KR101990485B1 - 카본 시트, 카본 프레임 및 그 제조 방법 - Google Patents

카본 시트, 카본 프레임 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 카본 시트 및 카본 프레임 제조 방법은, 카본(carbon) 원사(原絲)를 준비하는 단계, 접착용 레진(resin)에 탄소계 물질을 포함하는 탄소 함유 입자를 분산시켜 제작된 탄소 함유 레진을, 상기 카본 원사의 표면에 묻히는 단계 및 상기 탄소 함유 레진이 묻은 카본 원사를 이용하여 카본 시트(carbon sheet)를 생성하는 단계, 프레임(frame)의 제작을 위한 금형의 내부 공간에, 상기 카본 시트 복수 개가 적층되어 형성되는 카본 시트 레이어(layer)를 위치시키는 단계 및 상기 카본 시트 레이어가 위치한 금형에 열처리를 수행하여, 상기 카본 시트 레이어로부터 카본 프레임을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

카본 시트, 카본 프레임 및 그 제조 방법 {CARBON SHEET, CARBON FRAME AND METHOD FOR GENERATING SAME}
본 발명은 카본(carbon) 원사(原絲)를 탄소 함유 입자가 포함된 접착용 레진을 이용하여 상호 결합시켜 생성된 카본 시트(carbon sheet), 그 카본 시트를 이용하여 제조된 카본 프레임(carbon frame) 및 이들의 제법에 관한 것이다.
탄소계 물질을 원료로 하여 만들어진, 기다란 막대 형상의 카본 프레임은 가벼우면서도 강도가 높아, 휴대가 가능하면서도 튼튼해야 하는 자전거, 낚싯대 등에 적용될 수 있다.
구체적인 예로서, 자전거의 차체에는 바퀴, 체인, 페달 등 자전거의 구동을 위한 다양한 구성 요소들이 포함되어 있는데, 이러한 구성 요소들 중 막대 모양의 프레임(frame)은 차체를 전체적으로 지탱하는 뼈대 역할을 하므로, 자전거 탑승자의 안전을 위해서는 프레임의 강도가 일정 수준 이상으로 보장될 필요가 있다. 또한, 최근에는 지하철과 같은 다른 운송 수단에 자전거를 소지하고 탑승하는 등, 직접 운전 외의 다른 방법으로 자전거를 이동시켜야 하는 상황이 늘어남에 따라, 자전거의 경량화에 대한 요구 역시 증대되고 있다.
이와 같은 상황에서, 자전거의 제작에 가볍고 강도가 높은 카본 프레임을 이용하는 것은 좋은 해결책이 될 수 있다. 실제로 카본 프레임이 적용된 자전거는 현재 활발히 제작 및 시판되고 있다.
다만, 카본 프레임이 자전거의 제작에 있어 아직까지는 티타늄 등 다른 소재로 제작된 프레임에 비해 확실한 우위를 점하고 있다고 보기는 어렵다. 또한, 자전거의 프레임보다 더 높은 강도가 요구되는 분야에 카본 프레임을 적용하기 위해서는, 카본 프레임의 강도를 획기적으로 높일 수 있는 새로운 방법을 개발할 필요가 있다.
한국공개특허공보, 제 10-2015-0075707호 (2015.07.06. 공개)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 복잡한 공정의 추가 없이도 기존의 카본 프레임에 비해 월등한 강도를 갖는 카본 프레임, 상기 카본 프레임의 재료가 되는 카본 시트 및 이들을 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 카본 시트 제조 방법은, 카본(carbon) 원사(原絲)를 준비하는 단계, 접착용 레진(resin)에 탄소계 물질을 포함하는 탄소 함유 입자를 분산시켜 제작된 탄소 함유 레진을, 상기 카본 원사의 표면에 묻히는 단계 및 상기 탄소 함유 레진이 묻은 카본 원사를 이용하여 카본 시트(carbon sheet)를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄소 함유 입자는 그래핀(graphene) 나노 입자, 산화 그래핀(graphene oxide, GO) 나노 입자, 환원된 산화 그래핀(reduced graphene oxide, RGO) 나노 입자 및 탄소 나노 튜브(carbon nano tube) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄소 함유 레진은, 상기 접착용 레진에 상기 탄소 함유 입자를 0.01% 내지 5%의 중량비(weight percent)로 넣고 섞음으로써 제조될 수 있다.
