KR101656817B1 - 그라파이트 시트 제조방법 및 이에 사용되는 원료 필름 롤 구조체 - Google Patents

그라파이트 시트 제조방법 및 이에 사용되는 원료 필름 롤 구조체 Download PDF

Info

Publication number
KR101656817B1
KR101656817B1 KR1020150066863A KR20150066863A KR101656817B1 KR 101656817 B1 KR101656817 B1 KR 101656817B1 KR 1020150066863 A KR1020150066863 A KR 1020150066863A KR 20150066863 A KR20150066863 A KR 20150066863A KR 101656817 B1 KR101656817 B1 KR 101656817B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pressing means
raw film
roll
film
graphite
Prior art date
Application number
KR1020150066863A
Other languages
English (en)
Inventor
박종휘
박기륜
구갑렬
견명옥
김정규
서정두
최정우
백종갑
Original Assignee
에스케이씨 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에스케이씨 주식회사 filed Critical 에스케이씨 주식회사
Priority to KR1020150066863A priority Critical patent/KR101656817B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101656817B1 publication Critical patent/KR101656817B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C01B31/04—
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/52—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite
    • C04B35/536—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbon, e.g. graphite based on expanded graphite or complexed graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0234—Carbonaceous material
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

본 발명은 그라파이트 시트를 제조하는 방법 및 이에 사용되는 원료 필름 롤 구조체에 관한 것으로서, 상기 방법은 롤 형태의 원료 필름에 가압수단을 장착하고 열처리하는 단계를 포함하고, 상기 가압수단은 상기 롤 형태의 원료 필름의 중심부에 장착되는 제 1 가압수단을 포함하며, 상기 제 1 가압수단은 상기 롤 형태의 원료 필름을 중심부에서 외주부로 가압함으로써, 롤 형태의 원료 필름의 열처리 과정에서 수축 및 팽창에 따른 표면 요철 발생이 방지되어 표면 조도가 우수한 대면적의 그라파이트 시트 생산이 가능하다.

