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KR101236210B1 - 탄소섬유 가공장치 - Google Patents

탄소섬유 가공장치 Download PDF

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KR101236210B1
KR101236210B1 KR1020100115932A KR20100115932A KR101236210B1 KR 101236210 B1 KR101236210 B1 KR 101236210B1 KR 1020100115932 A KR1020100115932 A KR 1020100115932A KR 20100115932 A KR20100115932 A KR 20100115932A KR 101236210 B1 KR101236210 B1 KR 101236210B1
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capacitive coupling
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heater
roller
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Abstract

본 발명은 탄소섬유 가공장치에 관한 것이다. 본 발명의 탄소섬유 가공장치는 열처리전 전구체 섬유가 권선된 제1 롤러; 열처리된 탄소 섬유가 권선되는 제2 롤러; 상기 제1 롤러에서 상기 제2 롤러에 이르는 섬유 이동 경로를 사이에 두고 상호 대향되게 배치된 제1 및 제2 용량결합전극; 상기 제1 및 제2 용량결합전극 사이의 방전 공간으로 방전 가스를 제공하는 가스 공급부; 및 상기 제1 용량결합전극으로 무선주파수를 공급하는 무선 주파수 공급원을 포함한다. 본 발명의 탄소섬유 가공장치에 의하면, 방전된 플라즈마를 이용하여 전구체 섬유를 발열하여 열처리함으로써 탄소 섬유를 제조할 수 있다. 또한 전구체 섬유를 고온으로 열처리 할때 플라즈마를 이용함으로써 보다 안정적인 환경에서 전구체 섬유의 열처리가 가능하다. 또한 하나의 탄소 섬유 제조 장치로 저기압 또는 대기압에서 전구체 섬유의 열처리가 가능하다. 또한 히터를 이용한 가열수단이 구비되어 방전된 플라즈마를 고온으로 유지할 수 있다.

