KR101905248B1 - 탄소섬유 분리판 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

표면 평탄도가 우수하면서 고 강도를 갖는 탄소섬유 분리판 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 탄소섬유 분리판은 제1 두께를 갖는 제1 탄소섬유 직조물 구조체; 및 상기 제1 탄소섬유 직조물 구조체의 상면 및 하면 상에 적층되며, 상기 제1 두께보다 얇은 제2 두께를 갖는 제2 탄소섬유 직조물 구조체;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

탄소섬유 분리판 및 그 제조 방법{CARBON FIBER SEPARATOR AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 탄소섬유 분리판 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면 평탄도가 우수하면서 고 강도를 갖는 탄소섬유 분리판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
레독스 흐름전지는 다른 이차전지에 비하여 가격이 저렴하고 안전한 시스템이기 때문에 에너지 저장 시스템(Energy Storage System : ESS)을 위한 대형 이차전지로 주목을 받고 있다. 이러한 레독스 흐름전지는 복수의 단위전지가 적층된 전지셀 및 2개의 전해질 탱크로 어루어지며, 각 단위전지는 한 쌍의 분리판과 한 쌍의 전극, 그리고 이온전도성 멤브레인으로 구성된다.
레독스 흐름전지는 충방전시 전극 표면에서 전해질의 산화 및 환원 반응이 일어나면서 전기에너지와 화학에너지 간의 변환이 일어나는 원리로 구동되는 전지이다. 이때, 분리판은 전극으로 전자를 효율적으로 전달시켜 전지의 에너지 효율을 향상시키고, 전해질이 레독스 흐름전지의 외부로 누출되지 않도록 막아주는 역할을 한다. 이를 위해, 분리판은 우수한 전기전도성이 요구되며, 산성의 전해질 환경에서도 내화학성이 우수할 것을 요구하고 있다.
이에 따라, 최근에는 전기전도성 및 내화학성을 만족시키기 위해, 탄소섬유 직조물에 열경화성 수지를 함침시킨 탄소섬유 분리판을 제조하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
일반적으로, 탄소섬유 직조물은 탄소섬유가 위사와 경사로 연결되어 전기전도성 경로를 형성하므로 수평 방향과 수직 방향의 전기전도도가 모두 우수한 특징이 있으나, 탄소섬유 직조물의 경우 그 표면이 평탄하지 못한 관계로 요철부가 형성될 수 있으며, 이러한 요철부에 의해 레독스 흐름전지의 구동시 전해질이 누수되는 문제가 빈번히 발생하고 있다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 등록특허 제10-0901362호(2009.06.05 공고)가 있으며, 상기 문헌에는 연료 전지용 분리판 및 그 제조 방법이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 우수한 표면 평탄도와 고 강도를 동시에 확보할 수 있는 탄소섬유 분리판 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 분리판은 제1 두께를 갖는 제1 탄소섬유 직조물 구조체; 및 상기 제1 탄소섬유 직조물 구조체의 상면 및 하면 상에 적층되며, 상기 제1 두께보다 얇은 제2 두께를 갖는 제2 탄소섬유 직조물 구조체;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 분리판 제조 방법은 (a) 제1 탄소섬유 직조물에 제1 열경화성 수지를 함침시켜 제1 탄소섬유 직조물 구조체를 형성하는 단계; (b) 제2 탄소섬유 직조물에 제2 열경화성 수지를 함침시켜 제2 탄소섬유 직조물 구조체를 형성하는 단계; (c) 상기 제1 탄소섬유 직조물 구조체의 상면 및 하면에 상기 제2 탄소섬유 직조물 구조체를 각각 적층하는 단계; 및 (d) 상기 제1 및 제2 탄소섬유 직조물 구조체를 핫 프레스로 압착 및 경화하여 탄소섬유 분리판을 수득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 탄소섬유 분리판 및 그 제조 방법은 탄소섬유 직조물을 넓게 펼쳐 두께 편차를 최소화시킨 박판 형태를 갖는 2장의 제2 탄소섬유 직조물 구조체들 사이에 후판 형태의 제1 탄소섬유 직조물 구조체를 삽입시킨 샌드위치 구조를 갖는다.
