KR102078974B1 - Manufacturing method of carbon papers having excellent thermal conductivity and carbon papers manufactured therefrom - Google Patents

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Abstract

According to the present invention, a method for manufacturing carbon paper having an excellent thermal conductivity can improve thermal conductivity of carbon paper by simply coating a thermal conductor on a surface of carbon fibers without complex or expensive additional factors. The method comprises: a first step of melting phenol resin solid content and thickeners in an alcohol-based solvent to manufacture a phenol resin melt solution; a second step of dispersing zinc oxide (ZnO) powders in the phenol resin melt solution; a third step of impregnating carbon fiber non-woven fabrics in the phenol resin melt solution having zinc oxide powders dispersed therein; a fourth step of drying the impregnated carbon fiber non-woven fabrics; a fifth step of carbonizing the dried carbon fiber non-woven fabrics and selectively placing a zinc oxide layer on a surface of the carbon fibers; and a sixth step of graphitizing the carbonized carbon fiber non-woven fabrics to coat the zinc oxide layer on the surface of carbon fibers.

Description

열전도성이 우수한 카본페이퍼의 제조방법 및 이로부터 제조된 카본페이퍼 {MANUFACTURING METHOD OF CARBON PAPERS HAVING EXCELLENT THERMAL CONDUCTIVITY AND CARBON PAPERS MANUFACTURED THEREFROM}Manufacturing method of carbon paper having excellent thermal conductivity and carbon paper manufactured therefrom {MANUFACTURING METHOD OF CARBON PAPERS HAVING EXCELLENT THERMAL CONDUCTIVITY AND CARBON PAPERS MANUFACTURED THEREFROM}

본 발명은 열전도성이 우수한 카본페이퍼에 관한 것으로, 보다 구체적으로 면방향(IN-PLANE)으로의 열전도성이 우수한 카본페이퍼의 제조방법 및 이로부터 제조된 카본 페이퍼에 대한 것이다.The present invention relates to carbon paper having excellent thermal conductivity, and more particularly, to a method for producing carbon paper having excellent thermal conductivity in the surface direction (IN-PLANE) and a carbon paper prepared therefrom.

탄소섬유는 우수한 기계적 물성을 보유한 소재로서, 일반적으로 매트릭스 수지와 함께 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 구성하여 사용된다. 탄소섬유의 우수한 기계적 물성을 활용한 기재인 CFRP가 다양하게 사용됨에 따라 기존 소재의 경량화 및 고강도화가 이루어지고 있다. 또한, 탄소섬유의 X-RAY 투과성, 전기전도성, 열전도성 등 특수한 성질을 이용하는 분야도 있는데, 연료전지의 기체확산층(GAS DIFFUSION LAYER, GDL)은 탄소섬유의 기능적 특성을 활용하는 대표적인 예이다.Carbon fiber is a material having excellent mechanical properties, and is generally composed of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) together with a matrix resin. As CFRP, which is a substrate utilizing excellent mechanical properties of carbon fiber, is used in various ways, lightweight and high strength of existing materials are being achieved. In addition, there are also fields that use special properties such as X-ray permeability, electrical conductivity, and thermal conductivity of carbon fiber. A gas diffusion layer (GDL) of a fuel cell is a representative example of utilizing the functional characteristics of carbon fiber.

이와 같은 기체확산층이 사용되는 연료전지는 산소이온과 수소이온이 결합할 때 발생하는 전기적 에너지를 이용하는 친환경 에너지로서, 자동차 및 화물용 드론에 설치되는 소형 연료전지부터 1가구 또는 1개 건물의 전력을 생산하는 대형 연료전지까지 다양한 규모로 보급되고 있다. 이러한 연료전지에는 많은 기재가 사용되는데, 그 중 기체확산층은 산소나 수소 가스를 균일하게 공급하며 발전 부산물인 물을 배출하는 기능을 한다. 기체확산층은 우수한 열전도성, 전기전도성 및 내후성, 강도, 내피로도 등이 요구되기 때문에, 강도 및 치수안정성이 우수하고 열적, 전기적 특성을 갖춘 탄소섬유가 기체확산층의 재료로 널리 사용된다. 이때, 가스나 물의 투과가 이루어져야 하므로 기체확산층에는 기공이 필요한데, 그 때문에 탄소섬유를 6~50 mm 길이로 자른 후 습식 부직포로 제조하여 주로 사용하게 된다.The fuel cell using the gas diffusion layer is an eco-friendly energy that uses electrical energy generated when oxygen ions and hydrogen ions are combined. The fuel cell can be used for electric power of one household or one building from small fuel cells installed in drones for automobiles and cargoes. Even large fuel cells to be produced are spread in various scales. Many substrates are used in such fuel cells, among which the gas diffusion layer functions to uniformly supply oxygen or hydrogen gas and discharge water, a byproduct of power generation. Since the gas diffusion layer requires excellent thermal conductivity, electrical conductivity and weather resistance, strength, fatigue resistance, and the like, carbon fibers having excellent strength, dimensional stability, and thermal and electrical characteristics are widely used as materials for the gas diffusion layer. At this time, because the gas or water must be permeated, the gas diffusion layer requires pores. Therefore, the carbon fiber is cut into a length of 6 to 50 mm, and then manufactured by using a wet nonwoven fabric.

전기를 생산할 때 연료전지 내부에 쌓이는 열을 충분히 배출해 주고 최적의 발전 온도를 맞춰 주기 위하여 기체확산층은 높은 열전도성이 요구된다. 이때 기체확산층의 열 배출이 원활하지 않으면 물 배출에도 영향을 주고, 그로 인해 발전 조건이 최적점에서 벗어나게 되어 연료전지의 효율, 나아가 수명에도 큰 영향을 미친다. 따라서 연료전지의 성능 향상을 위하여 기체확산층의 열전도율을 향상시키는 방법이 요구되고 있다. When producing electricity, the gas diffusion layer is required to have high thermal conductivity in order to sufficiently discharge heat accumulated inside the fuel cell and to maintain an optimal power generation temperature. At this time, if the heat diffusion of the gas diffusion layer is not smooth, it also affects the water discharge, and thus the power generation condition is out of the optimum point, which greatly affects the efficiency of the fuel cell and the lifetime. Therefore, there is a need for a method of improving the thermal conductivity of the gas diffusion layer in order to improve the performance of the fuel cell.

그러나 종래의 기술은 열전도율 향상을 위하여 기본적인 카본페이퍼 제조과정에 별도의 과정을 필요로 하며, 그 과정은 열전도체를 첨가하기 위하여 진공 증착 또는 도금 등의 공정이기 때문에 비용과 시간적 소모가 커지게 된다. 대한민국 공개특허 제10-2017-0108474호는 전도성 카본페이퍼의 제작방법에 관한 것으로, 카본페이퍼의 전기전도성 및 연전도성이 뛰어난 카본페이퍼를 개시하고 있다. 그러나 상기 특허 역시 진공증착이나 도금 등의 방식으로 전도성 금속 막을 형성시켜 열전도특성 및 전기전도성을 증가시키기 때문에, 상술한 바와 같이 시간과 비용의 소모가 커지는 문제를 가진다. 또한, 비교적 단순한 과정을 통해 첨가제를 도입하더라도 열전도율이 향상되는 효과가 매우 미비한 문제를 가진다. However, the conventional technology requires a separate process for the basic carbon paper manufacturing process to improve the thermal conductivity, and the process is costly and time consuming because the process is such as vacuum deposition or plating to add a thermal conductor. Korean Unexamined Patent Publication No. 10-2017-0108474 relates to a method of manufacturing conductive carbon paper, and discloses carbon paper having excellent electrical conductivity and soft conductivity. However, the patent also increases the thermal conductivity and electrical conductivity by forming a conductive metal film by vacuum deposition, plating, or the like, and thus has a problem in that time and cost are increased. In addition, even if the additive is introduced through a relatively simple process, the effect of improving the thermal conductivity has a very insignificant problem.

대한민국 공개특허 제10-2017-0108474호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2017-0108474

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 시간과 비용이 상대적으로 적게 요구되는 방법을 통해 카본페이퍼의 열전도율을 향상시켜 카본페이퍼가 적용되는 분야에서 성능을 향상시킬 수 있는 열전도성이 우수한 카본페이퍼의 제조방법 및 이로부터 제조된 카본페이퍼를 제공하고자 하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, the object of the present invention to improve the thermal conductivity of the carbon paper through a method that requires a relatively low time and cost to improve the performance in the field where the carbon paper is applied It is an object of the present invention to provide a method for producing carbon paper having excellent thermal conductivity and a carbon paper prepared therefrom.

또한 본 발명의 다른 목적은 연료전지의 기체확산층으로서 연료전지의 효율 등 성능 향상을 기대할 수 있는 열전도성이 우수한 카본페이퍼의 제조방법 및 이로부터 제조된 카본페이퍼를 제공하고자 하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for producing carbon paper having excellent thermal conductivity and a carbon paper manufactured therefrom, which can be expected to improve performance such as fuel cell efficiency as a gas diffusion layer of a fuel cell.

본 발명의 상기 및 다른 목적의 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 보다 분명해질 것이다.The above and other objects and advantages of the present invention will become more apparent from the following description of the preferred embodiments.

상기 목적은, 페놀수지 고형분 및 증점제를 알코올계 용매에 녹여 페놀수지 용융액을 제조하는 제1단계, 페놀수지 용융액에 산화아연(ZnO) 분말을 분산시키는 제2단계, 산화아연 분말이 분산된 페놀수지 용융액에 탄소섬유 부직포를 함침시키는 제3단계, 함침된 탄소섬유 부직포를 건조하는 제4단계, 건조된 탄소섬유 부직포를 탄화시켜 탄소섬유 표면에 산화아연 층을 선택적으로 배치시키는 제5단계 및 탄화된 탄소섬유 부직포를 흑연화시켜 탄소섬유 표면에 산화아연 층을 코팅하는 제6단계를 포함하는, 열전도성이 우수한 카본페이퍼의 제조방법에 의해 달성된다.The above object is a first step of preparing a phenol resin melt by dissolving a phenol resin solids and thickener in an alcohol solvent, a second step of dispersing zinc oxide (ZnO) powder in the phenol resin melt, zinc oxide powder dispersed phenol resin A third step of impregnating the carbon fiber nonwoven fabric with the melt, a fourth step of drying the impregnated carbon fiber nonwoven fabric, a fifth step of carbonizing the dried carbon fiber nonwoven fabric to selectively place a zinc oxide layer on the surface of the carbon fiber, and carbonization It is achieved by a method of producing a carbon paper having excellent thermal conductivity, comprising a sixth step of graphitizing the carbon fiber nonwoven fabric to coat a zinc oxide layer on the surface of the carbon fiber.

바람직하게는, 증점제는 폴리에틸렌옥사이드 또는 폴리비닐알코올 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.Preferably, the thickener may include at least one or more of polyethylene oxide or polyvinyl alcohol.

