KR101928928B1

KR101928928B1 - 탄소 필라멘트 제조장치

Info

Publication number: KR101928928B1
Application number: KR1020170165991A
Authority: KR
Inventors: 김기영; 김규년
Original assignee: 한화큐셀앤드첨단소재(주)
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2017-12-05
Publication date: 2018-12-13

Abstract

본 발명은 탄소 필라멘트 제조장치에 관한 것으로, 드라이브 롤(drive roll); 상기 드라이브 롤과 반대 방향으로 회전되면서 상기 드라이브 롤에 접하도록 설치되어 상기 드라이브 롤 사이로 유입되는 탄소섬유 로빙(carbon fiber roving)을 잘라 탄소섬유 촙(carbon fiber chop)을 제조하는 쵸핑 롤(chopping roll); 및 상기 드라이브 롤 및 쵸핑 롤 사이를 통과하는 상기 탄소섬유 촙에 전단응력을 가하여 탄소 필라멘트(carbon filament)를 제조할 수 있도록 상기 드라이브 롤 및 쵸핑 롤 사이에 마련된 한 쌍의 디번들링 롤을 포함하는 디번들링 유닛;을 포함한다.

Description

탄소 필라멘트 제조장치{APPARATUS FOR MANUFACTURING CARBON FILAMENT}

본 발명은 탄소 필라멘트 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소섬유 강화재의 물성을 향상시키고자 탄소섬유 로빙을 자른 후 디번들링(de-bundling)하여 탄소 필라멘트를 제조할 수 있는 탄소 필라멘트 제조장치에 관한 것이다.

일반적으로 탄소섬유를 강화재로 플라스틱과 혼합하여 마련된 탄소섬유 강화 수지(CFRP, fiber reinforced plastics) 등과 같은 섬유 복합재는 그 무게가 가벼우면서도 기계적 특성이 우수한 복합재료로서 가벼우면서도 기계적 강도가 요구되는 다양한 분야에서 이용되고 있다.

이때, 사용되는 탄소섬유는 복수의 카본 필라멘트(carbon filament)가 뭉쳐 마련되는 탄소섬유 로빙(carbon fiber roving) 상태로 제공되는데 이를 사용분야에 따라 쵸핑(chopping) 장치 등을 이용하여 탄소섬유 촙(carbon fiber chop) 또는 탄소섬유 토우(carbon fiber tow) 등으로 절단 또는 분쇄하여 사용된다.

최근, 탄소섬유 복합재의 기계적 물성을 향상시키고자, 탄소섬유 복합재 제조시 탄소섬유를 디번들링(de-bundling)하여 투입하는 기술이 개발됨에 따라 탄소섬유 로빙을 탄소섬유 토우 단위로 절단하는 기술이 개발되었다.

도 1은 종래 일반적인 탄소섬유 토우 제조장치를 설명하기 위한 개략도이고, 도 2는 종래 일반적인 탄소섬유 토우 제조장치를 이용하여 마련된 탄소섬유 토우를 보여주는 사진이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 종래 탄소섬유 로빙(R)을 복수의 플랫 롤러(flat roller, 10)를 통과시켜 일정한 장력(tension)이 걸린 상태에서 누비 롤러(nubby roller, 20)를 통과하면서 복수의 가닥으로 나누어지고, 이후 드라이브 롤러(drive roller, 30) 및 쵸핑 롤러(chopping roller, 40)를 통과하면서 탄소섬유 토우(T)가 형성된다.

그러나 탄소섬유 토우(T)는 복수의 탄소 필라멘트(carbon filament)가 뭉쳐진 형태로서 기계적인 물성을 향상시키는데 한계가 있을 뿐만 아니라, 탄소섬유 로빙(R)을 누비 롤러(20)에서 복수의 가닥으로 분리하기 위해 복수의 플랫 롤러(10)에서 탄소섬유 로빙(R)에 장력을 인가하는 과정에서 탄소섬유 로빙(R)이 끊어지는 등 탄소섬유 로빙(R)의 손상을 유발하는 문제점을 가지고 있었다.

또한, 고속 생산이 불가능하여 대량생산이 어려운 문제점을 가지고 있었다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것을 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여서는 안될 것이다.

JP 5700496 B2 (2015. 02. 27.)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 탄소섬유 로빙을 절단함과 동시에 탄소 필라멘트로 디번들링(de-bundling)할 수 있는 탄소 필라멘트 제조장치를 제공한다.