따라서, 본 발명에 따른 탄소섬유 분리판 및 그 제조 방법은 최외곽에 배치되는 박판 형태를 갖는 2장의 제2 탄소섬유 직조물 구조체를 통한 우수한 표면 평탄도의 확보로 전해질의 누수 문제를 해결할 수 있으면서도 제2 탄소섬유 직조물 구조체의 얇은 두께로 인한 기계적 물성의 저하를 중간에 삽입 배치되는 후판 형태의 제1 탄소섬유 직조물 구조체가 보완할 수 있으므로, 우수한 표면 평탄도와 고 강도를 동시에 확보할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 탄소섬유 분리판 및 그 제조 방법은 제2 탄소섬유 직조물 구조체의 제2 탄소섬유 직조물의 경우, 복수의 섬유다발들을 넓게 펼쳐 두께 편차를 최소화시킨 상태이므로 단위 전지의 전극과 맞닿는 접촉면적이 확장되는데 기인하여 전기전도성을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 분리판을 나타낸 사시도.
도 2는 도 1의 제1 탄소섬유 직조물 구조체를 확대하여 나타낸 사시도.
도 3은 도 1의 제2 탄소섬유 직조물 구조체를 확대하여 나타낸 사시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 분리판의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 5는 실시예 1에 따라 제조된 탄소섬유 분리판을 촬영한 SEM 사진.
도 6은 비교예 1에 따라 제조된 탄소섬유 분리판을 촬영한 SEM 사진.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소섬유 분리판 및 그 제조 방법에 관하여 상세한 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 분리판을 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 제1 탄소섬유 직조물 구조체를 확대하여 나타낸 사시도이고, 도 3은 도 1의 제2 탄소섬유 직조물 구조체를 확대하여 나타낸 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 분리판(100)은 제1 탄소섬유 직조물 구조체(120) 및 제2 탄소섬유 직조물 구조체(140)를 포함한다. 이러한 제1 및 제2 탄소섬유 직조물 구조체(120, 140)는 핫 프레스(hot press) 방식에 의해 압착되어 상호 간이 접합되는 구조를 갖는다.
제1 탄소섬유 직조물 구조체(120)는 상당히 얇은 두께로 형성되는 박판형의 제2 탄소섬유 직조물 구조체(140)의 강도 보강을 위해 설치하는 것으로, 제2 탄소섬유 직조물 구조체(140)에 비하여 두꺼운 후판 형태를 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 제1 탄소섬유 직조물 구조체(120)는 200 ~ 600㎛의 제1 두께를 갖는 것이 바람직하다. 제1 두께가 200㎛ 미만일 경우에는 그 두께가 얇아 제2 탄소섬유 직조물 구조체(140)를 안정적으로 지지할 수 있는 기계적 물성을 확보하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 제1 두께가 600㎛를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 두께 및 부피만을 증가시키는 요인으로 작용하여 경량화 및 박형화에 역행하는 결과를 초래할 수 있으므로, 바람직하지 못하다.
제1 탄소섬유 직조물 구조체(120)는 적어도 하나 이상이 수직적으로 적층된 제1 탄소섬유 직조물(122)과, 제1 탄소섬유 직조물(122)에 함침된 제1 수지층(124)을 포함한다. 이때, 도 1에서는 제1 탄소섬유 직조물(122) 2장이 수직적으로 적층되고, 2장의 제1 탄소섬유 직조물(122)에 제1 수지층(124)이 함침된 구조를 일 예로 나타낸 것이다.
제1 탄소섬유 직조물(122)은 1,000 ~ 70,000 가닥이 모인 섬유다발들을 위사 및 경사로 각각 직조하는 것에 의해 제조될 수 있다. 이때, 제1 탄소섬유 직조물(122)의 섬유다발들은 원형 또는 타원형의 단면 구조를 갖는다. 그리고, 제1 탄소섬유 직조물(122)의 섬유다발들은 평균 이격 간격이 1.0 ~ 5.0mm일 수 있다.
제1 수지층(124)은 제1 탄소섬유 직조물(122)을 함침시키기 위해 사용된다. 이러한 제1 수지층(124)은 페놀 수지, 에폭시 수지, 아미노 수지, 우레아 수지, 멜라민 수지, 불포화 폴리에스텔 수지, 폴리우레탄 수지 및 폴리이미드 수지를 포함하는 열경화성 수지 중 선택된 어느 하나의 재질로 형성된다.
