KR101926457B1 - 복합재 분리판 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

표면과 두께 방향 모두의 전기전도성을 향상시킬 수 있는 복합재 분리판 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 복합재 분리판은 탄소섬유 직조물; 상기 탄소섬유 직조물의 내부에 충진된 전도성 분말; 및 상기 탄소섬유 직조물의 상면 및 하면에 각각 배치되어, 상기 탄소섬유 직조물과 합착된 상부 및 하부 전도성 코팅층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

복합재 분리판 및 그 제조 방법{COMPOSITE MATERIALS SEPARATOR AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 복합재 분리판 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 표면과 두께 방향 모두의 전기전도성을 향상시킬 수 있는 복합재 분리판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
연료전지 스택의 구성요소인 분리판은 반응 가스(수소 및 산소)의 공급과 물의 배출 통로로서의 기능을 갖고 있으며, 연료전지 스택의 내부를 전기적으로 연결시켜 준다. 이러한 기능을 위해, 분리판은 우수한 전기전도성과 기계적 물성, 내부식성 및 낮은 수소 투과율이 요구된다.
최근, 대형 이차전지 중에서 크게 주목을 받고 있는 수소연료전지, 레독스 흐름전지 등에서도 분리판이 포함된다. 이와 같이, 산성 분위기에서 구동하는 수소연료전지 및 레독스 흐름전지는 전기전도성과 기계적 물성, 내부식성, 내화학성 및 전해질 불침투성 등의 특성이 요구된다.
이를 만족하기 위해, 종래에는 탄소섬유 직조물에 열경화성 수지를 함침시킨 복합재 분리판을 제조하고 있다. 이러한 복합재 분리판에 전기 전도성을 부여하기 위해서는 열경화성 수지의 내부에 고전도성을 갖는 전도성 분말을 다량 혼합해야 한다.
그러나, 전도성 분말을 열경화성 수지에 다량 혼합할 경우 높은 강도 및 연료물질의 차단율을 확보할 수 없으며, 다량의 전도성 분말을 첨가하더라도 전기적 특성을 확보하는데 어려움이 따르고 있다.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0120257호(2005.12.22. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 연료전지용 탄소복합재 분리판이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 표면과 두께 방향 모두의 전기전도성을 향상시킬 수 있는 복합재 분리판 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 복합재 분리판은 탄소섬유 직조물; 상기 탄소섬유 직조물의 내부에 충진된 전도성 분말; 및 상기 탄소섬유 직조물의 상면 및 하면에 각각 배치되어, 상기 탄소섬유 직조물과 합착된 상부 및 하부 전도성 코팅층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 복합재 분리판 제조 방법은 (a) 탄소섬유 직조물의 내부에 전도성 분말을 충진하는 단계; (b) 상기 전도성 분말이 충진된 탄소섬유 직조물의 상면 및 하면에 상부 및 하부 전도성 코팅층을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 탄소섬유 직조물과 상부 및 하부 전도성 코팅층을 핫 프레스로 압착 및 경화하여 복합재 분리판을 수득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 복합재 분리판 및 그 제조 방법은 탄소섬유 직조물의 내부에 파우더 상태의 전도성 분말을 먼저 충진시킨 후, 전도성 분말이 충진된 탄소섬유 직조물의 양면에 상부 및 하부 전도성 코팅층을 형성하는 것에 의해, x-축 및 y-축 방향의 표면 전기전도도와 더불어 z-축 방향의 수직 전기전도성을 개선할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 복합재 분리판은 탄소섬유 직조물의 양면에 형성된 상부 및 하부 전도성 코팅층에 의해 x-축 및 y-축 방향의 표면 전기전도도를 확보할 수 있음과 더불어, 탄소섬유 직조물의 내부에 충진된 전도성 분말이 탄소섬유 직조물의 사이 사이를 유기적으로 연결시키는 구조를 가짐에 따라 z-축 방향의 수직 전기적 특성이 개선되어 접촉저항이 개선될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합재 분리판을 나타낸 단면도.
도 2는 도 1의 탄소섬유 직조물을 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복합재 분리판 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 복합재 분리판 제조 방법을 나타낸 공정 단면도.
