KR101236199B1 - 탄소섬유 가공장치 - Google Patents

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KR101236199B1
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Abstract

본 발명은 탄소섬유 가공장치에 관한 것이다. 본 발명의 탄소섬유 가공장치는 전원 공급원에 연결되어 전원을 공급받는 제1 전극; 및 상기 제1 전극과 병렬로 구비되어 접지로 연결되는 제2 전극을 포함하여 탄소섬유가 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 접촉되면서 발열되어 열처리된다. 본 발명의 탄소섬유 가공장치에 의하면, 전위차를 갖는 전극을 이용한 탄소섬유를 발열시켜 열처리할 수 있다. 또한 탄소섬유를 저온에서부터 고온까지 순차적으로 발열시켜 열처리할 수 있다. 또한 하나의 탄소섬유 가공장치로 저기압 또는 대기압에서 전구체 섬유의 열처리가 가능하다.

Description

탄소섬유 가공장치{APPARATUS FOR MAUNFACTURING CARBON FIBER}
본 발명은 탄소섬유 가공장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전극을 이용하여 탄소섬유를 열처리하는 탄소섬유 가공장치에 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 탄소섬유를 가공할 수 있는 탄소섬유 가공장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 단순한 구조의 가공장치를 구비하여 탄소섬유의 가공 비용을 낮출 수 있는 탄소섬유 가공장치를 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 탄소섬유 가공장치에 관한 것이다. 본 발명의 탄소섬유 가공장치는 전원 공급원에 연결되어 전원을 공급받는 제1 전극; 및 상기 제1 전극과 병렬로 구비되어 접지로 연결되는 제2 전극을 포함하여 탄소섬유가 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 접촉되면서 발열되어 열처리된다.
일 실시예에 있어서, 다수 개의 상기 제1 전극과 다수 개의 상기 제2 전극이 각각 교대적으로 배열된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극은 제1 상부전극과 제1 하부전극을 포함하여 상기 탄소섬유가 상기 제1 상부전극과 상기 제1 하부전극 사이에 접촉된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 전극은 제2 상부전극과 제2 하부전극을 포함하여 상기 탄소섬유가 상기 제2 상부전극과 상기 제2 하부전극 사이에 접촉된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에서 상기 탄소섬유와 접촉되는 면에 하나 이상의 절연구간을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 다수 개의 제1 전극에는 서로 다른 크기의 전압이 인가된다.
일 실시예에 있어서, 상기 탄소섬유가 이동하는 방향으로 갈수록 상기 다수 개의 제1 전극에 인가되는 전압의 크기가 커진다.
일 실시예에 있어서, 상기 탄소섬유를 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 접촉하면서 이동시키기 위한 이동 메커니즘을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 내부에 설치되는 챔버를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 챔버 내부로 가스를 제공하기 위한 가스 유입구; 및 상기 가스 유입구로 제공된 가스를 균일하게 분배하기 위한 가스 분배판을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 챔버 내부의 가스를 외부로 배출시키기 위한 가스 배기구; 및
상기 가스 배기구로 배출되는 가스를 균일하게 배출하기 위한 가스 배기판을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 가스 배기구는 상기 챔버 내부의 가스를 외부로 배출시키기 위한 배기펌프가 연결된다.
본 발명의 탄소섬유 가공장치에 의하면, 전위차를 갖는 전극을 이용한 탄소섬유를 발열시켜 열처리할 수 있다. 또한 탄소섬유를 저온에서부터 고온까지 순차적으로 발열시켜 열처리할 수 있다. 또한 하나의 탄소섬유 가공장치로 저기압 또는 대기압에서 전구체 섬유의 열처리가 가능하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소섬유 가공장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소섬유 가공장치를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소섬유 가공장치에 서로 다른 크기의 전압이 인가되는 것을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소섬유 가공장치에서 제1, 2 전극에 절연구간이 구비된 것을 나타내는 도면이다.
