Untitled - KRRI 전자도서관

보안과제( ), 일반과제( ○ ) 과제번호 2010-0018158
2010년도 기술료 사업
나노기술 융합형 고효율 철도 집전시스템
원천기초 기술 연구
(A basic original study on nano-technology based on the high efficiency current collection
system for railway)
한국철도기술연구원
교 육 과 학 기 술 부

교육과학기술부장관 귀하
제 출 문
이 보고서를 "나노기술 융합형 고효율 철도 집전시스템 원천기초 기술 연구"과
제의 보고서로 제출합니다.
2011. 5 .
주관연구기관명 : 한국철도기술연구원
주관연구책임자 : 박 영
연 구 원 : 김형철
" : 조용현
" : 권삼영
" : 이기원
" : 정호성
" : 서승일
" : 오석용
위탁연구기관명 : 한밭대학교
위탁연구책임자 : 최원석
연 구 원 : 고기한
" : 서재근
" : 김재광
" : 이상준
- i -

과제고유번호 2010-001
8158
연 구 사 업 명
연 구 과 제 명
연 구 책 임 자 박 영
연구기관명
및
소 속 부 서 명
해 당 단 계
연 구 기 간
보고서 요약서
중 사 업 명 원천기술개발사업
2010.5.20
~2011.5.1
세부사업명 국책연구개발사업(기타재원)
대 과 제 명
세부과제명
9
- ii -
단 계
구 분
(1차년도)/
(총 1 차 년 )
나노기술 융합형 고효율 철도 집전시스템 원천기초 기술 연
구
해당단계
참 여
연구원수
총연구기간
참 여
연구원수
한국철도기술연구원
고속철도 인터페이스
연구실
총 : 9명
내부 : 8명
외부 : 1명
총 : 9명
내부 : 8명
외부 : 1명
참여기업명
해당단계
연 구 비
총연구비
국제공동연구 상대국명 : 상대국연구기관명 :
위 탁 연 구 연구기관명 :한밭대학교 연구책임자 : 최원석
요약 보고서면수
정부 : 150,000천원
기업 : 천원
계 : 150,000천원
정부 : 150,000천원
기업 : 천원
계 : 150,000천원
본 연구에의 최종 목표는 나노 Composite 및 나노기술을 전기철도 팬터그래
프 집전판에 융합하는 기술개발을 통해서 철도시스템의 에너지전달을 위한 핵심
설비인 집전시스템․전철설비의 성능․내구성․효율 향상을 위한 기초원천 연구하는
것이다. 이를 위해 나노 Composite 및 나노기술을 적용한 철도 집전시스템인
집전판 적용가능성 연구를 통해 관련 장비와 부품의 성능․내구성 향상 및 세계
시장 선점을 위한 연구를 수행하였다.
색 인 어
한 글 융합기술, 집전․전철, 집전판, 나노조성,
영 어
Convergence technology, Current collection․catenary, Contact
strip, Nano-composite

Ⅰ. 제 목
요 약 문
나노기술 융합형 고효율 철도 집전시스템 원천기초 기술 연구
Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성
본 연구에의 최종 목표는 나노 Composite 및 나노기술을 전기철도 팬터
그래프 집전판에 융합하는 기술개발을 통해서 철도시스템의 에너지전달을 위
한 핵심설비인 집전시스템․전철설비의 성능․내구성․효율 향상을 위한 기초원천
연구하는 것이다. 이를 위해 나노 Composite 및 나노기술을 적용한 철도 집
전시스템인 집전판 적용가능성 연구를 통해 관련 장비와 부품의 성능․내구성
향상 및 세계시장 선점을 위한 연구를 수행하였다.
Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
본 연구의 내용은 나노기술 기반의 고효율 철도 집전시스템 구현을 위해 필
수적인 팬터그래프 집전판의 나노 기술 적용을 위한 기초기술 연구 및 성능검
증․제조방안 도출이며 세부 범위는 다음과 같다.
◦팬터그래프 집전판 나노기술 적용을 위한 요소기술 분석
◦나노기술 적용한 집전판의 성능 검증 방안 연구
◦탄소-금속 나노 복합체 효율적 제조를 위한 기초 연구
Ⅳ. 연구개발결과
팬터그래프 집전판 나노기술 적용을 위해 팬터그래프 집전판 제조기술의 국내
외 연구동향 및 특허 조사를 수행하였다. 특히 일본등 기술 선진국의 특허기술
과 복합체를 이용한 C/C composite에 동합금을 함침한 재료를 집전판에 적용
하는 기술에 대하여 조사하였다. 또한 팬터그래프 집전판 금속계, 탄소계 및
탄소․금속 합금계 분석하여 각 집전판의 제조기술과 각 단계별 결정질의 구조
등 세부적인 기술을 조사하고 이를 분석하였다. 금속계 나노 입자와 탄소계 합
성을 위한 복합재료 기술 조사에서는 복합체를 이용할 경우 기존 집전판 대비
성능향상에 대하여 구체적인 기술 조사와 분석을 수행하였다.
나노기술 적용한 집전판의 성능 검증 방안 연구에서는 EN 및 국제 규격에 의
- iii -

한 집전판 성능 검증 기술을 분석하였으며 프랑스, 일본등 기술 선진국 집전판
성능 검증 방법을 조사 분석하였다. 또한 나노기술 적용된 팬터그래프 집전판
성능검증 방안 세부사항 도출하였다.
탄소-금속 나노 복합체 효율적 제조를 위한 기초 연구는 Sputtering법을 이
용한 탄소-금속간 상관관계 기초 연구를 수행 하였으며 이를 바탕으로 나노
입자의 크기와 밀도에 따른 탄소레이어 특성 기초 연구를 수행하였다. 텅스텐
함량에 따른 W-doped Carbon 박막의 특성분석을 수행한 결과 텅스텐 함량이
증가함에 따라 표면 마찰계수는 증가하나 박막의 adhesion과 hardness가 증가
하는 경향을 나타내었다. 또한 Doping metal의 종류와 함량에 따른 전기적인
특성 분석과 Cu-doped Carbon, pure Carbon 박막과의 특성을 비교하였다. 또
한 NT-doped Carbon 층의 합성과 특성을 비교 하여 실용화를 위한 금속입자
의 특성별 로드맵 제시 및 구현 가능성 연구를 수행하였다.
Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획
◦ 본 연구는 NT (Nano Technology)를 철도에 접목하기 위한 발아 탐색형 연
구로 지속적으로 활용 범위가 넓혀지는 NT를 철도에 다양하게 접목하기 위
한 기초기술 연구가 될 것으로 기대된다. 또한 현재 전량 수입되고 있는 집
전판의 국산화 이외에 금속계와 탄소계의 장점을 복합한 전차선 마모, 아크가
감소, 내구성/경도 및 통전효율 증가 외에 에너지 효율 증가로 400km/h이상
급 고속화 집전기술의 핵심기술로 기대된다.
- iv -

Ⅰ. Title
SUMMARY
A basic original study on nano-technology based on the high efficiency
current collection system for railway
Ⅱ. Purpose
◦ The purpose of this work is the improvement of railway element
(collector plate of pantograph, railway insulator) in
performance·durability·efficiency through the application of nano-coating
and nano-technology to electrical railway and train system. The detail
research purposes is 1st. foundational research about high efficiency
pantograph collector by using nano-technology, 2nd. foundational
research about nano-coated railway insulator.
◦ Trough this research, develope of original technology about electrical
railway collector system and dominate next-generation global electrical
railway collector system market in advance. The purpose of this
research is fundamental research that is core facility of railway system
for effective energy delivery by developing energy collector system and
railway equipment performance and durability and efficiency. That's
used by technique of nanocomposite and nanotechnology convergence
with the electric railway pantography contact strips. Trough this
research, it is possible to develop original technology about electrical
railway collector system and dominate next-generation global electrical
railway collector system market in advance.
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Ⅲ. Contents
The contents of this research is deriving pantograph contact strips basic
technologies for nano-technology and performance evaluation·manufacturing
method for the implementation a nanotechnology-based efficiency railway
collector system.
◦ Foundational technology analysis for the application of pantograph
contact strips with nanotechnology.
◦ Research of the performance verification method of contact stirps with
nanotechnogoly.
◦ Basic research for the efficient manufacturing of carbon-metal
Ⅳ. Result
nano-composites.
Internal and external research trend and patent survey were investigated
about pantography contact stirps manufacturing technology apply for
pantography contact stirps nanotechnology. Especially, that was investigated
patented technology of technologically advanced countries(japan, etc.) and
technique that is applied to C/C composite using copper alloy on pantography
contact strips manufacturing. And pantography contact strips that was made
by metallic and carbon based and carbon-metal complex material was
analyzed. After then, manufacturing technique and detailed technical analysis
was progressed. In previous research, concrete technology research and
analysis was performed when using composites improved performance over
existing contact strips. Performance verification of contact strips applied
nanotechnology are analyzed by EN and international standards. Performance
verification method was analyzed at technologically advanced countries.
(France, Japan, etc.) Finally, its details were developed of contact strips
applied to nanotechnology.
- vi -

CONTENTS
Chapter 1 Introduction ····································································································· 1
Chapter 2 Research trends at home and abroad ···················································8
Chapter 3 Results ···············································································································14
Chapter 4 Achievement ·································································································103
Chapter 5 Expected contribution ···············································································106
Chapter 6 Scientific & Technological Information ··········································· 109
Chapter 7 Facilities and Equipments list ······························································112
Chapter 8 Reference ·······································································································114
- viii -

목 차
제1장 연구개발과제의 개요 ···················································································1
제 1절 연구개발의 목적 ··········································································································1
제 2절 연구개발의 필요성 ····································································································4
1. 경제적․산업적 측면 ···········································································································4
2. 국내연구개발의 필요성 ·······································································································5
제 3절 연구개발의 범위 ··········································································································7
제2장 국내외 기술개발 현황 ·················································································8
제 1절 국내·외 관련분야에 대한 기술개발현황 ·································································8
제 2절 연구 개발결과의 활용 및 기술 수준 ································································11
제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ··································································14
제 1절 서론 ······························································································································14
제 2절 팬터그래프 집전판 나노기술 적용을 위한 요소기술 분석 ······························16
1. 팬터그래프 집전판 제조기술의 국내외 연구동향 및 특허 조사 ···························16
2. 팬터그래프 집전판 금속계, 탄소계 및 탄소․금속 합금계 분석 ··························29
3. 금속계 나노 입자와 탄소계 합성을 위한 복합재료 기술 조사 ·····························49
제 3절 나노기술 적용한 집전판의 성능 검증 방안 연구 ··············································53
1. EN 및 국제 규격에 의한 집전판 성능 검증 세부내용 분석 ·······························53
2. 프랑스, 일본 등 기술 선진국 집전판 성능 검증 방법 조사 ··································62
3. 나노기술 적용된 팬터그래프 집전판 성능검증 방안 세부사항 도출 ···················70
제 4절 탄소-금속 나노 복합체 효율적 제조를 위한 기초 연구 ··································73
1. Sputtering법을 이용한 탄소-금속 상관관계 기초 연구 ··········································73
2. 나노 입자의 크기와 밀도에 따른 탄소레이어 특성 기초 연구 ·····························76
3. 실용화를 위한 금속입자의 특성별 로드맵 제시 및 구현 가능성 연구 ··············· 91
제 5절 결론 ······························································································································96
1. 카본-금속간 결합을 이용한 탄소구조체 성능향상 원천기술 연구 ·······················98
2. 카본-금속간 결합 나노 코팅 원천기술 및 특성향상 개발 ···································100
제4장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도 ········································103
- ix -

제5장 연구개발결과의 활용계획 ·····································································106
제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ·······················109
제7장 연구시설ㆍ장비 현황 ···············································································112
제8장 참고문헌 ·············································································································114
- x -

표 차 례
표 1. 국내외 주요 연구기관의 연구개발 내용 및 활용내용 ·······································10
표 2. 도시철도 팬터그래프 규격 ·························································································23
표 3. 주요관련 특허기술 문헌정보 및 기술요약 ·····························································27
표 4. 주요 현용 소결합금 집전판・주조합금 집전판의 조성(組成) ····························34
표 5. 대표적인 카본계 재료의 특성과 조성(組成) ··························································37
표 6. 카본계 집전판의 개발 목표치 ···················································································37
표 7. 집전판으로의 적용이 검토된 새로운 재료의 특성 ···············································49
표 8. 집전판의 등급(모델)에 따른 평균 특성 ··································································49
표 9. 강철재질의 고정판과 C/C composite 집전판의 팬터그래프 상단의 무개 비교
····················································································································································50
표 10. 집전판의 마모 정도 비교 (10,000 km 평균 마모 깊이) ···································52
표 11 국제 규격에의한 팬터그래프 집전판 시험 내용 (EN50405) ···························55
표 12. 집전판 재료의 특성 (‘JIS E6301 팬터그래프 집전판’에 의함) ························56
표 13. 집전판 재료의 특성(JRS에 의함) ···········································································56
표 14. 통전 마모 시험기에 의한 전차선 집전판 측정항목 ···········································68
표 15. 팬터그래프 집전판 성능 검증 사항 ·······································································70
표 16. 성능검증 내용과 세부 개발 목표사항 ···································································71
표 17. 나노금속이 포한된 탄소레이어 증착공정변수 ·····················································76
표 18. 연구개발 목표, 내용 및 연구범위의 달성도 ······················································103
- xi -

그 림 차 례
그림 1. 나노기술 융합형 철도 원천기초 기술개발 연구사업의 개요 ···························2
그림 2. 나노-철도간 융합연구의 필요성 ···········································································4
그림 3. 나노-철도간 융합 원천기술 개발 필요성 ·····························································6
그림 4. 연구의 목표 및 세부 계획 ·····················································································7
그림 5. 팬터그래프 집전판의 현재 기술 현황 ···································································8
그림 6. 국내외 연구기관별 철도 집전시스템 연구 개발 현황 ·······································9
그림 7. 나노와 철도기술간 융합기술 연구 개발 및 활용 방법 ···································12
그림 8. 철도 분야의 NT기술 적용 개념 ···········································································13
그림 9. 전기철도 전차선로와 팬터그래프 기술 내용 ·····················································16
그림 10. 팬터그래프-집전판 이선아크 발생사진 및 전차선 손상 사진 ·····················17
그림 11. 팬터그래프의 기본 구조 ·······················································································19
그림 12. KTX 팬터그래프 사진 및 고속용 팬터그래프의 세부 구조(싱글 암형) · 19
그림 13. 1.5kV용 팬터그래프 보우 ·····················································································20
그림 14 25kV용 팬터그래프 보우 ·······················································································20
그림 15. 열차 편성에 따른 25kV용 팬터그래프 사용 ··················································21
그림 16. KTX 팬터그래프 집전 및 집전판 사진 ····························································23
그림 17. CX 액티브 팬터그래프 ·························································································25
그림 18. 소결합금 집전판의 제조 공정 ·············································································32
그림 19. 소결합금 집전판, 카본계 집전판의 조직 ··························································33
그림 20. 카본계 집전판(금속 함침형)의 제조공정 ··························································36
그림 21. 집전판의 저항률과 전차선의 온도상승(집전판 하나당 100A 통전) ···········36
그림 22. 팬터그래프 집전판 비교 표 ·················································································38
그림 23. 도시철도와 고속철도의 집전판을 비교 ·····························································39
그림 24. 도시철도와 고속철도의 집전판을 비교 ·····························································39
그림 25. 순탄소계 집전판 제조공정에 따른 결정구조 분석 ·········································40
그림 26. 용침탄소계 제조에 따른 결정 구조 변화 ·······················································40
그림 27. KTX 운행 중 팬터그래프 집전판 현장 조사 사진 ········································44
그림 28. KTX 팬터그래프 파단면 관찰 사진 ··································································45
그림 29. KTX 팬터그래프 집전판 연마 표면 분석 SEM 이미지 (1) ························46
그림 30. KTX 팬터그래프 집전판 연마 표면 분석 SEM 이미지 (2) ························47
그림 31. KTX 팬터그래프 집전판 연마 표면 분석 IR 분석 결과 ······························48
그림 32. C/C composite 집전판 단면과 나사산이 형성된 모습 ··································51
- xii -

그림 66. Nanoindenter - Hardness ····················································································90
그림 67. 나노기술 이용 철도시스템 에너지 효율 및 성능향상 향상 원천기술 개발
로드맵 ······················································································································93
그림 68. 나노 금속을 이용한 탄소 구조체 실용화 방향 ···············································94
그림 69. 실용화를 위한 성능검증 내용과 세부 개발 목표사항 ···································95
그림 70. 팬터그래프 나노기술 적용 연구 ·······································································102
그림 71. 연구 주요 실적 및 내용 ·····················································································104
그림 72. 철도시스템과 NT융합기술 확보 ·······································································107
그림 73. NT 기술 철도 적용에 대한 연구개발결과 활용계획 ···································108
- xiv -

제1장 연구개발과제의 개요
제 1절 연구개발의 목적
나노융합기술은 나노기술 발달과 함께 21세기를 선도해 나갈 수 있는 과학기술로서
미세가공기술을 기반으로 나노 크기의 물질이 새로운 물리·화학적 기능을 갖도록 하
는 기술이며, 의료산업, 정밀기계산업, 우주항공산업, 환경 및 에너지 등의 분야에서
새로운 기술영역을 구축하고, 고도의 경제성을 실현할 수 있는 필수적인 기술로 인식
되고 있다, 특히 나노소재 기술은 기존 소재로는 얻을 수 없는 새로운 기능 및 특성
을 나타낼 수 있어 다양한 분야 및 산업에 적용할 수 있는 현대 과학의 최첨단 집적
기술이라 할 수 있다. 나노기술 중에서 나노 소재분야는 금속, 세라믹, 고분자 등 매우
다양한 분야로 세분화될 수 있으며, 이러한 나노 소재의 응용은 분말(powder), 튜브
(tube), 휘스커(whisker), 박막(thin film), 벌크(bulk) 등 다양한 형태로 가능하다. 그중
에서 나노 금속 분야는 종류가 다양한 만큼 응용범위도 대단히 넓으며, 마이크로 크기
의 입자에서는 나타나지 않는 매우 특이한 성질을 가지고 있다.
금속 나노결정은 촉매로서 널리 이용되며, 최근에는 단일 전자 소자, 자기 조립단분
자막(self-assembled monolayer) 및 박막 전구체로서 이용하기 위한 연구들이 진행 중
이다. 그러나 금속 나노결정을 산업용으로 적용하기 위한 종래의 기술수준은 미비하고
비실용적이기 때문에 한계가 있다. 나노 금속 입자는 제한되지는 않으나, 생체 물질
의 분리, 진단 프로브(조영제), 자기 공명 영상법, 바이오 센서, 마이크로 유체계 센서,
약물/유전자 전달 및 자성유 체온열 요법 등의 넓은 범위의 적용 분야에 유용하다. 다
만, 특별히 제한되는 것은 아니지만, 소수성 표면을 갖는 금속 나노 입자는 물에 대한
감소된 용해도를 나타낼 수 있어 촉매 등에의 응용에 영향을 미칠 수 있다.
나노신소재 기술은 임계성능구현, 초고효율 에너지 산업 실현을 가능하게 하는 미래
필수 핵심소재이며 나노융합산업은 나노기술을 타산업에 접목하여 부가가치를 창출하
는 미래 유망 산업으로 속도향상에 따른 철도시스템의 한계를 점진적으로 극복하고
각 시스템의 기능 향상이 가능한 나노융합 기술을 적용한 전기철도 핵심 부품 성능향
상 이 가능할 것으로 예상된다. 특히 21세기 철도 선진국으로의 성장동력과 새로운 비
- 1 -