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 복합재 분리판 및 그 제조 방법에 관하여 상세한 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합재 분리판을 나타낸 단면도이고, 도 2는 도 1의 탄소섬유 직조물을 나타낸 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 복합재 분리판(100)은 탄소섬유 직조물(110), 전도성 분말(120)과 상부 및 하부 전도성 코팅층(130, 140)을 포함한다. 이때, 전도성 분말(120)은 탄소섬유 직조물(110)의 내부에 충진되며, 전도성 분말(120)이 충진된 탄소섬유 직조물(110)은 상부 및 하부 전도성 코팅층(130, 140)과 핫 프레스(hot press) 방식에 의해 압착되어 상호 간이 접합되는 구조를 갖는다.
탄소섬유 직조물(110)은 복합재 분리판(100)의 중간에 배치되는 코어(core) 기재로 사용되어, 복합재 분리판(100)의 기계적 강도를 향상시키는 역할을 한다. 이러한 탄소섬유 직조물(110)은 200 ~ 400㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 탄소섬유 직조물(110)의 두께가 200㎛ 미만일 경우에는 그 두께가 얇아 기계적 강도 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 탄소섬유 직조물(110)의 두께가 400㎛를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 두께 및 부피만을 증가시키는 요인으로 작용하여 경량화 및 박형화에 역행하는 결과를 초래할 수 있으므로, 바람직하지 못하다.
이러한 탄소섬유 직조물(110)은 적어도 하나 이상이 수직적으로 적층될 수 있다. 탄소섬유 직조물(110)은 1,000 ~ 70,000 가닥이 모인 섬유다발들을 위사 및 경사로 각각 직조하는 것에 의해 제조될 수 있다. 이에 따라, 탄소섬유 직조물(110)은 위사 방향으로 배치된 위사 탄소섬유(112)와 경사 방향으로 배치된 경사 탄소섬유(114)를 포함할 수 있다.
이때, 탄소섬유 직조물(110)의 섬유다발들은 원형 또는 타원형의 단면 구조를 갖는다. 그리고, 탄소섬유 직조물(110)의 섬유다발들은 평균 이격 간격이 1.5 ~ 2.0mm일 수 있다.
전도성 분말(120)은 탄소섬유 직조물(110)의 내부에 충진된다. 이러한 전도성 분말(120)은 탄소섬유 직조물(110)의 내부에 코팅 방식에 의해 충진되어 z-축의 수직 전기전도성을 향상시키는 역할을 한다.
이를 위해, 전도성 분말(120)은 탄소나노튜브(carbon nanotube), 흑연분말(graphite powder), 탄소 단섬유(chopped carbon fiber), 카본블랙(carbon black), 카본분말(carbon powder), 그라파이트 나노플레이트(graphite nanoplate) 및 그래핀(graphene) 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
이때, 전도성 분말(120)은 탄소섬유 직조물(110)의 내부에 분말 코팅 방식에 의해 직접 충진될 수 있다. 이와 달리, 전도성 분말(120)은 유기 용제 및 100cp 이하의 점도를 갖는 에폭시 액상 수지에 분산시킨 분산액을 탄소섬유 직조물(110)의 양면에 에어 분사 방식으로 도포한 후, 건조시켜 유기 용제를 휘발시키는 방식에 의해 코팅될 수도 있다.
이 경우, 유기 용제로는 휘발성이 우수한 에탄올, 부탄올, 아세트산에틸, 옥탄올, 에톡시 에탄올펜탄올, 메톡시 에탄올, 에틸렌 글리콜, 아세톤, 테트라하이드로퓨란, 디메틸포름아마이드, 디메틸아민, 다이클로로메테인 및 다이에틸에테르 중 1종 이상이 이용될 수 있다.
상부 및 하부 전도성 코팅층(130, 140)은 탄소섬유 직조물(110)의 상면 및 하면에 각각 배치되어, 탄소섬유 직조물(110)과 합착된다.
이러한 상부 및 하부 전도성 코팅층(130, 140)은 핫 프레스 공정에 의해 탄소섬유 직조물(110)과 합착된다. 이때, 상부 및 하부 전도성 코팅층(130, 140)은 탄소섬유 직조물(110)과의 합착에 의해, 탄소섬유 직조물(110)의 내부로 일부가 함침되어 상호 간이 일체로 연결되는 구조를 갖는다.
