KR101976736B1

KR101976736B1 - 직조 구조의 조절이 가능한 탄소나노튜브 시트 제조 장치, 방법 및 탄소나노튜브 시트

Info

Publication number: KR101976736B1
Application number: KR1020180032821A
Authority: KR
Inventors: 강득주; 김주희
Original assignee: 주식회사 제이오
Priority date: 2018-03-21
Filing date: 2018-03-21
Publication date: 2019-08-28

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 시트 제조 장치, 방법 및 탄소나노튜브 시트에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 연속적으로 생산되는 탄소나노튜브 섬유를 권취하여 탄소나노튜브 시트를 제조할 시, 탄소나노튜브 섬유의 직조 구조를 조절하여 탄소나노튜브 시트의 특성을 변화시킬 수가 있다.

Description

직조 구조의 조절이 가능한 탄소나노튜브 시트 제조 장치, 방법 및 탄소나노튜브 시트{Carbon nanotube sheet, and apparatus and method for manufacturing the carbon nanotube sheet}

본 발명은 직조 구조의 조절이 가능한 탄소나노튜브 시트 제조 장치, 방법 및 탄소나노튜브 시트에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 연속적으로 생산되는 탄소나노튜브 섬유를 권취하여 탄소나노튜브 시트를 제조하되, 탄소나노튜브 섬유의 직조 구조를 조절하여 탄소나노튜브 시트의 특성을 변화시킬 수 있도록 하는 기술에 대한 것이다.

탄소동소체의 한 종류인 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)는 직경이 수 내지 수십 nm이며, 길이가 수백 um에서 수 mm인 물질로 우수한 열적, 전기적, 물리적 성질과 높은 종횡비 때문에 다양한 분야에서 연구가 진행되고 있다.

특히 탄소나노튜브를 소정 면적의 평면으로 구현하여 시트(sheet) 형태로 제조하고 이를 응용하는 사례도 늘고 있다. 즉 탄소나노튜브를 평행하게 배열하여 상호 간에 말단과 말단이 결합되어 연속적인 박막과 같은 2차원 유형의 CNT 구조물을 형성토록 하는 것이다. 이러한 탄소나노튜브 시트는 높은 도전성과 높은 투명성을 가지기 때문에, 편광자(polarizer), 투명 도전막(transparent conductive film, TFC), 장갑(armor), 편광 광원(polarized light source) 등에 응용될 수 있다.

탄소나노튜브 시트 제조와 관련된 종래 기술로는 대한민국 등록특허 제10-1808422호(2017.12.06. '탄소나노튜브 시트, 그의 제조방법 및 그 탄소나노튜브 시트를 포함하는 편광필름') 등이 있다. 종래 기술은 탄소나노튜브 포레스트에서 탄소나노튜브가 합성되면, 이를 권취하여 특정 파장 영역의 편광성을 갖는 탄소나노튜브 시트를 제조하는 것이다.

하지만 종래의 탄소나노튜브 시트 제조 방식에서는, 합성된 탄소나노튜브를 단순 권취하여 복수 층의 탄소나노튜브 섬유로 이루어진 시트를 제조하는 것인데, 이 경우 일정하게 권취하고 있는 특정 방향에 대해서만 CNT 배열 특성을 갖기 때문에 다른 방향에 가해지는 힘에는 매우 취약하다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 합성된 탄소나노튜브 섬유를 권취할 시, 권취각을 바꾸어 직조 구조를 조절함으로써, CNT 시트에서 특정 방향에 취약했던 장력을 강화시킬 수 있도록 하는 기술을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소나노튜브 시트 제조 장치는, 합성수단에서 합성된 탄소나노튜브 섬유를 권취하여 상기 탄소나노튜브 섬유가 복수 층으로 적층된 탄소나노튜브 시트를 제조하는 권취수단;을 포함하되, 상기 권취수단은 상기 탄소나노튜브 섬유의 권취각을 조절하여 복수 층으로 적층되는 상기 탄소나노튜브 섬유의 직조 구조가 조절되도록 한다.