전을 포함한 철도와 신기술간의 융합기술 개발 필요하므로 철도시스템의 연구개발 모
델도 그간의 ‘쫓아가기型(Catch-up model)’에서 ‘선도型(Trend-setter model)’로 바꾸기 위해 신
기술을 융합한 새로운 연구개발 비전 필요하다. 본 연구에서는 NT(Nano Technology) 신기술
의 철도 적용 선행 연구를 통해 전기철도에 적합하고 세계시장 선점이 가능한 NT 기
반 철도융복합원천기술의 가능성 타진하는 것이다. 특히 속도 향상에 따른 철도시스템
의 한계를 극복하고 각 시스템의 기능 향상이 가능한 나노융합 기술을 적용한 전기철
도 핵심 부품 성능향상을 하는 것이다. 이를 위해 전기철도에 NT를 적용하기 위해 철
도 시스템 전반에 걸친 탐색 연구를 수행하고 개발 및 실현가능성을 실험적으로 선행
하는 연구 수행의 목적이며 이러한 결과는 300km/h급의 집전시스템을 400km/h 이상
으로 향상하는 기술의 조기 확보가 가능하게 될 것이다.
이와 같이 팬터그래프 집전판 나노 기술은 기존의 전기철도 집전기와 전철 시스템
분야에 활용이 가능하며, 기계적으로 우수한 강도를 가지고 있어 나노코팅 및 DLC 소
재에 활용이 가능하다. 그러나 탄소계 집전판은 전량을 수입에 의존하고 상대적으로
수준이 낮아 가격경쟁력으로 인해 활용이 불가능하다. 따라서 팬터그래프 집전판의 효
과적인 나노금속소자분야 활용을 위해서는 나노 금속 조성에 따른 팬터그래프 집전판
에 탄소레이어를 합성하는 기술이 요구된다. 또한 나노 금속에 따른 특성 평가, 나노
파티클의 크기, 밀도, 후 열처리에 따른 특성을 분석하여 팬터그래프 집전판의 평균
수명향상 및 유지보수 비용의 절감과 성능향상 등을 위한 나노기술 융합형 고효율 철
도 집전시스템 원천기초 기술 연구가 본 과제의 목적이다.
- 2 -

그림 1. 나노기술 융합형 철도 원천기초 기술개발 연구사업의 개요
- 3 -

가치를 창출하는 미래 유망 산업.
* 하이브리드차/항공기/풍력발전기(경량화 복합소재), 스마트 섬유의류(고기능 친
환경 소재) 등.
** 아키텍처 창출형 제품, 에너지절감 저장, 환경보전, 나노메디컬, 나노바이오 생
활소재 등.
ㅇ NT (Nano Technology) 신기술의 철도 적용 선행 연구를 통해 전기철도에 적합
하고 세계시장 선점이 가능한 NT 기반 철도융복한원천기술의 가능성 타진.
ㅇ 속도 향상에 따른 철도시스템의 한계를 극복하고 각 시스템의 기능 향상이 가능
한 나노융합 기술을 적용한 전기철도 핵심 부품 성능향상.
ㅇ 전기철도에 NT를 적용하기 위해 철도 시스템 전반에 걸친 탐색 연구를 수행하고
개발 및 실현가능성을 실험적으로 선행하는 연구 수행의 목적임.
ㅇ 300km/h급의 집전시스템을 400km/h 이상으로 향상하는 기술의 조기 확보.
그림 3. 나노-철도간 융합 원천기술 개발 필요성
- 6 -

제 3절 연구개발의 범위
본 연구에의 최종 목표는 나노 Composite 및 나노기술을 전기철도 팬터그래프 집전판
에 융합하는 기술개발을 통해서 철도시스템의 에너지전달을 위한 핵심설비인 집전시스
템․전철설비의 성능․내구성․효율 향상을 위한 기초원천 연구하는 것이다. 이를 위해
나노 Composite 및 나노기술을 적용한 철도 집전기술과 전철용 애자 개발을 통해 관련
장비(팬터그래프 집전판, 전철용 애자)의 성능․내구성 향상 및 세계시장 선점을 위한 연
구를 수행하였다.
세부연구 목표는 1. 팬터그래프 집전판 나노기술 적용을 위한 요소기술 분석, 2. 나노기
술 적용한 집전판의 성능 검증 방안 연구, 3. 탄소-금속 나노 복합체 효율적 제조를 위한
기초 연구로 구성하였으며 본 연구는 현재의 팬터그래프 집전판의 표면 거칠기 및 기계
적 강도 등을 획기적으로 향상할 수 있는 전기철도 집전시스템 원천기술 및 次세대 세계
전기철도 집전시스템 시장 선점을 위한 기술 개발로 개발 성공 시에 세계 철도시장에서
의 원천기술 등 다양한 기술 선점이 가능 할 것이다.
그림 4. 연구의 목표 및 세부 계획
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나노신소재 기술은 임계성능구현, 초고효율 에너지 산업 실현을 가능하게 하는 미래 필
수 핵심소재이며, 나노융합산업은 나노기술을 타산업에 접목하여 부가가치를 창출하는 미
래 유망 산업으로 신소재․나노융합 분야 핵심기술 중 소재산업은 수출 15.3%, 고용 12.6%,
생산 16.7%를 차지하고 나노융합산업은 ’14년 2조6천억불의 세계시장을 형성할 것으로 예측된
다. 철도시스템은 속도향상에 따른 철도시스템의 한계를 점진적으로 극복하고 각 시스템
의 기능 향상이 가능한 나노융합 기술을 적용한 전기철도 핵심 부품 성능향상을 위해 다
양한 시스템이 개발되고 있으며 특히 나노기술을 철도에 융합할 경우 현재까지의 철도시
스템의 핵심 부품을 획기적으로 성능향상 시킬 수 있는 기술 개발이 요구되고 있으나 현
재까지의 연구개발 및 주요 성과는 나타나고 있지 않다.
표 1에 국내외 주요 연구기관별 연구개발 내용과 현황을 나타내었다. 표에서 보는 바와
같이 국내의 경우 전차선로 설계기술, 유지보수기술, 애자 및 인증기술 등을 중점적으로
개발 한 반면 일본의 경우 최적화를 통한 액티브 팬터그래프 등의 연계 기술을 개발하고
있다. 프랑스의 경우 속도향상을 위한 다양한 기술이 개발되어 지고 있으며 각 부품을 최
적화 하는 기술을 개발 중에 있다. 이상과 같이 국내외 개발 현황은 현재까지는 나노기술
등이 특별히 접목된 바 없다. 그러나 본 연구결과인 기초기술연구가 향후 실용화 및 시범적
용 연구의 기반이 될 수 있는 것은 분명하다. 특히 실용화 될 경우 400km/h급 집전설비 등에
시범 적용이 가능하다.
그림 6. 국내외 연구기관별 철도 집전시스템 연구 개발 현황
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연구수행 기관 연구개발의 내용 연구개발성과의 활용현황
한국철도기술
연구원
일본 RTRI
프랑스 SNCF
표 1. 국내외 주요 연구기관의 연구개발 내용 및 활용내용
ㅇ집전설비 인증기술 개발
ㅇ집전설비 및 부품 개발
ㅇ전철용 애자
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- 경부고속철도 집전설비 인증 및 법제정
- 국내최초 인증시스템 기술 개발 완료
- 전차선로 부품 개발 기술 개발
- 300km/h급 팬터그래프 설계기술
- 전차선로 설계 및 시뮬레이션 기술
- 도시철도용 폴리머애자 개발 중
- 고속철도용 폴리머애자 인증
ㅇ전차선로 개발 - 350 km/h급 고속철도 설계, 집전기술
ㅇ전철·전력 유지보수 기술
ㅇ집전설비 해석기술
◦팬터그래프 최적화 연구
◦고속철도 집전성능 평가
- 유지보수를 위한 자동화 장치 개발
- 국내최초 국산화 등 다양한 기술 보유
- 3차원 팬터그래프/전차선로 동역학시뮬레
이션 프로그램 개발 중
- 400 km/h급 집전시스템 개발을 위한 부품
성능향상 기술 개발 중
- 고속철도 집전성능 평가를 위한 텔레메트
리 시스템 및 아크검출기의 개발
◦전차선로 개발 - 360km/h급 전차선로 개발
◦액티브 팬터그래프 연구 - 고속용 액티브 팬터그래프 연구 수행
ㅇ집전시스템 상호 연계기술
ㅇ집전설비 해석기술
ㅇ집전설비 검측기술
- 유럽철도의 Interoperability를 위한 집전성
능 예측 및 평가를 위한 EUROPAC 사업
을 프랑스가 중심이 되어 독일, 이탈리아
등과 수행
- 3차원 팬터그래프/전차선로 동역학시뮬레
이션 프로그램 개발 완료
- 전차선로 온라인 상태모니터링 시스템
구축 및 팬터그래프 이상검지 기술개발
ㅇ전차선로 개발 - 350km/h급 전차선로(East line) 개발 완료
ㅇ집전설비 속도향상
- 팬터그래프 압상력을 액티브 제어할 수
있는 고속용 팬터그래프 개발 및 실용화

제 2절 연구 개발결과의 활용 및 기술 수준
본 기술은 본 연구 이외에 국내 철도, NT등 기술 전문가 그룹을 구성하고 산학연 연
계 및 정부 지원 하에 연구를 수행 되어야 하며 원천기술 개발의 경우 한국철도기술연구
원이 주도적으로 참여하여 연구를 수행할 예정이며, 시작품 제작 및 시험 평가를 위해 나
노기술에 다양한 연구 경험이 있는 전문가와 개발된 기술을 최대한 활용할 수 있도록 하
도록 하여야 한다. 특히 본 연구는 나노 및 신소재 기술을 적용한 철도시스템 기술적용
및 부품 개발은 High-risk, High-return형 융합원천기술로 각 분야에 성공적인 모델을
제시하여 각 분야에서 가능성을 타진하여 후속 실용화 사업을 수행하기 위하여 구체적인
모델을 제시하고자 하였다. 특히 본 연구 사업은 원천 기초 사업으로 향후 철도 시스템의
나노기술 적용에 기초적인 역할을 분명이 할 것이므로 향후 다양한 활용이 가능하다고
하겠다.
특히 속도향상에 따른 철도시스템의 한계를 점진적으로 극복하고 각 시스템의 기능 향
상이 가능한 나노융합 기술을 적용한 전기철도 핵심 부품 성능향상이 가능하며 현재까지
의 철도시스템의 핵심 부품을 획기적으로 성능향상 시킬 수 있는 신기술 창출이 기대 되
며 다음에 본 연구인 집전시스템 이외의 향후 연구될 경우 기대가 되는 내용을 기술 하
였다.
- 나노 복합체를 이용한 신소재 철도시스템 적용 시 약 40% 경량화 기대
- 나노 내마모 기술 철도 적용 시에 수명향상 기대
- 나노 자기세정 코팅 철도 적용 시에 유지보수 감소와 부품성능 향상 기대
- 나노 소음저감 코팅을 이용한 철도 인터페이스 분야 소음 절감효과 기대
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그림 7. 나노와 철도기술간 융합기술 연구 개발 및 활용 방법
연구개발의 기술 수준은 현재 전력을 동력원으로 사용하는 전기철도의 운영이 점차적으
로 확대되고 있는 시점에서 전기기기 및 장치의 중요성이 커지고 있다. 그 중에서도 집전
장치로 사용되는 팬터그래프 집전부의 역할은 상당한 중요성을 차지하고 있다. 전기 철도
의 운영이 확대되면서 팬터그래프 집전판의 소모량이 증가되고 유지보수와 교체를 위한
인력과 비용이 증가함에 따라 집전판의 특성 향상과 수명연장을 위한 나노 기술이 연구
가 필요하다. 국내외 철도 집전시스템에 나노 기술을 적용한 내용은 보고되지 않고 있으
나 집전부품의 성능향상과 수명연장을 위한 연구는 지속적으로 추진되고 있는 추세이다.
국내에서는 한국철도기술연구원에서 탄소계 팬터그래프 집전판 개발을 위한 연구가 수행
된 바 있으나 실용화 되지 않았으며, 나노 기술이 적용된 연구는 진행된 사례가 없다. 세
계적으로 팬터그래프 집전판은 금속계와 탄소계로 나뉘어 있으며 국내의 경우 탄소계를
수입하여 사용 중이며 일본, 프랑스 등은 자체 개발한 금속계와 탄소계를 사용 중이나 나
노 기술을 적용한 연구는 보고된바 없다.
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그림 8. 철도 분야의 NT기술 적용 개념
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제3장 연구개발수행 내용 및 결과
제 1절 서론
국내 전기철도의 고속화 및 속도향상으로 현재 고속선의 경우 속도 향상으로 350 km/h
이상의 차량과 기존선로에서 180 km/h 속도향상이 이루어지고 있다. 또한 시스템의 중
요성이 증대 하고 있으며 국가 계획에 따라 현재까지 기존선 및 신규철도노선의 70% 이
상의 전철화를 진행 중에 있다. 특히 전기철도에서 고속철도의 속도향상을 위하여 많은
연구가 진행되어 지고 있고 현재까지 300 km/h의 속도를 넘어 350 km/h 이상의 증속 시
험이 진행되고 있다. 전기철도에서 고속열차는 25 kV의 전원을 공급받아 운행되는데 열
차의 집전장치인 팬터그래프와 전차선로 전차선과의 인터페이스에 의해 이루어지므로 팬
터그래프의 성능향상이 필수적이다. 특히 열차속도가 400 km/h로 증가하게 되면 전차선
진동과 파동전파반사가 격렬히 일어나고 공력에 의한 영향이 증대되어 집전성능 악화와
사고 증가가 예상되므로 이를 극북하기 위한 핵심 설계 및 운영기술 개발이 필요하다. 또
한 400 km/h급 팬터그래프 집전판은 300 km/h급에 비하여 경량화 및 더 큰 통전 용량을
가져야 한다. 일본 및 유럽에서는 속도향상에 따라 전차선 및 집전판을 개발하기 위한 연
구가 활발히 진행하고 있다. 우리는 2004년에 300km/h급 경부고속철도를 건설하여 운영
하고 있고, 350km/h급 전차선로를 호남고속철도에 적용하기 위해 새로운 재질의 전차선
로 개발 및 고속용 팬터그래프에 대한 연구가 진행 중이다.
나노신소재 기술은 임계성능구현, 초고효율 에너지 산업 실현을 가능하게 하는 미래 필
수 핵심소재이며 나노융합산업은 나노기술을 타산업에 접목하여 부가가치를 창출하는 미
래 유망 산업으로 속도향상에 따른 철도시스템의 한계를 점진적으로 극복하고 각 시스템
의 기능 향상이 가능한 나노융합 기술을 적용한 전기철도 핵심 부품 성능향상 이 가능할
것으로 예상된다. 특히 21세기 철도 선진국으로의 성장동력과 새로운 비전을 포함한 철도
와 신기술간의 융합기술 개발이 필요하므로 철도시스템의 연구개발 모델도 그간의 ‘쫓아가
기型(Catch-up model)’에서 ‘선도型(Trend-setter model)’로 바꾸기 위해 신기술을 융합한 새로운 연
구개발 비전이 필요하다. 본 연구에서는 NT(Nano Technology) 신기술의 철도 적용 선행 연
구를 통해 전기철도에 적합하고 세계시장 선점이 가능한 NT 기반 철도융복한원천기술의
가능성 타진하는 것이다. 특히 속도 향상에 따른 철도시스템의 한계를 극복하고 각 시스
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제 2절 팬터그래프 집전판 나노기술 적용을 위한 요소기술 분석
1. 팬터그래프 집전판 제조기술의 국내외 연구동향 및 특허 조사
가. 전기철도 집전시스템 국내외 연구동향
그림 9에 전기철도 전차선로 관련 기술을 나타내었다. 전차선로는 전기차량 집전장치와
직접 접촉하여 전원을 공급하는 전기철도의 핵심 설비로 현재 50% 정도인 전철화 구간
이 2020년에는 72% 까지 증가 계획에 있다. 전기철도 차량용 팬터그래프는 전기 철도 차
량 핵심부품으로 전기를 공급하는 전차선과 기계적 접촉으로 차량에 전기에너지를 공급
한다. 그러나 이러한 팬터그래프와 전차선간의 기계적 접촉으로 인해 전차선의 마모, 전
차선과 팬터그래프 사이에서 나타나는 이선아크 등 다양한 문제가 발생하고 있다. 이선은
열차속도, 가선구성, 경점의 존재 등 다양한 원인으로 발생하며, 이 이선과 동시에 전차선
과 집전판 간에는, 강한 빛을 수반하는 아크방전이 발생한다. 이 아크방전의 내부는 전자
및 금속 증기 등으로 채워져 있으며, 이들이 상호 충돌하여 에너지를 교환한다. 충돌 시
원자 혹은 분자가 갖는 전자가 여기되고, 또 그 전자가 하준위(下準位) 또는 기저(基底)
상태로 전위할 때, 어느 파장을 가진 광양자(光量子)가 방출된다. 이것이 아크광으로 관
측되는 광(光)이며, 원자 혹은 분자가 갖는 전자의 에너지 준위(準位)가, 그 물질 특유인
것으로부터, 방출되는 광의 파장도 그 물질 특유가 된다.
이러한 이선 아크는 집전상태와 성능을 평가하는 기술로 열차의 속도향상에 따라 확보
해야할 중요한 지표이다. 특히 프랑스[2], 이탈리아[3] 등 유럽 등에서 아크 측정방법을
사용하고 있으며, 유럽철도의 상호 운전성 확보를 위하여 아크 측정방법의 검증법을 유럽
규격 EN 50317[4]에 정하고 있다. 하지만 국내에서는 열차에서 발생하는 아크를 측정하
는 모듈을 민간 회사에서 개발하여 전차선로의 유지보수에 활용하고 있다. 또한 이러한
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나. 팬터그래프 일반 사항
팬터그래프란 전기철도에서는 가공전차선을 접촉 접동하면서 수전하기 위한 중고속용
집전장치를 팬터그래프라고 한다. 그림 11에 일반적인 팬터그래프의 구조를 제시하였다.
일반적으로 팬터그래프를 구성부품은, pan head, pan head 지지대, 구조틀(枠組), 지지대
(臺枠)의 4가지로 나눌 수 있다. pan head는 집전 head, 혹은 head라고도 부르며, 전차선
과 직접 접동하는 중요한 장치이다. 그림 11에 제시한 것과 같이, pan head의 상면에는
가선과 직접 접동하는 부재인 집전판이 설치된다. 집전판은 마모하는 소모부품이기 때문
에, 쉽게 교환할 수 있는 구조로 되어 있다. 팬터그래프의 추종성능을 향상시키기 위하여,
집전판과 pan head 본체 사이에 상하방향의 완충 기구를 갖는 팬터그래프도 있다. 이
완충 요소는 통상, 미동 스프링이라고 부른다. pan head의 좌우 양측은, 혼(horn)이라 칭
하는 만곡(彎曲)한 부재로 되어 있다. 혼(horn)은, 교차선 진입 시 합류측 전차선이 pan
head 하면에 할입하는 것을 방지하기 위해 설치한다. 단, 강체 가선의 교차선에서는 본
선, 부선의 각 가선의 고저차가 작기 때문에, 강체 가선 전용의 팬터그래프에는 혼(horn)
을 생략한 것도 있다. 혼(horn)을 포함한 pan head 외형 촌법은, 가선의 좌우 편위와 강
풍시의 권동, 교차선의 구성, 차체 경사 장치의 유무, 등 충분 정합성을 유지하여 결정된
다. 이 정합성이 불충분하면 주행 중에 할입 사고가 발생할 우려가 있기 때문에, 신중한
검토가 필요하다. pan head의 구조는 집전전류에 따라 크게 좌우된다. 교류용 팬터그래
프의 경우, 전류가 작기 때문에 집전판은 레일방향으로 2열 설치한다. 이것에 비해 큰 전
류를 집전하는 직류 전차용 팬터그래프에서는 집전판은 4열, 직류기관차용 팬터그래프에
서는 집전판이 8열 혹은 10열이 되어, pan head는 대형화 된다. 이와 같이 전류용량을 증
가시키기 위해서는 집전판 수를 증가시킬 필요가 있으며, 중량의 증가에 따라 추수성능이
저하되기 때문에, 설계상의 큰 제약이 된다.
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그림 11. 팬터그래프의 기본 구조
그림 12. KTX 팬터그래프 사진 및 고속용 팬터그래프의 세부 구조(싱글 암형)
팬터그래프의 세부구조와 사진을 그림 12에 나타내었다. 세부적으로는 프레임(Frame),
캠슬링 스프링밸런스(cam-sling spring balance), 공기 실린더(Pneumatic cylinder), 쇽 업
쇼버(Shock absorber), 푸시아암과 하부조인트장치(Push arm and lower joint
mechanism), 하부 로드(Lower rod), 상부 아암과 중앙연결장치(Upper arm and lower
joint mechanism). 안티버킹 로드(Anti-bucking rod), 크로스 바에 장착된 중앙스프링 박
스(Larger central spring box), 두 개의 스프링 박스(Spring box), 마모판을 가지고 있는
보우(Bow), 팬터그래프 상승높이 제한장치(한, 25kV 팬터그래프)로 구성되어 있다. 이중
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1.5kV용 보우는 프레임, 2개의 구리 마모판, 2개의 강철 마모판, 4개의 연결 마모판, 2개
의 절연 혼, 절연 혼속에 연결되어 있는 마모판 하부의 사고감지장치 및 강철 마모판은
항상 구리 마모판 안쪽에 위치한다. 구리 마모판은 좋은 전기 전도성을 가지고 있으므로
집전 효율이 좋다. 강철 마모판은 구리재질의 전차선과 구리 마모판 사이의 높은 접촉마
찰계수로 인한 침식을 방지한다. 구리 마모판과 강철 마모판 사이의 공간에는 전차선에서
보우가 부드럽게 미끄러지도록 그리스(Grease)를 채워준다.
25kV보우는 2개의 F.R.P. 지지대, 2개의 카본 마모판, 4개의 연결 마모판과 마모판과 지
지대를 통과하는 도관형태의 사고감지 장치로 구성되며 25kV용 보우는 2개의 카본 마모
판을 가지고 있다. 카본은 윤활성이 좋기 때문에 보수 시 전차선에 윤활제를 칠하지 않아
도 된다.
그림 13. 1.5kV용 팬터그래프 보우
그림 14 25kV용 팬터그래프 보우
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다. 팬터그래프 집전판 일반 사항
그림 16에 전차선로 간 KTX 집전 및 집전판 사진을 보여준다. 팬터그래프 집전판은
금속계와 탄소계로 일반적으로 나눌 수 있으며 고속선에 사용되는 팬터그래프 집전판의
경우 매 200,000 km 마다 교체 하고 있으며 현재 전량 수입하여 국산화 등이 시급한 실
정에 있다. 팬터그래프의 집전판은 일반적으로 높은 도전성(낮은 저항률), 차량부품으로
서 필요한 높은 강도, 높은 내마모성과 전차선을 마모시키지 않은 특성 및 소모품으로서
필요한 경제성을 갖추어야 하며 집전판의 세부적인 내용은 다음절에 기술하였다.
(a) KTX 운행 중 집전 사진
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판
토
그
라
프
구 분 규 격
전 차 선 방 식 지상 : 심플카티너리선, 지하 : 강체 가선
전 차 선 전 압 DC 1,500 V 및 AC 25,000 V
조 작 방 식 전 자 공 기 식
동 작 방 식 하부 프레임 교차형, 공기 상승, 스프링 하강
조 작 공 기 압 력 4 ~ 6 kgf / ㎠(표준 5 kgf / ㎠)
압 상 력 6 kgf(표준치)
형 식 YT88A
주 습 판 재 질 동계소결합금
높
이
접 은 높 이 280(0, -5) mm
최 저 작 용 높 이 530 mm
표 준 작 용 높 이 1000 mm
최 고 작 용 높 이 1380 mm
해 방 시 의 높 이 1480 mm
(b) KTX 팬터그래프 Pan head
그림 16. KTX 팬터그래프 집전 및 집전판 사진
라. 팬터그래프 및 집전판 제조기술의 국내외 연구동향
팬터그래프 집전판은 일반적으로 금속계와 탄소계로 나뉘어져 있으며 현재 국내의 경
우 탄소계 팬터그래프 집전판을 자체 제조하는 시스템은 없는 것으로 조사되었다. 팬터그
래프의 경우 프랑스, 독일 및 일본 등에서는 자체 개발하여 사용하고 있으며 특히 엑티브
팬터그래프 등 다양한 연구가 개발되어 지고 있다.
표 2. 도시철도 팬터그래프 규격
중 량 약 180 ± 10 k
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정 격
전 류
정 차 시 연속 정격 : 약 500 A, 1분간 : 약1600
주 행 시 전동기 정격 전류 : 약 800 A, 피이크 전류: 약 2000 A
사 용 나 사 ISO나사 및 KS나사
사 용 그 리 이 스 리듐(Lithium)계 그리이스
주 위 온 도 -25 ℃ ~ 40 ℃
현재의 카티너리시스템과 패시브 팬터그래프를 사용해서는 도달할 수 있는 속도에 한
계가 있으므로 400km/h까지의 속도향상을 위해서는 카티너리시스템을 개량하거나 액티
브 팬터그래프를 사용해야 한다. 두 가지 방법 중에서 더 경제적인 방법은 액티브 팬터그
래프를 사용하는 것이므로 고속화를 위한 집전 성능 확보를 위하여 많은 연구가 수행되
어 왔다. 프랑스, 독일, 일본, 이탈리아, 영국, 미국 등에서 일찍부터 액티브 팬터그래프에
대한 연구를 꾸준히 수행하여 왔으며 프랑스에서는 액티브 팬터그래프를 사용하고 있으
며, 독일, 일본, 이탈리아 등에서는 가까운 장래에 실용화할 것을 목표로 적극적인 연구를
수행하고 있다.
프랑스 Faiveley사는 액티브 팬터그래프인 CX팬터그래프를 개발하였다. 그림 17에 나
와 있는 CX팬터그래프는 상업 운전 중인 고속열차 탈레스(Thalys) 및 듀블렉스(Duplex)
에 설치되어 사용되고 있다. 그림 17의 앞에 보이는 팬터그래프는 직류 1.5 kV와 3kV를
집전하는 것이고, 뒤에 보이는 팬터그래프는 교류 25kV를 집전하는 것이다.
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그림 17. CX 액티브 팬터그래프[1]
국내의 경우 유진전기공업에서 제시한 300km/h급 시제 팬터그래프를 개발하여 노선의
전차선로 주요 사양 조사/분석, 시제 팬터그래프에 대한 정적 특성 분석을 통한 동역학
모델 수립 및 시제 팬터그래프에 대한 동적해석 모델 수립, 팬터그래프 공력 특성 분석
등의 연구를 수행한 바가 있다.
집전판의 경우 도시철도에서는 동계 및 소결 합금계가 사용되는 것으로 조사되었으며
금속계 사용에 따라 전차선 마모도가 증가하는 것으로 조사되었으며 현재 탄소계 사용을
적극적으로 검토 중인 것으로 나타내었다. 특히 유지보수가 용이하도록 기존 팬터그래프
의 형상에 맞게 제조 할 수 있는 것이 중요하다 하겠다. 고속철도의 경우 용침탄소계가
활용되는 것으로 조사되었으며 집전상태를 양호하게 유지하기 위해 다양한 연구가 수행
되는 것으로 조사되었다. 특히 400 km/h급 이상 시에 신규공정에 의한 집전판의 무게와
두께 등을 줄이는 것이 시급한 것으로 조사되었다.
또한 KNR가선계에서 설계속도 350㎞/h의 고속주행 시 요구되는 운영요구 조건 및 기
술적 성능사양에 적합하도록 안정적이고 신뢰성 있는 저이선, 경량, 저소음형 팬터그래프
구조 및 집전판의 설계, 제작 및 시험·평가기술을 확립하여 고유모델의 고속전철용 판토
그라프의 개발 연구가 수행된 적이 있다. 이때 집전판은 용침탄소계를 자체적으로 제작하
여 개발한 바 있으나 실용화 되지는 않았다. 또한 집전판으로서의 신소재 연구 동향은 소
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결합금이나 카본계 재료 이외에, 신소재라 불리는 세라믹스와 탄소계 복합재료를 집전판
에 적용하는 검토가 일본에서 이루어 진 것으로 보고되었다.
마. 팬터그래프 집전판 특허기술 조사
나노코팅 기술이 적용된 팬터그래프 집전판의 국내외 특허 조사를 우리특허법률사무소
에 의뢰하여 팬터그래프 집전판 제조기술의 국내외 특허기술 및 팬터그래프 집전판 제조
시 사용되는 나노금속 입자 적용기술에 관한 포괄적인 특허기술 조사를 진행하였다. 조사
범위는 국제특허분류에 의거하여 B60L : 전기적 추진차량의 전기장치 또는 추진 장치,
차량용 자기적 현가 또는 부양장치, 차량용 전기적 제동방식일반과 B60L5/24 : 팬터그래
프(Pantographs), 마지막으로 B82B : 나노구조 또는 그의 취급 or 제조에 관하여 한국,
미국, 일본, 유럽에 대하여 조사를 진행하였다. 선행기술조사에 적용된 검색식은 한국과
다른 나라도 분류하여 진행하였다. 한국의 기술조사는 검색식 1) {(철도*, 지하철*, 전철*,
철차*, 전동차*, 열차*, 기관차*, 화차*, 고속철도*, 고속전철*, 궤도차*, 전기기관차*, 전
차*) + (팬터*, 펜터*, 팬타*, 펜타*, 판토*, 집전*, 컬렉*, 콜렉*, pantograph*,
pantograph*,collect*) +(습판*, 주습판*, 보조습판*, 접판*, 스트립*, 슬립판, 슬리퍼*, 슬
라이더*, 스라이더*, 슬라이다*, 윤활*, 습윤*, 카본윤활*, 고체윤활*, 탄소윤활*,
lubricat*, lubricant*, strip*, slipper*,slider*,((슬라이드*, 슬라이딩*, 스라이드*, 스라이딩
*, 슬립*, 스립*, slid*, slip*) (보드*, 보오드*, 패널*, 판넬*, 플레이트*,플래이
트*, board*, panel*, plate*)))}으로 457건의 특허가 검색되었고, 미국, 일본, 유럽, PCT는
검색식 {(railway*, railroad*, railcar*, train*, traction*, locomotive*,coach*, ((dc, ac,
direct current*, direct-current*)(railway*, railcar*, traction*, transit*)),
(electric* (train, vehicle*, car)))@AB + (pantograph*, pantograph*,collect*,
pentograph*)@ab + ((coat*, doping, metal*,composition)@ab, B22*, C09*, C22C*,
B60L5*)}으로 검색하여 미국 : 562건, 일본 : 1065건, 유럽 : 234건, PCT : 198건의 특허
가 검색되었다. 검색된 특허들 가운데 주요 관련특허들을 아래 표 3에 정리하였다.
조사결과 나노코팅 기술이 적용된 집전판 관련 특허기술을 조사한 결과 Cu를 집전판
1) 검색연산자 설명
?, * : wildcard(중간절단자 또는 전방절단자)
+ : AND
, : OR
: 전방에 입력한 키워드로부터, n에 지정된 빈칸의 개수만큼 전후로 후방단어가 존재하는 문서를 검색
- 26 -

