KR101296715B1 - 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마로 생성된 오존으로 탄소섬유를 제조하여 대량생산이 가능한 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 탄소섬유가 산화처리 되는 챔버와, 상기 챔버로 공급되는 가스를 가열하는 가열부재 및 상기 챔버로 오존을 공급하는 오존생성기를 포함하는 것을 특징으로 하는 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치를 제공한다.

Description

오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치{MANUFACTURE APPARATUS FOR CARBON FIBER USING OZONIZER}
본 발명은 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마로 생성된 오존으로 탄소섬유를 제조하여 대량생산이 가능한 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치에 관한 것이다.
일반적으로 탄소섬유(Carbon Fiber)는 유기섬유를 비활성 기체 속에서 가열, 탄화하여 만든 섬유로 금속보다 가벼운 반면에 금속에 비해 탄성과 강도가 뛰어나 스포츠용품, 항공우주산업, 자동차, 토목건축, 전기전자, 통신, 환경산업 등 각 분야의 고성능 산업용 소재로 널리 사용된다.
탄소섬유의 제조방법은 탄소섬유 전구체인 폴리아크릴로 나이트릴(Polyacrylonitrile), 피치(Pitch), 페놀(Phenol)-수지 등을 열용융시켜 용융방사(Melt Spinning) 하거나 용매에 용해시켜 용액방사(Solution spinning, dry, wet, dry/wet spinning)하여 탄소섬유 전구체 유기섬유를 얻는다.
이와 같은 방법으로 얻어진 섬유를 공기분위기하에서 열처리하면서 표면산화반응 시켜 섬유간 융착 내지는 열용융을 방지하여 진공 내지는 불활성 분위기에서 탄소화, 흑연화 또는 활성화하여 탄소섬유 또는 활성탄소섬유를 얻는다.
탄소섬유나 활성탄소섬유의 물성과 탄화수율은 출발 물질(전구물질)의 화학적 구조, 방사방법, 산화안정화, 탄소화, 활성화 공정 등의 각 조건에 의해서 크게 영향을 받는다.
이 중에서 산화안정화 공정은 열가소성 섬유를 열경화성 섬유로 변환시켜 후속하는 고온 탄소화(흑연화), 활성화 공정에서 섬유의 융착 및 열용융을 방지하기 위해 섬유를 표면으로부터 산화 처리하는 과정으로, 산화 안정화 공정을 행하지 않고 직접 탄소화나 활성화를 하면 개환 및 탈수소 등의 발열반응이 급격하게 진행되어 탄화되기보다는 연소가 된다.
산화안정화 공정은 기상산화, 액상산화, 전기화학적 산화 등이 있다. 액체를 이용한 산화법과 전기화학적 산화방법은 화학약품에 의한 처리 후 발생하는 폐수와 장시간의 전기화학적 처리 및 관리비용이 필요하다는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 산화안정화 공정시 최단시간에 공기만을 사용하여 탄소섬유를 제조할 수 있는 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 플라즈마를 통하여 대면적에 오존을 발생할 수 있는 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 생성되는 오존의 양을 자동으로 제어할 수 있는 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 원사의 산화안정화가 효율적으로 될 수 있는 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치를 제공하고자 하는 것이다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일실시 예에 따른 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치는 탄소섬유가 산화처리 되는 챔버와, 상기 챔버로 공급되는 가스를 가열하는 가열부재 및 상기 챔버로 오존을 공급하는 오존생성수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 오존생성수단은 상기 전원공급원과 연결되어 플라즈마 방전을 유도하는 제1전극 및 상기 제1전극에 대응되게 형성되어 접지에 연결되는 2전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 오존생성수단은 챔버 내부에 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1전극은 하부에 단면이 삼각형의 돌출부가 길이방향으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 제1전극의 돌출부의 하단과 제2전극의 사이에서 플라즈마가 발생되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 챔버 내측은 전기적 절연을 위한 절연체가 형성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 오존생성수단은 센서 및 오존생성수단을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 챔버는 가열된 가스가 유입되는 가스유입구 및 유입되는 가스가 배출되는 가스배출구가 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 탄소섬유를 이송하는 탄소섬유이송부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 탄소섬유이송부는 탄소섬유를 상하에서 압착하고, 이송하는 복수개의 롤러로 형성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 롤러는 탄소섬유가 롤러에서 이탈되는 것을 방지하는 이탈방지턱이 형성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 오존생성수단은 챔버의 외부에 형성되어 생성된 오존이 가스공급관을 통해 챔버로 공급되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치는 가열된 산소가 플라즈마에 의해 오존으로 개질되고, 개질된 오존을 이용하여 원사를 산화안정화 시키므로 산화안정화 공정을 최단시간에 대량으로 처리할 수 있으므로 생산효율이 증대되는 이점이 있다.