제2 탄소섬유 직조물 구조체(140)는 제1 탄소섬유 직조물 구조체(120)의 상면 및 하면 상에 각각 적층된다. 이러한 제2 탄소섬유 직조물 구조체(140)는 제2 탄소섬유 직조물(142)과, 제2 탄소섬유 직조물(142)에 함침된 제2 수지층(144)을 포함한다. 또한, 제2 탄소섬유 직조물 구조체(140)는 전기전도성을 향상시키기 위한 목적으로 전도성 필러(미도시)를 더 포함할 수 있다.
특히, 제2 탄소섬유 직조물(140)은 복수의 섬유다발들을 넓게 펼쳐 두께 편차를 최소화시킨 것을 이용하는 것이 바람직한데, 이는 우수한 평탄도를 확보함과 더불어 단위 전지의 전극과 맞닿는 접촉면적을 확장시켜 전기전도성을 향상시키기 위함이다.
이와 같이, 복수의 섬유다발들을 압착하여 넓게 펼치는데 기인하여, 제2 탄소섬유 직조물(142)의 섬유다발들 각각은 띠 형상의 단면 구조를 갖는다. 이러한 제2 탄소섬유 직조물(142)은 1,000 ~ 70,000 가닥이 모인 섬유다발들을 위사 및 경사로 각각 직조하는 것에 의해 제조될 수 있다. 또한, 제2 탄소섬유 직조물(142)의 섬유다발들은 평균 이격 간격이 5 ~ 7mm로 배치된다. 따라서, 제2 탄소섬유 직조물(142)의 섬유다발들은 제1 탄소섬유 직조물(122)의 섬유다발들에 비하여 상당히 넓은 간격으로 이격 배치된다.
이때, 제2 탄소섬유 직조물 구조체(140)는 40 ~ 150㎛의 제2 두께를 갖는 것이 바람직하다. 제2 두께가 40㎛ 미만일 경우에는 너무 얇은 두께를 가지므로 커팅성을 저하시키며, 핸들링하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 제2 두께가 150㎛를 초과할 경우에는 두께 증가로 인해 표면 평탄화 효과를 제대로 발휘하지 못할 우려가 크다.
제2 수지층(144)은 제2 탄소섬유 직조물(142)을 함침시키기 위해 사용된다. 이러한 제2수지층(144)은, 제1 수지층(124)과 마찬가지로, 페놀 수지, 에폭시 수지, 아미노 수지, 우레아 수지, 멜라민 수지, 불포화 폴리에스텔 수지, 폴리우레탄 수지 및 폴리이미드 수지를 포함하는 열경화성 수지 중 선택된 어느 하나의 재질로 형성된다.
전도성 필러는 전기전도성을 향상시키기 위해 제2 수지층(144)에 첨가되어 분산 배치될 수 있다. 이러한 전도성 필러로는 탄소나노튜브(carbon nanotube), 흑연분말(graphite powder), 탄소 단섬유(chopped carbon fiber), 카본블랙(carbon black) 및 카본분말(carbon powder) 중 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 분리판은 탄소섬유 직조물을 넓게 펼쳐 두께 편차를 최소화시킨 박판 형태를 갖는 2장의 제2 탄소섬유 직조물 구조체들 사이에 후판 형태의 제1 탄소섬유 직조물 구조체를 삽입시킨 샌드위치 구조를 갖는다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 분리판은 최외곽에 배치되는 박판 형태를 갖는 2장의 제2 탄소섬유 직조물 구조체를 통한 우수한 표면 평탄도의 확보로 전해질의 누수 문제를 해결할 수 있으면서도 제2 탄소섬유 직조물 구조체의 얇은 두께로 인한 기계적 물성의 저하를 중간에 삽입 배치되는 후판 형태의 제1 탄소섬유 직조물 구조체가 보완할 수 있으므로, 우수한 표면 평탄도와 고 강도를 동시에 확보할 수 있는 구조적인 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 분리판은 제2 탄소섬유 직조물 구조체의 제2 탄소섬유 직조물의 경우, 복수의 섬유다발들을 넓게 펼쳐 두께 편차를 최소화시킨 상태이므로 단위 전지의 전극과 맞닿는 접촉면적이 확장되는데 기인하여 전기전도성을 향상시킬 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 분리판의 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 분리판의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소섬유 분리판의 제조 방법은 제1 탄소섬유 직조물 구조체 형성 단계(S210), 제2 탄소섬유 직조물 구조체 형성 단계(S220), 적층 단계(S230) 및 핫 프레스 단계(S240)를 포함한다.
