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KR101550282B1 - 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법 - Google Patents

단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법 Download PDF

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KR101550282B1
KR101550282B1 KR1020140112550A KR20140112550A KR101550282B1 KR 101550282 B1 KR101550282 B1 KR 101550282B1 KR 1020140112550 A KR1020140112550 A KR 1020140112550A KR 20140112550 A KR20140112550 A KR 20140112550A KR 101550282 B1 KR101550282 B1 KR 101550282B1
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KR
South Korea
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film
graphite
heater
temperature
carbonaceous
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KR1020140112550A
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박기호
최원석
김우정
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가드넥(주)
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Abstract

본 발명은, 제 1 온도구간을 갖는 제 1 히터내로 고분자 필름을 도입시킴으로써 상기 고분자 필름을 탄화시켜 탄소질 필름으로 변환시키는 탄화 단계; 및 선형적으로 온도가 상승하는 구간인 제 2 온도 구간을 갖는 제 2 히터내로 상기 탄소질 필름을 도입시켜 그라파이트 필름으로 변환시키는 그라파이트 단계를 포함하는, 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법에 관한 것이다.

Description

단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING GRAPHITE FILM BY USING SINGLE CONTINUOUS FURNACE}
본 발명은, 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법에 관한 것이다.
전자제품의 슬림화, 경량화, 대면화, 유연화 경향으로 인하여, 내부 회로 및 부품도 점차 소형화 박형화가 이루어지고 있다. 이에 따라 제품 작동시 부품의 열로 인하여 제품이 열화되거나, 파손되는 경우가 발생하게 된다. 이에 따라, 전자 제품의 발열원이 되는 부품에 대한 열의 효율적인 방사구조에 대한 연구가 계속되고 있다.
이에 따라, 고기능 방열 시트에 대한 요구가 많게 되고, 이에 따라 열전도도 및 열방사성이 우수한 그라파이트 시트가 개발되게 되었다.
그라파이트 필름은 고열전도성 등이 뛰어난 특성을 갖는 소재이며, 전자부품을 비롯하여, 널리 사용되고 있다. 일반적으로 입수할 수 있는 고열전도성의 그라파이트 필름의 제조법으로서는, 팽창 흑연을 압연하여 시트상으로 하는 익스펀드법이나 고분자 열분해법을 들 수 있다.
특히, 고분자 열분해법의 경우, 원재료가 되는 고분자 필름이 제조 공정에서 수축되어서, 주름이 발생되는 경우가 많다. 이에 따라, 종래기술에서는 고분자 필름을 커팅한 후(예컨대 A4 사이즈로), 다적층한 다음, 열분해법을 통해 그라파이트 필름을 제조하였다. 이러한 경우, 열처리 후 낱장으로 분리하여 필름에 다시 라미네이팅을 하는 고정이 필요하게 되어서, 설비가 대용량이 되어야 하고, 분리 작업에 다수의 작업자가 필요하게 되며, 생산시간도 증가하게 되는 문제점이 있다.
본 발명은, 롤타입으로 연속적인 제작이 가능하게 하여, 생산시간 및 인건비를 획기적으로 감소시킬 수 있는, 그라파이트 필름 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 일실시예인, 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법은, 제 1 온도구간을 갖는 제 1 히터내로 고분자 필름을 도입시킴으로써 상기 고분자 필름을 탄화시켜 탄소질 필름으로 변환시키는 탄화 단계; 및 선형적으로 온도가 상승하는 구간인 제 2 온도 구간을 갖는 제 2 히터내로 상기 탄소질 필름을 도입시켜 그라파이트 필름으로 변환시키는 그라파이트 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제 1 온도 구간은 500±50℃~1000℃로 순차 상승하는 구간이고, 상기 제 2 온도 구간은, 1000℃~2800℃로 순차 상승하는 구간일 수 있다.
