KR101314672B1 - 표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소섬유의 표면에 도금피막을 형성함으로써 탄소섬유의 특성과 도금피막의 특성을 모두 함유하여, 다양한 분야에 유용하게 사용될 수 있도록 탄소섬유를 (-)극으로 하고 Mg, Zn, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, 및 Sb 중에서 선택된 하나의 물질을 (+)극(1)으로 하여 전해질용액(2)에서 직류전원(3)을 공급받아 전기도금되는 전기도금공정을 통해 가공된 표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유 및 그 제조방법{A ELECTROPLATING CARBON FIBER AND THE METHODE}
본 발명은 탄소섬유 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소섬유의 표면에 도금피막을 형성함으로써 탄소섬유의 특성과 도금피막의 특성을 모두 함유하여, 다양한 분야에 유용하게 사용될 수 있는 표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 탄소섬유는 적어도 90% 이상의 탄소로 이루어진 섬유를 칭하는 것으로서, 항공, 레저, 자동차, 조선, 특수산업에 고강도/ 고탄성의 경량화 소재로 활용되고 있다.
이와 같이 적어도 90% 이상의 탄소로 이루어진 탄소섬유는, 제조방법 및 원료에 따라 폴리아크릴로니트릴계(PAN:polyacrylonitrile), 핏치계(Pitch), 레이온계(Rayon) 탄소섬유로 구별되어 진다.
상기와 같은 탄소섬유의 대표적인 특성은 가볍고 강하며 높은 탄성율을 가지는 것으로, 강철에 비해 1/5로 가볍고, 10배 정도 강도가 크다 하겠다.
이러한 탄소섬유는 통상적으로 대략 12,000개의 탄소섬유 가닥들이 꼬여 로프(rope)형태로 보관 및 사용된다.
즉 마이크로(μ) 크기의 탄소섬유 가닥들이 하나의 로프 형태로 꼬여 이루어진다.
그러나 이와 같은 탄소섬유는 단순히 탄소섬유의 고유 성질만 있을 뿐 더욱 유용한 성질을 가지지 못한 문제점이 있었다.
이에 종래에는 탄소섬유를 코어로 하여 그 외주면에 이형물질(예컨데 금속 및 합성 수지계열)을 적층하여 이형물질의 성질을 가지도록 된 것들이 제안되어 있다.
즉 한국공개특허 제10-2009- 51597호에는 탄소섬유를 포함하는 전도성 섬유의 표면에 전해질층과 나노입자 반도체 산화물이 흡착 도포된 것이 개시되어 있다.
그리고, 일본특허제3676265호에는 카본나노튜브 상에 반도체 또는 절연체가 증착되는 것이 기재되어 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 탄소섬유에 이형물질을 도포하는 것들은 단순히 탄소섬유 가닥들이 꼬여 형성된 탄소섬유 집합체의 외주면에 증착 또는 흡착을 통해 이형물질을 적층하는 것으로 이루어져 있어, 탄소섬유의 성질을 증대시키는 것에 한계가 있는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 탄소섬유의 표면에 도금피막을 형성함으로써 탄소섬유의 특성과 도금피막의 특성을 모두 함유하여, 다양한 분야에 유용하게 사용될 수 있는 표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유 및 그 제조방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 최소한의 갯 수로 이루어진 탄소섬유 가닥들의 집합체를 단위로 하여 도금피막을 형성함으로써, 더욱 유용하게 사용될 수 있는 표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유와 그 제조방법을 제공하는 것에 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유는 탄소섬유를 코어(core)로 하여 표면에 Mg, Zn, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, 및 Sb 중에서 선택된 하나의 물질이 전기도금되어 도금피막이 형성된 것으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기한 코어를 구성하는 하나 혹은 최대한 십(十) 단위의 탄소섬유 가닥의 집합체를 단위로 하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유의 제조방법은 탄소섬유를 (-)극으로 하고 Mg, Zn, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, 및 Sb 중에서 선택된 하나의 물질을 (+)극으로 하여 전해질용액에서 직류전원을 공급받아 전기도금되는 전기도금공정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기에서 다수의 탄소섬유 가닥들이 꼬여진 로프형태의 탄소섬유 집합체가 하나 혹은 최대 십수 갯 수의 탄소섬유 가닥들이 꼬여진 로프형태의 탄소섬유 집합체로 분할가공되는 분할공정을 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 분할공정은 탄소섬유 가닥들이 꼬여진 로프형태의 탄소섬유 집합체가 권취된 권취롤에서 풀어져 이송되는 이송단계와, 상기 이송단계를 통해 이송되는 탄소섬유 집합체를 양면에서 가압하여 단면적이 펼쳐지도록 하는 가압단계와, 상기 가압단계를 통해 가압되어 단면적이 펼쳐진 탄소섬유 집합체를 커터를 이용하여 이송되는 길이방향으로 절단하여 다수 개로 분할되면서 이송되는 분할단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기한 가압단계에서 탄소섬유를 양면에서 가압하는 것은 사이 간격을 가지면서 평행하게 위치되며 동력을 전달받아 탄소섬유 집합체를 가압하면서 이송하도록 된 2개 1조의 이송롤러들로 이루어지며, 상기 이송롤러들은 다수 조가 탄소섬유 집합체의 이송방향에 배열되어 탄소섬유 집합체를 점차 더욱 좁은 사이 간격으로 가압하도록 된 것을 특징으로 한다.