제1 탄소섬유 직조물 구조체 형성
제1 탄소섬유 직조물 구조체 형성 단계(S210)에서는 제1 탄소섬유 직조물에 제1 열경화성 수지를 함침시켜 제1 탄소섬유 직조물 구조체를 형성한다.
본 단계에서, 제1 열경화성 수지는 페놀 수지, 에폭시 수지, 아미노 수지, 우레아 수지, 멜라민 수지, 불포화 폴리에스텔 수지, 폴리우레탄 수지 및 폴리이미드 수지를 포함하는 열경화성 수지 중 선택된 어느 하나의 재질을 이용할 수 있다.
제1 열경화성 수지를 균일하게 함침시키기 위해, 나이프 코팅(knife coating), 스프레이 코팅(spray coating), 딥 코팅(dip coating) 및 바 코팅(bar coating) 방법 중 어느 하나 이상을 이용하여 액상의 제1 열경화성 수지를 도포한다. 이러한 도포를 실시한 이후에는 제1 열경화성 수지를 경화시키게 된다.
이에 따라, 제1 탄소섬유 직조물 구조체는 적어도 하나 이상이 수직적으로 적층된 제1 탄소섬유 직조물과, 제1 탄소섬유 직조물에 함침된 제1 수지층을 포함할 수 있다. 이때. 제1 탄소섬유 직조물은 1장을 이용하거나, 또는 2장 이상의 여러장을 수직적으로 적층한 것을 이용할 수도 있다.
이때, 제1 탄소섬유 직조물은 1,000 ~ 70,000 가닥이 모인 섬유다발들을 위사 및 경사로 각각 직조하는 것에 의해 제조된 것이 이용될 수 있다. 이러한 제1 탄소섬유 직조물의 섬유다발들은 원형 또는 타원형의 단면 구조를 갖는다. 그리고, 제1 탄소섬유 직조물의 섬유다발들은 평균 이격 간격이 1.0 ~ 5.0mm일 수 있다.
제2 탄소섬유 직조물 구조체 형성
제2 탄소섬유 직조물 구조체 형성 단계(S220)에서는 제2 탄소섬유 직조물에 제2 열경화성 수지를 함침시켜 제2 탄소섬유 직조물 구조체를 형성한다.
본 단계에서, 제2 열경화성 수지는, 제1 열경화성 수지와 마찬가지로, 페놀 수지, 에폭시 수지, 아미노 수지, 우레아 수지, 멜라민 수지, 불포화 폴리에스텔 수지, 폴리우레탄 수지 및 폴리이미드 수지를 포함하는 열경화성 수지 중 선택된 어느 하나의 재질을 이용할 수 있다.
제2 열경화성 수지를 균일하게 함침시키기 위해, 나이프 코팅(knife coating), 스프레이 코팅(spray coating), 딥 코팅(dip coating) 및 바 코팅(bar coating) 방법 중 어느 하나 이상을 이용하여 액상의 제2 열경화성 수지를 도포한다. 이러한 도포를 실시한 이후에는 제2 열경화성 수지를 경화시키게 된다.
이에 따라, 제2 탄소섬유 직조물 구조체는 제2 탄소섬유 직조물과, 제2 탄소섬유 직조물에 함침된 제2 수지층을 포함한다. 이때, 제2 탄소섬유 직조물은 복수의 섬유다발들을 넓게 펼쳐 두께 편차를 최소화시킨 것을 이용하는 것이 바람직한데, 이는 우수한 평탄도를 확보함과 더불어 단위 전지의 전극과 맞닿는 접촉면적을 확장시켜 전기전도성을 향상시키기 위함이다.
이와 같이, 복수의 섬유다발들을 압착하여 넓게 펼치는데 기인하여, 제2 탄소섬유 직조물의 섬유다발들 각각은 띠 형상의 단면 구조를 갖는다. 또한, 제2 탄소섬유 직조물의 섬유다발들은 평균 이격 간격이 5 ~ 7mm로 배치된다. 따라서, 제2 탄소섬유 직조물의 섬유다발들은 제1 탄소섬유 직조물의 섬유다발들에 비하여 상당히 넓은 간격으로 이격 배치된다.