바람직하게는, 제1단계는 메탄올, 에탄올 또는 이소프로필알코올 중 하나 이상으로 구성된 알코올계 용매 100 중량부에 폴리에틸렌옥사이드 또는 폴리비닐알코올 중 적어도 하나 이상으로 구성된 증점제 0.01 내지 0.2 중량부 및 페놀수지 고형분 5 내지 30 중량부를 혼합하여 실시될 수 있다.Preferably, the first step is 0.01 to 0.2 parts by weight of a thickener composed of at least one of polyethylene oxide or polyvinyl alcohol and 100 parts by weight of an alcohol solvent composed of one or more of methanol, ethanol or isopropyl alcohol, and a phenol resin solid 5 It may be carried out by mixing to 30 parts by weight.

바람직하게는, 제2단계는 페놀수지 용융액에 알코올계 용매 100 중량부를 기준으로 산화아연 분말 5 내지 25 중량부 및 산 에스테르계 분산제 0.05 내지 0.5 중량부를 혼합하여 실시될 수 있다.Preferably, the second step may be performed by mixing 5 to 25 parts by weight of zinc oxide powder and 0.05 to 0.5 parts by weight of an acid ester-based dispersant based on 100 parts by weight of an alcohol solvent in a phenol resin melt.

바람직하게는, 산화아연(ZnO)은 환형이고, 입경은 0.05 내지 5㎛일 수 있다.Preferably, zinc oxide (ZnO) is cyclic, the particle diameter may be 0.05 to 5㎛.

바람직하게는, 제5단계는 건조된 탄소섬유 부직포를 700 내지 900℃ 온도의 불활성 가스 분위기에서 탄화시켜 실시될 수 있다.Preferably, the fifth step may be carried out by carbonizing the dried carbon fiber nonwoven fabric in an inert gas atmosphere at a temperature of 700 to 900 ℃.

바람직하게는, 제6단계는 탄화된 탄소섬유 부직포를 2300 내지 2500℃ 온도의 아르곤 가스 분위기에서 흑연화시켜 실시될 수 있다.Preferably, the sixth step may be performed by graphitizing the carbonized carbon fiber nonwoven fabric in an argon gas atmosphere at a temperature of 2300 to 2500 ° C.

바람직하게는, 탄소섬유 부직포는 PAN계, 레이온계 또는 피치계 탄소섬유 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.Preferably, the carbon fiber nonwoven fabric may include at least one of PAN-based, rayon-based or pitch-based carbon fibers.

바람직하게는, 탄소섬유 부직포를 구성하는 탄소섬유의 직경은 5 내지 8㎛이고, 길이는 3 내지 30 mm일 수 있다.Preferably, the carbon fibers constituting the carbon fiber nonwoven fabric may have a diameter of 5 to 8 µm and a length of 3 to 30 mm.

바람직하게는, 탄소섬유 부직포의 평량은 100 내지 200gsm이고, 두께는 300 내지 750㎛일 수 있다.Preferably, the basis weight of the carbon fiber nonwoven fabric may be 100 to 200 gsm, and the thickness may be 300 to 750 μm.

바람직하게는, 제4단계 및 제5단계 사이에 수행되며, 제4단계에서 건조된 탄소섬유 부직포를 2장 이상 열압착으로 합지하는 단계를 더 포함할 수 있다.Preferably, the step is performed between the fourth step and the fifth step, and may further comprise the step of laminating the carbon fiber nonwoven fabric dried in the fourth step by two or more thermocompression bonding.

바람직하게는, 제3단계 이전에 수행되며, 습식 초지 방법을 이용하여 탄소섬유 및 바인더를 포함하는 탄소섬유 부직포를 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때 바람직하게는, 바인더는 탄소섬유의 5 내지 20 중량%일 수 있다.Preferably, the step is performed before the third step, it may further comprise the step of producing a carbon fiber nonwoven fabric comprising a carbon fiber and a binder using a wet papermaking method. At this time, preferably, the binder may be 5 to 20% by weight of the carbon fiber.

또한, 상기 목적은, 상술한 열전도성이 우수한 카본페이퍼의 제조방법을 이용하여 제조된 카본 페이퍼에 의해 달성된다.Moreover, the said objective is achieved by the carbon paper manufactured using the manufacturing method of the carbon paper excellent in the above-mentioned thermal conductivity.

바람직하게는, 카본 페이퍼는 산화아연이 탄소섬유의 5 내지 30 중량% 포함할 수 있다.Preferably, the carbon paper may contain 5 to 30% by weight of zinc oxide carbon fiber.

본 발명에 따르면, 열전도체인 산화아연(ZnO) 분말을 탄소섬유 표면에 코팅시키는 방법을 통해 탄소섬유 고유의 열전도성을 향상시키며, 이때 산화아연은 별도의 추가적인 공정 절차가 없이 페놀수지 조성물에 분산시켜 카본페이퍼를 제조함으로써, 단순한 공정만으로도 카본페이퍼의 열전도성을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, zinc oxide (ZnO) powder, which is a thermal conductor, is coated on a surface of carbon fiber to improve thermal conductivity inherent in carbon fiber, and zinc oxide is dispersed in a phenol resin composition without any additional process procedure. By producing the carbon paper, the thermal conductivity of the carbon paper can be improved by only a simple process.

또한, 본 발명에서는 증점제 및 분산제를 사용하여 산화아연을 탄소섬유 부직포에 배치시켜 카본페이퍼의 열전도성을 더욱 향상시킬 수 있다.In addition, in the present invention, the zinc oxide may be disposed on the carbon fiber nonwoven fabric using a thickener and a dispersant to further improve the thermal conductivity of the carbon paper.

다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도성이 우수한 카본페이퍼의 제조방법의 흐름도이다.
도 2a는 도 1의 S104 단계에서 제조된 탄소섬유 부직포를 SEM으로 촬영한 도면이고, 도 2b는 도 1의 S105 단계에서 제조된 탄소섬유 부직포를 SEM으로 촬영한 도면이고, 도 2c는 도 1의 S106 단계에서 제조된 탄소섬유 부직포를 SEM으로 촬영한 도면이다.
도 3a는 실시예 1의 전탄화 공정의 온도-시간 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 3b는 실시예 1의 흑연화 공정의 온도-시간 다이어그램을 나타내는 도면이다.
1 is a flowchart of a method of manufacturing carbon paper having excellent thermal conductivity according to an embodiment of the present invention.
2A is a view taken by SEM of the carbon fiber nonwoven fabric prepared in step S104 of FIG. 1, FIG. 2B is a view taken of SEM of the carbon fiber nonwoven fabric prepared in step S105 of FIG. 1, and FIG. A drawing of the carbon fiber nonwoven fabric prepared in step S106 by SEM.
3A is a diagram showing a temperature-time diagram of the precarbonization process of Example 1. FIG.
3B shows a temperature-time diagram of the graphitization process of Example 1. FIG.

이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 제시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments and drawings of the present invention. These examples are only presented by way of example only to more specifically describe the present invention, it will be apparent to those of ordinary skill in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples. .

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.In the drawings, the thickness of layers, films, panels, regions, etc., are exaggerated for clarity. Like parts are designated by like reference numerals throughout the specification. When a portion of a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on top" of another part, this includes not only when the other part is "right over" but also when there is another part in the middle. On the contrary, when a part is "just above" another part, there is no other part in the middle.

달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 상충되는 경우, 정의를 포함하는 본 명세서가 우선할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명되는 것과 유사하거나 동등한 방법 및 재료가 본 발명의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 적합한 방법 및 재료가 본 명세서에 기재된다.Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In case of conflict, the present specification, including definitions, will control. Also, although methods and materials similar or equivalent to those described herein can be used in the practice or testing of the present invention, suitable methods and materials are described herein.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도성이 우수한 카본페이퍼의 제조방법의 흐름도이다.1 is a flowchart of a method of manufacturing carbon paper having excellent thermal conductivity according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도성이 우수한 카본페이퍼의 제조방법은 페놀수지 용융액을 제조하는 제1단계(S101), 페놀수지 용융액에 산화아연 분말을 분산하는 제2단계(S102), 산화아연이 분산된 페놀수지 용융액에 탄소섬유 부직포를 함침시키는 제3단계(S103), 함침된 탄소섬유 부직포를 건조하는 제4단계(S104), 건조된 탄소섬유 부직포를 탄화시키는 제5단계(S105) 및 탄화된 탄소섬유 부직포를 흑연화하는 제6단계(S106)를 포함한다.Referring to FIG. 1, in the method of preparing carbon paper having excellent thermal conductivity according to an embodiment of the present invention, a first step (S101) of preparing a phenol resin melt and a second step of dispersing zinc oxide powder in a phenol resin melt are performed. (S102), a third step of impregnating a carbon fiber nonwoven fabric with zinc oxide dispersed phenol resin melt (S103), a fourth step of drying the impregnated carbon fiber nonwoven fabric (S104), and a carbonizing non-woven carbon fiber nonwoven fabric A fifth step (S105) and a sixth step (S106) for graphitizing the carbonized carbon fiber nonwoven fabric.

이와 같은 제조방법을 통해 제조되는 카본페이퍼는 탄소섬유보다 열전도성이 우수한 물질을 사용하여 카본페이퍼의 열전도율을 향상시킬 수 있으며, 특히 탄소섬유 표면에 열전도성이 우수한 산화아연을 선택적으로 배치하고 코팅함으로서, 카본페이퍼의 면방향(in-plane) 열전도율을 향상시킨다. 또한 상기 과정은 별도의 추가 공정 없이 일반적인 카본페이퍼 제조 공정에서 페놀 수지에 산화아연을 첨가하는 것으로 구현할 수 있다.Carbon paper produced through such a manufacturing method can improve the thermal conductivity of the carbon paper by using a material having better thermal conductivity than the carbon fiber, in particular by arranging and coating zinc oxide having excellent thermal conductivity on the surface of the carbon fiber To improve the in-plane thermal conductivity of carbon paper. In addition, the above process may be implemented by adding zinc oxide to the phenol resin in a general carbon paper manufacturing process without any additional process.

먼저, 페놀수지 용융액을 제조하는 제1단계(S101)에서는 페놀수지 고형분 및 증점제를 알코올 용매에 녹여 페놀수지 용융액을 제조한다. 보다 구체적으로, 메탄올, 에탄올 또는 이소프로필알코올 중 하나 이상으로 구성된 알코올계 용매에 대해 폴리에틸렌옥사이드 또는 폴리비닐알코올 중 적어도 하나 이상으로 구성된 증점제 및 페놀수지 고형분을 혼합하여 페놀수지 용융액을 제조할 수 있다. First, in the first step (S101) of preparing a phenol resin melt, a phenol resin solid and a thickener are dissolved in an alcohol solvent to prepare a phenol resin melt. More specifically, a phenol resin melt may be prepared by mixing a thickener and a phenol resin solid composed of at least one of polyethylene oxide or polyvinyl alcohol with respect to an alcohol solvent composed of one or more of methanol, ethanol or isopropyl alcohol.