표면에 코팅하는 기술과 Cu 또는 Cu합금을 용침하는 동용침 Fe기 소결합금으로 구성되
는 것을 특징으로 하는 내마모성 및 전기 전도성이 뛰어난 동용침 Fe기 소결합금제의 팬
터그래프용 집전판으로써 금속을 도핑하거나 코팅하는 기술에 해당되는 특허 및 탄소 나
노튜브를 복합재료로 사용한 팬터그래프용 집전판에 관한 특허가 조사 되었다. 기존 특허
들은 기 제작된 집전판에 추가로 코팅을 하거나 제조공정에서 일부 첨가물을 추가하여
집전판의 성능향상을 기대 했을 뿐 본 과제에서 시도하는 집전판 제작에 나노 입자의 금
속 물질을 탄소와 결합시키는 제작 기술에 관한 기존 기술은 존재하지 않았다.
순번 문헌번호 출원인/특허권자 명칭 및 기술요약
1 미국공개특허
2008-095694
2 미국공개특허
2006-071862
3
미국특허
5,589,652
4 일본공개특허
2007-124789
JAPAN SCIENCE &
TECH AGENCY
INTEGRAL
TECHNOLOGIES
INC.
HITACHI LTD.
BUSSAN
NANOTECH
RES INST INC.
5 일본공개특허 RAILWAY
TECHNICAL
표 3. 주요관련 특허기술 문헌정보 및 기술요약
[Carbon-Based Fine Structure Array, Aggregate
of Carbon-Based Fine Structures, Use Thereof
and Method for Preparation Thereof]
탄소 나노 튜브와 같은 것과 집합체의 어레이와
반데르발스력과 같은 강한 상호작용에 의해 함께
홀딩되는 탄소-계 미시 구조를 사용한 판토그래프
집전판
[Low cost electrical power connectivity for
railway systems manufactured from conductive
loaded resinbased materials]
전도성 수지기반의 재료는 베이스 수지 호스트에
서 금속 섬유 또는 도금된 파이버 금속의 마이크
론 도전성 분말, 전도성 섬유 또는 전도성 입자와
전도성 섬유의 조합을 포함하는 철도시스템을 위
한 전기 연결장치
[Ceramic-particle-dispersed metallic member,
manufacturing method of same and use of
same]
세라믹 초정밀 입자 및 고체 윤활제 입자 또는
고체 윤활제 짧은 사이즈 파이버는 분산시키며, 여
기에서 상기 세라믹 초정밀 입자의 평균 입자 크
기가 200nm이하이고, 상기 짧은 사이즈 파이버의
상기 고체 윤활제 입자 또는 중간 직경의 평균 입
자 크기가 0.25에서 10.mu.m의 범위로 하는
ceramic-particle dispersed 금속부재를 사용한 판
토그래프 집전판
[CONTACT STRIP FOR PANTOGRAPH ]
동, 또는 동의 소결합금을 재료로 하는 금속과 카
본 나노 튜브의 복합재료에 의해 형성되는 팬터그
래프용 집전판
[CARBON-BASED CURRENT COLLECTING
SLIDING MATERIAL AND
- 27 -

2002-180105
6 일본공개특허
2000-281446
7 일본공개특허
평08-033110
8 일본공개특허
평08-308012
9 일본공개특허
평08-104960
RES INST ;
TEIKOKU
CARBON IND.
RAILWAY
TECHNICAL
RES INST ; NIPPON
FUNMATSU GOKIN
KK
TOKAI RYOKAKU
TETSUDO KK ;
NIPPON KOGYO
UNIV
FURUKAWA
ELECTRIC
CO. LTD ; TOYO
ELECTRIC MFG CO.
LTD
MITSUBISHI
MATERIALS CORP
MANUFACTURING METHOD]
양도전성의 금속가루 및 소선경 0.05~0.3mm,길이
2~10mm의 양도전성 금속 섬유의 총화가 중량비에
서35~70%, 잔부를 탄소가루로 하는 재료로, 금속
가루와 금속섬유의 총화에 대한 금속 섬유의 비율
이 중량비로 5~20%로어느 재료를 혼합 후, 가압
성형해, 그 성형체를 비산화성 분위기중에 있어 성
형 체내로부터 금속이 용해되는 범위의 고온으로
소결 하는 탄소계 집전판 제조방법
[TITANIUM-COPPER-CARBON COMPOSITE
MATERIAL AND ITS PRODUCTION]
탄소기재에, 복합재료의 전중량에 대해 1~70 중
량%의 비율이 되는 티탄과 복합재료의 전중량에
대해 1~75 중량%의 동함유율이 되는 동 또는 구
리합금이 융합되는 것을 특징으로하는 판터그래프
의 집전판
[CURRENT COLLECTING PANTOGRAPH
SLIDER MATERIAL OF
COPPER-INFILTRATED FE-BASE SINTRED
ALLOY WITH HIGH WEAR RESISTANCE
AND ELECTRIC CONDUTIVITY]
Cu:0.5~3중량%, Ni:2~6중량%, Mo:0.1~2중
량%, 를 함유 해, 나머지가 Fe 및 불순물로부터
되는 조성을 가지는 기공율:10~30%의 Fe기소결
합금에, Cu 또는 Cu합금을 용침하는 동용침 Fe기
소결합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 내마
모성 및 전기 전도성이 뛰어난 동용침 Fe기 소결
합금제의 팬터그래프용 집전판
[CURRENT COLLECTING SHOE FOR
PANTOGRAPH AND MANUFACTURE
THEREOF]
전철선에 접접한 집전판과 shoe를 일체형성하고
집전판과 배의 모재를 공통의 도전부재로
형성함과 함께、산화알미늄 등의 화재를
함유시키는 것을 특징으로 하는 팬터그래프의
집전주
[CONTACT STRIP MATERIAL OF
PANTAGRAPH FOR CURRENT COLLECTING
MADE OF IRON-BASE SINTERED ALLOY
EXCELLENT IN ELECTRICAL
CONDUCTIVITY AND WEAR RESISTANCE]
분산상 형성 성분으로서 TiB2 and/or ZrB2중에
서 1종 또는 2종 이상:5~20%, 분산상 형성 성분
으로서 ZrN, MoSi2, TaC and WC중에서 1종 또
는 2종 이상:5~20%, 분산상 형성 성분으로서
BN, MnS, MnO2 가운데 1종 또는 2종이상:0.
1~5%, 소지 형성 성분으로서 Ni, Cu, 및 Mn 가운
데1종 또는 2종 이상:0. 1~7%,를 함유 해, 나머지
가 같은 소지 형성 성분으로 서의 Fe와 불순물로
부터 조성을 가지는 Fe기소결합금으로 구성한 것
을 특징으로하는 Fe기 소결합금제의 팬터그래프용
집전판
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2. 팬터그래프 집전판 금속계, 탄소계 및 탄소․금속 합금계 분석
가. 금속계, 탄소계 및 용침탄소계 집전판 분석
집전판 재료로는 크게 Carbon계와 소결합급계를 사용하고 있으며 현재는 이 두 재료의
장단점을 보완하여 Metallized Carbon계가 주로 사용되고 있다.
집전판은 가선에 접촉하여 습동하면서 집전하기 때문에 전기적인 특성 및 기계적인 특
성을 모두 만족시켜야 한다. 즉, 집전판은 도전성 및 집전 용량이 양호하고 상대마찰재인
가선을 마모시키지 않아야 하며 집전판 자신도 마모가 적고 내구성이 있어야 한다. 또한
충격에 대한 기계적 강도도 커야하고 가선과 집전판의 이선에 의해 발생하는 아크에 의
해 파손되지 않아야 한다. 이에 따라 다양한 재료의 집전판이 개발되고 있다. 집전판은
전기회로상의 1소자이므로, 보다 높은 도전성(낮은 저항률)이 요구되어진다. 실용상에서
집전판의 저항률을 정하는 요인으로는, 집전판・전차선의 접촉점에서의 접촉저항에 의한
줄열 발열과, 집전판 자체의 줄열 발열이 있다. 접촉점에서의 발열은, 차량이 정차 시 집
전하는 경우에 문제가 된다. 정차 시 차상기기용 전원 전류를 집전할 때, 접촉점에서의
접촉저항이 크면, 접촉점에서의 발열에 의해 전차선의 온도가 상승한다. 제6장에서 서술
한 바와 같이 경동 전차선의 온도는 90℃를 초과할 수 없으므로, 접촉점에서의 발열에 의
한 전차선의 온도를 그 이하로 제한할 수 있는 저항률로 할 필요가 있다. 기온과 일사(日
射)의 영향을 고려하면, 전차선의 온도를 90℃ 이하로 제한하기 위해서는, 접촉점에서의
온도 상승치는 약 47℃ 이하일 필요가 있다. 또한, 역행 시 등의 큰 전류를 집전할 때의
집전판 자체의 발열도, 그것에 의해 팬터그래프 Pan head의 부품에 영향을 미치지 않을
정도로 제한할 필요가 있다.
집전판에는, 전차선으로의 압부(押付)에 의한 접촉력, 전차선과의 접동에 의한 마찰력이
작용한다. 이들 힘은 항상 변동하며, 변동주기가 짧고 진폭이 큰 것은, 이른바 충격력으로
서 집전판에 작용한다. 집전판 재료로는 이들 힘이 반복 작용하여도 파손하지 않는 강도
가 요구되어진다. 그러나, 사용 중의 집전판에 어떠한 힘이 작용하는지는 차량의 주행조
건, 가선 구조 등에 의해 다양하며, 기존부터 명확했던 것은 아니다. 집전판에 필요한 기
계적 강도로서는 실용재로서 실적이 있는 재료의 강도를 목표로 하고 있다. 단단함에 대
해서도 실용재의 특성치를 참고로 하지만, 그 상한치에 대해서는, 경동제 전차선의 단단
함을 상회하지 않는 값으로 한다.
- 29 -