이때, 상부 및 하부 전도성 코팅층(130, 140)은 각각 5 ~ 100㎛의 두께를 갖는 것이 바람직하다. 상부 및 하부 전도성 코팅층(130, 140) 각각의 두께가 5㎛ 미만일 경우에는 그 두께가 너무 얇은 관계로 취급성이 어려우며, 표면 전기전도성이 저하되는 문제가 있다. 반대로, 상부 및 하부 전도성 코팅층(130, 140) 각각의 두께가 100㎛를 초과할 경우에는 더 이상의 효과 상승 없이 제조 비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
이러한 상부 및 하부 전도성 코팅층(130, 140)은 각각 수지층과 수지층 내에 함침된 전도성 필러를 포함한다.
수지층은 기계적 강도를 향상시키는 역할을 한다. 이러한 수지층은 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 x-축 및 y축의 표면 전기전도성을 향상시키기 위해 수지층에 첨가되어 분산 배치된다. 이를 위해, 전도성 필러는 탄소나노튜브(carbon nanotube), 흑연분말(graphite powder), 탄소 단섬유(chopped carbon fiber), 카본블랙(carbon black), 카본분말(carbon powder), 그라파이트 나노플레이트(graphite nanoplate) 및 그래핀(graphene) 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
이때, 상부 및 하부 전도성 코팅층(130, 140) 각각은 전도성 필러가 고형분 기준으로 전체 중량의 15 ~ 25 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 전도성 필러의 함량이 15 중량% 미만일 경우에는 표면 전기전도성 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 전도성 필러의 함량이 25 중량%를 초과할 경우에는 노즐 막힘에 의한 코팅 불량을 유발할 수 있다.
만일, 탄소섬유 직조물(110) 내에 전도성 분말(120)을 충진하는 것 없이, 탄소섬유 직조물(110)의 양면에 상부 및 하부 전도성 코팅층(130, 140)만을 형성할 경우, 복합재 분리판(110)의 코어 기재로 사용되는 탄소섬유 직조물(110)의 표면에 대해서만 전도성 필러가 다량으로 집중되고, 탄소섬유 직조물(110)의 내부로 침투하지 못하는 문제로 z-축 방향의 수직 전기전도도가 좋지 않은 문제가 있다.
이와 달리, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 복합재 분리판은 탄소섬유 직조물의 내부에 파우더 상태의 전도성 분말을 먼저 충진시킨 후, 전도성 분말이 충진된 탄소섬유 직조물의 양면에 상부 및 하부 전도성 코팅층을 형성하는 것에 의해, x-축 및 y-축 방향의 표면 전기전도도와 더불어 z-축 방향의 수직 전기전도성을 개선할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 복합재 분리판은 탄소섬유 직조물의 양면에 형성된 상부 및 하부 전도성 코팅층에 의해 x-축 및 y-축 방향의 표면 전기전도도를 확보할 수 있음과 더불어, 탄소섬유 직조물의 내부에 충진된 전도성 분말이 탄소섬유 직조물의 사이 사이를 유기적으로 연결시키는 구조를 가짐에 따라 z-축 방향의 수직 전기적 특성이 개선되어 접촉저항이 개선될 수 있다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 복합재 분리판은 표면 전기전도도 : 100 ~ 200S/cm, 접촉저항 : 10mΩ/㎠ 이하 및 굴곡강도 : 80MPa 이하를 갖는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 복합재 분리판의 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 복합재 분리판 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 복합재 분리판 제조 방법을 나타낸 공정 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 복합재 분리판 제조 방법은 전도성 분말 충진 단계(S110), 상부 및 하부 전도성 코팅층 형성 단계(S120) 및 핫 프레스 단계(S130)를 포함한다.
전도성 분말 충진
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 전도성 분말 충진 단계(S110)에서는 탄소섬유 직조물(110)의 내부에 전도성 분말(120)을 충진한다.