적층
적층 단계(S230)에서는 제1 탄소섬유 직조물 구조체의 상면 및 하면에 상기 제2 탄소섬유 직조물 구조체를 각각 적층한다. 이에 따라, 2장의 제2 탄소섬유 직조물 구조체들의 사이에 1장의 제1 탄소섬유 직조물 구조체가 삽입 배치되어 샌드위치 구조를 갖게 된다.
핫 프레스
핫 프레스 단계(S240)에서는 제1 및 제2 탄소섬유 직조물 구조체를 핫 프레스로 압착 및 경화하여 탄소섬유 분리판을 수득한다.
이때, 핫 프레스는 120 ~ 180℃ 및 20 ~ 30ton의 조건으로 30 ~ 60분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 핫 프레스 온도가 120℃ 미만이거나, 핫 프레스 시간이 30분 미만일 경우에는 충분한 경화가 이루어지지 않을 우려가 크다. 반대로, 핫 프레스 온도가 180℃를 초과하거나, 핫 프레스 시간이 60분을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 제조비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
또한, 핫 프레스 압력이 20ton 미만일 경우에는 제1 및 제2 탄소섬유 직조물 구조체 간의 계면 부착력이 충분하지 못하여 박리가 일어날 수 있다. 반대로, 핫 프레스 압력이 30ton을 초과할 경우에는 과도한 압력으로 인해 제1 및 제2 탄소섬유 직조물 구조체에 크랙 등의 손상이 가해질 우려가 있다.
이러한 핫 프레스 단계(S240)를 실시한 후, 제1 탄소섬유 직조물 구조체는 제1 두께를 갖고, 제2 탄소섬유 직조물 구조체는 제1 두께보다 얇은 제2 두께를 갖는다. 보다 구체적으로, 제1 두께는 200 ~ 600㎛를 갖고, 제2 두께는 40 ~ 150㎛를 갖는다.
상기의 과정(S210 ~ S240)에 의해 제조되는 탄소섬유 분리판은 탄소섬유 직조물을 넓게 펼쳐 두께 편차를 최소화시킨 박판 형태를 갖는 2장의 제2 탄소섬유 직조물 구조체들 사이에 후판 형태의 제1 탄소섬유 직조물 구조체를 삽입시킨 샌드위치 구조를 갖는 바, 최외곽에 배치되는 박판 형태를 갖는 2장의 제2 탄소섬유 직조물 구조체를 통한 우수한 표면 평판도의 확보로 전해질의 누수 문제를 해결할 수 있으면서도 제2 탄소섬유 직조물 구조체의 얇은 두께로 인한 기계적 물성의 저하를 중간에 삽입 배치되는 후판 형태의 제1 탄소섬유 직조물 구조체가 보완할 수 있으므로, 우수한 표면 평탄도와 고 강도를 동시에 확보할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되는 탄소섬유 분리판은 제2 탄소섬유 직조물 구조체의 제2 탄소섬유 직조물의 경우, 복수의 섬유다발들을 넓게 펼쳐 두께 편차를 최소화시킨 상태이므로 단위 전지의 전극과 맞닿는 접촉면적이 확장되는데 기인하여 전기전도성을 향상시킬 수 있게 된다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 탄소섬유 분리판 제조
실시예 1
2장의 후판형 탄소섬유 직조물을 수직적으로 적층시킨 후, 2장의 후판형 탄소섬유 직조물을 에폭시 수지에 함침시켜 500㎛ 두께의 후판형 탄소섬유 직조물 구조체를 제조하였다. 이때, 후판형 탄소섬유 직조물은 3,000 가닥이 모여 원형 단면을 가지며, 평균 이격 간격이 1.4mm를 갖는 섬유다발들이 위사 및 경사로 각각 직조된 것을 이용하였다.
다음으로, 박판형 탄소섬유 직조물을 에폭시 수지에 함침시켜 140㎛ 두께의 박판형 탄소섬유 직조물 구조체를 제조하였다. 이때, 박판형 탄소섬유 직조물로는 10,000 가닥이 모여 띠 단면을 가지며, 평균 이격 간격이 6mm를 갖는 섬유다발들이 위사 및 경사로 각각 직조된 것을 이용하였다.
다음으로, 후판형 탄소섬유 직조물 구조체의 상면 및 하면에 박판형 탄소섬유 직조물 구조체를 각각 적층한 후, 150℃ 및 25ton의 조건으로 40분 동안 핫 프레스로 압착 및 경화하여 탄소섬유 분리판을 제조하였다.