여기서, 상기 권취수단은 상기 탄소나노튜브 섬유의 권취각을 0도 이상 90도 미만의 범위에서 조절할 수 있다.

또한, 상기 권취수단은, 상기 합성수단에서 합성된 탄소나노튜브 섬유를 권취하는 롤러; 및 상기 롤러의 회전 및 권취각을 제어하는 롤러제어부;를 포함할 수 있다.

또, 상기 권취수단의 롤러제어부는, 상기 롤러를 회전시키는 회전제어부; 및 상기 롤러를 틸팅시키는 권취각제어부;를 포함함으로써, 상기 권취각제어부가 상기 롤러의 틸팅각을 조절함으로써 상기 권취각이 조절되도록 할 수 있다.

또, 상기 권취수단의 롤러제어부는, 상기 롤러를 회전시키는 회전제어부; 및 상기 롤러를 수평이동 시키는 위치제어부;를 포함함으로써, 상기 회전제어부에 의한 상기 롤러의 회전 속도 및 상기 위치제어부에 의한 상기 롤러의 수평이동 속도 조절에 따라 상기 권취각이 조절되도록 할 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소나노튜브 시트 제조 방법은, 탄소나노튜브 섬유를 합성하는 (a)단계; 및 상기 합성된 탄소나노튜브 섬유를 권취수단에서 권취하여 상기 탄소나노튜브 섬유가 복수 층으로 적층된 탄소나노튜브 시트를 제조하는 (b)단계;를 포함하되, 상기 (b)단계에서 상기 탄소나노튜브 섬유의 권취각을 조절하여 복수 층으로 적층되는 상기 탄소나노튜브 섬유의 직조 구조가 조절되도록 한다.

여기서, 상기 (b)단계는 상기 탄소나노튜브 섬유의 권취각을 0도 이상 90도 미만의 범위에서 조절할 수 있다.

또한, 상기 권취수단은 상기 합성수단에서 합성된 탄소나노튜브 섬유를 권취하는 롤러를 포함하며, 상기 (b)단계는 상기 롤러의 틸팅각을 조절함으로써 상기 권취각이 조절되도록 할 수 있다.

또, 상기 권취수단은 상기 합성수단에서 합성된 탄소나노튜브 섬유를 권취하는 롤러를 포함하며, 상기 (b)단계는 상기 롤러의 회전 속도 및 상기 롤러의 수평이동 속도 조절에 따라 상기 권취각이 조절되도록 할 수 있다.

한편 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소나노튜브 시트는, 탄소나노튜브 섬유가 복수 층으로 적층되어 면상 형태를 이루되, 각 층으로 적층되는 상기 탄소나노튜브 섬유의 직조 방향이 조절되어 복수 방향에 대한 강성이 향상된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 탄소나노튜브 시트는 방탄 또는 방검 재료에 사용될 수 있다.

본 발명에 따르면 탄소나노튜브 섬유를 합성하는 합성수단에서 연속적으로 생성되는 탄소나노튜브 섬유를 권취할 시, 권취각을 조절함으로써 일방향으로만 직조되었던 기존 탄소나노튜브 시트의 특성을 개선할 수 있다. 즉 탄소나노튜브 시트를 제조하기 위해 복수 층으로 적층되는 탄소나노튜브 섬유의 권취각을 조절함으로써, 시트 평면의 특정 방향에 대한 강성을 조절할 수가 있다.

특히, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 시트 제조 방법은, 일방향의 직조 구조를 갖는 시트를 각각 제조한 후 적층시키는 방식이 아니고, 합성수단에서 연속적으로 생성되는 탄소나노튜브 섬유를 권취할 시 권취각을 조절해 가면서 직조 구조가 변화되도록 함으로써, 연속적인 권취 공정에 의해 직조 구조가 조절된 탄소나노튜브 시트를 한번에 제조할 수가 있다.