현용 집전판 재료의 내마모성은, 윤활유 등에 의한 윤활 없이 접동하는 재료로서는 최
고의 부류에 들어가는데, 그래도 우선 고성능화의 요구는 강하다. 집전판의 사용조건은,
통전할 것, 접촉력의 변동에 의해 쉽게 접촉이 없어져 아크 방전이 발생할 것, 빗물과 먼
지가 접동면에 쉽게 들어가 개방계일 것 등이 일반 접동재료의 사용 조건과 크게 다른
점이다. 집전판의 내마모성은 실제 차량에서의 사용 상황을 모의한 정치(定置) 마모시험
기에 의해 평가가 이루어지는데 최종적인 확인은 실제차량에서의 실용시험에 의지할 수
밖에 없는 것이 현 실정이다.
집전판 재료에는 다양한 특성이 요구되는데, 시대에 따라 최우선되는 특성은 변천하고,
그것에 따라 사용되는 재료도 변화하고 있다. 이하에 집전판 재료의 변천을 간단하게 정
리하였다.
나. 집전판 재료 분석
전기철도 발명 당시 집전판에는 동판이 사용되었다. 그 후, 1880년대 미국의 Geroge
Hobbes가 탄소전극을 집전판에 사용하는 것을 고안하여, 1920년대에는 카본(탄소)집전판
이 보급되었다. 이후, 구미에서는 카본이 가장 일반적인 집전판 재료로서 사용되고 있다.
일본에서도 전차 개업 당초 집전판은 동(銅)이었는데, 유럽과 마찬가지로 동에서 수입품
카본으로 변화하였다. 전시(戰時)체제하, 동은 군수물자가 되어 입수가 어려워지고, 카본
집전판의 수입도 불가능해져, 국산 카본 집전판이 개발되어 사용되었다. 종전 직후, 전시
중 물자 부족에 의하여 보수가 불충분했던 설비・차량에서 고장이 빈발하고, 전차선의 용
단 사고도 발생하였다. 국산 카본 집전판의 성능도 양호하지는 않았고 갈라짐・깨짐이 적
지 않게 발생하였다고 한다.
이러한 상황 하에서 동계 소결합금 집전판이 개발되었다. 사쿠라기쵸(桜木町)역 구내에
서의 전차 화재사고 이후 저항률이 낮은 소결합급 집전판으로 전환이 진행되어, 1950년경
에는 국철의 모든 전차에서 동계 소결합금을 사용하기에 이르렀다. 이후 일본에서는 소결
합금이 가장 일반적인 집전판 재료가 되어 그 후의 신칸센 개업과 속도 향상으로는 철계
소결합금 집전판의 개발이 재래선의 한랭지 대책으로는 동계 소결합금 집전판의 개량이
진행되어, 현재에 이르렀다.
국철의 분할 민영화 이후는 전차선의 마모 저감에 의한 전차선 설비의 보수 경감이 요
구되어, 카본 집전판을 사용하는 구미와 일부 민철에서 전차선의 마모가 매우 작다는 것
- 30 -

이 알려져 팬터그래프 수가 적고 집전전류가 큰 직류전차에서 사용할 수 있는 저항률이
낮은 카본계(탄소계) 집전판의 개발이 진행되었다. 카본계 집전판은 1995년경부터 급속히
보급되어, 최근에는 JR회사 전차의 2/3 이상에서 사용되고 있다.
다음으로 주요 집전판 재료의 諸특성에 대하여 서술하겠다.
- 31 -

다. 금속계 팬터그래프 집전판
철계는 가선 동선의 연마와 전기 전도도가 낮고 전차선의 급속히 마모되는 것으로 조
사되었다. 구리의 경우 전도도가 높으나 전차선과의 접촉면에서 소음 등 미세한 영향이
발생하는 것으로 조사되었다. 또한 전차선과 양호한 집전상태를 유지하며 일본의 경우 금
속계 집전판을 주로 고속선에서 사용하는 것으로 조사되었다.
금속계 재료에는 동(銅), 강(鋼) 등의 금속 외에, 소결합금, 주조합금이 있다. 동(銅), 강
(鋼) 등이, 반드시 집전판용인 것은 아니므로, 윤활성이 부족하고, 사용할 때에는 어느 정
도 윤활이 필수이며 최근 몇 년간 거의 사용되지 않았다.
그림 18. 소결합금 집전판의 제조 공정
- 32 -

소결합금은, 다양한 금속 분말을 혼합하여 성형(成形)하고, 융점보다도 낮은 온도에서 달
구어 금속분(金屬粉)을 결합시켜 제조하는 것이다(그림 18). 혼합하는 분말로는, 주체가
되는 금속분(동 Cu, 철 Fe) 외에 윤활성의 화합물(2황화 몰리브덴 MoS₂, 흑연 C 등),
단단함을 높이기 위한 경질 금속 입자(크롬 Cr, 페로몰리브덴 FeMo, 페로티탄 FeTi 등)
가 있으며 혼합하는 분말의 종류와 양을 조정하여 얻을 수 있는 합금의 특성을 조절할
수 있으므로 집전판 재료와 같이 복수의 특성이 요구되는 재료의 제조에는 적합하다. 일
본에서는 전후(戰後) 집전판 재료의 개발은 소결합금을 중심으로 진행되어 왔다. 그림
19-(a)에 대표적인 소결합금 집전판의 금속 조직을 나타내었다. 그림의 둥글고 하얀 부분
이 경질금속입자이다.
주조합금은, 다양한 금속을 혼합, 용융하여 주조하는 것이다. 성분 조정에 의해 어느 정
도 특성을 조절할 수 있다. 현재는 일부 민철에서 사용되고 있다.
표 4에 대표적인 소결합금 집전판, 주조합금 집전판의 조성(組成)을 제시하였다.
그림 19. 소결합금 집전판, 카본계 집전판의 조직
- 33 -

용
도
재
래
선
・
민
철
신
칸
센
표 4. 주요 현용 소결합금 집전판・주조합금 집전판의 조성(組成)
상표
소지(素地) (wt%) 경질성분 (wt%) 윤활성분 (wt%)
Cu Sn Fe Ni Cr 기타 MoS₂ C Pb 기타
BC 殘 8~10 10~1
5
- 34 -
기사
2~4 - - - 3~5 - - 3종동계
TC103 殘 8~11 - - 3~5 P - 2~4 - - 1종 링동계
CR1 殘 4~6 4~7 - - FeMo 1~3 - -
FeS,
CuS
한랭지용 1종
CR2 殘 5~7 - - 8~11 P 3~7.5 1 - - 한랭지용 2종
IH 57~63 - - - -
Zn(33~37)
,
A1
- - 4~6 - 주조 황동계
NK3 83 5 - 1 - - - 10 - 연청동계
TF5A 0.1~3 - 殘 - 10~16 P 2~7 - 2~10 - 개량형철계
BF31 - - 殘 1~3 -
M54X 0.4~1.5 - 殘 0.5~2.
5
0.5~2.
5
FeTi, FeW,
FeMo
- - 5~15 - 개량형철계
FeMo -

라. 탄소계 및 용침탄소계 팬터그래프 집전판
탄소계 집전판은 전차선과의 집전영향이 거의 없으나 전도도가 구리 금속계 집전판보
다는 낮은 것으로 조사되었다. 용침탄소계의 경우 전기전도도가 비교적 높고 가선에 영향
이 없으며 비결정 탄소 및 동의 조합으로 구성되는 것으로 조사되었다. 특히 25% 정도의
동을 포함하여 집전성능을 향상시키며 ~200 bar, 1200℃로 충진 제작 되는 것으로 조사되
었다.
탄소계 재료는, 금속계 재료에서 주체가 되는 것이 동, 철 등의 금속인 것과 대조적으
로 탄소를 주체로 하는 재료이다. 집전판으로 이용되는 탄소는, 코크스(cokes) 등의 탄소
분말을 형성하고 1,000~1,500℃ 정도에서 달구어(소성(燒成)한다) 제조한다(그림 20). 탄소
단체로서도 집전판으로 사용할 수 있는데, 최근 몇 년 동안 도전성, 기계적 강도를 높이
기 위하여, 탄소분에 금속분, 금속섬유, 탄소섬유를 혼합하거나, 소성한 탄소에 녹은 금속
을 함침(含浸)하거나 한 집전판(‘카본계 집전판’, ‘메탈라이즈드・카본’ 등으로 불림)이 개
발되고 있다. 그림 19에 대표적인 카본계 집전판의 조직을 표 5에 조성(組成)을 나타내었
다. 그림의 어두운 부분이 카본, 밝은 부분이 카본에 함침된 금속이다.
카본계 재료는, 기계적 특성, 전기적 특성에 관해, 금속계 재료와는 완전히 다른 재료이
며, 종래의 집전판의 규격치에서 모두 벗어나 있다. 이 중 도전성에 대해서는, 전차선의
온도의 관점에서 필요 충분한 저항률을 확보할 필요가 있다.
- 35 -

그림 20. 카본계 집전판(금속 함침형)의
제조공정
- 36 -
그림 21. 집전판의 저항률과 전차선의 온
도상승(집전판 하나당 100A 통전)
실험결과로부터 집전판 폭을 25~40mm, 통전전류를 100A로 한 경우에, 전차선의 온도
상승치를 약 47℃ 이하로 하려면, 집전판의 저항률은 3μΩm 이하일 필요가 있다는 것을
알 수 있다(그림 21). 한편, 기계적 특성에 대해서는 카본계 재료가 금속계 재료와는 다
른 성질의 재료인 것, 카본계 재료가 유럽의 고속철도나 일본의 민철에서 특별히 지장 없
이 사용되고 있는 것을 고려한다면, 기존의 규격치의 적용은 적절하지 않다. 그래서 국철
시대에 재래선 직류구간에 카본계 재료를 도입하는데 개발 목표치가 설정되었다(표 6).
직류구간용으로 개발된 PC78, PC78A, PC58 등은 모두 이 목표치를 만족하는 특성을 갖
는다.

종별 상표 밀도
(g/cm³)
휨 강도
(MPa)
충격치
(KJ/m²)
저항률
(μΩm)
- 37 -
조성(組成) (wt%)
C Cu 기타
순 카본 SW 1.7 50 1.5 32 100 - - 국산, 일부 민철에서 사용
카본계
(메탈라
이즈드・
카본)
표 5. 대표적인 카본계 재료의 특성과 조성(組成)
MC15 2.9 90 3.2 7.0 殘 - Sn(18), Sb(26) 국산, 교류용, 금속함침
MY7D 2.5 100 2.8 8.0 殘 28 Pb(12) 영국제, 교류용, 금속함침
PC78 3.0 120 4.2 2.3 殘 39~50 Pb(4~6), Sn 국산, 금속함침
PC78A 2.9 110 4.0 1.8 殘 50 - 국산, 금속함침
PC58 3.7 120 4.2 1.0 殘 60 - 국산, 금속분혼합
MY258 2.9 120 4.0 3.0 殘 32 Pb(14) 영국제, 금속함침
종별
표 6. 카본계 집전판의 개발 목표치
저항률
(μΩm)
재래선 직류구간용 카본계 집전판 3 이하
휨 강도
(MPa)
100
이상
기사
샤르피(charpy)-충격치
(KJ/m²)
3.5 이상

그림 23. 도시철도와 고속철도의 집전판을 비교
그림 24. 도시철도와 고속철도의 집전판을 비교
팬터그래프로 제조상 비밀이 많고 특허 분석 결과 제조 방법에 대한 기술은 조사되지
않았다. 그러나 국내의 경우 한국생산기술연구원에서 수행한 팬터그래프 개발 보고서에
그 내용이 나타나 있다. 본 연구에서 팬터그래프 집전판의 기존 제조 방법의 분석 내용은
상기 보고서를 참조하여 나타냈다.
일반적으로 순 탄소계는 탄소계 원소재 혼합, 성형, 예비열처리, 메소페이즈 처리, 소결,
합침, 소결의 7단계로 조사되었으며 그림 25에 순탄소계 제조 공정별 결정구조 분석 사진
을 나타내었다. 용침탄소계의 경우 혼합, 성형, 열처리, 함침의 순서로 제조를 수행하며
세부 구성별 결정은 그림 26와 같다.
- 39 -

그림 25. 순탄소계 집전판 제조공정에 따른 결정구조 분석
그림 26. 용침탄소계 제조에 따른 결정 구조 변화
탄소계 집전판 원소재로는 크게 탄소계 원소재와 바인더로 구분할 수 있는데 탄소계
원소재로는 코크스, 인조흑연, 천연흑연 등이 널리 사용되고 있다. 코크스를 필라로서 사
용할 때는 괴상탄소로서의 품질뿐만 아니라, 점결재 피치와의 상호작용이 깊이 연구되어
- 40 -

야 하는데, 코크 입괴의 분포, 입형, 세공구조, 젖음성이 중요한 변수이다.
바인더 피치는 콜타르 피치 또는 석유피치로부터 제조되는데, 일본에서는 콜타르계의
바인더 피치가 널리 사용되고 있고, 미국에서는 석유계 피치도 이용되고 있다.
우수한 바인더는 ① 성형이 용이할 것, ② 성형탄소재가 고밀도로 고강도일 것, ③ 성
형체의 치수제어가 용이할 것, ④ 성형탄소체의 열적 전기적 성질이 우수할 것 등을 만족
시켜야 한다. 또 압출 및 프레스법으로 균일한 성형이 용이하기 위해서는 용융한 바인더
는 필라 탄소와 잘 섞이고, 필라의 균일 충진을 가능하게 하고, 또한 성형 시에 크지 않
는 압력으로 성형되어야 하기 때문에 연화온도, 연화점도가 적당하지 않으면 안 된다. 동
시에 필라의 침강 등의 편재를 제어하기 위해서 액상비중이 높은(필라 탄소에 가깝도록)
것도 필요하다. 성형체(소성전)에도 상당한 강도가 요구되기 때문에 접착제로서의 역할,
필라 탄소표면을 잘 감싸 필라의 세공에도 균일하게 분포하여 충분한 막두께로 응집되어
야 한다. 따라서 원료인 피치인 콜타르 피치는 주로 방향족 환과 알킬기로 구성되어 있음
을 알 수 있다. 콜타르 피치의 미세구조를 SEM분석을 통해 살펴보면 flake 형상이지만
매우 조대하다. 그러나 피치의 경우 탄소계 원소재인 코크와 혼합 시 피치의 연하점 이상
이 150℃에서 수행되어 액상이 되므로 고상입자의 크기가 코크와 차이가 나더라도 균일
하게 혼합하여 성형품을 제조하는데는 문제가 없을 것으로 판단된다.
메소페이즈 피치(mesophase pitch)는 등방성 피치의 용융액 속에서 원래의 피치보다 점
도가 크며 비등방성 조직을 가졌으나 유동성을 가진 이방성 상(anisotropic phase)으로서
초기형성은 lamellae nematic liquid crystal의 형성이며 일단 이러한 구조가 형성되면
liquid crystal 내부에서 중합된 상이다.
메조페이스 피치는 등방성 피치의 열처리(300℃~500℃)를 통해서 얻을 수 있기 때문에
피치의 열처리 중에 일어나는 변화를 고려해 보는 것이 중요하다. 이 변화는 물리적, 화
학적 현상을 포함하며 이들에 대한 연구도 활발히 진행되어 왔다. 피치를 열처리하는 동
안 다응축 방향성 탄화수소(polycondensed aromatic hydrocarbon)가 열분해 및 고분자화
에 의해서 형성되고 특정의 방향성을 갖는 다응축 방향성 탄화수소가 형성된다. 계속적인
열처리에 의해서 구형의 메조페이스는 벌크 메조페이스로 합쳐진다. 이런 벌크 메조페이
스는 약 500℃까지 유동성을 가지고 있어 변형이 가능하다. 메조페이스는 흑연화가 가능
한 탄소 구조로써 판상구조를 갖는 매우 큰 다응축화된 방향족 분자들의 제한적인 집합
체이다. 피치 속에 존재하는 작은 지방성(aliphatic)의 side chain들이 열적으로 분해되면
서 방향족의 free radical들이 생기게 된다. 이런 방향족 free radical들의 결합으로부터 메
조페이스 합성이 시작된다. 메조페이스 단계에서 일어나는 가장 중요한 물리적인 변화는
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낮은 온도에서 휘발할 수 있는 성분의 휘발과 가스의 방출이다. 이들 휘발분의 성분은 낮
은 분자량의 방향족 물질로 주로 구성되어 있으며 이들이 미처 반응되기 이전에 정류되
어 빠져 나온 것이다. 휘발의 정도는 압력에 의하여 변화시킬 수 있다. 가스의 방출은 고
온에서 탈수소 반응과, 분자의 side chain의 분열 등의 화학반응에 크게 관련되어 있다.
따라서 피치의 열처리 시에는 적당한 온도와 가스압력을 유지시키는 것이 필요하다. 피치
의 열처리와 관련된 주 화학 공정은 열적으로 유발된 고분자 중합(polymerization)이다.
이 효과는 피치의 불용해 성분의 변화정도에 의해서 알 수 있다. 즉, 퀴놀린 불용성분과
피리딘 불용성분에 의해 나타낼 수 있다. 또한 피치로부터 메조페이스로 변환되는 동안의
중합도는 분자량 분포를 측정함으로써 좀 더 직접적으로 알 수 있다.
등방성 피치로부터 액정 즉, 메조페이스가 자라나는 방법은 분자들의 크기와 평면성, 평
면 구조를 가진 큰 분자들의 유효농도, 처리온도, 그리고 계의 점도 등이 복합적으로 관
계된 상황에 좌우되며 액정을 형성하는 분자들의 자세한 구조나 조성, 가열속도, 그리고
탄화계의 물리적 상황은 메조페이스의 생성 자체에는 영향을 크게 미치지 못하나 메조페
이스의 성장 단위체의 형태에는 영향을 미친다. 높은 점도는 생성되는 비등방성 탄소의
편광학적 조직에 영향을 미쳐 mosaic들이 주로 형성되며 낮은 점도는 domain들을 형성
하게 된다. 또한 고립된 메조페이스의 표면에너지를 최소로 하기 위해 등방성 피치에 구
형으로 나타나고 처리온도나 시간이 임계점 이상이 되면 점차적으로 메조페이스 구형의
입자가 합쳐지기 시작하여 유체 흐름(flow like) 모양처럼 바뀌는 bulk mesophase가 생성
된다. 그러므로 여러 종류의 유기 화합물들에서 생성된 탄소들의 광학적 조직이 서로 다
른 것은 메조페이스 상태의 점도가 서로 다르기 때문이며 이는 반응 혼합물 내에 존재하
는 분자들의 화학적 반응성과 열처리 온도에 의해 결정되는 것이다.
탄소계 집전판의 바인더 요구특성은 비중(density)이 크고, 벤젠 불용분(B.I) 값이 크며
퀴놀린 불용분(Q.I) 값이 작아야 하며 방향족 성분이 풍부하고 탄화율이 커야 한다. 이들
특성을 만족시킬 수 있는 또 다른 바인더로서 본 연구에서는 페놀수지(phenolic resin)를
선정하여 실험을 수행하였는데 페놀수지의 특징은 기계적 강도가 크고 치수안정성과 내
열성이 좋으며 각종 용매와 그 밖의 화학약품에 대하여 안정하고 전기절연성이 우수하다
는 것이며 결점으로는 알카리에 약하다는 점과 원래 적갈색으로 착색되어 있으므로 변색
하기 쉽고 착색에 제한이 있다는 점을 들 수 있다.
공업적으로 사용되는 페놀수지에는 두 가지의 유형이 있으며 기본적 구조에서 페놀알
코올류와 디히드록시디 페닐메탄 유도체로 설명할 수 있다. 페놀에 대해 포름알데히드를
과잉으로 하여 알칼리 촉매로 반응시키면 생성물은 페놀과 포름알데히드가 부가된 여러
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가지의 페놀알코올의 혼합물로부터 이루어지며 이것은 보통 레졸(resol)이라 부른다. 한
편, 포름알데히드에 대해 페놀을 과잉으로 하고 초산을 촉매로 하면 생성물은 페놀알코올
에 다시금 페놀이 중합된 디히드록시페닐메탄류의 여러 종의 유도체로부터 이루어지며
이것을 노블락(novolac)이라고 불리운다.
레졸은 알코올, 아세톤 등의 유기용매에 가용이고 가열하든가 또는 산을 첨가하면 상온에
서도 반응이 진행하며 결국 결화를 일으켜 불용불융의 고체가 된다. 한편 노블락은 보통
그대로 가열해도 영구히 가용가융이지만 여기에 파라포름 알데히드를 첨가하여 가열하면
경화한다.
탄소계 집전판내 기공의 균일한 분포를 위해서는 탄소계 원소재인 코크와 바인더인 콜
타르 피치, 메소페이즈 피치, 레졸 및 노블락을 균일하게 혼합하는 것이 매우 중요하다.
불균일한 혼합으로 인해 성형 몇 열처리 공정에서의 균열이 발생하며 결국 경도 및 굽힘
강도의 저하를 야기한다. 균일한 혼합을 위해서는 코크의 입도분포, 바인더의 상태와 함
량, 혼합 온도, 혼합 시간, 혼합 기기 등의 최적화가 이루어져야 하는데, 균일한 혼합을
위해 고체와 고체의 혼합에는 Turbulent Mixer를 고체와 액체의 혼합에는 Kneader
Mixer를 사용하였다. 즉, 코크와 메소페이즈 피치, 코크와 노볼락 수지의 혼합에는
Turbulent Mixer를 사용하였으며 코크와 콜타르 피치, 코크와 레졸 수지의 혼합에는
Kneader Mixer를 사용하였다.
혼합공정에 영향을 미치는 공정변수로는 Turbulent Mixer의 경우 혼합 분말들의 입도
분포, 혼합비, 혼합시간 등이며, Kneader Mixer의 경우, 혼합비, 온도, 혼합시간 등을 고
려할 수 있다.
이상과 같이 순 탄소계 집전판과 용침탄소계의 집전판을 조사하여 나타내었다. 세부 공
정은 제조상의 비밀 등 공개에는 부적합 하므로 세부내용 이외에 학술적인 내용만을 위
와 같이 나타내었다.
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바. KTX 팬터그래프 집전판 분석
그림 27에 KTX 운행 중 팬터그래프 집전판 현장 조사 사진을 나타내었다. 그림에서와
같이 팬터그래프 집전판에 이선 아크로 인한 타흔의 흔적이 나타났으며 운행에 따른 마
모가 발생한 것으로 보인다. 집전판은 가선에 접촉하여 습동하면서 집전하기 때문에 전기
적인 특성 및 기계적인 특성을 모두 만족시켜야 한다. 즉, 집전판은 도전성 및 집전 용량
이 양호하고 상대마찰재인 가선을 마모시키지 않아야 하며 집전판 자신도 마모가 적고
내구성이 있어야 한다. 또한 충격에 대한 기계적 강도도 커야하고 가선과 집전판의 이선
에 의해 발생하는 아크에 의해 파손되지 않아야 한다. 이에 따라 다양한 재료의 집전판이
개발되고 있다.
그림 27. KTX 운행 중 팬터그래프 집전판 현장 조사 사진
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KTX 팬터그래프 집전판 분석 용 시편은 저속 다이아몬드 컷터로 절단하여 변형을 방
지하였으며 분석은 주사전자현미경을 사용하여 미세조직을 관찰하였으며 IR을 이용하여
미세상의 성분을 분석하였다. 집전판은 고속전철에 사용되는 집전판으로서 금속용침 카본
계의 집전판이다. 집전부와 플레이트(plate)는 접합되어 있지 않음을 알 수 있으며 집전부
의 카본기지에 copper가 실처럼 들어가 있음을 볼 수 있다. 그림 28에서와 같이 노출된
표면, 파단면A, 파단면B 모두 비슷한 상태로 확인되며 Cu/Graphite 복합체가 수십㎛ 이
상의 macro 구조 나타났다. 특히 Graphite 소결 후 Cu 함침에 의한 제조 과정으로 판단
된다. Cu 주변의 관찰해 보면 명암차이는 성분원소의 원자량 차이에 기인하는 것으로서
연마 표면의 관찰 결과 macro pore의 관찰이 되지 않았다. 특히 Graphite의 소결이 매우
치밀하게 이루어진 상태에서 큰 pore 부분에 Cu가 infiltration 된 것으로 사료되며
Graphite의 소결 상태는 매우 우수한 것으로 판단된다. Graphite의 경우 나노크기의 판상
입자들이 배향성이 우수하게 잘 배열된 것으로 이는 graphite 생성 시에 잘 발달된 미세
구조로 판단된다. 즉 잘 합성된 graphite 응집체 큰 입자를 이용하여 소결이 된 것으로
판단되며 Cu는 연마 과정에서 생긴 무늬이며 큰 의미는 없는 것으로 사료된다. IR 분석
결과 특이한 피크가 나타나지 않은 것으로 유기 성분이 없는 것으로 나타났으며 제품 제
조 후 유기 성분의 함침 등은 전혀 진행되지 않은 것으로 판단된다.
그림 28. KTX 팬터그래프 파단면 관찰 사진
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그림 29. KTX 팬터그래프 집전판 연마 표면 분석 SEM 이미지 (1)
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그림 30. KTX 팬터그래프 집전판 연마 표면 분석 SEM 이미지 (2)
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T%
T%
40
30
20
10
0
40
35
30
25
20
15
10
5
0
4000 3000 2000 1000 0
wave number[cm-1]
4000 3000 2000 1000 0
wave number[cm-1]
그림 31. KTX 팬터그래프 집전판 연마 표면 분석 IR 분석 결과
- 48 -