탄소섬유 직조물(110)은 적어도 하나 이상이 수직적으로 적층될 수 있다. 탄소섬유 직조물(110)은 1,000 ~ 70,000 가닥이 모인 섬유다발들을 위사 및 경사로 각각 직조하는 것에 의해 제조될 수 있다. 이에 따라, 탄소섬유 직조물(110)은 위사 방향으로 배치된 위사 탄소섬유(112)와 경사 방향으로 배치된 경사 탄소섬유(114)를 포함할 수 있다.
이때, 탄소섬유 직조물(110)의 섬유다발들은 원형 또는 타원형의 단면 구조를 갖는다. 그리고, 탄소섬유 직조물(110)의 섬유다발들은 평균 이격 간격이 1.5 ~ 2.0mm일 수 있다.
전도성 분말(120)은 탄소섬유 직조물(110)의 내부에 코팅 방식에 의해 충진되어 z-축의 수직 전기전도성을 향상시키는 역할을 한다.
본 단계에서, 탄소섬유 직조물(110)의 내부로 전도성 분말(120)이 용이하게 삽입되도록 하기 위해 탄소섬유 직조물(110)을 진동시키는 것이 바람직하다.
이를 위해, 전도성 분말(120)은 탄소나노튜브(carbon nanotube), 흑연분말(graphite powder), 탄소 단섬유(chopped carbon fiber), 카본블랙(carbon black), 카본분말(carbon powder), 그라파이트 나노플레이트(graphite nanoplate) 및 그래핀(graphene) 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
이때, 전도성 분말(120)은 탄소섬유 직조물(110)의 내부에 분말 코팅 방식에 의해 직접 충진될 수 있다. 이와 달리, 전도성 분말(120)은 유기 용제 및 100cp 이하의 점도를 갖는 에폭시 액상 수지에 분산시킨 분산액을 탄소섬유 직조물(110)의 양면에 에어 분사 방식으로 도포한 후, 건조시켜 유기 용제를 휘발시키는 방식에 의해 코팅될 수도 있다.
이 경우, 유기 용제로는 휘발성이 우수한 에탄올, 부탄올, 아세트산에틸, 옥탄올, 에톡시 에탄올펜탄올, 메톡시 에탄올, 에틸렌 글리콜, 아세톤, 테트라하이드로퓨란, 디메틸포름아마이드, 디메틸아민, 다이클로로메테인 및 다이에틸에테르 중 1종 이상이 이용될 수 있다.
상부 및 하부 전도성 코팅층 형성
도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상부 및 하부 전도성 코팅층 형성 단계(S120)에서는 전도성 분말(120)이 충진된 탄소섬유 직조물(110)의 상면 및 하면에 상부 및 하부 전도성 코팅층(130, 140)을 형성한다.
이러한 상부 및 하부 전도성 코팅층(130, 140)은 각각 수지층과 수지층 내에 함침된 전도성 필러를 포함한다.
수지층은 기계적 강도를 향상시키는 역할을 한다. 이러한 수지층은 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 x-축 및 y-축의 표면 전기전도성을 향상시키기 위해 수지층에 첨가되어 분산 배치된다. 이를 위해, 전도성 필러는 탄소나노튜브(carbon nanotube), 흑연분말(graphite powder), 탄소 단섬유(chopped carbon fiber), 카본블랙(carbon black), 카본분말(carbon powder), 그라파이트 나노플레이트(graphite nanoplate) 및 그래핀(graphene) 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
이때, 상부 및 하부 전도성 코팅층(130, 140) 각각은 전도성 필러가 고형분 기준으로 전체 중량의 15 ~ 25 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 전도성 필러의 함량이 15 중량% 미만일 경우에는 표면 전기전도도 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 전도성 필러의 함량이 25 중량%를 초과할 경우에는 노즐 막힘에 의한 코팅 불량을 유발할 수 있다.
본 단계에서, 상부 및 하부 전도성 코팅층(130, 140)은 나이프 코팅(knife coating), 스프레이 코팅(spray coating), 딥 코팅(dip coating) 및 바 코팅(bar coating) 방법 중 어느 하나 이상에 의해 형성될 수 있다. 이때, 스프레이 시간, 딥 코팅 시간, 나이프 높이 또는 바의 높이 등을 조절하는 것에 의해 상부 및 하부 전도성 코팅층(130, 140)의 두께를 조절할 수 있게 된다.
