KR101989572B1 - 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조장치 및 그 제조공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조장치 및 그 제조공법에 관한 것으로서, 특히, 탄소나노튜브를 첨가하여 우수한 강도를 지닌 복합재를 인퓨전 공법으로 용이하게 제조하는 장치 및 방법을 제공하기 위한 것으로서, 테두리에 실링 플랜지(110)가 형성되며, 내부가 서로 연통되도록 상기 실링 플랜지(110)에 다수의 진공 흡입공(111)이 형성된 몰드(100)와; 상기 몰드(100) 상에 탄소나노튜브(2)를 분사 가능한 분사 노즐(200)과; 액상의 수지(3)를 수용하는 수지 보관조(310)와, 상기 수지 보관조(310)와 상기 몰드(100)를 연결하는 수지 공급 관로(320)를 포함하는 수지 공급부(300)와; 진공 펌프(410)와, 상기 진공 펌프(410)와 상기 몰드(100)의 진공 흡입공(111)을 연결하는 진공 관로(420)와, 상기 진공 관로(420) 중간에 마련되어 흡입된 수지(3)를 포집하는 수지 트랩(430)을 포함하는 진공부(400)로 구성되어, 인퓨전 공법을 통한 복합재의 제조 시, 탄소나노튜브를 드라이 패브릭에 정착시킴으로써 수지와 드라이 패브릭 간의 결합 표면적을 증대시켜 기존에 비해 향상된 강도의 탄소나노튜브 복합재를 제조할 수 있어 탄소나노튜브 복합재에 대한 상품성 및 시장경쟁력을 극대화시킬 수 있도록 하는 것이다.

Description

탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조장치 및 그 제조공법{Apparatus for manufacturing carbon nano tube composite by infusion and method for manufacturing thereof}

본 발명은 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조장치 및 그 제조공법에 관한 것으로서 특히, 탄소나노튜브를 첨가하여 우수한 강도를 지닌 복합재를 인퓨전 공법으로 용이하게 제조하는 장치 및 방법을 제공하기 위한 것으로써, 인퓨전 공법을 통한 복합재의 제조 시, 탄소나노튜브를 드라이 패브릭에 정착시킴으로써 수지와 드라이 패브릭 간의 결합 표면적을 증대시켜 기존에 비해 향상된 강도의 탄소나노튜브 복합재를 제조할 수 있어 탄소나노튜브 복합재에 대한 상품성 및 시장경쟁력을 극대화시킬 수 있는 것이다.

일반적으로 강화 섬유 복합재는 유리섬유나 탄소섬유, 또는 케블라와 같은 강화 섬유로 매트릭스를 보강할 수 있도록 제작된 복합재로서, 매트릭스로 금속을 선택할 경우 강화 섬유 금속 복합재로 제작되며, 매트릭스로 플라스틱과 같은 수지를 선택할 경우 강화 섬유 플라스틱 복합재로 제작된다.

특히, 강화 섬유 플라스틱 복합재는 가벼우면서도 높은 강도를 지니고 있어 낚싯대, 골프클럽, 테니스 라켓 등의 스포츠용품; 내열재, 항공기 동체 등과 같은 항공우주산업; 자동차; 경량재, 내장재 등과 같은 토목건축분야; 전기전자; 안테나 등과 같은 통신; 공기정화기나 정수기 등과 같은 환경산업 등 각 분야의 고성능 산업용 소재로 널리 쓰이고 있다.

상술한 바와 같이 수지를 매트릭스로 사용하는 강화섬유 복합재는 국내 공개특허공보 제10-2000-15333호나 국내 공개특허공보 제10-2001-66576호에 개시되어 있듯이, 강화 섬유를 수지에 함침 시켜서 제조하고 있었다.

도 1은 종래의 강화 섬유 복합재의 제조방법에 있어서 수지(3)에 함침 시키기 전의 강화 섬유인 드라이 패브릭(1)과 최종적으로 성형된 강화 섬유 복합재를 나타내는 도로서, 도 1의 (a)는 수지(3)에 함침 시키기 전의 드라이 패브릭(1)을 나타내며, 도 1의 (b)는 최종적으로 성형된 강화 섬유 복합재를 나타낸다.

종래의 강화 섬유 복합재의 제조방법에 따르면, 강화 섬유인 드라이 패브릭(1)의 표면에 별다른 처리를 하지 않아 도 1의 (a)와 같이 강화 섬유인 드라이 패브릭(1)은 비교적 매끄러운 표면 상태로 수지(3)에 함침 된다.