이렇게 생성된 탄소나노튜브 시트는 탄소나노튜브 섬유가 복수 층으로 적층되어 면상 형태를 이루고 있다. 더불어 각 층으로 적층되는 탄소나노튜브 섬유들의 직조 방향이 조절되어 있는데, 어느 한 방향으로만 직조된 것이 아니라 제조 방법에 따라 복수 방향으로 직조되어 있다. 즉 탄소나노튜브 섬유의 권취각을 다양하게 변경함으로써 의도한 방향에 대한 강성을 증가시키거나 보완할 수가 있고, 이론적으로는 모든 방향에 대하여 균등한 강성을 가지게 하는 것도 가능하다.

즉, 복수 방향에 대한 강성이 증대됨에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트는 도전재료, 발열재료, 방열재료, 방탄재료 및 방검재료 등 다양한 분야에서 효율적으로 적용될 수 있다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트 제조 장치를 설명하기 위한 개략적인 사시도.
도2는 도1에 도시된 탄소나노튜브 시트 제조 장치에서 권취수단을 설명하기 위한 도면.
도3은 도1에 도시된 탄소나노튜브 시트 제조 장치에서 권취수단을 설명하기 위한 블록도.
도4는 롤러에 CNT sock이 권취될 때 중첩되는 모습을 설명하기 위한 도면.
도5는 롤러의 권취각 조절에 따라 중첩되는 CNT sock 간에 이루어지는 각도를 설명하기 위한 도면.
도6은 롤러의 틸팅각 조절 예시를 설명하기 위한 도면.
도7은 롤러의 권취각 조절에 따라 적층된 탄소나노튜브 섬유의 직조 구조를 설명하기 위한 도면.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하되, 발명의 요지와 무관한 일부 구성은 생략 또는 압축할 것이나, 생략된 구성이라고 하여 반드시 본 발명에서 필요가 없는 구성은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 결합되어 사용될 수 있다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트 제조 장치를 설명하기 위한 개략적인 사시도이고, 도2는 도1에 도시된 탄소나노튜브 시트 제조 장치에서 권취수단을 설명하기 위한 도면이며, 도3은 도1에 도시된 탄소나노튜브 시트 제조 장치에서 권취수단을 설명하기 위한 블록도이다. 도1 내지 도3에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브 시트 제조 장치는 합성수단(10) 및 권취수단(20)을 포함한다.

합성수단(10)은 탄소나노튜브 섬유(1)를 연속적으로 합성하여 sock 형태로 배출하기 위해 마련된다. 이러한 합성수단(10)은 예컨대 내부에 반응공간이 마련된 반응기와, 반응공간을 고온 분위기로 유지시키는 히팅수단과, 반응기 상부에 설치되어 원료물질, 촉매 및 가스를 분사하는 분사노즐 등을 포함할 수 있다. 따라서 분사노즐을 통해 원료, 촉매 및 가스가 분사되어 반응공간에서 탄소나노튜브의 합성이 이루어지면, 하단 방향으로 유동하면서 탄소나노튜브가 성장하게 되고 여러 줄기의 탄소나노튜브 섬유(1)가 sock 형태로 성장하면서 반응기 아래에 개방된 부분을 통해 배출된다. 또한 합성수단(10)에서 합성되는 탄소나노튜브는 SWNT(single walled carbon nanotube), MWNT(multi-walled carbon nanotube), TWNT(thin-walled carbon nanotube) 등 다양한 형태일 수 있다. 합성수단(10)은 본 발명의 핵심적인 특징은 아니기 때문에 자세한 설명은 생략하도록 하며, sock 형태의 탄소나노튜브 섬유(1)가 연속적으로 생산되어 배출되는 방식이라면 어떠한 형태의 합성수단(10)이 적용되더라도 무방하다.

이렇게 합성수단(10)에서 합성된 탄소나노튜브 섬유(1)는 권취수단(20)에서 권취되어 탄소나노튜브 섬유(1)가 복수 층으로 적층된 탄소나노튜브 시트(sheet)(2)가 제조된다. 이러한 권취수단(20)은 롤러지지부(22), 롤러(21) 및 롤러제어부(23)를 포함한다.