Description

그라파이트 시트 제조방법 및 이에 사용되는 원료 필름 롤 구조체{METHOD FOR PREPARING GRAPHITE SHEET AND FILM ROLL STRUCTURE USED THEREIN}
본 발명은 고품질의 그라파이트 시트를 제조하는 방법 및 이에 사용되는 원료 필름 롤 구조체에 관한 것이다.
그라파이트는 우수한 내열성, 내약품성, 고열 전도성 및 고전기 전도성을 갖기 때문에 공업 재료로서 중요하고, 방열 재료, 내열 실링재, 개스킷, 발열체, X선 모노크로미터 등의 방사선 광학소자, 연료전지 세퍼레이터, 음향진동판 등으로 사용되고 있다. 그라파이트만을 이용한 용도는 물론 수지와의 복합체 형성 등에 의해 방열 소재, 전자기기 케이스, 항공기 소재 등으로 폭넓게 사용되고 있다.
인공적인 필름 형상 그라파이트의 제조 방법의 대표예로서, 「익스팬드(팽창) 그라파이트법」이라고 불리는 방법이 있다. 이 방법에서는, 천연 그라파이트를 진한 황산과 진한 질산의 혼합액 등에 침지시킨 후 급격히 가열함으로써 인공적 그라파이트를 제조한다. 이 인공적 그라파이트는, 세정에 의하여 산이 제거된 후에, 고압 프레스 혹은 롤(roll) 등에 의하여 필름 형상으로 가공된다. 그러나, 이렇게 하여 제조된 필름 형상 그라파이트는 강도가 약하고, 다른 물리적 특성치도 우수하지 않으며, 또한 잔류 산의 영향이 우려되는 등의 문제점을 갖는다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 고분자 필름을 직접 열처리하여 흑연화하는 방법(이하 "고분자 흑연화법"이라 칭함)이 개발되었다. 이 목적으로 사용되는 고분자 필름으로는, 예를 들어 폴리옥사디아졸, 폴리이미드, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리벤조이미다졸, 폴리벤조옥사졸, 폴리티아졸, 및 폴리아미드 필름 등을 들 수 있다. 고분자 흑연화법은, 종래의 익스팬드 그라파이트법과 비교하여 훨씬 간략한 방법으로, 본질적으로 산 등의 불순물의 혼입을 일으키지 않는 방법이고, 또한 단결정 그라파이트에 가까운 우수한 열전도성이나 전기전도성이 얻어진다는 특징이 있다 (일본 공개특허공보 소60-181129, 일본 공개특허공보 평7-109171, 일본 공개특허공보 소61-275116 참조).
이와 같은 고분자 흑연화법은 생산 효율을 위해 다수의 원료 필름(고분자 필름)을 적층하여 열처리하는 것이 일반적이다. 또한 최근에 대면적 그라파이트 시트의 수요가 증가함에 따라, 롤 형태의 원료 필름을 열처리하여 그라파이트 시트 롤을 제조하는 기술이 개발되고 있다.
그러나 원료 필름은 열처리 과정에서 수축 및 팽창을 일으키는데, 수축시에 원료 필름 층 간에 틈새나 공간이 발생하고 팽창시에 이러한 틈새나 공간을 통해 표면에 요철이 발생함으로써, 표면 조도가 불량해지고 그라파이트 시트 물성이 저하되는 문제가 있다. 이러한 문제를 방지하기 위해, 원료 필름의 열처리시에 적절한 표면 가압이 필요하나, 롤 형태의 원료 필름의 경우 원통형의 표면을 가압하는데 기술적으로 어려운 문제가 있었다.
또한 종래에는 탄화된 재료물질을 흑연화하기 위해 소성시에, 가열원으로서 저항가열, 아크가열 등을 사용하는 소성로를 사용하고 있는데, 이와 같은 종래의 소성 방식은 소요되는 에너지에 비해 가열효율이 낮고 작업속도가 더디며 정밀한 온도제어가 어려운 등의 문제점이 있다.
일본 공개특허공보 소60-181129 일본 공개특허공보 평7-109171 일본 공개특허공보 소61-275116
본 발명의 목적은 롤 형태의 원료 필름을 표면 가압과 함께 열처리함으로써 표면 조도가 우수한 그라파이트 시트를 제조하는 방법, 및 이에 사용되는 원료 필름 롤 구조체를 제공하는 것이다.
상기 목적에 따라, 본 발명은 롤 형태의 원료 필름에 가압수단을 장착하고 열처리하는 단계를 포함하고, 상기 가압수단은 상기 롤 형태의 원료 필름의 중심부에 장착되는 제 1 가압수단을 포함하며, 상기 제 1 가압수단은 상기 롤 형태의 원료 필름을 중심부에서 외주부로 가압하는, 그라파이트 시트 제조방법을 제공한다.
상기 다른 목적에 따라, 본 발명은 (a) 롤 형태의 원료 필름, 및 (b) 상기 롤 형태의 원료 필름에 장착되는 가압수단을 포함하고, 상기 가압수단은 상기 롤 형태의 원료 필름의 중심부에 장착되는 제 1 가압수단을 포함하며, 상기 제 1 가압수단은 상기 원료 필름을 중심부에서 외주부로 가압하는, 그라파이트 시트 제조를 위한 원료 필름 롤 구조체를 제공한다.
본 발명에 따르면 롤 형태의 원료 필름에 상기와 같은 가압수단을 장착하여 열처리함으로써, 열처리 과정에서 수축 및 팽창에 따른 표면 요철 발생이 방지되어 표면 조도가 우수한 대면적의 그라파이트 시트의 생산이 가능하다.
이상의 본 발명의 과제와 구성은 후술되는 상세한 설명 및 첨부되는 아래의 도면과 함께 보다 명확해질 것이다.
도 1은 일 구현예에 따른 그라파이트 시트 제조방법을 나타낸 것이다.
도 2는 일 구현예에 따른 그라파이트 시트 제조시에 가압의 방향을 나타낸 평면도이다.
도 3은 다른 구현예에 따른 그라파이트 시트 제조방법을 나타낸 것이다.
도 4는 다른 구현예에 따른 그라파이트 시트 제조시에 가압의 방향을 나타낸 평면도이다.
도 5는 일 구현예에 따른 그라파이트 시트 제조를 위한 원료 필름 롤 구조체를 나타낸 것이다.
도 6은 다른 구현예에 따른 그라파이트 시트 제조를 위한 원료 필름 롤 구조체를 나타낸 것이다.
도 7은 일 구현예에 따른 그라파이트 시트 제조용 소성로의 단면도이다.
본 명세서에 있어서, 각 시트, 장치 등이 각 시트, 장치 등의 "상(on)"에 또는 "하(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 별다른 언급이 없을 경우 상기 상/하는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여(indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기와 다를 수 있다.
본 발명의 그라파이트 시트 제조방법은 아래의 단계를 포함한다:
(1) 원료 필름의 제공 단계;
(2) 가압수단의 장착 단계; 및
(3) 열처리 단계.
이하, 본 발명의 일례에 따르는 그라파이트 시트 제조방법을 각 단계별로 구체적으로 설명한다.
(1) 원료 필름 제공
상기 원료 필름은 유기 소스만을 포함하거나 또는 유기 소스와 무기 소스를 모두 포함하는 복합 필름의 형태일 수 있다.
(i) 유기 소스
상기 원료 필름은 그라파이트를 형성하기 위한 유기 소스를 포함한다.
상기 유기 소스는 열처리에 의해서, 그라파이트로 전환될 수 있는 원료일 수 있다. 상기 유기 소스는 고분자 수지를 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 유기 소스는 방향족 고분자를 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 유기 소스는 상기 고분자 수지로 거의 구성될 수 있다.
상기 고분자 수지는 폴리이미드, 폴리아미드, 폴리아크릴로니트릴, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리옥사디아졸, 폴리벤조티아졸, 폴리벤조비스티아졸, 폴리벤족사졸, 폴리벤조비스옥사졸, 폴리피로메리트이미드, 방향족 폴리아미드, 폴리페닐렌벤조이미타조르, 폴리페닐렌벤조비스이미타조르, 폴리티아졸 및 폴리파라페닐렌비닐렌으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 호모폴리머 또는 코폴리머일 수 있다. 따라서, 상기 유기 소스를 포함하는 원료 필름은, 앞서 예시한 고분자 수지들을 포함하는 고분자 필름일 수 있다.
상기 유기 소스는 입자 형태로 제공될 수 있다. 즉, 상기 유기 소스는 분말 형태일 수 있다. 더 자세하게, 상기 유기 소스는 판 형상, 다면체 형상 또는 구 형상의 유기 입자 등을 포함할 수 있다.
상기 유기 소스에 포함되는 유기 입자(고분자 수지 입자)의 입경에 제한은 없다. 일례로 수백 나노미터에서 수십 밀리미터의 크기를 가질 수 있으나 실시예가 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 고분자 수지 입자의 평균 입경(D50, 1차입자 기준)은 약 0.1㎛ 내지 1,000㎛, 약 0.1㎛ 내지 500㎛, 또는 약 0.1㎛ 내지 200㎛일 수 있다. 더 자세하게, 상기 유기 입자의 평균 입경은 약 1㎛ 내지 100㎛일 수 있다.
이와는 다르게, 상기 유기 소스는 액상의 프리폴리머의 형태로 제공될 수 있다. 상기 프리폴리머는 가교제 또는 촉매 등에 의해서 화학 반응될 수 있으며, 결과적으로 필름상으로 형성될 수 있다.