일반적으로 카본페이퍼를 제조하는데 사용되는 수지는 페놀수지이다. 노볼락 또는 레졸계 중 적어도 하나로 선택되는 페놀수지는 불활성 기체로 퍼지(Purge)한 분위기에서 고열 가열 시 최대 60% 수준의 탄화효율을 나타내는 등 CARBON-CARBON 복합재(C-C COMPOSITES) 제조용으로 가장 보편적으로 사용되는 수지이다. 페놀수지를 탄화시키면 탄소 원자간의 결합만으로 만들어진 3차원 형상의 탄소 구조체를 얻을 수 있어, 본 발명에서는 탄소섬유 부직포를 페놀수지에 함침시킨 후 소성(탄화 및 흑연화)공정을 거쳐 카본페이퍼를 제조한다. In general, the resin used to prepare carbon paper is a phenol resin. Phenolic resins selected from at least one of novolac or resol type are most commonly used for the production of CARBON-CARBON composites (CC COMPOSITES), such as carbonization efficiency of up to 60% when heated at high temperature in an atmosphere purged with an inert gas. It is resin which becomes. When the phenol resin is carbonized, a carbon structure having a three-dimensional shape made only of the bonds between carbon atoms can be obtained. In the present invention, the carbon fiber nonwoven fabric is impregnated with the phenol resin and then calcined (carbonized and graphitized) to produce carbon paper. .

본 발명에서는 노볼락 또는 레졸계 중 적어도 하나 이상으로 구성된 페놀수지를 메탄올, 에탄올 또는 이소프로필 알코올 중 적어도 하나 이상으로 구성된 알코올에 희석하여 사용한다. 이때, 알코올 단독으로 사용하기 보다는 후술할 산화아연 분말의 분산 안정성을 확보하기 위하여 증점제를 첨가한다. 증점제로는 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 또는 폴리비닐알코올(PVA)를 사용하는데, 이는 알코올계 용매에 효과적으로 용융되어 점도를 상승시킬 수 있기 때문이다. 또한, 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 또는 폴리비닐알코올(PVA)의 함량은 알코올계 용매 100 중량부에 0.01 내지 0.2 중량부로 사용하는 것이 바람직하다. 증점제의 함량이 0.01 중량부 미만일 경우 증점 효과가 없으며, 0.2 중량부 초과인 경우 점도가 높아 탄소 부직포 함침 후 페놀수지의 피킹(PICKING)량 및 함침 과정에서의 기포를 컨트롤하는 데 어려움이 있으며, 카본페이퍼에 결점으로 작용할 수 있어 바람직하지 않다.In the present invention, a phenol resin composed of at least one of novolac or resol type is diluted with an alcohol composed of at least one of methanol, ethanol or isopropyl alcohol. At this time, rather than using alcohol alone, a thickener is added to ensure dispersion stability of the zinc oxide powder to be described later. Polyethylene oxide (PEO) or polyvinyl alcohol (PVA) is used as a thickener because it can be effectively melted in an alcohol solvent to increase the viscosity. In addition, the content of polyethylene oxide (PEO) or polyvinyl alcohol (PVA) is preferably used in 0.01 to 0.2 parts by weight of 100 parts by weight of the alcohol solvent. If the content of the thickener is less than 0.01 parts by weight, there is no thickening effect. If the content of the thickener is greater than 0.2 parts by weight, it is difficult to control the picking amount of the phenol resin and bubbles in the impregnation process after carbon nonwoven fabric impregnation. It is undesirable because it can act as a defect on the paper.

이와 같은 증점제를 포함한 알코올 용액에 페놀수지를 희석하여 사용하는데, 페놀수지 고형분은 알코올 용매 100 중량부에 5 내지 30 중량부로 사용하는 것이 바람직하다. 페놀수지 고형분의 함량이 5 중량부 미만인 경우 탄소섬유 부직포 함침시에 피킹되는 양이 적어지게 되고 결과적으로 탄소섬유를 집속하는 기능이 저하되어 카본페이퍼 기재의 강도, 강성 등의 물성 저하, 열전도 및 전기전도성 저하를 야기시킬 수 있다. 또한, 페놀수지 고형분의 함량이 30 중량부를 초과할 경우 탄소섬유 부직포 함침 시에 과량으로 피킹되어 함침 이후의 공정에서 재료 및 에너지의 손실이 발생하고, 카본페이퍼의 두께가 과하게 두꺼워지므로 카본페이퍼의 열전달 및 응용 분야에서의 한계를 유발할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 카본페이퍼를 기체확산층(GDL)에 사용 시 페놀수지 고형분의 함량이 30 중량부를 초과할 경우 가스 또는 수분을 배출시키지 못하여 기능에 문제가 발생한다.Although the phenol resin is diluted and used in the alcohol solution containing such a thickener, it is preferable to use 5 to 30 weight part of phenol resin solids in 100 weight part of alcohol solvents. If the content of solid phenolic resin is less than 5 parts by weight, the amount picked during carbon fiber nonwoven impregnation decreases. As a result, the function of concentrating the carbon fiber is reduced, resulting in lowered physical properties such as strength and rigidity of the carbon paper substrate, thermal conductivity and electricity. Can cause a decrease in conductivity. In addition, when the content of the phenol resin solid content exceeds 30 parts by weight, the carbon fiber nonwoven fabric is picked up excessively during the impregnation, resulting in loss of material and energy in the post-impregnation process, and the thickness of the carbon paper becomes excessively thick. And limitations in the field of application. In particular, when the carbon paper according to the present invention is used in the gas diffusion layer (GDL) when the content of the phenol resin solids exceeds 30 parts by weight, gas or moisture cannot be discharged, which causes a problem in function.

다음으로, 페놀수지 용융액에 산화아연 분말을 분산하는 제2단계(S102)에서는 제1단계(S101)의 페놀수지 용융액에 산화아연 분말 및 산 에스테르계 분산제를 혼합한다.Next, in the second step S102 of dispersing the zinc oxide powder in the phenol resin melt, the zinc oxide powder and the acid ester dispersant are mixed with the phenol resin melt in the first step S101.

본 발명에서는 열전도성이 우수한 금속 산화물로 산화아연을 사용한다. 산화아연은 열전도도가 60 내지 100 W/mK으로서 일반적인 탄소섬유의 열전도도보다 우수하여 기존 카본페이퍼와 비교하여 열전도성 향상이 가능하며, 녹는점이 800℃ 수준으로 카본페이퍼의 소성 공정(S105 단계 및 S106 단계) 중에 녹을 수 있다. In the present invention, zinc oxide is used as the metal oxide having excellent thermal conductivity. Zinc oxide has a thermal conductivity of 60 to 100 W / mK, which is superior to that of general carbon fibers, and thus improves thermal conductivity compared to conventional carbon paper. The zinc oxide has a melting point of 800 ° C. In the step S106).

본 발명에서 사용한 산화아연은 수 ㎛ 이하의 분말(입자)로 제공될 수 있으며, 바람직하게는 입경이 0.5 내지 5㎛의 환형(구형)의 형태로 사용되는 것이 좋다. 입경이 0.5㎛ 미만일 경우 산화아연 분말이 공급되는 과정에서 산화아연 입자끼리 뭉쳐지는 단점이 생기고, 5㎛ 초과일 경우 필라멘트의 직경이 7㎛ 수준인 탄소섬유 표면에 선택적으로 배치되는 효율이 떨어진다. 또한, 산화아연이 환형이 아닌 로드 또는 섬유, 플레이크(flake) 형태일 경우 조밀한 탄소섬유 사이에서의 유동성이 떨어지므로, 산화아연은 환형인 것이 바람직하다.Zinc oxide used in the present invention may be provided as a powder (particles) of several μm or less, and preferably used in the form of a cyclic (spherical) particle size of 0.5 to 5 μm. If the particle diameter is less than 0.5㎛ the zinc oxide particles are aggregated together in the process of supplying the zinc oxide powder, and if more than 5㎛ the efficiency of being selectively disposed on the surface of the carbon fiber having a diameter of the filament 7㎛ level. In addition, when zinc oxide is in the form of a rod, fiber, or flake that is not cyclic, the fluidity between the dense carbon fibers is inferior, so that zinc oxide is preferably cyclic.

본 발명에서 탄소섬유 부직포는 페놀수지 용액에 함침시킨 후 소성과정을 거쳐 카본페이퍼로 제조된다. 이 때, 사용되는 탄소섬유의 열전도율은 길이 방향으로 10W/mK이며, 3 내지 30mm의 단섬유가 사용되기 때문에 본 발명에서는 탄소섬유의 열전도율을 향상시키기 위하여 산화아연을 탄소섬유 표면에 코팅한다.In the present invention, the carbon fiber nonwoven fabric is made of carbon paper after the impregnation in the phenolic resin solution through a firing process. At this time, the thermal conductivity of the carbon fiber used is 10W / mK in the longitudinal direction, since short fibers of 3 to 30mm are used in the present invention, zinc oxide is coated on the surface of the carbon fiber in order to improve the thermal conductivity of the carbon fiber.

산화아연은 분말 상태로 페놀수지 용액에 분산되어 적용되는데, 후술하는 S103 단계에서 탄소섬유 부직포를 함침시키면서 페놀수지와 함께 피킹된다. 이때 사용되는 산화아연은 제1단계(S101)의 페놀수지 용융액에 함유된 알코올계 용매 100 중량부를 기준으로 5 내지 25 중량부인 것이 바람직하다. 산화아연의 함량이 5 중량부 미만일 경우 탄소섬유의 열전도율 상승폭이 적은 결과를 야기하며, 25 중량부 초과일 경우 산화아연 간의 응집이 발생하여 탄소섬유 표면에 선택적으로 배치되는 확률이 떨어져 마찬가지로 탄소섬유의 열전도율 상승폭이 낮아지는 효과가 발생할 수 있다. Zinc oxide is dispersed and applied to the phenol resin solution in a powder state, which is picked together with the phenol resin while impregnating a carbon fiber nonwoven fabric in step S103 described later. At this time, the zinc oxide used is preferably 5 to 25 parts by weight based on 100 parts by weight of the alcohol solvent contained in the phenol resin melt of the first step (S101). If the content of zinc oxide is less than 5 parts by weight, the thermal conductivity of carbon fiber will increase less. If it is more than 25 parts by weight, the aggregation of zinc oxide will occur and the probability of being selectively placed on the surface of carbon fiber will be reduced. The effect of lowering the thermal conductivity increase may be generated.

또한, 산화아연 분말이 분산된 페놀수지 용액에는 산화아연의 안정적인 분산을 위하여 산 에스테르계 분산제가 사용될 수 있다. 본 발명에서는 제1단계(S101)의 페놀수지 용융액에 함유된 알코올계 용매 100 중량부를 기준으로 산 에스테르계 분산제가 0.05 내지 0.5 중량부 포함되는 것이 바람직하다. 산 에스테르계 분산제의 함량이 0.05 중량부 미만인 경우 분산제로서의 작용이 미미하고, 0.5 중량부 초과인 경우 용액 내에서 거품을 발생시키거나 카본페이퍼 제조 시에 불순물로 작용할 수 있으므로 0.05 내지 0.5 중량부만큼 사용하는 것이 바람직하다.In addition, an acid ester-based dispersant may be used in the phenol resin solution in which the zinc oxide powder is dispersed, for stable dispersion of zinc oxide. In the present invention, it is preferable that the acid ester-based dispersant is contained 0.05 to 0.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the alcohol solvent contained in the melt of the phenol resin of the first step (S101). When the amount of the acid ester-based dispersant is less than 0.05 parts by weight, the function as a dispersant is insignificant, and when it is more than 0.5 parts by weight, it may generate bubbles in the solution or act as an impurity in the manufacture of carbon paper. It is desirable to.