여기서, 상기 제 2 히터는 4000~6000mm의 길이를 갖고, 상기 제 2 온도 구간은, 1000℃~1500℃의 제 2-1 온도 구간과, 1500℃~2200℃의 제 2-2 온도구간, 그리고, 2200℃~2800℃의 제 2-3 온도 구간을 포함하고, 상기 그라파이트 단계는, 상기 제 2-1 온도구간내에서 상기 탄소질 필름을 횡방향으로 0.33~1.33mm/초로 이동하게 하고, 상기 제 2 히터의 내부 온도를 분당 1~5℃로 상승되면서 1~4시간동안 상기 탄소질 필름에 대하여 열처리를 진행하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 그라파이트 단계는, 상기 탄소질 필름의 분진 발생을 방지하기 위하여 상기 2-2 온도구간에서 상기 제 2 히터의 내부온도를 분당 5℃ 이하로 승온시키면서 1~3시간동안 상기 탄소질 필름에 대하여 열처리를 진행하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 그라파이트 단계는, 상기 그라파이트 필름에 대하여 유연성을 강화하고, 수평열전도도가 1000w/mk 이상이 되도록 하기 위하여 상기 제 2-3 온도 구간에서 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 그라파이트 단계는, 상기 탄소질 필름이 도입되는 부분에 대하여 제 1 질소 커튼을 제공하는 단계; 및 상기 그라파이트 필름이 유출되는 부분에 대하여 제 2 질소 커튼을 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제 2 히터내에서는 불활성 가스가 2kgf/cm2 ~ 6kgf/cm2 의 압력 분위기를 갖을 수 있다.
여기서, 상기 불황성 가스는, 아르곤 가스를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 탄소질 필름은 상기 그라파이트 필름이 핸들링시 파괴되지 않도록 25㎛ 이상의 두께를 갖을 수 있다.
여기서, 상기 탄소질 필름은, 상기 탄화 단계에서 다수의 주름이 갖지 않도록 1.4g/cm3 이상의 밀도를 갖을 수 있다.
여기서, 상기 탄소질 필름은, 열팽창 계수가 25ppm/℃이하이고, 인장 강도가 300Mpa 이상일 수 있다.
여기서, 상기 제 2 히터는, 횡방향으로 내측에 설치된 그라파이트 히터를 포함하고, 상기 그라파이트 히터의 두께가 상기 이동 방향에 따라 점차 얇아지게 형성되어서, 상기 히터내의 온도가 점차 상승되게 될 수 있다.
여기서, 상기 그라파이트 히터는, 상기 이동 방향에 따라 계단형으로 점차 얇아지게 형성될 수 있다.
여기서, 상기 탄화 단계는, 상기 탄소질 필름은, 지그에 권취된 상태로 상기 제 2 히터에 도입되는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 지그는, 중심축에 설치되는 코어; 상기 코어의 외부에 설치되는 외통: 및 상기 외통과 고정통 사이에 소정의 간격을 갖고 설치되어서 상기 고분자 필름을 고정하는 고정통을 포함하고, 상기 고분자 필름은, 상기 코어와 고정통 사이의 제 1 공간 및 상기 고정통과 상기 외통 사이의 제 2 공간에 권취될 수 있다.
여기서, 상기 고정통은, 동축으로 소정의 간격을 갖는 복수의 서브 고정통을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 고정통은, 상기 고분자 필름이 상기 제 2 공간 및 제 1 공간 모두에 연속되어 권취되도록 하는 간극을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 지그는, 그라파이트 재질로 구성될 수 있다.
상술한 구성을 가진 본 발명의 일실시예에 따르면, 연속적인 공정을 통해 롤형태의 그라파이트 필름을 제조할 수 있게 되어서, 생산 단가를 획기적으로 낮출 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 따르면, 고분자 필름이 열분해되는 중에 생길수 있는 주름 현상을 현격히 방지하여 고품질의 그라파이트 필름을 롤 방식으로 생산하게 할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일실시예인 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법에 있어서, 제 2 히터에 지그에 권취된 탄소질 필름이 도입되는 예를 나타내는 도면.
도 2는, 본 발명의 일실시예인 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법을 설명하기 위한 순서도.
도 3은, 본 발명의 일실시예인 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법에서의 제 1 히터내의 제 1 온도구간의 온도 변화를 나타내는 그래프.
도 4는, 본 발명의 일실시예인 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법에서의 제 2 히터내의 제 2 온도구간의 온도 변화를 나타내는 그래프.