또한, 탄소섬유 로빙의 손상을 최소화하면서, 대량생산을 용이하게 실시할 수 있는 탄소 필라멘트 제조장치를 제공한다.

또한, 탄소섬유 로빙의 장력 유지를 위한 별도의 플랫 롤러 및 누비 롤러를 생략되어 소형화를 가능하게 하여 설치 면적 및 초기 비용을 절감할 수 있는 탄소 필라멘트 제조장치를 제공한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

상기 디번들링 유닛은, 한 쌍의 상기 디번들링 롤 사이 간격을 조절할 수 있도록 상기 디번들링 롤 중 적어도 하나에 설치된 이동부;를 더 포함할 수 있다.

상기 디번들링 유닛은, 한 쌍의 상기 디번들링 롤 사이를 통과하는 상기 탄소섬유 촙에 전단응력을 가할 수 있도록 서로 다른 속도로 회전되는 것이 바람직하다.

상기 디번들링 유닛은, 상기 디번들링 롤의 표면에 부착된 상기 탄소 필라멘트를 제거할 수 있도록, 각각의 상기 디번들링 롤에 접하도록 설치된 한 쌍의 스크래퍼를 더 포함할 수 있다.

보다 바람직하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 필라멘트 제조장치는 상기 드라이브 롤 및 쵸핑 롤 사이로 유입되는 상기 탄소섬유 로빙을 가이드할 수 있도록 상기 드라이브 롤에 접촉하여 회전되는 가이드 롤;을 더 포함할 수 있다.

상기 디번들링 롤은, 쇼어 경도(Hs)가 80 ~ 100인 점탄성 소재(viscoelastic material)로 형성된 것이 바람직하다.

상기 디번들링 롤은, 그 표면이 대전 방지 처리된 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 탄소섬유 로빙을 필라멘트 단위의 탄소 필라멘트로 디번들링할 수 있어 이를 이용하여 제조되는 탄소섬유를 강화재의 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 탄소섬유 로빙에 일정 장력을 유지하면서 복수의 가닥으로 분리하기 위한 플랫 롤러 및 누비 롤러를 생략할 수 있어 초기 비용을 절감시킬 수 있고 크기를 소형화할 수 있는 효과가 있다.

나아가, 설비 최소화하여 유지보수가 용이하게 실시할 수 있고, 장력인가에 따른 탄소섬유 로빙의 손상을 방지하여 불량 발생을 최소화하고, 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 이동부를 이용하여 한 쌍의 디번들링 롤 사이 간격을 조절함으로써, 디번들링 정도를 조절할 수 있어 다양한 탄소 필라멘트를 제조할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 일반적인 탄소섬유 토우 제조장치를 설명하기 위한 개략도이고,
도 2는 종래 일반적인 탄소섬유 토우 제조장치를 이용하여 마련된 탄소섬유 토우를 보여주는 사진이며,
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 필라멘트 제조장치를 설명하기 위한 개략도이고,
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 스크래퍼의 설치를 설명하기 위한 도면이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 탄소섬유 촙을 보여주는 사진이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 탄소 필라멘트를 보여주는 사진이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.

도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 필라멘트 제조장치를 설명하기 위한 개략도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 필라멘트 제조장치는 드라이브 롤(100)과 탄소섬유 로빙(R)을 잘라 탄소섬유 촙(C)을 제조하는 쵸핑 롤(200)과 탄소섬유 촙(C)을 디번들링하여 탄소 필라멘트(F)를 제조하는 디번들링 유닛(300)을 포함한다.

쵸핑 롤(200)은 드라이브 롤(100)에 접하도록 설치되며, 드라이브 롤(100)과 쵸핑 롤(200) 사이로 유입되는 탄소섬유 로빙(R)을 잘라 탄소섬유 촙(C)을 제조하는데, 이때 드라이브 롤(100)과 쵸핑 롤(200)은 서로 반대방향으로 회전되면서 제조된 탄소섬유 촙(C)을 하방으로 배출시킨다.

본 발명의 일 실시예에 따른 디번들링 유닛(300)은 드라이브 롤(100) 및 쵸핑 롤(200) 하방에 설치되어 드라이브 롤(100)과 쵸핑 롤(200) 사이로 배출되는 탄소섬유 촙(C)에 전단응력을 가하여 필라멘트 단위의 탄소 필라멘트(F)로 분해하여 하방으로 배출시킨다.