이 때문에, 종래의 강화 섬유 복합재는 강화 섬유인 드라이 패브릭(1) 자체의 강도 보다는 이러한 드라이 패브릭(1)을 서로 연결시키는 매트릭스인 수지(3)에 의한 결합력에 한계가 있어(도 1의 (b)참조) 보다 높은 강도의 강화 섬유 복합재를 제조하는 데 어려움이 있다는 종래 기술상의 문제점이 있었다.

국내 공개특허공보 제10-2000-15333호 국내 공개특허공보 제10-2001-66576호

본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 인퓨전 공법을 통한 복합재의 제조 시, 탄소나노튜브를 드라이 패브릭에 정착시킴으로써 수지와 드라이 패브릭 간의 결합 표면적을 증대시켜 기존에 비해 향상된 강도의 탄소나노튜브 복합재를 제조할 수 있어 탄소나노튜브 복합재에 대한 상품성 및 시장경쟁력을 극대화시킬 수 있도록 하는 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조장치 및 그 제조공법을 제공하고자 한다.

이러한 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조장치는, 테두리에 실링 플랜지가 형성되며, 내부가 서로 연통되도록 상기 실링 플랜지에 다수의 진공 흡입공이 형성된 몰드와; 상기 몰드 상에 탄소나노튜브를 분사 가능한 분사 노즐과; 액상의 수지를 수용하는 수지 보관조와, 상기 수지 보관조와 상기 몰드를 연결하는 수지 공급 관로를 포함하는 수지 공급부와; 진공 펌프와, 상기 진공 펌프와 상기 몰드의 진공 흡입공을 연결하는 진공 관로와, 상기 진공 관로 중간에 마련되어 흡입된 수지를 포집하는 수지 트랩을 포함하는 진공부로 구성함으로써 달성된다.

여기에서, 상기 수지 공급부는 상기 수지 공급 관로를 선택적으로 개폐시키는 수지 컨트롤 밸브를 더 포함하고; 상기 진공부는 상기 진공 관로를 선택적으로 개폐시키는 진공 컨트롤 밸브를 더 포함하는 것이 좋을 것이다.

이와 함께, 상기 수지 공급 관로 및 상기 진공 관로는 퀵 커플러를 통해 상기 몰드에 착탈 가능하게 연결되는 것이 바람직하다.

게다가, 상기 수지 공급 관로의 중간은 분기되어 상기 수지 트랩에 보조 진공 관로를 통해 연결되는 것이 바람직할 것이다.

그리고, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조공법은, 상술한 장치를 사용하는 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조공법에 있어서, 몰드 상에 이형제를 도포하는 단계와; 이형제가 도포된 몰드 상에 수지를 포함하지 않은 건조상태의 복합소재인 드라이 패브릭을 적층하고 그 위에 분사 노즐로 탄소나노튜브를 분사하는 것을 교번하여 반복 실시하는 단계와; 적층된 드라이 패브릭 위에 이형지를 적층시키는 단계와; 드라이 패브릭이 적층된 몰드에 진공 필름을 덮고 진공 필름의 테두리를 실링 플랜지에 실링 되도록 고정시켜 몰드와 진공 필름으로 기밀 공간을 형성하는 단계와; 진공 펌프를 구동시켜 진공 관로를 통해 상기 기밀 공간 내부를 진공화 하는 동시에 이에 따라 수지 공급 관로를 통해 수지 보관조의 수지가 상기 기밀 공간 내부로 공급되는 단계와; 탄소나노튜브가 정착된 적층 드라이 패브릭을 수지에 함침시켜 상온에서 경화시키는 단계와; 진공 필름을 제거하고 성형된 탄소나노튜브 복합재를 몰드로부터 탈형하는 단계와; 탈형한 탄소나노튜브 복합재의 모서리를 제거하고 표면을 폴리싱 하는 단계를 포함함으로써 달성될 수 있다.

이상과 같은 본 발명은 인퓨전 공법을 통한 복합재의 제조 시, 탄소나노튜브를 드라이 패브릭에 정착시킴으로써 수지와 드라이 패브릭 간의 결합 표면적을 증대시켜 기존에 비해 향상된 강도의 탄소나노튜브 복합재를 제조할 수 있어 탄소나노튜브 복합재에 대한 상품성 및 시장경쟁력을 극대화시킬 수 있는 발명인 것이다.