후술하는 제3단계를 수행하기 이전에 습식 초지 방법으로 탄소섬유 부직포를 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다. 탄소섬유 및 바인더에 습식 초지 방식을 이용하여, 습식의 탄소섬유 부직포를 제조하여 S103 단계에서의 탄소섬유 부직포로 사용할 수 있다. 탄소섬유 부직포에 관한 구체적인 설명은 후술하는 S103 단계에서 함께 설명한다.The method may further include preparing a carbon fiber nonwoven fabric by a wet papermaking method before performing the third step described below. Using wet papermaking method for the carbon fiber and the binder, a wet carbon fiber nonwoven fabric may be prepared and used as the carbon fiber nonwoven fabric in step S103. Specific description of the carbon fiber nonwoven fabric will be described together in step S103 described later.

다음으로, 산화아연이 분산된 페놀수지 용융액에 탄소섬유 부직포를 함침시키는 제3단계(S103)에서는 산화아연이 분산된 페놀수지 용융액에 탄소섬유 부직포를 함침하여, 산화아연이 페놀수지와 함께 탄소섬유 부직포에 피킹된다. 이때 탄소섬유 부직포가 함침된 후 피킹되는 산화아연의 양은 탄소섬유 100중량 대비 10 내지 30 중량%인 것이 카본페이퍼 내의 분산 및 열전도율 향상 측면에서 바람직하다. 피킹되는 산화아연의 양이 10중량% 미만이면 탄소섬유의 열전도율 상승폭이 적고, 30중량%를 초과하면 산화아연 입자 간의 응집이 발생하여 카본페이퍼 내에서 결점으로 작용할 수 있다.Next, in the third step (S103) of impregnating the carbon fiber nonwoven fabric with the zinc oxide-dispersed phenol resin melt, the carbon oxide nonwoven fabric is impregnated with the zinc oxide-dispersed phenol resin melt, and the zinc oxide is combined with the phenol resin. Picked on a nonwoven fabric. At this time, the amount of zinc oxide picked after impregnating the carbon fiber nonwoven fabric is preferably 10 to 30% by weight relative to 100 weight of the carbon fiber in terms of dispersion in the carbon paper and improvement of thermal conductivity. If the amount of zinc oxide picked is less than 10% by weight, the thermal conductivity increase of carbon fiber is small, and if it exceeds 30% by weight, aggregation between the zinc oxide particles may occur, which may act as a defect in the carbon paper.

본 발명에서 사용되는 탄소섬유는 PAN계, 레이온계, 피치계 중 어느 하나 이상의 탄소섬유가 사용될 수 있다. 이때 탄소섬유의 필라멘트 직경은 5 내지 8㎛이며 3 내지 30 mm의 길이로 자른 촙 형태가 바람직하다. 탄소섬유의 필라멘트 직경이 5㎛ 미만인 경우 두께에 비해 길이가 길어져 수분산이 불리한 문제가 있으며, 8㎛ 초과인 경우 부직포의 치밀성이 줄어들어 카본페이퍼의 강도, 열전도율, 기공도 간의 균형이 무너져 카본페이퍼의 물성이 발현되지 않는 문제가 있다. As the carbon fiber used in the present invention, any one or more carbon fibers of PAN, rayon, and pitch systems may be used. At this time, the filament diameter of the carbon fiber is 5 to 8㎛ and the shape of chopped to a length of 3 to 30mm is preferred. If the filament diameter of the carbon fiber is less than 5㎛, the length is longer than the thickness, which is disadvantageous in the water dispersion, and if it exceeds 8㎛, the density of the nonwoven fabric is reduced, and the balance between the strength, thermal conductivity, and porosity of the carbon paper is broken down. There is a problem that physical properties are not expressed.

이때, 탄소섬유의 길이가 3 mm 미만일 경우 탄소섬유 수초지의 치밀성이 과하게 증가하여 카본페이퍼의 기공도가 떨어지게 되고 이는 카본페이퍼를 가스확산층으로 사용할 경우 가스 및 수분 배출이 원활하지 않을 수 있다. 또한 30 mm를 초과할 경우에는 수초지 형성 시 섬유끼리 엮여 결점으로 나타나는 현상이 빈번하기 때문에 고른 분산을 저해시킬 수 있고, 카본페이퍼 면의 위치마다 물성 편차가 커지게 되어 바람직하지 않다.In this case, when the length of the carbon fiber is less than 3 mm, the denseness of the carbon fiber resin paper is excessively increased, and the porosity of the carbon paper falls, which may not be smooth when gas and water are discharged when the carbon paper is used as the gas diffusion layer. In addition, when the thickness exceeds 30 mm, the fibers are intertwined with each other during formation of the sheet, which may inhibit even dispersion, which is not preferable because the variation of physical properties increases for each position of the carbon paper surface.

또한, 탄소섬유는 습식 초지 방법으로 제조된 부직포를 사용하는 것이 바람직하다. 이때 탄소섬유 부직포의 결속력을 보완화기 위하여 6mm 길이로 자른 저융점 PET 섬유(LM사)와 PVA 섬유 중 적어도 하나 이상이 바인더로서 사용되고, 바인더의 양은 부직포를 구성하는 탄소섬유의 5 내지 20 중량%인 것이 바람직하다.In addition, it is preferable to use the nonwoven fabric manufactured by the wet papermaking method as carbon fiber. At this time, at least one or more of the low-melting-point PET fiber (LM company) and PVA fiber cut to 6mm length is used as a binder to compensate for the binding force of the carbon fiber nonwoven fabric, and the amount of the binder is 5 to 20% by weight of the carbon fiber constituting the nonwoven fabric. It is preferable.

다음으로, 함침된 탄소섬유 부직포를 건조하는 제4단계(S104)에서는 함침된 탄소섬유 부직포에서 잔여 용매를 건조시킨다. 이때 건조온도는 100 내지 140℃인 것이 바람직하다. 건조온도가 100℃ 미만인 경우 잔여 용매가 충분히 건조되지 않으며, 140℃ 초과일 경우 용매로 인한 화재를 유발할 수 있는 문제를 가진다.Next, in the fourth step (S104) of drying the impregnated carbon fiber nonwoven fabric, the remaining solvent is dried in the impregnated carbon fiber nonwoven fabric. At this time, the drying temperature is preferably 100 to 140 ℃. If the drying temperature is less than 100 ℃ the residual solvent is not sufficiently dried, if the temperature exceeds 140 ℃ has a problem that may cause a fire due to the solvent.

이때, 탄소섬유 부직포의 최종 평량은 탄소섬유 기준 100 내지 200 gsm이 바람직하며 그 두께는 300 내지 750㎛인 것이 바람직하다. 탄소섬유 부직포의 두께가 300㎛ 미만인 경우 카본페이퍼의 물성이 부족하게 되고, 750㎛ 초과인 경우 기체확산층으로 사용할 경우 가스 및 수분 이동이 원활하지 않아 연료전지의 성능을 떨어드릴 수 있다.At this time, the final basis weight of the carbon fiber nonwoven fabric is preferably 100 to 200 gsm based on the carbon fiber, the thickness is preferably 300 to 750㎛. When the thickness of the carbon fiber nonwoven fabric is less than 300㎛, the physical properties of the carbon paper is insufficient, and when it is used as the gas diffusion layer when the thickness of more than 750㎛ may not smooth the movement of gas and moisture can reduce the performance of the fuel cell.

따라서, 탄소섬유 부직포의 평량 및 두께가 상술한 범위를 만족하지 못할 경우, 제4단계와 제5단계 사이에, 제4단계에서 건조된 탄소섬유 부직포를 2장 이상 열압착으로 합지하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 제4단계에서 제조된 건조된 탄소섬유 부직포를 2장 이상 포갠 후 열과 압력을 가하여 합지함으로써, 후술할 소성 공정(S105, S106) 후의 카본페이퍼 두께를 결정할 수 있다.Therefore, if the basis weight and thickness of the carbon fiber nonwoven fabric do not satisfy the above-mentioned range, the step of laminating the carbon fiber nonwoven fabric dried in the fourth step by thermocompression bonding between the fourth step and the fifth step is further performed. It may include. In this case, by stacking two or more sheets of the dried carbon fiber nonwoven fabric prepared in the fourth step by applying heat and pressure, it is possible to determine the carbon paper thickness after the firing process (S105, S106) to be described later.

다음으로, 건조된 탄소섬유 부직포를 탄화시키는 제5단계(S105) 및 탄화된 탄소섬유 부직포를 흑연화하는 제6단계(S106)에서는 산화아연이 혼합된 페놀수지가 함침된 탄소섬유 부직포를 소성하여 카본페이퍼를 제조한다. Next, in the fifth step S105 of carbonizing the dried carbon fiber nonwoven fabric and the sixth step S106 of graphitizing the carbonized carbon fiber nonwoven fabric, the carbon fiber nonwoven fabric impregnated with phenol resin mixed with zinc oxide is calcined. Carbon paper is prepared.

먼저, 흑연화 전에 실시되는 전탄화 과정인 건조된 탄소섬유 부직포를 탄화시키는 제5단계(S105)를 실시한다. 이때, 페놀수지의 연소를 차단하기 위하여 불활성 기체인 질소(N2) 또는 아르곤(Ar)가스로 90L/min의 유속으로 탄화로 내부를 퍼지하면서 실시하는 것이 바람직하다. 불활성 가스 분위기의 온도는 1000℃ 미만이 바람직하며 700 내지 900℃가 더욱 바람직하다. 불활성 가스 분위기의 온도가 700℃ 미만일 경우 탄소 외의 원자가 많이 남을 수 있는 문제가 있고, 900℃ 초과일 경우 불활성 가스의 열분해 및 온전한 탄화가 불가능한 문제를 가진다.First, a fifth step S105 of carbonizing a dried carbon fiber nonwoven fabric, which is a pre-carbonization process performed before graphitization, is performed. In this case, in order to block the combustion of the phenol resin, it is preferable to carry out purging the inside of the carbonization furnace at a flow rate of 90 L / min with nitrogen (N 2 ) or argon (Ar) gas, which is an inert gas. The temperature of the inert gas atmosphere is preferably less than 1000 ° C, more preferably 700 to 900 ° C. If the temperature of the inert gas atmosphere is less than 700 ℃ there is a problem that a large number of atoms other than carbon can remain, and if it exceeds 900 ℃ has a problem that pyrolysis and intact carbonization of the inert gas is impossible.

전탄화 과정인 S105 단계에서 산화아연 입자는 탄소섬유 표면으로 선택적으로 배치되는데, 탄소섬유의 열전도율이 페놀수지보다 우수하여 탄소섬유 근처에서의 유동성이 더 높기 때문에 선택적으로 배치될 수 있다. Zinc oxide particles are selectively disposed on the surface of the carbon fiber in the step S105, which is a total carbonization process, and may be selectively disposed because the thermal conductivity of the carbon fiber is better than that of the phenol resin and thus the fluidity is higher near the carbon fiber.