도 5는 다양한 형상의 절연구간이 구비된 제1, 2 전극을 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 바람직한 또다른 실시예에 따른 탄소섬유 가공장치를 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 실시예에 따른 탄소섬유 가공장치를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소섬유 가공장치를 도시한 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소섬유 가공장치(100)는 다수 개의 전극(110, 120, 130, 140, 150)이 병렬로 배치되어 구성된다. 이때, 다수 개의 전극(110, 120, 130, 140, 150)은 전원 공급원(126)과 접지에 교대적으로 연결되어 다수 개의 전극(110, 120, 130, 140, 150) 사이에서 전도구간이 발생한다. 탄소섬유(170)는 다수 개의 전극(110, 120, 130, 140, 150)에 접촉되도록 구비되어 전도구간에서 탄소섬유가 발열되어 열처리된다.
다수 개의 전극, 즉 제1, 2, 3, 4, 5 전극(110, 120, 130, 140, 150)은 병렬로 배치된다. 이때, 제1, 3, 5 전극(110, 130, 150)은 접지로 연결되고, 제2, 4 전극(120, 140)은 전원 공급원(126)에 연결되어 전력을 공급받는다. 그러므로 제1, 3, 5 전극(110, 130, 150)과 제2, 4 전극(120, 140) 사이의 전도구간에서 전위차가 발생한다. 이때, 탄소섬유(170)를 제1, 2, 3, 4, 5 전극(110, 120, 130, 140, 150)에 접하도록 하면 전도구간에서 탄소섬유(170)가 발열되면서 열처리가 이루어진다. 여기서, 전원 공급원(126)은 교류 전원(126a)과 직류 전원(126b)을 포함하여 선택적으로 전극에 연결될 수 있다.
제2, 4 전극(120, 140)에 각각 연결된 전원 공급원(126)은 동일한 전압의 전력을 제공할 수도 있고, 서로 다른 전압의 전력을 제공할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 탄소섬유(170)를 이동시키기 위한 메커니즘으로 제1 전극(110)과 제5 전극(150)에 탄소섬유(170)를 권선하여 탄소섬유(170)를 일방향으로 이동시킬 수 있다. 이때 제1, 5 전극(110, 150)은 접지로 연결되어 있으므로 탄소섬유(170)가 손상되지 않는다. 예를 들어, 제1 전극(110)에는 열처리가 이루어지지 않은 탄소섬유(170)가 권선되고, 제2, 3, 4 전극(120, 130, 140)에 접촉되어 열처리가 이루어진 탄소섬유(170)는 제5 전극(150)에 권선된다.
또한 제2, 3, 4 전극(120, 130, 140)은 각각 상부 전극과 하부전극으로 구성되어 탄소섬유(170)를 이동시키면서 열처리할 수 있다. 즉, 제2 전극(120)은 제2 상부전극(122)과 제2 하부 전극(124)으로 구성되고, 제3 전극(130)은 제3 상부전극(132)과 제3 하부전극(134)으로 구성되고, 제4 전극(140)은 제4 상부전극(142)과 제4 하부전극(144)으로 구성된다. 탄소섬유(170)는 제2, 3, 4 상부전극(122, 132, 142)과 제2, 3, 4 하부전극(124, 134, 144) 사이에 접촉되면서 이동된다. 여기서, 제2, 3, 4 전극(120, 130, 140)은 각각의 상부전극 및 하부전극이 회전하면서 탄소섬유(170)를 이동시킨다.
또한 제2, 3, 4 전극(120, 130, 140)에는 하나 이상의 절연체로 이루어진 절연구간을 갖는다. 본 발명의 실시예에서는 상, 하부로 분리된 제2, 3, 4 전극(120, 130, 140)에 각각 절연체(122a, 124a, 132a, 134a, 142a, 144a)가 구비된다. 이에 관해서는 하기에서 상세하게 설명한다.