이와는 다르게, 상기 유기 소스는 용융 상태로 제공될 수 있다. 즉, 열에 의해서 상기 유기 소스가 용융되고, 칩 형태로 형성될 수 있다. 상기 칩 형태의 유기 소스는 압출기 등을 통하여 시트 형상으로 압출될 수 있다.
(ii) 무기 소스
상기 원료 필름은 그라파이트를 형성하기 위한 무기 소스를 더 포함할 수 있다.
상기 무기 소스는 실시예에 따른 그라파이트 시트를 형성하기 위한 원료이다. 상기 무기 소스는 탄소를 포함하는 무기물일 수 있다. 상기 무기 소스는 열처리에 의해서, 그라파이트로 전환될 수 있는 무기물일 수 있다. 상기 무기 소스는 흑연을 포함하거나 흑연 구조를 갖는 무기물을 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 무기 소스는 인조 흑연, 인상 흑연 또는 팽창 가능 흑연(expandable graphite) 등의 흑연을 포함할 수 있다. 다른 구체예에서, 상기 무기 소스는 흑연 구조를 갖는 탄소나노튜브, 탄소나노파이버 등을 포함할 수 있다. 상기 팽창 가능 흑연은 황산 등의 삽입제에 의해서 처리되어, 열에 의해서 팽창될 수 있는 흑연일 수 있다. 상기 팽창 가능 흑연은 가해지는 열에 의해서 수배 내지 수천배 이상 팽창될 수 있다.
상기 무기 소스는 입자 형태로 제공될 수 있다. 즉, 상기 무기 소스는 분말 형태일 수 있다. 더 자세하게, 상기 무기 소스는 판 형상, 다면체 형상 또는 구 형상의 무기 입자 등을 포함할 수 있다.
상기 무기 소스에 포함되는 무기 입자의 평균 입경에 제한은 없다. 예를 들어, 상기 무기 입자의 평균 입경(D50)은 약 0.1㎛ 내지 1,000㎛, 더 자세하게는 약 0.1㎛ 내지 500㎛, 더 자세하게는 약 0.1㎛ 내지 300㎛, 더 자세하게는 약 1㎛ 내지 300㎛일 수 있다. 더 자세하게, 상기 무기 입자의 평균 입경은 약 1㎛ 내지 200㎛일 수 있다.
(iii) 유무기 복합 필름
일례로서, 상기 원료 필름은 상기 유기 소스 및 상기 무기 소스를 모두 포함하는 유무기 복합 필름일 수 있다.
상기 원료 필름이 유무기 복합 필름일 경우, 원료 필름을 제공하는 단계는 세부 단계로서 (1a) 그라파이트를 형성하기 위한 무기 소스를 제공하는 단계; (1b) 고분자 수지를 포함하는 유기 소스를 제공하는 단계; (1c) 상기 무기 소스 및 상기 유기 소스를 혼합하여 유무기 혼합체를 형성하는 단계; 및 (1d) 상기 유무기 혼합체를 필름 상으로 성형하는 단계를 포함할 수 있다.
이때 상기 유기 소스는 열처리에 의해서, 그라파이트로 전환되는 원료일 뿐만 아니라, 상기 무기 소스의 탈락을 방지하는 바인더 기능을 수행할 수 있다.
상기 유무기 복합 필름 내의 상기 무기 소스의 함량은 상기 유기 소스 100중량부에 대해 약 10중량부 이상, 더 자세하게는, 30중량부 이상, 더 자세하게는, 50중량부 이상, 더 자세하게는, 100중량부 이상일 수 있다. 또한, 상기 무기 소스의 함량은 상기 유기 소스 100중량부에 대해 900중량부 이하일 수 있다.
상기 무기 소스의 함량이 너무 낮은 경우, 상기 유무기 복합 필름이 열처리되는 과정에서 더 많은 에너지가 소요될 수 있고 저가격화를 달성할 수 없다. 상기 무기 소스의 함량이 너무 높은 경우, 상기 유무기 복합 필름은 원하는 형상으로 용이하게 제조될 수 없다. 또한, 상기 무기 소스의 함량이 너무 높은 경우, 수평 방향으로의 열 전도율이 현저하게 감소될 수 있다.
상기 유무기 복합 필름은 바인더, 구체적으로 유기 바인더를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 유무기 혼합체를 형성하는 단계 (1c)는 세부 단계로서 상기 유기 소스, 상기 무기 소스, 바인더 및 용매를 포함하는 슬러리를 제조하는 단계; 상기 슬러리를 캐스팅하는 단계; 및 상기 슬러리에 포함된 용매를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 유기 바인더는 상기 유기 소스 및 상기 무기 소스를 서로 기계적으로 결합시키는 기능을 수행할 수 있다.
상기 유기 바인더는 열 처리에 의해서 그라파이트로 전환될 수도 있고, 탈바인더 공정, 건조 공정 및 수축 혹은 탄화 공정 중에 제거될 수도 있다.
상기 유기 바인더의 예로는 폴리비닐알콜 등의 폴리비닐계 수지; 폴리비닐부티랄 등의 폴리비닐아세탈계 수지; 아크릴계 수지; 폴리우레탄 수지; 에틸렌-프로필렌-디엔 모노머(EPDM, ethylene-propylene-diene monomer), 실리콘, 부타디엔 등의 고무계 수지; 또는 이들의 혼합물 등을 들 수 있다. 더 자세하게, 상기 유기 바인더로 폴리비닐부티랄 수지가 사용될 수 있다. 상기 유기 바인더는 상기 유기 소스 100중량부를 기준으로 약 200중량부 이하, 더 자세하게 100중량부 이하, 더 자세하게는 50중량부 이하로 포함될 수 있다. 더 자세하게, 상기 유기 바인더는 상기 유기 소스 100중량부를 기준으로 약 30중량부 이하로 포함될 수 있다.
상기 유기 소스가 입자 형태로 공급되는 경우, 상기 유기 소스, 상기 무기 소스, 바인더 및 용매가 균일하게 혼합되어 슬러리가 제조될 수 있다. 이후, 상기 슬러리는 시트 또는 필름 형태로 캐스팅된다. 이후, 건조 공정을 통하여 상기 용매는 제거되고, 유무기 복합 필름이 형성될 수 있다.
상기 건조 공정은 약 80℃ 내지 약 200℃ 사이의 온도에서 진행될 수 있다. 상기 건조 공정은 약 30초 내지 약 2시간 동안 진행될 수 있다.
상기 용매로 에탄올 등과 같은 알콜 또는 톨루엔 등의 유기 용매가 사용될 수 있다. 상기 용매는 상기 슬러리가 적절한 점성을 가지고, 용이하게 캐스팅될 수 있을 정도의 함량으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는 상기 슬러리의 중량을 기준으로 약 20wt% 내지 약 70wt%로 포함될 수 있다.
또한, 상기 슬러리는 분산성 및 공정성을 향상시키기 위해 분산제 또는 소포제 등과 같은 첨가제를 더 포함할 수 있다.
상기 유기 소스가 고분자 수지 입자를 포함할 경우, 상기 고분자 수지 입자들 사이에 기공이 형성될 수 있다. 상기 유무기 복합 필름은 기공을 포함할 수 있다. 상기 기공은 상기 용매가 건조되어 제거되면서 형성될 수 있다.
또한, 상기 무기 소스가 무기 입자를 포함하는 경우, 상기 고분자 수지 입자와 상기 무기 입자 사이에 기공이 형성될 수 있다. 또한, 상기 무기 입자들 사이에도 기공이 형성될 수 있다.
상기 유무기 복합 필름의 기공의 크기 및 기공율은 상기 고분자 수지 입자의 함량, 상기 고분자 수지 입자의 직경, 상기 무기 입자의 함량 및 상기 무기 입자의 직경 등에 의해서 다양하게 조절될 수 있다.
상기 유무기 복합 필름의 기공율은 약 1 내지 30 vol%일 수 있다. 더 자세하게, 상기 유무기 복합 필름의 기공율은 약 2 내지 20 vol%일 수 있다. 더 자세하게, 상기 유무기 복합 필름의 기공율은 약 3 내지 약 10 vol%일 수 있다.
상기 유기 소스가 액상의 프리폴리머 형태로 공급되는 경우, 상기 프리폴리머, 상기 무기 소스 및 용매는 균일하게 혼합될 수 있다. 이후, 상기 프리폴리머는 가교제 또는 촉매 등에 의해서 화학 반응되고, 시트상 성형 공정을 거쳐 유무기 복합 필름으로 가공될 수 있다. 일례로, 상기 유기 소스는 폴리아미드산 용액일 수 있으며, 상기 폴리아미드산 용액에 무기 소스를 혼합한 후 캐리어 필름에 도포한 후 건조 과정을 거쳐 유무기 복합 필름이 형성될 수 있다. 상기 캐리어 필름은 알루미늄박 등의 금속박일 수 있다.
또한, 상기 유기 소스 및 상기 무기 소스가 서로 혼합된 후, 열에 의해서 상기 유기 소스가 용융되고, 칩 형태의 유무기 혼합체가 형성된 뒤, 압출기 등을 통하여 시트상으로 압출되어 유무기 복합 필름이 얻어질 수 있다.
상기 유무기 복합 필름의 두께는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 유무기 복합 필름의 두께는 약 2㎛ 내지 1000㎛일 수 있다. 더 자세하게, 상기 유무기 복합 필름의 두께는 약 5㎛ 내지 500㎛일 수 있다. 더 자세하게, 상기 유무기 복합 필름의 두께는 약 10㎛ 내지 200㎛일 수 있다.
상기 원료 필름이 팽창 가능 흑연 입자를 포함하는 유무기 복합 필름일 경우, 후속하는 수축 혹은 탄화 단계의 이전에 또는 이와 동시에 흑연 입자 팽창 공정을 거칠 수 있다.
구체적으로, 상기 유무기 복합 필름은 약 200℃ 내지 1200℃의 온도에서 열처리되고, 상기 유무기 복합 필름 내의 팽창 가능 흑연 입자가 열에 의해서 팽창될 수 있다. 더 자세하게, 상기 흑연 입자 팽창 공정은 약 500℃ 내지 1100℃의 온도에서 진행될 수 있다. 더 자세하게, 상기 흑연 입자 팽창 공정은 약 750℃ 내지 900℃의 온도에서 진행될 수 있다.