핫 프레스
도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이, 핫 프레스 단계(S130)에서는 탄소섬유 직조물(110)과 상부 및 하부 전도성 코팅층(130, 140)을 핫 프레스로 압착 및 경화하여 복합재 분리판(100)을 수득한다.
이때, 핫 프레스는 130 ~ 200℃에서 10 ~ 30MPa의 압력 조건으로 10 ~ 60분 동안 실시하는 것이 바람직하다. 핫 프레스 온도가 130℃ 미만이거나, 핫 프레스 시간이 10분 미만일 경우에는 충분한 경화가 이루어지지 않을 우려가 크다. 반대로, 핫 프레스 온도가 200℃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 10MPa 미만일 경우에는 탄소섬유 직조물(110)과 상부 및 하부 전도성 코팅층(130, 140) 간의 계면 부착력이 충분하지 못하여 박리가 일어날 수 있다. 반대로, 핫 프레스 압력이 30MPa을 초과할 경우에는 과도한 압력으로 인해 탄소섬유 직조물(110)과 상부 및 하부 전도성 코팅층(130, 140)에 크랙 등의 손상이 발생할 수 있다.
이러한 핫 프레스 단계(S130) 시, 압착에 의해 탄소섬유 직조물(110)과 상부 및 하부 전도성 코팅층(130, 140)의 두께가 감소하게 된다. 이러한 핫 프레스 단계(S130)를 실시한 이후, 탄소섬유 직조물(110)은 200 ~ 400㎛의 두께를 갖고, 상부 및 하부 전도성 코팅층(130, 140) 각각은 5 ~ 100㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기의 과정(S110 ~ S130)에 의해 제조되는 복합재 분리판은 탄소섬유 직조물의 내부에 파우더 상태의 전도성 분말을 먼저 충진시킨 후, 전도성 분말이 충진된 탄소섬유 직조물의 양면에 상부 및 하부 전도성 코팅층을 형성하는 것에 의해, x-축 및 y-축 방향의 표면 전기전도도와 더불어 z-축 방향의 수직 전기전도성을 개선할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조되는 복합재 분리판은 탄소섬유 직조물의 양면에 형성된 상부 및 하부 전도성 코팅층에 의해 x-축 및 y-축 방향의 표면 전기전도도를 확보할 수 있음과 더불어, 탄소섬유 직조물의 내부에 충진된 전도성 분말이 탄소섬유 직조물의 사이 사이를 유기적으로 연결시키는 구조를 가짐에 따라 z-축 방향의 수직 전기적 특성이 개선되어 접촉저항이 개선될 수 있다.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 방법으로 제조된 복합재 분리판은 표면 전기전도도 : 100 ~ 200S/cm, 접촉저항 : 10mΩ/㎠ 이하 및 굴곡강도 : 80MPa 이하를 갖는다.
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. 복합재 분리판 제조
실시예 1
250㎛ 의 평균 두께를 갖는 탄소섬유 직조물을 아세톤에 그라파이트나노플레이트(GNP) 3wt%를 분산한 후, GNP를 탄소섬유 직조물의 표면에 바인딩시킬 수 있도록 에폭시 수지 10wt%를 혼합시킨 용액에 침지한 후, 15분 동안 초음파(Sonication) 진동 처리하고 60℃에서 1시간 동안 건조시켜 탄소섬유 직조물의 내부로 그라파이트나노플레이트(GNP)를 충진시켰다.
다음으로, 에폭시 수지 100 중량부에 탄소나노튜브(CNT) 5 + 그라파이트 나노플레이트(GNT) 15 중량부를 첨가한 분산액을 탄소섬유 직조물의 상부 및 하부에 나이프(Knife) 코팅 방법으로 150㎛의 두께로 각각 코팅하여 상부 및 하부 전도성 코팅층을 형성하였다.
다음으로, 그라파이트나노플레이트(GNP)가 삽입된 탄소섬유 직조물과 상부 및 하부 전도성 코팅층을 150℃ 및 20MPa의 압력 조건으로 30분 동안 핫 프레스로 압착 및 경화하여 두께 250㎛의 복합재 분리판을 제조하였다.