또한, 전탄화 과정인 S105 단계에서는 페놀수지가 열분해 되면서 배기가스가 발생되기 때문에, 추가로 배기가스를 제거하는 공정이 더 포함될 수 있다. 배기가스를 배출한 후 후술할 흑연화 공정(S106 단계)을 실시하면 불순물을 최소화하고 페놀수지의 탄화 수율을 극대화하여 카본페이퍼의 품질을 높일 수 있다. 또한 전탄화 공정(S105 단계)에서는 배기가스 배출로 인해 카본페이퍼의 표면이 울퉁불퉁해질 수 있는데, 그를 방지하기 위하여 탄소도막으로 누르면서 전탄화 공정을 실시할 수 있다.In addition, since the exhaust gas is generated as the phenol resin is thermally decomposed at step S105, which is a total carbonization process, a process of removing the exhaust gas may be further included. After the exhaust gas is discharged, the graphitization process (step S106) to be described later may minimize the impurities and maximize the carbonization yield of the phenol resin to improve the quality of the carbon paper. In addition, in the total carbonization process (step S105), the surface of the carbon paper may be uneven due to the exhaust gas discharge. In order to prevent the carbonization, the total carbonization process may be performed while pressing with a carbon coating film.

S105 단계(전탄화 공정)를 마친 후, 흑연화 공정인 탄화된 탄소섬유 부직포를 흑연화하는 제6단계(S106)를 실시한다. 제6단계에서는 아르곤(Ar)가스를 90L/min의 유속으로 주입하여 탄화로 내부를 퍼지하면서 흑연화를 실시한다. 질소의 경우 흑연화 공정의 온도에서 열분해 되므로 사용하지 않는다. 흑연화 공정의 온도는 2000℃이상이 바람직하며 2300 내지 2500℃가 더욱 바람직하다. 특히, 흑연화 공정의 온도가 2300℃ 미만일 경우 탄소 원자간의 육각형 결합이 불완전하게 되어 카본페이퍼의 물성 발현이 낮은 문제가 있고, 2500℃ 초과일 경우 카본페이퍼의 생산 비용이 급증하는 문제가 있다.After finishing step S105 (total carbonization step), a sixth step S106 of graphitizing the carbonized carbon fiber nonwoven fabric which is a graphitization step is performed. In the sixth step, argon (Ar) gas is injected at a flow rate of 90 L / min to graphitize while purging the inside of the carbonization furnace. Nitrogen is not used because it is pyrolyzed at the temperature of the graphitization process. As for the temperature of a graphitization process, 2000 degreeC or more is preferable and 2300-2500 degreeC is more preferable. In particular, when the temperature of the graphitization process is less than 2300 ℃ hexagonal bonds between the carbon atoms are incomplete, there is a problem that the physical properties of the carbon paper is low, if the temperature exceeds 2500 ℃ there is a problem that the production cost of the carbon paper rapidly increases.

S106 단계(흑연화 공정)에서는 전탄화된 페놀수지가 거의 완전히 탄소 원자만 남기게 되고, 탄소원자는 육각형 구조를 이루어 흑연에 가까운 상태가 된다. 또한, 탄소섬유 표면에 배치된 산화아연은 융점(800℃) 이상에서 용융되어 탄소섬유 표면에 코팅된다. 흑연화 공정(S106 단계)까지 마친 카본페이퍼의 두께는 200 내지 500㎛로 줄어드는데, 이는 전탄화 및 흑연화를 통해 페놀수지에서 탄소 원자 외의 성분이 제거되면서 부피가 줄어들기 때문에 발생하는 현상이다.In step S106 (graphitization process), the totally carbonized phenol resin leaves almost completely carbon atoms, and the carbon atoms form a hexagonal structure and become close to graphite. In addition, zinc oxide disposed on the surface of the carbon fiber is melted above the melting point (800 ° C.) and coated on the surface of the carbon fiber. The thickness of the carbon paper completed until the graphitization process (step S106) is reduced to 200 to 500 µm, which is a phenomenon caused by the reduction of the volume while removing components other than carbon atoms from the phenol resin through total carbonization and graphitization.

도 2a는 도 1의 S104 단계에서 제조된 탄소섬유 부직포를 SEM으로 촬영한 도면이고, 도 2b는 도 1의 S105 단계에서 제조된 탄소섬유 부직포를 SEM으로 촬영한 도면이고, 도 2c는 도 1의 S106 단계에서 제조된 탄소섬유 부직포를 SEM으로 촬영한 도면이다.2A is a view taken by SEM of the carbon fiber nonwoven fabric prepared in step S104 of FIG. 1, FIG. 2B is a view taken of SEM of the carbon fiber nonwoven fabric prepared in step S105 of FIG. 1, and FIG. A drawing of the carbon fiber nonwoven fabric prepared in step S106 by SEM.

도 2a 내지 도 2c를 참조하면, S104 단계에서 건조된 탄소섬유 부직포를 SEM으로 촬영한 도 2a에서는 탄소섬유(100)의 사이에 페놀수지(110)가 함침되어 있으며 페놀수지(110)에 분산된 산화아연 입자(120)가 탄소섬유(100)의 표면에 부착되어 있는 것을 알 수 있다. 다음으로 S105 단계에서 탄화된 탄소섬유 부직포를 SEM으로 촬영한 도 2b에서는 탄소섬유(100) 사이에 함침되어 있던 페놀수지(110)가 S105 단계에서 탄화되어 탄화된 페놀수지(111)로 존재하는 것을 알 수 있다. 다음으로 S106 단계에서 흑연화된 탄소섬유 부직포를 SEM으로 촬영한 도 2c에서는 탄소섬유(100)의 표면에 산화아연이 용융되어 탄소섬유(100)의 표면에 코팅된 산화아연(121)이 존재하는 것을 알 수 있다.2A to 2C, in FIG. 2A, in which the carbon fiber nonwoven fabric dried in step S104 is taken with an SEM, the phenol resin 110 is impregnated between the carbon fibers 100 and dispersed in the phenol resin 110. It can be seen that the zinc oxide particles 120 are attached to the surface of the carbon fiber 100. Next, in FIG. 2B, the carbon fiber nonwoven fabric carbonized in step S105 is SEM, and the phenol resin 110 impregnated between the carbon fibers 100 exists as carbonized phenol resin 111 in step S105. Able to know. Next, in FIG. 2C, in which the graphitized carbon fiber nonwoven fabric is SEM photographed in step S106, zinc oxide is melted on the surface of the carbon fiber 100 so that the zinc oxide 121 coated on the surface of the carbon fiber 100 is present. It can be seen that.

본 발명에서는 상기의 단계를 거쳐 탄소섬유의 표면에 산화아연을 코팅함으로써 기존의 카본페이퍼보다 열전도성이 우수한 카본페이퍼의 제조방법 및 이에 따라 제조된 카본페이퍼를 제공한다.In the present invention, by coating zinc oxide on the surface of the carbon fiber through the above steps, there is provided a method for producing carbon paper having excellent thermal conductivity than conventional carbon paper, and the carbon paper produced accordingly.

이하, 실시예와 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 그에 따른 효과를 보다 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 본 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the configuration and effects of the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples. However, this embodiment is intended to illustrate the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

[실시예]EXAMPLE

[실시예 1]Example 1

1-1. 탄소섬유 부직포 제조1-1. Carbon Fiber Nonwoven Fabric

먼저, 탄소섬유 부직포를 하기와 같은 순서로 제조하였다.First, a carbon fiber nonwoven fabric was prepared in the following order.

탄소섬유는 졸텍(ZOLTEK사)에서 제조한 PANEX-35 non-sizing을 6mm 길이로 잘라 사용하고, 바인더는 도레이케미칼에서 제조한 6mm 길이의 LM PET 섬유를 사용하였다. 여기서 바인더 섬유는 탄소섬유의 10 중량%로 적용되었으며, 습식초지는 한국섬유개발연구원의 배치식 습식초지 제조 장치로 제조하였다. 습식 초지는 제조 후 수분제거와 섬유간의 밀착성을 향상시키기 위하여 130℃로 가열된 드럼 드라이어를 이용하여 건조시켰다. 이때 시트의 평량은 후술할 실험예 1에 의해 40 gsm인 탄소섬유 부직포를 선별하였고, 선별된 탄소섬유 부직포를 이용하여 0.01 m2 너비의 정사각형 시트로 재단한 후 하기의 절차(1-2 내지 1-6)를 수행하였다.The carbon fiber was cut into 6 mm length of PANEX-35 non-sizing manufactured by Zoltek, and the binder used was 6 mm length LM PET fiber manufactured by Toray Chemical. The binder fiber was applied to 10% by weight of the carbon fiber, wet paper was prepared by the batch wet paper manufacturing apparatus of the Korea Fiber Research Institute. The wet paper was dried using a drum dryer heated to 130 ° C. in order to improve moisture removal and adhesion between fibers after manufacturing. At this time, the basis weight of the sheet was selected by the carbon fiber nonwoven fabric of 40 gsm by Experimental Example 1 to be described later, using the selected carbon fiber nonwoven fabric cut into a square sheet of 0.01 m 2 width following the procedure (1-2 to 1 to 1) -6) was performed.

1-2. 페놀수지 용액의 제조1-2. Preparation of Phenolic Resin Solution

먼저, 에탄올 100 중량부에 PVA 0.1 중량부를 넣어 임펠러를 이용하여 30분간 교반하였다. 그 후 페놀수지를 10 중량부 넣어 30분간 추가 교반하였다. 이 때 PVA는 KURARAY의 PVA 2288을 사용하고, 페놀수지는 강남화성의 N-3337을 사용하였다.First, 0.1 parts by weight of PVA was added to 100 parts by weight of ethanol and stirred for 30 minutes using an impeller. Thereafter, 10 parts by weight of phenol resin was added and further stirred for 30 minutes. At this time, PVA used PVA 2288 of KURARAY, and N-3337 of Gangnam Hwaseong was used for phenol resin.

1-3. 산화아연 분산액의 제조1-3. Preparation of Zinc Oxide Dispersion

1-2에서 제조된 페놀수지 용액에 산화아연 분말(시그마알드리치코리아)과 산 에스테르계 분산제로서 DISPERBYK-180(BYK사 제품, 이하 DISPERBYK 시리즈는 모두 BYK사 제품)을 첨가한 후 30분간 추가 교반하였다. 이 때 산화아연은 에탄올 100 중량부에 5 중량부, 분산제는 0.1 중량부 사용하였다.Zinc oxide powder (Sigma Aldrich Korea) and DISPERBYK-180 (by BYK Co., Ltd., all DISPERBYK series are manufactured by BYK Co., Ltd.) as an acid ester-based dispersant were added to the phenol resin solution prepared in 1-2, and further stirred for 30 minutes. . At this time, 5 parts by weight of zinc oxide was used in 100 parts by weight of ethanol, 0.1 parts by weight of dispersant.