롤러지지부(22)는 롤러(21)는 지지하는 일종의 회전축 역할을 하며, 롤러(21)는 롤러지지부(22)에 지지되어 회전함으로써 합성수단(10)에서 합성된 sock 형태의 탄소나노튜브 섬유(1)를 권취하기 위해 마련된다. 또한 롤러(21) 및 롤러지지부(22)는 롤러제어부(23)에 연동되어 독특한 동작 제어가 이루어진다. 이러한 롤러제어부(23)는 회전제어부(24), 권취각제어부(25) 및 위치제어부(26)를 포함한다.

회전제어부(24)는 롤러(21)를 롤러지지부(22)를 축으로 하여 회전시키기 위해 마련된다. 이러한 회전제어부(24)는 모터(미도시)를 포함할 수 있으며, 필요시 모터의 동력을 롤러(21) 측으로 전달하기 위한 동력전달수단(미도시)을 더 포함할 수 있다. 또한 회전제어부(24)는 미리 프로그래밍 된 바에 따라 롤러(21)의 회전 속도를 가변시킬 수 있다.

권취각제어부(25)는 롤러(21)를 틸팅시키기 위해 마련된다. 도1을 참조하면 롤러(21)는 회전축 방향이 지면과는 평행하고 합성수단(10)에서 합성된 탄소나노튜브 섬유(1)의 배출 방향과는 수직을 이루고 있는 것을 확인할 수 있다. 하지만 권취각제어부(25)는 도2에 도시된 바와 같이 롤러(21)를 틸팅시켜 양단의 높이 차이가 발생토록 할 수 있다. 이 경우 수직을 이루고 있던 롤러(21)의 회전축과 탄소나노튜브 섬유(1)의 배출 방향 역시 각이 변경된다. 즉 롤러(21)에 권취되는 탄소나노튜브 섬유(1)의 권취각이 변경될 수 있는 것이다.

권취각제어부(25)가 롤러(21)를 틸팅시키는 방식은 다양하게 적용될 수 있다. 예컨대 롤러지지부(22) 양단에 각각 실린더를 연동시켜 실린더의 구동으로 양단 높이 차가 발생토록 하거나, 권취수단(20) 전체가 모터축(미도시)에 연동되어 회전하는 방식이 적용될 수도 있다.

위치제어부(26)는 롤러(21)를 수평이동(스트로크) 시키기 위해 마련된다. 예컨대 위치제어부(26)는 롤러지지부(22)와 롤러(21) 전체가 수평이동 되도록 하거나, 롤러(21)가 롤러지지부(22)를 따라 수평이동하도록 제어할 수 있다. 실시하기에 따라 위치제어부(26)는 권취수단(20) 전체가 롤러(21)의 축 방향에 대응하여 함께 수평이동 하도록 제어할 수도 있다. 더불어 위치제어부(26)는 미리 프로그래밍 된 바에 따라 롤러(21)의 수평이동 방향과 속도를 함께 제어한다.

합성수단(10)은 위치가 고정되어 있지만, 롤러(21)가 수평이동을 하면서 회전하고 있다면, 탄소나노튜브 섬유(1)는 롤러(21)의 표면에 나선 형태를 그리면서 권취된다. 즉 위치제어부(26)에 의한 롤러(21)의 수평이동에 의해서도 권취각이 조절될 수가 있는 것이다.

이상 설명한 탄소나노튜브 시트 제조 장치를 이용하여 탄소나노튜브 시트(2)를 제조하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저 합성수단(10)에서는 연속적으로 sock 형태의 탄소나노튜브 섬유(1)가 합성되어 배출되고 있다고 가정한다. 또한 합성수단(10) 아래에는 롤러(21)가 위치하되, 롤러(21)의 회전축은 탄소나노튜브 섬유(1)의 배출 방향과 수직을 이루고 있다고 가정한다.