Description

탄소섬유 가공장치{APPARATUS FOR MAUNFACTURING CARBON FIBER}
본 발명은 탄소섬유 가공장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마를 이용하여 전구체 섬유를 재가공하는 탄소섬유 가공장치에 관한 것이다.
일반적으로 탄소 섬유는 적어도 92% 이상의 탄소로 이루어진 섬유를 칭하는 것으로서, 항공, 레저, 자동차, 조선, 특수산업에 고강도/ 고탄성의 경량화 소재로 활용되고 있다. 탄소 섬유는 적어도 90% 이상의 탄소로 이루어진 섬유를 칭하는 것으로서, 제조방법 및 출원원료에 따라 폴리아크릴로니트릴계(PAN:polyacrylonitrile), 핏치계(Pitch), 레이온계(Rayon) 탄소섬유로 구별되어진다. 특히 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유는 높은 인장강도 및 전단 강도를 지닌 고기능성 충전재로서 우주 및 항공분야에 소비되어 왔으며, 핏치계의 경우 값싼 범용성 탄소섬유로서 많은 기능성을 내포하고 있다. 탄소섬유의 대표적인 특성은 가볍고 강하며 높은 탄성율을 갖는다. 탄소섬유는 강철에 비해 1/5로 가볍고, 10배 정도 강도가 세다.
탄소섬유의 제조방법은 전구체로서 레이온, 핏치 또는 폴리아크릴로니트릴을 중합 방사하여 섬유를 제조하고, 이 전구체 섬유를 열처리하여 얻는 것이 일반적이다. 여기서 열처리 과정을 간략하게 설명하면 다음과 같다. 전구체 섬유는 공기 분위기에서 200 ~ 300 ℃의 온도로 산화시키는 안정화단계를 거치게 된다. 산화 안정화는 전구체 섬유가 탄화과정에서 융착되거나 분해되지 않도록 분자 간에 가교결합을 시켜주는데 목적이 있다. 안정화 단계를 거친 전구체 섬유는 불활성 분위기에서 1,000~1,500℃ 열처리해주는 탄화 단계 및 2,500~3,000℃에서 열처리해주는 흑연화 단계를 거쳐 탄소섬유를 제조하게 된다.
상기에 설명한 바와 같이, 탄소 섬유 제조를 위한 열처리 단계는 탄소 섬유 제조에 있어서 중요한 단계이다. 즉, 열처리 단계에서의 미세한 온도 차이나 온도변화는 탄소 섬유의 제조에 영향을 미칠 수 있다. 그러므로 보다 높은 품질의 탄소 섬유를 제조하기 위해서는 열처리 단계에서 안정적으로 전구체 섬유를 처리 위한 기술이 요구된다. 또한 여러 단계로 열처리를 수행하기 위해 다수 개의 열처리 장치가 구비되어야 하므로 설비에 많은 비용이 소요된다.
본 발명의 목적은 방전 공간에서 방전된 플라즈마를 이용하여 전구체 섬유를 열처리함으로써 안정적인 환경에서 보다 높은 품질의 탄소 섬유를 제조하기 위한 탄소섬유 가공장치를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 탄소섬유 가공장치에 관한 것이다. 본 발명의 탄소섬유 가공장치는 전구체 섬유가 권선된 제1 롤러; 열처리된 탄소 섬유가 권선되는 제2 롤러; 상기 제1 롤러에서 상기 제2 롤러에 이르는 섬유 이동 경로를 사이에 두고 상호 대향되게 배치된 제1 및 제2 용량결합전극; 상기 제1 및 제2 용량결합전극 사이의 방전 공간으로 방전 가스를 제공하는 가스 공급부; 및 상기 제1 용량결합전극으로 무선주파수를 공급하는 무선 주파수 공급원을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 용량결합전극에 대향하여 상기 제1 용량결합전극의 일면에 장착된 유전체판을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 유전체판에 형성된 다수개의 홀을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 용량결합전극에 구비된 냉각수 공급 채널을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 용량결합전극에 구비된 히터 열선; 상기 히터 열선을 감싸는 절연 커버; 및 상기 히터 열선에 히터 전력 공급하는 히터 전원을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 및 제2 용량결합전극은 수평 또는 수직으로 대향된 구조를 갖는다.
일 실시예에 있어서, 상기 방전 공간에 위치하여 섬유 이동 경로를 따라 이동하는 섬유에 접촉하여 열을 제공하는 하나 이상의 히터봉과 상기 히터봉으로 히터 전력을 공급하는 히터 전원을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 히터봉은 섬유와 접촉되는 히터봉 몸체; 상기 히터봉 몸체의 내부에 배선된 히터 열선; 및 상기 히터 열선을 감싸는 절연 커버를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 섬유 이동 경로를 사이에 두고 상호 대향되게 배치된 제3 및 제4 용량 결합 전극을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제4 용량결합전극에 대향하여 상기 제3 용량결합전극의 일면에 장착된 유전체판을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제3 용량결합전극으로 무선주파수를 공급하는 무선 주파수 공급원을 포함한다.
본 발명의 탄소섬유 가공장치에 의하면, 방전된 플라즈마를 이용하여 전구체 섬유를 발열하여 열처리함으로써 탄소 섬유를 제조할 수 있다. 또한 전구체 섬유를 고온으로 열처리 할때 플라즈마를 이용함으로써 보다 안정적인 환경에서 전구체 섬유의 열처리가 가능하다. 또한 하나의 탄소 섬유 제조 장치로 저기압 또는 대기압에서 전구체 섬유의 열처리가 가능하다. 또한 히터를 이용한 가열수단이 구비되어 방전된 플라즈마를 고온으로 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소섬유 가공장치를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 탄소섬유 가공장치의 단면도이다.
도 3은 제1 전극에 구비된 다양한 형태의 유전체판을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제1, 2 전극이 수평으로 형성된 탄소섬유 가공장치를 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6은 다수 개의 탄소섬유 가공장치가 병렬로 연결된 상태를 도시한 도면이다.
도 7은 전극이 교대적으로 배치된 탄소섬유 가공장치를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소섬유 가공장치를 도시한 도면이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소섬유 가공장치를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 탄소섬유 가공장치의 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소섬유 가공장치(100)는 탄소섬유가 권선되는 제1, 2 롤러(150a, 150b)와 제1, 2 전극(120, 140)과 방전가스를 공급하는 가스 공급부(130) 및 무선 주파수 공급원(124)를 포함한다.
제1, 2 롤러(150a, 150b)는 탄소섬유(152)가 권선된다. 제1 롤러(150a)와 제 2 롤러(150b)는 소정의 간격 이격되어 위치되어 제1, 2 롤러(150a, 150b) 사이에서 섬유(152)가 가공된다. 제1 롤러(150a)에는 가공되기 전의 전구체 섬유가 권선되고, 제2 롤러(150b)에는 가공된 후의 탄소섬유가 권선된다.