1-4. 탄소섬유 부직포를 산화아연 분산액에 함침1-4. Impregnating carbon fiber nonwoven fabric with zinc oxide dispersion

1-1에서 제조된 탄소섬유 부직포를 1-3에서 제조된 산화아연 분산액에 3초간 침지 후 2 mm 간격의 SUS 304 재질로 이루어진 그물 위에서 1차 건조시켰다. 1차 건조는 산화아연 분산액의 방울이 떨어지지 않을 때까지 실시했으며, 1차 건조 완료 후에는 120℃의 오븐에서 60분간 건조시켰다.The carbon fiber nonwoven fabric prepared in 1-1 was first immersed in a zinc oxide dispersion prepared in 1-3 for 3 seconds, and then first dried on a net made of SUS 304 material having a 2 mm spacing. The primary drying was carried out until the drops of the zinc oxide dispersion did not fall off, and after completion of the primary drying, the resultant was dried in an oven at 120 ° C. for 60 minutes.

1-5. 함침, 건조된 탄소섬유 부직포의 합지1-5. Impregnation, Lamination of Dried Carbon Fiber Nonwovens

1-4에서 함침 후 건조된 탄소섬유 부직포를 가열 압착하여 합지하였다. 이 때 탄소섬유 부직포 3장을 합지하고 150℃ 1.5MPa 조건에서 30분간 처리하였다. 처리 후 탄소섬유 부직포 외부로 흘러나온 페놀 수지는 가위 등을 이용하여 긁어냈다.After impregnation at 1-4, the dried carbon fiber nonwoven fabric was heat-pressed and laminated. At this time, three carbon fiber nonwoven fabrics were laminated and treated at 150 ° C. under 1.5 MPa for 30 minutes. The phenol resin which flowed out of the carbon fiber nonwoven fabric after the treatment was scraped off using scissors or the like.

페놀수지 및 산화아연이 함침된 평량 40 gsm, 넓이 0.01 m2의 정사각형 탄소섬유 부직포를 3장 합지한 120 gsm의 샘플을 제조하였다.A 120 gsm sample was prepared in which three square carbon fiber nonwoven fabrics having a basis weight of 40 gsm and a width of 0.01 m 2 impregnated with phenol resin and zinc oxide were laminated.

1-6. 소성공정 (카본페이퍼 제조)1-6. Firing process (carbon paper manufacturing)

1-5에서 제조된 탄소섬유 부직포를 고온로에 넣어 전탄화를 실시하였다. 이 때 질소(N2) 가스를 90L/min의 유량으로 퍼지하면서 실시했으며, 온도는 850℃에서 실시하였다. 온도 상승 속도는 5℃/min였으며, 850℃ 유지 시간은 6시간, 그 후 고온로를 닫은 상태로 200℃까지 냉각한 후, 200℃에 도달하면 고온로의 문을 열고 전탄화를 마친 탄소섬유 부직포를 꺼내 상온에서 30℃까지 냉각하였다. 이 때, 배기가스 발생에 의해 표면이 울퉁불퉁해지는 것을 방지하기 위하여 탄소도막을 탄소섬유 부직포 위에 얹어 전탄화를 실시하였다. 전탄화 공정의 온도-시간 다이어그램은 도 3a와 같다.The carbon fiber nonwoven fabric prepared in 1-5 was placed in a high temperature furnace and subjected to total carbonization. At this time, the nitrogen (N 2 ) gas was carried out while purging at a flow rate of 90 L / min, the temperature was carried out at 850 ℃. The temperature rise rate was 5 ° C / min, the 850 ° C holding time was 6 hours, and after cooling to 200 ° C with the high temperature closed, after reaching 200 ° C, the carbon fiber was opened and the carbonization was completed. The nonwoven fabric was taken out and cooled to 30 ° C at room temperature. At this time, in order to prevent the surface from being bumpy due to the generation of exhaust gas, the carbon coating film was placed on a carbon fiber nonwoven fabric and subjected to total carbonization. The temperature-time diagram of the precarbonization process is shown in FIG. 3A.

전탄화 후 흑연화 공정을 실시하였다. 흑연화 시에는 초고온로 내부를 아르곤(Ar) 가스를 90L/min의 유량으로 퍼지하면서 실시했으며, 온도는 2400℃에서 실시하였다. 온도 상승 속도는 5℃/min였으며, 2400℃ 유지 시간은 30분, 그 후 초고온로를 닫은 상태로 200℃까지 냉각한 후, 200℃에 도달하면 초고온로의 문을 열고 흑연화를 마친 카본페이퍼를 꺼내고 상온에서 30℃까지 냉각하여 카본페이퍼를 제조하였다. 흑연화 공정의 온도-시간 다이어그램은 도 3b과 같다.The graphitization process was performed after total carbonization. At the time of graphitization, the inside of the ultrahigh temperature furnace was purged with argon (Ar) gas at a flow rate of 90 L / min, and the temperature was performed at 2400 ° C. Temperature rise rate was 5 ℃ / min, 2400 ℃ holding time is 30 minutes, then after cooling to 200 ℃ with the ultra-high temperature closed, after reaching the 200 ℃, the door of the ultra-high temperature to finish the graphitized carbon paper Take out and cooled to 30 ℃ at room temperature to prepare a carbon paper. The temperature-time diagram of the graphitization process is shown in Figure 3b.

[실시예 2]Example 2

PVA 대신 PEO를 0.1 중량부 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 카본페이퍼를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.1 part by weight of PEO was used instead of PVA.

[실시예 3]Example 3

DISPERBYK-180 대신 DISPERBYK-102를 0.1 중량부 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 카본페이퍼를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.1 parts by weight of DISPERBYK-102 was used instead of DISPERBYK-180.

[실시예 4]Example 4

DISPERBYK-180 대신 DISPERBYK-102를 0.1 중량부 사용한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일하게 카본페이퍼를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 2 except that 0.1 parts by weight of DISPERBYK-102 was used instead of DISPERBYK-180.

[실시예 5]Example 5

DISPERBYK-180 대신 DISPERPLAST-1150를 0.1 중량부 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 카본페이퍼를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.1 parts by weight of DISPERPLAST-1150 was used instead of DISPERBYK-180.

[실시예 6]Example 6

DISPERBYK-180 대신 DISPERPLAST-1150를 0.1 중량부 사용한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일하게 카본페이퍼를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 2 except that 0.1 parts by weight of DISPERPLAST-1150 was used instead of DISPERBYK-180.

[비교예][Comparative Example]

[비교예 1]Comparative Example 1

PVA, 산화아연 분말 및 DISPERBYK-180을 사용하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 카본페이퍼를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1 except that PVA, zinc oxide powder, and DISPERBYK-180 were not used.

[비교예 2]Comparative Example 2

PVA와 DISPERBYK-180을 사용하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 카본페이퍼를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1 except that PVA and DISPERBYK-180 were not used.

[비교예 3]Comparative Example 3

DISPERBYK-180을 사용하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 카본페이퍼를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1 except that the DISPERBYK-180 was not used.

[비교예 4] [Comparative Example 4]

DISPERBYK-180을 0.03 중량부를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 카본페이퍼를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.03 parts by weight of DISPERBYK-180 was used.

[비교예 5] [Comparative Example 5]

DISPERBYK-180을 0.6 중량부를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 카본페이퍼를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.6 parts by weight of DISPERBYK-180 was used.

[비교예 6]Comparative Example 6

PVA 대신 PEO 0.1 중량부를 사용하고, DISPERBYK-180을 사용하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 카본페이퍼를 제조하였다.A carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.1 parts by weight of PEO was used instead of PVA, and DISPERBYK-180 was not used.

[비교예 7]Comparative Example 7

PVA를 사용하지 않은 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 카본페이퍼를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1 except that PVA was not used.

[비교예 8]Comparative Example 8

PVA를 0.005 중량부를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 카본페이퍼를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1 except that 0.005 parts by weight of PVA was used.

[비교예 9]Comparative Example 9

PVA를 0.3 중량부를 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 카본페이퍼를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.3 parts by weight of PVA was used.

[비교예 10]Comparative Example 10

PVA를 사용하지 않고, DISPERBYK-180 대신 DISPERBYK-102를 0.1 중량부 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 카본페이퍼를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.1 parts by weight of DISPERBYK-102 was used instead of DISPERBYK-180 without using PVA.

[비교예 11]Comparative Example 11

PVA를 사용하지 않고, DISPERBYK-180 대신 DISPERPLAST-1150를 0.1 중량부 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 카본페이퍼를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.1 parts by weight of DISPERPLAST-1150 was used instead of DISPERBYK-180 without using PVA.

[비교예 12]Comparative Example 12

산화아연 분말을 4 중량부 사용한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 카본페이퍼를 제조하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1, except that 4 parts by weight of zinc oxide powder was used.

[비교예 13]Comparative Example 13

산화아연 분말을 26 중량부 사용한 제외하고는, 실시예 1과 동일하게 카본페이퍼를 제조하였다.Except for using 26 parts by weight of zinc oxide powder, carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1.

상기 실시예 1 내지 6과 비교예 1 내지 13의 제원은 하기 표 1에 개시된 바와같다.The specifications of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 13 are as disclosed in Table 1 below.

구분division 에탄올ethanol 증점제Thickener 페놀수지Phenolic Resin 산화아연Zinc oxide 분산제Dispersant 함유량content 종류Kinds 함유량content 함유량content 함유량content 종류Kinds 함유량content 실시예 1Example 1 100100 PVAPVA 0.10.1 1010 55 DISPERBYK-180DISPERBYK-180 0.10.1 실시예 2Example 2 100100 PEOPEO 0.10.1 1010 55 DISPERBYK-180DISPERBYK-180 0.10.1 실시예 3Example 3 100100 PVAPVA 0.10.1 1010 55 DISPERBYK-102DISPERBYK-102 0.10.1 실시예 4Example 4 100100 PEOPEO 0.10.1 1010 55 DISPERBYK-102DISPERBYK-102 0.10.1 실시예 5Example 5 100100 PVAPVA 0.10.1 1010 55 DISPERPLAST-1150DISPERPLAST-1150 0.10.1 실시예 6Example 6 100100 PEOPEO 0.10.1 1010 55 DISPERPLAST-1150DISPERPLAST-1150 0.10.1 비교예 1Comparative Example 1 100100 -- -- 1010 -- -- -- 비교예 2Comparative Example 2 100100 -- -- 1010 55 -- -- 비교예 3Comparative Example 3 100100 PVAPVA 0.10.1 1010 55 -- -- 비교예 4Comparative Example 4 100100 PVAPVA 0.10.1 1010 55 DISPERBYK-180DISPERBYK-180 0.030.03 비교예 5Comparative Example 5 100100 PVAPVA 0.10.1 1010 55 DISPERBYK-180DISPERBYK-180 0.60.6 비교예 6Comparative Example 6 100100 PEOPEO 0.10.1 1010 55 -- -- 비교예 7Comparative Example 7 100100 -- -- 1010 55 DISPERBYK-180DISPERBYK-180 0.10.1 비교예 8Comparative Example 8 100100 PVAPVA 0.0050.005 1010 55 DISPERBYK-180DISPERBYK-180 0.10.1 비교예 9Comparative Example 9 100100 PVAPVA 0.30.3 1010 55 DISPERBYK-180DISPERBYK-180 0.10.1 비교예 10Comparative Example 10 100100 -- -- 1010 55 DISPERBYK-102DISPERBYK-102 0.10.1 비교예 11Comparative Example 11 100100 -- -- 1010 55 DISPERPLAST-1150DISPERPLAST-1150 0.10.1 비교예 12Comparative Example 12 100100 PVAPVA 0.10.1 1010 44 DISPERBYK-180DISPERBYK-180 0.10.1 비교예 13Comparative Example 13 100100 PVAPVA 0.10.1 1010 2626 DISPERBYK-180DISPERBYK-180 0.10.1

실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 13에 따른 카본페이퍼를 사용하여 다음과 같은 실험예를 통해 물성을 측정하고 그 결과를 표 2에 나타내었다.Physical properties of the carbon paper according to Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 13 were measured by the following experimental examples, and the results are shown in Table 2.

