KR101161566B1 - 탄소 입자 섬유 어셈블리 기술 - Google Patents

탄소 입자 섬유 어셈블리 기술 Download PDF

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Abstract

탄소 원섬유들(carbon fibrils) 및 탄소 나노튜브 분자들(carbon nanotube molecules)과 같은 탄소 입자들은, a)경화 가능 액체(curable liquid) 내에 탄소 입자들을 분산시키고(dispersing), b)경화 가능 액체와 탄소 입자들의 혼합물을 테이퍼링 튜브(tapering tube) 아래로 유동시킴으로써 탄소 입자들을 정렬하고, 및 c)섬유를 형성하기 위해, 테이퍼링 튜브의 종단 부근에서 경화 가능 액체 및 탄소 입자들의 유동 혼합물을 경화시킴으로써 실질적으로 순수한 정렬된 섬유들로 어셈블링될 수 있다. 경화 가능 액체는 자외선을 이용하여 경화될 수 있다. 응결된 혼합물은, d)응결된 경화 가능 액체 부분의 휘발성 원소(volatile element)들이 섬유로부터 실질적으로 소산(dissipate)되도록 섬유를 열처리하고, e)섬유의 밀도를 증가시키기 위해 섬유를 꼬고(twist), f)섬유 내의 탄소 입자들을 소결(sinter)시키기 위해 섬유를 열처리하고, 및 g)섬유를 클래딩(cladding)함으로써 추가 처리될 수 있다. 그후 결과적인 섬유는 권취 드럼(take-up drum)에 감겨질 수 있다.
탄소 입자, 탄소 원섬유, 열처리, 탄소 나노튜브 분자, 탄소 섬유

Description

탄소 입자 섬유 어셈블리 기술{Carbon particle fiber assembly technique}
도 1은 탄소 원섬유들 및 탄소 나노튜브 분자들과 같은 탄소 입자들을 정렬된 섬유들로 어셈블링하기 위해 본 발명의 원리들에 따른 예시적인 프로세스를 도시한 그래픽 대표도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
101: 비이커 103: 펌프
105: 공급 방출구 107: 테이퍼링 튜브
109: 자외선 경화 램프 111: 도르래
113, 117: 히터 115: 꼬기 플랫폼
119: 클래딩 애플리케이터 121: 권취 드럼
관련 분야
본 발명은 탄소 원섬유들 및 탄소 나노튜브 분자들과 같은 탄소 입자들에 관한 것이며, 보다 상세하게는, 탄소 입자들이 정렬된 섬유들로 탄소 입자들을 어셈블링하는 기술에 관한 것이다.
배경 기술
탄소 원섬유들 및 탄소 나노튜브 분자들과 같은 탄소 입자들은 매우 바람직한 전기적, 기계적 및 열 전달 속성(heat conducting property)들을 포함하는 속성들의 어레이를 갖는다. 그러나, 입자들은 상대적으로 짧으며, 예를 들면, 최장 입자들은 몇 미크론 정도이다. 불행하게도, 그러한 길이들은 일반적으로 탄소 입자들의 속성들이 이롭다는 것을 증명할 수 있는 애플리케이션들에 부적절하다.
본 명세서에 참조되는, 미국 특허 출원 번호(케이스: 그레이월 34(Greywall 34)에서, 탄소 원섬유들 및 탄소 나노튜브 분자들과 같은 탄소 입자들은 광섬유를 제조하는데 사용되는 프로세스들로부터 유도된 프로세스들을 사용하여 정렬된 섬유들로 어셈블링될 수 있다고 개시되어 있다. 보다 상세하게, 탄소 입자들은 유리에 매입되고, 그후 탄소 입자들을 정렬하기 위해 유리가 인장된다. 정렬된다는 것은, 국소 부근에서 다양한 입자들 각각의 최장축들이 실질적으로 평행하다는 것을 의미한다.