또한, 다수개의 돌출부를 통하여 플라즈마가 발생되므로 대면적에 오존을 발생시켜 많은 양의 오존을 생성할 수 있는 이점이 있다.
또한, 센서를 통하여 오존생성수단에서 생성되는 오존의 양을 측정하여 오존의 농도가 높으면 제어부가 오존생성수단을 제어하므로 오존생성수단에서 생성되는 오존의 양을 자동으로 제어할 수 있는 이점이 있다.
또한, 꼬아진 원사가 롤러에 의해 가압됨에 따라 해체되어 산화안정화 공정이 진행되므로 꼬아진 상태로 산화안정화가 되는 것에 비해 효율적인 산화안정화가 이루어지는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 일실시예에 의한 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 일실시예에 의한 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치를 나타낸 측단면도.
도 3은 본 발명에 따른 일실시예에 의한 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치를 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 일실시예에 의한 롤러를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 다른 실시예에 의한 롤러가 사용되는 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치를 나타낸 사시도.
도 6는 본 발명에 따른 또 다른 실시예에 의한 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치를 나타낸 측단면도.
도 7은 본 발명에 따른 다른 실시에에 의한 오존생성기를 나타낸 측단면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 일실시예에 의한 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 일실시예에 의한 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치를 나타낸 측단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 일실시예에 의한 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치를 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치는 탄소섬유 제조용 전구체 섬유(C)가 산화처리 되는 챔버(30)와, 상기 챔버(30)로 공급되는 가스를 가열하는 가열부재(10) 및 상기 챔버(30)로 오존을 공급하는 오존생성기(20)를 포함한다.
상기 챔버(30)는 상부 일측에 가열된 가스가 공급되는 가스유입구(32)가 형성되고 상부 타측에는 가스가 배출되는 가스배출구(33)가 형성된다. 또한, 챔버(30)의 양측부에는 입구(34) 및 출구(35)가 개구되어 탄소섬유이송부(40)에 의해 이송되는 탄소섬유가 챔버(30) 내부를 통과하여 배출될 수 있도록 형성된다.
이때, 상기 챔버(30)는 알루미늄, 스테인리스, 구리와 같은 금속 물질로 제작되어 내측은 전기적 절연을 위한 절연체(31)로 형성될 수 있다. 여기서, 절연체(31)는 석영, 세라믹과 같은 전기적 절연 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 챔버(30)는 코팅된 금속 예를 들어, 양극 처리된 알루미늄이나 니켈 도금된 알루미늄으로 제작될 수도 있으며, 탄소나노튜브가 공유 결합된 복합 금속 또는 내화 금속(Refractory metal)로 제작될 수도 있다. 이와 같이 챔버(30)는 플라즈마가 발생되어 탄소섬유의 원사가 산화되기에 적합한 어떠한 물질로도 제작될 수 있다.
한편, 가열부재(10)는 가스유입구(32)에 연결된 가스공급관(90)의 내부에 형성되어 공급되는 산소 가스를 가열하여 챔버(30)의 내부로 공급한다.
이때, 가열부재(10)는 공급되는 가스를 가열하는 것으로 전기히터, 가스히터, 램프히터, 플라즈마히터 중 선택된 어느 하나로 구성될 수 있으며, 가스를 가열할 수 있는 구성이라면 사용자의 선택에 따라 어떠한 구성을 적용하여도 무방한 것이다.
상기 가열부재(10)에 의해 가열된 가스는 챔버(30)로 공급되어 오존생성기(20)에 의해 오존으로 개질된다.
여기서, 상기 오존생성기(20)는 챔버(30) 내부에 형성되는 것으로 플라즈마 방전을 통하여 공급되는 가스를 오존으로 개질시키는 플라즈마 발생기로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 오존생성기(20)의 구성은 전원공급원(50)과 연결되어 플라즈마 방전을 유도하는 제1전극(21) 및 제1전극(21)에 대응되게 형성되어 접지에 연결되는 제2전극(22)을 포함한다.
상기 제1전극(21)은 챔버(30)의 내측 상부에 형성되어 전원공급원(50)에서 공급되는 전원으로 플라즈마를 방전하도록 형성된다. 또한, 제2전극(22)은 제1전극(21)과 마주보도록 챔버(30) 내측 하부에 형성되어 일측이 접지에 연결되도록 형성된다.