[실험예]Experimental Example

(1) 탄소섬유 부직포 평량 측정(1) Carbon fiber nonwovens basis weight measurement

1-1에서 제조된 탄소섬유 부직포에 대해 아래의 절차로 평량을 측정하였다.The basis weight of the carbon fiber nonwoven fabric prepared in 1-1 was measured by the following procedure.

1) 탄소섬유 부직포를 0.01 m2 크기의 정사각형으로 재단한다. 이 때 탄소섬유 부직포의 넓이: A (m2)1) Cut the carbon fiber nonwoven into 0.01 m 2 squares. Area of carbon fiber nonwoven fabric: A (m 2 )

2) 1) 단계에서 재단한 탄소섬유 부직포의 질량을 측정한다. (W1 (g))2) Measure the mass of the carbon fiber nonwoven fabric cut in step 1). (W 1 (g))

3) 450℃, N2 퍼지한 고온로에서 15분간 열처리하여 바인더 물질을 열분해한다.3) Thermally decompose the binder material by heat treatment at 450 DEG C for 15 minutes in a purged N 2 furnace.

4) 3)단계에서 열분해 후 남은 탄소섬유 부직포를 30℃ 이하로 냉각 후, 질량을 측정한다. (W2 (g))4) Cool the carbon fiber nonwoven fabric remaining after pyrolysis in step 3) below 30 ℃, and measure the mass. (W 2 (g))

5) 수학식 1을 이용하여 평량을 계산한다.5) Calculate the basis weight using Equation 1.

Figure 112019088625339-pat00001
Figure 112019088625339-pat00001

(2) 함침 후 피킹된 페놀수지 및 산화아연 계산(2) Calculation of picked phenolic resin and zinc oxide after impregnation

1-4에서 함침 및 건조된 탄소섬유 부직포를 1-5에서 가열 압착하여 합지한 후 피킹된 페놀수지 및 산화아연의 질량을 하기의 절차로 계산하였다.After impregnating and drying the carbon fiber nonwoven fabric in 1-4 and laminating by heat pressing at 1-5, the mass of the picked phenolic resin and zinc oxide was calculated by the following procedure.

1) 합지 과정(실시예 1-5 참조)을 완료한 시료의 질량을 측정한다. (Wa (g))1) Measure the mass of the sample which completed the lamination process (refer Example 1-5). (W a (g))

2) 500℃, 공기(air) 퍼지한 고온로에서 30분간 열처리하여 바인더 물질 및 페놀수지를 태워 제거한다.2) The binder material and the phenol resin are burned and removed by heat treatment at 500 ° C. for 30 minutes in an air purged high temperature furnace.

3) 2)단계에서 열분해 후 남은 탄소섬유 부직포를 30℃ 이하로 냉각 후, 질량을 측정한다. (Wb (g))3) After cooling the carbon fiber nonwoven fabric remaining after pyrolysis in step 2), the mass is measured. (W b (g))

4) 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 13에 사용한 탄소섬유 부직포의 질량은 실험예 (1)에서 측정된 W2 값을 사용한다.4) The mass of the carbon fiber nonwoven fabric used in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 13 uses the W 2 value measured in Experimental Example (1).

5) 수학식 2를 이용하여 피킹된 페놀수지의 비율을 계산한다.5) The ratio of the picked phenol resin is calculated using Equation 2.

Figure 112019088625339-pat00002
Figure 112019088625339-pat00002

6) 수학식 3을 이용하여 피킹된 산화아연의 비율을 계산한다.6) Calculate the ratio of picked zinc oxide using Equation 3.

Figure 112019088625339-pat00003
Figure 112019088625339-pat00003

(3) 열전도율 측정(3) thermal conductivity measurement

1-6에서 소성된 카본페이퍼의 열전도율을 측정하기 위하여 비중계를 이용하여 밀도를 측정하였다. 비중계는 Sartorius사의 MSA255S-100-DA 모델을 사용하여 아리스토텔레스 법으로 20℃의 에탄올을 사용하여 측정하였다. 또한, DSC를 이용하여 비열을 측정하여 열전도율 계산에 대입하였다. DSC는 TA instruments사의 Q2000 모델을 이용하여 측정하였다.Density was measured using a hydrometer to measure the thermal conductivity of the carbon paper fired in 1-6. The hydrometer was measured using Sartorius' MSA255S-100-DA model using ethanol at 20 ° C. by the Aristotle method. In addition, specific heat was measured using DSC and substituted into the thermal conductivity calculation. DSC was measured using a Q2000 model from TA instruments.

열전도율은 NETZSCH사의 LFA 457 (laser식) 장비를 이용하여 측정하였으며, 면방향(in-plane)과 두께방향(thru plane)의 열전도율을 각각 측정하였다.Thermal conductivity was measured using the LFA 457 (laser type) equipment of NETZSCH, the thermal conductivity in the in-plane (thru plane) and the thickness direction (thru plane) was measured, respectively.

하기 표 2에 실시예 1 내지 6과 비교예 1 내지 13에 대한 실험예의 측정된 평균값을 나타내었다. Table 2 shows the measured average values of the experimental examples for Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 13.

구분division 페놀수지
(wt%)
Phenolic Resin
(wt%)
산화아연
(wt%)
Zinc oxide
(wt%)
밀도
(g/cm3)
density
(g / cm 3 )
비열
(cal/g℃)
specific heat
(cal / g ℃)
In-planeIn-plane Thru planeThru plane
열확산율
(mm2/sec)
Thermal diffusivity
(mm 2 / sec)
열전도율
(W/mK)
Thermal conductivity
(W / mK)
열확산율
(mm2/sec)
Thermal diffusivity
(mm 2 / sec)
열전도율
(W/mK)
Thermal conductivity
(W / mK)
실시예 1Example 1 59.759.7 19.119.1 0.4230.423 0.6060.606 13.24713.247 3.4333.433 1.1941.194 0.3060.306 실시예 2Example 2 59.559.5 18.518.5 0.3980.398 0.6130.613 13.36013.360 3.2363.236 1.6531.653 0.4030.403 실시예 3Example 3 60.860.8 19.119.1 0.4220.422 0.6180.618 13.64613.646 3.5283.528 1.1951.195 0.3120.312 실시예 4Example 4 59.759.7 18.118.1 0.3970.397 0.6100.610 12.96112.961 3.1393.139 1.6511.651 0.4010.401 실시예 5Example 5 59.859.8 19.319.3 0.4220.422 0.5890.589 13.83813.838 3.4393.439 1.1921.192 0.2960.296 실시예 6Example 6 60.160.1 18.818.8 0.3940.394 0.5980.598 12.77412.774 3.0403.040 1.6501.650 0.3930.393 비교예 1Comparative Example 1 62.362.3 -- 0.4230.423 0.4540.454 8.0468.046 1.4611.461 1.0741.074 0.2060.206 비교예 2Comparative Example 2 61.961.9 21.121.1 0.3870.387 0.5380.538 9.6689.668 2.0002.000 1.1791.179 0.2480.248 비교예 3Comparative Example 3 59.359.3 18.418.4 0.4110.411 0.5500.550 10.13210.132 2.3582.358 1.2011.201 0.2720.272 비교예 4Comparative Example 4 58.958.9 19.219.2 0.4330.433 0.5990.599 11.88411.884 3.0823.082 1.0881.088 0.2820.282 비교예 5Comparative Example 5 58.558.5 19.119.1 0.4080.408 0.5910.591 12.14112.141 2.9272.927 1.0581.058 0.2550.255 비교예 6Comparative Example 6 60.360.3 17.417.4 0.4000.400 0.5670.567 10.12110.121 2.2952.295 1.5291.529 0.3470.347 비교예 7Comparative Example 7 62.262.2 18.818.8 0.4150.415 0.6100.610 10.71110.711 2.7112.711 1.2201.220 0.3090.309 비교예 8Comparative Example 8 61.561.5 18.618.6 0.4240.424 0.5890.589 10.99610.996 2.7462.746 1.0131.013 0.2530.253 비교예 9Comparative Example 9 59.259.2 18.518.5 0.4190.419 0.5870.587 11.00411.004 2.7062.706 1.0141.014 0.2520.252 비교예 10Comparative Example 10 62.262.2 18.818.8 0.4100.410 0.6120.612 10.05610.056 2.5532.553 1.2201.220 0.3100.310 비교예 11Comparative Example 11 62.862.8 18.618.6 0.4150.415 0.6110.611 10.05110.051 2.5482.548 1.2291.229 0.3120.312 비교예 12Comparative Example 12 59.659.6 17.617.6 0.4160.416 0.6000.600 12.33512.335 3.0793.079 1.1551.155 0.2880.288 비교예 13Comparative Example 13 58.958.9 22.322.3 0.4390.439 0.5880.588 12.22812.228 3.1563.156 1.1481.148 0.2960.296

표 2에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 실시예 1 내지 6에서 증점제와 분산제를 모두 적용한 결과, 두께방향으로의 열전도율이 서로 차이가 날 뿐, 면방향으로의 열전도율이 비교예 1 내지 13에 비해 확실히 증가한 것을 확인할 수 있는데, 이는 증점제와 분산제를 적용함에 따라 산화아연의 분산도 및 안정성이 향상되어 카본페이퍼의 열전도율을 높이는 효과로 이어졌다고 볼 수 있다. 특히 면방향으로의 열확산율이 크게 증가한 것이 두드러지는데, 이는 산화아연이 탄소섬유 표면에 선택적으로 배치되었고, 열전도체로서 효과적으로 작용한 결과라고 볼 수 있다.As can be seen from Table 2, as a result of applying both the thickener and the dispersant in Examples 1 to 6 according to the present invention, the thermal conductivity in the thickness direction is different from each other, the thermal conductivity in the plane direction compared to Comparative Examples 1 to 13 It can be seen that the increase, which is due to the application of thickeners and dispersants to improve the dispersion and stability of zinc oxide lead to the effect of increasing the thermal conductivity of the carbon paper. In particular, the thermal diffusion rate in the plane direction is remarkably increased, which is a result of zinc oxide being selectively disposed on the surface of the carbon fiber and effectively acting as a thermal conductor.