실시예 2
140℃ 및 27ton의 조건으로 30분 동안 핫 프레스로 압착 및 경화한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소섬유 분리판을 제조하였다.
실시예 3
130℃ 및 22ton의 조건으로 50분 동안 핫 프레스로 압착 및 경화한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소섬유 분리판을 제조하였다.
비교예 1
2장의 후판형 탄소섬유 직조물을 수직적으로 적층시킨 후, 2장의 후판형 탄소섬유 직조물을 에폭시 수지에 함침시켜 500㎛ 두께의 후판형 탄소섬유 직조물 구조체를 제조하였다. 이때, 후판형 탄소섬유 직조물은 3,000 가닥이 모여 원형 단면을 가지며, 평균 이격 간격이 1.4mm를 갖는 섬유다발들이 위사 및 경사로 각각 직조된 것을 이용하였다.
다음으로, 후판형 탄소섬유 직조물 구조체를 150℃ 및 25ton의 조건으로 40분 동안 핫 프레스로 압착 및 경화하여 탄소섬유 분리판을 제조하였다.
비교예 2
120℃ 및 27ton의 조건으로 40분 동안 핫 프레스로 압착 및 경화한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 탄소섬유 분리판을 제조하였다.
2. 미세조직 관찰
도 5는 실시예 1에 따라 제조된 탄소섬유 분리판을 촬영한 SEM 사진이고, 도 6은 비교예 1에 따라 제조된 탄소섬유 분리판을 촬영한 SEM 사진이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 실시예 1에 따라 제조된 탄소섬유 분리판은 중간의 후판형 탄소섬유 직조물 구조체의 상부 및 하부에 각각 적층된 박판형 탄소섬유 직조물 구조체가 우수한 표면 평탄도를 갖는 것을 확인할 수 있다.
반면, 도 6에 도시된 바와 같이, 비교예 1에 따라 제조된 탄소섬유 분리판은 후판형 탄소섬유 직조물 구조체만으로 이루어지는데 기인하여 표면이 울퉁불퉁한 굴곡면을 갖는 것을 확인할 수 있다.
3. 전도성 평가
표 1은 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 탄소섬유 분리판에 대한 전도성 평가 결과를 나타낸 것이다.
1) 접촉저항 측정
측정 방법 : 구리 전극 / GDL / 분리판 / GDL / 구리 전극의 순서대로 적층한 후, 양쪽의 구리 전극에 5A의 전류를 인가하면서, 구리 전극 사이에서 발생하는 전압 강하를 측정하였다. 여기서 나온 전압에 가해준 전류 값을 나누어 저항을 측정하고, 측정에 사용된 분리판의 면적을 곱해주었다. 이때, 분리판은 가로 5cm, 세로 5cm 이었다.
구리 전극과 GDL 사이의 접촉 저항을 빼주기 위해, 구리 전극 / GDL / 구리 전극의 순서대로 적층한 후 저항을 측정하였고, 위의 값에서 빼주어 분리판의 접촉 저항을 계산하였다.
[표 1]
Figure 112015120665831-pat00001
표 1에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 3에 따라 제조된 탄소섬유 분리판의 접촉저항 값이 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 탄소섬유 분리판의 접촉 저항 값에 비하여 낮게 나타난 것을 확인할 수 있다. 이 결과, 실시예 1 ~ 3이 비교예 1 ~ 2에 비하여 우수한 전도성을 갖는다는 것을 알 수 있다.
