KR101038141B1

KR101038141B1 - 탄소-탄소 복합 소재 제조 장치 및 이를 이용하는 탄소-탄소 복합 소재 제조 방법

Info

Publication number: KR101038141B1
Application number: KR1020090058661A
Authority: KR
Inventors: 김재창; 박용섭; 정석용; 박정제; 이수출; 노선희; 박양덕; 박병기
Original assignee: 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2009-06-29
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2011-06-01
Also published as: KR20110001231A

Abstract

본 발명의 탄소-탄소 복합 소재 제조 장치는 탄소섬유를 공급하는 공급부; 상기 공급된 탄소섬유를 확장시키는 확장부; 및 상기 이송된 탄소섬유에 강화 탄소기지물질을 유동시켜 강화 탄소기지물질을 탄소섬유에 유착시키는 처리부;를 포함하여 이루어진다. 이때, 상기 탄소섬유와 상기 탄소기지물질은 상기 처리부를 통과하면서 결합하여, 탄소기지물질이 고함량으로 함유된 탄소-탄소 복합 소재가 된다.

본 발명의 탄소-탄소 복합 소재 제조 장치를 사용하면, 별도의 고온 고압의 탄화공정을 수행하지 않고도 탄소기지물질을 직접 탄소섬유에 고착시킬 수 있고, 고온의 탄화공정에서 발생하는 에너지 소모를 줄일 수 있어, 단시간에 탄소기지물질이 고함량으로 함유된 탄소-탄소 복합소재를 저비용으로 대량 생산할 수 있다.

탄소-탄소 복합 소재, 탄소섬유, 핏치(pitch), 처리부

Description

탄소-탄소 복합 소재 제조 장치 및 이를 이용하는 탄소-탄소 복합 소재 제조 방법{Apparatus for making carbon-carbon composites and Manufacturing method for carbon-carbon composites using the same}

본 발명은 탄소-탄소 복합 소재를 제조하는 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 탄소섬유와 탄소기지물질(carbon matrix material)을 결합시켜 탄소-탄소 복합 소재를 제조하는 장치 및 이를 이용한 복합 소재 제조 공정에 관한 것이다.

인코포레이티드 쓰레드(Incorporated thread) 기술이란 탄소섬유 필라멘트 사이에 탄소기지물질을 결합시켜 탄소기지물질을 함유한 탄소섬유 다발(prefomed-yarn)을 제조하고, 탄소섬유 다발을 일정한 형상으로 가공하여 직물을 제작한 후, 제작된 직물을 금형에 넣고 가압/가열하여 단시간에 다양한 형태의 탄소-탄소 복합 소재를 제조하는 기술이다.

종래의 탄소-탄소 복합 소재를 제조하는 공정은 탄소섬유에 탄소기지물질을 함침시켜 프리프래그(prepreg)를 제조하고, 제조된 프리프래그를 적층하고 가압/가열하여 1차 프리폼으로 성형하는 단계를 포함한다.

이때, 성형된 1차 프리폼에 존재하는 탄소기지물질의 함량을 증가시키기 위 하여, 상기 1차 프리폼에 다시 탄소기지물질을 함침시키고 고온에서 가압/가열하여 탄화 작업을 반복적으로 되풀이하게 된다.

따라서, 종래 탄소-탄소 복합 소재를 제조하는 공정은 함침과 탄화공정을 반복하여야만 탄소-탄소 복합소재에 포함된 탄소기지물질의 함량을 증가시킬 수 있어 시간이 매우 오래 소요되고, 공정 비용이 높아 제조된 탄소-탄소 복합소재의 단가가 증가되는 단점이 있다.

종래에 탄소 섬유로 제조된 프리폼에 탄소기지물질을 함침시키는 방법으로는 크게 액상함침법과 화학증착법(CVD) 또는 화학침투법(CVI)이 있는데, 이들 방법 모두 탄소기지물질을 탄소 섬유에 함침시키는데 걸리는 시간이 길고, 특히, 화학 증착법과 화학 침투법으로 탄소 섬유에 탄소기지물질을 함침시키는 경우 고가의 장비를 사용하여야 하므로 이에 따라 제조비가 상승하게 되는 문제가 있다.

한국 특허 제10-0281016호는 탄소기지물질로 핏치를 사용하고, 이를 붕산에 녹여 액상함침법을 사용하여 탄소-탄소 복합소재에 포함된 탄소기지물질의 함량을 증가시키고자 하였으나, 붕산용액 함침과 탄화과정을 반복하여야만 탄소기지물질의 함량을 증가시킬 수 있어 시간이 매우 오래 소요되고, 공정 비용이 높은 단점이 있었다.

