KR101125480B1 - 탄소발열체 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기 히터의 발열체로 사용되는 탄소발열체 및 탄소발열체 제조과정의 탄소섬유사 성형을 대량으로 생산할 수 있도록 하는 탄소발열체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 그 특징은 탄소섬유사들을 꼬거나 상기 탄소섬유사들을 직조한 집속체를 주축을 기반으로 하여 일정 형식 및 형상을 갖도록 고정하는 단계와; 상기 주축을 포함한 상기 집속체를 폴리머에 침지하는 단계와; 상기 폴리머에서 꺼내어 건조과정을 거친 상기 주축을 포함한 상기 집속체를 감압 분위기 또는 불활성 분위기의 고온로에서 가열하는 가소성(假燒成) 단계와; 상기 가소성 단계를 거친 상기 집속체를 상기 주축으로부터 분리하는 단계; 및 상기 분리한 집속체를 소정의 감압 분위기, 탄화수소가스 분위기, 불활성가스와 탄화수소가스의 혼합가스 분위기 중에서 선택되는 어느 하나의 환경을 갖는 고온로에서 탄화시키는 본소성(本燒成) 단계를 순차적으로 수행하는 것을 포함하여 이루어짐에 있다.
본 발명에 따르면, 폴리머의 침지와 건조과정을 복수해 수행함으로써 가소성 온도를 낮추어도 주축으로부터 분리되는 집속체의 형상이 안정적으로 유지되며, 폴리머의 증착 과정을 통해 균일하고 안정적인 두께의 탄소 피막 층이 형성되어 제품의 안정화와 제조 수율이 향상되는 이점을 갖는다.
본 발명에 따르면, 폴리머의 침지와 건조과정을 복수해 수행함으로써 가소성 온도를 낮추어도 주축으로부터 분리되는 집속체의 형상이 안정적으로 유지되며, 폴리머의 증착 과정을 통해 균일하고 안정적인 두께의 탄소 피막 층이 형성되어 제품의 안정화와 제조 수율이 향상되는 이점을 갖는다.
Description
본 발명은 탄소발열체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전기 히터의 발열체로 사용되는 탄소발열체 및 탄소발열체 제조과정의 탄소섬유사 성형을 대량으로 생산할 수 있도록 하는 탄소발열체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근의 전기히터에는 종래에 많이 사용된 니켈 크롬 합금으로 이루어진 발열체(일명 '니크롬선')에 비교하여 복사열 효율이 상대적으로 높은 것으로 입증된 탄소발열체의 사용이 늘고 있다.
과거에는 탄소가 전기 저항이 작은 전도체로 알려져 있어 발열체로서 이용할 수 없다고 여겨 왔으나, 최근에는 천연계 섬유를 진공온소(眞空溫燒)로 탄화시켜 마이크로 단위의 기포를 갖는 탄소섬유로 형성할 경우 높은 수준의 저항값을 갖는 것으로 밝혀지면서 발열체로써 사용되기 시작했다.
지금까지의 탄소발열체는 탄소의 고유 저항을 이용하여 제한된 소비전력 내에서 단순히 길이 조정이나 굵기를 변화시키는 방법으로 복사열 효율을 높이고자 하였기에 탄소 발열체의 제조에 제약이 많았다.
이로부터 당 업계에서는 탄소발열체의 발열 효율 향상과 안정성 확보 및 생산성 향상을 위한 많은 연구와 노력이 계속되어 왔으며, 본 발명자 또한 당 기술분야에서 현재에까지 많은 연구와 노력 및 생산에 직접적으로 관여하면서 대한민국 공개특허 제10-2009-122779호, 대한민국 특허등록 제1006159호, 대한민국 특허등록 제923417호, 대한민국 특허등록 제909881호, 대한민국 특허등록 제983972호 등 많은 연구 결과를 발표하여 왔다.