실시예 2
탄소섬유 직조물을 아세톤에 그라파이트나노플레이트(GNP) 5wt% 및 에폭시 수지 10wt%를 분산 혼합시킨 용액에 침지한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 복합재 분리판을 제조하였다.
실시예 3
탄소섬유 직조물을 아세톤에 그라파이트나노플레이트(GNP) 3wt% 및 에폭시 수지 15wt%를 분산 혼합시킨 용액에 침지한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 복합재 분리판을 제조하였다.
실시예 4
탄소섬유 직조물을 아세톤에 그라파이트나노플레이트(GNP) 3wt% 및 에폭시 수지 10wt%를 분산 혼합시킨 용액에 침지하고 30분 동안 초음파(Sonication) 진동 처리하고 60℃에서 1시간 건조한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 복합재 분리판을 제조하였다.
실시예 5
탄소섬유 직조물을 아세톤에 그라파이트나노플레이트(GNP) 3wt% 및 에폭시 수지 10wt%를 분산 혼합시킨 용액에 침지하고 15분 동안 초음파(Sonication) 진동 처리하고 60℃에서 2시간 건조한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 복합재 분리판을 제조하였다.
비교예 1
탄소섬유 직조물의 상부 및 하부에 에폭시 수지 100 중량부에 탄소나노튜브(CNT) 15 중량부를 첨가한 분산액을 나이프(Knife) 코팅 방법으로 150㎛의 두께로 각각 코팅하여 상부 및 하부 전도성 코팅층을 형성하였다.
다음으로, 탄소섬유 직조물과 상부 및 하부 전도성 코팅층을 160℃ 및 20MPa의 압력 조건으로 30분 동안 핫 프레스로 압착 및 경화하여 복합재 분리판을 제조하였다.
비교예 2
탄소섬유 직조물을 아세톤에 그라파이트나노플레이트(GNP) 10wt% 및 에폭시 수지 10wt%를 분산 혼합시킨 용액에 침지한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 복합재 분리판을 제조하였다.
비교예 3
탄소섬유 직조물을 아세톤에 그라파이트나노플레이트(GNP) 3wt% 및 에폭시 수지 20wt%를 분산 혼합시킨 용액에 침지한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 복합재 분리판을 제조하였다.
비교예 4
탄소섬유 직조물을 아세톤에 그라파이트나노플레이트(GNP) 3wt% 및 에폭시 수지 10wt%를 분산 혼합시킨 용액에 침지하고 5분 동안 초음파(Sonication) 진동 처리하고 60℃에서 1시간 건조한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 복합재 분리판을 제조하였다.
비교예 5
탄소섬유 직조물을 아세톤에 그라파이트나노플레이트(GNP) 3wt% 및 에폭시 수지 10wt%를 분산 혼합시킨 용액에 침지하고 15분 동안 초음파(Sonication) 진동 처리하고 60℃에서 30분 건조한 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 방법으로 복합재 분리판을 제조하였다.
2. 물성 평가
표 1은 실시예 1 ~ 5 및 비교예 1 ~ 5에 따라 제조된 복합재 분리판들에 대한 물성 평가 결과를 나타낸 것이다.
1) 표면 전기전도도
4-탐침법(4-point probe method)에 의거하여 표면 전기전도도를 측정하였다.
2) 접촉저항
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.
3) 굴곡강도
ASTM D790-10에 의거하여 굴곡강도를 측정하였다. 이때, 시편의 크기는 가로 1.27cm, 세로 12.7cm로 제작한 것을 이용하였다.
[표 1]
Figure 112016038623474-pat00001
표 1에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 5에 따라 제조된 복합재 분리판의 경우, 표면 전기전도도 및 굴곡강도는 비교예 1 ~ 5와 큰 차이가 없었으나, 접촉저항이 비교예 1 ~ 5에 비하여 상당히 낮은 6.9 ~ 7.5 mΩ/㎠을 갖는 것을 알 수 있다.