결과적인 섬유는 전형적으로 일정한 유리 내용량을 유지한다. 그러한 유리 내용물은 섬유의 강도를 개선할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 예를 들면, 보다 좋은 탄력성을 획득하기 위해, 섬유의 유리 내용물을 제거하거나 상당량 감소시키는 것이 바람직할 수 있다. 이것은 본 명세서에서 "강도(strength)" 대 "인성(toughness)"으로 종종 언급된다. 또한, 생성될 수 있는 섬유의 길이는 섬유가 인장되는 최초 몸통(body)의 크기에 의해 제한된다. 또한, 가능한 단순한 프로세스 를 사용하여 실온에서 섬유들을 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 원리들에 따라, 탄소 원섬유들 및 탄소 나노튜브 분자들과 같은 탄소 입자들은, a)탄소 입자들을 경화 가능 액체 내에 분산시키고, b)경화 가능 액체와 탄소 입자들의 혼합물을 테이퍼링 튜브 아래로 유동시키고, 및 c)섬유를 형성하기 위해 테이퍼링 튜브의 종단 부근에서 경화 가능 액체 및 탄소 입자들의 유동 혼합물을 경화시킴으로써 실질적으로 순수한 정렬된 섬유들로 어셈블링될 수 있다는 것을, 우리는 인식한다. 본 발명의 한 실시예에서, 경화 가능 액체는 자외선의 사용을 통해 적어도 일부분 경화된다.
섬유의 바람직한 최종 속성들에 따라, 응결된 혼합물을 추가 처리하기 위해 다양한 선택적 단계들이 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수 있다. 그러한 선택적 단계들은, d)응결된 경화 가능 액체 부분의 휘발성 원소들이 섬유로부터 실질적으로 소산되도록 섬유를 열처리하는 단계, e)섬유의 밀도를 증가시키기 위해 섬유를 꼬는 단계, f)섬유 내의 탄소 입자들을 소결시키기 위해 섬유를 열처리하는 단계, 및 g)섬유를 클래딩하는 단계를 포함한다. 선택적 단계들 중 어느 것을 수행하기 위한 순서는 제조된 섬유에 대한 요구된 속성들에 의존한다. 그후 결과적인 섬유는 권취 드럼에 감겨질 수 있다.
본 발명의 한 실시예에서, 경화 단계는 탄소 입자들과 경화 가능 액체의 혼합물이 여전히 테이퍼링 튜브 내에 있는 동안에 적어도 일부분 수행될 수 있다. 예를 들면, 경화 가능 액체가 자외선에서 경화되면, 테이퍼링 튜브는 요구되는 혼합물의 양을 경화시키기 위해 충분한 자외선 양을 통과시키는 적어도 한 섹션을 가질 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 경화 단계는 경화 가능 액체 내의 탄소 입자들이 테이퍼링 튜브로부터 빠져 나온 후에만 수행된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 탄소 입자들은 탄소 원섬유들 또는 탄소 나노튜브 분자들 중 하나이다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 탄소 원섬유들 및 탄소 나노튜브 분자들은 단일 섬유를 제조하기 위해 사용된다.
상세한 설명
다음은 본 발명의 원리들을 단지 예시한다. 따라서, 당업자는, 여기에 명확히 설명되고 도시되지는 않지만, 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 정신 및 범위 내에 포함되는 다양한 장치들을 고안할 수 있다는 것은 이해될 것이다. 또한, 본 명세서에 인용된 모든 예들 및 조건부 언어는 독자가 본 발명의 원리들 및 발명자(들)에 의해 기여받은 개념들을 이해할 수 있도록 교육적 목적으로만 기본적으로 의도되며, 그러한 특별히 인용된 예들 및 조건들로 제한하지 않는 것으로 파악되는 것이다. 또한, 본 발명의 원리들, 특징들 및 실시예들뿐만 아니라 그의 특정 예들을 인용하는 모든 진술들은 본 발명의 구조적 및 기능적 동등물들 모두를 포함하려고 의도된다. 또한, 그러한 동등물들은 현재 알려진 동등물들뿐만 아니라 미래에 개발될 동등물들 모두, 즉, 구조에 상관없이, 동일한 기능을 수행하도록 개발된 어떠한 요소들을 포함하는 것은 의도된 것이다.