도 5는, 본 발명의 일실시예인 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법에 사용되는 제 2 히터의 내부 구조를 설명하기 위한 개념도.
도 6은, 본 발명의 일실시예인 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법에 있어서, 제 2 히터에 지그에 권취된 탄소질 필름이 도입되는 예의 다른 예를 나타내는 도면.
도 7은, 본 발명의 일실시예인 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법에 사용되는 지그의 분해 사시도.
도 8은, 도 7에 도시된 지그의 종단면도.
도 9는, 본 발명의 일실시예인 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법에 사용되는 지그의 다른 예를 나타내는 횡단면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다.
도 1은, 본 발명의 일실시예인 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법에 있어서, 제 2 히터(200)에 지그(100)에 권취된 탄소질 필름이 도입되는 예를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예인 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법에 의하면 지그(100)에 권취된 탄소질 필름이 세워진 상태에서 제 2 히터(200)로 연속적으로 도입되어서 그라파이트 필름으로 변환하게 된다. 지그(100)는 이동 플레이트 상에 일정 간격으로 연속적으로 세워져 있으며, 이 이동 플레이트는 소정의 속도로 이동하게 되고, 이에 따라 지그(100)는 제 2 히터(200)내로 도입되게 된다.
제 2 히터(200)내의 온도는 선형적으로 온도가 상승하는 온도 구배를 갖는다. 이에 대해서는 도 4를 통해 보다 상세하게 설명하도록 한다.
이상과 같이 구성함으로써, 고분자 필름이 권취된 상태에서 주름이나 융착이 발생되지 않고 유연하고 품질 놓은 그라파이트 필름을 제조할 수 있게 되어서, 제조원가를 획기적으로 낮출 수 있고, 제조 공정을 단순화할 수 있게 된다.
이하에서는, 도 2를 참조하여 본 발명의 일실시예인 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법을 설명하도록 한다.
도 2는, 본 발명의 일실시예인 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 우선, 고분자 필름을 지그(100)에 권취시킨다(S1). 이 지그(100)에 대해서는 도 7 내지 도 9에서 보다 상세하게 설명하도록 한다.
고분자 필름은, 내열도가 우수하고 600~1500℃ 온도영역에서 진공, 질소, 불활성 기체 분위기상태에서 열처리를 진행하였을 때, 부피 감소율이 50% 이하가 발생되지 않고, 필름의 내/외부가 카본화(탄소화)가 되어야 한다. 이 때, 부피 감소율이 50% 이하가 발생되거나, 소실되는 고분자 필름을 사용하게 되면 2000℃ 이상의 초고온 열처리시 사용이 불가능하게 된다. 이를 고려하여 본 발명에서는 상기 고분자 필름으로서 폴리이미드 필름을 사용하도록 한다.
고분자 필름의 두께는 50㎛ 이하로 진행하게 되면, 박막의 그라파이트 필름5을 제조하는데 유리하게 된다. 600~1500℃ 온도영역에서 면적방향으로 2~20%의 수축률이 발생하고 두께 방향으로 10~20%의 두께 수축이 구현된 카본 필름이 제조된다. 1500~2200℃ 이상의 열처리 진행시에 그라파이트 필름이 전횐되는데. 이 때 면방향으로는 수축이, 두께방향으로는 수축과 팽창을 동반한 반응이 일어난다. 이러한 공정을 하는 중에 최종 제품인 그라파이트 필름의 두께가 10㎛ 이하인 경우, 핸들링시 파괴 현상이 발생하게 된다. 이에 따라, 25㎛ 이상의 두께를 가진 고분자 필름을 사용하는 것이 유리하다.
또한 고분자 필름의 밀도는 상기 탄화 단계에서 다수의 주름이 갖지 않도록 1.4g/cm3 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 고분자 필름은, 인장강도가 300MPa 이상으로 분자간 강한 결합이 있어야 최종 열처리 공정(본 발명에서 제 2-3 온도구간)에서의 면방향 강도가 우수하게 된다.
그리고, 상기 고분자 필름의 열팽장계수는, 25ppm/℃이하여야 한다. 열팽창계수가 25ppm/℃ 보다 큰 경우, 열처리에 따른 주름 문제 및 뒤틀림 문제가 발생하게 된다.