또한, 한국 특허 제10-0447840호는 탄소섬유 등을 이용하여 제작한 매트를 적층한 후, 이를 니들 펀칭 공법으로 가공하여 프리폼을 제작하고, 다시 상기 프리폼을1000~2000℃ 사이에서 열처리하고, 열구배 화학 침투 공정으로 탄소기지물질의 함량을 증가시켜 탄소-탄소 복합 소재를 제조하였다.

그리고, 한국 특허 제 2000-0046407호는 탄소-탄소 복합 소재를 제조하기 위하여, 약 1000℃ 불활성 기체 분위기하에서 액상 함침 및 탄화 공정을 반복하여 탄소기지물질의 밀도를 증가시켜 탄소-탄소 복합 소재를 제조하였다.

그러나, 상기 액상함침법을 사용하는 경우에는 탄화과정에서 발생하는 휘발상 물질들로 인하여 많은 기공이 발생하고, 탄소섬유와 탄소기지물질 간의 계면 접착이 좋지 않기 때문에, 제조된 탄소-탄소 복합 소재 중에 함유된 탄소기지물질의 함량이 낮고, 이로 인해 제조된 복합 소재의 기계적 물성이 좋지 않아, 탄소기지물질의 함량을 높이기 위해 함침과 탄화 공정을 반복해야만 했고, 이로 인해 공정시간이 길어지는 단점이 있었다.

그리고, 상기 화학 기상 침투법을 사용하는 경우에는 열분해 탄소가 증착될 때, 기공이 막히게 되는 단점이 있고, 프리폼의 내부보다 표면에 우선적으로 열분해 탄소가 증착되어, 탄화체의 두께 방향으로 균일한 증착층이 형성되지 않으며, 화학 증착 공정 자체가 고비용을 요구하고, 증착 자체가 어려워 한번에 탄소기지물질을 증착시킬 수 없어 2 내지 4회로 반복하여 기상 증착 공정을 수행하게 되는 단점이 있었다.

따라서, 상기 방법들을 사용하여 탄소-탄소 복합 소재를 제조하는 경우, 시간이 매우 오래 소요되고, 공정 비용이 높은 단점이 있었다.

상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 목적은 장 시간이 소요되는 함침공정 및 고온 탄화공정을 수행하지 않고도 탄소기지물질을 직접 탄소섬유에 고착시킬 수 있는 탄소-탄소 복합 소재 제조 장치를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 탄소기지물질의 주입량이나 탄소섬유의 이동속도를 조절하여 탄소섬유에 고착되는 탄소기지물질의 함유량을 증가시킬 수 있는 탄소-탄소 복합 소재 제조 장치를 제공하고자 한다.

위와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 한 특징에 따른 탄소-탄소 복합소재 제조장치는 탄소섬유를 공급하는 공급부; 상기 공급된 탄소섬유를 확장시키는 확장부; 및 상기 이송된 탄소섬유에 강화 탄소기지물질을 유동시켜 강화 탄소기지물질을 탄소섬유에 유착시키는 처리부;를 포함하여 이루어진다.

바람직하게, 상기 탄소-탄소 복합소재 제조장치는 상기 공급부에서 공급된 탄소섬유를 이송하는 이송부; 상기 강화 탄소기지물질이 유착된 탄소섬유를 고온에서 가압하여 상기 강화 탄소기지물질과 상기 탄소섬유를 고착시키는 고착부; 및 상기 강화 탄소기지물질이 고착된 탄소섬유를 회수하는 권취부;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 처리부는 원료인 강화 탄소기지물질이 유동되어 탄소섬유에 유착되는 유동기; 상기 유동기에 원료인 강화 탄소기지물질을 일정한 속도로 주 입시켜주는 원료주입장치; 상기 유동기에 주입된 원료의 유동을 원활하게 하기 위해 에어를 공급하는 에어주입장치; 및 상기 유동기 내에 주입된 강화 탄소기지물질과 에어를 혼합시켜주는 교반 장치;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 유동기에서 탄소섬유와 유착되지 못하고 배출되는 상기 강화 탄소기지물질을 회수하는 회수장치; 상기 유동기와 상기 회수장치를 연결시켜주는 연결관; 및 상기 회수장치와 상기 원료주입장치를 연결시켜주는 연결관;을 더 포함할 수 있다.

바람직하게, 상기 원료주입장치는 원료인 강화 탄소기지물질을 상기 유동기 내로 유입시키기 위해 상기 유동기와 연결된 원료주입관; 상기 원료주입관 내에 삽입되어 회전하면서 상기 강화 탄소기지물질을 상기 유동기로 유입시키는 스크류 기어봉; 및 상기 스크류 기어봉을 구동하는 구동모터;를 포함하는 구성으로 이루어질 수 있다.