도 1은 종래의 강화 섬유 복합재의 제조방법에 있어서 수지에 함침 시키기 전의 강화 섬유인 드라이 패브릭과 최종적으로 성형된 강화 섬유 복합재를 나타내는 도,
도 2는 본 발명의 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조장치를 도시하는 개략적인 구성도,
도 3은 본 발명의 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조공법을 도시하는 순서도,
도 4는 본 발명의 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조공법에 있어서 수지에 함침 시키기 전의 드라이 패브릭과 최종적으로 성형된 탄소나노튜브 복합재를 나타내는 도,
도 5는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조공법으로 제조된 탄소나노튜브 복합재와 기존의 방법으로 제조된 복합재의 인장시험 결과를 나타내는 선도.

도 2는 본 발명의 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조장치를 도시하는 개략적인 구성도이며, 도 3은 본 발명의 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조공법을 도시하는 순서도이다.

그리고, 도 4는 본 발명의 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조공법에 있어서 수지에 함침 시키기 전의 드라이 패브릭과 최종적으로 성형된 탄소나노튜브 복합재를 나타내는 도이며, 도 5는 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조공법으로 제조된 탄소나노튜브 복합재와 기존의 방법으로 제조된 복합재의 인장시험 결과를 나타내는 선도이다.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 또는 "직접 접촉되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명의 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조장치 및 그 제조공법은 인퓨전 공법을 통한 복합재의 제조 시, 탄소나노튜브를 드라이 패브릭에 정착시킴으로써 수지와 드라이 패브릭 간의 결합 표면적을 증대시켜 기존에 비해 향상된 강도의 탄소나노튜브 복합재를 제조할 수 있어 탄소나노튜브 복합재에 대한 상품성 및 시장경쟁력을 극대화시킬 수 있는 것을 그 기술상의 기본 특징으로 한다.

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 본 발명의 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조장치의 구성에 대하여 설명하고, 이후 이 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조장치를 사용하는 본 발명의 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조공법에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조장치는 도 2에 도시한 바와 같이, 테두리에 실링 플랜지(110)가 형성되며, 내부가 서로 연통되도록 상기 실링 플랜지(110)에 다수의 진공 흡입공(111)이 형성된 몰드(100)와; 상기 몰드(100) 상에 탄소나노튜브(2)를 분사 가능한 분사 노즐(200)과; 액상의 수지(3)를 수용하는 수지 보관조(310)와, 상기 수지 보관조(310)와 상기 몰드(100)를 연결하는 수지 공급 관로(320)를 포함하는 수지 공급부(300)와; 진공 펌프(410)와, 상기 진공 펌프(410)와 상기 몰드(100)의 진공 흡입공(111)을 연결하는 진공 관로(420)와, 상기 진공 관로(420) 중간에 마련되어 흡입된 수지(3)를 포집하는 수지 트랩(430)을 포함하는 진공부(400)로 구성되는 것이 바람직할 것이다.

즉, 본 발명의 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조장치는 크게 몰드(100), 분사 노즐(200), 수지 공급부(300), 그리고 진공부(400)를 포함하여 구성된다.

우선, 몰드(100)는 성형하고자 하는 복합재의 형상에 따라 바닥면이 음각 성형된 합성수지재 또는 금속재의 형틀로서, 상형이 없이 상방향이 개구된 하형으로만 이루어져 있다.

이러한 몰드(100)의 테두리에는 실링 플랜지(110)가 일주하여 형성되며, 이 실링 플랜지(110)는 이후에 설명할 진공 필름을 덮어서 고정하기 위한 영역으로, 대략 평탄면으로 형성된다.

특히, 이러한 실링 플랜지(110)에 바람직하게는 일정 간격을 두고 다수의 진공 흡입공(111)이 상기 몰드(100)의 테두리를 따라서 형성되며, 특히 이러한 진공 흡입공(111)은 상기 실링 플랜지(110)의 내부에서 서로 연통되어 있다.

이와 같이 실링 플랜지(110)의 내부를 서로 연통시키는 것은 이후에 설명할 진공 관로(420)를 다수의 진공 흡입공(111) 중 어느 하나만 연결하더라도 상기 실링 플랜지(110)의 전역에 걸쳐 다수의 진공 흡입공(111)에 동일한 부압이 작용하도록 하기 위함이다.

다음으로 분사 노즐(200)은 탄소나노튜브(2)를 상기 몰드(100) 상에 분사하기 위한 구성으로, 이때 분사되는 탄소나노튜브(2)는 액상 또는 미세한 분말상이어도 좋다.