상기 제1전극(21)은 하부에 단면이 삼각형의 돌출부(23)가 길이방향으로 형성될 수 있다. 이때, 돌출부(23)의 하단과 제2전극(22)은 소정간격 이격되게 형성되어 돌출부(23)와 제2전극(22) 사이의 좁은 공간에서 플라즈마가 발생된다. 즉, 뾰족하게 형성된 돌출부(23)의 하단과 제2전극(22) 사이의 좁은 공간에서 플라즈마가 발생됨으로써, 높은 밀도의 플라즈마가 발생되므로 짙은 농도의 오존을 생성할 수 있는 효과가 있다.
이때, 상기와 같은 돌출부(23)는 다수개가 형성될 수 있으며, 다수개의 돌출부(23) 사이로 탄소섬유의 원사가 통과되도록 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 오존생성기(20)는 센서(60) 및 오존생성기(20)를 제어하는 제어부(70)를 더 포함한다. 여기서, 센서(60)는 챔버(30) 내부의 오존 농도, 온도 및 내부압력을 측정하는 센서로 형성될 수 있다.
즉, 제어부(70)는 센서(60)에서 측정되는 챔버(30) 내부의 상태에 따라 제1전극(21)에 공급되는 전원을 제어하여 챔버(30) 내부의 오존농도, 온도 및 내부압력을 일정하게 유지되도록 한다.
도 4는 본 발명에 따른 일실시예에 의한 롤러를 나타낸 단면도이다.
상기 챔버(30)의 입구(34) 및 출구(35)에 형성되어 탄소섬유 제조용 전구체 섬유가 챔버(30) 내부에서 산화처리되어 배출되도록 이송하는 탄소섬유이송부(40)는 도 4에서 보는 바와 같이, 탄소섬유의 원사 상하부에 형성되어 탄소섬유의 원사를 압착하여 챔버(30)의 내부로 이송하는 다수개의 롤러로 형성된다. 롤러는 탄소섬유의 원사를 상부에서 가압하는 상부롤러(41)와 하부를 지지하는 하부롤러(42)로 형성된다.
여기서, 상부롤러(41)는 압착되는 탄소섬유의 원사가 상부롤러(41)와 하부롤러(42)의 측부로 이탈되는 것을 방지하기 위하여 양측단에 이탈방지턱(41a)이 형성될 수 있다.
이때, 상기와 같이 형성된 탄소섬유이송부(40)의 상부롤러(41)와 하부롤러(42)는 탄소섬유의 원사의 가닥마다 각각 형성되어 탄소섬유의 원사의 갯수 만큼 형성될 수 있으며, 도 5에서 보는 바와 같이, 한쌍의 긴 롤러 형태로 형성될 수 있다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 일실시예에 의한 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치의 동작을 통하여 탄소섬유가 제조되는 과정을 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 탄소섬유의 원사가 상부롤러(41) 및 하부롤러(42)에 의해 가압되어 챔버(30)의 입구(34)로 진입되면 챔버(30) 상부로 공급되는 산소가 가열부재(10)에 의해 가열되어 챔버(30)의 가스유입구(32)를 통해 내부로 유입된다. 이때, 오존생성수단(20)은 전원공급원(50)으로부터 전원을 공급받아 제1전극(21)의 돌출부(23)와 제2전극(22)사이에서 플라즈마가 발생되며 공급되는 가열된 산소가 플라즈마에 의해 오존으로 개질된다. 개질된 오존으로 탄소섬유의 원사가 산화처리되어 탄소섬유이송부(40)에 의해 출구(35)로 배출되고, 산화처리하고 남은 오존은 배기펌프(80)에 의해 가스배출구(33)로 배출된다.
이때, 탄소섬유의 원사는 다수개의 돌출부(23) 사이로 통과하여 산화 처리되므로 다량의 탄소섬유의 제조가 가능하다.
한편, 센서(60)가 챔버(30) 내부의 오존 농도, 온도 및 내부압력을 측정하고. 센서(60)에 의해 측정되는 챔버(30)의 내부 상태(오존농도, 온도 및 내부압력)에 따라 제어부(70)는 제1전극(21)에 공급되는 전원을 제어하여 챔버(30) 내부의 오존농도, 온도 및 내부압력을 일정하게 유지되도록 하므로 효율적인 산화처리가 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치는 플라즈마에 의해 개질되는 오존으로 산화 처리하여 탄소섬유를 제조하므로 대량의 탄소섬유를 빠르게 제조할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 다른 실시예에 의한 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치를 나타낸 측단면도이다.
도 6에서 보는 바와 같이, 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치는 오존생성기(20)가 챔버(30)의 외부에 형성되어 생성된 오존이 챔버(30)의 내부로 공급되어 탄소섬유의 원사를 산화처리 되도록 형성될 수 있다.
오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치는 탄소섬유의 원사가 산화처리되는 챔버(30)와, 챔버(30)의 상부 일측에 형성되어 오존을 생성하는 오존생성기(20)와, 생성된 오존과 공급되는 가스를 가열하는 가열부재(10)를 포함한다.