제1, 2 전극(120, 140)은 제1, 2 롤러(150a, 150b) 사이의 탄소 섬유 이동 경로를 사이에 두고 상호 대향되게 배치된다. 여기서, 제1 전극(120)과 제2 전극(140) 사이에서는 방전 공간이 형성되어, 제1, 2 전극(120, 140) 사이를 지나는 탄소섬유(152)를 가공한다.
가스 공급부(130)는 제1, 2 전극(120, 140) 사이의 방전공간으로 방전가스를 공급한다. 가스 공급부(130)는 대향되게 배치된 제1, 2 전극(120, 140) 상부에 위치된다. 가스 공급부(130)는 가스입구(131)가 구성되어 가스 공급원(미도시)으로부터 방전가스를 공급받고, 다수 개의 가스 분사홀(132)을 통해 방전공간으로 방전가스를 분사한다.
무선 주파수 공급원(124)은 제1 전극(120)에 연결되어 무선 주파수를 공급한다. 가스 공급부(130)를 통해 제1, 2 전극(120, 140) 사이로 방전 가스가 공급되어 제1, 2 전극(120, 140) 사이에서 플라즈마가 발생된다. 무선주파수 공급원(124)에서 제공된 무선 주파수는 임피던스 정합기(125)를 통해 제1 전극(120)으로 공급된다.
여기서, 무선 주파수 공급원(124)이 연결된 제1 전극(120)에는 제1 전극(120)이 과도하게 가열되는 것을 방지하기 위한 냉각수 라인(122)이 구비된다. 냉각수 공급원(미도시)으로부터 공급되는 냉각수는 냉각수 라인(122)을 따라 공급되어 제1 전극(120)이 과도하게 가열되는 것을 방지한다. 또한 제1 전극(120)은 제2 전극(140)과 마주보는 면에 유전체판(126)이 구성된다. 유전체판(126)은 세라믹으로 형성되어 제1, 2 전극(120, 140) 사이에서 플라즈마 방전이 균일하게 발생되도록 한다.
또한 제2 전극(140)의 내부에는 플라즈마 방전 효율을 향상시키기 위한 히터열선(142)이 구비된다. 히터열선(142)은 외주면에 절연커버(144)가 구비된다. 히터열선(142)은 히터전원(146)으로부터 히터전력을 공급받아 구동되어 제1, 2 전극(120, 140) 사이에서 발생되는 플라즈마 방전 효율을 향상시킨다.
제1 롤러(150a)에 권선되어있던 전구체 섬유(152)는 탄소섬유 가공장치(100) 내의 방전공간을 통과하면서 탄소섬유 가공장치(100) 내부에서 방전된 플라즈마에 의해 가열된다. 탄소섬유 가공장치(100)를 통해 가공 처리된 탄소섬유(152)는 제2 롤러(150b)에 권선된다.
도 3은 제1 전극에 구비된 다양한 형태의 유전체판을 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 전극(120)에 구성된 유전체판(126)은 제2 전극(140)과 마주하는 면이 편평하게나 다수 개의 홀(126a)이 구비될 수도 있다. 유전체판(126)에 다수 개의 홀(126a)이 구비되어 보다 균일한 플라즈마 방전이 발생될 수 있다.
앞서 설명한 바와 탄소섬유 가공장치(100)는 제1, 2 전극(120, 140)이 수직으로 대향하도록 위치된다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제1, 2 전극이 수평으로 형성된 탄소섬유 가공장치를 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 탄소섬유 가공장치(100')는 수평으로 제1, 2 전극(120, 140)이 대향하도록 구성된다. 여기서, 탄소섬유 가공장치(100')는 상기에 설명한 탄소섬유 가공장치(100)와 구성 및 기능을 동일하다. 수평으로 구성된 제1, 2 전극(120, 140) 사이에서 탄소섬유(152)가 이동되면서 가공된다.
도 5 및 도 6은 다수 개의 탄소섬유 가공장치가 병렬로 연결된 상태를 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 다수 개의 탄소섬유 가공장치(100a, 100b, 100c)를 병렬로 연결하여 탄소섬유(152)를 가공할 수 있다. 즉, 다수 개의 탄소섬유 가공장치(100a, 100b, 100c)는 방전공간이 연결되도록 병렬로 연결한다. 예를 들어, 제1, 2, 3 탄소섬유 가공장치(100a, 100b, 100c)를 병렬로 연결한다. 여기서, 전력이 입력되는 전극과 접지로 연결된 전극이 이웃하도록 탄소섬유 가공장치(100a, 100b, 100c)가 교대적으로 배열된다.
제2 탄소섬유 가공장치(100b)는 제3 전극(140a)과 제4 전극(120a)이 대향되도록 위치되고, 제3 탄소섬유 가공장치(100c)는 제5 전극(120b)과 제6 전극(140b)이 대향되도록 위치된다. 여기서도, 제4 전극(120a) 및 제 5 전극(120b)에는 무선 주파수 공급원(124)에 연결되어 무선 주파수 전력을 공급받는다. 제1, 4, 5 전극(120, 120a, 120b)은 동일한 무선 주파수 공급원으로부터 전력을 공급받을 수도 있고, 서로 다른 무선 주파수 공급원으로부터 전력을 공급받을 수도 있다. 또한 제4 전극(120a) 및 제 5 전극(120b)에는 유전체판(126)이 구비되어 균일한 플라즈마 방전이 발생하도록 한다.
앞서 설명한 탄소섬유 가공장치(100)는 하나의 제1 전극(120)과 하나의 제2 전극(140)이 대향하여 구비된다.
도 7은 전극이 교대적으로 배치된 탄소섬유 가공장치를 도시한 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 탄소섬유 가공장치(100")는 내부에 다수 개의 제1, 2 전극(120, 140)이 대향하도록 구비된다. 여기서, 다수 개의 제1 전극(120)과 제2 전극(140)은 서로 이웃하도록 병렬로 위치된다. 이때, 병렬로 배치된 제1 전극(120)과 제2 전극(140) 사이에는 절연판(190)이 구비되어 제1, 2 전극(120, 140) 사이를 전기적으로 절연한다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소섬유 가공장치를 도시한 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소섬유 가공장치(200)는 방전공간 내부에 다수 개의 히터봉(220)을 구비할 수 있다. 히터봉(220)은 히터봉 몸체(228)와 히터열선(222) 및 절연커버(224)으로 구성된다. 히터봉 몸체(228)는 봉 형상으로 형성되고, 내부에 절연커버(224)로 감싸진 히터열선(222)이 구비된다. 히터전원(146)으로부터 히터전력을 제공받아 가열된 히터열선(222)은 히터봉 몸체(228)에 열을 제공하여 탄소섬유 가공장치(200) 내부의 방전공간에 열을 제공할 수 있다. 탄소섬유 가공장치(200)의 방전공간을 통과하는 탄소섬유(152)는 히터봉(220)에 접촉하면서 이동되므로 탄소섬유(152)의 열처리가 효율적으로 이뤄지도록 한다.
이상에서 설명된 본 발명의 탄소섬유 가공장치의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그럼으로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
100, 100', 100": 탄소섬유 가공장치
100a, 100b, 100c: 제1, 2, 3 탄소섬유 가공장치
120: 제1 전극 120a: 제4 전극
120b: 제 5전극 122: 냉각수 라인
124: 무선 주파수 공급원 125: 임피던스 정합기
126: 유전체 윈도우판 126a: 홀
130: 가스 공급부 131: 가스 입구
132: 가스 분사홀 140: 제2 전극
140a: 제3 전극 140b: 제6 전극
142: 히터열선 144: 절연커버
146: 히터전원 150a, 150b: 제1, 2 롤러
152: 탄소섬유 200: 탄소섬유 가공장치
220: 히터봉 222: 히터열선
224: 절연커버 228: 히터봉 몸체