상기 흑연 입자 팽창 공정은 약 1분 내지 30분 동안 진행될 수 있다. 상기 흑연 입자 팽창 공정에 의해서, 상기 유무기 복합 필름의 두께는 약 1.2배 내지 100배로 팽창될 수 있다. 더 자세하게, 상기 유무기 복합 필름의 두께는 약 1.5배 내지 60배로 팽창될 수 있다. 더 자세하게, 상기 유무기 복합 필름의 두께는 약 2배 내지 10배로 팽창될 수 있다.
상기 흑연 입자 팽창 공정에서, 상기 유무기 복합 필름에는 물리적인 압력이 가해질 수 있다. 예를 들어, 상기 유무기 복합 필름은 2장의 알루미나판, 흑연판, 흑연 시트, 흑연 필름 등에 의해서 샌드위치되거나 또는 이들과 교대로 수장 내지 수백장 적층된 후, 팽창 공정을 거칠 수 있다.
상기 흑연 입자 팽창 공정은 별도의 공정으로 존재할 수도 있으며 후술하는 수축 혹은 탄화 단계에서 팽창 가능 흑연 입자의 팽창이 이루어질 수도 있으며, 수축 혹은 탄화 단계와 흑연화 단계가 동시에 이루어지는 경우 수축 혹은 탄화 단계 또는 흑연화 단계에서 팽창이 이루어질 수도 있다.
이상과 같은 원료 필름은 롤 형태로 권취되어 후속 단계에 제공된다.
(2) 가압수단의 장착
본 단계에서는 롤 형태의 원료 필름에 가압수단을 장착하여, 그라파이트 시트 제조를 위한 원료 필름 롤 구조체를 제조하게 된다.
도 1 및 2는 일 구현예에 따른 그라파이트 시트 제조방법 및 가압 방향을 나타낸 것이다.
먼저, 롤 형태의 원료 필름(110)의 중심부에 제 1 가압수단(121)이 장착된다. 이후, 상기 제 1 가압수단(121)이 장착된 원료 필름(110)은, 열처리를 위해 도가니(210)에 장입된 후 뚜껑(220)으로 덮여진다.
상기 도가니(210)는 원통형의 내벽을 갖는 것이 바람직하다.
상기 제 1 가압수단(121)은 상기 롤 형태의 원료 필름(110)을 중심부에서 외주부로 가압한다. 이에 따라, 상기 도가니(210) 내에 장입된 원료 필름(110)은 상기 제 1 가압수단(121) 및 상기 도가니(210)의 내벽 사이에서 압착된다.
그 결과, 상기 롤 형태로 권취된 원료 필름(110)이 열처리 중에 수축하면서 원료 필름 층간에 틈새나 공간이 생기는 현상을 방지할 수 있어서, 상기 틈새나 공간을 통해 팽창하여 표면에 요철이 발생하는 현상을 방지할 수 있다.
상기 제 1 가압수단은 롤 형태로 말린 금속판일 수 있다. 이에 따라, 상기 롤 형태로 말린 금속판이 펼쳐지려는 힘으로 상기 원료 필름을 가압할 수 있다.
상기 롤 형태로 말린 금속판은 1겹 내지 5겹으로 말린 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 롤 형태로 말린 금속판은 1겹 내지 3겹으로 말린 것일 수 있다.
상기 금속판은 탄성계수 2x106 내지 4x106 kgf/㎠이고 융점 3200℃ 내지 4000℃인 금속을 포함할 수 있다. 또는, 상기 금속판은 탄성계수 2.5x106 내지 3.7x106 kgf/㎠이고 융점 3200℃ 내지 3800℃인 금속을 포함할 수 있다. 또는, 상기 금속판은 탄성계수 1.5x106 내지 6x106 kgf/㎠이고 융점 2500℃ 내지 4000℃인 금속을 포함할 수 있다. 또는, 상기 금속판은 탄성계수 1.7x106 내지 4.9x106 kgf/㎠이고 융점 3000℃ 내지 3500℃인 금속을 포함할 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 금속판은 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 탄탈륨카바이드(TaC), 텅스텐카바이드(WC), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속을 포함할 수 있고, 이 중 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 또는 이들의 혼합물이 바람직하나 특별히 제한되지는 않는다.
도 3 및 4는 다른 구현예에 따른 그라파이트 시트 제조방법 및 가압 방향을 나타낸 것이다.
먼저, 롤 형태의 원료 필름(110)의 중심부에 장착되는 제 1 가압수단(121)이 장착되고, 추가적으로 외주부에 제 2 가압수단(122)이 장착된다. 이후, 상기 제 1 가압수단(121) 및 제 2 가압수단(122)이 장착된 원료 필름(110)은, 열처리를 위해 도가니(210)에 장입된 후 뚜껑(220)으로 덮여진다.
상기 도가니(210)는 원통형의 내벽을 갖는 것이 바람직하다.
상기 제 1 가압수단(121)은 상기 롤 형태의 원료 필름(110)을 중심부에서 외주부로 가압하고, 상기 제 2 가압수단(122)은 상기 롤 형태의 원료 필름(110)을 외주부에서 중심부로 가압한다. 이에 따라, 상기 원료 필름(110)은 상기 제 1 가압수단(121) 및 상기 제 2 가압수단(122) 사이에서 압착된다.
그 결과, 상기 롤 형태로 권취된 원료 필름(110)이 열처리 중에 수축하면서 원료 필름 층간에 틈새나 공간이 생기는 현상을 방지할 수 있어서, 상기 틈새나 공간을 통해 팽창하여 표면에 요철이 발생하는 현상을 방지할 수 있다.
상기 제 2 가압수단은 원상태보다 벌어진 형태의 금속 롤일 수 있다.
이와 관련하여, 상기 제 2 가압수단은, 이의 원상태(원료 필름에 장착되지 않고 아무런 외력이 가해지지 않은 상태)의 직경이, 상기 롤 형태의 원료 필름의 외주 직경보다 작을 수 있다.
이에 따라, 상기 제 2 가압수단은, 상기 롤 형태의 원료 필름의 외주부에 장착시에, 원상태의 직경보다 더 큰 직경을 갖도록 벌어지게 되고, 장착 후에는 상기 벌어진 금속 롤이 원상태로 말리려는 힘으로 상기 원료 필름을 가압할 수 있다.
상기 금속 롤은 1겹 내지 5겹으로 말린 것일 수 있다.
바람직하게는, 상기 금속 롤은 1겹 내지 3겹으로 말린 것일 수 있다.
상기 금속판은 탄성계수 2x106 내지 4x106 kgf/㎠이고 융점 3200℃ 내지 4000℃인 금속을 포함할 수 있다. 또는, 상기 금속판은 탄성계수 2.5x106 내지 3.7x106 kgf/㎠이고 융점 3200℃ 내지 3800℃인 금속을 포함할 수 있다. 또는, 상기 금속판은 탄성계수 1.5x106 내지 6x106 kgf/㎠이고 융점 2500℃ 내지 4000℃인 금속을 포함할 수 있다. 또는, 상기 금속판은 탄성계수 1.7x106 내지 5x106 kgf/㎠이고 융점 3000℃ 내지 3500℃인 금속을 포함할 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 금속판은 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 탄탈륨카바이드(TaC), 텅스텐카바이드(WC), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속을 포함할 수 있고, 이 중 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 또는 이들의 혼합물이 바람직하나 특별히 제한되지는 않는다.
또한, 상기 제 1 가압수단 및 제 2 가압수단은 동일한 금속을 포함할 수도 있고, 서로 다른 금속을 포함할 수도 있다.
본 발명에 따르면, 상기 가압수단을 장착한 원료 필름 롤 구조체가 제공된다. 도 5 및 6은 그라파이트 시트 제조를 위한 원료 필름 롤 구조체의 구현예들을 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 상기 그라파이트 시트 제조를 위한 원료 필름 롤 구조체(100)는 롤 형태의 원료 필름(110), 및 상기 롤 형태의 원료 필름(110)에 장착되는 가압수단을 포함하고, 상기 가압수단은 상기 롤 형태의 원료 필름(110)의 중심부에 장착되는 제 1 가압수단(121)을 포함하며, 상기 제 1 가압수단(121)은 상기 원료 필름을 중심부에서 외주부로 가압한다.
도 6을 참조하면, 상기 가압수단은 상기 롤 형태의 원료 필름(110)의 외주부에 장착되는 제 2 가압수단(122)을 추가로 포함할 수 있으며, 상기 제 2 가압수단(122)은 상기 원료 필름(110)을 외주부에서 중심부로 가압하며, 상기 원료 필름(110)은 상기 제 1 가압수단(121) 및 상기 제 2 가압수단(122) 사이에서 압착된다.
상기 제 1 가압수단(121)은 롤 형태로 말린 금속판일 수 있고, 상기 말린 금속판이 펼쳐지려는 힘으로 상기 원료 필름(110)을 가압할 수 있다.
상기 제 2 가압수단(122)은 원상태보다 벌어진 형태의 금속 롤일 수 있고, 상기 벌어진 금속 롤이 원상태로 말리려는 힘으로 상기 원료 필름(110)을 가압할 수 있다.