상기한 분할단계의 커터는 상기 이송롤러들에 의해 가압된 탄소섬유 집합체를 이송방향의 길이방향에 대하여 직각으로 관통하여 절단하도록 외주면에 칼날이 구비된 원형롤로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기한 원형롤의 외주면에 구비된 칼날은 원형 칼 형태로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기한 원형롤의 외주면에 구비된 칼날은 다수의 침봉으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기한 분할공정에는 분할단계를 통해 그 갯 수가 줄어들도록 분할된 탄소섬유 집합체의 길이를 설정된 길이로 절단하여 그 양단을 펼쳐서 고정하도록 된 절단단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 절단단계는 탄소섬유 집합체들이 순차적으로 적층되어 고정되도록 일측이 개방된 수용홈을 가지는 고정편이 양단에 구비된 고정틀에 탄소섬유 집합체가 고정된 상태에서 절단작업이 이루어지도록 된 것을 특징으로 한다.
상기한 전기도금공정에서 표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유 집합체를 표면처리하도록 사이징(Sizing)하는 사이징공정과, 상기 사이징공정을 통해 표면처리된 탄소섬유 집합체를, 건조로에서 건조하는 건조공정을 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 이루어진 본 발명의 표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유는 고강도, 고탄성의 탄소섬유 고유의 특징과 도금피막을 구성하는 금속의 고유특징을 모두 포함하고 있어, 유용하게 사용되며, 특히 코어를 구성하는 탄소섬유가 한 가닥 혹은 최대 십수 개의 탄소섬유 집합체로 이루어지기 때문에 각 분야에서 더욱 유용하게 이용될 수 있다
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유의 제조방법을 보인 개략 예시도.
도 2는 본 실시예를 구성하는 분할공정을 보인 개략 예시도.
도 3 및 도 4는 본 실시예의 분할공정을 구성하는 가압단계와 절단단계를 ㅂ보인 개략 예시도.
도 5 및 도 6은 본 실시예의 절단단계에 적용되는 원형롤의 일 예들을 보인 개략 예시도.
도 7 및 도 8은 본 실시예의 절단단계에 적용되는 고정틀의 일 예를 보인 개략 예시도.
도 9는 본 실시예를 구성하는 전기도급공정을 보인 예시도.
도 10은 본 실시예를 구성하는 사이징공정을 보인 예시도.
도 11은 본 실시예룰 구성하는 건조공정을 보인 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유 및 그 제조방법을 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 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 1 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유의 제조방법을 보인 도면으로, 본 실시예의 표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유는 탄소섬유를 코어(core)로 하여 표면에 Mg, Zn, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, 및 Sb 중에서 선택된 하나의 물질이 전기도금되어 도금피막이 형성된 것으로 이루어진다.
즉 탄소섬유에 각종 유용한 성질을 가지는 금속을 전기도금 공법을 통해 가공하여 표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유를 제공한다.
따라서 도금피막이 마이크로 단위의 두께로 치밀하게 탄소섬유의 표면에 형성됨은 물론 탄소섬유의 두께가 현저하게 작아도 금속피막이 원활하게 형성된다.
일 예로 상기 코어를 구성하는 탄소섬유를 하나 혹은 십(十) 단위의 탄소섬유 가닥을 단위로 하여 이루어질지라도 원활하게 금속피막을 형성할 수 있다.
즉 통상적으로 관리 및 사용되는 탄소섬유는 수 마이크로의 직경을 가지는 탄소섬유 가닥들이 대략 12,000개가 꼬여져 로프형태 형성된다.
이에 본 실시예에서는 탄소섬유 가닥이 최소 한 개에서 최대 십수 개로 이루어진 탄소섬유 집합체를 대상으로 금속피막을 형성한 것으로, 이는 전기도금을 통해 이루어진다.
이와 같이 본 실시예의 탄소섬유는 탄소섬유를 (-)극으로 하고 Mg, Zn, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, 및 Sb 중에서 선택된 하나의 물질을 (+)극(1)으로 하여 전해질용액(2)에서 직류전원(3)을 공급받아 전기도금되는 전기도금공정을 통해 가공된다.
