KR102002012B1 - 전자파 차폐용 탄소섬유 선 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

전자파 차폐용 탄소섬유 선 및 이를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 전자파 차폐용 탄소섬유 선 제조방법은,
길이방향으로 탄소섬유들을 공급하는 제1단계;
상기 탄소섬유들을 폭방향으로 스프레딩 하는 제2단계;
상기 스프레딩된 탄소섬유들에 열가소성 수지를 함침시켜 탄소섬유테이프를 만드는 제3단계;
상기 탄소섬유테이프를 슬리팅하여 단위탄소섬유테이프들을 만드는 제4단계; 및
상기 단위탄소섬유테이프들 각각을 번들링하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전자파 차폐용 탄소섬유 선 및 이를 제조하는 방법{CARBON FIBER BUNBLE FOR SHIELDING ELECTROMAGNETIC WAVE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 전자파 차폐용 탄소섬유 선 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
전자파 차폐케이블 제조 방법은 선형 차폐선을 이용한 편조법과, 차폐테이프를 이용하는 테이프법이 있다.
본 발명에서는 선형 차폐선을 이용한 편조법에 의한 차폐케이블 제조방법을 제안한다.
탄소섬유는 구리 대비 비중이 낮고 인장강도와 유연성이 우수하지만, 전기적 특성이 떨어지는 단점이 존재한다.
이러한 단점은, 탄소섬유 표면에 금속을 코팅한 금속코팅 탄소섬유( Metal-coated Carbon Fiber, MCF)로 극복될 수 있다.
금속코팅 탄소섬유는 탄소섬유 고유의 장점을 그대로 가질 뿐 아니라, 향상된 전기적 특성도 가지고 있어, 전자파 차폐케이블의 차폐층으로 충분히 사용될 수 있다.
한편, 금속코팅 탄소섬유 제조 시, 에폭시 수지로 표면코팅(사이징)을 한다. 이러한 에폭시 수지는 분자 내 가교결합으로 인해 금속코팅 탄소섬유의 유연성을 떨어뜨리고, 에폭시 수지의 무게 분율이 1wt% 미만이라, 편조시 금속코팅 탄소섬유에서 많은 보풀을 발생시킨다.
또한, 금속코팅 탄소섬유는 내마찰성이 부족하여, 편조시 금속코팅 탄소섬유에서 보풀이 쉽게 발생한다.
이러한 보풀은 작업성과 제품의 신뢰성을 떨어뜨린다.
한국등록특허(10-1675905)
본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결할 수 있는, 신개념의 전자파 차폐용 탄소섬유 선 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 전자파 차폐케이블을 편조법으로 제조하기 위한, 다양한 직경의 전자파 차폐용 탄소섬유 선 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 전자파 차폐용 탄소섬유 선 제조방법은,
길이방향으로 탄소섬유들을 공급하는 제1단계;
상기 탄소섬유들을 폭방향으로 스프레딩 하는 제2단계;
상기 스프레딩된 탄소섬유들에 열가소성 수지를 함침시켜 탄소섬유테이프를 만드는 제3단계;
상기 탄소섬유테이프를 슬리팅하여 단위탄소섬유테이프들을 만드는 제4단계; 및
상기 단위탄소섬유테이프들 각각을 번들링하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적은,
길이방향으로 탄소섬유들을 공급하는 제1단계; 상기 탄소섬유들을 폭방향으로 스프레딩 하는 제2단계; 상기 스프레딩된 탄소섬유들에 열가소성 수지를 함침시켜 탄소섬유테이프를 만드는 제3단계; 상기 탄소섬유테이프를 슬리팅하여 단위탄소섬유테이프들을 만드는 제4단계; 상기 단위탄소섬유테이프들 각각을 번들링하는 제5단계를 거쳐 제조되어,
탄소섬유들과, 상기 탄소섬유들 및 상기 탄소섬유들에서 삐져나온 보풀들을 둘러싸는 수지매트릭스로 구성된 전자파 차폐용 탄소섬유 선에 의해 달성된다.
본 발명은, 직사각형의 단면을 가진 탄소섬유테이프를 설정된 크기의 단위탄소섬유테이프들로 만들고, 번들링 작업을 거쳐, 설정된 크기의 원형 단면을 가진 탄소섬유 선으로 만들어낸다.
이렇게 만들어진 탄소섬유 선을 사용하면, 편조공정에 의한 다양한 직경의 탄소섬유 전자파 케이블을 제조할 수 있고, 또한 편조 시 발생하는 보풀량을 현저히 줄일 수 있으므로, 작업성 향상, 작업자 안전성 확보 및 전자파 차폐 성능과 재현성을 향상시킬 수 있다.