이와 같은 조건을 갖춘 고분자 필름을 선택하여 지그(100)에 권취시킨 후, 제 1 온도구간을 갖는 제 1 히터내로 고분자 필름을 도입시킴으로써 상기 고분자 필름을 탄화시켜 탄소질 필름으로 변환시킨다(S2). 이에 대해서는, 도 3에서 보다 상세하게 설명하도록 한다.
이와 같이 제 1 히터에서 변환된 탄소질 필름은 선형적으로 온도가 상승하는 구간인 제 2 온도 구간을 갖는 제 2 히터(200)내로 도입되어서 그라파이트 필름으로 변환된다(S3~S5). 여기서, 상기 제 2 히터(200)는 4000~6000mm의 길이를 갖게 되며, 상기 탄소질 필름을 횡방향으로 0.33~1.33mm/초로 이동하게 하게 된다. 이 때, 이동속도가 0.33 이하인 경우, 설비 자체에서 제어가 힘들고 생산성이 저하되는 문제가 있고, 1.33 이상인 경우, 제품이 유리화 되어서 충격에 의해 깨짐이 발생할 수 있기 때문이다.
한편, 제 2 히터(200) 내부는 불활성 가스(아르곤 가스)가 2kgf/cm2 ~ 6kgf/cm2 의 압력 분위기로 조성되게 된다. 불활성 가스가 2kgf/cm2이하로 있는 경우, 제품의 편차 발생 우려가 생기며, 6kgf/cm2 이상인 경우에는 생산 단가가 높아져 손실이 된다.
제 2 히터(200)의 종방향 길이를 4000~6000mm로 한 이유는, 4000mm 이하인 경우 온도 구배 형성이 어려워져 제품 외관에 주름이 발생할 우려가 있으며, 6000mm 이상인 경우, 생산성이 저하되고 불활성 가스의 공급량이 과도하게 투입되어 제조 단가상의 손실이 발생하게 된다.
한편 제 2 히터(200)의 형상에 대해서는 이에 대한 설명은 도 6에서 보다 상세하게 설명하도록 한다.
한편, 상기 제 2 히터(200)의 제 2 온도 구간은, 1000℃~1500℃의 제 2-1 온도 구간과, 1500℃~2200℃의 제 2-2 온도구간, 그리고, 2200℃~2800℃의 제 2-3 온도 구간으로 나눌 수 있다. 상기 제 2-1 온도구간내에서 상기 탄소질 필름을 횡방향으로 0.33~1.33mm/초로 이동하게 하고, 상기 제 2 히터(200)의 내부 온도를 분당 1~5℃로 상승되면서 1~4시간동안 상기 탄소질 필름에 대하여 열처리를 진행하게 된다(S3). 그 다음, 상기 탄소질 필름의 분진 발생을 방지하기 위하여 상기 2-2 온도구간에서 상기 제 2 히터(200)의 내부온도를 분당 5℃ 이하로 승온시키면서 1~3시간동안 상기 탄소질 필름에 대하여 열처리를 진행한다(S4). 마지막으로, 상기 그라파이트 필름에 대하여 유연성을 강화하고, 수평열전도도가 1000w/mk 이상이 되도록 하기 위하여 상기 제 2-3 온도 구간에서 상기 탄소질 필름을 열처리한다(S5).
한편, 상기 제 2 온도 구간에서의 열처리상 불순물질이 유입되어서, 열처리상에 문제가 발생하는 것을 방지하기 위하여 제 2 히터(200)의 도입부분과 제 2 히터(200)의 유출부분에 각각 제 1 질소 커튼과 제 2 질소커튼이 제공되게 된다. 이에 따라, 외부 불순물이 제 2 히터(200)내로 유입되는 것을 방지하여 그라파이트 필름 제조의 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
이상의 S3~S5 공정을 통해 탄소질 필름은 그라파이트 필름으로 변환하게 되어서, 지그(100) 내에는 권취된 그라파이트 필름이 존재하게 된다.