또한, 상기 묻히는 단계는, 상기 탄소 함유 레진을 내부에 포함하는 코팅 장치에 상기 카본 원사를 통과시켜, 상기 카본 원사 중 상기 코팅 장치를 통과한 부분의 표면에 상기 탄소 함유 레진이 묻도록 하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 묻히는 단계는, 평판 시트 형태의 필름(film)에 상기 탄소 함유 레진이 도포되도록 하는 단계 및 상기 탄소 함유 레진이 도포된 필름의 표면에 복수의 상기 카본 원사를 위치시키는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 도포되도록 하는 단계는, 상기 탄소 함유 레진이 표면에 묻은 두 개의 롤러(roller)의 사이로 상기 필름을 통과시켜, 상기 필름 중 상기 두 개의 롤러의 사이를 통과한 부분의 표면에 상기 탄소 함유 레진이 묻도록 하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 생성하는 단계는, 상기 탄소 함유 레진이 도포된 필름의 표면에 위치한 복수의 상기 카본 원사를 상기 탄소 함유 레진을 이용하여 결합시켜 상기 카본 시트를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 방법은, 프레임(frame)의 제작을 위한 금형의 내부 공간에, 상기 카본 시트 복수 개가 적층되어 형성되는 카본 시트 레이어(layer)를 위치시키는 단계 및 상기 카본 시트 레이어가 위치한 금형에 열처리를 수행하여, 상기 카본 시트 레이어로부터 카본 프레임을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 위치시키는 단계는, 상기 금형의 내부 공간에 도입될 수 있는 중심 봉을 둘러싸도록 형성된 상기 카본 시트 레이어를, 상기 중심 봉과 함께 상기 금형의 내부 공간에 위치시키는 단계를 포함하며, 상기 카본 프레임을 생성하는 단계는, 상기 생성된 카본 프레임으로부터 상기 중심 봉을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 카본 시트는, 접착용 레진에 탄소계 물질을 포함하는 탄소 함유 입자가 분산되어 있는 탄소 함유 레진 및 상기 탄소 함유 레진에 의해 서로 결합됨으로써 시트 형태를 이루는 복수의 카본 원사를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 프레임은, 상기 카본 시트 복수 개가 적층되어 형성되는 카본 시트 레이어를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 카본 프레임 제조 방법은, 카본 원사로 이루어진 카본 시트를 준비하는 단계, 접착용 레진에 탄소계 물질을 포함하는 탄소 함유 입자가 분산되어 있는 탄소 함유 레진을 준비하는 단계, 상기 카본 시트 복수 개를 적층시켜 카본 시트 레이어를 형성하되, 상기 탄소 함유 레진이 상기 카본 시트 복수 개 중 서로 인접한 두 카본 시트 사이에 개재되도록 적층하는 단계, 프레임의 제작을 위한 금형의 내부 공간에, 상기 카본 시트 레이어를 위치시키는 단계 및 상기 카본 시트 레이어가 위치한 상기 금형에 열처리를 수행하여, 상기 카본 시트 레이어로부터 카본 프레임을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 카본 프레임은, 카본 원사로 이루어진 복수의 카본 시트가 적층되어 형성되는 카본 시트 레이어 및 접착용 레진에 탄소계 물질을 포함하는 탄소 함유 입자가 분산되어 있는 탄소 함유 레진을 포함하며, 상기 탄소 함유 레진은, 상기 복수의 카본 시트 중 서로 인접한 두 카본 시트 사이에 개재됨으로써, 상기 서로 인접한 두 카본 시트를 상호 결합할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소계 물질을 포함하는 탄소 함유 입자가 분산된 접착용 레진(resin)을 이용하여 카본 원사로부터 카본 시트를 생성하고, 또 상기 카본 시트로부터 카본 프레임을 제작할 수 있다. 이와 같은 방법에 의하면, 카본 프레임의 강도가 종래의 방법에 의해 제작된 카본 프레임보다 비약적으로 향상된다. 이러한 강도 향상은 레진에 탄소 함유 입자를 섞는 비교적 간단한 공정으로 달성 가능하므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 큰 비용과 노력을 들이지 않고도 실제 산업 현장에 바로 적용할 수 있다는 이점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 시트를 개념적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 시트 및 카본 프레임의 제조 방법의 각 단계를 도시한 도면이다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 시트의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 카본 시트의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 시트를 이용한 카본 프레임의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 프레임의 특성 실험 결과를 나타낸 도면이다.
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 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 시트를 개념적으로 도시한 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 시트(100)는 평면적인 시트(sheet) 형태를 가지며, 가느다란 실 형태의 카본 원사(110) 복수 개로 구성될 수 있다. 이러한 카본 원사(110)를 상호 결합시키기 위해, 접착성이 있는 접착용 레진(resin, 121)에 탄소 함유 입자(122)가 분산되어 생성되는 탄소 함유 레진(120)이 이용될 수 있다. 즉, 카본 시트(100)는 카본 원사(110)와 탄소 함유 레진(120)을 포함할 수 있으며, 후술할 카본 프레임을 제작하기 위한 재료가 될 수 있다.