만약 탄소나노튜브(2)를 액상으로 분사하고자 할 때에는, 탄소나노튜브(2)와 휘발성 액체의 혼합으로 미리 제작될 수 있으며, 이때 상기 휘발성 액체로는 에탄올 등이 바람직하며, 이러한 휘발성 액체를 기반으로 대략 1~5 중량%의 탄소나노튜브(2)를 혼합하여 액상으로 준비하는 것이 가능하다.

상기 분사 노즐(200)이 탄소나노튜브(2)를 분사하기 위해서는 컴프레서나 공압 배관 등을 포함하는 고압의 공기 공급수단 등이 부가될 수 있을 것이다.

그리고, 상술한 몰드(100)의 넓이가 비교적 좁은 경우 고정된 하나의 분사 노즐(200)로부터 탄소나노튜브(2)를 분사하는 것이 가능할 것이다.

하지만, 만약 상기 몰드(100)의 넓이가 비교적 넓은 경우에는 고정 설치되는 상기 분사 노즐(200)의 수를 증가시키거나 혹은 별도로 분사 노즐(200)을 상기 몰드(100) 상에서 이동시키는 분사 노즐(200) 이송장치와 같은 구성요소가 부가될 수 있음은 물론이다.

도 2에는 오직 하나의 분사 노즐(200)을 예시적으로 도시하였다.

다음으로 수지 공급부(300)는 수지 보관조(310) 및 수지 공급 관로(320)를 포함하는 것으로, 상기 수지 보관조(310)는 용기 형상으로 이루어져 그 내부에 액상의 수지(3)를 수용하고 있다.

그리고, 수지 공급 관로(320)는 상기 수지 보관조(310)와 상기 몰드(100)를 연결하는 파이프 배관이다.

이때, 상기 수지 공급 관로(320)는 상기 수지 보관조(310)의 바닥면 인근과 상기 몰드(100)의 바닥면 인근 사이에 접속되어, 수지 보관조(310) 내부에 수지(3)가 남지 않도록 하는 한편, 상기 수지 보관조(310) 내의 수지(3)를 상기 몰드(100)의 바닥면 인근으로 공급할 수 있도록 하는 것이 좋을 것이다.

도 2에는 설명의 편의를 위하여 수지 공급 관로(320)가 몰드(100)의 바닥면 상측에 연결되는 것으로 나타내었지만, 성형성을 고려하여 상기 몰드(100)의 바닥면 하측에 연결되는 것이 더욱 바람직할 것이다.

특히, 상술한 수지 보관조(310)의 상부에는 대기압이 작용하도록 하여 상기 수지 공급 관로(320)를 통해 수지 보관조(310) 내부의 수지(3)가 공급될 때 상기 수지 보관조(310)의 상부에서 부압이 발생하는 것을 방지할 수 있을 것이다.

마지막으로 진공부(400)는 진공 펌프(410), 진공 관로(420), 그리고 수지 트랩(430)을 포함하고 있다.

우선 진공 펌프(410)는 전원의 공급이나 혹은 별도의 회전력을 전달받아 구동함으로써 진공을 발생시키는 주지의 구성이다.

이러한 상기 진공 펌프(410)에서 발생된 진공 상태를 상기 몰드(100)에 작용시키기 위하여 파이프 배관인 진공 관로(420)가 상기 진공 펌프(410)와 상기 몰드(100)의 진공 흡입공(111) 사이에 배설된다.

이러한 진공 관로(420)는 둘 이상으로 분기하여 둘 이상의 진공 흡입공(111)에 연결될 수 있을 것이다.

그리고, 수지 트랩(430)은 상기 진공 관로(420)로 공기 이외에 수지(3)가 흡입될 경우, 흡입된 수지(3)가 진공 펌프(410)에 들어가 진공 펌프(410)의 구동에 악영향을 미치기 때문에, 진공에 의해 흡입된 수지(3)가 진공 펌프(410)로 들어가는 것을 예방하기 위한 구성인 것이다.

이러한 수지 트랩(430)은 기밀 용기로 이루어져 그 내부에 흡입된 수지(3)를 하부에 저수할 수 있으며, 유입공 및 유출공이 형성되되 특히 유출공이 기밀 용기 내에 저수된 수지(3)에 접촉하지 않도록 상측에 위치하는 주지의 구성일 수 있을 것이다.

이러한 구성에 따라, 상기 진공 펌프(410)에서 발생된 부압은 진공 관로(420)를 통해 몰드(100)에 작용하고, 상기 몰드(100)에 작용하는 부압은 다시 수지 공급 관로(320)를 통해 수지 보관조(310)에 작용하게 될 것이다.