반면, 그라파이트나노플레이트(GNP)를 충진하지 않은 비교예 1의 경우에는 표면 전기전도도에는 큰 차이가 없으나, 접촉저항이 실시예 1에 비하여 상당히 높게 측정되었으며, 시편 내의 탄소 비율이 적어 굴곡강도는 약간 높게 측정되었다.
또한, 그라파이트나노플레이트(GNP)를 10wt%로 첨가한 비교예 2의 경우에는 탄소섬유와 GNP의 접촉점이 많아져 실시예 1에 비하여 접촉저항이 약간 감소하고, 시편 내의 탄소 함량이 많기 때문에 굴곡강도가 감소한 것을 확인할 수 있다.
또한, 에폭시 수지가 20wt%로 첨가된 비교예 3의 경우에는 과량의 에폭시 수지가 전도성 코팅층이 덮이기 전에 탄소섬유 표면을 감싸기 때문에 절연층으로 작용하여 실시예 1에 비하여 접촉저항이 상당히 높게 측정된 것을 확인할 수 있다.
또한, 초음파(Sonication) 진동 처리를 5분 동안 실시한 비교예 4의 경우에는 초음파 진동 처리 시간이 충분하지 않아 그라파이트나노플레이트(GNP)가 탄소섬유 내부로 충분히 충진되지 않아 접촉저항이 실시예 1에 비하여 높게 측정된 것을 확인할 수 있다.
또한, 건조 시간을 30분으로 감소시킨 비교예 5의 경우에는 아세톤의 건조 시간이 충분하지 않아 시편 내에 잔류하면서 전도성 코팅층을 도포하고, 열압착시키는 과정에서 증발하여 시편 내부에 기공을 형성시켜 접촉저항은 높아지고, 기공에 의해 굴곡강도가 저하된 것을 확인할 수 있다.
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 : 복합재 분리판 110 : 탄소섬유 직조물
112 : 위사 탄소섬유 114 : 경사 탄소섬유
120 : 전도성 분말 130 : 상부 전도성 코팅층
140 : 하부 전도성 코팅층
S110 : 전도성 분말 충진 단계
S120 : 상부 및 하부 전도성 코팅층 형성 단계
S130 : 핫 프레스 단계

Claims (16)

  1. 탄소섬유 직조물;
    상기 탄소섬유 직조물의 내부에 충진된 전도성 분말; 및
    상기 탄소섬유 직조물의 상면 및 하면에 각각 배치되어, 상기 탄소섬유 직조물과 합착된 상부 및 하부 전도성 코팅층;을 포함하며,
    상기 상부 및 하부 전도성 코팅층은 각각 수지층과, 상기 수지층 내에 함침된 전도성 필러를 포함하고,
    상기 상부 및 하부 전도성 코팅층은 각각 상기 전도성 필러가 고형분 기준으로 전체 중량의 15 ~ 25 중량%로 첨가되고,
    표면 전기전도도 : 100 ~ 200S/cm, 접촉저항 : 10mΩ/㎠ 이하 및 굴곡강도 : 80MPa 이하를 갖는 복합재 분리판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유 직조물은
    200 ~ 400㎛의 두께를 갖는 복합재 분리판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유 직조물은
    적어도 하나 이상이 수직적으로 적층된 복합재 분리판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상부 및 하부 전도성 코팅층은
    상기 탄소섬유 직조물과의 합착에 의해, 상기 탄소섬유 직조물의 내부로 일부가 함침되어 상호 간이 일체로 연결된 복합재 분리판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상부 및 하부 전도성 코팅층은 각각
    5 ~ 100㎛의 두께를 갖는 복합재 분리판.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수지층은
    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 복합재 분리판.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 분말 및 전도성 필러는 각각
    탄소나노튜브(carbon nanotube), 흑연분말(graphite powder), 탄소 단섬유(chopped carbon fiber), 카본블랙(carbon black), 카본분말(carbon powder), 그라파이트 나노플레이트(graphite nanoplate) 및 그래핀(graphene) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 복합재 분리판.