상기 원료 필름(110)은 그라파이트 제조를 위한 유기 소스를 포함할 수 있으며, 상기 유기 소스는 앞서 설명한 바와 같다.
(3) 열처리 공정
상기 가압수단이 장착된 원료 필름은, 열처리 공정을 통해 (i) 흑연화 단계를 거쳐 그라파이트 시트로 형성되거나, 또는 (ii) 수축 혹은 탄화 단계, 및 흑연화 단계를 거쳐 그라파이트 시트로 형성된다.
일례로, 상기 원료 필름은 그라파이트 제조를 위한 유기 소스를 포함하고, 상기 유기 소스는 폴리이미드(PI)를 포함하며, 열처리를 통해 상기 폴리이미드의 탄화 및 흑연화가 수행될 수 있다.
열처리 공정시에, 상기 가압수단이 장착된 원료 필름을 도가니에 장입한 뒤 열처리를 수행할 수 있다. 일례로, 상기 열처리는 상기 가압수단이 장착된 원료 필름을 원통형의 내벽을 갖는 도가니에 장입하여 수행되고, 상기 원료 필름은 상기 제 1 가압수단과 상기 도가니의 내벽 사이에서 압착될 수 있다.
이하, 열처리 공정을 통한 수축 혹은 탄화 단계 및 흑연화 단계를 설명한다.
(3a) 수축 혹은 탄화 단계
앞서의 단계 (1) 및 (2)를 거쳐 원료 필름은 열처리에 의한 수축 혹은 탄화 단계를 거칠 수 있다.
일 실시예에 따른 수축 혹은 탄화 단계는 상기 원료 필름을 불활성 가스 중에서 열처리하는 방법으로 진행될 수 있다.
상기 수축 혹은 탄화 단계의 온도는 약 400℃ 이상일 수 있다. 더 자세하게, 수축 혹은 탄화 단계의 온도는 약 600℃ 이상일 수 있다. 상기 수축 혹은 탄화 단계의 온도는 400℃ 이상, 2000℃ 미만일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 수축 혹은 탄화 단계는 약 0.5 내지 20 ℃/분의 속도로 승온한 후, 800℃ 내지 1600℃의 온도 영역, 더 자세하게는 1000℃ 내지 1400℃의 온도 영역에서 약 30분 내지 4시간 정도 유지시켜 상기 원료 필름에 포함된 유기 소스를 수축 혹은 탄화시킬 수 있다.
상기 수축 혹은 탄화 단계를 통하여, 상기 원료 필름 내의 유기 소스가 수축되거나 탄화되어, 수축 혹은 탄화된 시트가 형성된다.
상기 수축 혹은 탄화 단계는 유도가열로 수행되거나 저항가열로 수행될 수 있다. 상기 유도가열에 대해서는 후술되는 "흑연화 단계"에서 구체적으로 설명한다.
이에 따라 상기 수축 혹은 탄화 단계는 유도가열 소성로에서 진행될 수도 있고, 저항가열 소성로에서 진행될 수도 있다. 또한, 후술하는 흑연화 공정과 동일한 소성로에서 진행될 수도 있고, 서로 다른 소성로에서 진행될 수도 있다.
(3b) 흑연화 단계
앞서의 단계 (1) 및 (2)를 거쳐 원료 필름, 또는 앞서의 단계 (3a)을 거쳐 수축 혹은 탄화된 원료 필름은 불활성 가스 중에서 열처리되어 흑연화되고, 그라파이트 시트가 형성된다.
상기 흑연화 단계의 열처리는 2000℃ 이상의 온도로 수행될 수 있고, 구체적으로 상기 열처리 온도는 약 2300℃ 이상일 수 있으며, 보다 구체적으로 약 2400℃ 이상일 수 있다.
또한 상기 흑연화 단계의 열처리는 약 3000℃ 이하의 온도로 진행될 수 있다. 예를 들어, 상기 열처리 온도는 약 2800℃ 이하일 수 있고, 구체적으로 약 2700℃ 이하일 수 있으며, 보다 구체적으로 약 2600℃ 이하일 수 있다.
일례로서, 상기 흑연화 단계의 열처리 온도는 약 2000℃ 내지 3000℃일 수 있고, 구체적으로 약 2300℃ 내지 2800℃일 수 있으며, 보다 구체적으로는 약 2400℃ 내지 2700℃일 수 있고, 보다 더 구체적으로는 약 2500℃ 내지 2600℃일 수 있다. 열처리 온도가 올라갈수록 흑연화도는 향상되는 반면 공정비용은 크게 상승한다.
상기 흑연화 단계의 열처리는 약 30분 내지 20시간, 더 자세하게는 약 30분 내지 4시간 동안 수행될 수 있다.
상기 흑연화 공정의 압력 조건은 700 내지 760 torr 범위일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
<유도가열>
이와 같이 본 발명에 따른 그라파이트 시트 제조 방법에서의 열처리는 유도가열에 의해 수행될 수 있다. 즉, 앞서의 "흑연화 단계"에서의 열처리가 유도가열에 의해 수행될 수 있다. 또한, 앞서의 "수축 혹은 탄화 단계"에서의 열처리도 유도가열에 의해 수행될 수 있다.
유도가열(induction heating)이란 시간적으로 변하는 자기장에 의해 폐회로에 전류를 흐르게 하는 전자기유도 원리를 이용한 것으로서, 도전체와 같은 가열 대상물 주위에 코일을 배치하여 교류 전류가 흐르도록 하면, 가열 대상물에 와전류 손실과 히스테리시스 손실 등에 의하여 열이 발생되어 가열되는 현상이다.
일례로서, 상기 유도가열은 가압수단이 장착된 원료 필름이 장입된 도가니의 외부에 유도가열 코일을 배치하고, 상기 유도가열 코일에 전류를 흘려 상기 원료 필름을 유도가열시키는 것일 수 있다.
이에 따라, 상기 유도가열에 의한 열처리는 상기 가압수단에 대해서 수행됨과 동시에 또는 순차적으로 상기 원료 필름에 대해서 수행될 수 있다.
여기서 상기 동시 가열이란, 예를 들어 상기 가압수단과 상기 원료 필름이 동시에 유도가열되는 것을 의미한다.
또한 상기 순차적 가열이란, 예를 들어 상기 가압수단이 유도가열됨에 따라 상기 가압수단의 상승된 온도에 의해 상기 원료 필름이 가열되고, 순차적으로 상기 가열된 원료 필름이 유도가열되는 것을 의미한다. 구체적인 예로서, 상기 가압수단이 유도가열에 의해 온도가 상승하여 열을 발생시키고, 상기 가압수단의 열에 의해 이에 접촉하는 원료 필름이 가열(간접 가열)되어 일부가 수축 혹은 탄화되거나 흑연화되며, 이후 상기 일부가 수축 혹은 탄화되거나 흑연화된 원료 필름이 유도가열(직접 가열)되어 가열 효율을 높일 수 있다.
상기 유도가열은 약 50Hz 내지 400KHz의 주파수로 수행될 수 있고, 구체적으로 약 500Hz 내지 100KHz의 주파수, 보다 구체적으로 약 1kHz 내지 50kHz의 주파수, 보다 더 구체적으로 약 3kHz 내지 20kHz의 주파수로 수행될 수 있다.
또한, 상기 유도가열은 상기 가압수단이 장착된 원료 필름을 도가니에 장입한 상태에서 수행될 수 있다. 상기 도가니는 흑연을 포함하는 물질로 구성되거나, 흑연만으로 이루어진 것이 바람직하다. 이에 따라, 상기 도가니, 가압수단 및 원료 필름은 동시에 또는 순차적으로 가열될 수도 있다.
유도가열에 의한 열처리 공정이 완료되면 후가공 공정, 예를 들어 유연화 공정, 압연 공정 등이 추가로 수행될 수 있다.
<유도가열 소성로>
이하에서는 도 7을 참조하여 상기 유도가열에 사용되는 소성로의 구조의 일례에 대해 구체적으로 설명한다.
상기 그라파이트 제조용 소성로는 가압수단(121, 122)이 장착된 원료 필름(110)이 장입되는 도가니(210), 상기 도가니(210)의 외측 전부 또는 일부를 감싸는 단열재(300); 및 상기 단열재(300)의 외부에 위치하는 유도가열 코일(500)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 단열재(300)의 외부에는 유도가열 코일(500)이 배치되어, 상기 단열재(300)를 감아 둘러싸도록 구성되거나, 또는 상기 단열재(300)의 적어도 일면에 배치될 수 있다.
또한, 상기 도가니(210) 및 단열재(300)는 석영 소재의 단일 혹은 2중 벽면을 갖는 반응기(400) 내에 배치될 수 있다. 이에 따라 상기 유도가열 코일(110)은 상기 반응기(400)의 외부에 배치될 수 있다.
또한, 상기 그라파이트 제조용 소성로는 유도가열 코일(500)에 교류 전류를 흘려보내는 전류발생기를 더 포함할 수 있다. 상기 전류발생기로부터 유도가열 코일(500)로 흐르는 교류 전류의 주파수는 앞서 예시한 바와 같다.
상기 유도가열 코일(500)에 전류가 공급되면, 유도가열 코일(500) 주위로 자기장이 형성되고, 전자기유도에 의해 도가니(210) 및/또는 도가니(210) 내의 원료 필름(110)에 와전류 손실과 히스테리시스 손실에 의한 열이 발생하여 유도가열에 의한 열처리가 수행된다.
상기 유도가열 코일(500)에 전류가 흐름에 따라, 전자기유도에 의해 상기 도가니(210) 및 원료 필름(110)에도 전류의 흐름이 발생할 수 있다.
이에 따라, 유도가열에 의해 상기 도가니(210)만이 가열될 수도 있고, 상기 도가니(210)와 상기 원료 필름(110)이 동시에 또는 순차적으로 가열될 수도 있다. 바람직하게는, 유도가열에 의해 상기 도가니(210)와 상기 원료 필름(110)이 동시에 가열될 수 있다.
또한 원료 필름(110)에 대해, 저온에서는 도가니(210)의 가열에 의한 간접 가열을 하고, 고온에서는 상기 간접 가열과 유도가열(직접 가열)을 동시에 수행할 수도 있다. 이때, 상기 가열시에 산소 등으로 인해 도가니(210) 및 단열재(300) 등이 산화(에칭)될 수 있으므로 아르곤이나 질소 가스 등을 주입하여 소성로 내부를 퍼징(purging)하거나 비산화성 분위기로 만들어 도가니(210) 및 단열재(300) 등을 보호하고 외부 오염을 방지할 수 있다.