또한, 탄소섬유 선을 편조한 전자파 차폐케이블의 유연성을 향상시킬 수 있고, 무게를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 차폐용 탄소섬유 선 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 차폐용 탄소섬유 선 제조방법을 도식화한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 스프레딩 작업이 끝나 A 영역을 지나가는 탄소섬유들을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 함침 작업이 끝나 B 영역을 지나가는 탄소섬유테이프를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 슬리팅 작업이 끝나 C 영역을 지나가는 단위탄소섬유테이프를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 2에 도시된 번들링 작업이 끝나 D 영역을 지나가는 탄소섬유 선을 나타낸 도면이다.
도 7은 도 2에 도시된 번들링 작업에 사용되는 번들링기를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 번들링기의 분해사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 선이 편조되어 케이블을 감싼 상태를 찍은 사진이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 차폐용 탄소섬유 선 제조방법을 상세히 설명한다. 도 1 및 도 2는 기본적으로 참조한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자파 차폐용 탄소섬유 선 제조방법은,
길이방향으로 탄소섬유들을 공급하는 제1단계(S11);
상기 탄소섬유들을 폭방향으로 스프레딩 하는 제2단계(S12);
상기 스프레딩된 탄소섬유들에 열가소성 수지를 함침시켜 탄소섬유테이프를 만드는 제3단계(S13);
상기 탄소섬유테이프를 슬리팅하여 단위탄소섬유테이프들을 만드는 제4단계(S14);
상기 단위탄소섬유테이프들 각각을 번들링하는 제5단계(S15)로 구성된다.
이하, 제1단계(S11)를 설명한다.
탄소섬유(CF)들은 제1보빈(B1)에 감겨있다.
탄소섬유는 구리나 주석도금연동선에 비해 강도는 우수하나, 전기전도도가 구리에 비해 떨어진다.
차폐성능은 전기전도도와 연관이 있으므로 이를 향상시키기 위해서 금속(니켈, 구리, 코발트, 철 등)이 코팅된 탄소섬유를 사용한다. 이때, 금속 코팅의 두께는 대략 250∼300nm일 수 있고, 이때 전기전도도는 대략 5.6×10^3(S/cm)이다.
제1보빈(B1)에서 공급된 탄소섬유(CF)들은 가열기(11), 진공흡입기(12), 압착기(13), 함침기(14), 제1이송롤러(R1)를 거쳐 탄소섬유테이프(31, 도 4참조) 형태로 바뀌고, 다시 슬리팅기(15), 제2이송롤러(R2)들을 거쳐 단위탄소섬유테이프(32, 도 5참조) 형태로 바뀌어, 제2보빈(B2), 제3보빈(B3), 제4보빈(B4), 제5보빈(B5)에 나뉘어 감긴다.
이후, 제2보빈(B2), 제3보빈(B3), 제4보빈(B4), 제5보빈(B5)에 감긴 단위탄소섬유테이프(32)는 번들링기(21)를 거쳐 탄소섬유 선(34, 도 6참조) 형태로 바뀌어, 제6보빈(B6), 제7보빈(B7), 제8보빈(B8), 제9보빈(B9) 각각에 감긴다.
제1보빈(B1), 제2보빈(B2), 제3보빈(B3), 제4보빈(B4), 제5보빈(B5), 제6보빈(B6), 제7보빈(B7), 제8보빈(B8), 제9보빈(B9), 제1이송롤러(R1), 제2이송롤러(R2) 각각을 회전시키는 모터와 장력조절장치와 이들에 전원을 공급하는 전원부는 공지기술로 구현 가능하므로 그 도시 및 자세한 설명을 생략한다.
이하, 제2단계(S12)를 설명한다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제1보빈(B1)에서 길이방향으로 공급된 탄소섬유(CF)들은, 가열기(11), 진공흡입기(12), 압착기(13)를 순서대로 거치는 동안 폭 방향으로 스프레딩(spreading) 된다. 도 3에 도시된 탄소섬유(CF)의 개수는 도면의 복잡함을 피하게 위해 최소화시켰다. 실제로 탄소섬유(CF)의 개수는 12K(12000개) 정도이다.