그 결과, 상기 수지 보관조(310) 내의 수지(3)가 상술한 몰드(100) 내부에 공급될 수 있는 것이다.

상술한 바와 같이 상기 진공 펌프(410)에서 발생되는 진공에 의해 수지(3)가 몰드(100)에 공급되므로, 수지(3)의 공급을 상기 진공 펌프(410)의 작동 여부에 따라 제어할 수 있을 것이다.

하지만, 본 발명에 있어서, 상기 수지 공급부(300)는 상기 수지 공급 관로(320)를 선택적으로 개폐시키는 수지 컨트롤 밸브(330)를 더 포함하고; 상기 진공부(400)는 상기 진공 관로(420)를 선택적으로 개폐시키는 진공 컨트롤 밸브(440)를 더 포함하는 것이 양호할 것이다.

이와 같이, 수지 공급 관로(320) 상에 수지 컨트롤 밸브(330)를 마련함으로써 상기 수지 컨트롤 밸브(330)의 개폐 제어에 따라 수지(3)의 공급 여부를 제어하는 한편, 상기 진공 관로(420) 상에 진공 컨트롤 밸브(440)를 마련함으로써 상기 진공 컨트롤 밸브(440)의 개폐 제어에 따라 몰드(100) 내부의 진공 상태 형성 여부를 보다 용이하게 제어하는 것이 가능해진다.

이와 같은 수지 컨트롤 밸브(330)나 진공 컨트롤 밸브(440)는 사용자의 조작에 따라 개폐가 제어되는 수동 밸브이어도 좋을 것이며, 보다 바람직하게는 전기적 신호에 따라 개폐가 제어되는 전자 밸브로 이루어져 사용자의 스위치 조작이나 혹은 미리 저장해 놓은 로직에 따라 제어가 이루어질 수 있을 것이다.

이와 더불어, 본 발명에 있어서 상기 수지 공급 관로(320) 및 상기 진공 관로(420)는 퀵 커플러(321)(421)를 통해 상기 몰드(100)에 착탈 가능하게 연결되는 것이 좋을 것이다.

상기 퀵 커플러(321)(421)는 사용자의 원터치 조작으로 관로를 연결하거나 또는 분리시킬 수 있는 주지의 구성으로, 퀵 커플러(321)(421)를 적용함에 따라 사용자는 수지 공급 관로(320) 및 진공 관로(420)를 상기 몰드(100)에 보다 쉽게 연결하거나 분리시키는 것이 가능해진다.

이에 따라, 형상이 다른 복합재의 성형을 위해 몰드(100)를 교환하거나 혹은 몰드(100)의 청소를 실시하고자 할 때, 수지 공급 관로(320) 및 진공 관로(420)를 보다 편리하게 몰드(100)에 연결하거나 분리시키는 것이 가능하다.

게다가, 본 발명에 있어서 상기 수지 공급 관로(320)의 중간은 분기되어 상기 수지 트랩(430)에 보조 진공 관로(450)를 통해 연결되는 것이 바람직할 것이다.

이때, 상기 수지 공급 관로(320)의 분기를 위해 삼방 밸브가 부가되는 것이 가능할 것이며, 이와 같이, 보조 진공 관로(450)를 부가함으로써, 수지(3)가 수지 공급 관로(320) 내에 위치하는 시간을 조절하여 수지 보관조(310)로부터 몰드(100)에 공급되는 시간을 단축시키는 것이 가능해진다.

상술한 본 발명의 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조장치의 작용에 대해서는 이하에서 탄소나노튜브 복합재를 제조하는 인퓨전 제조공법의 설명과 함께 하기로 한다.