바람직하게, 상기 에어주입장치는 에어를 공급하는 에어펌프; 상기 에어펌프에서 공급된 에어를 상기 유동기로 주입하는 에어주입부; 및 상기 에어펌프와 에어주입부를 연결하는 연결관을 포함하되, 상기 에어주입부는 주입되는 에어가 유동기로 공급될 때 분산되어 주입될 수 있도록 다수개의 에어분산홀을 구비하고, 상기 교반기의 교반기축이 구비되도록 관통홀을 가질 수 있다.

바람직하게, 상기 고착부는 상기 탄소섬유에 유착된 강화 탄소기지물질을 압착시키기 위해 고온 프레스 롤러를 구비할 수 있다.

바람직하게, 상기 고온 프레스 롤러는 100 내지 500℃의 온도일 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따른 탄소-탄소 복합소재 제조방법은 탄소섬유를 확장부를 경유하여 확장시켜 유동기 내부로 공급하는 단계; 상기 유동기 내부로 강화 탄소기지물질과 에어를 주입하고, 교반하여 상기 강화 탄소기지물질을 유동시키는 단계; 상기 유동된 강화 탄소기지물질을 상기 탄소섬유에 유착시키고 상기 강화 탄소기지물질이 유착된 상기 탄소섬유를 상기 유동기 외부로 배출시키는 단계; 상기 배출된 탄소섬유를 고온 프레스 롤러를 통과시켜 상기 강화 탄소기지물질과 상기 탄소섬유를 고착시키는 단계; 및 상기 고착된 탄소섬유를 회수하는 단계;를 포함한다.

바람직하게, 상기 유동기 내부로 주입되는 강화 탄소기지물질은 500 내지 3000(mg/min)의 속도로 주입되고, 상기 유동기 내부로 주입되는 에어는 10 내지 50(L/min)의 속도로 주입될 수 있다.

본 발명의 탄소-탄소 복합 소재 제조 장치를 사용하면, 별도의 액상함침공정과 고온의 탄화공정을 반복적으로 수행하지 않아도 유동기 내에서 단시간에 강화 탄소기지물질을 에어와 교반하여 확장된 탄소섬유에 직접 고착시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 제조장치를 사용하면 종래에 탄소-탄소 복합 소재를 제조하는데 사용되던 함침과 탄화 공정을 생략할 수 있으므로, 이를 통해 고온의 탄화 공정에서 발생하는 에너지 낭비를 해소할 수 있고, 함침에 사용되던 유기용매의 사 용을 없앨 수 있어, 저비용으로 탄소-탄소 복합 소재를 대량 생산할 수 있다.

또한, 본 발명의 탄소-탄소 복합 소재 제조 장치를 사용하면, 원료주입장치를 통하여 주입되는 탄소기지물질의 주입량을 조절하거나, 에어주입장치에 의해 주입되는 에어의 주입속도를 조절하여 유동기 내의 강화 탄소기지물질의 유동량을 조절할 수 있으므로, 이를 통해 탄소섬유에 고착되는 탄소기지물질의 함량을 손쉽게 조절할 수 있고, 고함량의 탄소기지물질을 갖는 탄소-탄소 복합 소재를 손쉽게 제조할 수 있다.

본 발명은 탄소섬유와 탄소기지물질을 결합시켜 탄소-탄소 복합 소재를 제조하기 위하여, 에어와 혼합되어 유동화된 강화 탄소기지물질을 직접 탄소섬유에 고착시킬 수 있는 탄소-탄소 복합소재 제조장치를 제공한다.

이하, 도1 내지 4를 참조하여 본 발명의 한 실시예에 따른 탄소-탄소 복합소재 제조장치를 구체적으로 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 탄소-탄소 복합소재 제조장치는 탄소섬유를 공급하는 공급부(100); 상기 공급된 탄소섬유를 확장시키는 확장부(600); 및 상기 이송된 탄소섬유에 강화 탄소기지물질을 유동시켜 강화 탄소기지물질을 탄소섬유에 유착시키는 처리부(300);를 포함하고, 상기 공급부(100)에서 공급된 탄소섬유를 이송하는 이송부(200); 상기 강화 탄소기지물질이 유착된 탄소섬유를 고온에서 가압하여 상기 강화 탄소기지물질과 상기 탄소섬유를 고착시키 는 고착부(400); 및 상기 강화 탄소기지물질이 고착된 탄소섬유를 회수하는 권취부(500)를 더 포함할 수 있다.