<유도가열 코일>
상기 유도가열 코일(500)은 도가니(210) 또는 단열재(300)의 외부에 배치된 외부형의 코일이거나, 내부에 삽입된 내부형의 코일이거나, 또는 외부와 내부에 모두 배치된 혼합형의 코일일 수 있다.
일례로서, 상기 유도가열 코일(500)은 단열재(300)의 외부에서 단열재(300)를 감아 둘러싸도록 구성될 수 있다. 다른 예로서, 상기 유도가열 코일(500)은 단열재(300)의 외부의 적어도 일면에 배치될 수 있다. 또 다른 예로서, 상기 유도가열 코일(500)은 단열재(300)의 내부에 삽입되도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 예시한 구성들이 혼합된 코일 구성도 가능하다.
또한, 상기 유도가열 코일(500)은, 원형, 타원형, 사각형 등의 단면 형상을 가질 수 있고, 이들 형상이 혼합된 단면 형상도 가능하다. 또한, 상기 유도가열 코일(500)은 다권형 또는 단권형의 다양한 권선 형태를 가질 수 있다.
일례로서, 상기 유도가열 코일(500)은 다권형의 코일로서 원형, 타원형 또는 사각형의 권선 형태를 가질 수 있으며, 이 경우 단열재(300)의 외부를 감아 둘러싸도록 구성될 수 있다.
다른 예로서, 상기 유도가열 코일(500)은 다권형의 코일로서 평평한 팬케이크형의 권선 형태를 가질 수 있으며, 이 경우 단열재(300)의 외부의 적어도 일면에 배치될 수 있다.
또 다른 예로서, 상기 유도가열 코일(500)은 다권형의 코일로서 나선형의 권선 형태를 가질 수 있으며, 이 경우 단열재(300)의 외부에서 단열재(300)의 일부를 감싸도록 배치될 수 있다.
또 다른 예로서, 상기 유도가열 코일(500)은 다권형의 코일로서 좁은 권선 직경을 갖는 원형의 권선 형태를 가질 수 있으며, 이 경우 단열재(300)의 내부에 삽입되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 예시한 형태들이 혼합된 혼합된 코일 형태도 가능하다.
또한, 상기 유도가열 코일(500)은, 단권형의 코일로서 원형, 타원형 또는 사각형으로 한번 감긴 형태를 가질 수도 있으며, 이 경우 단열재(300)의 외부를 감아 둘러싸도록 구성되거나 또는 단열재(300)의 내부에 삽입되도록 구성될 수 있다.
따라서, 그라파이트 제조용 소성로에 구비되는 유도가열 코일(500)의 배치, 형태 등은 목적하는 유도가열 조건에 맞추어 적절히 구성될 수 있다.
<도가니>
이하 상기 도가니(210)의 구성을 설명한다.
상기 도가니(210)는 흑연을 포함하는 물질로 구성되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 흑연으로 이루어질 수 있다. 상기 도가니(210)는 원통형, 박스형, 납작형, 터널형 등의 형태를 가질 수 있다.
상기 도가니(210)는 벽면을 갖는다.
또한, 상기 도가니(210)는 뚜껑(220)으로 덮힐 수 있다.
상기 도가니(210)의 벽면 및 상기 뚜껑(220)에는 하나 이상의 구멍이 형성될 수 있다(구멍은 미도시됨). 상기 구멍의 단면 형태는 원형, 타원형, 다각형, 무정형 등 제한이 없다. 또한 상기 구멍의 크기는 제한이 없다. 일례로 100㎜ 이하, 구체적으로 50㎜ 이하, 보다 구체적으로 10㎜ 이하, 보다 구체적으로 0.1㎜ 내지 10㎜의 직경을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 가열 효율과 내부 열의 방출을 고려하여 다양한 설계가 가능하다.
상기 구멍을 통해 전자기파가 원료 필름(110)으로 침투 가능하여 효율적인 유도가열이 이루어질 수 있고, 수축 혹은 탄화 단계 및 흑연화 공정시에 발생하는 가스(out gas)의 배출도 용이하도록 할 수 있다. 그러나 상기 구멍이 너무 많거나 크면 도가니(210) 내의 열이 외부로 유출되기 때문에 구멍의 크기를 적절히 제어할 필요가 있다.
또한, 상기 도가니(210)는 상기 원료 필름(110)에 가압을 하기 위한 지그(jig) 및 팽창성 기재를 추가로 구비할 수 있다. 이때 상기 팽창성 기재로는 초고온에서 팽창이 되는 물질을 사용할 수 있으며, 예를 들어 후막 그라파이트 시트 혹은 필름이 사용될 수 있다.
또한, 유도가열의 경우 주파수에 따라 전류침투 깊이가 달라지므로, 보다 효율적인 유도가열을 위해서, 전자기파의 침투 깊이를 고려하여 상기 도가니(210)의 벽면 두께를 적절히 제어할 수 있다.
예를 들어 상기 도가니(210)의 벽면 두께는 하기 수학식 1로 정의되는 δ의 0.1배 내지 5배일 수 있고, 구체적으로 0.2배 내지 3배, 보다 구체적으로 0.5배 내지 2배, 보다 더 구체적으로 0.5배 내지 1.5배일 수 있다.
<수학식 1>
Figure 112015046032656-pat00001
상기 식에서, ρ는 도가니의 비저항(resistivity, Ωㆍm)이고, f는 유도가열 전류의 주파수(Hz)이고, μR은 도가니의 비투자율(relative permeability)이고, μ0는 진공 투자율(4πx10-7H/m)이다.
도가니의 벽면 두께가 상기 바람직한 범위 내일 때, 원료 필름에 대한 유도가열이 보다 효율적이면서도 용이하게 이루어질 수 있다.
구체적인 예로서, 상기 도가니(210)는 1㎜ 내지 200㎜, 구체적으로 2㎜ 내지 50㎜, 보다 구체적으로는 5㎜ 내지 30㎜, 보다 구체적으로 10㎜ 내지 30㎜의 벽면 두께를 가질 수 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 후술하는 구멍의 존재 여부에 따라 그 두께도 변화될 수 있다.
또한, 상기 도가니(210)는 이의 내부에 배치되어 원료 필름(110)을 담기 위한 용기를 추가로 포함할 수 있다. 이에 따라 상기 원료 필름(110)은 용기에 담긴 채로 도가니(210)에 장입될 수 있다
또한, 상기 단열재(300)는 세라믹, 다공성 흑연 등을 포함하는 소재로 제작된 것일 수 있다.
구체적인 일례로서, 상기 유도가열에 의한 열처리가 소성로를 사용하여 수행되고, 이때 상기 소성로가 흑연 도가니, 상기 흑연 도가니를 감싸는 단열재, 상기 단열재의 외부에 위치하는 유도가열 코일, 및 상기 유도가열 코일에 50Hz 내지 400kHz의 교류 전류를 흘려보내는 전류발생기를 포함하고, 상기 도가니가 1 내지 200 ㎜의 벽면 두께를 가질 수 있다.
<유도가열의 효과>
그라파이트 시트의 제조에 유도가열을 이용할 경우, 종래의 다른 가열방식(저항가열 등)을 이용한 제조방법과 비교하여 아래와 같은 장점이 있다.
① 월등한 경제성: 유도가열은 피가열체 자신에 의해 직접 가열됨으로 효율이 높다. 특히, 종래의 저항가열 방식 등과 달리, 유도가열의 원리로 인해 시트 자체도 가열(발열)되어 흑연화(결정화)가 잘 되고, 초고온 가열시에 소요되는 비용이 보다 낮아서, 총 생산 비용을 타 가열방식의 반 이하로 낮출 수 있다.
② 고품위의 품질 확보: 피가열체의 재질과 크기에 따른 적절한 주파수를 선택한다면 균일한 온도와 속도 등을 임의적으로 제어할 수가 있으므로, 대량 생산에 따른 개별 부품의 제품 생산이 가능하다(선택가열이 가능한 점은 열처리 기술에는 절대적인 필요 조건임).
③ 비접촉 가열: 피가열체를 가열원으로부터 완벽한 분리/차단이 가능하므로, 각종 오염을 방지할 수 있다(3000℃이상 초고온의 가열과 각종 가스 분위기나 진공상태에서의 가열도 가능).
④ 초 단위의 신속한 작업처리: 유도가열은 대부분 초 단위의 작업처리가 가능하다. 이와 같은 신속한 처리는 재료의 재질 변화를 방지함과 함께 자동화 부품과 같은 대량생산이 요구될 때, 전후 공정과의 생산속도를 맞출 수 있는 시스템의 도입이 가능하게 되며, 이는 타 연료 장치에 의한 가열에 비해서 매우 큰 장점이다.
⑤ 재료의 절감: 유도가열을 이용하면 효율적인 가열이 가능하여 재료를 절감시킬 수 있다.
⑥ 무공해: 완전 무공해 산업으로 위생적인 작업이 가능하다.
⑦ 가동효율 증가: 예열 등의 예비시간이 필요 없어 설비의 가동율이 증가된다.
⑧ 설치장소: 출력에 비해 설치면적을 많이 차지하지 않는다.
만약 수축 혹은 탄화 단계 및 흑연화 단계시의 열처리를 모두 유도가열에 의해 수행할 경우, 수축 혹은 탄화 단계와 이후의 흑연화 단계를 동일한 반응기(소성로)에서 수행하는 것도 가능하다.
100: 원료 필름 롤 구조체 110: 원료 필름
121: 제 1 가압수단 122: 제 2 가압수단
210: 도가니 220: 도가니 뚜껑
300: 단열재 400: 반응기
500: 유도가열 코일

