KR101385310B1 - 복합재료 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 분산매가 공급되는 제1주입관, 분산질이 공급되는 제2주입관, 분산매와 분산질이 혼합되어 배출되는 토출관이 구비되는 저장부와, 토출관에서 분산매와 분산질이 혼합될 수 있도록 제2주입관 내에서 액상의 자유표면을 아래로 향하게 하는 자유표면 반전부를 포함한다.

Description

복합재료 제조장치 {MANUFACTURING APPARATUS FOR COMPOSITE METARIAL}

본 발명은 복합재료 제조장치에 관한 것으로서, 특히, 비중이 가벼운 분산질을 상대적으로 비중이 무거운 분산매 내부에 연속으로 균일하게 분산시킬 수 있는 복합재료 제조장치에 관한 것이다.

산업기술이 발달함에 따라 소재에 요구되는 특성이 점점 다양화되어 소재 자체의 물성만으로는 요구 특성을 만족하기 어려워 재료의 복합화에 대한 개발요구가 증대되어가고 있다.

일찍부터 열교환기나 히트 싱크 소재로는 동 및 알루미늄이 널리 이용되어 왔었는데 최근 장치의 고기능, 고효율화로 에너지밀도가 높아져 방열소재에 대해서도 경량화, 고강도화는 물론 더욱 높은 열전도도가 요구되고 있다.

경량재료인 알루미늄이 일찍부터 이러한 방열 재료로 주목받아 왔는데 방열용 구조재료로서 적당한 기계적 성질을 얻기 위해서는 합금화가 불가피하며 합금화 는 알루미늄 소재의 가공성이나 기계적 특성은 향상시킬 수 있지만 합금화로 인한 열 및 전기전도성의 저하를 피할 수 없다.

따라서 기계적 성질과 열전도도 및 전기전도도를 동시에 개선하기 위해서는 종래의 야금학적인 방법이 아닌 열 및 전기적 특성이 알루미늄 보다 우수한 탄소나노튜브와 같은 나노물질과 복합화 함으로서 나노물질의 열 및 전기적 성질을 활용함과 동시에 분산강화에 의한 구조재의 기계적 성질의 개선하려는 기술이 대두되었다.

이와 같은 복합재료 제조방법으로는 일찍부터 분말야금법이 널리 쓰여 왔고 탄소나노튜브의 복합화에도 분말야금법이 적용되어 일정부분 성과를 보였다. 그러나 분말야금법은 복합재료의 수요증대에 대응하기에는 경제성과 스케일 업에 문제가 있어 주조법에 의한 복합화 기술에 관심이 모아지고 있다.

탄소나노튜브-알루미늄 복합재료를 통상의 주조법으로 제작하고자 할 경우 분산질인 탄소나노튜브를 분산매인 알루미늄 용탕에 침지시켜야 하는 문제를 우선적으로 해결하여야 하는데 탄소나노튜브-알루미늄계 복합재료에서는 분산질의 비중이 분산매 보다 적어 부력으로 인해 침지가 어렵다.

본 발명은 이와 같이 탄소나노튜브-알루미늄계 복합재료와 같이 분산질이 분산매 보다 가벼운 재료의 복합화에 관한 기술이다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 10-2010-0008733호(2010년 1월 26일 공개, 발명의 명칭 : 공유 결합 탄소나노튜브를 갖는 복합 소재로 구성된 히트싱크)에 개시되어 있다.

일반적인 탄소나노튜브는 알루미늄과 비교하여 비중이 가볍고 알루미늄에 대한 분산성이 낮기 때문에 알루미늄 용탕 중에 쉽게 혼입되지 않아 분말야금법이나 알루미늄박에 탄소나노튜브를 적층시키는 기술이 사용되므로 알루미늄 탄소나노튜브 복합소재를 양산하기 어려운 문제점이 있다.

따라서 이를 개선할 필요성이 요청된다.