이 상태에서 회전제어부(24)가 롤러(21)를 회전시키면 탄소나노튜브 섬유(1)가 롤러(21) 표면에 권취되는데, 탄소나노튜브 섬유(1)가 롤러(21) 표면에 한바퀴 권취되고 나면, 이후의 탄소나노튜브 섬유(1)는 먼저 권취되어 있던 탄소나노튜브 섬유(1) 외곽에 적층되는 형태로 권취된다. 이렇게 롤러(21)에 탄소나노튜브 섬유(1)가 복수층으로 적층되면 소정 면적의 탄소나노튜브 시트(2)가 제조된다.

하지만 롤러(21)를 틸팅시키거나 수평이동시키는 과정 없이 단순 회전만 시켜서 탄소나노튜브 섬유(1)를 권취할 경우, 제조된 탄소나노튜브 시트(2)의 직조 구조는 어느 한 방향에 대해서만 CNT가 배열된 특성을 갖게 된다. 따라서 CNT 배열 방향에 대해서는 강한 힘을 가지지만, 그에 수직한 방향에 대해서는 장력이 약할 수 밖에 없다.

이를 위해 본 발명에서는 탄소나노튜브 섬유(1)의 권취각을 조절하여 복수 층으로 적층되는 탄소나노튜브 섬유(1)의 직조 구조가 조절되도록 한다. 권취각 조절은 롤러제어부(23)에 의해 달성된다. 예컨대 권취각제어부(25)가 롤러(21)의 틸팅각에 변화를 줌으로써 권취각이 조절되도록 할 수 있다. 또는 회전제어부(24)가 롤러(21)의 회전 속도를 조절하고 위치제어부(26)가 롤러(21)의 수평이동 속도를 조절함으로써 권취각이 조절되도록 할 수도 있다.

도4는 롤러(21)에 탄소나노튜브 섬유(1)(이하 CNT sock이라고 함)가 권취될 때 복수 층으로 적층되어 중첩이 발생하는 모습을 설명하기 위한 도면이다. 예컨대 폭이 50mm인 CNT sock(1)이 롤러(21)의 회전에 따라 롤러(21) 표면에 권취되는데, 롤러(21)의 틸팅각 조절 또는 롤러(21)의 수평이동 조절에 따라 권취각이 조절된 상태로 권취된다면, 도4의 (a)와 같이 CNT sock(1)은 롤러(21) 표면에 나선을 그리면서 권취된다.

도4의 (b)에서 위에 도시된 단계별 적층 모습을 참조하면, 1차로 롤러(21) 표면에 CNT sock(1)이 적층되면, 롤러(21)의 1회전 후 2차로 적층되는 CNT sock(1)의 일부 면적은 1차 sock과 중첩을 이루게 되고 나머지 부분은 롤러(21)의 표면에 바로 권취된다. 같은 방식으로 3차, 4차 sock도 이전 차수의 sock과 일부 중첩을 이루면서 적층하게 되고, 미리 정해진 시트(sheet)(2) 폭만큼 권취가 모두 이루어지고 나면 도4의 (b)에서 아래에 도시된 모습과 같이 중첩 부분을 갖는 복수 층의 CNT sock(1)을 갖는 시트(2)가 제조된다. 도4의 (b)에서 아래층은 전체 시트(2)의 폭을 이루고 있으며, 위층은 시트(2)의 중첩 영역이 된다.

한편, 권취각(θ)은 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

위의 수학식1에서 각 변수들은 다음과 같이 정의된다.

θ = 권취각

r = 롤러의 반지름

l_u = Unit Width

v = Stroke Velocity

l = CNT Sheet 폭

n = CNT Sheet 폭 전체를 권취하기 위한 롤러의 시간당 회전수(rpm)

수학식1을 통해 확인할 수 있 듯이, 권취각(θ)의 Tangent 값은 [시트의 높이 / 유닛 폭]으로 정의 된다. 즉, 소정의 권취 과정이 이루어져 탄소나노튜브 시트(2)가 완성되면, 롤러(21) 둘레에 감겨진 탄소나노튜브 시트(2)의 일정 지점을 롤러(21)의 회전축 방향으로 절개하여 펼쳐줄 수 있다. 펼쳐진 상태의 탄소나노튜브 시트(2) 예시가 도5와 도7에 도시되어 있다. 따라서 시트(2)의 높이는 롤러(21)의 둘레 길이(2πr)에 해당한다.