본 발명의 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조공법은 도 3에 도시한 바와 같이, 상술한 장치를 사용하는 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조공법에 있어서, 몰드(100) 상에 이형제를 도포하는 단계(S10)와; 이형제가 도포된 몰드(100) 상에 수지(3)를 포함하지 않은 건조상태의 복합소재인 드라이 패브릭(1)을 적층하고 그 위에 분사 노즐(200)로 탄소나노튜브(2)를 분사하는 것을 교번하여 반복 실시하는 단계(S20)와; 적층된 드라이 패브릭(1) 위에 이형지를 적층시키는 단계(S30)와; 드라이 패브릭(1)이 적층된 몰드(100)에 진공 필름을 덮고 진공 필름의 테두리를 실링 플랜지(110)에 실링 되도록 고정시켜 몰드(100)와 진공 필름으로 기밀 공간을 형성하는 단계(S40)와; 진공 펌프(410)를 구동시켜 진공 관로(420)를 통해 상기 기밀 공간 내부를 진공화 하는 동시에 이에 따라 수지 공급 관로(320)를 통해 수지 보관조(310)의 수지(3)가 상기 기밀 공간 내부로 공급되는 단계(S50)와; 탄소나노튜브(2)가 정착된 적층 드라이 패브릭(1)을 수지(3)에 함침시켜 상온에서 경화시키는 단계(S60)와; 진공 필름을 제거하고 성형된 탄소나노튜브 복합재를 몰드(100)로부터 탈형하는 단계(S70)와; 탈형한 탄소나노튜브 복합재의 모서리를 제거하고 표면을 폴리싱 하는 단계(S80)를 포함하는 것이 가능하다.

즉, 본 발명의 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조공법은 8개의 단계로 이루어질 수 있으며, 우선 몰드(100)에서 성형되는 복합재를 원활하게 탈형 할 수 있도록 이형제 도포 단계(S10)에서는 몰드(100)의 바닥면 상에 이형제를 도포하게 된다.

이러한 이형제의 도포는 별도의 분사용 노즐을 적용하는 것이 가능할 것이며, 필요에 따라서는 상술한 탄소나노튜브(2)를 분사하기 위한 분사 노즐(200)을 공용으로 사용하는 것도 가능할 것이다.

이와 같이 이형제 도포 단계(S10)에서 몰드(100) 상에 이형제의 도포가 완료되면, 이후 적층 및 분사 단계(S20)가 시작된다.

적층 및 분사 단계(S20)에서는 이형제가 도포된 몰드(100) 상에 수지(3)를 포함하지 않은 건조상태의 복합소재인 드라이 패브릭(1)을 적층하고 그 위에 분사 노즐(200)로 탄소나노튜브(2)를 분사하는 것을 교번하여 반복 실시하게 된다.

여기에서 드라이 패브릭(1)은 탄소섬유나 유리섬유와 같은 강화 섬유로 직조된 것이며, 성형하고자 하는 복합재의 두께에 따라 적층 및 분사에 대한 교번 반복 횟수가 증감될 수 있다.

예를 들어, 비교적 두꺼운 복합재를 성형하고자 할 때에는 드라이 패브릭(1)의 적층 및 탄소나노튜브(2)의 분사에 대한 교번 반복 횟수를 증가시키며, 비교적 얇은 복합재를 성형하고자 할 때에는 그 교번 반복 횟수를 저감시키는 것이다.

탄소나노튜브(2)의 분사는 온도 20~25℃, 습도 20~40%의 환경 하에서, 탄소나노튜브(2) 1~5 중량%를 포함하는 용액을 4~6psi의 압력으로 행하는 것이 보다 높은 강도의 탄소나노튜브 복합재를 제작하는데 바람직하다는 것을 본 출원인의 반복 실험에 의해 확인하였다.

이와 같이, 적층 및 분사 단계(S20)에서 소망하는 두께로 드라이 패브릭(1)의 적층 및 탄소나노튜브(2)의 분사에 대한 교번 반복이 완료되면, 이형지 적층 단계(S30)에서는 탄소나노튜브(2)를 분사하면서 적층시킨 드라이 패브릭(1) 위에 이형지를 적층시키게 된다.

여기에서, 이형지는 이후에 공급될 수지(3)가 진공 필름에 달라붙는 것을 예방하는 역할을 하게 된다.

이형지 적층 단계(S30) 이후, 실링 단계(S40)에서는 탄소나노튜브(2)를 분사하면서 드라이 패브릭(1)을 적층시킨 몰드(100)에 진공 필름을 덮고 진공 필름의 테두리를 실링 플랜지(110)에 실링 되도록 고정시켜 몰드(100)와 진공 필름으로 기밀 공간을 형성하게 된다.

이때, 사용되는 진공 필름은 기본적으로 기밀성을 유지하면서도 적절한 두께를 가지고 있어 소망하는 강도를 발휘할 수 있는 비교적 유연한 재질의 필름 소재인 것이다.

이러한 진공 필름은 몰드(100)에 있어서 개방된 상부를 밀폐시키는 역할을 하게 되며, 이때, 상기 진공 필름은 몰드(100)의 실링 플랜지(110)에 형성된 진공 흡입공(111)이 기밀 공간 내에 위치하도록 하여야 할 것이다.

