 코일과 2차 코일의 배수차에 따라 2차전류의 크기가 달라지게 되는데, 이를 이용하여 전류치나 전력량 등을 계측한다.

그 외의 기기에 사용되는 코일에 대한 설명은 생략한다

코일을 제작하는 기존의 과정은 원형전선 또는 평각동선 등의 전선을 용도에 맞는 크기와 권수에 따라 원형, 타원형, 사각형 등의 모양으로 수 회 이상 감아서 제작하는데, 코일내 전선간의 혼촉을 막기 위해 선간 혹은 코일 층간에 절연피복 또는 절연층을 배치시킨다.

일반적으로 발전기, 모터, 변압기, 변류기, 변성기 등에는 자속을 발생시키거나, 유기시키기 위해 사용하는 코일을 기존의 방법으로 제조할 시, 에나멜 등 절연재로 피복된 전선을 소정의 횟수만큼 감아서 코일을 제작하게 되는데, 이런 방법은 전선의 제작과 권선을 감는 과정이 수반되어 복잡한 제작과정과 많은 제작비가 소요되었다. 또한 소형으로 제작코자 할 때는 전선의 굵기를 가늘게 하는데 한계가 있어 소형화에 어려운 점이 많았다.

또한 소형 코일을 제작하는 과정에서 정교한 작업으로 인해 충분한 권선수를 확보하지 못해 변압기류, 변류기 등의 변성기에서는 정밀도가 낮고 오차율이 높았으며, 발전기나 모터에서는 충분한 자속을 발생시킬 수 없으므로 에너지의 변환효율이 저조할 수 밖에 없었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 기술상의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 코일 제작과정을 기존의 전선을 감아서 코일을 제작하는 방식이 아닌 다른 획기적인 제작방식을 제공함으로써 코일제조 생산성의 향상과 코일을 활용하는 기기의 정밀도 제고, 코일을 이용하는 기기의 전기적 용량과 모양을 다양하게 제작할 수 있는 코일 제작방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 발전기, 모터, 변압기, 변류기, 변성기 등에 사용되는 코일을 제작함에 있어, 절연성이 있는 필름이나 절연지 등의 평판에 도전성 잉크로 수회 이상의 코일모양 나선형 권선을 인쇄하고 그 양끝단이 상하로 적층되는 다른 층의 나선형 권선의 일단에 전기적으로 접촉되어 각 층의 나선형 권선 방향이 동일한 회전방향으로 누적적으로 연결될 수 있도록 함으로써 그 코일의 전체 권선수가 각 층별 나선형 권선의 권수를 모두 합한 권수에 의해 결정되도록 함으로써, 기존의 코일을 만들 때와 같이 전선을 감는 과정을 통해서가 아니라, 도전성 잉크를 이용한 나선형 권선 인쇄와 그 인쇄된 평판의 적층과정을 통해서 코일이 제작되는 특성을 지닌 코일 제조방법이다.

이 코일을 철심에 삽입하게 될 경우에는 인쇄된 나선형 권선의 중앙을 철심의 단면에 부합되는 모양으로 펀칭, 레이저 커팅 등의 다양한 방법에 의해 잘라냄으로써 철심에 삽입이 용이하도록 한다.

각 층별 도전성 나선형 권선의 끝단이 다른 층의 나선형 권선 시작단과 용이하게 접속할 수 있게 하기 위하여 각 층의 나선형 권선을 도안할 때 한 층의 나선형 권선을 시계회전방향 또는 시계반대방향으로 회전하되 바깥쪽에서 안쪽으로 점점 좁아지도록 하였다면, 그 다음 층 나선형 권선 회전방향은 동일한 방향으로 하되 안쪽에서 바깥 쪽으로 점점 넓어지는 모양을 함과 아울러 그 시작단은 하부층의 끝단으로부터 시작하게 함으로써 각 층별 끝단과 그 층의 직상부 시작단이 수직방향에서 볼 때 동일한 위치에 오도록 한다. 또한 한 층의 시작단이나 끝단이 다른 층의 연결부와 전기적으로 연결되기 위해서는 그 시작단과 끝단 중의 한 곳에 해당 층의 평판이 관통 되도록 구멍을 천공하고 그 구멍에도 도전성 잉크 또는 별도의 도체를 삽입함으로써 각 층의 전면에 인쇄된 도전성 나선형 권선이 해당 층의 후면으로 연결되어 다른 층의 시작단 또는 끝단에 접촉되어, 두 종류의 인쇄된 평판을 겹쳐서 적층하기만 하여도 자동적으로 전기적 연결이 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 코일 제작방법을 제공한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 코일 제조방법은 기존의 전선을 감아서 코일을 만드는 방식이 아닌, 절연성 평판 위에 도전성 잉크를 이용한 인쇄방식으로 권선을 형성하고 그 절연성 평판을 필요한 층수만큼 적층하여 코일의 전체 권선수를 확보하는 방식으로 코일을 제작하는데, 코일의 권수와 코일 권선의 굵기, 코일 모양 및 크기를 자유자재로 설계 할 수 있을 뿐 아니라, 어떤 종류와 규격의 코일을 제작한다 할지라도 적용되는 공정은 거의 동일하게 적용할 수 있으며, 많은 수량의 코일을 동시에 인쇄하여 제작 가능하고, 소형의 코일도 용이하게 제조할 수 있어 획기적으로 높은 생산효율과 경제적 강점을 제공한다.