본 발명의 탄소섬유 가공장치(100)는 챔버(200) 내부에 구비될 수도 있다. 이때, 챔버(200)는 일측에 가스 유입구(202)와 타측에 가스 배출구(204)가 구비된다. 가스 유입구(202)는 가스 공급원(201)에 연결되어 가스 공급원(201)으로부터 가스를 제공받는다. 예를 들어, 챔버(200) 내부로 가스 공급원(201)으로부터 질소와 같은 불활성 가스를 제공하여 탄소섬유(170)의 발열이 과도하게 발생되어 탄소섬유(170)가 산화되는 것을 방지한다. 또한 처리가 완료된 가스는 배기펌프(205)가 연결된 가스 배출구(204)를 통해 챔버(200) 외부로 배출될 수 있다. 가스를 배출시킴으로써 챔버(200) 내부의 분위기를 조절할 수 있다. 그러므로 챔버(200)는 저기압 또는 대기압 중에서 선택적으로 탄소섬유(170)를 처리할 수 있다. 이때, 챔버(200) 내부에는 다수 개의 가스 분사홀(206a)이 구비된 가스 분배판(206)이 설치되어 챔버(200) 내부로 유입된 가스를 균일하게 분배한다. 또한 챔버(200) 내부에는 다수 개의 가스 배기홀(208a)이 구비된 가스 배기판(208)이 설치되어 챔버(200) 외부로 처리 완료된 가스를 균일하게 배출한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제2, 4 전극(120, 140)에 서로 다른 전압을 제공할 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(120)에는 V1의 전압을 제공하고, 제4 전극(140)에는 V2의 전압을 제공할 수 있다. 이때, 전압 V1은 전압 V2보다 클 수도 있고, 작을 수도 있다. 이렇듯 다수 개의 전극에 서로 다른 전압을 제공하면 접지로 연결된 전극과의 사이에 형성되는 전도구간에서 탄소섬유(170)의 발열 온도가 각각 다르게 된다. 여기서, 탄소섬유(170)가 일방향으로 이동될 때 다수 개의 전극에 서로 다른 전압을 제공함으로써 탄소섬유(170)가 이동하면서 순차적으로 낮은 온도에서 높은 온도로 발열되어 열처리될 수 있도록 조절할 수도 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제2, 3, 4 전극(120, 130, 140)에는 각각 하나 이상의 절연구간이 구비된다. 제2 전극(120)을 예를 들어 설명하면, 제2 상부전극(122)과 제2 하부전극(124)에는 각각 하나 이상의 절연체(122a, 124a)가 소정의 간격으로 구비된다. 절연체(122a, 124a)는 탄소섬유(170)와 접촉되도록 전극에 구비된다. 여기서, 제2 상부전극(122)과 제2 하부전극(124)이 회전하면 탄소섬유(170)가 일방향으로 이동되면서 발열되는데, 이때 전극에 구비된 절연체(122a, 124a) 구간에서는 발열이 발생되지 않는다. 즉, 탄소섬유(170)를 연속적으로 열처리하지 않고 부분적으로 열처리할 수 있다. 그러므로 절연체(122a, 124a)와 탄소섬유(170)가 접촉되는 정도를 조절하여 탄소섬유(170)의 열처리 정도를 조절할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 다양한 형태로 전극(500a, 500b, 500c)에 절연체(510a, 510b)가 구비될 수 있다. (a)와 (b)에 도시된 바와 같이, 탄소섬유(170)와 접촉되는 면적을 달리한 다수 개의 절연체(510a, 510b)가 전극(500a, 500b)에 구비될 수 있다. 또한 (c)에 도시된 바와 같이, 전극(500c)에 절연체가 구비되지 않을 수도 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 하나의 전극(620)으로 전원을 인가하고, 양측으로는 접지로 연결된 전극(610, 630)을 구비하여 탄소섬유(170)를 열처리할 수 있다. 예를 들어, 제2 전극(620)에 전원 공급원(126)이 연결되어 제2 전극(620)으로 전원을 공급하고, 접지로 연결된 제1, 3 전극(610, 630)이 제2 전극(620)의 양측에 배치된다. 이때, 전원 공급원(126)에 연결된 제2 전극(620)은 제2 상부전극(622)과 제2 하부전극(624)으로 구성되고, 각각은 절연체(622a, 624a)가 구비된다.