반면에, 비교예 1과 비교예 2를 비교하면, 면방향으로의 열전도율이 소폭 상승한 것을 볼 수 있으나, 산화아연의 유무에 따른 효과가 있다고 보기에는 그 폭이 매우 작다. 그러나 증점제 또는 분산제를 적용한 비교예 3, 6, 7, 10, 11은 비교예 2에 비하여 면방향 열전도율의 상승폭이 더 커진 것을 볼 수 있다.On the other hand, when comparing Comparative Example 1 and Comparative Example 2, it can be seen that the thermal conductivity in the surface direction slightly increased, but the width is very small to see the effect of the presence or absence of zinc oxide. However, it can be seen that Comparative Examples 3, 6, 7, 10, and 11 to which a thickener or a dispersant are applied have a larger increase in the in-plane thermal conductivity than Comparative Example 2.

분산제인 DISPERBYK-180의 함량이 0.03 중량부인 비교예 4는 분산제의 작용이 미미하여 산화아연의 분산도가 떨어져 실시예 1과 비교하여 열전도율이 낮으며, 분산제인 DISPERBYK-180의 함량이 0.6 중량부인 비교예 5는 분산제가 과다하여 분산제가 용액 내에서 거품을 발생시키거나 불순물로 작용하여 산화아연의 분산성이 떨어져 실시예 1과 비교하여 열전도율이 낮은 것을 알 수 있다.Comparative Example 4 having a content of DISPERBYK-180, a dispersant, of 0.03 parts by weight, had a low thermal conductivity compared to Example 1 due to a slight dispersant, and thus a zinc oxide dispersion. Example 5 shows that the thermal conductivity is lower than that of Example 1 due to the excessive dispersant, the dispersant foams in the solution or acts as an impurity, resulting in poor dispersibility of zinc oxide.

증점제인 PVA의 함량이 0.005 중량부인 비교예 8은 증점제의 함량이 너무 적어 증점 효과가 없어 산화아연이 탄소섬유 부직포에 충분히 피킹되지 않아 실시예 1과 비교하여 열전도율이 낮으며, 증점제인 PVA의 함량이 0.3 중량부인 비교예 9은 증점제의 함량이 과도하여 페놀수지의 피킹량 및 함침 과정에서 기포를 컨트롤하기 어려워 실시예 1과 비교하여 열전도율이 낮은 것을 알 수 있다.Comparative Example 8, the content of PVA as a thickener is 0.005 parts by weight, the content of the thickener is too small to have a thickening effect, so zinc oxide is not picked sufficiently on the carbon fiber nonwoven fabric, so the thermal conductivity is lower than that of Example 1, the content of PVA as a thickener In Comparative Example 9, which is 0.3 parts by weight, it is difficult to control bubbles in the picking amount and impregnation process of the phenol resin due to excessive content of the thickener, and thus it can be seen that the thermal conductivity is lower than that in Example 1.

산화아연의 함량이 4 중량부인 비교예 12는 산화아연이 너무 적어 산화아연에 의한 열전도 상승 효과가 제대로 발현되지 않아 실시예 1과 비교하여 열전도율이 낮은 것을 알 수 있으며, 산화아연의 함량이 26 중량부인 비교예 13은 산화아연이 과도하게 함유되어 산화아연간 응집이 발생하여 탄소섬유 표면에 고르게 배치되지 않아 실시예 1과 비교하여 열전도율이 낮은 것을 알 수 있다.In Comparative Example 12 having a zinc oxide content of 4 parts by weight, the zinc oxide was too small, so that the thermal conductivity increase effect of zinc oxide was not properly expressed, and thus the thermal conductivity was lower than that of Example 1, and the zinc oxide content was 26 weight. In Comparative Example 13, zinc oxide was excessively contained, so that zinc oxide coagulation occurred and was not evenly disposed on the surface of the carbon fiber, and thus the thermal conductivity was lower than that in Example 1.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of right.

100: 탄소섬유
110: 페놀수지
111: 탄화된 페놀수지
120: 산화아연 입자
121: 탄소섬유 표면에 코팅된 산화아연
100: carbon fiber
110: phenolic resin
111: carbonized phenolic resin
120: zinc oxide particles
121: zinc oxide coated on carbon fiber surface

Claims (14)

페놀수지 고형분 및 증점제를 알코올계 용매에 녹여 페놀수지 용융액을 제조하는 제1단계;
상기 페놀수지 용융액에 산화아연(ZnO) 분말을 분산시키는 제2단계;
상기 산화아연 분말이 분산된 페놀수지 용융액에 탄소섬유 부직포를 함침시키는 제3단계;
상기 함침된 탄소섬유 부직포를 건조하는 제4단계;
상기 건조된 탄소섬유 부직포를 탄화시켜, 탄소섬유 표면에 산화아연 층을 선택적으로 배치시키는 제5단계: 및
상기 탄화된 탄소섬유 부직포를 흑연화시켜, 탄소섬유 표면에 상기 산화아연 분말을 녹여 산화아연 층을 코팅하는 제6단계;
를 포함하며,
상기 페놀수지 용융액은 상기 알코올계 용매 100 중량부를 기준으로 상기 산화아연 분말 5 내지 25 중량부 및 산 에스테르계 분산제 0.05 내지 0.5 중량부가 혼합된, 카본페이퍼의 제조방법.
A first step of preparing a phenol resin melt by dissolving a phenol resin solid and a thickener in an alcohol solvent;
Dispersing zinc oxide (ZnO) powder in the phenol resin melt;
A third step of impregnating a carbon fiber nonwoven fabric in the phenol resin melt in which the zinc oxide powder is dispersed;
A fourth step of drying the impregnated carbon fiber nonwoven fabric;
A fifth step of carbonizing the dried carbon fiber nonwoven fabric to selectively arrange a zinc oxide layer on the surface of the carbon fiber; and
A sixth step of graphitizing the carbonized carbon fiber nonwoven fabric to coat the zinc oxide layer by melting the zinc oxide powder on a carbon fiber surface;
Including;
The phenol resin melt is a mixture of 5 to 25 parts by weight of the zinc oxide powder and 0.05 to 0.5 parts by weight of the acid ester-based dispersant based on 100 parts by weight of the alcohol solvent, the carbon paper manufacturing method.
제1항에 있어서,
상기 증점제는 폴리에틸렌옥사이드 또는 폴리비닐알코올 중 적어도 하나 이상을 포함하는, 카본페이퍼의 제조방법.
The method of claim 1,
The thickener comprises at least one or more of polyethylene oxide or polyvinyl alcohol, method of producing a carbon paper.
제1항에 있어서,
상기 제1단계는,
메탄올, 에탄올 또는 이소프로필알코올 중 하나 이상으로 구성된 알코올계 용매 100 중량부에 폴리에틸렌옥사이드 또는 폴리비닐알코올 중 적어도 하나 이상으로 구성된 증점제 0.01 내지 0.2 중량부 및 페놀수지 고형분 5 내지 30 중량부를 혼합하는,카본페이퍼의 제조방법.
The method of claim 1,
The first step,
Carbon, a mixture of 0.01 to 0.2 parts by weight of a thickener composed of at least one of polyethylene oxide or polyvinyl alcohol and 5 to 30 parts by weight of phenol resin solids, to 100 parts by weight of an alcohol solvent composed of one or more of methanol, ethanol or isopropyl alcohol. Method of manufacturing paper.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 산화아연(ZnO)은 환형이고, 입경은 0.05 내지 5㎛인, 카본페이퍼의 제조방법.
The method of claim 1,
The zinc oxide (ZnO) is cyclic, the particle diameter is 0.05 to 5㎛, the manufacturing method of the carbon paper.
제1항에 있어서,
상기 제5단계는,
상기 건조된 탄소섬유 부직포를 700 내지 900℃ 온도의 불활성 가스 분위기에서 탄화시키는, 카본페이퍼의 제조방법.
The method of claim 1,
The fifth step,
And carbonizing the dried carbon fiber nonwoven fabric in an inert gas atmosphere at a temperature of 700 to 900 ° C.
제1항에 있어서,
상기 제6단계는,
상기 탄화된 탄소섬유 부직포를 2300 내지 2500℃ 온도의 아르곤 가스 분위기에서 흑연화시키는, 카본페이퍼의 제조방법.
The method of claim 1,
The sixth step,
And carbonizing the carbonized carbon fiber nonwoven fabric in an argon gas atmosphere at a temperature of 2300 to 2500 ° C.
제1항에 있어서,
상기 탄소섬유 부직포는 PAN계, 레이온계 또는 피치계 탄소섬유 중 적어도 하나 이상을 포함하는, 카본페이퍼의 제조방법.
The method of claim 1,
The carbon fiber nonwoven fabric includes at least one or more of the PAN-based, rayon-based or pitch-based carbon fiber, the manufacturing method of the carbon paper.
제1항에 있어서,
상기 탄소섬유 부직포를 구성하는 탄소섬유의 직경은 5 내지 8㎛이고, 길이는 3 내지 30 mm인, 카본페이퍼의 제조방법.
The method of claim 1,
The diameter of the carbon fibers constituting the carbon fiber nonwoven fabric is 5 to 8㎛, length is 3 to 30mm, the manufacturing method of the carbon paper.
제1항에 있어서,
상기 탄소섬유 부직포의 평량은 100 내지 200gsm이고, 두께는 300 내지 750㎛인, 카본페이퍼의 제조방법.
The method of claim 1,
The basis weight of the carbon fiber nonwoven fabric is 100 to 200gsm, the thickness is 300 to 750㎛, manufacturing method of carbon paper.
제1항에 있어서,
상기 제4단계 및 제5단계 사이에 수행되며, 상기 제4단계에서 건조된 탄소섬유 부직포를 2장 이상 열압착으로 합지하는 단계;
를 더 포함하는, 카본페이퍼의 제조방법.
The method of claim 1,
Carrying out between the fourth and fifth steps, laminating the carbon fiber nonwoven fabric dried in the fourth step by thermocompression bonding of two or more sheets;
Further comprising, the manufacturing method of the carbon paper.
제1항에 있어서,
상기 제3단계 이전에 수행되며, 습식 초지 방법을 이용하여 탄소섬유 및 바인더를 포함하는 탄소섬유 부직포를 제조하는 단계;
를 더 포함하며,
상기 바인더는 탄소섬유의 5 내지 20 중량%인, 카본페이퍼의 제조방법.
The method of claim 1,
A carbon fiber nonwoven fabric which is performed before the third step and comprises a carbon fiber and a binder using a wet papermaking method;
More,
The binder is 5 to 20% by weight of the carbon fiber, the manufacturing method of the carbon paper.
제1항 내지 제3항 및 제5항 내지 제12항 중에서 어느 하나의 제조방법을 이용하여 제조된 카본페이퍼.The carbon paper produced by using any one of claims 1 to 3 and 5 to 12. 제13항에 있어서,
상기 카본페이퍼는 산화아연이 탄소섬유의 5 내지 30 중량% 포함된, 카본페이퍼.
The method of claim 13,
The carbon paper is a carbon paper containing zinc oxide 5 to 30% by weight of the carbon fiber.
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