도1 : 도전성 잉크를 이용한 권선 평판을 적층하여 완성한 코일 측면도
도2 : 낱장 형태의 홀수층용 코일의 평면도 및 측면도
도3 : 낱장 형태의 짝수층용 코일의 평면도 및 측면도
도4 : 홀수층 및 짝수층 코일 평판의 적층모양 입체도
도5 : 인쇄된 평판 상부에 미인쇄 평판을 부착한 후 인쇄하는 실시예의 도면
도6 : 한 평판에 다수의 나선형 권선을 인쇄하여, 동시에 대량의 코일 생산이 가능한 평판의 평면도

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거하여 더욱 상세하게 설명한다

코일을 제작하는 기존의 과정은 코일을 관통하는 철심이나, 코일을 관통하는 다른 도체의 사이즈에 부합하는 코일의 크기를 정하고, 그 크기에 맞추어 에나멜 등의 절연재가 피복된 전선을 보빈이나 철심에 감아서 코일을 만든다. 이 때 권선별 전압차에 의한 절연파괴를 방지하기 위해 권선의 중간 중간에 절연층을 보강하기도 한다. 이러한 제작방법은 인력이 많이 소요될 뿐 아니라 소형 코일의 제작이 어렵고 다양한 규격의 대량 생산에 불리한 점이 많았다.

이러한 문제점을 해소하기 위해 발전기, 모터, 변압기, 변류기, 변성기, 계기 등에 사용되는 코일을 제조함에 있어, 절연성을 지닌 필름이나 절연지 등의 평판(1) 위에 도전성 잉크로 수회 또는 그 이상의 나선형 권선(2)을 인쇄하고 그 끝단(5)이 상부 또는 하부에 적층되는 다른 층의 동일방향으로 회전하는 나선형 권선(8)의 시작단(6)과 수직방향에서 볼 때 같은 위치에 있도록 하고 시작단(6) 또는 끝단은 해당 평판(9)의 후면으로 천공(6)되어 그 구멍에 삽입된 도전성 잉크나 다른 도체를 통해 각 홀수층 인쇄권선 끝단(5)과 인접 짝수층의 인쇄권선 시작단(6)이 전기적으로 연결되고 짝수 층의 끝단(7)은 다른 홀수층의 시작단과 전기적으로 연결되게 하여, 최하층의 시작단과 최상층의 끝단이 각 층별 인쇄권선을 통하여 전기적으로 연결되게 됨으로써, 동일 방향으로 회전하는 각 층별 권선이 직렬로 연속된 코일과 같은 역할을 하게 되는데, 필요한 권선수가 될 때까지 적층을 추가하게 되면, 각 층별 권수를 모두 합한 권선수에 의해 전체 코일의 권선수가 확보된 코일이 제작된다.

여기서 사용되는 평판의 재질은 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌텔레프탈레이트 (PET), 폴리에텔렌나프탈레이트(PEN), 폴리에테르술폰(PES), 나일론(Nylon), 폴리테트라플로우로에틸렌(PTFE), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리카보네이트(PC), 폴리아릴레이트(PA) 등의 고분자 재질중에서 필요한 정도 이상의 절연성을 가진 재질이나, 종이 또는 일반적인 필름 형태에 절연성 재질이 도포되어 층간 절연성을 보장할 수 있는 종류의 평판이면 어떤 것이나 사용될 수 있으나, 가급적 도전성 잉크의 흡착이 용이하고 열발산이 쉬울수록 유리하다고 할 수 있으며, 또한, 상기 절연성 평판(1,9)은 플라즈마 처리를 하거나, 접착 프라이머를 단면 또는 양면 처리된 것을 사용할 수 있으며, 이에 한정되지 않음은 물론이다.

