KR101254573B1 - 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치에 관한 것이다, 본 발명의 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치는 전원 공급원에 연결되어 전원을 공급받는 제1 전극; 상기 제1 전극과 병렬로 구비되어 접지로 연결되는 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 접하도록 지나면서 전도 구간이 형성되어 발열되는 탄소 섬유 제조용 전구체 섬유;를 포함한다. 본 발명의 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치에 의하면, 전극을 이용하여 전구체 섬유를 발열하여 열처리함으로써 탄소 섬유를 제조할 수 있다. 또한 플라즈마를 이용하여 전구체 섬유를 열처리하여 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.
Description
본 발명은 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마를 이용하여 탄소 섬유 제조용 전구체 섬유를 열처리하는 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치에 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 강도 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 전극을 이용하여 전구체 섬유를 열처리함으로써 안정적인 환경에서 보다 높은 품질의 탄소 섬유를 제조하기 위한 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 전극과 플라즈마 소스를 이용하여 전구체 섬유를 열처리함으로써 안정적인 환경에서 보다 높은 품질의 탄소 섬유를 제조하기 위한 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치에 관한 것이다, 본 발명의 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치는 전원 공급원에 연결되어 전원을 공급받는 제1 전극; 상기 제1 전극과 병렬로 구비되어 접지로 연결되는 제2 전극; 상기 제1 전극과 상기 제2 전극을 접하도록 지나면서 전도 구간이 형성되어 발열되는 탄소 섬유 제조용 전구체 섬유;를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 내부에 설치되는 챔버;를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 챔버 내부로 가스를 제공하기 위한 가스 유입구를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 챔버의 온도를 상승시키기 위한 보조 가열 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 챔버 내부의 가스를 외부로 배출시키기 위한 배기펌프를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 전구체 섬유가 제1 전극 및 제2 전극에 접하면서 이동되도록 하는 섬유 이송 수단을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 챔버의 내부에 유도되어 상기 전구체 섬유를 열처리하기 위한 플라즈마 소스를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 구비되어 상기 전구체 섬유가 통과되는 석영관; 상기 석영관의 하부에 구비되어 상기 전구체 섬유에 열을 가하기 위한 히터를 포함한다.
본 발명의 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치에 의하면, 전극을 이용하여 전구체 섬유를 발열하여 열처리함으로써 탄소 섬유를 제조할 수 있다. 또한 플라즈마를 이용하여 전구체 섬유를 열처리하여 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.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치를 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 바람직한 제1 실시예에 따른 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 탄소 섬유 제조장치(100)는 병렬로 배치된 제1, 2, 3 전극(122, 124)과 탄소 섬유 제조용 전구체 섬유(142)로 구성된다.
제1, 2, 3 전극(122, 124, 126)은 봉 형상으로 병렬로 평행하게 배치된다. 제 2, 3 전극(124, 126)은 소정의 간격으로 이격되어 설치되며 접지(113)로 연결된 접지전극이다. 제2, 3 전극(124, 126) 사이에는 교류 전력을 공급하는 교류 전원 공급원(112)에 연결된 제1 전극(122)이 설치된다. 제1 전극(122)에는 직류 전원(114)이 더 연결되어 선택적인 전원 공급이 가능하다. 본 발명에서의 전원 공급장치는 전구체 섬유(142)을 발열하여 탄소 섬유를 제조하기에 적합한 범위의 전압을 제공한다.
전구체 섬유(142)는 유기섬유 전구체(폴리아크릴로니트릴(PAN:polyacrylonitrile), 핏치(Pitch), 레이온(Rayon) 등)를 중합하여 중합체를 형성하고 방사하여 섬유화한 물질이다. 전구체 섬유(142)를 가열하여 탄소 함유율이 90% 이상인 탄소 섬유를 제조한다. 전구체 섬유(142)는 전구체 섬유 이송수단인 롤러(140)에 권선된다. 섬유 제공 수단은 전구체 섬유(142)를 이동시키면서 전구체 섬유(142) 전체에 열이 제공될 수 있도록 한다. 전구체 섬유(142)의 일측은 제1 롤러(140a)에 권선되고, 타측은 제2 롤러(140b)에 권선된다. 전구체 섬유(142)의 이동은 제1 롤러(140a)의 회전에 의해 전구체 섬유(142)가 풀어지고, 풀어진 전구체 섬유(142)를 제2 롤러(140b)가 회전하면서 다시 권선한다.