카본 원사(110)는 탄소 섬유(carbon fiber)라는, 탄소가 주성분이고 굵기가 매우 가는 섬유로부터 만들어질 수 있다. 이러한 탄소 섬유의 굵기는 예컨대 0.005mm 내지 0.01mm로, 사람의 머리카락보다 가늘게 제조될 수 있다. 탄소 섬유를 구성하는 탄소 원자들은 섬유의 길이 방향을 따라 육각 고리 결정의 형태로 붙어 있으며, 이러한 분자 배열 구조로 인해 높은 인장 강도 등 강한 물리적 특성을 가질 수 있다. 또한, 탄소 섬유의 밀도는 금속에 비해 매우 낮기 때문에, 고강도와 경량화를 모두 달성하고자 할 때 적절한 재료가 될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 원사(110)는 이와 같은 탄소 섬유 복수 개(예컨대, 수천 가닥)가 서로 꼬여 만들어질 수 있다.
탄소 함유 레진(120)은 카본 원사(110)의 결합을 위해 사용될 수 있는 접착용 레진(121)에 탄소 함유 입자(122)가 포함되도록 함으로써 얻을 수 있다. 접착용 레진(121)은 서로 다른 조성을 갖는 복수의 물질의 혼합물일 수 있으며, 이러한 복수의 물질이 롤러(roller), 믹서(mixer) 혹은 팬(fan) 등의 기기에 의해 소정 온도(예컨대 상온)에서 수 시간 동안 충분히 섞임으로써 접착용 레진(121)이 제조될 수 있다.
탄소 함유 입자(122)는 탄소계 물질을 포함하는 나노 입자(nano particle)일 수 있다. 이러한 탄소 함유 입자(122)로서는 그래핀(graphene) 나노 입자, 산화 그래핀(graphene oxide, GO) 나노 입자, 탄소 나노 튜브(carbon nano tube) 등이 될 수 있다. 여기서 산화 그래핀은 흑연(graphite)을 산화시켜 생성될 수 있다. 또한, 탄소 함유 입자(122)는 상기 산화 그래핀을 환원시킴으로써 생성되는 환원된 산화 그래핀(reduced graphene oxide, RGO) 나노 입자가 될 수도 있다. 물론, 전술한 탄소 함유 입자(122)의 종류는 예시적인 것으로서, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 탄소 함유 입자(122)는 나노 입자의 형태 외에, 용액에 녹아 있는 액상 형태로 준비될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 탄소 함유 입자(122)를 접착용 레진(121)에 분산시킴으로써 탄소 함유 레진(120)를 제조할 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 접착용 레진(121)에 탄소 함유 입자(122)를 0.01% 내지 5%, 바람직하게는 0.1% 내지 1%의 중량비(weight percent)로 첨가한 후 믹서로 24시간 가량 섞음으로써 탄소 함유 레진(120)이 제조될 수 있다. 다만, 상기 공정 조건은 하나의 예시에 불과하므로, 이러한 예시에 의해 본 발명의 사상이 한정 해석되지는 않는다.
전술한 바와 같은 공정을 거쳐 제작된 탄소 함유 레진(120)으로 카본 원사(110)를 상호 결합시켜 생성된 카본 시트(100)를 이용하여 카본 프레임 등을 제작할 수 있다. 이와 같이 제작된 카본 프레임은, 기존 방식을 통해 제작된 카본 프레임에 비해 압축, 인장, 구부림 등에 더욱 강한 특성을 가질 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 시트 및 카본 프레임의 제조 방법의 각 단계를 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 각 실시예를 공통적인 범위 내에서 설명하기 위한 것으로, 각 실시예의 세부적인 내용에 대해서는 이하의 도 3a 내지 5를 참조할 수 있을 것이다. 또한, 이하에서 도 2를 통해 설명될 방법은 각 단계가 서술된 순서대로 수행될 수 있지만, 필요에 따라 그 순서에 변경이 가해질 수도 있음은 물론이다.