이하에서는, 상기 제 1 온도 구간과 제 2 온도 구간에 대하여 도 3 및 도 4를 통해 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 3은, 본 발명의 일실시예인 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법에서의 제 1 히터내의 제 1 온도구간의 온도 변화를 나타내는 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이 제 1 온도 구간은 500±50℃~1000℃로 순차 상승하는 구간을 포함할 수 있다. 제 1 온도 구간은 고분자 필름을 카본화(탄소화)하기 위한 구간으로서, 본 발명에서 사용되는 고분자 필름인 폴리이미드 필름은 600~1500℃에서 카본화가 이루어진다. 제 1 온도 구간은, 도 3에 도시된 바와 같이 500--> 1000℃로 승온 시키는 구간을 포함하는데 이 때 분당 10℃ 이상으로 빠르게 승온시킨다. 그 다음 1000℃ 정도의 구간에서 2시간 정도 유지한다. 이 때 필름의 내외부에 대한 카본화가 이루어지게 되어서 고분자 필름은 탄소질 필름으로 변환하게 된다.
이하에서는 제 1 히터에서 제조된 탄소질 필름이 그라파이트 필름으로 변환되는 구간인 제 2 온도 구간에 대하여 도 4를 참조하여 설명하도록 한다.
도 4는, 본 발명의 일실시예인 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법에서의 제 2 히터(200)내의 제 2 온도구간의 온도 변화를 나타내는 그래프이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 온도 구간은, 1000℃~1500℃의 제 2-1 온도 구간과, 1500℃~2200℃의 제 2-2 온도구간, 그리고, 2200℃~2800℃의 제 2-3 온도 구간으로 구성될 수 있다.
제 2-1 온도 구간인 1000℃~1500℃에서는 분당 1~5℃의 승온이 진행되며, 총 1~4시간동안 이루어진다(1차 열처리). 이와 같은 승온과정인 1차 열처리에서는 상기 탄소질 필름 표면의 카본으로 인하여 슬립이 유도되고, 이에 따라 유연한 시트 제작이 가능하게 된다. 만약 승온속도를 5℃ 이상으로 하게 되면, 열분해로 발생되는 기체의 양이 많아져서 제품의 주름, 표면 불량, 표면 박리, 깨짐의 발생이 생긴다.
상기 제 2-1 온도구간에서의 승온 속도는 분당 3℃가 가장 적절하다.
제 2-2 온도 구간인 1500℃~2200℃에서는 탄소질 필름의 내외부에 대하여 그라파이트화가 진행되는 구간에 해당한다 제 2-2 구간은 총 1~3 시간 유지되며, 분당 5℃ 이하로 승온이 진행되어야 한다. 승온 속도를 5℃ 이상하게 되면, 수축과 기체 발생량이 순간적으로 급증하게 되어서, 필름 표면의 박리와 기공을 유발하여 밀도를 떨어뜨리게 되어서 열전도도가 감소된다. 또한 그라파이트 층간 분리로 인하여 분진이 발생하게 된다.
제 2-3 온도구간인 2200℃~2800℃에서는 그라파이트 필름의 유연성을 부여하기 위한 구간이다. 2600℃ 이상의 고온에서 최종적으로 열처리하게 되면 그라파이트 필름에 유연성이 향상하게 되고, 수평 열전도도가 1000w/mk 이상이 되며, 밀도도 1.8g/c.c 의 고사양 그라파이트 시트가 완성되게 된다.
이상과 같은 공정을 통하여 연속적인 공정을 통해 그라파이트 필름을 제조할 수 있게 되어서 공정을 단순화시킴과 더불어서 제조 원가를 획기적으로 낮출 수 있게 된다.
이하에서는, 상기 제 2 히터(200)의 구조에 대하여 도 5을 참조하여 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 일실시예인 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법에 사용되는 제 2 히터(200)의 내부 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제 2 히터(200)의 하우징(210)의 내측면에는 횡방향으로 그라파이트 히터(220)가 설치된다. 그라파이트 히터(220)는, 도시된 바와 같이, 탄소질 필름의 이동 방향에 따라 점차 얇아지게 형성된다. 즉, 상기 이동 방향에 따라 계단형으로 점차 얇아지게 형성되게 될 수 있다. 이 그라파이트 히터(220)에 대하여 정전류를 가하게 되면, 얇은 쪽에서 더 많은 열이 발생하게 된다. 즉, ?은 쪽이 저항이 크기 때문에, 발열량이 많아지게 된다. 이에 따라, 얇은 쪽은 더 많은 열을 두꺼운 쪽은 더 적은 열을 방열하게 되어, 도 4와 같은 온도 그래프가 나타나게 된다.