이와 같이 실링 단계(S40)에서 진공 필름과 몰드(100)로 기밀 공간을 형성한 후, 수지 공급 단계(S50)에서는 진공 펌프(410)를 구동시키는 동시에 진공 컨트롤 밸브(440)를 개방시켜 진공 관로(420)를 통해 상기 몰드(100)와 상기 진공 필름으로 형성되는 상기 기밀 공간 내부를 진공 상태가 되게 된다.

기밀 공간 내부가 진공화 함에 따라, 수지 공급 관로(320)를 통해 수지 보관조(310)의 수지(3)가 상기 기밀 공간 내부로 공급된다.

그 결과, 경화 단계(S60)에서는 탄소나노튜브(2)가 정착된 적층 드라이 패브릭(1)이 수지(3)에 함침 되며, 이를 상온에서 경화시켜 탄소나노튜브 복합재로 성형시키게 되는 것이다.

경화 단계(S60) 이후, 탈형 단계(S70)에서는 몰드(100)로부터 진공 필름을 제거하고 성형된 탄소나노튜브 복합재를 몰드(100)로부터 탈형하게 된다.

이때, 상기 진공 필름은 이형지에 의해 성형된 탄소나노튜브 복합재에 붙지 않고 용이하게 분리되며, 성형된 탄소나노튜브 복합재는 이형제에 의해 몰드(100)로부터 용이하게 분리되는 것이 가능해진다.

탈형 단계(S70)가 완료되면 마지막으로, 후처리 단계(S80)에서는 탈형한 탄소나노튜브 복합재의 모서리를 절삭기로 제거하고 표면을 폴리싱 가공하게 된다.

이때, 탈형한 탄소나노튜브 복합재는 몰드(100)와 진공 필름이 맞닿는 모서리 부위에서 거스러미가 자연적으로 형성되기 때문에 이러한 거스러미를 절삭기로 제거할 필요가 있으며, 성형된 탄소나노튜브 복합재 표면의 광택도를 높이기 위하여 폴리싱 가공이 수행되는 것이다.

이와 같이 본 발명의 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조공법에 따라 제조된 탄소나노튜브 복합재는 적층 및 분사 단계(S20)에서 드라이 패브릭(1)을 적층시키고 탄소나노튜브(2)를 분사함으로써, 드라이 패브릭(1)에 탄소나노튜브(2)를 정착시키는 것이 가능해진다.

이와 같이 탄소나노튜브(2)가 드라이 패브릭(1)에 정착된 상태를 도 4의 (a)에 도시하였다.

이후, 수지 공급 단계(S50)를 통해 수지(3)를 공급하여 함침 시키고, 경화 단계(S60)를 거치면서 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이 탄소나노튜브(2)가 정착된 드라이 패브릭(1)의 사이사이에 수지(3)가 위치한 상태로 경화되는 것이다.

이와 같이 제조되는 탄소나노튜브 복합재는 탄소섬유나 유리섬유 등과 같은 강화섬유 복합소재로 제조된 드라이 패브릭(1)에 탄소나노튜브(2)가 정착되어 있음으로써, 수지(3)와 드라이 패브릭(1) 간의 결합 표면적을 증대시킴으로써, 기존에 비해 크게 향상된 고강도의 탄소나노튜브 복합재를 제조할 수 있게 되는 것이다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조공법으로 제조된 탄소나노튜브 복합재에 대한 강도를 확인하기 위하여, 탄소나노튜브(2)를 탄소섬유로 이루어진 드라이 패브릭(1)에 분사하여 정착시킨 후, 수지(3)에 함침 시켜서 제조한 본 발명에 따른 탄소나노튜브 복합재와, 탄소나노튜브(2)를 탄소섬유로 이루어진 드라이 패브릭(1)에 분사하지 않고 수지(3)에 함침시켜 제작한 종래의 복합재에 대하여 인장강도 시험을 각각 실시하였다.

그 결과, 도 5에 있어서 실선으로 나타낸 바와 같이 본원 발명에 따라 탄소나노튜브(2)를 탄소섬유로 이루어진 드라이 패브릭(1)에 정착하여 제조한 탄소나노튜브 복합재의 인장강도는 대략 1500MPa 이었다.

이에 반해, 도 5에 있어서 점선으로 나타낸 바와 같이, 탄소나노튜브(2)를 정착하지 않고 기존의 방법으로 제조한 복합재의 인장강도는 대략 1240MPa로 측정되었다.