여기서 사용되는 도전성 잉크는 니켈(Ni) 구리(Cu) 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt), 카본(C) 등의 전기전도성 금속을 합성수지 등의 소정 용제에 용해시켜 형성한 잉크일 수도 있으며, 이러한 전기전도성 금속과 화학적으로 결합된 액체 또는 용액 형태의 다른 화합물일 수도 있으며, 인쇄 후 인쇄된 선이나 면이 도전성을 유지할 수 있는 재질이면 어떤 것이든 무방하며, 인쇄시 하부층의 끝단(5)과 상부층의 시작단(6) 부위의 평판의 층간 높이 차이가 있음에도 불구하고 전기적으로 무난히 연결될 수 있는 재질이면 유리하다.

여기서 사용되는 인쇄 방식은 스크린인쇄법이나 잉크제트법, 포토리소그래피나 에칭(etching)를 이용하는 법 등 다양한 방법이 있을 수 있으며, 필름형태의 평판에 도전성 잉크를 인쇄할 수 있으면 어떤 방법이라도 무방하다.

[도5]와 같이 한 장의 또는 한 롤의 평판 위에 다수의 나선형 권선을 동시에 인쇄하게 되는 경우 필요한 수만큼의 적층이 끝난 상태에서 개별 코일의 바깥쪽 테두리가 되는 나선형 권선의 외부측 모양과 코일의 철심 등이 통과하게 될 코일의 안쪽 테두리가 되는 나선형 권선의 내부측(3) 모양은 스크라이빙이나, 펀칭, 레이저커팅 등의 방법으로 도려내는 방식으로 제작할 수 있으며, 자기부상열차의 레일과 같이 코일을 연속적으로 배열하는 경우에는 외부측은 잘라내지 않고 여러 코일을 연속 배열되는 모양으로 제작할 수도 있을 것이다.

적층된 평판을 결합시키는 방법은 평판에 별도의 구멍을 내어 볼트류와 같은 결합부품으로 결착시키거나, 밴드로 묶는 방법, 에폭시 몰드와 같은 접착재를 도포하여 결합시키는 방법, 각 층간 적정 위치에 송진, UV본드, 레진 등의 접착재를 도포하여 붙이는 방법 등의 다양한 방법으로 결착시킬 수 있을 것이다.

매 층별 시작단과 끝단은 다른 층과의 전기적 연결을 용이하게 하기 위해 면적을 보다 넓게 인쇄하고, 최상층의 끝단과 최하층의 시작단은 코일 전원과 연결되는 리드선(10)을 연결하여 코일을 완성할 수 있다. 최상층과 최하층은 기계적 강도를 보강하기 위해 별도의 견고한 평판을 사용하여 전체 적층된 코일을 보호하게 하는 방법도 사용할 수 있다

도전성 잉크로 권선을 인쇄하여 코일을 제작하는 또다른 실시 예는 절연성을 지닌 필름이나 절연지 등의 평판(1) 위에 도전성 잉크로 코일 모양의 나선형 권선(2)을 인쇄하고, 인쇄된 나선형 권선의 끝단(5)을 제외한 나머지 부분에는 절연성 재질의 도료나 코팅제 등을 도포하여 절연층을 형성한 후, 그 절연층 위에 기 인쇄된 나선형 권선의 끝단(5)에서부터 시작하면서 회전 방향은 동일하되 [도2]의 권선(2)과 같이 중심부가 점점 좁아지는 모양 또는 [도3]의 권선(8)과 같이 중심부가 점검 넓어지는 모양으로 상하층간 반대인 나선형 권선(8)을 덧씌워 인쇄하는 방식으로 인쇄코일을 적층하여 제작하는 것을 특징으로 하는 코일 제작 방법으로, 중간에 적층되는 필름이나 절연지 등의 평판을 대신하여 절연성 도료나 코팅제를 사용하게 제작할 수도 있다.

여기서 사용하는 절연성 도료 또는 코팅제는 유기폴리실록산 화합물, MgAl2O4계 세라믹과 보로실리케이트 글래스(borosilicate glass)의 소성 혼합물을 포함한 절연세라믹 조성물, 메틸트리메톡실란 또는 테트라에틸오소실리케이트를 가수분해하거나 물유리계열을 바인더로 사용한 전자부품의 코팅제, 에폭시, 에나멜 등의 재질중에서 도전성 잉크로 인쇄된 권선간의 절연성을 보장해 줄 수 있는 재료이면 어떤 것이든 무방하나, 가급적 단시간에 고형화 되어 절연층을 형성하고, 도전성 잉크의 흡착이 용이한 재질이면 유리하다