도 5에서는 하나의 히터에 대하여 두께조절을 통해 원하는 온도 그래프를 갖는 히터의 예를 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 구간별로 히터의 갯수를 달리하여 원하는 온도 그래프를 갖도록 구성할 수도 있다.
한편, 출구쪽에는 그라파이트 히터(220)가 설치되지 않아서, 최종제품이 300℃이하에 제품만 나오도록 설계될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예인 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법에 있어서, 제 2 히터(200)에 지그(100)에 권취된 탄소질 필름이 도입되는 예의 다른 예를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 예와 상이하게, 도 6에서는 지그(100)가 눕혀진 상태로 제 2 히터(200)터내로 도입되게 된다.
이하에서는, 본 발명의 일실시예인 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법에서 고분자 필름을 지지하는 지그(100)에 대하여 도 6 내지 도 9를 통해 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 일실시예인 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법에 사용되는 지그(100)의 분해 사시도이고, 도 8은 도 7에 도시된 지그(100)의 종단면도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예인 그라파이트 필름 제조 방법에 사용되는 지그(100)는, 코어(110), 외통(120), 그리고 코어(110)와 외통(120) 사이에서 고분자 필름을 지지하는 고정통(130)을 포함할 수 있다.
코어(110)는 지그(100)의 중심축에 설치되며, 도시된 바와 같이 원기둥 형태를 가진다. 이 원기둥의 코어(110)의 일측에 홈이 형성되고 여기에 고분자 필름(P)이 끼워지게 되어서 코어(110)를 중심으로 권취되게 된다.
그리고 코어(110)의 양단에는 외통(120)의 하우징(121)의 대응홈과 덮개(123)의 대응홈 끼워지도록 하는 돌출부가 형성된다(도 8참조).
고정통(130)은 코어(110)와 외통(120) 사이에 배치되며, 권취되어 있는 고분자 필름(P)을 지지하는 역할을 할 뿐 아니라. 외부의 가열온도를 제 1 공간(A)(도 8 참조)으로 전달하는 역할을 한다. 즉, 히터에 의해 외통(120)이 가열되면, 열전도에 의해 고정통(130)과 코어(110)가 함께 가열되게 된다. 이에 따라, 제 1 공간(A)의 필름은 고정통(130)과 코어(110)에 의해 열처리되고, 제 2 공간(B)(도 8 참조)내의 필름이 열처리 되게 된다.
한편, 고정통(130)에는 상기 고분자 필름이 상기 제 2 공간(B) 및 제 1 공간(A) 모두에 연속되어 권취되도록 하는 간극(131)이 형성된다. 즉, 코어(110)에 권취되는 필름은 상기 간극(131)을 통해 제 2 공간(B)으로 인출되어서 고정통(130)의 외면에 권취되게 된다.
더욱이, 상기 간극(131)은 제 1 공간(A)내에서 열처리되는 동안 발생되는 가스를 배기하는 역할을 한다.
이와 같은 구조의 지그(100)를 이용하여 고분자 필름을 권취하게 되면, 고정통(130)이 필름을 지지하여 주기 때문에 고분자 필름을 열처리하는 동안 발생되는 수축 팽창에도 불구하고, 주름이 발생되거나 외관이 변형될 수 있다.
상기 지그(100)는 2800℃의 고온에서 변형이 없어야 할 뿐 아니라. 제 1 히터 및 제 2 히터(200)의 열을 잘 전도하여야 한다. 이러한 점에서 그라파이트 재질로 이루어지는 것이 바람직하다. 더욱이 최종 제품이 그라파이트 필름이므로, 필름이 지그(100)에 부착되는 일이 없이, 그라파이트 필름과 지그(100)에 슬립이 일어날 수 있는 그라파이트가 지그(100)의 재질로서 적절하다.