또한 도 7에 도시된 바와 같이, 전원 공급원(126)에 연결된 제2 전극(720)의 양측으로 접지로 연결된 제1, 3 전극(710, 730)이 구비된다. 여기서, 접지로 연결된 제1, 3 전극(710, 730)도 제1 상부, 하부전극(712, 714)과 제3 상부, 하부전극(732, 734)으로 구성되어 상부전극과 하부전극 사이로 탄소섬유(170)가 이동된다. 이때, 전원 공급원(126)에 연결된 제2 전극(720)은 제2 상부전극(722)과 제2 하부전극(724)으로 구성되고, 각각은 절연체(722a, 724a)가 구비된다. 탄소섬유(170)는 일단과 타단이 각각 롤러(702, 704)에 권선된다.
이상에서 설명된 본 발명의 탄소섬유 가공장치의 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: 탄소섬유 가공장치 110, 610, 710: 제1 전극
120, 620, 720: 제2 전극 122: 제2 상부전극
122a, 124a: 절연체 124: 제2 하부전극
126: 전원공급원 126a: 교류전원
126b: 직류전원 130, 630, 730: 제3 전극
132: 제3 상부전극 132a, 134a: 절연체
134: 제3 하부전극 140: 제4 전극
142: 제4 상부전극 142a, 144a: 절연체
144: 제4 하부전극 150: 제5 전극
170: 탄소섬유 200: 챔버
201: 가스 공급원 202: 가스 유입구
204: 가스 배출구 205: 배기펌프
206: 가스 분배판 206a: 가스 분사홀
208: 가스 배기판 208a: 가스 배기홀
500a, 500b, 500c: 전극 510a, 510b: 절연체
622, 624, 722, 724: 제2 상, 하부전극 622a, 624a, 722a, 724a: 절연체
702, 704: 롤러 712, 714: 제1 상, 하부전극
732, 734: 제3 상, 하부전극

Claims (14)

  1. 전원 공급원에 연결되어 전원을 공급받는 제1 전극; 및
    상기 제1 전극과 병렬로 구비되어 접지로 연결되는 제2 전극을 포함하여 탄소섬유가 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 접촉되면서 발열 되어 열처리 되며,
    상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 중 어느 하나는 상기 탄소섬유와 접촉되는 면에 하나 이상의 절연 구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 가공장치.
  2. 제1항에 있어서,
    다수 개의 상기 제1 전극과 다수 개의 상기 제2 전극이 각각 교대적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 가공장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극은 제1 상부전극과 제1 하부전극을 포함하여 상기 탄소섬유가 상기 제1 상부전극과 상기 제1 하부전극 사이에 접촉되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 가공장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 제2 상부전극과 제2 하부전극을 포함하여 상기 탄소섬유가 상기 제2 상부전극과 상기 제2 하부전극 사이에 접촉되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 가공장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에서 상기 탄소섬유와 접촉되는 면에 하나 이상의 절연구간을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 가공장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 다수 개의 제1 전극에는 서로 다른 크기의 전압이 인가되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 가공장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 탄소섬유가 이동하는 방향으로 갈수록 상기 다수 개의 제1 전극에 인가되는 전압의 크기가 커지는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 가공장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유를 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 접촉하면서 이동시키기 위한 이동 메커니즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 가공장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 내부에 설치되는 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 가공장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 챔버 내부로 가스를 제공하기 위한 가스 유입구; 및
    상기 가스 유입구로 제공된 가스를 균일하게 분배하기 위한 가스 분배판을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 가공장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 챔버 내부의 가스를 외부로 배출시키기 위한 가스 배출구; 및
    상기 가스 배출구로 배출되는 가스를 균일하게 배출하기 위한 가스 배기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 가공장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 가스 배출구는 상기 챔버 내부의 가스를 외부로 배출시키기 위한 배기펌프가 연결된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 가공장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 전원 공급원은 교류 전원 공급원으로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 가공장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 전원 공급원은 직류 전원 공급원 공급원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 가공장치.
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