먼저, 본 발명의 실시예에서 상기 공급부(100)는 탄소섬유 원사를 이송부에(200)에 공급하는 역할을 수행하는데 상기 공급부(100)로 공급 롤을 사용하여 여기에 탄소섬유 원사를 감은 후 감겨진 탄소섬유 원사가 풀리면서 이송부(200)에 탄소섬유 원사를 공급할 수 있다. 이때, 상기 공급 롤에 모터를 연결하여 일정한 속도로 탄소섬유 원사를 풀어줄 수도 있다.

상기 공급부(100)에 감겨져 탄소-탄소 복합소재를 제조하는데 사용되는 탄소섬유 원사는 일반 탄소섬유를 모두 사용할 수 있으며, 이러한 탄소섬유의 종류에는 레이온(Rayon)계, 팬(PAN)계, 핏치(Pitch)계, 기상성장 탄소섬유계가 있다.

상기 공급부(100)에서 공급된 탄소섬유는 이송부(200)를 통과하여 처리부(300)에 제공되는데, 상기 이송부(200)는 탄소섬유를 일정한 방향으로 이송시켜 주는 이송롤러를 사용할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 이송부(200)를 통과하여 일정한 방향으로 이송된 탄소섬유는 강화 탄소기지물질과의 접촉면적을 증가시키기 위해 확장부(600)를 통과하여 확장될 수 있고, 이렇게 확장부(600)를 통과하는 탄소섬유는 섬유 길이의 수직방향으로 확장되어 접촉 면적이 증가된다.

상기 공급부(100)에서 공급되는 탄소섬유는 상기 이송부(200), 및 고착부(400)를 통과하여 권취부(500)에서 회수되는데 이때 다수개의 롤 또는 롤러를 통해 상기 탄소섬유는 일정한 방향으로 이송되며, 상기 탄소섬유에 장력이 걸리게 된 다.

따라서, 이렇게 장력이 걸린 탄소섬유를 확장부(600)를 통과하여 이송시키면, 다발형태의 탄소섬유가 섬유의 수평 방향으로 풀어지게 되어, 전체적으로 탄소섬유의 표면적이 증가되게 되며, 최초 탄소섬유 직경의 2내지 5배의 너비를 갖게된다. 이러한 너비가 증가하게 되어 전체적으로 탄소섬유의 표면적이 증가하게 된다.

통상 사용되는 탄소섬유의 직경이 0.5 내지 1 cm 인 것을 고려하면, 상기 확장부(600)를 통과한 탄소섬유의 너비는 1내지 5cm 가 된다. 이와 같이 탄소섬유의 표면적이 증가되면, 탄소섬유에 더 많은 강화 탄소기지물질이 부착될 수 있다.

이때 탄소섬유에 부착하는데 사용되는 상기 강화 탄소기지물질은 탄소기지물질을 450℃ 내지 500℃의 온도에서 0.5 내지 3시간 동안 열처리하는 방법으로 강화하여 제조될 수 있다.

상기 탄소기지물질은 탄소섬유에 결합하여 탄소-탄소 복합소재를 제조하는데 사용되는 물질이며, 이때 사용가능한 탄소기지물질로는 핏치(pitch), 페놀수지(phenolics resin), 퓨란 수지(furan resin), 탄화수소가스, 액상 탄화수소 등이 있으며, 이들을 상기 방법으로 강화하여 사용할 수 도 있고, 상업적으로 판매되는 강화 탄소기지물질을 직접 사용할 수도 있다.

도 1을 참조하면, 상기 이송부(200)를 통과하여 확장된 탄소섬유는 처리부(300)에 공급되어 강화 탄소기지물질과 유착된다.

이때, 상기 처리부(300)는 강화 탄소기지물질과 에어를 공급받아 강화 탄소기지물질을 유동시켜 확장된 탄소섬유의 표면에 강화 탄소기지물질을 유착시키는 역할을 수행한다.

상기 처리부(300)는 원료인 강화 탄소기지물질이 유동되어 탄소섬유에 유착되는 유동기(310); 상기 유동기에 원료인 강화 탄소기지물질을 일정한 속도로 주입시켜주는 원료주입장치(320); 상기 유동기에 주입된 원료의 유동을 원활하게 하기 위해 에어를 공급하는 에어주입장치(330); 상기 유동기 내에 주입된 강화 탄소기지물질과 에어를 혼합시켜주는 교반장치(340); 상기 유동기에서 탄소섬유와 유착되지 못하고 배출되는 상기 강화 탄소기지물질을 회수하는 회수장치(350); 상기 유동기와 상기 회수장치를 연결시켜주는 연결관(360); 및 상기 회수장치와 상기 원료주입장치를 연결시켜주는 연결관(370);을 포함하여 이루어진다.