이하에서는 상기 고정통(130)이 복수인 경우에 대하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 9는 본 발명의 일실시예인 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법에 사용되는 지그(100)의 다른 예를 나타내는 횡단면도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 고정통(130)이 동축으로 소정의 간격을 갖는 복수의 서브 고정통(130', 130")(2개의 경우)인 예이다. 즉, 코어(110)를 중심으로 외부에 복수의 서브 고정통(130', 130")이 위치하고 그 외부에 외통(120)이 설치된다. 복수의 서브 고정통(130', 130")을 이용하는 경우, 고분자 필름(P)을 지지하는 것이 더욱더 우수하게 된다. 한편, 서브 고정통(130', 130") 각각의 2개의 원기둥 격벽으로 이루어지고, 이 격벽사이가 간극(131)이 될 수 있다. 이상과 같이 서브 고정통(130', 130")을 격벽으로 하는 경우, 제조 비용이 저렴하게 되고, 지그(100)의 조립도 용이하게 된다. 더욱이 도 9에서 도시된 바와 같이, 간극(131)이 2개가 형성되고, 하나의 간극(131)은 고분자 필름(P)의 인출을 위한 것이고, 다른 하나의 간극(131)은 열처리중 발생되는 가스를 배기하기 위한 간극(131)으로 이용될 수 있다.
상술한 구성을 가진 본 발명의 일실시예에 따르면, 연속적인 공정을 통해 롤형태의 그라파이트 필름을 제조할 수 있게 되어서, 생산 단가를 획기적으로 낮출 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 따르면, 고분자 필름이 열분해되는 중에 생길수 있는 주름 현상을 현격히 방지하여 고품질의 그라파이트 필름을 롤 방식으로 생산하게 할 수 있다.
상기와 같은 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법는 위에서 설명된 실시예의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
100 : 지그
110 : 코어
120 : 외통
121 : (외통) 하우징
123 : 덮개
130 : 고정통
130', 130" : 서브 고정통
131, 131', 131" : 간극
200 : 제 2 히터
210 : (히터) 하우징
220 : 그라파이트 히터
A : 제 1 공간
B : 제 2 공간

Claims (19)

  1. 제 1 온도구간을 갖는 제 1 히터내로 고분자 필름을 도입시킴으로써 상기 고분자 필름을 탄화시켜 탄소질 필름으로 변환시키는 탄화 단계; 및
    선형적으로 온도가 상승하는 구간인 제 2 온도 구간을 갖는 제 2 히터내로 상기 탄소질 필름을 도입시켜 그라파이트 필름으로 변환시키는 그라파이트 단계를 포함하고,
    상기 제 1 온도 구간은 500±50℃~1000℃로 순차 상승하는 구간이고, 상기 제 2 온도 구간은 1000℃~2800℃로 순차 상승하는 구간이며,
    상기 제 2 히터는 4000~6000mm의 길이를 갖고,
    상기 제 2 온도 구간은 1000℃~1500℃의 제 2-1 온도 구간, 1500℃~2200℃의 제 2-2 온도구간, 및 2200℃~2800℃의 제 2-3 온도 구간을 포함하고,
    상기 그라파이트 단계는 상기 제 2-1 온도구간 내에서 상기 탄소질 필름을 횡방향으로 0.33~1.33mm/초로 이동하게 하고, 상기 제 2 히터의 내부 온도를 분당 1~5℃로 상승시키면서 1~4시간 동안 상기 탄소질 필름에 대하여 열처리를 진행하는 단계를 포함하는, 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 그라파이트 단계는,
    상기 탄소질 필름의 분진 발생을 방지하기 위하여 상기 2-2 온도구간에서 상기 제 2 히터의 내부온도를 분당 5℃ 이하로 승온시키면서 1~3시간동안 상기 탄소질 필름에 대하여 열처리를 진행하는 단계를 포함하는, 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 그라파이트 단계는,
    상기 그라파이트 필름에 대하여 유연성을 강화하고, 수평열전도도가 1000w/mk 이상이 되도록 하기 위하여 상기 제 2-3 온도 구간에서 열처리하는 단계를 포함하는, 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 그라파이트 단계는,
    상기 탄소질 필름이 도입되는 부분에 대하여 제 1 질소 커튼을 제공하는 단계; 및
    상기 그라파이트 필름이 유출되는 부분에 대하여 제 2 질소 커튼을 제공하는 단계를 포함하는, 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 히터내에서는 불활성 가스가 2kgf/cm2 ~ 6kgf/cm2 의 압력 분위기를 갖는, 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 불황성 가스는, 아르곤 가스를 포함하는, 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소질 필름은 상기 그라파이트 필름이 핸들링시 파괴되지 않도록 25㎛ 이상의 두께를 갖는, 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법.