본 발명은 비중이 가벼운 분산질을 상대적으로 비중이 무거운 분산매 내부에 균일하게 분산시킬 수 있는 복합재료 제조장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은, 분산매가 공급되는 제1주입관과 분산질이 공급되는 제2주입관과 분산매와 분산질이 혼합되어 배출되는 토출관이 구비되는 저장부; 및 상기 토출관에서 분산매와 분산질이 혼합될 수 있도록 상기 제2주입관 내에서 액상의 자유표면을 아래로 향하게 하는 자유표면 반전부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 저장부는 'ㅁ' 모양의 관재로 이루어지고, 상기 토출관은 상기 저장부로부터 상측으로 연장되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 자유표면 반전부는, 상기 저장부 내부에 유도전류를 공급하는 코일; 및 상기 제2주입관과 상기 토출관의 연결부위에 설치되는 전자석을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 전자석은 상기 코일의 유도전류의 방향과 직교되는 방향으로 자기장이 형성되도록 설치하여 로렌츠 힘을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, 상기 토출관에 설치되고 복합 소재를 냉각시키는 냉각부; 및 상기 냉각부에서 배출되는 복합 소재를 상측으로 당기는 인출부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 복합소재 제조장치는 중력장 내에서 비중이 가벼운 분산질을 비중이 무거운 분산매의 하부에서 공급함으로써, 분산질이 분산매의 상부로 부력에 의해 함침되어 자연스럽게 이동함으로서 분산질이 고르게 분포된 복합 소재를 용이하게 제조할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 복합 소재 제조장치는 분산매 내부에 분산질이 고르게 분산된 용탕을 상측으로 이동시키면서 연속적으로 냉각, 응고시키며 배출하므로 복합소재를 양산할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재 제조장치가 도시된 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재 제조장치가 도시된 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재 제조장치가 도시된 측면도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 복합소재 제조장치의 일 실시예를 설명한다.

이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다.

그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재 제조장치가 도시된 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재 제조장치가 도시된 정면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재 제조장치가 도시된 측면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합소재 제조장치는, 분산매가 공급되는 제1주입관(12), 분산질이 공급되는 제2주입관(14), 제2주입관(14) 내부에서 액체의 자유표면이 아래로 향하게 하는 자유표면 반전부(30) 및 분산매와 분산질이 혼합되어 배출되는 토출관(16)이 구비되는 저장부(10)와, 토출관(16)에서 분산매와 분산질이 혼합되어 이루어지는 복합소재를 인출하는 인출부(70)를 포함한다.

또한, 자유표면 반전부(30)는, 저장부(10) 내부에 유도전류를 공급하는 코일(34)과, 제2주입관(14)과 토출관(16)의 연결부에 로렌츠 힘을 발생시키기 위해 설치되는 전자석(32)을 포함한다.

저장부(10)는 'ㅁ'또는'0'모양의 폐회로형 관재로 이루어지고 제1주입관(12) 및 토출관(16)은 상측으로 연장되며, 제2주입관(14)은 하측으로 연장된다.

저장부(10)에는 관내 분산매의 온도를 측정하기 위한 한 개 이상의 열전대 등의 온도계(11)가 적당한 위치에 부착되어 있다.

코일(34)은 저장부(10)가 관통하는 모양으로 이루어지며, 필요에 따라 한 개 이상의 코일(34)이 폐회로 관재의 적당한 위치에 설치될 수 있다.

전자석(32)은 토출관(16)과 저장부(10)의 연결부위에 코일(34)의 유도전류의 방향과 직교되는 방향으로 자기장이 형성되도록 설치되고, 로렌츠 힘이 토출관(16) 방향으로 작용하도록 자극이 배치된다.

또한, 본 실시예는, 토출관(16)을 따라 상승되는 분산매와 분산질이 혼합된 복합소재를 냉각시키는 냉각부(50)와, 냉각부(50)로부터 응고된 복합소재를 끌어당기는 인출부(70)를 더 포함한다.

냉각부(50)는 수냉이나 공냉 또는 복합냉각방식이어도 무방하며 냉각부(50)에는 응고계면의 위치를 파악하기 위한 열전대 등의 응고계면온도계(51)가 설치된다.

인출부(70)는 작업성과 냉각조건을 고려하여 냉각부(50)와 적당한 거리를 두고 냉각부(50)의 상단에 설치된다.

인출부(70)는 냉각부(50)에서 응고된 복합 소재를 상측으로 끌어당기는 배출롤러(72)를 포함한다.

배출롤러(72)는 인출작업을 효율적으로 수행하기 위해 한 쌍 이상으로 배치할 수도 있다.

여기서, 분산매는 가열되어 용탕으로 공급될 수 있는 구리, 알루미늄, 철, 스테인레스강 등의 금속소재를 포함하고, 분산질은 탄소나노튜브와 같은 탄소질 물질, 금속산화물, 세라믹 재료 등을 포함하여 이루어진다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄-탄소나노튜브 복합소재 제조장치의 동작을 살펴보면 다음과 같다.

제2주입관(14)을 닫은 상태에서 제1주입관(12)을 통해 알루미늄 용탕을 주입하고, 코일(34)에 통전하면 용탕 내에는 유도전류가 흘러서 용탕이 가열된다.