따라서, 예를 들면, 본 명세서의 어떠한 블록도들은 본 발명의 원리들을 구 현하는 개념적 도면을 표현한다는 것은 당업자에 의해 이해될 것이다. 유사하게, 어떠한 흐름 차트들, 흐름도들, 상태 이동도들(state transition diagrams), 유사코드(pseudocode) 등은 표현될 필요가 없을 수 있지만, 컴퓨터 판독 가능 매체에서 실질적으로 표현될 수 있으며 컴퓨터 또는 프로세서가 명확히 도시되든지 아니든지 간에 상관 없이, 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 실행될 수 있는 다양한 프로세스들을 표현한다는 것은 이해될 것이다.
청구 범위에서, 특정 기능을 수행하기 위한 수단으로서 표현된 어떠한 요소는 상기 기능을 수행하는 어떠한 방법을 포함하도록 의도된다. 이것은, 예를 들면, a)상기 기능을 수행하는 전기적 또는 기계적 요소들의 조합 또는 b)기능을 수행하기 위한 소프트웨어를 실행하기 위한 적절한 회로뿐만 아니라 소프트웨어 제어 회로에 결합된 임의의 기계적 요소들과 결합된, 펌웨어, 마이크로코드 등을 포함하는 임의의 형태의 소프트웨어를 포함한다. 그러한 청구 범위에 의해 정의된 바와 같이, 본 발명은 다양하게 인용된 수단들에 의해 제공되는 기능들이 청구 범위가 청구하는 방식으로 조합되고 함께 떠올려진다는 사실에 속한다. 따라서, 출원인은 여기에 도시된 것만큼 동등한 기능들을 제공할 수 있는 어떠한 수단들을 고려한다.
본 명세서에서 명확히 지정되지 않는 한, 도면들은 일정한 비율로 도시되지 않는다.
도 1은 탄소 원섬유들 및 탄소 나노튜브 분자들과 같은 탄소 입자들을 정렬된 섬유들로 어셈블링하기 위해 본 발명의 원리들에 따른 예시적인 프로세스의 그래픽 대표도를 도시한다. 정렬된다는 것은, 국소 부근에서 다양한 입자들 각각의 최장축들이 실질적으로 평행하다는 것을 의미한다.
a)비이커(101), b)펌프(103), c)공급 방출구(supply outlet)(105), d)테이퍼링 튜브(107), e)자외선 경화 램프(109), f)도르래(pulley)들(111), g)히터(113), h)꼬기 플랫폼(115), i)히터(117), j)클래딩 애플리케이터(119), 및 k)권취 드럼(121)이 도 1에 도시된다.
탄소 입자들, 예를 들면, 탄소 나노튜브 분자들, 탄소 원섬유들 또는 그의 조합은 비이커(101)에 포함된 자외선 경화 가능 액체에 분산된다. 본 발명의 한 실시예에서, 경화 가능 액체는 자외선의 사용을 통해 적어도 일부분 경화된다. 본 발명의 실시예에서, 자외선 경화 가능 액체는 메타크릴산(methacrylic acid), 안타세일 메탄올(anthaceyl methanol)의 에스테르(ester)(5%)와 메틸메타크릴레이트(methymethacrylate)(95%)의 공중합체(copolymer)이다. 그러한 자외선 경화 가능 액체는 자외선, 예를 들면, 350 nm 광선에서 경화한다. 중합체(polymer)는 그의 유동성(flow property)들을 제어하기 위해 톨루엔 용매(solvent toluene)로 희석될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 자외선 경화 가능 액체는 유나이티드 케미컬 테크놀러지스(United Chemical Technologies)로부터 상업적으로 구할 수 있는 PS2067일 수 있다.