Claims (11)

  1. 열처리전 전구체 섬유가 권선된 제1 롤러;
    열처리된 탄소 섬유가 권선되는 제2 롤러;
    상기 제1 롤러에서 상기 제2 롤러에 이르는 섬유 이동 경로를 사이에 두고 상호 대향되게 배치된 제1 및 제2 용량결합전극;
    상기 제1 및 제2 용량결합전극 사이의 방전 공간으로 방전 가스를 제공하는 가스 공급부; 및
    상기 제1 용량결합전극으로 무선주파수를 공급하는 무선 주파수 공급원을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 가공장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 용량결합전극에 대향하여 상기 제1 용량결합전극의 일면에 장착된 유전체판을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 가공장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유전체판에 형성된 다수개의 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 가공장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 용량결합전극에 구비된 냉각수 공급 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 가공장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 용량결합전극에 구비된 히터 열선;
    상기 히터 열선을 감싸는 절연 커버; 및
    상기 히터 열선에 히터 전력 공급하는 히터 전원을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 가공장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 용량결합전극은 수평 또는 수직으로 대향된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 가공장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 방전 공간에 위치하여 섬유 이동 경로를 따라 이동하는 섬유에 접촉하여 열을 제공하는 하나 이상의 히터봉과,
    상기 히터봉으로 히터 전력을 공급하는 히터 전원을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 가공장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 히터봉은
    섬유와 접촉되는 히터봉 몸체;
    상기 히터봉 몸체의 내부에 배선된 히터 열선; 및
    상기 히터 열선을 감싸는 절연 커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 가공장치.
  9. 제1항에 있어서,
    섬유 이동 경로를 사이에 두고 상호 대향되게 배치된 제3 및 제4 용량 결합 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 가공장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제4 용량결합전극에 대향하여 상기 제3 용량결합전극의 일면에 장착된 유전체판을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 가공장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제3 용량결합전극으로 무선주파수를 공급하는 무선 주파수 공급원을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 가공장치.
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