우선, 상기 확장된 탄소섬유, 강화 탄소기지물질, 및 에어는 유동기(310)로 유입되고, 상기 원료주입장치(320)에 의해 주입된 강화 탄소기지물질과 상기 에어주입장치(330)에 의해 주입된 에어가 상기 교반장치(340)에 의해 교반되어 상기 유동기(310) 내에서 유동하면서 상기 확장된 탄소섬유와 강화 탄소기지물질이 유착하게 된다.

도1및 도 3을 참조하면, 상기 유동기(310) 내로 주입되는 강화 탄소기지물질은 원료주입장치(320)를 통해 주입속도를 조절할 수 있는데, 상기 원료주입장치(320)는 상기 유동기(310)와 연결된 원료주입관(321), 상기 원료주입관(321) 내에 삽입되어 회전하면서 강화 탄소기지물질을 유동기(310)로 주입시키는 스크류 기어봉(322), 및 상기 스크류 기어봉(322)를 구동하는 구동모터(323)을 포함하여 이루어져, 상기 스크류 기어봉(322)의 속도를 적절하게 조절하여 강화 탄소기지물질 의 주입속도를 조절할 수 있다. 바람직하게, 상기 강화 탄소기지물질은 500 내지 3000(mg/min)의 속도로 상기 유동기(310) 내로 주입될 수 있다.

도 1을 참조하면, 상기 유동기(310) 내부로 주입되는 강화 탄소기지물질은 상기 에어주입장치(330)에 의해 주입된 에어와 혼합되면서, 상기 교반장치(340)에 의해 교반되어 탄소섬유와 유착되게 된다.

상기 에어주입장치(330)는 에어를 공급하는 에어펌프(331), 상기 에어펌프에서 공급된 에어를 상기 유동기(310)로 주입하는 에어주입부(332), 및 상기 에어펌프(331)와 상기 에어주입부(332)를 연결하는 연결관(333)을 포함하는 구성으로 이루어진다.

도1 및 도 4를 참조하면, 이때, 상기 에어주입부(332)는 주입되는 에어가 유동기(310)로 공급될 때 균일하게 분산 주입되게 하여, 강화 탄소기지물질을 효과적으로 유동시킬 수 있도록, 다수 개의 에어분산홀(332a)을 구비할 수 있다.

또한, 상기 에어주입장치(330)는 상기 유동기(310) 내에 배치된 교반기(343)와 상기 유동기 외부에 배치된 교반모터(341)를 연결하는 교반기축(342)이 삽입되는 관통홀(332b)을 가질 수 있는데, 이렇게 상기 관통홀(332b)을 통하여 상기 교반기축(342)이 삽입되면 내부에서 유동되는 강화 탄소기지물질과 에어가 외부로 유출되지 않는다.

상기 유동기(310) 내부에서 유동되는 강화 탄소기지물질은 같이 주입되는 에어의 주입속도에 따라 유동 속도를 조절할 수 있는데, 10 내지 50(L/min)의 속도로 에어를 주입하면 적절한 강화 탄소기지물질의 유동 속도를 유지할 수 있다.

도 1을 참조하면, 상기 유동기(310) 내부로 공급된 강화 탄소기지물질과 에어는 교반장치(340)에 의해 더욱 원활하게 유동될 수 있다.

상기 교반장치(340)는 상기 유동기(310) 내에 배치된 교반기(343), 상기 유동기 외부에 배치된 교반모터(341), 및 이들을 연결하는 교반기축(342)을 포함하여 구성되는데, 상기 교반기(343)는 적절한 강화 탄소기지물질의 유동 속도를 유지하기 위하여, 바람직하게는 10 내지 1000(RPM)의 속도로 회전시킬 수 있다.

상기 유동기(310) 내부에서 탄소섬유와 유착되지 못한 강화 탄소기지물질들은 전량 회수하고, 다시 원료주입장치(320)에 투입되어 재사용할 수 있는데, 이렇게 탄소섬유와 유착되지 못한 강화 탄소기지물질들은 회수장치(350)로 회수되어 재사용된다.

따라서, 상기 원료주입장치(320)를 통과하여 상기 유동기(310)로 공급된 강화 탄소기지물질은 탄소섬유와 유착하게 되고, 이때 유착하지 못한 강화 탄소기지물질은 상기 유동기(310)와 상기 회수장치(350)를 연결하는 연결관(360)을 통하여 회수되어, 다시 상기 회수장치(350)와 상기 원료주입장치(320)를 연결하는 연결관(370)을 통하여 상기 유동기(310)에 재 공급되어 원료인 강화 탄소기지물질의 손실 없이 상기 유착공정을 수행할 수 있다.