또한 유닛폭(unit width, l_u)이란 롤러(21)가 1회 회전하였을 시 CNT sock(1)이 롤러(21)를 덮은 상태의 폭을 말한다. 예컨대 도1의 상태와 같이 권취각(θ)이 발생하지 않은 상태에서 롤러(21)를 1회전 시키면 CNT sock(1)이 롤러(21) 둘레를 완전히 덮게 되고, 만약 CNT sock(1)의 폭이 50mm라고 가정하면, 이 경우의 시트폭은 CNT sock(1)의 폭과 동일한 50mm가 될 것이고, 유닛폭(l_u) 역시 50mm가 된다. 하지만 권취각(θ)이 발생한 상태에서는 중첩 영역이 생길 수 있기 때문에, 이 경우의 유닛 폭(l_u)은 시트(2) 전체의 폭을 롤러(21)의 회전수로 나눈 값, 즉 평균값으로 정의된다. 예컨데 도2와 같이 권취각(θ)이 발생하였을 때 생산하고자 하는 시트폭 만큼 완성하기 위해 롤러(21)를 10회 회전시켰다면, 유닛 폭(l_u)은 전체 시트폭을 회전수인 10으로 나눈 값이 된다.

한편 v는 스트로크 속도이며, 이는 롤러(21)가 롤러지지부(22)를 따라 수평이동하는 속도를 말한다.

결론적으로 수학식1에 따르면 권취각(θ)은 롤러(21)의 반지름, 유닛 폭(l_u), 스트로크 속도(v), 롤러(21)의 rpm(n)에 따라 변경될 수 있다.

한편 중첩 구간은 스트로크 속도(롤러(21)의 수평이동 속도, v)와, 롤러(21)의 분당 회전수(n)에 따라 조절될 수 있다. 이를 수학식 2로 표현해 보면 아래와 같다.

만약 위의 수학식 2에서 A(결국 유닛 폭(l_u) 값임)가 CNT sock(1)의 폭과 동일하다면 중첩구간은 없게 된다.

반면, A가 CNT sock(1)의 폭보다 작다면 중첩구간이 존재한다는 것이다. 예컨대 CNT sock(1)의 폭이 50mm일 때, 세바퀴 회전을 통해 75mm의 폭을 갖는 시트(2)를 제작하였다고 가정하자. 이 경우 유닛폭(l_u)은 25mm[시트 폭 / 롤러 회전수 = 75 mm / 3]로 산출된다. 즉, Unit Width × 2 = Sock Width 이 되는데, 이 경우의 중첩구간은 25mm가 된다. 중첩구간이 25mm인 상태로 권취된 예시가 도4의 (a)에 도시되어 있다.

또한, A가 CNT sock(1)의 폭보다 크다면 공백구간이 증가하게 된다. 공백구간이란 CNT sock(1) 간의 중첩이 발생하지도 아니하고, 롤러(21)의 표면에서 CNT sock(1)이 아예 권취되지 아니하는 영역이 발생한다는 것을 의미한다.

500mm × 500mm의 시트(2)를 제작할 시, CNT sock(1)의 폭이 50mm인 조건에서 중첩구간이 어떻게 형성되느냐에 따라 CNT sock(1)이 롤러(21)에 권취될 때의 권취각(θ)은 아래의 예시와 같다.

중첩구간 0mm인 경우에는 약 6˚만큼의 권취각이 생긴다. 다만 1차 시트 폭 만큼 권취가 이루어진 후, 반대쪽으로 권취각을 형성시켜 다시 반대 방향으로 권취를 하게 되면, Cross에 의해 12˚의 각이 생긴다. 즉, 시트에서 CNT 배열 방향들 간 12도의 각 차이가 발생한다는 것이다.

중첩구간 15mm인 경우에는 약 4˚만큼 각이 생기고(도5의 (a)에서 부호 1a 참조), Cross 된 경우 8˚의 각(도5의 (b)에서 부호 1a와 1b의 사잇각)이 생긴다.