도전성 잉크로 권선을 인쇄하여 코일을 제조하는 다른 실시 예는

[도5]와 같이, 절연성을 지닌 필름이나 절연지 등의 평판(1) 위에 도전성 잉크로 코일 모양의 나선형 권선(2)을 인쇄하고, 그 인쇄된 나선형 권선의 끝단(5) 부분을 제외한 나머지 부분이 모두 덮힐 수 있는 또 다른 평판(9)을 적층한 후 그 위에 하부층 권선(2)과 회전방향은 시계회전방향 또는 반대방향으로 동일하게 하되 하부층이 [도2]의 권선(2)과 같이 밖에서 안으로 중심부가 좁아지는 모양 권선을 도안했다면, 또 다른 평판 층(9)에는 회전방향은 같되 [도3]의 권선(8)과 같이 안에서 밖으로 중심부가 넓어지는 모양으로 도안한 인쇄 권선(8)의 시작단(6)을 하부층 인쇄권선의 끝단(5)에서부터 시작하는 나선형 권선(8)을 인쇄하는 방식으로 다음 층을 적층하여, 원하는 전체 권선수만큼 도전성 잉크로 인쇄하여 코일을 제조하는 방법

1 : 홀수층 절연성 평판
2. 홀수층 평판에 도전성 잉크로 인쇄된 권선
3. 철심 또는 피측정 도체가 삽입될 코일내 공간
4. 홀수층 인쇄 권선의 후면 연결용 구멍(시작단)
5. 홀수층 인쇄 권선의 끝단
6. 짝수층 인쇄 권선의 후면 연결용 구멍(시작단)
7. 짝수층 인쇄 권선의 끝단
8. 짝수층 평판에 도전성 잉크로 인쇄된 권선
9. 짝수층 절연성 평판
10. 완성된 코일의 외부 전원 연결용 리드선

Claims (4)

1. 삭제
2. 코일을 제작함에 있어, 절연성을 지닌 필름이나 절연지 등의 평판 위에 도전성 잉크로 코일 모양의 나선형 권선을 인쇄하고 인쇄된 평판을 다수의 층으로 적층 함에 있어, 한 층의 나선형 권선 방향은 시계회전방향 또는 반대방향으로 하되, 밖에서 안쪽으로 중심부가 좁아지게 권선을 도안했다면, 다른 층은 같은 회전방향으로 하되 안에서 밖으로 중심부가 넓어지게 권선을 도안하여 각 층별 나선형 권선의 시작단과 끝단은 수직 방향에서 볼 때 같은 위치에 있도록 하고 시작단과 끝단 중의 한 점은 도전성 잉크 또는 별도의 도체를 통해 각 층별 시작단과 끝단이 전기적으로 연결됨으로써 각 층별 권수를 모두 합한 권선수에 의해 전체 코일의 권선수가 형성된 코일이 제작되는 것을 특징으로 한 코일 제작 방법
   
3. 코일을 제조함에 있어
   절연성을 지닌 필름이나 절연지 등의 평판 위에 도전성 잉크로 코일 모양의 나선형 권선을 인쇄하고, 인쇄된 나선형 권선의 끝단을 제외한 나머지 면에는 절연성 재질의 도료나 코팅제 등을 도포하여 절연층을 형성한 후, 그 절연층 위에 기 인쇄된 나선형 권선의 끝단에서부터 시작하는 나선형 권선을 추가적으로 인쇄하는 방식으로, 인쇄코일을 제작하는 것을 특징으로 하는 코일 제작 방법
   
4. 코일을 제조함에 있어
   절연성을 지닌 필름이나 절연지 등의 평판 위에 도전성 잉크로 코일 모양의 나선형 권선을 인쇄하고, 그 인쇄된 나선형 권선의 끝단 부분을 제외한 나머지 부분이 모두 덮힐 수 있는 또 다른 평판을 적층한 후 그 위에 하부층 권선과 회전방향은 시계회전방향 또는 반대방향으로 동일하게 하되, 하부층의 권선 도형이 밖에서 안으로 중심부가 좁아지는 모양이라면 다른 평판 층에는 회전방향은 같되 안에서 밖으로 중심부가 넓어지는 모양으로, 하부층의 권선 도형이 안에서 밖으로 중심부가 넓어지는 모양이라면 다른 평판 층에는 회전방향은 같되 밖에서 안으로 중심부가 좁아지는 모양으로 도안한 권선을 인쇄하는데, 그 시작단을 하부층 인쇄권선의 끝단에서부터 시작하는 방식으로 다음 층을 인쇄하면서 원하는 전체 권선수가 확보되는 데 필요한 만큼 평판을 적층하여 코일을 제조하는 방법

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