본 발명은, 탄소발열체를 대량 생산하는 과정에서 더욱 성형성 향상을 포함한 안정적인 제품화, 생산 수율 향상, 제조공정의 단순화 및 제조원가를 절감토록 하는 탄소발열체 및 탄소발열체 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소발열체 제조방법은, 탄소섬유사들을 꼬거나 탄소섬유사들을 직조한 집속체를 주축을 기반으로 하여 일정 형식의 형상을 갖도록 고정하는 단계와; 상기 주축을 포함한 상기 집속체를 폴리머에 침지하는 단계와; 상기 폴리머에서 꺼내어 건조과정을 거친 상기 주축을 포함한 상기 집속체를 감압 분위기 또는 불활성 분위기의 고온로에서 가열하는 가소성(假燒成) 단계와; 상기 가소성 단계를 거친 상기 집속체를 상기 주축으로부터 분리하는 단계; 및 상기 분리한 집속체를 소정의 감압 분위기, 탄화수소가스 분위기, 불활성가스 분위기, 불활성가스와 탄화수소가스의 혼합가스 분위기 중에서 선택되는 어느 하나 환경 조건의 분위기를 갖는 고온로에서 탄화시키는 본소성(本燒成) 단계를 순차적으로 수행하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소발열체 제조방법은, 탄소섬유사들을 꼬거나 탄소섬유사들을 직조한 집속체를 폴리머에 침지하는 단계와; 상기 집속체를 주축을 기반으로 하여 일정 형식의 형상을 갖도록 고정하는 단계와; 상기 주축을 포함한 상기 집속체를 감압 분위기 또는 불활성 분위기의 고온로에서 가열하는 가소성(假燒成) 단계와; 상기 집속체를 상기 주축으로부터 분리하는 단계; 및 상기 분리한 집속체를 소정의 감압 분위기, 탄화수소가스 분위기, 불활성가스 분위기, 불활성가스와 탄화수소가스의 혼합가스 분위기 중에서 선택되는 어느 하나 환경 조건의 분위기를 갖는 고온로에서 탄화시키는 본소성(本燒成) 단계가 순차적으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 주축의 표면에 상기 집속체를 고정하는 단계는, 탄소섬유사 3~24 본을 일 방향으로 배열한 후 이들을 꼬거나 직조한 집속체를 폴리머에 침지 과정과 건조과정을 순차적으로 적어도 1회 이상 수행한 후 이루어짐을 특징으로 한다.
더불어, 상기 가소성 단계의 상기 고온로의 가소성 온도는 400~900℃ 범위에서 이루어지도록 하고, 상기 본소성 단계의 상기 고온로의 본소성 온도는 1000~2500℃ 범위에서 이루어지도록 함이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 탄소발열체는 상기 탄소발열체의 제조방법에 의하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 탄소발열체 제조방법에 의하면, 탄소섬유사들로 이루어진 집속체에서 탄소발열체로 제조하기까지 주축을 포함한 제조 부품의 사용 연한을 연장할 뿐 아니라 제조과정의 단순화와 시간 단축의 이점 및 그에 따른 제조원가의 절감 효과를 가지며, 가소성 단계를 통한 성형성 향상은 주축의 변형이 방지됨에 의해 탄소발열체의 감긴 피치간격이 균일해 지고, 이에 따른 발열분포 또한 균일하게 이루어지는 효과를 가지며, 안정적인 폴리머의 증착 과정을 통해 균일하고 안정적인 두께의 탄소 피막 층이 형성되어 제품의 안정화와 제조 수율이 향상되는 이점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소발열체 제조방법 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소발열체 제조방법 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소발열체 제조방법 과정을 설명하기 위한 순서도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용하는 용어는, 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석될 수 없는 것이며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시하는 구성은, 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해해야 한다.
또한, 본 발명의 상세한 설명은 PAN(폴리아크릴로니트릴)계 탄소섬유사, 피치계 탄소섬유사 및 비스코스계 탄소섬유사의 원료적 특성 및 꼬거나 직조하는 등 집속체로 형성하기까지의 가공적 특성에 관계없이 집속체로 형성된 것을 기초하여 설명할 것이다.
즉, 본 발명에 따른 탄소발열체 제조발명은, 탄소발열체의 원료인 각 계열의 탄소섬유사들이 갖는 물질적 특성이나 집속체로 형성하기까지의 가공적 특성을 포함하여 집속체로 형성하기 이전의 전처리과정을 포함하는 것이다.