이때, 상기 유동기(310)와 상기 회수장치(350)를 연결하는 연결관(360) 및/또는 상기 회수장치(350)와 상기 원료주입장치(370)를 연결하는 연결관(370) 내에 개폐장치(미도시)를 배치하여 상기 원료주입장치(320), 상기 유동기(310), 및 상기 회수장치(350) 간의 강화 탄소기지물질의 이동을 조절할 수 있다.

이렇게, 상기 처리부(300)에서 강화 탄소기지물질과 결합된 탄소섬유는 서로 단단하게 결합하지 못하고 유착된 상태로 배출되게 된다.

따라서, 상기 처리부(300)에서 배출된 강화 탄소기지물질과 결합된 탄소섬유는 상호간의 결합을 강화하기 위해 고착부(400)를 통과하게 되는데, 상기 고착부(400)는 상기 탄소섬유에 유착된 강화 탄소기지물질을 압착시키기 위해 고온 프레스 롤러를 구비할 수 있는데, 상기 고온 프레스 롤러는 100 내지 500℃의 온도를 가질 수 있다.

상기 고착부(400)를 통과하여 압착된 탄소섬유는 탄소기지물질이 탄소섬유에 고착된 상태로 상호간에 단단하게 결합되어 권취부(500)에 의해 회수되는데, 상기 권취부(500)로 공급 롤을 사용하여 탄소섬유를 회수할 수 있다.

이하, 본 발명의 한 실시예에 따른 탄소-탄소 복합 소재 제조장치에 의한 탄소-탄소 복합소재 제조 방법에 대하여 구체적으로 살펴본다.

도 1 내지 도 4에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 탄소-탄소 복합 소재 제조장치에 탄소섬유가 공급부(100) 를 통해 공급되면, 이송부(200), 처리부(300), 고착부(400), 및 권취부(500)를 차례로 통과하여 탄소-탄소 복합 소재로 제조되는데, 확장부에서 탄소 섬유가 확장되고, 이렇게 확장된 탄소 섬유는 상기 처리부(300)에서 탄소 섬유에 탄소기지물질이 부착되어 탄소-탄소 복합소재가 된다.

이때, 상기 공급부(100), 이송부(200), 확장부(600), 고착부(400), 및 권취부(500)를 통과하는 탄소섬유의 속도를 조절하여 탄소섬유에 부착되는 탄소기지물 질의 함량을 조절할 수 있는데, 구체적으로 탄소섬유의 이동 속도를 저감하는 경우, 탄소섬유에 고착되는 강화 탄소기지물질의 함량을 증가시킬 수 있다.

또한, 상기 처리부(300)에 주입되는 탄소기지물질의 투입량이나, 상기 처리부(300)에 주입되는 에어의 속도를 조절하여 탄소섬유에 고착되는 강화 탄소기지물질의 함량을 증가시킬 수 있다.

상기와 같이 탄소섬유를 이송부(200) 및 확장부(600)를 경유하여 유동기(310) 내부로 공급하고, 상기 유동기(310) 내부로 강화 탄소기지물질과 에어를 주입하고, 교반하여 상기 강화 탄소기지물질을 유동시킨 후, 상기 유동된 강화 탄소기지물질을 상기 탄소섬유에 유착시키고, 상기 강화 탄소기지물질이 유착된 상기 탄소섬유를 상기 유동기(310) 외부로 배출시키고, 상기 배출된 탄소섬유를 고온 프레스 롤러를 통과시켜 상기 강화 탄소기지물질과 상기 탄소섬유를 고착시키고, 상기 고착된 탄소섬유를 회수하여 탄소섬유의 중량 대비 강화 탄소기지물질이 30 내지 60 중량%로 고착된 프리폼드 얀(preformed yarn) 형태의 탄소-탄소 복합 소재를 제조할 수 있다. 이렇게 제조된 탄소-탄소 복합 소재는 직조하여 적층시키거나 또는 다양한 형태의 성형체로 제조가 가능하다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

시험예 1

강화 탄소기지물질로 핏치 분말(SPI-20M, 씨알텍, 한국)을 사용하여, 원료주입장치(320)를 통해 1500mg/min의 속도로 핏치 분말을 유동기(310)에 일정하게 주입시키고, 에어를 주입시키는 양에 따라 변화하는 핏치의 유동량을 측정하였다.