가열기(11)의 내부에는, 히터, 롤러, 롤러를 회전시키는 모터, 히터와 롤러에 전원을 공급하는 전원부 등이 구비된다. 이들은 공지기술로 구현 가능하므로 그 도시 및 자세한 설명을 생략한다. 탄소섬유(CF)들은 가열기(11)를 지나면서 가열된다.
진공흡입기(12)의 내부에는, 진공펌프, 롤러, 롤러를 회전시키는 모터, 진공펌프와 전원을 공급하는 전원부 등이 구비된다. 이들은 공지기술로 구현 가능하므로 그 도시 및 자세한 생략한다. 진공펌프는 가열된 탄소섬유(CF)들 아래에 위치하여 공기를 빨아들인다. 진공펌프로 빨려 들어가는 공기는 탄소섬유(CF)들 사이를 지나면서 탄소섬유(CF)들 사이를 벌린다. 탄소섬유(CF)들은 진공흡입기(12)를 거치면서 폭 방향으로 퍼진다.
압착기(13)는 상부롤러(13a), 하부롤러(13b), 상부롤러(13a) 및 하부롤러(13b)를 회전시키는 모터, 모터에 전원을 공급하는 전원부로 구성된다. 이들은 공지기술로 구현 가능하므로 그 도시 및 자세한 설명을 생략한다.
탄소섬유(CF)들은 상부롤러(13a), 하부롤러(13b) 사이를 지나면서 압착된다.
상술한 가열기(11), 진공흡입기(12), 압착기(13)를 한 세트로 묶고, 이를 순차적으로 여러 세트 둘 수도 있다. 이 경우, 탄소섬유(CF)들을 가열하고, 가열된 탄소섬유(CF)들 아래에서 공기를 빨아들여 탄소섬유(CF)들을 폭 방향으로 벌리고, 폭 방향으로 벌어진 탄소섬유(CF)들을 압착하는 스프레딩 작업을 수회 반복할 수 있다. 이로 인해, 탄소섬유(CF)들의 폭을 점점 더 넓힐 수 있다.
이하, 제3단계(S13)를 설명한다.
스프레딩 된 탄소섬유(CF)들은, 함침기(14)를 통과하여, 도 4에 도시된 탄소섬유테이프(31)로 만들어진다. 탄소섬유테이프(31)는 탄소섬유(CF)들과, 이를 둘러싸고 있는 수지매트릭스(TM)로 구성된다. 탄소섬유테이프(31)은 단면이 직사각형이다. 탄소섬유테이프(31)의 폭은 10mm이고, 두께는 180μm이다.
함침기(14)의 내부에는, 히터, 분출기, 롤러, 롤러를 회전시키는 모터, 히터, 분출기, 롤러에 전원을 공급하는 전원부 등이 구비된다. 이들은 공지기술로 구현 가능하므로 그 도시 및 자세한 설명을 생략한다.
함침기(14)는 탄소섬유(CF)들에 열가소성 수지를 함침시킨다. 번들링기(20)에서, 수지를 한번 더 용융시켜야 하기 때문에, 반드시 열가소성 수지를 함침시켜야 한다. 본 실시예에서는 열가소성 수지로 열가소성 폴리우레탄을 사용한다. 열가소성 폴리우레탄은 가볍고 단단해 잘 변형되지 않는 소재이다. 물론, 이 밖에도 다양한 종류의 열가소성 수지가 사용될 수 있다.
히터는 열가소성 폴리우레탄 펠렛(TP)을 용융시킨다. 분출기는 탄소섬유(CF)들에 용융된 열가소성 폴리우레탄을 분출시킨다. 열가소성 폴리우레탄이 탄소섬유(CF)들 사이로 함침된다. 함침된 열가소성 폴리우레탄은 경화되어 수지매트랙스(TM)가 된다.
이하, 제4단계(S14)를 설명한다.
탄소섬유테이프(31)는, 슬리팅기(15)를 통과한 후, 도 5에 도시된 단위탄소섬유테이프(32)들로 만들어진다. 단위탄소섬유테이프(32)는 탄소섬유(CF)들과, 탄소섬유(CF)들에서 삐져나온 보풀(F)들과, 탄소섬유(CF)들 및 보풀(F)들을 둘러싸고 있는 수지매트릭스(TM)로 구성된다.
단위탄소섬유테이프(32)의 단면은 직사각형이다. 단위탄소섬유테이프(32)는 탄소섬유테이프(31)가 폭 방향으로 4등분되어 만들어지므로, 폭이 2.5mm, 두께 180μm이고, 3K(3000개)의 탄소섬유(CF)들로 구성된다.