즉, 탄소나노튜브(2)를 드라이 패브릭(1)에 정착하는 본 발명의 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조공법에 따르면, 탄소나노튜브(2)를 정착하지 않는 기존의 방법에 비해 인장강도가 대략 20% 이상 상승하는 것을 확인할 수 있었다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조장치 및 그 제조공법은, 인퓨전 공법을 통한 복합재의 제조 시, 탄소나노튜브를 드라이 패브릭에 정착시킴으로써 수지와 드라이 패브릭 간의 결합 표면적을 증대시켜 기존에 비해 향상된 강도의 탄소나노튜브 복합재를 제조할 수 있어 탄소나노튜브 복합재에 대한 상품성 및 시장경쟁력을 극대화시킬 수 있다는 탁월한 이점을 지닌 발명인 것이다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명의 범위는 상기의 도면이나 실시예에 한정되지 않는다.

1 : 드라이 패브릭 2 : 탄소나노튜브
3 : 수지 100 : 몰드
110 : 실링 플랜지 111 : 진공 흡입공
200 : 분사 노즐 300 : 수지 공급부
310 : 수지 보관조 320 : 수지 공급 관로
321 : 퀵 커플러 330 : 수지 컨트롤 밸브
400 : 진공부 410 : 진공 펌프
420 : 진공 관로 421 : 퀵 커플러
430 : 수지 트랩 440 : 진공 컨트롤 밸브
450 : 보조 진공 관로 S10 : 이형제 도포 단계
S20 : 적층 및 분사 단계 S30 : 이형지 적층 단계
S40 : 실링 단계 S50 : 수지 공급 단계
S60 : 경화 단계 S70 : 탈형 단계
S80 : 후처리 단계

Claims (5)

1. 테두리에 실링 플랜지가 형성되며, 내부가 서로 연통되도록 상기 실링 플랜지에 다수의 진공 흡입공이 형성된 몰드와;
   상기 몰드 상에서 이송장치에 의해 이동하며, 휘발성 액체인 에탄올과 혼합된 탄소나노튜브를 분사 가능한 분사 노즐과;
   액상의 수지를 수용하는 수지 보관조와, 상기 수지 보관조와 상기 몰드를 연결하는 수지 공급 관로를 포함하는 수지 공급부와;
   진공 펌프와, 상기 진공 펌프와 상기 몰드의 진공 흡입공을 연결하는 진공 관로와, 상기 진공 관로 중간에 마련되어 흡입된 수지를 포집하는 수지 트랩을 포함하는 진공부로 구성되되;
   상기 수지 공급 관로의 중간은 분기되어 상기 수지 트랩에 상기 몰드를 경유하지 않는 보조 진공 관로를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 수지 공급부는 상기 수지 공급 관로를 선택적으로 개폐시키는 수지 컨트롤 밸브를 더 포함하고;
   상기 진공부는 상기 진공 관로를 선택적으로 개폐시키는 진공 컨트롤 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 수지 공급 관로 및 상기 진공 관로는 퀵 커플러를 통해 상기 몰드에 착탈 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조장치.
4. 삭제
5. 제1항의 장치를 사용하는 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조공법에 있어서,
   몰드 상에 이형제를 도포하는 단계와;
   이형제가 도포된 몰드 상에 수지를 포함하지 않은 건조상태의 복합소재인 드라이 패브릭을 적층하고 그 위에 분사 노즐로 탄소나노튜브를 분사하는 것을 교번하여 반복 실시하는 단계와;
   적층된 드라이 패브릭 위에 이형지를 적층시키는 단계와;
   드라이 패브릭이 적층된 몰드에 진공 필름을 덮고 진공 필름의 테두리를 실링 플랜지에 실링되도록 고정시켜 몰드와 진공 필름으로 기밀 공간을 형성하는 단계와;
   진공 펌프를 구동시켜 진공 관로를 통해 상기 기밀 공간 내부를 진공화 하는 동시에 이에 따라 수지 공급 관로를 통해 수지 보관조의 수지가 상기 기밀 공간 내부로 공급되는 단계와;
   탄소나노튜브가 정착된 적층 드라이 패브릭을 수지에 함침 시켜 상온에서 경화시키는 단계와;
   진공 필름을 제거하고 성형된 탄소나노튜브 복합재를 몰드로부터 탈형하는 단계와;
   탈형한 탄소나노튜브 복합재의 모서리를 제거하고 표면을 폴리싱 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 복합재의 인퓨전 제조공법.

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