3. 금속계 나노 입자와 탄소계 합성을 위한 복합재료 기술 조사
집전판으로서의 신소재 연구 동향은 소결합금이나 카본계 재료 이외에, 신소재라 불리
는 세라믹스와 탄소계 복합재료를 집전판에 적용하는 검토가 일본에서 이루어 진 것으로
보고되었다. 탄소섬유로 짠 천을 성형하여 소성한 ‘탄소/탄소 복합재(C/C composite)‘는
경량으로 내열성이 높고, 항공기의 브레이크재 등으로 실용되고 있다. C/C composite에
동합금을 함침한 재료를 집전판에 적용하는 검토가 이루어지고 있으며 실제차량의 시험
결과에서는 실용할 수 있음이 확인되었다. 또한 탄화 티탄(TiC) 등의 도전성 세라믹스는
카본계 재료보다도 도전성, 기계적 강도에서 우수하여, 집전판으로 적용이 검토된 적이
있다(표 7). 그러나 윤활성, 내 아크성 등이 부족하여 실용화되지는 않았다.
표 7. 집전판으로의 적용이 검토된 새로운 재료의 특성
함침 재료
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밀도
(g/cm³)
휨 강도
(MPa)
저항률
(μΩm)
C/C composite + 동 티탄 합금 2.7 150 1.1
탄화 티탄 + 흑연 (78TiC-22C) 3.8 272 1.36
집전판의 성능향상을 위해서 복합재료를 사용한 기술을 조사하였다. 프랑스의 Carbon
Lorraine Group의 경우 기존의 탄소계 재료에 금속 물질을 첨가하여 집전판의 강도 및
저항을 감소시켜 집전성능 향상시키는 결과를 얻었다. 아래 표 8에서 금속 물질 성분 증
가에 따른 복합재료의 평균적인 특성은 표 8에 정리 하였다.
표 8. 집전판의 등급(모델)에 따른 평균 특성
등 급 AR 129 P 5696 P 6252
밀도 (g/㎤) 1.7 2.3 2.15
면저항 (µΩ.㎝) 3,300 700 1,000
휨 강도 (㎫) 40 85 60
집전판 경도 85 90 85
금속 함유율 (%) 0 20 25

1922년 JNR (Japanese National Railways)에서 완선한 팬터그래프 기술에서 중요한 요
소는 두 가지이다. 하나는 팬터그래프의 동적특성으로 전차선과의 접촉을 고속에서 유지
하는 것이고 나머지 하나는 전차선과 집전판의 마모 특성이다. 마모 특성의 경우 전차선
과 집전판 모두의 마모를 줄임으로써 수명을 늘릴 수 있고 수명이 연장됨으로 유지보수
비용을 절감 할 수 있게 된다. 일본의 JR East Group에서는 Carbon fiber reinforced
carbon composite (C/C composite)물질로 집전판을 제작하여 실제 열차에 장착하여 기존
의 집전판과 비교하는 실험을 진행하였다. 2)[1] C/C composite 팬터그래프 집전판은 현재
사용 중인 강철재질의 집전판 고정판을 사용하지 않고 집전판에 직접 볼트로 체결할 수
있을 만큼의 강도를 가지고 있어서 표 9에서 보이다시피 팬터그래프 상단의 무게를 15%
줄이는 효과가 있다. 그림 32는 C/C composite 집전판 구조 단면과 나사산이 형성된 모
습의 이미지이다. 실제 팬터그래프에 장착한 모습은 아래 그림 33이다.
표 9. 강철재질의 고정판과 C/C composite 집전판의 팬터그래프 상단의 무개 비교
체결방법
강정 고정판
(현재 사용 중)
Main strips
(kg)
- 50 -
Auxiliary
strips (kg)
Pantograph
head (kg)
Total weight
(kg)
3.0 0.7 2.1 5.8
볼트 체결 방식 2.0 1.2 1.8 5.0
2) [Research and Development toward Wear Reduction of Current Collecting System]. JR EAST Technical
Review-No.13, 50-54

그림 32. C/C composite 집전판 단면과 나사산이 형성된 모습
그림 33. C/C composite로 제작된 집전판을 볼트 체결방식으로 팬터그래프에 장
착한 사진
C/C composite 집전판을 제작하여 기존 집전판과의 마모 특성을 실제 기차에 장착하
여 마모정도를 비교하는 실험을 진행하였다. 표 10에서 보시다시피 두 기차에서 평균 10
%이상의 마모율이 향상됨을 확인할 수 있다. 뿐만 아니라 기존 집전판 대비 C/C
composite 집전판 표면이 매끄럽다. 그림 34는 주행 테스트 후의 집전판 표면 이미지를
나탄내었다.
- 51 -

표 10. 집전판의 마모 정도 비교 (10,000 km 평균 마모 깊이)
- 52 -
A 기차 B 기차 set
기존 집전판 (PC78) 0.93 mm 1.17 mm
테스트 집전판
(C/C composite)
기존 집전판 대비 테스트
집전판의 마모율
0.86 mm 0.97 mm
92.5 % 82.9 %
전체 테스트 주행거리 65,380 km 57,390 km
기존 집전판 (PC78) 테스트 집전판 (C/C composite)
그림 34. 주행 테스트 후의 집전판 표면 이미지

그림 36. 집전판 온도 시험 (EN50405)
1. carbon contact strip fixed, 2. vertical displacement, 3. change of length
그림 37. 집전판 충격 시험 (EN50405)
1. typical length of pendulum 1m, typical striking pin contact diameter 13 mm, 3.
clamp, 4, carrier, 5. carbon
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시험 내용 (EN50405)
Test for the temperature characteristic of
the carbon contact strip under rated
current loading
Test for deflection and extension of the
carbon contact strip under extremes of
temperature
Test for flexural characteristic of the
carbon contact strip
Test of shear strength of the carbon
aontact strip
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Routine
test
Type test
Sealing integrity ○ ○
Temperature test ○
Flow continuity ○ ○
Impact function of the autodrop detection
sensor
Test of mechanical fatigue resistance of
the carbon contact strip
Test of electrical resistance of the carbon
contact strip
표 11 국제 규격에의한 팬터그래프 집전판 시험 내용 (EN50405)
○
○
○
○
○
○
○ ○

나. 집전판 성능검증 및 국외 기술 규격
일반적으로 팬터그래프 집전판에는 전기회로소자로서 필요한 높은 도전성(낮은 저항률)
팬터그래프가 전차선과 접촉 시에 필요한 높은 강도, 내마모성과 상대재(相手材: 전차선)
를 마모시키지 않는 성질과 소모품으로서 필요한 경제성 표 12에 집전판 재료의 일본 규
격사항을 나타내었다. 집전판 재료에 관한 일본 규격으로는, JIS E6301 '팬터그래프 집전
판‘ 외에, JRS(일본국유철도규격)가 있었다. 이것은 이미 폐지되었으나, 내용의 많은 부분
이 현재 JR 각 사의 집전판 사양서에도 실려있으며, 집전판에 요구되는 구체적 특성치를
아는데 참고가 된다.
표 12. 집전판 재료의 특성 (‘JIS E6301 팬터그래프 집전판’에 의함)
종류 재료 단면형상
- 56 -
인장강도
(MPa)
샤르피(charpy)
충격치 (J/cm²)
저항률
(μΩm)
1종 소결합금 장방형(長方形) 150 이상 5 이상 0.4 이하
2종 단체금속, 용해금속 장방형(長方形) 150 이상 5 이상 0.2 이하
3종 탄소 삼각형, 대형 - - 40 이하
용도 종별
신칸센용
1종(철계)
2종(동계)
인장강도
(MPa)
샤르피(charpy)
충격치 (J/cm²)
단단함
(HB)
저항률
(μΩm)
196 이상 9.8 이상 65~95 0.30 이하
신칸센용(개량형) 철계, 동계 176 이상 9.8 이상 70~115 0.40 이하
재래선용
표 13. 집전판 재료의 특성(JRS에 의함)
1종(동계) 196 이상 22.5 이상 50~60 0.23 이하
1종(링동계) 176 이상 4.9 이상 60~75 0.30 이하
2종(철계) 98 이상 1.9 이상 35~45 0.40 이하
3종(동계) 215 이상 11.7 이상 55~65 0.34 이하
재래선 한랭지용 1종, 2종 147 이상 6.9 이상 85 이하 0.30 이하

표13에 의하면, 재질에 따라서는, 인장강도, 샤르피(charpy) 충격치 등의 기계적 강도에
서, 신칸센용 집전판보다도 재래선용 집전판의 규격치가 큰 것이 있음을 알 수 있다. 2배
이상의 주행속도에서 사용되는 신칸센용 집전판 쪽이, 보통은 보다 큰 기계적 강도를 요
구하는데 규격은 반드시 그렇지만은 않다. 이것은 집전판의 규격이 집전판의 사용 조건에
의한 것이 아니라 실용재로서 실적 있는 재료의 특성을 참고로 하였기 때문이다.
다. KTX 고속용 팬터그래프 집전판 규격 분석
팬터그래프 고속용 집전판은 300 km/h급으로 고속용에 적합하다. 국제 규격과 달리 국
내 집전판 규격은 재질 등 다양한 면이 있다. 아래에 집전판 세부 내용을 나타내었다.
(1). 적용 범위
본 규격은 300km/h급 고속전철용 판토그라프 주습판(Main Strip)에 대하여 적용한다.
(2). 필요 조건
2.1. 재질
주습판(Main Strip)의 재질은 카본을 주성분으로 하며, 다음과 같은 특성을 만족하여야
한다.
2.1.1. 화학 성분
2.1.2. 기계적 특성
2.2. 형상
재료 탄소(%) 구리(%)
배합비율(%) 70 ~ 80 20 ~ 30
구분 전기비저항(μΩm) 굴곡강도(MN/m 2 ) 겉보기밀도(g/cm 3 ) 경도(HS)
성능 2 ∼ 12 40 ∼ 70 2.0 ∼ 2.75 75 ∼ 115
형상은 승인된 도면에 따른다.
2.3. 제조 및 가공
주습판(Main Strip)은 품질이 균일하고 끝 마무리가 양호하며, 사용상 유해한 결함이
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없어야 한다.
2.4. 성능
주습판(Main Strip)은 사용장비에 장착하여 시험하였을 경우 성능 발휘 상 하자요인이
없어야 하고, 기능 상 이상이 없어야 한다.
(3). 검사 및 시험
3.1. 검사
3.1.1. 검사의 분류
3.1.1.1. 외관 검사
3.1.1.2. 치수 검사
3.1.2. 검사 방법
3.1.2.1. 외관 검사
다.
외관 검사는 육안 검사로 실시하고, 사용 상 해로운 흠, 녹, 오손 및 변형이 없어야 한
3.1.2.2. 치수 검사
치수 검사는 검사기준서에 의하여 각부의 치수를 측정하여 기준치에 적합하여야한다.
3.2. 시험
3.2.1. 시험의 분류
3.2.1.1. 전기비저항 시험
3.2.1.2. 굴곡강도 시험
3.2.1.3. 겉보기 밀도 시험
3.2.1.4. 경도 시험
3.2.2. 시험 방법
3.2.2.1. 전기비저항 시험
제품자체를 가능한한 균일하게 하여 적당한 단자로 약 1㎏/㎠의 압력으로 길이 방향으
로 물리고 약 1A/㎠ 전류밀도로 1AMP의 전류를 흘리고 잘 닦은 금속침으로 브러시 본
체의 전면 또는 후면의 중심선상에 있어서 리드선부를 제외한전장의 50%이하(다만, 10㎝
이상)에서 전압강하 V(Volt)를 내부저항 100Ω이상의 “미리 전압계”로 측정하여 전기비저
항을 산출한다.
3.2.2.2. 굴곡강도 시험
성형기압의 방향이 두께 방향에 되도록 두께 10㎜, 폭 10㎜, 길이 60㎜의 시험편을 취
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(4). 품질 보증
제작 상 결함으로 하자가 발생할 경우 신속히 조치하여야 한다. 단 소모품 교환 주기
불이행 등 사용자의 취급 부주의에 의한 성능 저하는 제외된다.
(5). 포장 및 표시
5.1. 포장 재료
1) 내부포장 : 비닐
2) 겉포장 : 나무 상자
5.2. 포장 방법
취급이 편리하고 운반이나 보관 중 손상되지 않도록 한다.
5.3. 표시
외부 포장의 잘 보이는 곳에 제작 회사명, 품명을 표시하여야 한다.
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(6). 검사 기준서
[대 표 도]
No 검사항목 검 사 기 준
1 외관검사 사용 상 해로운 흠, 녹, 오손 및 변형이 없어야 한다.
2 치수검사
A 670(0,-1)mm
B 35mm
C 9mm
D 30°
E 15.6(+0.7,-0.3)mm
3 재료시험 2.1항의 기준을 만족할 것.
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2. 프랑스, 일본 등 기술 선진국 집전판 성능 검증 방법 조사
가. 마모에 따른 집전판 성능검증 기술과 메커니즘
집전판의 성능검증에 대하여 일반적인 점검사항은 예상되는 사용 한도 및 교환 한도
시점과 열악한 환경에서의 상태(예를 들면, 얼음, 눈, 비, 진눈깨비 등)이다. 그림 38에 집
전판 마모 한도를 나타내었다. 양쪽 습판체의 마모는 평탄하게 이루어져야 하며, 만약 그
렇지 않을 경우 평형 가이드바 조정상태 또는 집전헤드의 일부 품목 또는 평형 가이드
바의 손상 여부를 점검 하여야 한다. 습판체의 마모가 아래 그림에서 표시된 두께 이하로
내려갔을 경우 습판체는 교체되어야 한다.
그림 38. 습판체 마모 한계선 표시도
소모부품으로서의 집전판에서 가장 중요한 것은 내마모성이다. 집전판의 마모 메카니즘
은 전차선의 선종에 따라 다르며 일반적으로 상호 접촉에 따른 재료의 마모 요인으로 다
음의 것들을 들 수 있다.
① 재료의 조합
② 압부(押付) 하중(접촉력) : 팬터그래프의 정적인 압상력 외에 주행 중의 동적 변동
등
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③ 접동속도 : 차량의 주행속도에 해당
④ 접동환경 : 빗물, 유지(油脂)와 진애 등의 접동면으로의 개재 등
또한 전차선과 집전판의 집전에서는 통전이 가장 중요한 요인이다. 여기서는 트롤리선
측을 동합금으로 한 경우의 집전판의 종류에 따른 마모기구를 정리하였다.
(1) 금속계 집전판
(가) 마모의 형태
금속계 집전판에서는 응착마모(凝着磨耗)가 지배적이다. 트롤리선과 집전판의 접촉은,
금속 상호의 접동에 통전이 가해진 것으로, 응착마모로의 통전의 영향을 고려하는 것으로
정리할 수 있다.
(나) 마모의 요인
압부(押付) 하중이 증가하면 마모는 증가하고, 접동 속도가 고속이 될수록 마모는 감소
한다. 그림 39에 동계 소결합금 집전판(재래선용)과 철계 소결합금 집전판(신칸센용)의
통전을 수반하지 않는 정치마모시험의 마모율의 속도 특성을 나타내었다.
그림 39. 금속계 집전판 마모의 속도 특성
- 63 -

(다) 통전의 영향
통전의 영향은 접촉점에서의 접촉저항에 의한 줄 발열과 접촉이 떨어질 때(이선한 경
우)의 아크 방전 발생으로 크게 나뉜다. 줄 발열에 의해 접촉점 부근에서는 온도가 상승
하고 많은 경우 재료가 연화(軟化)하여 마모가 증대하는 방향으로 나아간다. 한편 아크방
전의 발생에서는 아크열에 의해 급격히 온도가 상승하고 많은 경우 아크 근방의 재료는
증발, 용융, 연화한다. 이것에 의해 마모는 증대하는 방향으로 나아간다.
정치마모시험의 결과로부터 이선 아크가 빈번하게 발생하는 것과 같은 조건에서 접동한
경우 집전판의 마모율은 아크 방전의 전기량에 비례하여 증가하므로 통전의 영향으로서
는 아크 방전의 발생에 의한 영향이 지배적이라 할 수 있다.
(2) 카본계(탄소계) 집전판
(가) 마모의 형태
카본계 집전판에서는 카본이 주체이고, 카본 자체의 윤활성이 높고 동과의 사이에서 응
착이 거의 일어나지 않으므로 금속계 집전판과 비교해 마모가 매우 적다. 카본의 마모에
대해서는 전부터 다양한 연구가 이루어져 왔는데 명확히 말 할 수는 없지만 마찰열 등에
의해 카본이 산화 소모하는 산화 마모와 트롤리선의 접동면의 미소한 거침에 의한 어브
레시브 마모로 생각할 수 있다.
(나) 마모의 요인
카본은 압부(押付) 하중의 증가, 접동 속도의 고속화에 따라 마모가 증가한다. 금속을
포함하는 카본계 집전판에서는 금속계 집전판과 마찬가지로 접동 속도가 낮아지면 마모
가 커지는 경향도 볼 수 있다. 그림 40에 금속을 포함하지 않는 순 카본 집전판과 동합금
을 함침한 카본계 집전판의 통전을 수반하지 않는 정치마모시험의 마모율의 속도 특성을
나타내었다.
- 64 -