우선, 위에서 설명한 바와 같은 카본 원사(110)를 준비할 수 있다(S110). 다음으로, 준비된 카본 원사(110)의 표면에 탄소 함유 레진(120)을 묻힐 수 있으며(S120), 이와 같이 탄소 함유 레진이 표면에 묻은 카본 원사(110) 복수 개를 상호 결합시켜 카본 시트(100)를 제작할 수 있다(S130). 이와 같은 과정을 통해 제작된 카본 시트(100)는 카본 프레임을 제작하기 위한 재료가 될 수 있는데, 이와 관련된 이후의 단계에 대해서는 도 5를 참조하여 후술하도록 한다.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 시트의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 3a 및 3b와 관련된 실시예에 의하면, 우선 탄소 함유 레진(120)을 냉동고에 넣어 소정 시간 동안 보관할 수 있다. 여기서 냉동고의 온도는 -10℃ 내지 10℃, 보관 시간은 24시간이 될 수 있는데, 반드시 이에 한정되지는 않는다. 그 다음으로, 냉동고에서 꺼낸 탄소 함유 레진(120)을 오븐에 넣어 소정 시간 동안 가열할 수 있다. 오븐의 온도는 40℃ 내지 80℃, 가열 시간은 12시간이 될 수 있는데, 이 역시 반드시 이에 한정되지는 않는다.
이와 같이 냉각 및 가열 처리를 거친 탄소 함유 레진(120)을 평판 시트 형태의 필름(film, 200)의 표면에 도포되도록 할 수 있다. 상기 도포의 방법으로는 어떤 것이든 제한 없이 채용할 수 있지만, 예를 들어 도 3a에서 보는 바와 같은 롤러(300)와 같은 장치에 의해 수행될 수 있다.
도 3a의 롤러(300)는 제 1 롤러(310)와 제 2 롤러(320)를 포함할 수 있으며, 제 1 롤러(310)와 제 2 롤러(320)의 표면에는 탄소 함유 레진(120)이 공급될 수 있다. 그 상태에서, 서로 반대 방향으로 회전하는 제 1 롤러(310)와 제 2 롤러(320)의 사이에 필름(200)을 통과시킴으로써, 필름(200)의 표면에 탄소 함유 레진(120)을 묻힐 수 있다. 도 3a에서는 필름(200)이 롤러(300)에 도입됨과 함께 탄소 함유 레진(120)을 제 1 롤러(310)와 제 2 롤러(320)의 표면에 공급하는 것처럼 묘사하였지만, 이와 달리 필름(200)이 롤러(300)에 도입되기 전에 미리 제 1 롤러(310)와 제 2 롤러(320)의 표면에 탄소 함유 레진(120)을 묻혀둘 수도 있으며, 그 외의 다른 방법을 사용할 수도 있다.
그 다음으로, 탄소 함유 레진(120)이 도포되어 있는 필름(200)의 표면에 카본 원사(110) 복수 개가 위치한 상태에서, 각각의 카본 원사(110)가 탄소 함유 레진(120)의 접착 작용에 의해 상호 결합됨으로써 카본 시트(100)가 생성되도록 할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 3b와 같이 카본 원사(110) 복수 개가 각각 병렬적으로 카본 원사(110)의 길이 방향으로 이동함으로써, 시트 제작 장치(500) 내에 투입되도록 할 수 있다. 여기에서 복수의 카본 원사(110) 각각의 이동 속도는 0.1m/s 내지 1m/s가 될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
시트 제작 장치 내에는 롤러(300)에 의해 표면에 탄소 함유 레진(120)이 도포된 필름(200)이 존재할 수 있다. 시트 제작 장치(500) 내에 투입된 복수의 카본 원사(110)는 시트 제작 장치(500) 내의 필름(200) 위, 즉 탄소 함유 레진(120)이 도포된 필름(200)의 표면 위에 놓이게 되고, 필름(200)과 그 표면 위의 복수의 카본 원사(110)는 함께 시트 제작 장치(500) 내에서 롤러 혹은 프레스기 등의 구성 요소들을 통과하면서 압착될 수 있다.
상기 압착 과정을 거친 필름(200)과 그 표면 위의 카본 원사(110)는 하나의 시트처럼 마무리되어 시트 제작 장치(500)로부터 배출될 수 있으며, 이를 소정 온도(예컨대, 상온)에서 소정 시간(예컨대, 24시간) 동안 말림으로써 필름(200)에 부착된 카본 시트(100)가 제작될 수 있다. 상기 카본 시트(100)는 필름(200)에 부착된 채로 둘둘 말려 보관될 수 있다. 혹은, 하나의 시트처럼 일체화된 필름(200)과 카본 원사(110)가 시트 제작 장치(500) 내의 롤러에 의해 감긴 채로 시트 제작 장치(500)로부터 배출된 후, 감긴 상태에서 이들을 상기 소정 온도 및 소정 시간의 조건으로 말리는 과정을 수행할 수도 있다.