교반기의 교반속도는 500rpm으로 고정시켰으며, 10, 20, 30, 40, 및50 L/min의 양으로 에어를 주입하여, 각 유량에 따라 1시간 동안 핏치를 유동시켜 매 10분마다 핏치를 포집하여 포집량을 측정하였다.

그 결과 도5에 나타낸 바와 같이, 유동기 내에서 핏치가 균일하게 유동되는 것을 알 수 있었다.

또한, 상기와 같은 방법으로 핏치를 주입하면서 유동기 내에 주입되는 에어의 주입량에 따라 변화하는 핏치의 유동량을 측정해 보았을 때, 도 6에 도시된 바와 같이, 10 L/min로 에어를 주입할 때, 유동기 내에서 핏치가 유효량으로 유동되기 시작하여, 20 L/min 로 에어를 주입할 때, 유동기 내로 주입된 핏치가 대부분 유동되었으며, 30 L/min 이상의 유속으로 에어를 주입할 때, 유동기 내에 주입된 핏치가 모두 유동되는 것을 알 수 있었다.

시험예 2

강화 탄소기지물질로 핏치 분말을 사용하여, 원료주입장치(320)를 통해 1500mg/min의 속도로 핏치 분말을 유동기(310)에 일정하게 주입시키고, 유동기 내에 주입된 핏치가 모두 유동되는 최소 에어유입속도인 30L/min의 속도로 에어를 주입시켜, 유동기(310) 내에서 강화 탄소기지물질을 유동시켰다.

직경 0.7cm인 탄소섬유를 확장롤러를 통과시켜 4 cm 의 너비로 확장시키고, 유동기 내로 투입하여 탄소섬유와 강화 탄소기지물질을 1분 동안 유착시켰다.

강화 탄소기지물질과 유착된 탄소섬유를 300℃의 온도를 갖는 고온 프레스 롤러(400)를 통과시켜, 강화 탄소기지물질이 고착된 탄소섬유의 복합소재를 제조하였다.

상기와 같은 방법으로 4회 반복하여 탄소섬유 복합소재를 제조(제조예 1 내지 4)한 후, 각각 제조된 탄소-탄소 복합소재에서 강화 탄소 기지물질의 고착 정도를 알아보기 위해 전자현미경으로 촬영하였다(도 7). 그 결과 강화 탄소 기지물질인 핏치가 탄소 섬유에 고르게 고착되어 있음을 확인할 수 있었다.

또한, 제조된 복합소재를 각각 잘라서 강화 탄소기지물질의 함유량을 하기 식 1에 따라 측정하고, 표 1에 나타내었다.

[식 1]

[표 1]

	제조예 1	제조예 2	제조예 3	제조예 4
함량(wt%)	25.64	26.83	22.41	23.37

그 결과, 본 발명의 본 발명의 탄소-탄소 복합 소재 제조장치를 사용하면 탄소섬유를 1분 동안만 유동기 내로 투입하여도 강화 탄소기지물질이 20wt% 이상 고착된 탄소-탄소 복합 소재 제조장치를 제조할 수 있음을 알 수 있었다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하 여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 첨부된 특허 청구 범위에 속하는 것은 당연하다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 탄소-탄소 복합소재 제조장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 탄소-탄소 복합소재 제조장치에 사용되는 이송부(200) 및 확장부(600)를 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 탄소-탄소 복합소재 제조장치에 사용되는 원료주입장치(320)를 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 4a는 본 발명의 한 실시예에 따른 탄소-탄소 복합소재 제조장치에 사용되는 에어주입장치(330)의 정면도이다.

도 4b는 본 발명의 한 실시예에 따른 탄소-탄소 복합소재 제조장치에 사용되는 에어주입장치(330)의 평면도이다.

도 4c는 본 발명의 한 실시예에 따른 탄소-탄소 복합소재 제조장치에 사용되는 에어주입장치(330)의 저면도이다.

도 5는 에어주입량의 변화에 따라 1시간 동안 변화한 강화 핏치 유동량을 나타낸 그래프이다.