위의 실험 결과를 토대로 알 수 있는 바와 같이, 후판형 탄소섬유 직조물 구조체의 상면 및 하면에 박판형 탄소섬유 직조물 구조체를 적층할 경우, 우수한 표면 평탄도를 가질 뿐만 아니라, 전극과의 접촉 면적의 증가로 전기전도성이 좋아진다는 것을 확인하였다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 탄소섬유 분리판
120 : 제1 탄소섬유 직조물 구조체
122 : 제1 탄소섬유 직조물
124 : 제1 수지층
140 : 제2 탄소섬유 직조물 구조체
142 : 제2 탄소섬유 직조물
144 : 제2 수지층
S210 : 제1 탄소섬유 직조물 구조체 형성 단계
S220 : 제2 탄소섬유 직조물 구조체 형성 단계
S230 : 적층 단계
S240 : 핫 프레스 단계

Claims (17)

  1. 제1 두께를 갖는 제1 탄소섬유 직조물 구조체; 및
    상기 제1 탄소섬유 직조물 구조체의 상면 및 하면 상에 적층되며, 상기 제1 두께보다 얇은 제2 두께를 갖는 제2 탄소섬유 직조물 구조체;를 포함하고,
    상기 제1 탄소섬유 직조물 구조체는 적어도 하나 이상이 수직적으로 적층된 제1 탄소섬유 직조물과, 상기 제1 탄소섬유 직조물에 함침된 제1 수지층을 포함하고,
    상기 제2 탄소섬유 직조물 구조체는 제2 탄소섬유 직조물과, 상기 제2 탄소섬유 직조물에 함침된 제2 수지층을 포함하며, 상기 제2 탄소섬유 직조물 구조체는 전도성 필러를 더 포함하는 탄소섬유 분리판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 탄소섬유 직조물 구조체는
    상호 간이 핫 프레스에 의해 압착되어 접합된 탄소섬유 분리판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 두께는 200 ~ 600㎛이고,
    상기 제2 두께는 40 ~ 150㎛인 탄소섬유 분리판.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 탄소섬유 직조물은 각각
    1,000 ~ 70,000 가닥이 모인 섬유다발들을 위사 및 경사로 각각 직조하는 것에 의해 제조된 탄소섬유 분리판.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 탄소섬유 직조물의 섬유다발들 각각은
    원형 또는 타원형의 단면 구조를 갖는 탄소섬유 분리판.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 탄소섬유 직조물의 섬유다발들은
    평균 이격 간격이 1.0 ~ 5.0mm인 탄소섬유 분리판.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제2 탄소섬유 직조물의 섬유다발들 각각은
    띠 형상의 단면 구조를 갖는 탄소섬유 분리판.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제2 탄소섬유 직조물의 섬유다발들은
    평균 이격 간격이 5 ~ 7mm인 탄소섬유 분리판.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 수지층은 각각
    페놀 수지, 에폭시 수지, 아미노 수지, 우레아 수지, 멜라민 수지, 불포화 폴리에스텔 수지, 폴리우레탄 수지 및 폴리이미드 수지를 포함하는 열경화성 수지 중 선택된 어느 하나의 재질로 형성된 탄소섬유 분리판.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 필러는
    탄소나노튜브(carbon nanotube), 흑연분말(graphite powder), 탄소 단섬유(chopped carbon fiber), 카본블랙(carbon black) 및 카본분말(carbon powder) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 탄소섬유 분리판.
  13. (a) 제1 탄소섬유 직조물에 제1 열경화성 수지를 함침시켜 제1 탄소섬유 직조물 구조체를 형성하는 단계;
    (b) 제2 탄소섬유 직조물에 제2 열경화성 수지를 함침시켜 제2 탄소섬유 직조물 구조체를 형성하는 단계;
    (c) 상기 제1 탄소섬유 직조물 구조체의 상면 및 하면에 상기 제2 탄소섬유 직조물 구조체를 각각 적층하는 단계; 및
    (d) 상기 제1 및 제2 탄소섬유 직조물 구조체를 핫 프레스로 압착 및 경화하여 탄소섬유 분리판을 수득하는 단계;
    를 포함하는 탄소섬유 분리판 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 탄소섬유 직조물은
    적어도 하나 이상이 수직적으로 적층된 탄소섬유 분리판 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 수지층은 각각
    페놀 수지, 에폭시 수지, 아미노 수지, 우레아 수지, 멜라민 수지, 불포화 폴리에스텔 수지, 폴리우레탄 수지 및 폴리이미드 수지를 포함하는 열경화성 수지 중 선택된 어느 하나의 재질을 이용하는 탄소섬유 분리판 제조 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서,
    상기 핫 프레스는
    120 ~ 180℃ 및 20 ~ 30ton의 조건으로 30 ~ 60분 동안 실시하는 탄소섬유 분리판 제조 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 (d) 단계 이후,
    상기 제1 탄소섬유 직조물 구조체는 제1 두께를 갖고,
    상기 제2 탄소섬유 직조물 구조체는 상기 제1 두께보다 얇은 제2 두께를 갖는 탄소섬유 분리판 제조 방법.
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