상기에서 전해질용액(2)은 종래 공지된 구조를 가지는 전기도금조(4)에 담기는 용액으로 통상 도금피막을 형성하는 금속이온이 포함된 용액으로, 도금피막이 은(Ag)일 경우 AgNO3 용액이나 K[Ag(CN)2]용액으로 이루어진다.
그리고, 상기한 전기도금공정에 투입되는 탄소섬유는 다수의 탄소섬유 가닥들이 꼬여진 로프형태의 탄소섬유 집합체가 하나 혹은 최대 십수 갯 수의 탄소섬유 가닥들이 꼬여진 로프형태의 탄소섬유 집합체(F)로 분할가공하는 분할공정을 통해 가공된다.
따라서, 대략 12,000개 이상의 탄소섬유 가닥들이 꼬여져 로프형태 형성된 탄소섬유 집합체(F)를 하나 혹은 최대 십수 갯 수로 분할하여 그 두께를 현저히 줄여 도금피막을 형성함으로써, 더욱 유용하게 사용을 할 수 있다.
상기와 같은 분할공정은 탄소섬유 가닥들이 꼬여진 로프형태의 탄소섬유 집합체(F)가 권취된 권취롤(5)에서 풀어져 이송되는 이송단계와, 상기 이송단계를 통해 이송되는 탄소섬유 집합체(F)를 양면에서 가압하여 단면적이 펼쳐지도록 하는 가압단계와, 상기 가압단계를 통해 가압되어 단면적이 펼쳐진 탄소섬유 집합체(F)를 커터를 이용하여 이송되는 길이방향으로 절단하여 다수 개로 분할되면서 이송되는 분할단계로 이루어진다.
즉 탄소섬유 집합체(F)는 이송과 동시에 가압되고 다수로 분할되도록 절단된다.
상기한 가압단계에서 탄소섬유 집합체(F)를 양면에서 가압하는 것은 사이 간격을 가지면서 평행하게 위치되며 동력을 전달받아 탄소섬유 집합체(F)를 가압하면서 이송하도록 된 2개 1조의 이송롤러(6)들로 이루어지며, 상기 이송롤러(6)들은 다수 조가 탄소섬유 집합체(F)의 이송방향에 배열되어 탄소섬유 집합체(F)를 점차 더욱 좁은 사이 간격으로 가압한다.
따라서, 탄소섬유 집합체(F)들이 이송과 동시에 가압되고 다수로 분할되도록 절단되는 작업들이 반복됨에 따라 최종적으로 탄소섬유 집합체(F)들은 수백 수천으로 분할되어 한 가닥의 탄소섬유 혹은 최대 십수 개의 탄소섬유 가닥들이 고여진 로프 형태의 탄소섬유 집합체(F)로 분할된다.
이와 같은 분할공정에서 상기한 분할단계의 커터는 상기 이송롤러(6)들에 의해 가압된 탄소섬유 집합체(F)를 이송방향의 길이방향에 대하여 직각으로 관통하여 절단하도록 외주면에 칼날이 구비된 원형롤(7)로 이루어지며, 상기 칼날은 원형롤(7)의 외주면에 구비된 원형 칼(8) 형태로 이루어지거나, 상기 원형롤(7)의 외주면에 구비된 다수의 침봉(9)으로 이루어지는 것이 바람직하다.
따라서, 탄소섬유 집합체는 상기 이송롤러(6)들의 사이에 끼여 이송됨과 동시에 가압되어 납작하게 펼쳐진 상테에서 절단되면서 다수 개로 분할이송시키게 된다.
상기에서 커터는 원형롤(7)의 형태로 한정되는 것은 아니며 종래 공지된 다양한 형태로 이루어질 수도 있음을 부언한다.
그리고, 분할단계를 통해 그 갯 수가 줄어들도록 분할된 탄소섬유 집합체(F)는 절단단계를 통해 설정된 길이로 절단된 후, 그 양단을 펼쳐서 고정된다.
즉 길이방향으로 펼쳐 고정된 상태로 상기 전기도금공정으로 투입되어 전기도금된다.
상기의 절단단계에서 탄소섬유 집합체(F)는 종래 공지된 구조를 가지는 절단커터(15)에 의해 절단되는 것이 바람직하다.
이러한 절단단계에서는 탄소섬유 집합체(F)들이 순차적으로 적층되어 고정되도록 일측이 개방된 수용홈(10)을 가지는 고정편(11)이 양단에 구비된 고정틀(12)에 탄소섬유 집합체(F)가 고정된 상태에서 절단작업이 이루어진다.