이로부터 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소발열체의 제조과정을 살펴보면, 도 1에 도시한 바와 같이, 탄소섬유사들을 꼬거나 탄소섬유사들을 직조한 집속체를 주축을 기반으로 하여 일정 형식의 형상을 갖도록 고정하는 단계(ST100)와, 주축을 포함한 집속체를 폴리머에 침지하는 단계(ST110)와, 폴리머에서 꺼내어 건조과정(ST120)을 거친 주축을 포함한 집속체를 감압 분위기 또는 불활성 분위기의 고온로에서 가열하는 가소성(假燒成) 단계(ST130)와, 가소성 단계를 거친 상기 집속체를 주축으로부터 분리하는 단계(ST140) 및 분리한 집속체를 소정의 감압 분위기, 탄화수소가스 분위기, 불활성가스와 탄화수소가스의 혼합가스 분위기 중에서 선택되는 어느 하나의 환경을 갖는 고온로에서 탄화시키는 본소성(本燒成) 단계(ST150)를 포함한 과정이 순차적으로 진행되어 이루어진다.
여기서, 주축은 표면이 매끈하고 약 900℃ 이상의 온도에서 형상 변형 없이 견딜 수 있는 석영, 실리카, 세라믹, 흑연 등의 내열성 재질의 것으로 선택되고, 환봉 형상 또는 관 형상의 것을 사용한다.
또한, 주축에 대하여 탄소섬유사들로 이루어진 집속체를 고정하는 것은, 집속체가 일정 폭과 굵기를 갖는 일자 형상 또는 이에 준하는 소정 굵기의 끈 형상인 경우 주축의 길이 방향 표면을 따라 나선 형상으로 감고, 집속체의 양단을 주축의 양단 부위에 마련된 클립 등으로 집속체의 형상 및 위치가 유지될 수 있도록 고정하는 것으로 이루어질 수 있다.
또 다른 형식으로는, 집속체가 원통 형상일 경우 관 형상의 주축 내부에 끼우는 형식으로 집속체의 형상 및 위치 등이 변동이 없도록 지그 등을 이용하여 통상의 방법으로 고정하는 것으로 이루어질 수도 있다.
이렇게 주축을 기반으로 한 집속체의 형상 고정은, 다음 단계 중 가소성 과정 이후 주축을 분리한 후 본소성 과정에 투입할 때도 외부의 물리적인 힘이 가해지지 않는 한 집속체의 형상이 독립적으로 일정 범위 내에서 유지될 수 있는 내성을 갖게 하기 위한 것이다. 더불어 이러한 내성은 본소성 과정 이후에도 일정 범위 내에서 그 형상이 유지되게 한다.
상술한 바와 같이, 주축에 일정 형식 및 형상을 갖도록 고정한 집속체는, 주축과 함께 페놀 용액, 벤젠화합물 등 다량의 탄소를 포함하는 폴리머에 침지시켜 집속체를 구성하는 각 탄소섬유사들의 표면에 폴리머가 도포되게 하는 것이다.
이후 집속체는 액상의 폴리머를 건조시키는 과정을 거치게 되며, 이를 위한 건조 과정은 상온에서 자연 건조로 이루어질 수 있고, 또는 350℃ 미만의 온도 조건을 갖는 오븐에서 급속히 건조시키는 과정을 통해 이루어질 수도 있다.
이때 집속체에 대한 폴리머의 건조 온도가 350℃ 미만으로 제한하는 것은, 그 이상일 경우 폴리머 및 탄소섬유사까지도 산화하는 문제를 방지하기 위한 이유이다.
이러한 집속체에 폴리머를 도포시키는 것은 본소성 과정의 고온 분위기에 의해 탄소섬유사들 각 표면에 접하거나 인접한 부위에서 폴리머의 열분해에 따른 탄소의 분포도를 높여 탄소 분자의 기상증착 가능성을 높여 소망하는 수준의 탄소피막층을 형성토록 하기 위한 것이다.
따라서, 이후의 탄소발열체의 특성상 탄소피막층의 두께를 통한 전기 저항값 조절을 위해서는, 상술한 폴리머의 침지 과정과 건조과정으로 이어지는 일련의 과정을 1~5회 반복 실시하는 것으로 효과를 얻어낼 수 있다.
그리고, 상술한 폴리머의 침지 과정과 건조과정을 5회 이상 실시할 경우는 탄소섬유사들의 표면에 대한 폴리머의 증착 두께는 향상되겠으나 결과적으로 탄소피막의 두께 및 그에 따른 소망하는 저항값 이하로 저하되는 문제와 더불어 제조기간 및 제조단가를 가중시키는 등 비경제적인 문제를 갖는다.