물론, 단위탄소섬유테이프(32)의 폭은 탄소섬유테이프(31)를 폭 방향으로 몇 등분하느냐에 따라 달라질 수 있다.
슬리팅기(15)는, 상부롤러(15a), 하부롤러(15b)로 구성된다. 이 밖에도, 슬리팅기(15)는 상부롤러(15a)를 회전시키는 모터, 하부롤러(15b)를 회전시키는 모터, 모터에 전원을 공급하는 전원부를 더 포함하며, 이들은 공지기술로 구현 가능하므로 그 도시 및 자세한 설명을 생략한다.
상부롤러(15a)의 표면에는 상부칼날(15aa)이 일정간격으로 설치되고, 하부롤러(15b)의 표면에는 하부칼날(15bb)이 상부칼날(15aa)이 대응되는 위치에 일정간격으로 설치된다. 상부칼날(15aa) 및 하부칼날(15bb) 각각의 개수 및 설치간격을 조절하여, 탄소섬유테이프(32)로부터 만들어지는 단위탄소섬유테이프(32)의 폭과 개수를 결정할 수 있다.
탄소섬유테이프(31)가 상부롤러(15a)와 하부롤러(15b) 사이를 통과하는 동안, 상부칼날(15aa) 및 하부칼날(15bb)에 의해 길이방향으로 잘라진다. 그러면, 탄소섬유테이프(31)가 폭방향으로 4등분되어, 각각이 단위탄소섬유테이프(32)가 된다. 단위탄소섬유테이프(32) 각각은, 제2이송롤러(R2)를 거쳐, 제2보빈(B2), 제3보빈(B3), 제4보빈(B4), 제5보빈(B5)에 각각 감기게 된다.
한편, 탄소섬유테이프(31)가 잘려지는 과정에서, 탄소섬유(CF)들로부터 보풀(F)이 발생하게 된다. 보풀(F)은 수지매트릭스(TM)의 측면으로부터 삐져나온다.
이하, 제5단계(S15)를 설명한다.
단위탄소섬유테이프(32)는, 도 7에 도시된 번들링기(20)를 통과한 후, 도 6에 도시된 탄소섬유 선(33)으로 만들어진다. 탄소섬유 선(33)은 탄소섬유(CF)들과, 탄소섬유(CF)들에서 삐져나온 보풀(F)들과, 탄소섬유(CF)들 및 보풀(F)들을 둘러싸고 있는 수지매트릭스(TM)로 구성된다. 탄소섬유 선(33)의 단면은 원형이다. 탄소섬유 선(33)의 직경은 1mm 이하이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 번들링기(20)는, 하부몰드(21), 상부몰드(22), 히터(23), 볼트(24), 히터에 전원을 공급하는 전원부(미도시)로 구성된다.
도 8에 도시된 바와 같이,
하부몰드(21)의 상면에는 4개의 제1홈(21a)들이 일정간격으로 두고 길게 형성된다. 제1홈(21a)의 단면은 반원이다. 제1홈(21a)의 입구 직경(D1)은 출구 직경(D2) 보다 크다. 본 실시예에서 입구 직경(D1)은 5mm이고, 출구 직경(D2)은 1mm이다.
하부몰드(21)의 측면에는 하부몰드(21)를 측방향으로 관통하는 히터공(21b)이 형성된다. 하부몰드(21)의 네 모서리 부근에는 체결공(21c)이 형성된다.
상부몰드(22)의 하면에는 제1홈(21a)과 대칭되게, 제2홈(22a)이 일정간격을 두고 길게 형성된다. 제2홈(22a)의 단면은 반원이다. 상부몰드(22)의 상면에는 체결공(21c)과 대응되는 위치에 관통공(22b)이 형성된다.
히터(23)는 히터공(21b)에 삽입된다.
볼트(24)는 관통공(22b)을 통과하여, 체결공(21c)에 체결된다. 그러면, 하부몰드(21)와 상부몰드(22)가 결합된다.
이하, 단위탄소섬유테이프(32)가 번들링기(20)를 통과하여, 탄소섬유 선(33)을 만들어지는 과정을 자세히 설명한다.
제1홈(21a)들 각각에, 제2보빈(B2), 제3보빈(B3), 제4보빈(B4), 제5보빈(B5)에 각각 감긴 단위탄소섬유테이프(32)를 지나가게 넣는다.
제2보빈(B2), 제3보빈(B3), 제4보빈(B4), 제5보빈(B5)과 대응하는 제6보빈(B6), 제7보빈(B7), 제8보빈(B8), 제9보빈(B9) 각각에 단위탄소섬유테이프(32)를 감는다.