요컨대, 전술한 바와 같은 일련의 과정을 거치면, 복수의 카본 원사(110)가 탄소 함유 레진(120)에 의해 결합됨으로써 카본 시트(100)가 생성될 수 있다. 이와 같이 제작된 카본 시트(100)는, 사용 전에는 필름(200)에 부착된 채로 보관되다가, 사용하고자 할 때에 필름(200)으로부터 분리된 후 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 카본 시트의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 4의 실시예는 카본 원사(110)가 시트 제작 장치(500)에 투입되기 전에 카본 원사(110)의 표면에 탄소 함유 레진(120)을 묻힌다는 점에서 도 3a 및 3b의 실시예와 차이가 있다. 상기 차이점 외의 도 3a 및 3b의 실시예에서 설명된 바 중, 도 4의 실시예에 공통적으로 적용될 수 있는 부분에 대해서는 설명이 생략될 수 있음을 밝혀둔다.
도 4의 코팅 장치(400)가 카본 원사(110)의 표면에 탄소 함유 레진(120)을 묻히기 위해 이용될 수 있다. 도 4를 참조하면, 코팅 장치(400)는 도입 장치(410)와 용기(420)를 포함할 수 있다. 카본 원사(110)는 도입 장치(410)에 의해 카본 원사(110)의 길이 방향으로 이동함으로써, 코팅 장치(400) 내에 도입될 수 있다. 여기에서 카본 원사(110)의 이동 속도는 0.1m/s 내지 1m/s가 될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
코팅 장치(400) 내에 도입된 카본 원사(110)는 도입 장치(410)의 가이드(guide)에 의해 용기(420) 내의 탄소 함유 레진(120) 속을 지날 수 있으며, 그럼으로써 카본 원사(110)의 표면에 탄소 함유 레진(120)이 묻게 된다. 한편, 도 4와 관련된 상기 설명은 카본 원사(110) 한 가닥이 코팅 장치(400) 내에 도입되는 것으로 가정하고 서술되었으나, 경우에 따라 복수의 카본 원사(110)가 함께 코팅 장치(400) 내로 도입될 수도 있음은 물론이다.
전술한 바와 같은 과정을 거쳐 표면에 탄소 함유 레진(120)이 묻은 카본 원사(110)는 시트 제작 장치(500)로 투입될 수 있으며, 이로써 카본 시트(100)가 제작될 수 있다. 이에 대해서는 도 3a 및 3b의 실시예에서 이미 설명한 바가 적용될 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다. 다만, 시트 제작 장치 내에 투입되기 전부터 카본 원사(110)에는 탄소 함유 레진(120)이 묻어 있는 상태이므로, 시트 제작 장치 내의 필름(200)에는 탄소 함유 레진(120)을 미리 도포해 두지 않을 수도 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 시트를 이용한 카본 프레임의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 3a, 3b 혹은 도 4의 실시예에 따라 제작된 카본 시트(100)를 재료로 하여 카본 프레임(700)을 제작할 수 있음은 전술한 바와 같다. 여기에서 잠시 도 2로 돌아가서, 카본 시트(100)로 카본 프레임(700)을 제작하는 각 단계에 대해 간단히 살펴보도록 한다.
도 2에 의하면, 프레임(frame)의 제작을 위한 금형(600)의 내부 공간에, 복수의 카본 시트(100)가 적층되어 형성되는 카본 시트 레이어(layer, 710)가 위치하도록 할 수 있다(S140). 이 상태에서 금형(600)에 대해 열처리를 수행하여, 카본 시트 레이어(710)로부터 카본 프레임(700)을 생성할 수 있다(S150). 즉, 금형(600)의 내부 공간의 형상과 동일한 형태의(예컨대, 원통형 막대 형상의) 카본 프레임(700)이 제작되는 것이다.
다시 도 5로 돌아가도록 한다. 도 5의 금형(600)은 만들고자 하는 카본 프레임(700)과 동일한 형상의 내부 공간을 가지고 있다. 도 5에 묘사된 바는 금형(600)의 일부를 중심 봉(610)의 축을 따라 반으로 절단한 것으로서, 적절한 크기로 잘라낸 카본 시트(100)를 한 장씩 막대 모양의 중심 봉(610)의 겉면 위에 적층시킬 수 있다. 즉, 중심 봉(610)은 복수의 카본 시트(100)에 의해 그 겉면이 겹겹이 둘러싸이게 되는 것이다.