펌프(103)는 경화 가능 액체 내에 분산된 탄소 입자들의 혼합물을 공급 방출구(105)를 통해 비이커(101)로부터 테이퍼링 튜브(107)로 펌핑한다. 테이퍼링 튜브(107)를 통해 유동시킴으로써, 탄소 입자들이 정렬하게 된다. 테이퍼링 튜브(107)는 단일 단위체일 필요는 없으며, 섹션들로 이루어질 수 있고, 섹션들은 다른 물질들로 구성될 수 있다는 것을 주의하라. 테이퍼링 튜브의 길이, 구멍 크기들과 같은 테이퍼링 튜브의 다양한 속성들 및 테이퍼 레이트(taper rate)는 탄소 입자들의 정렬도 및 결과적인 섬유의 최종 속성들에 영향을 준다. 본 발명의 한 실시예에서, 유동 튜브는 5 mm의 입구 지름 및 100 미크론의 방출구 지름을 갖는 20 cm 길이의 석영 튜브이다. 유사하게, 경화 가능 액체 내의 탄소 입자들의 농도 및 유속은 탄소 입자들의 정렬도 및 결과적인 섬유의 최종 속성들에 또한 영향을 준다.
본 발명의 한 실시예에서, 경화 가능 액체의 유동 혼합물은 테이퍼링 튜브의 종단 부근의 자외선 경화 램프(109)로부터의 자외선을 그에 비춤으로써 경화되며, 그에 의해 섬유를 형성한다. 예를 들면, 자외선 경화 램프(109)는 350 nm 광선을 방출하는 500 W 고압 자외선 램프일 수 있다. 경화 단계는 자외선 경화 가능 액체의 유동 혼합물이 여전히 테이퍼링 튜브(107)에 있는 동안에 적어도 일부분 수행될 수 있다. 이 때문에, 테이퍼링 튜브(107)는 약간의 경화를 허용하기 위해 충분한 자외선 양을 통과시키는 적어도 한 섹션을 가질 수 있다. 예를 들면, 테이퍼링 튜브(107)의 부분은 자외선을 투과시키는 비결정질 석영으로 구성될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 자외선 경화 가능 액체의 혼합물이 테이퍼링 튜브(107)를 빠져 나온 후에만 경화가 수행된다. 자외선 이외의 인자들의 적용을 통해 적어도 일부분에서 경화 가능한 액체들이 대안으로 또는 추가적으로 사용될 수 있다는 것은 당업자가 쉽게 이해할 것이다. 그러한 다른 요인들을 적용하기 위한 수단은 자외선 경화 램프(109)를 대체하거나 보충할 수 있다.
테이퍼링 튜브(107)로부터 빠져 나오고 경화된 후에, 결과적인 섬유(110)는, 예를 들면, 관성 또는 중력으로 인해 계속해서 이동할 수 있다. 섬유의 추가 선택 적인 프로세스가 착수될 수 있다.
예를 들면, 섬유는 도르래들(111) 주변에 라우팅되어 히터(113)로 향할 수 있으며, 히터는 응결된 경화 가능 액체 부분의 휘발성 원소들이 섬유로부터 실질적으로 소산되도록 섬유를 열처리한다. 이러한 점에서, 섬유는 실질적으로 탄소만으로 구성된다.
꼬기 플랫폼에 장착된 추가적인 도르래들(111)은 섬유의 밀도를 증가시키도록 섬유를 꼬는데 사용될 수 있다.
그후, 섬유는 선택적 히터(117)로 라우팅될 수 있으며, 히터는 섬유 내의 탄소 입자들을 소결시키기 위해 섬유를 열처리한다. 섬유를 꼰 후에 소결시키는 것이 유리할 수 있는데, 꼬기는 섬유 내의 탄소 입자들이 서로 가깝게 하기 때문이다.