제2홈(22a)들 각각에, 제2보빈(B2), 제3보빈(B3), 제4보빈(B4), 제5보빈(B5)에 각각 감긴 단위탄소섬유테이프(32)를 지나가게 넣은 다음, 하부몰드(21)와 상부몰드(22)를 볼트(24)로 결합시킨다.
히터(24)에 전원을 공급한다. 히터(24)가 하부몰드(21)를 가열한다. 단위탄소섬유테이프(32)의 수지매트릭스(TM)가 녹는다. 수지매트릭스(TM)가 보풀(F)을 다시 감싼다. 이로 인해, 삐져나온 보풀(F)로 인한 전자파 차단 악영향을 없앨 수 있다.
제6보빈(B6), 제7보빈(B7), 제8보빈(B8), 제9보빈(B9)이 회전하면서, 단위탄소섬유테이프(32)를 감는다.
단면이 직사각형인 단위탄소섬유테이프(32)가 입구보다 출구가 좁은 제1홈(21a) 및 제2홈(21b)을 지나가는 동안 단면이 원형인 탄소섬유 선(33)으로 만들어진다.
탄소섬유 선(33)은 번들링기(20)를 빠져나오는 동안 냉각되어, 제6보빈(B6), 제7보빈(B7), 제8보빈(B8), 제9보빈(B9)에 감긴다.
즉, 제6보빈(B6), 제7보빈(B7), 제8보빈(B8), 제9보빈(B9)에는 처음에만 단위탄소섬유테이프(32)가 조금 감겼다가, 이후에는 탄소섬유 선(33)만이 감기게 된다.
제1단계(S11) 내지 제5단계(S15)를 거쳐, 1mm 직경을 가진 탄소섬유 선(33)이 만들어진다. 물론, 입구 직경(D1)과 출구 직경(D2)의 직경비를 조절하면, 탄소섬유 선(33)을 다양한 직경으로 만들어낼 수 있다.
이렇게 만들어진 탄소섬유 선(33)을 편조하여, 도 9에 도시된 바와 같이 케이블(CB)을 감쌀 수 있다. 탄소섬유 선(33)은 케이블(CB)에 우수한 차폐성능을 제공한다.
11: 가열기 12: 진공흡입기 13: 압착기
14: 함침기 15: 슬리팅기 20: 번들링기
31: 탄소섬유테이프
32: 단위탄소섬유테이프
33: 탄소섬유 선

Claims (7)

  1. 금속 코팅 탄소섬유들을 길이방향으로 공급하는 제1단계;
    상기 금속 코팅 탄소섬유들을 폭방향으로 스프레딩 하는 제2단계;
    스프레딩된 금속 코팅 탄소섬유들에 열가소성 수지를 함침시켜 탄소섬유테이프를 만드는 제3단계;
    상기 탄소섬유테이프를 슬리팅하여 단면이 직사각형인 단위탄소섬유테이프들을 만드는 제4단계; 및
    상기 단면이 직사각형인 단위탄소섬유테이프들 각각을 번들링기로 번들링하는 제5단계를 포함하며,
    상기 번들링기는,
    입구의 직경이 출구 직경보다 큰 반원 형상의 제1홈이 상면에 형성된 하부몰드와, 상기 하부몰드의 상측에 결합되며 상기 제1홈에 대응되는 위치에 입구의 직경이 출구 직경보다 큰 반원 형상의 제2홈이 하면에 형성된 하부몰드와, 상기 하부몰드의 히터공에 삽입된 히터를 포함하며,
    상기 제5단계에서,
    서로 결합되어 입구보다 출구가 좁은 원형 구멍을 만드는 제1홈 및 제2홈을, 상기 단면이 직사각형인 단위탄소섬유테이프가 지나가는 동안, 단면이 원형인 탄소섬유 선이 만들어지고,
    상기 히터가 상기 하부몰드를 가열하여, 상기 단면이 직사각형인 단위탄소섬유테이프의 수지매트릭스를 녹여, 상기 탄소섬유테이프를 슬리팅하여 단면이 직사각형인 단위탄소섬유테이프를 만드는 과정에서 발생된 보풀들을 상기 수지매트릭스의 열가소성 수지로 다시 감싸는 것을 특징으로 하는 전자파 차폐용 탄소섬유 선 제조방법.
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  7. 제1항의 방법으로 제조된 전자파 차폐용 탄소섬유 선.
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