즉, 첫 번째 카본 시트(100)를 중심 봉(610)의 겉면에 바로 접촉하도록 붙인 후, 두 번째 카본 시트(100)를 첫 번째 카본 시트(100) 위에, 즉 첫 번째 카본 시트(100)의 표면 중 중심 봉(610)의 겉면에 접촉한 표면의 반대면 표면 위에 붙일 수 있다. 또, 세 번째 카본 시트(100)는 두 번째 카본 시트(100) 위에, 즉 두 번째 카본 시트(100)의 표면 중 첫 번째 카본 시트(100)에 접촉한 표면의 반대편 표면 위에 붙일 수 있다. 이와 같은 과정을 되풀이하여 소정 수의 카본 시트(100)를 중심 봉(610)의 겉면에 붙임으로써 카본 시트 레이어(710)를 형성할 수 있다. 이와 같은 카본 시트 레이어(710)는 그 직경이 금형(600)의 내부 공간의 직경보다 다소 작을 수 있다.
전술한 바와 같은 과정이 완료된 후, 금형(600)을 소정 시간 동안 소정 온도로 가열하면, 금형(600) 내의 카본 시트 레이어(710)로부터 금형(600)의 내부 공간과 동일한 형상을 갖는 카본 프레임(700)이 생성될 수 있다. 상기 소정 시간은 20분 내지 40분, 바람직하게는 30분이 될 수 있고, 상기 소정 온도는 100℃ 내지 150℃, 바람직하게는 130℃가 될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 가열 과정에서, 카본 시트 레이어(710)는 팽창하여 그 직경이 금형(600)의 내부 공간의 직경만큼 늘어날 수 있으며, 카본 시트 레이어(710) 내의 카본 시트(100)에 포함된 탄소 함유 레진(120)의 열경화 작용에 의해 높은 경도를 갖도록 굳을 수 있다. 한편, 가열 과정의 수행을 위해, 금형(600)은 내열성이 있는 금속으로 제작될 수 있다. 또한, 중심 봉(610)은 내열성 및 가요성(可撓性)을 갖는 플라스틱으로 제작될 수 있으나, 금형(600)과 같은 소재의 금속으로 제작될 수도 있다.
전술한 바와 같은 과정을 거친 카본 시트 레이어(710)를 금형(600)으로부터 제거하면, 금형(600)의 내부 공간과 동일한 형상을 갖는 카본 프레임(700)을 얻을 수 있다. 물론 이 때 중심 봉(610)은 카본 프레임(700)으로부터 제거될 수 있다.
한편, 위에서 설명한 바와 같은 카본 시트(100)를 적층시킴으로써 카본 시트 레이어(710)를 형성하는 과정에서, 각 카본 시트(100)의 사이에 탄소 함유 레진(120)이 추가적으로 개재되게 할 수도 있다. 예컨대, 하나의 카본 시트(100)를 적층시킨 후, 상기 적층된 카본 시트(100)의 표면에 탄소 함유 레진(120)을 도포한 후, 그 위에 또 다른 카본 시트(100)를 올림으로써 카본 시트 레이어(710)가 형성되도록 할 수도 있는 것이다.
이를 응용하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 시트(100)가 아닌, 탄소 함유 레진(120)을 사용하지 않은 기존의 카본 시트 복수 개로 카본 시트 레이어(710)를 형성하면서, 상기 카본 시트 복수 개 중 인접한 두 카본 시트의 사이에 탄소 함유 레진(120)이 개재되도록 해도, 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 프레임(700)을 얻을 수 있을 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 프레임의 특성 실험 결과를 나타낸 도면이다. 도 6에서 위의 그래프 및 표는 압축 강도에 관한 실험의 결과, 아래의 그래프 및 표는 굽힘 강도에 관한 실험의 결과를 각각 나타낸다. 본 특성 실험을 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 프레임(700)을 접착성 레진(121)에 대한 탄소 함유 입자(122)의 중량비를 달리하여 세 가지(wt 0.1%, 0.5%, 1.0%)로 준비하였고, 아울러 기존의 방법에 따른 카본 프레임을 대조군으로서 준비하였다. 본 특성 실험에서의 탄소 함유 입자(122)는 그래핀 나노 입자이다.
먼저 압축 강도에 관한 실험의 결과를 보면, 기존의 방법에 따른 카본 프레임에 비해 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 프레임(700)이 압축 강도 면에서 향상된 특성을 보임을 알 수 있다. 구체적으로, 같은 길이만큼 압축하는 데 드는 힘의 크기가, 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 프레임(700) 쪽이 기존의 방법에 따른 카본 프레임에 비해 큼을 알 수 있다. 특히 그래핀 나노 입자의 중량비가 증가할수록 압축 강도가 증가하고, 중량비가 0.5%에서 1%로 변하면 압축 강도가 눈에 띄게 증가함을 알 수 있다. 압축 과정에서 가해지는 힘의 최대치가 그래핀 나노 입자의 중량비가 1%인 경우 16661N으로, 다른 경우에 비해 현저히 높다는 것 역시 이를 증명한다.