상기와 같이 구성된 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치는 오존생성기(20)에서 생성된 오존과 공급되는 가스가 가열부재(10)에 의해 가열되어 챔버(30) 내부로 공급되고, 탄소섬유이송부(40)의 상부롤러(41)와 하부롤러(42)에 의해 통과하는 탄소섬유의 원사를 산화처리 하게 된다.
이때, 오존생성기(20)은 통상의 구조를 가지는 오존생성기로 형성될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 다른 실시예에 의한 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치를 보인 도면으로서, 본 실시예의 탄소섬유 제조장치에서 상기한 오존생성수단(20)은 플라즈마 방전을 이용하여 오존을 생성할 수 있다.
여기서, 오존생성기(20)는 챔버(30)의 상부 일측으로 오존을 공급하는 가스공급관(90) 내부에 형성된다.
상기 가스공급관(90)은 공급되는 가스를 가열하는 가열부재(10)가 형성되고, 가열된 가스에 플라즈마를 방전하는 오존생성기(20)가 형성된다. 오존생성기(20)는 단면이 삼각형의 제1전극(22) 및 제2전극(21)으로 구성된다. 이때, 제1전극(22)은 전원공급원(50)에 연결되어 전원을 공급받아 플라즈마 방전을 유도하고 제2전극(21)은 접지에 연결된다.
상기 오존생성기(20)에서 생성된 오존은 가스공급관(90)을 통해 챔버(30)의 내부로 공급되어 탄소섬유의 원사를 산화처리하고 배기펌프(80)에 의해 챔버(30)의 상부 타측에 연결된 가스배출관(92)으로 배출된다. 이때, 가스배출관(92)과 가스공급관(90)이 연통되도록 형성되어 가스배출관(92)을 통해 배출되는 가스 중 일부는 다시 가열부재(10)와 오존생성기(20)를 통과해 오존으로 개질되어 챔버(30)로 공급되고, 남은 가스는 배기펌프(80)에 의해 가스배출관(92)의 외부로 배출된다.
여기서, 가스공급관(90)에 가스가 유입되는 부위에는 유입되는 가스를 가열부재(10)로 안내하고, 가스배출관(92)을 통해 배출되는 가스 중 일부만을 가열부재(10)로 안내하는 가스안내막(91)이 형성될 수 있다.
이상에서 본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 요지 또는 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 본 발명이 다양하게 개량 및 변경될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10 : 가열부재 20 : 오존생성기
21 : 제1전극 22 : 제2전극
23 : 돌출부 30 : 챔버
31 : 절연체 32 : 가스유입구
33 : 가스배출구 34 : 입구
35 : 출구 40 : 탄소섬유이송부
41 : 상부롤러 41a : 이탈방지턱
42 : 하부롤러 50 : 전원공급원
60 : 센서 70 ; 제어부
80 : 배기펌프 90 : 가스공급관
91 : 가스안내막 92 : 가스배출관

Claims (12)

  1. 탄소섬유 제조용 전구체 섬유가 산화처리 되는 챔버(30)와;
    상기 챔버(30)로 공급되는 가스를 가열하는 가열부재(10)와;
    상기 챔버(30)로 오존을 공급하는 오존생성기(20)로 구성된 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치에 있어서,
    상기 오존생성기(20)는 전원공급원(50)과 연결되어 플라즈마 방전을 유도하는 제1전극(21)과;
    상기 제1전극(21)에 대응되게 형성되어 접지에 연결되는 제2전극(22)을 포함하는 것을 특징으로 하는 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 오존생성기(20)은 챔버(30) 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극(21)은 하부에 단면이 삼각형의 돌출부(23)가 길이방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1전극(21)의 돌출부(23)와 제2전극(22)의 사이에서 플라즈마가 발생되는 것을 특징으로 하는 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 챔버(30) 내측면은 전기적 절연을 위한 절연체(31)가 형성되는 것을 특징으로 하는 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 오존생성기(20)는 센서(60) 및 오존생성기(20)를 제어하는 제어부(70)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 챔버(30)는 가열된 가스가 유입되는 가스유입구(32)와;
    유입되는 가스가 배출되는 가스배출구(33)가 형성되는 것을 특징으로 하는 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유제조용 전구체 섬유를 상하에서 압착하고, 이송하는 복수개의 상부롤러(41)와 하부롤러(42)가 구비된 탄소섬유이송부(40)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 상부롤러(41)는 탄소섬유제조용 전구체 섬유가 상부롤러(41)에서 이탈되는 것을 방지하는 이탈방지턱(41a)이 형성되는 것을 특징으로 하는 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치.
  12. 삭제
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