(다) 통전의 영향
그림 40. 카본계 집전판 마모의 속도 특성
(통전 無, 정치마모시험에 의함)
통전의 영향은 금속계 집전판의 경우와 마찬가지로 접촉점의 줄 열과 이선시의 아크열
로 크게 나뉜다. 카본계 집전판에서는 열에 의해 카본의 산화 소모가 촉진되므로 통전에
의한 줄 열, 아크열에 의해 마모는 증대하는 방향으로 나아간다. 금속을 포함하는 카본계
집전판에서는 아크열에 의한 급격한 온도 상승에 의해 집전판 내부의 금속 입자의 증발,
용융, 탈락과 카본의 급격한 산화 소모가 진행하여 마모는 증대하는 방향으로 나아간다.
금속계 집전판의 경우와 마찬가지로 정치마모시험의 결과로는 이선 아크가 빈번히 발생
하는 것과 같은 조건에서 접동한 경우 집전판의 마모율은 아크 방전의 전기량에 비례하
여 증가하므로 통전의 영향으로는 아크방전의 발생에 의한 영향이 지배적이라 할 수 있
다.
(3) 집전판의 보수와 마모저감대책
(가) 집전판의 마모 형상
트롤리선에는 집전판의 일부분만이 마모하는 것을 막기 위하여 편위가 있는데, 집전판
의 마모형상은 이 트롤리선의 편위의 분포에 대응하여, 트롤리선과의 접동 빈도가 높은
부분만큼 마모량이 커진다.
- 65 -

트롤리선의 편위는 궤도 중심에서 좌우 약 20cm 이내로 되어 있으며, 많은 팬터그래프
panhead에서는 길이 27cm의 집전판을 2장 사용하여 주 집전판으로 하므로 트롤리선의
접동은 주 집전판의 범위내로 제한된다. 그러나, 곡선 구간과 선구에 따라서는 트롤리선
이 정상적으로 주 집전판의 범위를 일탈하여 보조 집전판을 접동하는 경우가 있다. 보조
집전판에는 알루미늄 합금이 사용되는 경우가 많고 또 알루미늄 합금의 내마모성은 소결
합금 집전판과 카본계 집전판의 수십분의 1이다. 이러한 경우에는 알루미늄 합금제 보조
집전판이 비정상적으로 마모하는 경우가 있으며 최악의 경우에는 panhead 절단 사고에
이르는 경우도 있다.
(나) 외부 윤활
금속계 집전판에서는 응착 마모를 방지함에 따라 집전판・트롤리선의 마모를 저감할
수 있다. 응착 마모 방지에는 글리스와 고형 윤활제(왁스)가 효과가 있다. 글리스는 충전
(充塡)한 장소로부터의 거리에 따라 트롤리선으로의 부착양이 감소하고 효과가 있는 것
은 기지(基地)로부터 약 20km정도의 범위 내라 할 수 있으며 1970년대부터는 보다 효과
적인 거리가 긴 고형 윤활제가 사용되고 있다. 고형 윤활제는 그림 41에 제시한 바와 같
이 소결합금 집전판 사이에 끼워 사용된다.
고형 윤활제의 사용에 따라 집전판과 트롤리선의 마모는 약1/2로 감소하였다고 보고되
었는데, 한편 집전판 간격 폭 파장의 트롤리선 파상 마모의 원인이라 여겨진다.
(다) 집전판 재질의 개량과 마모저감대책
차량의 고속화와 보수 경비 저감을 위해 집전판 재료에는 더욱 내마모성 향상이 요구되
어진다. 차량의 고속화와 팬터그래프 삭감에 따라, 집전 전류 용량이 증가하고 있으며 이
선 아크에 의한 집전판의 손모(損耗)도 심해지고 있다. 때문에, 현재 집전판 재질의 개량
에서는 내 아크성 향상이 중요해졌다. 한편 트롤리선의 마모 저감을 위해 집전판의 윤활
성 향상도 중요한 과제이며, 카본계 집전판의 사용도 그 해결책 중 하나이다.
또, 앞으로는 신칸센에서의 접동음과 아크음 등 소음과 전파 잡음의 저감 등 환경에의
배려도 재질 개량을 하는데 고려할 필요가 있다.
- 66 -

표 14. 통전 마모 시험기에 의한 전차선 집전판 측정항목
측정항목
전차선
디스크
- 68 -
집전판
이송속도 접촉력
DAQ
회전수(속도) ○ ○ ○
온도 ○ ○ ○
접촉력 ○ ○
전압 ○ ○
전류 ○ ○
시험시간 ○
그림 42. 전차선 집전 마모 시험 결과 예

그림 43. 통전마모시험기 형상 및 세부 사진 (a) 마모시험기 전체형상,
(b) 전차선 설치 디스크(전면), (c) 집전판 조립체(강압력 인가장치 부
분), (d) 통전 마모 시험기 사진
그림 44. 집전판-전차선간 통전마모시험 개념도
- 69 -

3. 나노기술 적용된 팬터그래프 집전판 성능검증 방안 세부사항 도출
본 연구의 최대 핵심은 기존의 철도재료기술에 NT를 접목하여 열차 운행의 효율향상
을 추구하는 측면에서 매우 긍정적인 시도로 판단된다. 특히 본 연구를 수행하는 한국철
도기술연구원이 자체적으로 재료의 물리적, 기계적, 전기적 특성을 평가할 수 lT는 체계
를 갖추고 있으며, 실용화를 위한 운행 중 시험도 가능하므로 연구수행 주체로서 역량이
크다고 판단된다. 그러나 재료의 합성과 실용화를 대비해 Metal-doped Carbon의 후보
금속으로 좀더 다양한 금속에 대한 평가가 필요하며 전기적 특성에 대한 시험 분석도 추
가 연구 시 필요한 것으로 사료된다. 또한 추후 실용화 추진 시 bulk재료의 제작 및 특성
평가를 위해 국내 관련 연구기관과의 협력이 필요한 것으로 사료된다. 표 15에 팬터그래
프 집전판 성능검증 방안 세부사항을 도출 하였다.
성능검증사항 세부내용 관련규격
Type Test, Routine
Test
재료 분석
전기적 특성
기계적 특성
통전 마모시험
표 15. 팬터그래프 집전판 성능 검증 사항
온도변화에 따른
재료의 성질, 치수,
팽창, 편향 등
제질, 재료의
화학적량 등
전기비저항 및
누설전류
굴곡강도, 겉보기
밀도, 경도시험
전차선과의 접촉시
마모 기구 및
온도변화에 대한
시험
- 70 -
EN50405
국제 및 국내규격
국제 및 국내규격
국제 및 국내규격
일본규격
연구 실용적 기술은 실제 사용가능한 Full scale모델을 제작하여 실제 차량에서 상승
을 확인할 수 있도록 지속적인 연구가 후속되어야 할 것으로 사료된다. 주습판의 경우 전

기 집전성능뿐만 아니라 중량을 줄이는 부분이 집전측면에서 상당히 중요하므로 본 연구
에서 획득한 결과를 이용하여 실용화 하는 기술은 중량가 사이즈를 줄이는 것이 필요하
다. 실선에서 특성 시험 시에는 별도의 EN 50317 및 국내규격에 의거 성능검증을 수행하
여야 하며 한국 철도기술연구원이 보유한 전차선로 시험기를 이용 아크 및 동특성 등을
평가할 필요가 있겠다. 표 16에 실용화를 위한 성능검증 내용과 세부 개발 목표사항을 나
타내었다. 표에서와 같이 EN50405등 국제 규격에 따른 시험이 필요하며 실용화를 위해
400km/h급에서 다양한 평가 시험이 필요하겠다. 실용화 특성은 세부적으로 Resistivity
(uΩm) : 1-2 , Temperature rise of contact wire : 50℃ 이하, Maximum speed : 400
km/h, Wear rate : 3.5 – 5 [mm/104km] 및 20% downsizing 이다.
표 16. 성능검증 내용과 세부 개발 목표사항
특성항목 요구특성
경도 75 ∼ 115 HS
3점 굽힘강도 85~120
전기비저항 1 ∼ 2 μΩm
굴곡강도 40 ∼ 70 MN/m2
겉보기밀도 2.0 ∼ 2.75 g/cm3
단위 접촉 길이당 집전량 17.2~19 A/mm
플레이트 재질 알루미늄 합금
- 71 -

그림 45. 전차선로 시험기 사진 및 형상
- 72 -

제 4절 탄소-금속 나노 복합체 효율적 제조를 위한 기초 연구
1. Sputtering법을 이용한 탄소-금속 상관관계 기초 연구
가. 스퍼터링 방식으로 나노금속 밀도를 조절한 탄소레이어 시편 제작
나노기술을 중심으로 나노금속을 도핑한 탄소레이어를 팬터그래프 집전판에 적용하기
위한 다양한 공정 변수에 따른 제작 기법 연구
그림 46. 나노코팅을 적용한 팬터그래프 개략도
나. 제작 공정 변수 계획수립 및 자료수집
나노금속 조성법에 관한 연구 자료를 충분히 조사하여 나노금속 조성이 탄소레이어의
물성에 미치는 영향을 정확하게 파악한다. 또한 나노금속이 조성된 탄소레이어의 선행기
술을 조사하여 본 연구를 수행하면서 독창성을 발휘할 수 있는 방향을 유도한다. 기초 자
료 수집을 통하여 합리적인 연구 계획을 도출하도록 한다.
다. 나노금속 종류에 따른 탄소레이어 제작 변수 기초 연구
집전판에 나노금속(W, Ni, Cr, Mo)을 조성한 탄소레이어의 나노 Composite 기법을 유
- 73 -

도하여 나노금속을 함유한 탄소레이어 제작을 위한 기초 기술을 확보하도록 한다. 기본적
으로 RF magnetron sputtering 장비를 사용한 나노 코팅 기술을 바탕으로 나노 금속 함
유량을 제어하기 위한 실험 조건을 확보하도록 한다. 탄소레이어에 금속 함유량을 달리한
제작의 다양한 변수 기초 연구.
라. 나노 금속의 종류, 밀도에 따른 제작 변수 기초 연구
각각의 공정 조건으로 나노금속의 함유량을 달리한 샘플을 제작하고, 나노금속 즉, 나노
파티클의 크기 차이를 가지는 탄소레이어 제작기법을 연구한다. 또한 나노 파티클의 종류
변화와 함께 밀도의 차이를 갖도록 제작기법을 연구하도록 한다.
그림 47. 금속의 종류와 밀도에 따른 영향 조사
마. 나노금속이 포함된 탄소레이어의 재료적 분석 방법 제시
탄소레이어에 함유시킨 나노금속의 크기 및 밀도에 따른 특성 조사를 위하여 탄소레이
어 분석 방법을 재료적 측면에서 구체적으로 본 과제에 제시하도록 한다. 탄소레이어의
특성 분석을 위해 FE-SEM 미세이미지 분석, Nano-indenter, adhesion test 등의 기계적
특성 분석, XRD, XPS 등의 광학적 특성 분석을 통하여 탄소레이어의 특성 분석을 한다.
바. 실험방법
- 74 -

본 논문에서 사용한 RF magnetron Sputtering 시스템은 그림 5와 같이 co-sputter가
가능하도록 두 개의 전극이 있고, 각 전극에 고주파 발생 전원부가 있어 13.56 ㎒의 주파
수를 가진 고주파 전원이 매칭 네트워크를 통해 전극에 고정된 타겟에 공급된다. 챔버 내
부에 주입된 Ar 가스 분위기와 전극에 주입된 전원으로 인해 플라즈마가 발생하여 타겟
의 물질이 기판(Si wafer) 위에 증착하게 된다.
시편 제작을 위해 (100) 방향의 P형 실리콘(Si) 웨이퍼를 TCE -> Acenton -> Methyl
Alcohol -> DI Water 순으로 각 10분간 초음파 세척을 하였으며, Si 웨이퍼 위에 생긴
자연산화막을 제거하기 위해 HF용액과 DI Water를 1:10 비율로 희석한 DHF에서 45초
간 식각한 후 DI Water로 N2 가스로 건조하여 시편 제작을 위한 샘플을 준비하였다. 실
험한 증착공정변수의 범위는 표 과 같은 범위에서 실험을 하였다.
(a)
- 75 -
(b)
그림 48. RF magnetron sputtering 장비 개략도

(a) (b)
Target
Carbon(C)+Metal
Metal=W,Mo,Cr,N
i
- 76 -
Target
Carbon(C)+Metal
Metal=W
Substrate Si wafer Substrate Si wafer
T-S distance (cm) 9 T-S distance (cm) 9
RF power (W)
Carbon:150,
Metal:40
RF power (W)
Carbon:150,
Metal:20~50
Ar gas (sccm) 40 Ar gas (sccm) 40
Rotation (rpm) 28.3 Rotation (rpm) 28.3
Based pressure
(Torr)
Working pressure
(Torr)
Film Thickness
(nm)
표 17. 나노금속이 포한된 탄소레이어 증착공정변수
1x10 -5
10 m
100
Based pressure
(Torr)
Working pressure
(Torr)
Film Thickness
(nm)
2. 나노 입자의 크기와 밀도에 따른 탄소레이어 특성 기초 연구
가. 나노금속의 크기에 따른 탄소레이어의 특성분석
1x10 -5
10 m
100 nm 두께로 증착된 나노금속이 함유된 탄소레이어의 미세이미지를 확인하기 위해
FE-SEM 분석장비로 단면/표면 분석을 실시하였다. 그림 47에 (d) Ni-C의 표면 입자가
상대적으로 다른 물질에 비해 적은 것으로 확인되었다.
제작한 시편의 탄소레이어에 함유된 나노금속의 성분량을 측정하기 위해 EDS 분석을
실시하였으며 같은 공정으로 증착하였으나 그림 50과 같이 각 물질별로 성분량이 다르며
100

(d) Ni-C의 성분량이 상대적으로 많이 검출되었다.
그림 49. 금속 종류에 따른 SEM Image 단면/표면
(a) Mo-C, (b) Cr-C, (c) W-C, (d) Ni-C
- 77 -

그림 50. EDS analysis (a) Mo-C, (b) Cr-C, (c) W-C, (d) Ni-C
그림 51은 XPS depth profile 데이터로 제작된 시편의 표면으로부터 식각하며 각 시간
별로 증착된 물질의 성분량을 검출하였다. Ni-C경우에는 금속의 함량이 80%정도로 많은
금속이 함유되었음을 알 수 있었다.
제작된 시편의 표면 거칠기를 측정하기 위해 AFM 분석을 실시하였고 그 결과 그림
52와 같이 전반적으로 surface roughness가 낮은 값을 나타내었으며 Ni-C의 박막이 가
장 낮은 surface roughness 값을 나타내었다.
- 78 -

그림 51. XPS analysis - depth profile
- 79 -

그림 52. AFM analysis
그림 53. AFM analysis - surface roughness
- 80 -

그림 54는 AFM 분석 장비의 FFM mode로 측정한 데이터로 박막의 표면 마찰계수를
측정한 결과 W-C 박막이 가장 낮은 표면 마찰계수를 나타내었다.
Scratch test 결과 나노금속이 함유된 탄소레이어중 그림 55-56과 같이 W-C 박막이
9.9 N의 Critical load로 접착강도가 가장 좋은 것으로 나타났다.
그림 54 . FFM analysis - friction coefficient
- 81 -

그림 55. Scratch test- adhesion
그림 56. Scratch test- Critical load
- 82 -

각 박막의 경도의 세기의 결과에서는 그림 57에 나타난 바와 같이 Ni-C 박막이 가장
높은 것으로 나오나 SEM Image와 EDS, XPS 분석결과에서 나타내듯이 Ni 금속의 많은
함량으로 인해 금속에 가까운 박막이 형성된 것으로 보아 경도가 가장 높은 것으로 추측
된다. W-C 박막 또한 상대적으로 큰 경도를 나타내는 것을 알 수 있다.
함유된 나노금속의 종류에 따른 탄소레이어 박막의 특성 분석 결과 Hardness는 Ni-C
박막이 우수하였지만 전반적으로 W-C 박막의 경우 가장 우수한 기계적인 특성을 나타
내었다. 이러한 결과를 바탕으로 텅스텐 함량에 따른 W-C 박막의 특성분석을 수행하였
다.
Hardness (GPa)
22
20
18
16
14
12
Mo-C Cr-C Ni-C W-C
그림 57. Nanoindenter - Hardness
- 83 -

나. 나노금속의 밀도에 따른 탄소레이어의 특성분석
나노금속 종류에 따른 실험과 마찬가지로 100 nm 두께로 고정하고 텅스텐의 전압 값
을 변화해가며 함량을 조절하였다. 그림 58에 미세이미지를 확인하기 위해 FE-SEM 분
석장비로 단면/표면 분석을 실시하였다.
그림 58. Tungsten Power 변화에 따른 SEM Image 단면/표면
(a) 20 W, (b) 30 W, (c) 40 W, (d) 50 W
제작한 시편의 탄소레이어에 함유된 텅스텐의 성분량을 측정하기 위해 EDS 분석을 실
시하였으며 텅스텐의 전압이 증가함에 따라 그림 59와 같이 텅스텐의 함량이 증가하는
것을 알 수 있다.
- 84 -

그림 60. XPS analysis - depth profile
그림 61과 62에 AFM 분석 결과 텅스텐 함량이 증가함에 따라서 W-C 박막의 surface
roughness 값이 감소하는 결과를 나타내었다.
FFM mode로 마찰계수를 측정한 결과 그림 63과 같이 텅스텐 함량이 증가함에 따라
마찰계수도 같이 증가하는 경향을 나타내었다.
- 86 -

그림 61 AFM analysis
그림 62 AFM analysis - surface roughness
- 87 -

그림 63. FFM analysis - friction coefficient
Scratch test를 통한 접착강도 측정의 경우 그림 64-65와 같이 텅스텐 함량이 증가함에
따라 강도가 강해지는 것을 볼 수 있으며 50 W에서 10.1 N Critical load로 가장 높은 값
을 나타내었다.
경도도 그림 66과 같이 텅스텐 함량이 증가함에 따라 경도가 강해짐을 알 수 있다.
- 88 -

텅스텐 함량에 따른 W-C 박막의 특성분석을 수행한 결과 텅스텐 함량이 증가함에 따
라 표면 마찰계수는 증가하나 박막의 adhesion과 hardness가 증가하는 경향을 나타내었
다.
그림 64. Scratch test- adhesion
- 89 -

Hardness (GPa)
그림 65. Scratch test- Critical load
22
20
18
16
14
12
10
8
6
20 30 40 50
RF Power of Tungsten Target (W)
그림 66. Nanoindenter - Hardness
- 90 -