여기서, 전구체 섬유(142)는 병렬로 배치된 제1 전극(122)과 제2 전극(124) 및 제3 전극(126)에 각각 접하도록 구비되어 롤러(140)에 의해 이동된다. 이때, 전류가 통하는 제1 전극(122)과 접지(113)로 연결된 제2, 3 전극(124, 126)에 접한 전구체 섬유(142)에는 일시적으로 전류가 흐르게 된다. 제1 전극(122)으로 전력이 공급되면서 전류 경로는 전구체 섬유(142)에서 제2, 3 전극(124, 126)으로 이동하게 된다. 그러므로 전류가 흐른 전구체 섬유(142)가 발열되어 열처리가 이루어진다. 본 발명에서의 전원 공급원은 전구체 섬유(142)가 발열 가능한 정도의 전력을 공급한다.
전원 공급원으로부터 제공되는 전력은 전구체 섬유(142)를 발열시킬 수 있는 정도로
전원 공급원은 전구체 섬유(142)를 발열할 수 있는 정도의 전력을 제1 전극(122)에 공급하연결되는 하여 탄소 섬유를 제조탄소 섬유를 제조하기 위한 전구체 섬유(142)를 발열하기 위한
본 발명에서는 복수 개의 전구체 섬유(142)를 봉 형상의 제1, 2, 3 전극(122, 124, 126)에 접하도록 설치한다.
전원 공급원으로부터 제공되는 전력은 전구체 섬유(142)를 발열시킬 수 있는 정도로
전원 공급원은 전구체 섬유(142)를 발열할 수 있는 정도의 전력을 제1 전극(122)에 공급하연결되는 하여 탄소 섬유를 제조탄소 섬유를 제조하기 위한 전구체 섬유(142)를 발열하기 위한
본 발명에서는 복수 개의 전구체 섬유(142)를 봉 형상의 제1, 2, 3 전극(122, 124, 126)에 접하도록 설치한다.
도 2는 도 1에 도시된 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치의 측면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 전극(122)과 제2 전극(124) 및 제3 전극(126) 사이에 위치된 전구체 섬유(142)에 전도구간(A)이 형성된다. 전구체 섬유(142)은 제1 전극(122)과 제2 전극(124) 및 제3 전극(126)의 상면에 접하도록 롤러(140)에 권선된다. 전구체 섬유(142)를 이동시키기 위해 롤러(140)를 구동하면 전구체 섬유(142)는 제1 전극(122)과 제2 전극(124)에 차례로 접하면서 이동되게 된다. 이때 전원을 제공받는 제1 전극(122)에는 전류가 흐르고 제2 전극(124)과 제3 전극은 접지(113)로 연결되기 때문에 제1 전극(122)과 제2 전극(124) 및 제3 전극(126)에 접한 전구체 섬유(142)에도 전류가 흘러 도선 역할을 하게 된다. 즉, 전구체 섬유(142)의 전도구간(A)에서 전류의 흐름으로 인한 자체 발열이 발생하기 때문에 전구체 섬유(142)의 열처리가 이루어진다.
특히, 본 발명에 따른 탄소 섬유 제조장치(100)는 탄화 단계 및 흑연화 단계에서 전구체 섬유(142)를 열처리하는데 사용할 수 있다. 안정화 단계를 거쳐 일차적으로 열처리된 전구체 섬유(142)는 표면만 탄화되고 완전하게 내부까지 탄화되지 못한다. 이렇게 일차적으로 열처리된 전구체 섬유(142)를 제1, 2, 3 전극(122, 124, 126)을 이용하여 열처리함으로써 완전하게 탄화가 이루어지도록 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치를 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1, 2, 3 전극(122, 124, 126)을 챔버(110) 내부에 구비할 수도 있다. 챔버(110)는 일측 및 타측에 각각 전구체 섬유(142)의 출입이 가능하도록 입구(a)와 출구(b)가 구비된다. 또한 가스 공급원(130)으로부터 가스를 제공받기 위한 가스 유입구(미도시)가 구비된다. 가스 공급원(130)으로부터 제공된 가스는 가스 유입구(111)를 통해 플라즈마 챔버(110) 내부로 공급된다. 여기서, 가스 공급원(130)은 탄화 단계(불활성 분위기에서 열처리하는 단계)를 수행하기 위한 불활성 가스를 제공하거나 챔버(110) 내부에 플라즈마 소스를 발생시키기 위한 가스를 제공할 수도 있다. 챔버(110) 하부에는 가스 배기구가 구비된다. 가스 배기구는 배기 펌프(118)에 연결되어 챔버(110) 내부에서 공정 처리가 완료된 가스를 외부로 배출하거나 챔버(110) 내부의 공기를 외부로 배출하여 챔버(110) 내부의 분위기를 조절할 수 있다. 그러므로 챔버(110)는 저기압 또는 대기압 중에서 선택적으로 전구체 섬유(142)를 처리할 수 있다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따른 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치를 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 탄소 섬유 제조장치(100")는 챔버(110) 내부로 플라즈마 소스(170)를 유도할 수 있다. 플라즈마 소스(170)는 챔버(110) 내부의 방전 공간에 플라즈마를 발생시키기 위한 것이다. 플라즈마를 발생하기 위한 플라즈마 소스는 여러 가지가 있는데 복수 개의 용량 결합 전극을 이용한 용량 결합 플라즈마(capacitive coupled plasma)와 적어도 하나의 안테나 코일을 이용한 유도 결합 플라즈마(inductive coupled plasma)가 그 대표적인 예이다. 또한 오존(O3)을 챔버(110) 내부로 공급하여 전구체 섬유(142)을 열처리할 수 있다.