굽힘 강도에 대한 실험의 결과를 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 의한 카본 프레임(700) 중 그래핀 나노 입자의 중량비가 0.5%인 경우 및 1%인 경우, 기존의 방법에 따른 카본 프레임에 비해 굽힘 강도 면에서 향상된 특성을 보임을 알 수 있다. 또한, 둘 중에서는 그래핀 나노 입자의 중량비가 높은 1% 쪽이 특성이 더 우수함을 아울러 볼 수 있다. 그래핀 나노 입자의 중량비가 1%인 경우의 카본 프레임(600)은 같은 길이만큼 구부리는 데 드는 힘의 크기가 가장 크며, 구부리는 과정에서 가해지는 힘의 최대치 역시 3689N으로 가장 높다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 프레임(700)은, 탄소 함유 레진(120)을 이용하지 않은 종래 방법에 의한 카본 프레임에 비해 높은 강도 등 향상된 물리적 특성을 가질 수 있다. 또한, 이에 따라 동일한 수준의 물리적 특성을 갖기 위한 카본 프레임(700)을 제작하기 위해 상대적으로 더 적은 수의 카본 시트(100)를 이용할 수도 있으므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 프레임(700)은 프레임의 경량화에도 유리하다는 장점을 갖게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 품질에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 카본 시트
110: 카본 원사
120: 탄소 함유 레진
121: 접착용 레진
122: 탄소 함유 입자
700: 카본 프레임
710: 카본 시트 레이어

Claims (20)

  1. 카본(carbon) 원사(原絲)를 준비하는 단계;
    접착성이 있는 접착용 레진(resin)에 탄소계 물질을 포함하는 탄소 함유 입자를 분산시켜 제작된 탄소 함유 레진을, 상기 카본 원사의 표면에 묻히는 단계; 및
    상기 탄소 함유 레진이 묻은 복수의 카본 원사가 상기 탄소 함유 레진에 의해 상호 결합하여 카본 시트(carbon sheet)를 생성하는 단계를 포함하는
    카본 시트 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소 함유 입자는 그래핀(graphene) 나노 입자, 산화 그래핀(graphene oxide, GO) 나노 입자, 환원된 산화 그래핀(reduced graphene oxide, RGO) 나노 입자 및 탄소 나노 튜브(carbon nano tube) 중 적어도 하나를 포함하는
    카본 시트 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소 함유 레진은, 상기 접착용 레진에 상기 탄소 함유 입자를 0.01% 내지 5%의 중량비(weight percent)로 넣고 섞음으로써 제조되는
    카본 시트 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 묻히는 단계는, 상기 탄소 함유 레진을 내부에 포함하는 코팅 장치에 상기 카본 원사를 통과시켜, 상기 카본 원사 중 상기 코팅 장치를 통과한 부분의 표면에 상기 탄소 함유 레진이 묻도록 하는 단계를 포함하는
    카본 시트 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 묻히는 단계는, 평판 시트 형태의 필름(film)에 상기 탄소 함유 레진이 도포되도록 하는 단계; 및
    상기 탄소 함유 레진이 도포된 필름의 표면에 복수의 상기 카본 원사를 위치시키는 단계를 포함하는
    카본 시트 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 도포되도록 하는 단계는, 상기 탄소 함유 레진이 표면에 묻은 두 개의 롤러(roller)의 사이로 상기 필름을 통과시켜, 상기 필름 중 상기 두 개의 롤러의 사이를 통과한 부분의 표면에 상기 탄소 함유 레진이 묻도록 하는 단계를 포함하는
    카본 시트 제조 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 생성하는 단계는, 상기 탄소 함유 레진이 도포된 필름의 표면에 위치한 복수의 상기 카본 원사를 상기 탄소 함유 레진을 이용하여 결합시켜 상기 카본 시트를 생성하는 단계를 포함하는
    카본 시트 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    프레임(frame)의 제작을 위한 금형의 내부 공간에, 상기 카본 시트 복수 개가 적층되어 형성되는 카본 시트 레이어(layer)를 위치시키는 단계; 및
    상기 카본 시트 레이어가 위치한 금형에 열처리를 수행하여, 상기 카본 시트 레이어로부터 카본 프레임을 생성하는 단계를 더 포함하는
    카본 시트 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 위치시키는 단계는, 상기 금형의 내부 공간에 도입될 수 있는 중심 봉을 둘러싸도록 형성된 상기 카본 시트 레이어를, 상기 중심 봉과 함께 상기 금형의 내부 공간에 위치시키는 단계를 포함하며,
    상기 카본 프레임을 생성하는 단계는, 상기 생성된 카본 프레임으로부터 상기 중심 봉을 제거하는 단계를 포함하는
    카본 시트 제조 방법.