Claims (14)

  1. 롤 형태의 원료 필름에 가압수단을 장착하고 열처리하는 단계를 포함하고,
    상기 가압수단은 상기 롤 형태의 원료 필름의 중심부에 장착되는 제 1 가압수단을 포함하며,
    상기 제 1 가압수단은 상기 롤 형태의 원료 필름을 중심부에서 외주부로 가압하는, 그라파이트 시트 제조방법에 있어서,
    상기 제 1 가압수단은 롤 형태로 말린 금속판이고, 상기 말린 금속판이 펼쳐지려는 힘으로 상기 원료 필름을 가압하는, 그라파이트 시트 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속판은 탄성계수 1.5x106 내지 6x106 kgf/㎠이고 융점 2500℃ 내지 4000℃인 금속을 포함하는, 그라파이트 시트 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 금속판은 탄탈륨(Ta), 텅스텐(W), 탄탈륨카바이드(TaC), 텅스텐카바이드(WC), 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속을 포함하는, 그라파이트 시트 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가압수단은 상기 롤 형태의 원료 필름의 외주부에 장착되는 제 2 가압수단을 추가로 포함하고,
    상기 제 2 가압수단은 상기 원료 필름을 외주부에서 중심부로 가압하며,
    상기 원료 필름은 상기 제 1 가압수단 및 상기 제 2 가압수단 사이에서 압착되는, 그라파이트 시트 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 가압수단은 원상태보다 벌어진 형태의 금속 롤이고, 상기 벌어진 금속 롤이 원상태로 말리려는 힘으로 상기 원료 필름을 가압하는, 그라파이트 시트 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리는 상기 가압수단이 장착된 원료 필름을 원통형의 내벽을 갖는 도가니에 장입하여 수행되고,
    상기 원료 필름은 상기 제 1 가압수단과 상기 도가니의 내벽 사이에서 압착되는, 그라파이트 시트 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 원료 필름은 그라파이트 제조를 위한 유기 소스를 포함하는, 그라파이트 시트 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 유기 소스는 폴리이미드(PI)를 포함하고,
    상기 열처리를 통해 상기 폴리이미드의 탄화 및 흑연화가 수행되는, 그라파이트 시트 제조방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 열처리는 유도가열에 의해 수행되는, 그라파이트 시트 제조방법.
  11. (a) 롤 형태의 원료 필름, 및
    (b) 상기 롤 형태의 원료 필름에 장착되는 가압수단을 포함하고,
    상기 가압수단은 상기 롤 형태의 원료 필름의 중심부에 장착되는 제 1 가압수단을 포함하며,
    상기 제 1 가압수단은 상기 원료 필름을 중심부에서 외주부로 가압하는,
    그라파이트 시트 제조를 위한 원료 필름 롤 구조체에 있어서,
    상기 가압수단은 상기 롤 형태의 원료 필름의 외주부에 장착되는 제 2 가압수단을 추가로 포함하고,
    상기 제 2 가압수단은 상기 원료 필름을 외주부에서 중심부로 가압하며,
    상기 원료 필름은 상기 제 1 가압수단 및 상기 제 2 가압수단 사이에서 압착되는, 원료 필름 롤 구조체.
  12. 삭제
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 가압수단은 롤 형태로 말린 금속판이고, 상기 말린 금속판이 펼쳐지려는 힘으로 상기 원료 필름을 가압하고,
    상기 제 2 가압수단은 원상태보다 벌어진 형태의 금속 롤이고, 상기 벌어진 금속 롤이 원상태로 말리려는 힘으로 상기 원료 필름을 가압하는, 원료 필름 롤 구조체.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 원료 필름은 그라파이트 제조를 위한 유기 소스를 포함하는, 원료 필름 롤 구조체.
KR1020150066863A 2015-05-13 2015-05-13 그라파이트 시트 제조방법 및 이에 사용되는 원료 필름 롤 구조체 KR101656817B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150066863A KR101656817B1 (ko) 2015-05-13 2015-05-13 그라파이트 시트 제조방법 및 이에 사용되는 원료 필름 롤 구조체