즉 다수 개로 분할되어 이송되는 탄소섬유 집합체(F)들을 상기 고정틀(12)의 고정편(11)에 연이어 끼운 후, 절단을 하면, 설정된 길이(고정편 간의 사이 간격)로 재단되고, 고정틀(12)을 전기도금공정을 수행하는 전기도금조(4)로 투입하여 작업을 진행하게 된다.
상기와 같이 전기도금공정에서 탄소섬유 집합체(F)들의 표면에 도금피막이 형성되면, 사이징하도록 종래 공지된 구조를 가진 사이징조(13)에서 사이징(Sizing)공정을 통해 표면처리하고, 건조로(14)에서 건조하는 건조공정을 통해 상기 사이징공정에서 표면처리된 탄소섬유 집합체를 건조한 후 별도로 포장하여 보관 및 운반하면 된다.
상기에서 1차 전기도금되어 표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유 혹은 탄소섬유 집합체(F)는 형성된 도금피막과 다른 종류의 금속을 전기도금할 수 있고, 이 경우 탄소섬유 혹은 탄소섬유 집합체(F)의 표면에는 다층구조의 도금피막이 적층되게 형성될 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유 및 그 제조방법의 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. 그러므로 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
1 : (+)극 2 : 전해질용액
3 : 직류전원 4 : 전기도금조
5 : 권취롤 6 : 이송롤러
7 : 원형롤 8 : 원형 칼
9 : 침봉 10 : 수용홈
11 : 고정편 12 : 고정툴
13 : 사이징조 14 ; 건조로
15 : 절단커터

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 탄소섬유를 (-)극으로 하고 Mg, Zn, Cd, Ti, Li, Cu, Al, Ni, Y, Ag, Mn, V, Fe, La, Ta, Nb, Ga, In, S, Se, P, As, Co, Cr, B, N, 및 Sb 중에서 선택된 하나의 물질을 (+)극으로 하여 전해질용액에서 직류전원을 공급받아 전기도금되는 전기도금공정 및
    다수의 탄소섬유 가닥들이 꼬여진 로프형태의 탄소섬유 집합체가 하나 혹은 최대 십(十) 단위위 탄소섬유 가닥들이 꼬여진 로프형태의 탄소섬유 집합체로 분할가공되는 분할공정 포함하고,
    상기한 분할공정은 탄소섬유 가닥들이 꼬여진 로프형태의 탄소섬유 집합체가 권취된 권취롤에서 풀어져 이송되는 이송단계와, 상기 이송단계를 통해 이송되는 탄소섬유 집합체를 양면에서 가압하여 단면적이 펼쳐지도록 하는 가압단계와, 상기 가압단계를 통해 가압되어 단면적이 펼쳐진 탄소섬유 집합체를 커터를 이용하여 이송되는 길이방향으로 절단하여 다수 개로 분할되면서 이송되는 분할단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 3항에 있어서,
    상기한 가압단계에서 탄소섬유를 양면에서 가압하는 것은 사이 간격을 가지면서 평행하게 위치되며 동력을 전달받아 탄소섬유 집합체를 가압하면서 이송하도록 된 2개 1조의 이송롤러들로 이루어지며, 상기 이송롤러들은 다수 조가 탄소섬유 집합체의 이송방향에 배열되어 탄소섬유 집합체를 점차 더욱 좁은 사이 간격으로 가압하도록 된 것을 특징으로 하는 표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기한 분할단계의 커터는 상기 이송롤러들에 의해 가압된 탄소섬유 집합체를 이송방향의 길이방향에 대하여 직각으로 관통하여 절단하도록 외주면에 칼날이 구비된 원형롤로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유의 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기한 원형롤의 외주면에 구비된 칼날은 원형 칼 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유의 제조방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기한 원형롤의 외주면에 구비된 칼날은 다수의 침봉으로 이루어진 것을 특징으로 하는 표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유의 제조방법.
  10. 제 3항에 있어서,
    상기한 분할공정에는 분할단계를 통해 그 갯 수가 줄어들도록 분할된 탄소섬유 집합체의 길이를 설정된 길이로 절단하여 그 양단을 펼쳐서 고정하도록 된 절단단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유의 제조방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기한 절단단계는 탄소섬유 집합체들이 순차적으로 적층되어 고정되도록 일측이 개방된 수용홈을 가지는 고정편이 양단에 구비된 고정틀에 탄소섬유 집합체가 고정된 상태에서 절단작업이 이루어지도록 된 것을 특징으로 하는 표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유의 제조방법.
  12. 제 3항에 있어서,
    상기한 전기도금공정에서 표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유 집합체를 표면처리하도록 사이징(Sizing)하는 사이징공정과, 상기 사이징공정을 통해 표면처리된 탄소섬유 집합체를, 건조로에서 건조하는 건조공정을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 표면에 도금피막이 형성된 탄소섬유의 제조방법.
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