3. 실용화를 위한 금속입자의 특성별 로드맵 제시 및 구현 가능성 연구
팬터그래프 집전판에 나노 금속을 이용한 집전성능 향상을 위하여 본 연구에서는
Sputtering법을 이용한 탄소-금속 상관관계 기초 연구를 수행하였다.
시험은 집전판에 나노금속(W, Ni, Cr, Mo)을 조성한 탄소레이어의 나노 Composite 기
법을 유도하여 나노금속을 함유한 탄소레이어 제작을 위한 기초 기술을 확보하기 위하여
기본적으로 RF magnetron sputtering 장비를 사용한 나노 코팅 기술을 바탕으로 나노
금속 함유량을 제어하기 위한 실험 조건을 확보하였다. 특히 탄소레이어에 금속 함유량을
달리한 제작의 다양한 변수 기초 연구에 대한 기술을 연구하였다. 세부적으로는 나노금속
이 함유된 탄소레이어의 박막을 100 nm 두께로 고정하여 실험하였다. 나노금속의 종류에
따른 탄소레이어의 특성분석 결과 W-C 박막이 가장 좋은 특성을 나타내었다. AFM
surface roughness 값은 1.42 nm, 마찰계수는 0.475, 접착강도는 9.9 N, 경도는 18.41 GPa
로 다른 금속에 비해 좋은 특성을 나타내었다. Ni 금속의 함량이 많아 Ni-C 박막의 경도
특성이 높게 나오는 것으로 추측된다. 이러한 결과를 바탕으로 텅스텐 함량에 따른 W-C
박막의 특성분석을 수행하였다. 텅스텐의 전압이 증가함에 따라 EDS, XPS의 텅스텐의
함량이 증가하였다. 또한 마찰계수가 증가하는 경향을 나타내고, 접착강도와 경도 특성이
좋아지는 경향을 보였다. 텅스텐의 함량이 증가함에 따라 AFM surface roughness 값은
감소하였다.
이상을 정리하여 보면 Scratch test를 통한 접착강도 측정의 경우 W, Ni, Cr, Mo 중
텅스텐 함량이 증가함에 따라 강도가 강해지는 것을 볼 수 있으며 10.1 N Critical load로
가장 높은 값을 나타내었다. 경도도 텅스텐 함량이 증가함에 따라 경도가 강해짐을 알 수
있었으며 텅스텐 함량에 따른 W-C 박막의 특성분석을 수행한 결과 텅스텐 함량이 증
가함에 따라 표면 마찰계수는 증가하나 박막의 adhesion과 hardness가 증가하는 경향을
나타내었다. 결론적으로 W-doped Carbon 박막의 특성분석을 수행한 결과 텅스텐 함량이
증가함에 따라 표면 마찰계수는 증가하나 박막의 adhesion과 hardness가 증가하는 경향
을 나타내었다. 이를 바탕으로 분석한 결과 팬터그래프 집전판 제조 기술은 텅스텐을 이
용하여 구현 하여야 하나 기술 분석 결과 함침소재가 Cu 금속 이므로 추가 시험을 통해
Cu와 W간의 기술적 분석이 이루어져야 한다. 본 과제에서는 이를 위하여 추가 시험을
수행하였으나 박막 상태에서 Cu금속 자체의 성질을 잘 나타내지 못하므로 벌크 형태로
W를 비교 평가하는 역순이 방법이 필요한 것으로 나타났다. 또한 Cu는 연성(ductility)이
우수하므로 후속 과제가 수행된다면 W와의 비교를 통해 내구성, 내충격성등을 비교 검
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토할 필요가 있겠다. 또한 탄소 벌크체등에 Mo, Cr, W, Ni 등의 금속첨가제의 클러스터
사이즈가 몇 nm인지 등 사이즈 파악 및 제시가 필요하겠다. 이를 위해서는 벌크형식의
집전판 샘플제작이 필요하므로 후속과제 수행 시에는 이를 구현해야할 필요가 있다. 또
한 본 연구에서 획득한 W를 이용한 탄소결합 기술을 실용화 시에 W금속은 WC로 증착
시 반응이 일어날 수 있고 Melting Point가 높아 함침이 어려울 수 있으므로 적용의 측
면에서는 더 검토가 필요한 것으로 나타났다. 또한 박막 상태의 표면처리 수준에서 사용
할 수 있는 방법은 없는지 검토할 필요가 있으며 나노 기술 적용을 위한 다양한 분야의
아이디어 도출이 필요한 것으로 사료된다.
그림 67에 나노기술 이용 철도시스템 에너지 효율 및 성능향상 향상 원천기술 개발 로
드맵을 나타내었다. 먼저 탄소-나노간 합성기술을 W와 Cu를 이용하여 확보한 이유 탄소
세라믹 제조기술을 자체적으로 확보할 필요가 있겠다. 이후 Micro size에서 복합화 및 혼
합동시 소결 등 나노 금속 입자가 도핑된 탄소세라믹 제조 기술 확보가 필요하며 실질적
인 벌크사이즈의 팬터그래프 집전판 제조가 필요하다. 이후 국제 규격 등에 따른 특성 평
가를 거쳐 실용화 기술을 확보하고 나노-철도간 타 분야 융합을 위한 카본-금속간 결합
복합체, 코팅 원천기술, 나노 도료, anti-dust, self-cleaning, 차량 경량화 나노
Composite, 고기능, 경량성 부품 및 진동감소 원천기술 등 다양한 융합기술 확보가 필요
하겠다.
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그림 67. 나노기술 이용 철도시스템 에너지 효율 및 성능향상 향상 원천기술 개발 로드맵
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그림 68에 나노 금속을 이용한 탄소 구조체 실용화 방향을 나타내었다. 그림에서와 같
이 Micro size에서 복합화를 시도하고 세라믹 혼합 동시에 소결을 시도 하는 것이 좋겠
다. 또한 Graphite 판상의 나노 배열 제어와 CNT, Multi-layer 구조 적용 등 다양한 기
술 실현이 가능하리라 판단된다. 그림 69에 실용화를 위한 성능검증 내용과 세부 개발 목
표사항을 나타내었다. 그림에서와 같이 EN50405등 국제 규격에 따른 시험이 필요하며 실
용화를 위해 400km/h급에서 다양한 평가 시험이 필요하겠다. 실용화 특성은 세부적으로
Resistivity (uΩm) : 1-2 , Temperature rise of contact wire : 50℃ 이하, Maximum
speed : 400 km/h, Wear rate : 3.5 – 5 [mm/104km] 및 20% downsizing 이다.
그림 68. 나노 금속을 이용한 탄소 구조체 실용화 방향
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제 5절 결론
나노융합기술은 나노기술 발달과 함께 21세기를 선도해 나갈 수 있는 과학기술로서 미
세가공기술을 기반으로 나노 크기의 물질이 새로운 물리·화학적 기능을 갖도록 하는 기
술이며, 의료산업, 정밀기계산업, 우주항공산업, 환경 및 에너지 등의 분야에서 새로운 기
술영역을 구축하고, 고도의 경제성을 실현할 수 있는 필수적인 기술로 인식되고 있다,
또한 나노신소재 기술은 임계성능구현, 초고효율 에너지 산업 실현을 가능하게 하는 미래
필수 핵심소재이며, 나노융합산업은 나노기술을 타산업에 접목하여 부가가치를 창출하는
미래 유망 산업이다.
최근 철도기술은 속도향상에 따른 철도시스템의 한계를 점진적으로 극복하고 각 시스
템의 기능 향상이 가능한 나노융합 기술을 적용한 전기철도 핵심 부품 성능향상 이 가능
할 것으로 예상된다. 특히 21세기 철도 선진국으로의 성장동력과 새로운 비전을 포함한
철도와 신기술간의 융합기술 개발 필요하므로 철도시스템의 연구개발 모델을 바꾸기 위
해 신기술을 융합한 새로운 연구개발 비전이 필요하다. 본 연구에서는 NT (Nano
Technology) 신기술의 철도 적용 선행 연구를 통해 전기철도에 적합하고 세계시장 선점
이 가능한 NT 기반 철도융복한원천기술의 가능성 타진하는 것이다. 특히 속도 향상에
따른 철도시스템의 한계를 극복하고 각 시스템의 기능 향상이 가능한 나노융합 기술을
적용한 전기철도 핵심 부품 성능향상 하는 것이다.
철도기술은 녹색 원천 기술로 현재 연구 연구개발과 설비구축 및 고속철도 건설과 운
영 등 세계적으로 확대 되는 추세이다. 그러나 철도시스템은 지속적인 속도향상을 위해
연구개발 중에 있고 이에 따른 다양한 한계 기술도 나타나고 있다. 따라서 나노기술을 철
도시스템에 접목하여 새로운 가치를 창출하는 것이 본 연구의 목표이고 본 연구를 통하
여 나노기술의 철도시스템 접목가능성을 실험적으로 입증하였다고 사료된다. 또한 철도시
스템은 건설, 역사, 궤도, 토목, 전기, 전자, 통신 등 다양한 시스템의 기술이 복합된 융합
기술로 본 기술은 상기 각 시스템 간의 새로운 접목이 가능하다는 것을 입증 하였으며
향후 나노기술이 철도시스템의 각 분야에 적극 활용되고 연구될 것으로 기대된다.
본 연구는 나노 코팅 및 나노기술을 전기철도 집전기와 전철 시스템의 적용을 통해 관
련 부품(팬터그래프 집전판 등)의 성능․내구성․효율 향상 및 세계시장 선점을 위한 원
천 기초기술 개발을 목표로 하는 연구로 1. 팬터그래프 집전판 나노기술 적용을 위한 요
소기술 분석, 2. 나노기술 적용한 집전판의 성능 검증 방안 연구 및 3. 탄소-금속 나노
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복합체 효율적 제조를 위한 기초 연구를 100% 달성하였으며 현재의 기회요인인 나노와
철도간의 융합으로 새로운 가치 창출이 가능할 것으로 기대되는 결론을 얻었다.
팬터그래프 집전판 나노기술 적용을 위한 요소기술 분석은 팬터그래프 집전판 제조기
술의 국내외 연구동향 및 특허 조사를 수행하였다. 특히 일본 등 기술 선진국의 특허기술
과 복합체를 이용한 C/C composite에 동합금을 함침한 재료를 집전판에 적용하는 기술
에 대하여 조사하였다. 또한 팬터그래프 집전판 금속계, 탄소계 및 탄소․금속 합금계 분
석하여 각 집전판의 제조기술과 각 단계별 결정질의 구조 등 세부적인 기술을 조사하고
이를 분석하였다. 금속계 나노 입자와 탄소계 합성을 위한 복합재료 기술 조사에서는 복
합체를 이용할 경우 기존 집전판 대비 성능향상에 대하여 구체적인 기술 조사와 분석을
수행하였다. 나노기술 적용한 집전판의 성능 검증 방안 연구에서는 EN 및 국제 규격에
의한 집전판 성능 검증 기술을 분석하였으며 프랑스, 일본 등 기술 선진국 집전판 성능
검증 방법을 조사 분석하였다. 또한 나노기술 적용된 팬터그래프 집전판 성능검증 방안
세부사항 도출하였다. 탄소-금속 나노 복합체 효율적 제조를 위한 기초 연구는
Sputtering법을 이용한 탄소-금속 상관관계 기초 연구를 수행 하였으며 이를 바탕으로
나노 입자의 크기와 밀도에 따른 탄소레이어 특성 기초 연구를 수행하였다. 텅스텐 함량
에 따른 W-doped Carbon 박막의 특성분석을 수행한 결과 텅스텐 함량이 증가함에 따라
표면 마찰계수는 증가하나 박막의 adhesion과 hardness가 증가하는 경향을 나타내었다.
또한 Doping metal의 종류와 함량에 따른 전기적인 특성 분석과 Cu-doped Carbon, pure
Carbon 박막과의 특성을 비교하였다. 또한NT-doped Carbon 층의 합성과 특성을 비교
하여 실용화를 위한 금속입자의 특성별 로드맵 제시 및 구현 가능성 연구를 수행하였다.
세부적으로는 나노금속이 함유된 탄소레이어의 박막을 100 nm 두께로 고정하여 실험하
였다. 나노금속의 종류에 따른 탄소레이어의 특성분석 결과 W-C 박막이 가장 좋은 특성
을 나타내었다. AFM surface roughness 값은 1.42 nm, 마찰계수는 0.475, 접착강도는 9.9
N, 경도는 18.41 GPa로 다른 금속에 비해 좋은 특성을 나타내었다. Ni 금속의 함량이 많
아 Ni-C 박막의 경도 특성이 높게 나오는 것으로 추측된다. 이러한 결과를 바탕으로 텅
스텐 함량에 따른 W-C 박막의 특성분석을 수행하였다. 텅스텐의 전압이 증가함에 따라
EDS, XPS의 텅스텐의 함량이 증가하였다. 또한 마찰계수가 증가하는 경향을 나타내고,
접착강도와 경도 특성이 좋아지는 경향을 보였다. 텅스텐의 함량이 증가함에 따라 AFM
surface roughness 값은 감소하였다.
본 과제는 과제의 성격이 원천적이며 도전적이므로 1년의 연구기간으로는 다소 부족한
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사항이 있었다. 이를 위해 향후 5년 이상의 기초적이며 도전적인 연구가 수행 되어야 할
것으로 사료되며 향후 연구되어야할 연구 내용과 목표는 다음과 같다.
1. 카본-금속간 결합을 이용한 탄소구조체 성능향상 원천기술 연구
- 필요성 : 카본-금속간 결합 기술은 철도시스템의 집전판, 브레이크 시스템, 도전성이
필요한 탄소시스템 등 다양한 응용분야가 있다. 특히 원천기술 개발 시에는 금속간의 결
합이 필요한 전극시스템에 광범위하게 활용이 가능하여 관련 기술의 필요성이 크다.
- 팬터그래프 집전판 제조 기술에 대해서는 향후 지속 연구 시 Cu 금속 첨가에 대한
연구가 필요할 것으로 사료된다. 현재 국외 특허 조사 결과 집전판 함침 소재의 경우 대
부분 Cu 금속을 이용한 것으로 확인되었기 때문이다. 본 과제에서는 Cu 관련 기술을 조
사하기 위하여 Cu 타겟을 이용 추가 시험을 수행하였으나 나노 결정 구조에는 다소 어
려움이 있었으나 과제 종료 이후에도 자체적인 추가 연구를 지속적으로 수행하고 있으며
Cu는 연성 (ductility) 이 우수하므로 후속 과제가 수행된다면 W와의 비교를 통해 내구
성, 내충격성 등을 비교 검토할 필요가 있겠다. 또한 탄소 벌크체등에 Mo, Cr, W, Ni 등
의 금속첨가제의 클러스터 사이즈가 몇 nm인지 등 사이즈 파악 및 제시가 필요하겠다.
이를 위해서는 벌크형식의 집전판 샘플제작이 필요하므로 후속과제 수행 시에는 이를 구
현해야할 필요가 있다.
- 또한 본 연구에서 획득한 W를 이용한 탄소결합 기술을 실용화 시에 W금속은 WC
로 증착 시 반응이 일어날 수 있고 Melting Point가 높아 함침이 어려울 수 있으므로 적
용의 측면에서는 더 검토가 필요한 것으로 나타났다. 또한 박막 상태의 표면처리 수준에
서 사용할 수 있는 방법은 없는지 검토할 필요가 있으며 나노 기술 적용을 위한 다양한
분야의 아이디어 도출이 필요한 것으로 사료된다.
- 본 연구의 최대 핵심은 기존의 철도재료기술에 NT를 접목하여 열차 운행의 효율
향상을 추구하는 측면에서 매우 긍정적인 시도로 판단된다. 특히 본 연구를 수행하는 한
국철도기술연구원이 자체적으로 재료의 물리적, 기계적, 전기적 특성을 평가할 수 lT는
체계를 갖추고 있으며, 실용화를 위한 운행 중 시험도 가능하므로 연구수행 주체로서 역
량이 크다고 판단된다. 그러나 재료의 합성과 실용화를 대비해 Metal-doped Carbon의
후보 금속으로 좀 더 다양한 금속에 대한 평가가 필요하며, 전기적 특성에 대한 시험 분
석도 추가 연구 시 필요한 것으로 사료된다. 또한 추후 실용화 추진 시 bulk재료의 제작
및 특성평가를 위해 국내 관련 연구기관 과의 협력이 필요한 것으로 사료된다.
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- 연구 실용적 기술은 실제 사용가능한 Full scale모델을 제작하여 실제 차량에서 상
승을 확인할 수 있도록 지속적인 연구가 후속되어야 할 것으로 사료된다. 주습판의 경우
전기 집전성능뿐만 아니라 중량을 줄이는 부분이 집전측면에서 상당히 중요하므로 본 연
구에서 획득한 결과를 이용하여 실용화 하는 기술에 대하여 추가적인 연구가 필요할 것
으로 사료된다.
- 공정적 측면에서는 chemical vapor deposition(CVD) 또는 atomic layer deporition
(ALD)에 의한 graphene의 성장 공정을 구리와 같은 금속 표면에 적용할 수 있는
graphene을 형성 공정을 개발하고 표면에 형성된 graphene이 나타내는 hardness,
contact resistivity, resistivity, kinetic friction coefficient 등의 물성을 측정하여 기존의
기술과의 차별성을 확보하는 것이 필요하겠다. Graphene 공정 기술의 개발 과정이 필요
하며, 여기서 여러 가지 원천기술들이 도출된 것이 기대된다. Graphene의 work function
이 4.66 eV임을 고려하여 두 전극 사이의 contact resistance를 줄이기 위한 구리(4.7eV)
와 같은 적절한 금속 제안이 가능하므로 이상과 같은 원천 기술 창출이 가능하겠다. 또한
1nm정도의 얇은 코팅막은 graphene과는 달리 graphene oxide는 덩어리 물질로 형성가능
하다. Graphene oxide는 화학적인 방법에 의해 쉽게 형성되며, 산소의 량을 조절하여 금
속에 가까운 낮은 저항을 얻을 수 있으며, 또한 flexible 소재로 제작이 가능하다.
Polymer로 encapsulation 하여 flexible 선형소재로 개발이 가능하다.
- Cr의 경우 hardness가 모스경도계 기준 8.5이므로 구리선에 코팅할 경우 내마모성
을 높일 수 있을 것으로 사료된다. 또한, CrO2로 산화될 경우에도 CrO2(half-metal)는 아
주 좋은 전도체이ㅡ로 산화에 대한 문제는 없는 것으로 사료된다. Cr의 경우 PVD에 의
해 쉽게 코팅할 수 있으며, 처음부터 CrO2를 코팅 층을 형성시키기 위해서는 precursor
로 Cr2O3를 사용하고 410의 온도에서 CVD방법에 의해 균일한 박막의 형성이 가능하다.
Cr의 work function이 4.5eV임을 고려하여 두 전극 이외의 contact resistance를 줄이기
위한 구리(4.7eV)과 같은 적절한 금속을 제안할 수 있다.
- 소재의 평가에 있어서 기계적인 응력에 따른 전기적, 기계적 물성들의 변화 연구가
필요하겠다. 또한 금속powder와 carbon nanoyube, graphene nanosheet, carbon
nanocrystal등의 carbon nanomaterial들의 composite 공정을 개발하고 이 공정에 의해 얻
어진 nanocomposite들이 갖는 기본 물성들을 조사한다. 금속 powder의 경우 생산 단가를
낮추기 위해서 적절한 금속의 선택을 선택하여야 하며 이에 대한 사전 연구결과들을 참
고 해야 할 것을 사료된다. 이 nanocomposite은 외부에서 주어진 기계적 에너지를 grain
boundary에서 소산시키는 효과를 주어 소음저감 소재로의 가능성을 나타낼 것으로 사료
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된다. 또한, carbon 소재를 함유시켜 경량화를 가져올 것이 기대된다. Conduction atomic
force microscope(CAFM)을 이용한 나노 영역에서 전기적 특성을 관찰하고 표면 형상에
의존하는 contact resistivity의 상관관계를 연구가 필요하겠다.
2. 카본-금속간 결합 나노 코팅 원천기술 및 특성향상 개발
- 카본 코팅기술 관련은 Carbon nanotube를 무한히 길게 뽑아내어 실의 형태로 형성
시키는 공정은 이미 계발되어 있으며, 이 공정을 wire형태의 소재에 이용할 경우, 금속선
표면을 graphene으로 코팅하는 공정으로 발전시킬 수 있다. 이 기술은 금속선 표면의
hardness, contact resistivity, resistivity, kinetic friction coefficient를 동시에 향상시킬
수 있을 것이 기대된다. 기존의 동선의 경우와는 달리 graphene이 코팅이 된 경우 팬터
그래프의 metalized carbon 소재와의 contact resistivity를 줄일 수 있을 것이 기대된다.
Graphene의 work funcion resistance를 줄이기 위한 구리(4.7eV)와 같은 적절한 금속을
제안할 수 있다. 소재의 평가에 있어서 기계적인 응력에 따른 전기적, 기계적 물성들의
변화를 연구하는 것이 필요하겠다.
- 자기세정 코팅 막으로 TiO2박막을 애자의 표면에 형성시킬 경우 애자표면의 오염
을 줄일 수 있다. TiO2박막을 형성시키기 위해서는 기존의 RF sputtering과 같은
physical vapor deposition에 의한 공정을 사용할 수 있으며, 보다 균일한 두께를 갖는 대
면적 박막의 형성을 이해서는 chemical vapor deposition 공정의 사용이 요구된다. TiO2
박막이 갖는 rutile, anatese 상의 형성에 따른 물리적 특성의 조적과 nanocrystal 형태로
형성시킬 크기의 조절에 의한 band gap, photocatalytic activity, contact angle of water
등을 측정이 필요하겠다.
- 나노 기술을 철도시스템의 집전시스템 효율화 이외에 접목하는 기술에 대해서는 나
노기술을 철도의 핵심부품에 적용하는 새로운 개념의 연구가 필요하며, 특히 애자의 노화
를 방지하기 위한 방법으로 단분자막(SAM Lyaer)를 코팅함으로 공정을 단순화하고 낮
은 가격에 대량 생산 할 수 있을 것으로 예상한다. 또한 이번 철도시스템에 적용될 나노
기술은 철도시스템이 요구하는 경량화와 운송시스템의 효율화에 초점을 두는 것이 필요
하다. 따라서 철도시스템 뿐만 아니라 현재 나노기술이 어떻게 철도에 적용이 가능한지를
검색하고 이를 랩 테스트하는 나노핵심기술을 도출해야 한다. 이와 관련된 핵심기술은 이
상과 같이 응용 및 원천기술 연구가 가능하며 정리하면 다음과 같다.
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가. 카본-금속간 결합을 이용한 탄소구조체 성능향상 원천기술 연구
나. 카본-금속간 결합 나노 코팅 원천기술 및 특성향상 개발
다. 폴리머 특성향상을 위한 나노 기술이 전용된 anti-dust, self-cleaning 기술
라. 중량의 배전부품을 경량화하기 위한 나노 전도물질 혹은 절연물질 개발
마. 미려한 철도 외관 장식을 위한 나노도료 개발
바. 기계적 내구성 및 유연성 향상을 위한 나노 composite기술 개발
사. 고용량, 경량형 철도 차량용 나노 기술이 포함된 battery 개발
바. 철도시스템 나노기술 적용을 위한 탐색 연구
(1) 나노 자기세정 코팅을 이용한 전철용애자 등 적용 타당성 연구
․ 나노코팅 적용에 따른 정량적 성능 향상 모델 도출
․ 나노 코팅된 전철용 지지애자 시제 Sample 제작
․ Sputtering법을 이용한 나노 코팅된 애자 효율적 제조 모델 도출
(2) 나노 내마모 코팅을 이용한 철도시스템 내구성/수명향상 타당성 연구
․ 철도 시스템 나노 Composite 적용 기술 연구
․ 내구성/수명 향상을 위한 철도 부품 성능향상 제조 모델 도출
(3) 나노 복합체를 이용한 철도시스템 경량화 및 성능 향상 적용 타당성 연구
․ 철도시스템 나노 Composite를 적용 가능 제조 모델 도출
․ 실용화를 위한 로드맵 구현, 특성 및 성능향상 방안 도출
(4) 나노 소음저감 코팅을 이용한 철도 집전시스템 인터페이스 분야 타당성 연구
․ 소음저감을 위한 재료적 특성 향상 기술 연구
․ 소음저감 인터페이스 적용을 위한 제조방안 도출
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그림 70. 팬터그래프 나노기술 적용 연구
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본 연구는 나노 코팅 및 나노기술을 전기철도 집전기와 전철 시스템의 적용을 통해 관
련 부품(팬터그래프 집전판 등)의 성능․내구성․효율 향상 및 세계시장 선점을 위한 원
천 기초기술 개발을 목표로 하는 연구로 다음과 같은 목표를 100% 달성하였다.
1. 팬터그래프 집전판 나노기술 적용을 위한 요소기술 분석
2. 나노기술 적용한 집전판의 성능 검증 방안 연구
3. 탄소-금속 나노 복합체 효율적 제조를 위한 기초 연구
연구개발목표 연구개발내용 연구범위
팬터그래프 집전판
나노기술 적용을
위한 요소기술 분
석
-팬터그래프 집전판 제조기술의
국내외 연구동향 및 특허 조사
-팬터그래프 집전판 금속계, 탄소
계 및 탄소․금속 합금계 분석
-금속계 나노 입자와 탄소계 합성
을 위한 복합재료 기술 조사
나노기술 적용한 -프랑스, 일본등 기술 선진국 집
집전판의 성능 검 전판 성능 검증 방법 조사
증 방안 연구 -나노기술 적용된 팬터그래프 집
전판 성능검증 방안 세부사항
탄소-금속 나노
복합체 효율적 제
조를 위한 기초 연
구
표 18. 연구개발 목표, 내용 및 연구범위의 달성도
-EN 및 국제 규격에 의한 집전판
성능 검증 세부내용 분석
도출
-Sputtering법을 이용한 탄소-금
속 상관관계 기초 연구
-나노 입자의 크기와 밀도에 따
른 탄소레이어 특성 기초 연구
-실용화를 위한 금속입자의 특성
별 로드맵 제시 및 구현 가능성
연구
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-독일, 일본, 프랑
스 연구동향 및
특허 분석
-국내외 기술조사
-성능검증 방안 도
출
-국제규격 분석
-기존기술 차별성
분석
-기술로드맵 작성
-구현가능성도출
-개념특허․SCI논
문
목표달성
도
100%
100%
100%