  10. (a) 탄소섬유 직조물의 내부에 전도성 분말을 충진하는 단계;
    (b) 상기 전도성 분말이 충진된 탄소섬유 직조물의 상면 및 하면에 상부 및 하부 전도성 코팅층을 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 탄소섬유 직조물과 상부 및 하부 전도성 코팅층을 핫 프레스로 압착 및 경화하여 복합재 분리판을 수득하는 단계;를 포함하며,
    상기 상부 및 하부 전도성 코팅층은 각각 수지층과, 상기 수지층 내에 함침된 전도성 필러를 포함하고,
    상기 상부 및 하부 전도성 코팅층은 각각 상기 전도성 필러가 고형분 기준으로 전체 중량의 15 ~ 25 중량%로 첨가되고,
    표면 전기전도도 : 100 ~ 200S/cm, 접촉저항 : 10mΩ/㎠ 이하 및 굴곡강도 : 80MPa 이하를 갖는 복합재 분리판 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    상기 탄소섬유 직조물을 진동시켜 상기 탄소섬유 직조물의 내부로 전도성 분말이 충진되도록 하는 복합재 분리판 제조 방법.
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서,
    상기 수지층은
    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 복합재 분리판 제조 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 전도성 분말 및 전도성 필러는 각각
    탄소나노튜브(carbon nanotube), 흑연분말(graphite powder), 탄소 단섬유(chopped carbon fiber), 카본블랙(carbon black), 카본분말(carbon powder), 그라파이트 나노플레이트(graphite nanoplate) 및 그래핀(graphene) 중 선택된 1종 이상을 포함하는 복합재 분리판 제조 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 핫 프레스는
    130 ~ 200℃에서 10 ~ 30MPa의 압력 조건으로 10 ~ 60분 동안 실시하는 복합재 분리판 제조 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 상부 및 하부 전도성 코팅층은
    상기 탄소섬유 직조물과의 합착에 의해, 상기 탄소섬유 직조물의 내부로 일부가 함침되어 상호 간이 일체로 연결되는 복합재 분리판 제조 방법.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101987211B1 (ko) * 2017-12-26 2019-06-10 한국항공대학교산학협력단 3d 프린터를 이용한 스마트 복합섬유가 혼합된 복합재 직조 섬유 제조방법

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050120515A (ko) * 2004-06-19 2005-12-22 한국타이어 주식회사 연료전지 분리판용 탄소복합재, 그의 제조방법 및 이를적용한 연료전지 분리판
JP4650673B2 (ja) * 2004-12-14 2011-03-16 東海カーボン株式会社 燃料電池用セパレータ材とその製造方法
JP2006347837A (ja) * 2005-06-17 2006-12-28 Society Of Japanese Aerospace Co Inc 連続繊維強化型複合材料の製造方法
KR100797827B1 (ko) * 2006-09-19 2008-01-24 재단법인 포항산업과학연구원 탄소섬유-에폭시 복합재에의 코팅방법
KR100901362B1 (ko) * 2007-08-01 2009-06-05 한국과학기술원 연료 전지용 분리판 및 그 제조방법
US7981501B2 (en) * 2008-12-02 2011-07-19 GM Global Technology Operations LLC Laminated composites and methods of making the same
KR101092604B1 (ko) * 2010-05-28 2011-12-13 주식회사 에이엔씨아이 연료전지 분리판의 제조용 도금된 고전도성 탄소섬유와 고분자 수지 복합재
KR101173059B1 (ko) * 2010-09-29 2012-08-13 한국과학기술원 고분자 전해질 연료전지용 복합재료 분리판 및 이의 제조방법
KR101371337B1 (ko) * 2012-05-16 2014-03-10 한국과학기술원 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판 및 그 제조 방법
JP5797164B2 (ja) * 2012-07-13 2015-10-21 信越ポリマー株式会社 燃料電池用セパレータの製造方法
KR101353354B1 (ko) * 2012-12-21 2014-01-22 한국과학기술원 연료전지용 섬유강화 복합재료 분리판의 표면처리 방법
KR101483282B1 (ko) * 2013-11-06 2015-01-16 한국과학기술원 전지용 흑연 코팅 복합재료 분리판의 제조 방법
KR102003682B1 (ko) * 2014-09-18 2019-07-26 (주)엘지하우시스 연료전지용 분리판 및 그의 제조방법

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