클래딩 애플리케이터(119)는 선택적 클래딩으로 섬유를 코팅할 수 있다. 예를 들면, 전기적 용도들에서의 사용을 위해 비전도 클래딩으로 섬유를 코팅하는 것이 유리할 수 있다. 반면에, 방탄 조끼와 같은 용도의 사용에서, 클래딩을 하지 않는 것이 바람직할 수 있다.
임의의 열처리, 꼬기, 소결 및 클래딩의 여부와 정도는 구현자의 재량이며, 제조될 섬유에 대한 요구되는 속성들에 의존할뿐이라는 것을 주의하라. 그후 최종 섬유는 권취 드럼(121)에 감겨질 수 있다.
이롭게, 실질적으로 임의의 비탄소 불순물로부터 자유로운 정렬된 탄소 입자 섬유들이 생성된다.

Claims (16)

  1. 탄소 입자들을 적어도 하나의 섬유로 어셈블링하기 위한 방법에 있어서:
    상기 탄소 입자들과 경화 가능 액체의 혼합물을 테이퍼링 튜브(tapering tube)의 제 1 종단에서 시작하여 상기 테이퍼링 튜브 아래로 유동시킴으로써 상기 탄소 입자들을 정렬하는 단계; 및
    상기 테이퍼링 튜브의 적어도 제 2 종단 근처에서 상기 유동 혼합물을 경화시키는 단계로서, 그에 의해 섬유가 형성되고, 상기 섬유는 상기 탄소 입자들과, 상기 경화 가능 액체의 고형화된 부분을 포함하는, 상기 경화 단계; 및
    상기 고형화된 부분의 휘발성 원소들이 상기 섬유로부터 소산(dissipate)되도록 상기 섬유를 열처리하는 단계를 포함하는, 탄소 입자 어셈블링 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합물을 형성하기 위해 상기 경화 가능 액체 내에 상기 탄소 입자들을 분산시키는 단계를 더 포함하는, 탄소 입자 어셈블링 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 섬유를 꼬는 단계를 더 포함하는, 탄소 입자 어셈블링 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 섬유의 밀도를 증가시키는 단계를 더 포함하는, 탄소 입자 어셈블링 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 섬유를 열처리하는 단계는, 상기 섬유가 기본적으로 상기 탄소 입자들로 구성되도록 상기 고형화된 부분을 제거하는 단계를 포함하는, 탄소 입자 어셈블링 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 섬유 내의 상기 탄소 입자들 중 적어도 일부를 소결(sintering)시키는 단계를 포함하는, 탄소 입자 어셈블링 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 섬유를 클래딩(cladding)하는 단계를 포함하는, 탄소 입자 어셈블링 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 경화 가능 액체는:
    (i) 메틸메타크릴레이트(methylmethacrylate)와, 메타크릴산(methacrylic acid) 및 안타세일 메탄올(anthaceyl methanol)의 에스테르(ester)의 공중합체(copolymer); 및
    (ii) 실리콘 수지 및 자외선 광에 대한 노출 하에서 상기 수지의 중합반응(polymerization)을 유도할 수 있는 개시제(initiator)를 포함하는 혼합물로 구성되는 그룹의 적어도 하나를 포함하는, 탄소 입자 어셈블링 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소 입자들은:
    (i) 탄소 나노튜브들; 및
    (ii) 적어도 탄소 원섬유들(carbon fibrils)로 구성되는 세트의 적어도 하나를 포함하는, 탄소 입자 어셈블링 방법.
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 경화 단계는 상기 혼합물에 자외선 광을 비춤으로써 적어도 부분적으로 수행되는, 탄소 입자 어셈블링 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 경화 단계는 상기 혼합물이 상기 테이퍼링 튜브에 머무르는 동안에 적어도 부분적으로 수행되는, 탄소 입자 어셈블링 방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 경화 단계는 상기 혼합물이 상기 테이퍼링 튜브로부터 빠져나온 후에 적어도 부분적으로 수행되는, 탄소 입자 어셈블링 방법.
  15. 삭제
  16. 삭제
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