보다 구체적으로, 디번들링 유닛(300)은 탄소섬유 촙(C)에 전단응력을 효과적으로 가할 수 있도록 서로 반대방향으로 회전되는 한 쌍의 디번들링 롤(310)을 포함하며, 한 쌍의 디번들링 롤(310)이 서로 다른 속도로 회전되면서 그 사이를 통과하는 탄소섬유 촙(C)에 전단응력을 가하여 탄소 필라멘트(F)를 제조한다.

이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 각각의 디번들링 롤(310)은 그 회전속도를 조절함으로써, 탄소섬유 촙(C)에 가해지는 전단응력을 조절하여 디번들링 정도를 조절할 수 있다.

보다 바람직하게, 디번들링 유닛(300)은 적어도 하나에 설치되어 한 쌍의 디번들링 유닛(300) 사이 간격을 조절하는 이동부(320)를 더 포함할 수 있으며, 이동부(320)는 실린더 등 디번들링 롤(310)을 이동시킬 수 있는 다양한 종류의 이동수단이 적용될 수 있다.

이에, 이동부(320)를 작동시켜 디번들링 롤(310) 사이 간격을 조절함으로써, 한 쌍의 디번들링 롤(310) 사이를 통과하는 탄소섬유 촙(C)에 가해지는 전단응력을 조절할 수 있다.

도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 스크래퍼의 설치를 설명하기 위한 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 디번들링 유닛(300)은 디번들링 롤(310)의 표면에 부착된 탄소 필라멘트(F)를 제거할 수 있도록 각각의 디번들링 롤(310)에 접촉하여 설치된 한 쌍의 스크래퍼(330)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

왜냐하면, 한 쌍의 디번들링 롤(310)이 서로 다른 속도로 회전하면서 탄소섬유 촙(C)에 전단응력을 가하여 제조된 탄소 필라멘트(F)는 그 무게가 가벼워 정전기 등에 의해 디번들링 롤(310)의 표면에 쉽게 부착될 수 있기 때문이다.

보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 스크래퍼(330)는 디번들링 롤(310)의 하부에 접하도록 디번들링 롤(310)의 길이방향으로 설치된다.

이에, 스크래퍼(330)가 디번들링 롤(310)이 회전함에 따라 디번들링 롤(310)의 표면에 부착된 탄소 필라멘트(F)를 긁어 하방으로 배출시키게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 디번들링 롤(310)은 힘이 가해졌을 때, 액체로서의 성질과 고체로서의 성질이 동시에 발현될 수 있는 우레탄 수지 또는 고무 등과 같은 점탄성 소재를 사용하는 것이 바람직하다.

이때, 디번들링 롤(310)은 쇼어 경도가(Hs)가 80 ~ 100인 것이 바람직한데, 그 이유는, 80 미만의 쇼어 경도를 갖는 경우 탄소섬유 촙(C)에 전단응력을 가하는 과정에서 쉽게 파손되며, 쇼어 경도가 100을 초과하는 경우 탄소섬유 촙(C)에 전단응력을 원활하게 가하지 못하여 제조되는 탄소 필라멘트(F)의 품질이 저하될 수 있기 때문에 상기 범위로 제한한다.

보다 바람직하게 디번들링 롤(310)은 그 표면이 대전 방지 처리된 것이 바람직하다.

왜냐하면, 앞에서 설명한 바와 같이 한 쌍의 디번들링 롤(310)에서 제조되는 탄소 필라멘트(F)는 그 무게가 가볍기 때문에 정전기 등에 의해 쉽게 디번들링 롤(310)에 부착될 수 있기 때문이다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 필라멘트 제조장치는 드라이브 롤(100)의 상부에 접촉되어 회전되는 가이드 롤(400)을 더 포함할 수 있다.

이에, 가이드 롤(400)이 탄소섬유 로빙(R)이 드라이브 롤(100) 및 쵸핑 롤(200) 사이로 원활히 유입될 수 있도록 가이드 함으로써, 탄소섬유 촙(C)이 원활히 제조될 수 있도록 하는 효과가 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 필라멘트 제조장치의 작동을 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 탄소섬유 촙을 보여주는 사진이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 탄소 필라멘트를 보여주는 사진이다.