  10. 접착성이 있는 접착용 레진에 탄소계 물질을 포함하는 탄소 함유 입자가 분산되어 있는 탄소 함유 레진; 및
    상기 탄소 함유 레진이 묻어 상기 탄소 함유 레진에 의해 서로 결합됨으로써 시트 형태를 이루는 복수의 카본 원사를 포함하는
    카본 시트.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 탄소 함유 입자는 그래핀 나노 입자, 산화 그래핀 나노 입자, 환원된 산화 그래핀 나노 입자 및 탄소 나노 튜브 중 적어도 하나를 포함하는
    카본 시트.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 탄소 함유 레진은, 상기 접착용 레진에 상기 탄소 함유 입자를 0.01% 내지 5%의 중량비로 넣고 섞음으로써 제조되는
    카본 시트.
  13. 접착성이 있는 접착용 레진에 탄소계 물질을 포함하는 탄소 함유 입자가 분산되어 있는 탄소 함유 레진과 상기 탐소 함유 레진이 묻어 상기 탄소 함유 레진에 의해 서로 결합됨으로써 시트 형태를 이루는 복수의 카본 원사를 포함하는 카본 시트가 복수 개 적층되어 형성되는 카본 시트 레이어를 구비한
    카본 프레임.
  14. 카본 원사로 이루어진 카본 시트를 준비하는 단계;
    접착성이 있는 접착용 레진에 탄소계 물질을 포함하는 탄소 함유 입자가 분산되어 있는 탄소 함유 레진을 준비하는 단계;
    상기 카본 시트 복수 개를 적층시켜 카본 시트 레이어를 형성하되, 상기 탄소 함유 레진이 상기 카본 시트 복수 개 중 서로 인접한 두 카본 시트 사이에 개재되도록 적층하는 단계;
    프레임의 제작을 위한 금형의 내부 공간에, 상기 카본 시트 레이어를 위치시키는 단계; 및
    상기 카본 시트 레이어가 위치한 상기 금형에 열처리를 수행하여, 상기 카본 시트 레이어로부터 카본 프레임을 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 탄소 함유 레진은 상기 카본 시트 복수 개 중 서로 인접한 두 카본 시트를 상호 결합시키는
    카본 프레임 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 위치시키는 단계는, 상기 금형의 내부 공간에 도입될 수 있는 중심 봉을 둘러싸도록 형성된 상기 카본 시트 레이어를, 상기 중심 봉과 함께 상기 금형의 내부 공간에 위치시키는 단계를 포함하며,
    상기 카본 프레임을 생성하는 단계는, 상기 생성된 카본 프레임으로부터 상기 중심 봉을 제거하는 단계를 포함하는
    카본 프레임 제조 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 탄소 함유 입자는 그래핀 나노 입자, 산화 그래핀 나노 입자, 환원된 산화 그래핀 나노 입자 및 탄소 나노 튜브 중 적어도 하나를 포함하는
    카본 프레임 제조 방법.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 탄소 함유 레진은, 상기 접착용 레진에 상기 탄소 함유 입자를 0.01% 내지 5%의 중량비로 넣고 섞음으로써 제조되는
    카본 프레임 제조 방법.
  18. 카본 원사로 이루어진 복수의 카본 시트가 적층되어 형성되는 카본 시트 레이어; 및
    접착성이 있는 접착용 레진에 탄소계 물질을 포함하는 탄소 함유 입자가 분산되어 있는 탄소 함유 레진을 포함하며,
    상기 탄소 함유 레진은, 상기 복수의 카본 시트 중 서로 인접한 두 카본 시트 사이에 개재됨으로써, 상기 서로 인접한 두 카본 시트를 상호 결합하는
    카본 프레임.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 탄소 함유 입자는 그래핀 나노 입자, 산화 그래핀 나노 입자, 환원된 산화 그래핀 나노 입자 및 탄소 나노 튜브 중 적어도 하나를 포함하는
    카본 프레임.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 탄소 함유 레진은, 상기 접착용 레진에 상기 탄소 함유 입자를 0.01% 내지 5%의 중량비로 넣고 섞음으로써 제조되는
    카본 프레임.
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