용탕의 온도가 적정온도에 도달하면 전자석(32)에 통전한다. 이로 인해 토출관(16)과 제2주입관(14) 사이에는 토출관(16)방향으로 로렌츠 힘이 발생하는데, 이 힘의 크기가 용탕의 정압과 같아지면 제2주입관(14)을 열어도 용탕은 아래로 쏟아지지 않게 된다.

따라서 저장부(10)의 제2주입관(14) 입구의 알루미늄 용탕액면이 지면을 향하는 반전된 자유표면이 형성된다.

이때부터 제2주입관(14)을 통하여 탄소나노튜브를 알루미늄 용탕 중으로 공급할 수 있게 된다.

저장부(10) 내의 용탕온도는 열전대 등의 용탕온도계(11)로 계측하여 코일(34)에 가해지는 전류를 제어함으로서 일정하게 유지할 수 있고, 로렌츠 힘의 크기는 코일(34)로부터 유도되는 유도전류의 전류값과 자력의 곱에 비례하므로 저장부(10) 내부의 용탕 온도에 따라 전자석(32)에 가해지는 전류치를 반비례 제어함으로써 로렌츠 힘도 일정하게 유지할 수 있게 된다.

토출관(16)을 따라 올라오는 알루미늄의 량은 인출부(70)가 끌어 올리는 복합 소재의 량에 비례하므로 저장부(10)를 따라 수평방향으로 이동하여 토출관(16)을 따라 상승하면서 제2주입관(14)을 통해 공급되는 탄소나노튜브와 혼합된다.

탄소나노튜브는 용탕의 반전 자유표면을 통해 주입되므로 통상의 중력계에서와는 반대로 탄소나노튜브의 부력 작용에 의해 알루미늄 용탕의 내부를 자연스럽게 상승하고 냉각부(50) 중간 위치에서 형성되고 있는 응고계면에 고착된다.

냉각부(50)의 온도를 열전대 등의 응고계면온도계(51)로 읽어 응고계면의 위치를 파악하고, 인출부(70)의 인출속도와 탄소나노튜브 주입량을 연동하여 일정하게 제어하고 유지한다.

따라서 조업의 안정화와 알루미늄 용탕의 응고계면에 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 탄소나노튜브-알루미늄 복합소재를 얻을 수 있게 된다.

상기한 바와 같은 작동을 연속하여 진행하면 알루미늄 탄소나노튜브 복합 소재를 연속하여 생산하는 양산작업을 행할 수 있게 된다.

이로써, 비중이 가벼운 분산질을 상대적으로 비중이 무거운 분산매 내부에 균일하게 분산시킬 수 있는 복합재료 제조장치를 제공할 수 있게 된다.

본 발명은 도면에 도시되는 일 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

또한, 알루미늄 탄소나노튜브 복합 소재 제조장치를 예로 들어 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 알루미늄 탄소나노튜브 복합소재 제조장치가 아닌 다른 제품에도 본 발명의 복합소재 제조장치가 사용될 수 있다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

10 : 저장부 11 : 용탕온도계
12 : 제1주입관 14 : 제2주입관
16 : 토출관 30 : 자유표면 반전부
32 : 전자석 34 : 코일
50 : 냉각부 51 : 응고계면온도계
70 : 인출부 72 : 배출롤러

Claims (5)

1. 분산매가 공급되는 제1주입관과 분산질이 공급되는 제2주입관과 분산매와 분산질이 혼합되어 배출되는 토출관이 구비되는 저장부; 및
   상기 토출관에서 분산매와 분산질이 혼합될 수 있도록 상기 제2주입관 내에서 액상의 자유표면을 아래로 향하게 하는 자유표면 반전부를 포함하고,
   상기 제2주입관은 상기 저장부의 하측으로 연장되고, 상기 토출관에 연결되고,
   상기 자유표면 반전부는,
   상기 저장부 내부에 유도전류를 공급하는 코일; 및
   상기 제2주입관과 상기 토출관의 연결부위에 설치되는 전자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합소재 제조장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 저장부는 'ㅁ' 모양의 관재로 이루어지고, 상기 토출관은 상기 저장부로부터 상측으로 연장되는 것을 특징으로 하는 복합소재 제조장치.
   
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 전자석은 상기 코일에 의해 유도되는 유도전류의 방향과 직교되는 방향으로 자기장이 형성되도록 설치하여 로렌츠 힘이 상측으로 작용하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 복합소재 제조장치.
   
5. 제1항, 제2항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 토출관에 설치되고 복합 소재를 냉각시키는 냉각부; 및
   상기 냉각부에서 배출되는 복합 소재를 상측으로 당기는 인출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합소재 제조장치.
   

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