중첩구간 25mm인 경우에는 약 3˚만큼 각이 생기고 Cross 된 경우 6˚ 각이 생긴다.

중첩구간 -15mm인 경우에는 약 7.5˚만큼 각이 생기고 Cross 된 경우 15˚ 각이 생긴다. 여기서 중첩구간이 마이너스(-)란 것은 유닛폭이 CNT sock(1)의 크기보다 커서 공백구간이 발생하였다는 것을 말한다.

중첩구간 -25mm인 경우에는 약 8.5˚만큼 각이 생기고 Cross 된 경우 17˚ 각이 생긴다.

한편 중첩구간의 변화에 따라 시트(2)의 전체 두께는 균일하지 않게 되는데, 이에 따라 중첩구간의 제어가 필요하다.

도6은 권취각제어부(25)가 롤러(21)의 틸팅각을 30도, 45도, 60도로 조절하였을 시 롤러(21)에 권취되는 CNT sock(1)의 모습을 표현한 것이다.

또한 도7은 권취각 조절에 따라 적층된 탄소나노튜브 섬유(1)의 직조 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도7의 (a)는 45도의 권취각 조절에 따라 롤러(21)에 CNT sock(1)이 권취된 모습을 나타낸 것이고, 도7의 (b)는 한쪽 방향으로 45도, 그리고 반대 방향으로 45도 권취각을 변경하여 첫 번째 층과 다음 층의 CNT sock(1)이 이루는 각을 표현한 것이다. 또한 도7의 (c)는 30도의 권취각 조절에 따라 롤러(21)에 CNT sock(1)이 권취된 모습을 나타낸 것이고, 도7의 (d)는 한쪽 방향으로 30도, 그리고 반대 방향으로 45도 권취각을 변경하여 각 층간 CNT sock(1)이 이루는 각을 표현한 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 탄소나노튜브 섬유(1)를 합성하는 합성수단(10)에서 연속적으로 생성되는 탄소나노튜브 섬유(1)를 권취할 시, 권취각을 조절함으로써 일방향으로만 직조되었던 기존 탄소나노튜브 시트(2)의 특성을 개선할 수 있다. 즉 탄소나노튜브 시트(2)를 제조하기 위해 복수 층으로 적층되는 탄소나노튜브 섬유(1)의 권취각을 조절함으로써, 시트(2) 평면의 특정 방향에 대한 강성을 조절할 수가 있다.

특히, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 시트 제조 방법은, 일방향의 직조 구조를 갖는 시트를 각각 제조한 후 적층시키는 방식이 아니고, 합성수단(10)에서 연속적으로 생성되는 탄소나노튜브 섬유(1)를 권취할 시 권취각을 조절해 가면서 직조 구조가 변화되도록 함으로써, 연속적인 권취 공정에 의해 직조 구조가 조절된 탄소나노튜브 시트(2)를 한번에 제조할 수가 있다.

이렇게 생성된 탄소나노튜브 시트(2)는 탄소나노튜브 섬유(1)가 복수 층으로 적층되어 면상 형태를 이루고 있다. 더불어 각 층으로 적층되는 탄소나노튜브 섬유(1)들의 직조 방향이 조절되어 있는데, 어느 한 방향으로만 직조된 것이 아니라 제조 방법에 따라 복수 방향으로 직조되어 있다. 즉 탄소나노튜브 섬유(1)의 권취각을 다양하게 변경함으로써 의도한 방향에 대한 강성을 증가시키거나 보완할 수가 있고, 또는 모든 방향에 대하여 균등한 강성을 가지게 하는 것도 가능하다.

또한 이러한 권취각 조절에 따른 직조 구조가 조절된 본 발명의 탄소나노튜브 시트(2)는 도전재료, 발열재료, 방열재료, 방탄재료 및 방검재료 등 다양한 분야에서 우수한 특성을 발휘하는 재료로서 적용될 수 있다.