또한, 집속체에 폴리머를 도포시키는 다른 이유는, 후술하겠으나 본소성 과정 이전에 폴리머가 열분해되지 않는 재차 건조되는 정도의 가소성 단계 이후에 주축을 기반으로 한 집속체의 형상이 주축으로부터 분리한 상태에서도 유지될 수 있도록 한다.
이렇게 폴리머의 침지과정과 건조과정을 거친 집속체는, 주축에 고정된 상태로 소정의 감압 분위기 또는 불활성 분위기의 고온로에 투입하여 가소성 과정을 수행하게 된다.
상술한 가소성 과정은 400~900℃ 온도 범위에서 실시되며, 이러한 온도 범위는 폴리머의 열분해가 거의 이루어지지 않는 상태로 폴리머로 하여금 주축에 나선 형상으로 감긴 집속체의 형상을 고착시키기 위한 것이다.
이와 같이 400~900℃ 온도 범위에서의 가소성은, 종래의 기술 중 자연상태에서 폴리머를 건조시키는 예와 대기와 같은 공기 분위기에서 350℃ 이하로 오븐건조하는 예에 비교하여 주축에 감긴 집속체의 형상을 더욱 안정적으로 굳혀 성형성 불량률을 줄이는 효과가 있다.
더불어 가소성 과정에서 900℃ 이상 온도를 상승시킬 경우에는 폴리머의 열분해가 이루어져 주축으로부터 집속체를 분리할 때 주축은 물론 주축에 감긴 집속체의 나선 형상이 안정적으로 유지되지 못하고 풀어지는 등 불량이 발생한다.
그리고, 상술한 가소성 과정의 온도 범위는, 종래 기술의 1차 열처리 온도보다 낮은 수준이며, 이 온도 범위에서 휘거나 뒤틀리는 등의 형상 변형 및 물성 변화가 없는 내열성 주축 소재를 선택하기에는 무리가 없어 저렴한 소재의 주축으로 채택할 수 있으며, 높은 수준의 내열성 소재를 선택할 경우에도 주축의 사용 수명이 연장될 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 가소성 과정을 거친 집속체는 폴리머의 건조에 따른 형상 유지 능력과 더불어 주축을 기반으로 하였던 형상을 유지하려는 내성을 가지게 된다.
이후, 가소성 과정을 마치면, 냉각된 주축으로부터 집속체를 분리하고, 이어서 분리된 집속체를 소정의 감압 분위기, 탄화수소가스 분위기, 불활성가스 분위기, 불활성가스와 탄화수소가스의 혼합가스 분위기 중에서 선택되는 어느 하나의 환경을 갖는 고온로에 투입하여 본소성 과정을 수행한다.
상술한 본소성 과정의 온도는, 1,000~2,500℃ 범위에 있도록 하며, 이러한 온도범위는 집속체를 구성하는 탄소섬유사들을 탄화시킬 뿐 아니라 이들 표면에 도포된 폴리머를 열분해시켜 불순물은 증발되게 하고, 탄소 분자들은 집속체의 각 탄소섬유사들 표면에 대한 기상증착을 유도하여 탄소피막층을 이루도록 한다.
이상의 과정을 거친 집속체는 탄소피막층을 갖는 탄소발열체로 제조되는 것이고, 이후 탄소발열체의 양단에 통전용 단자를 연결하여 석영관 내부에 투입한 후 양단의 통전용 단자와 전선 연결 및 석영관 내부를 소정의 진공압으로 처리한 후 밀봉하는 것으로 카본 히터로 완성된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소발열체 제조방법은, 도 2에 도시한 바와 같이, 폴리머에 대한 침지 과정(ST200)과 건조과정(ST210)을 거치고, 탄소섬유사들로 이루어진 집속체를 주축에 나선 형상으로 감아 고정하는 단계(ST220)와, 주축을 포함한 집속체를 감압 분위기 또는 불활성 분위기의 고온로에서 가열하는 가소성(假燒成) 단계(ST230)와, 가소성 단계를 거친 집속체를 주축으로부터 분리하는 단계(ST240) 및 분리한 집속체를 소정의 감압 분위기, 탄화수소가스 분위기, 불활성가스와 탄화수소가스의 혼합가스 분위기 중에서 선택되는 어느 하나의 환경을 갖는 고온로에서 탄화시키는 본소성(本燒成) 단계(ST250)를 포함한 과정이 순차적으로 진행되어 이루어진다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예와 비교하여 차별되는 다른 실시예의 특징은, 집속체를 폴리머에 침지시키고 이어서 일정 수준으로 건조하는 과정을 거친 후 주축을 기반으로 한 집속체의 고정과정이 진행된다는데 있다.