도 6은 에어주입량의 변화에 따른 강화 핏치 유동량의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 7a 내지 d는 본 발명의 탄소-탄소 복합소재 제조장치에 의해 제조된 탄소-탄소 복합소재의 전자현미경 사진이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 공급부 200 : 이송부

300 : 처리부 400 : 고착부

500 : 권취부 210 : 이송 롤러

220 : 확장롤러 310 : 유동기

320 : 원료주입장치 321 : 원료주입관

322 : 스크류기어봉 323 : 원료주입모터

330 : 에어주입장치 331 : 에어펌프

332 : 에어주입부 333 : 연결관

332a: 에어분산홀 332b : 관통홀

340 : 교반장치 341 : 교반모터

342 : 교반기축 343 : 교반날개

350 : 회수장치 360 : 연결관

370 : 연결관 600 : 확장부

Claims

탄소섬유를 공급하는 공급부;

상기 공급된 탄소섬유를 확장시키는 확장부; 및

상기 이송된 탄소섬유에 강화 탄소기지물질을 유동시켜 강화 탄소기지물질을 탄소섬유에 유착시키는 처리부;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소-탄소 복합소재 제조장치.
제1항에 있어서,

상기 공급부에서 공급된 탄소섬유를 이송하는 이송부;

상기 강화 탄소기지물질이 유착된 탄소섬유를 고온에서 가압하여 상기 강화

탄소기지물질과 상기 탄소섬유를 고착시키는 고착부; 및

상기 강화 탄소기지물질이 고착된 탄소섬유를 회수하는 권취부;

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소-탄소 복합소재 제조장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 처리부는

원료인 강화 탄소기지물질이 유동되어 탄소섬유에 유착되는 유동기;

상기 유동기에 원료인 강화 탄소기지물질을 일정한 속도로 주입시켜주는 원

료주입장치;

상기 유동기에 주입된 원료의 유동을 원활하게 하기 위해 에어를 공급하는

에어주입장치; 및

상기 유동기 내에 주입된 강화 탄소기지물질과 에어를 혼합시켜주는 교반 장

치;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소-탄소 복합소재 제조장치.
제3항에 있어서,

상기 처리부는

상기 유동기에서 탄소섬유와 유착되지 못하고 배출되는 상기 강화 탄소기지

물질을 회수하는 회수장치;

상기 유동기와 상기 회수장치를 연결시켜주는 연결관; 및

상기 회수장치와 상기 원료주입장치를 연결시켜주는 연결관;

을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소-탄소 복합소재 제조장치.
제3항에 있어서,

상기 원료주입장치는

원료인 강화 탄소기지물질을 상기 유동기 내로 유입시키기 위해 상기 유동기와 연결된 원료주입관;

상기 원료주입관 내에 삽입되어 회전하면서 상기 강화 탄소기지물질을 상기 유동기로 유입시키는 스크류 기어봉; 및

상기 스크류 기어봉을 구동하는 구동모터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소-탄소 복합소재 제조장치.
제3항에 있어서,

상기 에어주입장치는

에어를 공급하는 에어펌프;

상기 에어펌프에서 공급된 에어를 상기 유동기로 주입하는 에어주입부; 및

상기 에어펌프와 상기 에어주입부를 연결하는 연결관을 포함하되,

상기 에어주입부는 주입되는 에어가 유동기로 공급될 때 에어가 분산되어 주입될 수 있도록 다수개의 에어분산홀을 구비하고, 상기 교반기의 교반기축이 삽입되도록 관통홀을 갖는 것을 특징으로 하는 탄소-탄소 복합소재 제조장치.
제2항에 있어서,

상기 고착부는 상기 탄소섬유에 유착된 강화 탄소기지물질을 압착시키기 위해 고온 프레스 롤러를 구비한 것을 특징으로 하는 탄소-탄소 복합소재 제조장치.
제7항에 있어서,

상기 고온 프레스 롤러는 100 내지 500℃의 온도인 것을 특징으로 하는 탄소-탄소 복합소재 제조장치.
탄소섬유를 확장부를 경유하여 확장시켜 유동기 내부로 공급하는 단계;

상기 유동기 내부로 강화 탄소기지물질과 에어를 주입하고, 교반하여 상기 강화 탄소기지물질을 유동시키는 단계;

상기 유동된 강화 탄소기지물질을 상기 탄소섬유에 유착시키고 상기 강화 탄소기지물질이 유착된 상기 탄소섬유를 상기 유동기 외부로 배출시키는 단계;

상기 배출된 탄소섬유를 고온 프레스 롤러를 통과시켜 상기 강화 탄소기지물질과 상기 탄소섬유를 고착시키는 단계; 및

상기 고착된 탄소섬유를 회수하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소-탄소 복합소재 제조방법.
제9항에 있어서,

상기 유동기 내부로 주입되는 강화 탄소기지물질은 500 내지 3000(mg/min)의 속도로 주입되고,

상기 유동기 내부로 주입되는 에어는 10 내지 50(L/min)의 속도로 주입되는 것을 특징으로 하는 탄소-탄소 복합소재 제조방법.
제9항에 있어서,

상기 고온 프레스 롤러는 100 내지 500℃의 온도인 것을 특징으로 하는 탄소-탄소 복합소재 제조방법.