한편, 도면엔 도시하지 않았지만 본 발명에 따른 탄소나노튜브 시트 제조 장치는, 롤러(21)에 탄소나노튜브 섬유(1)를 권취하기 이전 단계, 또는 이후 단계에서 탄소나노튜브 섬유를 수축시키거나, 방사유제를 처리하여 끈끈한 성분을 제거하거나, 특성 변화를 위해 열처리를 하거나, 압착하는 수단 등을 더 포함할 수도 있다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 발명의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

1 : 탄소나노튜브 섬유(CNT sock)
2 : 탄소나노튜브 시트
10 : 합성수단
20 : 권취수단
21 : 롤러
22 : 롤러지지부
23 : 롤러제어부
24 : 회전제어부
25 : 권취각제어부
26 : 위치제어부

Claims

합성수단에서 합성된 탄소나노튜브 섬유를 권취하여 상기 탄소나노튜브 섬유가 복수 층으로 적층된 탄소나노튜브 시트를 제조하는 권취수단;을 포함하되,
상기 권취수단은 상기 탄소나노튜브 섬유의 권취각을 조절하여 복수 층으로 적층되는 상기 탄소나노튜브 섬유의 직조 구조가 조절되도록 하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 시트 제조 장치.
제1항에 있어서,
상기 권취수단은 상기 탄소나노튜브 섬유의 권취각을 0도 이상 90도 미만의 범위에서 조절하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 시트 제조 장치.
제1항에 있어서,
상기 권취수단은,
상기 합성수단에서 합성된 탄소나노튜브 섬유를 권취하는 롤러; 및
상기 롤러의 회전 및 권취각을 제어하는 롤러제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 시트 제조 장치.
제3항에 있어서,
상기 권취수단의 롤러제어부는,
상기 롤러를 회전시키는 회전제어부; 및
상기 롤러를 틸팅시키는 권취각제어부;를 포함함으로써,
상기 권취각제어부가 상기 롤러의 틸팅각을 조절함으로써 상기 권취각이 조절되도록 하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 시트 제조 장치.
제3항에 있어서,
상기 권취수단의 롤러제어부는,
상기 롤러를 회전시키는 회전제어부; 및
상기 롤러를 수평이동 시키는 위치제어부;를 포함함으로써,
상기 회전제어부에 의한 상기 롤러의 회전 속도 및 상기 위치제어부에 의한 상기 롤러의 수평이동 속도 조절에 따라 상기 권취각이 조절되도록 하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 시트 제조 장치.
탄소나노튜브 섬유를 합성하는 (a)단계; 및
상기 합성된 탄소나노튜브 섬유를 권취수단에서 권취하여 상기 탄소나노튜브 섬유가 복수 층으로 적층된 탄소나노튜브 시트를 제조하는 (b)단계;를 포함하되,
상기 (b)단계에서 상기 탄소나노튜브 섬유의 권취각을 조절하여 복수 층으로 적층되는 상기 탄소나노튜브 섬유의 직조 구조가 조절되도록 하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 시트 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 (b)단계는 상기 탄소나노튜브 섬유의 권취각을 0도 이상 90도 미만의 범위에서 조절하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 시트 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 권취수단은 상기 (a)단계에서 합성된 탄소나노튜브 섬유를 권취하는 롤러를 포함하며,
상기 (b)단계는 상기 롤러의 틸팅각을 조절함으로써 상기 권취각이 조절되도록 하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 시트 제조 방법.
제6항에 있어서,
상기 권취수단은 상기 (a)단계에서 합성된 탄소나노튜브 섬유를 권취하는 롤러를 포함하며,
상기 (b)단계는 상기 롤러의 회전 속도 및 상기 롤러의 수평이동 속도 조절에 따라 상기 권취각이 조절되도록 하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 시트 제조 방법.
탄소나노튜브 섬유가 복수 층으로 적층되어 면상 형태를 이루되, 각 층으로 적층되는 상기 탄소나노튜브 섬유의 직조 방향이 조절되어 복수 방향에 대한 강성이 향상된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 시트.
제10항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 시트는 방탄 또는 방검 재료에 사용되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 시트.