즉, 다른 실시예에 따르면, 상술한 폴리머에 침지하고 또 일정 수준으로 건조하는 과정이 주축에 고정한 후 진행하는 제한된 조건에서가 아니라 집속체의 길이를 소망하는 길이로 절단하기 이전의 과정에서 한꺼번에 복수 회차로 시행할 수 있는 이점을 갖는다.
더욱이 집속체에 대한 폴리머의 침지과정은 자동화 설비를 통해 연속적으로 공급하여 주축에 감는 과정에서 집속체가 주축에 감기기 바로 전에 폴리머에 대한 침지단계를 거치도록 하고, 침지 이후에서 주축에 감기기 전에 폴리머의 건조가 충분히 이루어지지 않아도 무방한 것이다.
이상에서 살펴본 내용은, 본 발명의 바람직한 실시 예로서 설명하였으나, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변형과 수정 가능한 범위는 본 발명의 청구범위에 속한다고 할 것이다.
Claims (6)
- 탄소섬유사들을 꼬거나 상기 탄소섬유사들을 직조한 집속체를 주축에 나선 형상으로 감아 고정하는 단계와;
상기 주축을 포함한 상기 집속체를 폴리머에 침지하는 단계와;
상기 폴리머에서 꺼내어 건조과정을 거친 상기 주축을 포함한 상기 집속체를 감압 분위기 또는 불활성 분위기의 고온로에서 가열하는 가소성(假燒成) 단계와;
상기 가소성 단계를 거친 상기 집속체를 상기 주축으로부터 분리하는 단계; 및
상기 분리한 집속체를 소정의 감압 분위기, 탄화수소가스 분위기, 불활성가스 분위기, 불활성가스와 탄화수소가스의 혼합가스 분위기 중에서 선택되는 어느 하나 환경 조건의 분위기를 갖는 고온로에서 탄화시키는 본소성(本燒成) 단계를 순차적으로 수행하는 것을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소발열체 제조방법. - 탄소섬유사들을 꼬거나 탄소섬유사들을 직조한 집속체를 폴리머에 침지하는 단계와;
상기 집속체를 주축에 나선 형상으로 감아 고정하는 단계와;
상기 주축을 포함한 상기 집속체를 감압 분위기 또는 불활성 분위기의 고온로에서 가열하는 가소성(假燒成) 단계와;
상기 집속체를 상기 주축으로부터 분리하는 단계; 및
상기 분리한 집속체를 소정의 감압 분위기, 탄화수소가스 분위기, 불활성가스 분위기, 불활성가스와 탄화수소가스의 혼합가스 분위기 중에서 선택되는 어느 하나 환경 조건의 분위기를 갖는 고온로에서 탄화시키는 본소성(本燒成) 단계를 순차적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 탄소발열체 제조방법. - 제 2 항에 있어서,
상기 주축의 표면에 상기 집속체를 고정하는 단계는, 탄소섬유사 3~24 본을 일 방향으로 배열한 후 이들을 꼬거나 직조한 집속체를 폴리머에 침지하는 과정과 자연 건조하는 과정을 순차적으로 수행하는 일련의 과정을 적어도 1~5회 반복 수행한 후 이루어짐을 특징으로 하는 상기 탄소발열체 제조방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가소성 단계의 상기 고온로의 가소성 온도는 400~900℃ 범위인 것을 특징으로 하는 상기 탄소발열체 제조방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 본소성 단계의 상기 고온로의 본소성 온도는 1000~2500℃ 범위인 것을 특징으로 하는 상기 탄소발열체 제조방법. - 제 4 항의 탄소발열체 제조방법에 의해 제조되는 탄소발열체.
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