탄소 섬유 제조장치(100")는 별도의 보조 가열수단으로써 열 공급원(160)을 포함할 수 있다. 열 공급원(160)은 챔버(110)를 직접 가열하여 열을 공급함으로써 챔버(110) 내부의 온도를 상승시킨다. 그러므로 전구체 섬유(142)는 제1, 2, 3 전극(122, 124, 126)에 의해 발열되어 열처리되고, 플라즈마 소스 및 열 공급원(160)에 의해서도 열처리가 이루어진다. 열 공급원(160)은 화력 또는 열선으로 구성될 수 있다. 즉, 열 공급원(160)은 챔버(110) 내부의 온도를 상승시키기 위한 구성이므로 열을 발생시킬 수 있는 화력기나 열선 또는 히터로 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따른 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치를 도시한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 탄소 섬유 제조장치(100"')는 제1 전극(122)과 제2 전극(124) 및 제3 전극(126) 사이에 석영관(180)이 구비된다. 석영관(180)은 석영으로 형성되고, 전구체 섬유(142)가 내부 공간을 통과하여 지나게 된다. 이때 하나의 석영관(180_에는 다수 개의 전구체 섬유(142)가 통과할 수 있다. 또한 다수 개의 전구체 섬유(142)를 병렬로 배치하는 경우, 각 전구체 섬유(142) 별로 다수 개의 석영관(180)을 구비한다. 석영관(180)의 내부는 석영관(180)의 외부에 형성된 플라즈마에 의해 온도가 상승하게 되어 내부를 통과하는 전구체 섬유(142)에 열을 전달함으로써 전구체 섬유(142)를 열처리한다. 또한 발열되는 전구체 섬유(142)의 열기가 방출되지 않고 석영관(180) 내부에 머물수 있다.
석영관(180)에 접하도록 설치되어 석영관(180) 내부의 온도를 상승시키기 위한 히터(182)가 더 구비될 수 있다. 히터(182)는 석영관(180)의 곡면과 동일한 곡면을 갖도록 형성된다.
이상에서 설명된 본 발명의 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치의 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“, 100"': 탄소 섬유 제조장치 110: 챔버
112: 전원 공급원 113: 접지
114: 직류 전원 122: 제1 전극
124: 제2 전극 118: 배기 펌프
130: 가스 공급원 140: 롤러
160: 열 공급원 170: 플라즈마 소스
180: 석영관 182: 히터
126: 제3 전극
112: 전원 공급원 113: 접지
114: 직류 전원 122: 제1 전극
124: 제2 전극 118: 배기 펌프
130: 가스 공급원 140: 롤러
160: 열 공급원 170: 플라즈마 소스
180: 석영관 182: 히터
126: 제3 전극
Claims (9)
- 일측 및 타측으로 복수 개의 탄소 섬유 제조용 전구체 섬유의 출입을 위한 입구 및 출구가 구비된 챔버;
상기 챔버 내부에 소정의 간격으로 이격되어 설치되고 접지로 연결되어 복수 개의 상기 탄소 섬유 제조용 전구체 섬유가 접하는 봉 형상의 두 개의 접지전극;
상기 두 개의 접지전극 사이에 설치되어 복수 개의 탄소 섬유 제조용 전구체 섬유가 접하는 봉 형상의 봉전극; 및
상기 봉전극에 연결되어 교류 전력을 공급하는 교류 전원 공급원을 포함하여 상기 탄소 섬유 제조용 전구체 섬유를 발열시키는 것을 특징으로 하는 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 챔버를 직접 가열하여 상기 챔버 내부의 온도를 상승시키기 위한 보조 가열 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 전구체 섬유가 상기 접지전극과 상기 봉전극에 접하면서 이동되도록 하는 섬유 이송 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치. - 제1항에 있어서,
상기 챔버의 내부에서 상기 전구체 섬유를 열처리하기 위한 플라즈마 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치. - 제1항에 있어서,
상기 탄소 섬유 제조용 전구체 섬유가 내부에 위치되도록 상기 접지전극과 상기 봉전극 사이에 구비되는 석영관;
상기 석영관에 접하도록 설치되어 상기 석영관 내부의 온도를 상승시키기 위한 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치. - 제1항에 있어서,
상기 봉전극에 연결되어 직류 전력을 공급하는 직류 전원 공급원을 포함하는 것을 특징으로 하는 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치.
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