도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 사전에 설정된 전단응력에 따라 이동부(320)를 이용하여 디번들링 롤(310) 사이 간격 및 디번들링 롤(310)의 회전속도가 설정되면, 탄소섬유 로빙(R)이 가이드 롤(400)에 의해 드라이브 롤(100)과 쵸핑 롤(200) 사이로 가이드된다.

상기와 같이, 드라이브 롤(100)과 쵸핑 롤(200) 사이로 유입되면, 쵸핑 롤(200)이 탄소섬유 로빙(R)을 일정 길이로 절단하여 탄소섬유 촙(C)을 제조하여 하방으로 배출시킨다.

드라이브 롤(100) 및 쵸핑 롤(200)에서 배출되는 탄소섬유 촙(C)은 서로 다른 속도로 회전하는 한 쌍의 디번들링 롤(310)을 통과하면서 전단응력이 가해져 탄소 필라멘트(F)로 분해되어 하방으로 배출된다.

이때, 정전기 등으로 인하여 디번들링 롤(310)의 표면에 부착된 탄소 필라멘트(F)는 스크래퍼(330)에 의해 하방으로 떨어지게 된다.

도 2 및 도 6에서 알 수 있듯, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 필라멘트 제조장치를 이용하여 마련된 탄소 필라멘트(F)는, 종래 탄소섬유 토우 제조장치에서 제조된 탄소섬유 토우(T)에 비하여 더 미세하게 디번들링 됨으로써, 이를 이용하여 제조되는 탄소섬유 복합재의 기계적 물성을 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

C: 탄소섬유 촙 F: 탄소 필라멘트
R: 탄소섬유 로빙 T: 탄소섬유 토우
100: 드라이브 롤 200: 쵸핑 롤
300: 디번들링 유닛 310: 디번들링 롤
320: 이동부 330: 스크래퍼
400: 가이드 롤

Claims

드라이브 롤(drive roll);
상기 드라이브 롤과 반대 방향으로 회전되면서 상기 드라이브 롤에 접하도록 설치되어 상기 드라이브 롤 사이로 유입되는 탄소섬유 로빙(carbon fiber roving)을 잘라 탄소섬유 촙(carbon fiber chop)을 제조하는 쵸핑 롤(chopping roll); 및
상기 드라이브 롤 및 쵸핑 롤 사이를 통과하는 상기 탄소섬유 촙에 전단응력을 가하여 탄소 필라멘트(carbon filament)를 제조할 수 있도록 상기 드라이브 롤 및 쵸핑 롤 사이에 마련된 한 쌍의 디번들링 롤을 포함하는 디번들링 유닛;을 포함하는, 탄소 필라멘트 제조장치.
청구항 1에 있어서,
상기 디번들링 유닛은,
한 쌍의 상기 디번들링 롤 사이 간격을 조절할 수 있도록 상기 디번들링 롤 중 적어도 하나에 설치된 이동부;를 더 포함하는, 탄소 필라멘트 제조장치.
청구항 1에 있어서,
상기 디번들링 유닛은,
한 쌍의 상기 디번들링 롤 사이를 통과하는 상기 탄소섬유 촙에 전단응력을 가할 수 있도록 서로 다른 속도로 회전되는 것을 특징으로 하는, 탄소 필라멘트 제조장치.
청구항 1에 있어서,
상기 디번들링 유닛은,
상기 디번들링 롤의 표면에 부착된 상기 탄소 필라멘트를 제거할 수 있도록, 각각의 상기 디번들링 롤에 접하도록 설치된 한 쌍의 스크래퍼를 더 포함하는, 탄소 필라멘트 제조장치.
청구항 1에 있어서,
상기 드라이브 롤 및 쵸핑 롤 사이로 유입되는 상기 탄소섬유 로빙을 가이드할 수 있도록 상기 드라이브 롤에 접촉하여 회전되는 가이드 롤;을 더 포함하는, 탄소 필라멘트 제조장치.
청구항 1에 있어서,
상기 디번들링 롤은,
쇼어 경도(Hs)가 80 ~ 100인 점탄성 소재(viscoelastic material)로 형성된 것을 특징으로 하는, 탄소 필라멘트 제조장치.
청구항 6에 있어서,
상기 디번들링 롤은,
그 표면이 대전 방지 처리된 것을 특징으로 하는, 탄소 필라멘트 제조장치.