  11. 제 1 온도구간을 갖는 제 1 히터내로 고분자 필름을 도입시킴으로써 상기 고분자 필름을 탄화시켜 1.4g/cm3 이상의 밀도를 갖는 탄소질 필름으로 변환시키는 탄화 단계; 및
    선형적으로 온도가 상승하는 구간인 제 2 온도 구간을 갖는 제 2 히터내로 상기 탄소질 필름을 도입시켜 그라파이트 필름으로 변환시키는 그라파이트 단계를 포함하는, 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법.
  12. 제 1 온도구간을 갖는 제 1 히터내로 고분자 필름을 도입시킴으로써 상기 고분자 필름을 탄화시켜 탄소질 필름으로 변환시키는 탄화 단계; 및
    선형적으로 온도가 상승하는 구간인 제 2 온도 구간을 갖는 제 2 히터내로 상기 탄소질 필름을 도입시켜 그라파이트 필름으로 변환시키는 그라파이트 단계를 포함하고,
    상기 탄소질 필름은,
    열팽창 계수가 25ppm/℃ 이하이고, 인장 강도가 300Mpa 이상인, 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법.
  13. 제 1 온도구간을 갖는 제 1 히터내로 고분자 필름을 도입시킴으로써 상기 고분자 필름을 탄화시켜 탄소질 필름으로 변환시키는 탄화 단계; 및
    선형적으로 온도가 상승하는 구간인 제 2 온도 구간을 갖는 제 2 히터내로 상기 탄소질 필름을 도입시켜 그라파이트 필름으로 변환시키는 그라파이트 단계를 포함하고,
    상기 제 2 히터는,
    횡방향으로 내측에 설치된 그라파이트 히터를 포함하며,
    상기 그라파이트 히터의 두께가 상기 이동 방향에 따라 점차 얇아지게 형성되어서, 상기 히터내의 온도가 점차 상승되게 되는, 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 그라파이트 히터는, 상기 이동 방향에 따라 계단형으로 점차 얇아지게 형성되는, 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄화 단계는,
    상기 탄소질 필름은, 지그에 권취된 상태로 상기 제 2 히터에 도입되는 단계를 포함하는, 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법.
  16. 제 1 온도구간을 갖는 제 1 히터내로 고분자 필름을 도입시킴으로써 상기 고분자 필름을 탄화시켜 탄소질 필름으로 변환시키는 탄화 단계; 및
    선형적으로 온도가 상승하는 구간인 제 2 온도 구간을 갖는 제 2 히터내로 상기 탄소질 필름을 도입시켜 그라파이트 필름으로 변환시키는 그라파이트 단계를 포함하고,
    상기 탄화 단계는, 상기 탄소질 필름이 지그에 권취된 상태로 상기 제 2 히터에 도입되는 단계를 포함하고,
    상기 지그는, 중심축에 설치되는 코어, 상기 코어의 외부에 설치되는 외통, 및 상기 외통과 고정통 사이에 소정의 간격을 갖고 설치되어서 상기 고분자 필름을 고정하는 고정통을 포함하고,
    상기 고분자 필름은, 상기 코어와 고정통 사이의 제 1 공간, 및 상기 고정통과 상기 외통 사이의 제 2 공간에 권취되는, 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 고정통은,
    동축으로 소정의 간격을 갖는 복수의 서브 고정통을 포함하는, 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 고정통은,
    상기 고분자 필름이 상기 제 2 공간 및 제 1 공간 모두에 연속되어 권취되도록 하는 간극을 포함하는, 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 지그는, 그라파이트 재질인, 단일 연속로를 이용한 그라파이트 필름 제조 방법.

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