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150066863A KR101656817B1 (ko) 2015-05-13 2015-05-13 그라파이트 시트 제조방법 및 이에 사용되는 원료 필름 롤 구조체

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101656817B1 true KR101656817B1 (ko) 2016-09-12

Family

ID=56950457

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150066863A KR101656817B1 (ko) 2015-05-13 2015-05-13 그라파이트 시트 제조방법 및 이에 사용되는 원료 필름 롤 구조체

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101656817B1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60181129A (ja) 1984-02-28 1985-09-14 Agency Of Ind Science & Technol 高導電性ポリイミド熱処理物及びその組成物の製造法
JPS61275116A (ja) 1985-05-30 1986-12-05 Res Dev Corp Of Japan グラフアイトフイルムおよび繊維の製造方法
JPH063239B2 (ja) * 1988-02-09 1994-01-12 ボーゲ・アクチエンゲゼルシャフト 調整可能な振動ダンパ
JPH07109171A (ja) 1993-10-15 1995-04-25 Matsushita Electric Ind Co Ltd グラファイト熱伝導体およびそれを用いたコールドプレート
JP5602956B2 (ja) * 2011-11-30 2014-10-08 株式会社カネカ グラファイトフィルム及びグラファイトフィルムの製造方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60181129A (ja) 1984-02-28 1985-09-14 Agency Of Ind Science & Technol 高導電性ポリイミド熱処理物及びその組成物の製造法
JPS61275116A (ja) 1985-05-30 1986-12-05 Res Dev Corp Of Japan グラフアイトフイルムおよび繊維の製造方法
JPH063239B2 (ja) * 1988-02-09 1994-01-12 ボーゲ・アクチエンゲゼルシャフト 調整可能な振動ダンパ
JPH07109171A (ja) 1993-10-15 1995-04-25 Matsushita Electric Ind Co Ltd グラファイト熱伝導体およびそれを用いたコールドプレート
JP5602956B2 (ja) * 2011-11-30 2014-10-08 株式会社カネカ グラファイトフィルム及びグラファイトフィルムの製造方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3670416B2 (ja) 金属包含材および静電チャック
KR101554912B1 (ko) 그라파이트 제조방법 및 이에 사용되는 소성로
CN102149633B (zh) 碳质膜的制造方法及由其制得的石墨膜
JP3129087B2 (ja) グラファイト層状体
WO2006101084A1 (ja) 炭素繊維及びその（連続）製造方法、並びにそれを用いた触媒構造体、固体高分子型燃料電池用電極及び固体高分子型燃料電池
KR20180109937A (ko) 흑연막 및 흑연 테이프
KR101473432B1 (ko) 그라파이트의 제조방법
US6783747B1 (en) Graphite carbon powder, and method and apparatus for producing the same
KR101612529B1 (ko) 그라파이트 제조를 위한 가압용 도가니
EP3066047B1 (en) A graphite article
KR101669155B1 (ko) 고열전도율을 갖는 그라파이트 시트의 제조방법
Gao et al. 3D printed thick reduced graphene oxide: manganese oxide/carbon nanotube hybrid electrode with highly ordered microstructures for supercapacitors
KR101656817B1 (ko) 그라파이트 시트 제조방법 및 이에 사용되는 원료 필름 롤 구조체
KR102287921B1 (ko) 그라파이트 시트 및 이의 제조방법
KR101605414B1 (ko) 고품질의 그라파이트 시트 제조방법
KR101644096B1 (ko) 그라파이트 시트 제조를 위한 용기
KR101471397B1 (ko) 그라파이트의 제조방법
JP2006273645A (ja) 有機物の連続焼成装置及び連続焼成方法、炭素材料並びにそれを用いた触媒構造体、固体高分子型燃料電池用電極及び固体高分子型燃料電池
CN114873587A (zh) 石墨烯导热膜及其制备方法
JPH06100367A (ja) 異方性炭素−炭素複合材料およびその製造方法
KR20220016582A (ko) 후막 그라파이트 포일 및 그 제조방법
WO2020183911A1 (ja) グラファイトの製造方法および製造装置
JP2002114573A (ja) 導電性カーボン多孔体の作製方法及びその方法で作製した導電性カーボン多孔体
JP2964710B2 (ja) グラファイトの製造方法
KR20190030069A (ko) 메조카본 마이크로비드의 개질을 이용한 바인더리스 탄소블록의 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190701

Year of fee payment: 4