그림 71. 연구 주요 실적 및 내용
본 연구는 현재의 팬터그래프 집전판의 표면 거칠기 및 기계적 강도 등을 획기적으로
향상할 수 있는 전기철도 집전시스템 원천기술 및 次세대 세계 전기철도 집전시스템 시
장 선점을 위한 기술 개발로 개발 성공 시에 세계 철도시장에서의 원천기술 등 다양한
기술 선점이 가능하다. 또한 철도시스템은 건설, 역사, 궤도, 토목, 전기, 전자, 통신 등 다
양한 시스템의 기술이 복합된 융합기술로 본 기술은 상기 각 시스템 간의 새로운 접목이
가능하다는 것을 입증 하였으며 향후 나노기술이 철도시스템의 각 분야에 적극 활용되고
연구될 것으로 기대된다.
기술적 측면으로는 집전판에 나노기술 적용 시 기존의 집전판과는 달리 표면 거칠기
향상 및 기계적 강도 획기적 향상 등 다양한 효과 및 성능향상과 전차선의 마모감소, 아
크감소의 효과 기대 된다. 팬터그래프-전차선로 사이의 집전성능은 열차의 속도향상을
위하여 확보해 야 할 중요 성능지표이다. 그러므로 전차선로 신선 건설 혹은 개량시 안전
법에 따라서 전차선로의 집전성능을 근본적으로 해결하는 새로운 기술의 개발이 필요한
실정이며 특히 본 연구를 통해 전기철도 집전시스템 원천기술 확보 및 次세대 세계 전기
철도 집전시스템 시장 선점이 가능할 것으로 기대된다. 또한 나노기술과 철도시스템간의
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다양한 분야와의 융합으로 신시장 창출 및 기술 실용화 효과 기대 되며 특히 급증하는
국내 및 국외의 전기철도 수요를 효율적 에너지기술 활용을 위한 융합원천기술 개발과
실용화 기술 확보로 신산업창출과 글로벌 기술시장 선도가 가능하여 관련분야의 큰 기여
가 기대된다.
경제적․산업적 측면은 신성장동력 분야로 다기능화 되어가는 나노소재기술 개발의 철
도시스템 적용으로 신 시장 창출이 가능할 것으로 기대된다. 나노 융합된 집전기술 및
부품기술 개발로 집전핵심 부품 및 팬터그래프 등 수입품 국산화 등을 교체할 경우 집전
설비의 에너지효율향상과 전차선로 아크․마모 감소로 전력사용량 및 유지보수 비용감소
효과 ( 3% 집전효율․유지보수비용 향상 시 연 100억원 감소효과 : 철도공사 2008년 기
준)이 기대되며 집전판 국산화 시 수입대체 약 40억/년 효과 기대 ((( KTX + KTXII
Pantograph 200기 + KTXII 도입 및 예비분) × 집전판 8개/기 × 교체시기 6개/year + 지
하철 Pantograph 2000기)) × 500천원) 이 기대된다.
나노신소재 기술은 임계성능구현, 초고효율 에너지 산업 실현을 가능하게 하는 미래 필
수 핵심소재이며, 나노융합산업은 나노기술을 타산업에 접목하여 부가가치를 창출하는 미
래 유망 산업으로 속도향상에 따른 철도시스템의 한계를 점진적으로 극복하고 각 시스템
의 기능 향상이 가능한 나노융합 기술을 적용한 전기철도 핵심 부품 성능향상이 가능하
며 현재까지의 철도시스템의 핵심 부품을 획기적으로 성능향상 시키는 획기적으로 바꿀
수 있는 신기술 창출 기대 되어 관련분야의 파급효과가 클 것으로 기대된다.
- 나노 복합체를 이용한 신소재 철도시스템 적용 시 약 40% 경량화 기대
- 나노 내마모 기술 철도 적용 시에 수명향상 기대
- 나노 자기세정 코팅 철도 적용 시에 유지보수 감소와 부품성능 향상 기대
- 나노 소음저감 코팅을 이용한 철도 인터페이스 분야 소음 절감효과 기대
ㅇ 신소재․나노융합 분야 핵심기술 철도적용기술 조기 확보 기대
- 소재산업은 수출 15.3%, 고용 12.6%, 생산 16.7%를 차지하고 나노융합산업은 ’14
년 2조6천억불의 세계시장을 형성할 것으로 예측
* 국내 나노기술 국제 경쟁력은 미국, 일본, 독일에 이은 세계 4위 수준 (’07년)
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◦ 본 연구과제는 원천 기술개발로 기술 개발의 가능성을 본 연구에서 수행하여 이에 대
한 효과 등이 결과로 나올 경우 즉시 산업체․운영기관과 연계하여 실용화 및 시범적용
기술 개발
◦ 기업들이 투자를 조기에 감행(Early Action)할 수 있는 여건 조성 및 현재 300km/h급
의 집전시스템을 400km/h 이상으로 향상하는 기술의 조기 확보
◦ 본 연구는 기술료 사업으로 본 연구 수행결과 도출된 연구결과와 특허 등을 활용하여
실용화 하도록 하고 기업체에 기술을 이전하여 기술료 기반의 연구가 되도록 함
▸ 팬터그래프 집전판 성능향상 기술의 국내원천기술보유로 관련 기술을 기업체에 기술
이전하고 연구완료와 동시에 기술이전 공동연구를 수행하도록 함
▸ 철도공사-도시철도운영기관-철도시설공단-한국철도기술연구원의 다자간 협력으로 현
재 프랑스․일본․독일 위주의 팬터그래프 집전판을 국산화 하도록 시범적용 연구 수행
▸ 현재 금속계와 탄소계 집전판의 문제점을 해결하는 신기술 개발로 세계 시장 선점․
수출기대
◦ 각 분야에 실용화 결과가 구체적으로 획득될 경우 한연산 협조를 통하여 구체적 방안
과 실현 가능성에 대한 충분한 검토 후에 기술 개발 추친
ㅇ 나노신소재 기술은 임계성능구현, 초고효율 에너지 산업 실현을 가능하게 하는 미래
필수 핵심소재이며, 나노융합산업은 나노기술을 타산업에 접목하여 부가가치를 창출하는
미래 유망 산업
ㅇ 속도향상에 따른 철도시스템의 한계를 점진적으로 극복하고 각 시스템의 기능 향상이
가능한 나노융합 기술을 적용한 전기철도 핵심 부품 성능향상
ㅇ 현재까지의 철도시스템의 핵심 부품을 획기적으로 성능향상 시키는 획기적으로 바꿀
수 있는 신기술 창출 기대
- 나노 복합체를 이용한 신소재 철도시스템 적용 시 약 40% 경량화 기대
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- 나노 내마모 기술 철도 적용 시에 수명향상 기대
- 나노 자기세정 코팅 철도 적용 시에 유지보수 감소와 부품성능 향상 기대
- 나노 소음저감 코팅을 이용한 철도 인터페이스 분야 소음 절감효과 기대
ㅇ 신소재․나노융합 분야 핵심기술 철도적용기술 조기 확보 기대
- 소재산업은 수출 15.3%, 고용 12.6%, 생산 16.7%를 차지하고 나노융합산업은 ’14년
2조6천억불의 세계시장을 형성할 것으로 예측
* 국내 나노기술 국제 경쟁력은 미국, 일본, 독일에 이은 세계 4위 수준 (’07년)
그림 72. 철도시스템과 NT융합기술 확보
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종 류 기술 요약
미국공개특허
2008-095694
미국공개특허
2006-071862
미국특허
5,589,652
일본공개특허
2007-124789
일본공개특허
2002-180105
탄소 나노 튜브와 같은 것과 집합체의 어레이와 반데르발스력과 같은
강한 상호작용에 의해 함께 홀딩되는 탄소-계 미시 구조를 사용한 광
범위 탄소계 응용
전도성 수지기반의 재료는 베이스 수지 호스트에서 금속 섬유 또는 도
금된 파이버 금속의 마이크론 도전성 분말, 전도성 섬유 또는 전도성
입자와 전도성 섬유의 조합을 포함하는 철도시스템을 위한 전기 연결장
치
세라믹 초정밀 입자 및 고체 윤활제 입자 또는 고체 윤활제 짧은 사이
즈 파이버는 분산시키며, 여기에서 상기 세라믹 초정밀 입자의 평균 입
자 크기가 200nm이하이고, 상기 짧은 사이즈 파이버의 상기 고체 윤활
제 입자 또는 중간 직경의 평균 입자 크기가 0.25에서 10.mu.m의 범위
로 하는 ceramic-particle dispersed 금속부재를 사용한 팬터그래프 집
전판
동, 또는 동의 소결합금을 재료로 하는 금속과 카본 나노 튜브의 복합
재료에 의해 형성되는 광범위 탄소계 응용
양도전성의 금속가루 및 소선경 0.05~0.3mm,길이 2~10mm의 양도전성
금속 섬유의 총화가 중량비에서35~70%, 잔부를 탄소가루로 하는 재료
로, 금속가루와 금속섬유의 총화에 대한 금속 섬유의 비율이 중량비로
5~20%로어느 재료를 혼합 후, 가압 성형해, 그 성형체를 비산화성 분위
기중에 있어 성형 체내로부터 금속이 용해되는 범위의 고온으로 소결
하는 탄소계 집전판 제조방법
일본공개특허 탄소기재에, 복합재료의 전중량에 대해 1~70 중량%의 비율이 되는 티
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2000-281446
일본공개특허
평08-033110
일본공개특허
평08-308012
일본공개특허
평08-104960
논 문
논 문
탄과 복합재료의 전중량에 대해 1~75 중량%의 동함유율이 되는 동 또
는 구리합금이 융합되는 것을 특징으로하는 판터그래프의 집전판
Cu:0.5~3중량%, Ni:2~6중량%, Mo:0.1~2중량%, 를 함유 해, 나머지
가 Fe 및 불순물로부터 되는 조성을 가지는 기공율:10~30%의 Fe기소
결합금에, Cu 또는 Cu합금을 용침하는 동용침 Fe기소결합금으로 구성
되는 것을 특징으로 하는 내마모성 및 전기 전도성이 뛰어난 동용침
Fe기 소결합금제의 팬터그래프용 집전판
전철선에 접접한 집전판(5)와 shoe(6)를 일체형성하고 집전판과 배의
모재를 공통의 도전부재로 형성함과 함께、산화알미늄 등의 화재를 함
유시키는 것을 특징으로 하는 팬터그래프의 집전주
분산상 형성 성분으로서 TiB2 and/or ZrB2중에서 1종 또는 2종 이상:
5~20%, 분산상 형성 성분으로서 ZrN, MoSi2, TaC and WC중에서 1종
또는 2종 이상:5~20%, 분산상 형성 성분으로서 BN, MnS, MnO2 가
운데 1종 또는 2종이상:0. 1~5%, 소지 형성 성분으로서 Ni, Cu, 및
Mn 가운데1종 또는 2종 이상:0. 1~7%,를 함유 해, 나머지가 같은 소
지 형성 성분으로 서의 Fe와 불순물로부터 조성을 가지는 Fe기소결합
금으로 구성한 것을 특징으로하는 Fe기 소결합금제의 팬터그래프용 집
전판
Nobuyuki Yokoyam, "Research and Development toward Wear
Reduction of Curent Collecting System", JR EAST Technical
Review-No.13, 50-54.
A. COLLINA, S. MELZI, "Effect of contact strip-Contact Wire
Interaction on Current Transfer at High Sliding Speed in the
Mid-High Frequency Range", AITC-AIT 2006 International
Conference on Tribology 20-22 September 2006, parma, Italy.
논 문 Shunichi KUBO, "Wear Tester for Curremt Collecting Materials for
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논 문
논 문
규 격
규 격
규 격
High Speed Railway", Railway Technology Avalanche No. 6,
September 1, 2004.
"C/C Composite Material for Pantograph's Contact Strips", Railway
Technical Research Institute, 2010.
CARBONE LORRAINE, "Carbon sliding contacts for main line,
suburban and urban transit systems"
BS EN 50405:2006, "Railway applications-Current collection
systems-Pantographs, testing methods for carbon contact strips"
2002(Railway applications current collection systems- Requirements
for and validation of measurements of the dynamic interaction
between pantograph and overhead contact line, 2002)
UIC799 OR(Characteristics of ac overhead contact systems for
high-speed lines worked at speeds of over 200km/h, 2002).
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연구수행
기관
한밭대학교
산학협력단
연구기자재 및 연구시설명 규 격 수량 활용용도
RF magnetron sputter 대 1 나노금속 합성 장치
Chiller 대 1 합성 장치 냉각수 공급
Desiccator Cabinet 대 1 샘플 보관 장치
전자 제습 장치 대 1 샘플 보관 장치
절연시험기 대 1 절연성 테스트
절연저항 측정기 대 1 절연저항 측정
접지저항 측정기 대 1 접지저항 측정
초음파 세척기 대 1 초음파를 통한 샘플 세척
Hot plate & Current Source 대 1 기판의 열 흡착
Fume hood 대 1 실험실 가스, 연기 배출
전류계 대 1 전류 측정
진공증착기 대 1 금속 및 비금속 증착
건조오븐 대 1 고온의 건조 장치
전원공급기 대 1 AC/DC 가변전압 공급
항온항습기 대 1 온되 및 습도 조절 장치
Spin Coater 대 1 기판 코팅 장치
팬터그래프 정적시험기 대 1 집전판 접촉력/동작시험
팬터그래프 내구성시험기 대 1 팬터그래프집전판내구시험
- 112 -
비
고

한국철도
기술연구원
팬터그래프 동적시험기 대 1 팬터그래프집전판가진시험
전차선로/집전계 주행특성
시험기
- 113 -
대 1
주행중
전철용애자
집전판시험
3차원측정기 대 1 철도용품 치수측정
팬터그래프 집전판 마모시험기 대 1 팬터그래프 집전판 마모
전자현미경 & X선 성분분석기 대 1 형상, 성분 분석
진동시험기 대 1 부품 충격, 진동시험
염수분무가스부식 시험기 대 1 유기피막 성능평가
X선 잔류응력 측정 시스템 대 1 잔류응력
만능재료시험기 대 1 인장, 압푹, 휨

[1] Jaeho Hwang, Dongho, "Investigation on Severe Aerodynamic Load Condition
about Pantograph", KSME conference paper (2001) 1-6.
[2] Kubo. S, Tsuchiya. H, "Recent Developments in the Installation of Carbon Contact
Strips on Pantograph Head", QR of RTRI 45(4) (2004) 184-189.
[3] T.Kitagawa, K. Nagakura, "Aerodynamic Noise Generated by Shinkansen Cars", J
of Sound and Vibration 231(3) (2000) 913-924.
[4] B Schulte-Werning, "Research of European railway operators to reduce the
environmental impact of high-speed trains", Proc. Instn Mech. Engrs, 217 Part F:
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[5] 김병기, “나노금속분말재료의 특성 및 응용현황,” 재료마당, 제14권, 7호, (2001)
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[6] W. Precht*, A. Czyzniewski, "Deposition and some properties of carbide/
amorphous carbon nanocomposites for tribological application", Surface and
Coatings Technology 174-175 (2003) 979-983.
[7] 강남현, 채현병, 김준기, 최종하, 김정한, "재생 초경합금 분말을 활용한 금속기지 복
합재료의 Abrasion 마모거동", 한국재료학회지 13(12) (2003) 850-854.
[8] Nobuyuki Yokoyam, "Research and Development toward Wear Reduction of Curent
Collecting System", JR EAST Technical Review-No.13, 50-54.
[9] A. COLLINA, S. MELZI, "Effect of contact strip-Contact Wire Interaction on
Current Transfer at High Sliding Speed in the Mid-High Frequency Range",
AITC-AIT 2006 International Conference on Tribology 20-22 September 2006,
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[10] Shunichi KUBO, "Wear Tester for Curremt Collecting Materials for High Speed
Railway", Railway Technology Avalanche No. 6, September 1, 2004.
[11] "C/C Composite Material for Pantograph's Contact Strips", Railway Technical
Research Institute, 2010.
[12] CARBONE LORRAINE, "Carbon sliding contacts for main line, suburban and
urban transit systems"
[13] BS EN 50405:2006, "Railway applications-Current collection systems-Pantographs,
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주 의
1. 이 보고서는 교육과학기술부에서 시행한 2010년 기술료 사업의 연구보고서
입니다.
2. 이 보고서 내용을 발표하는 때에는 반드시 교육과학기술부에서 시행한 사업의
연구결과임을 밝혀야 합니다.
3. 국가과학기술 기밀유지에 필요한 내용은 대외적으로 발표하거나 공개하여서
는 아니됩니다.