KR102447736B1 - 불융화된 PCS 섬유의 수직형 연속 열처리 장치 및 이를 이용한 SiC 섬유의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

불융화된 PCS 섬유의 수직형 연속 열처리 장치는 상단 중앙에 PCS 섬유 공급구(11)가 설치되고 하단 중앙에 SiC 섬유 배출구(12)가 설치되며 수직으로 배열되는 열처리로(10); 및 열처리로(10) 내의 내주면 둘레부에 설치되어 열처리로를 수직으로 통과하는 PCS 섬유(F_pcs)에 열을 가하는 발열 유닛(20)을 포함하며, 열처리로의 내부를 질소분위기, 아르곤분위기, 할로겐분위기 중 어느 하나로 유지하기 위하여 열처리로의 내부로 불활성 가스를 연속으로 공급하고 배출한다.

Description

불융화된 PCS 섬유의 수직형 연속 열처리 장치 및 이를 이용한 SiC 섬유의 제조 방법{VERTICAL CONTINUOUS HEAT TREATMENT DEVICE ON CURED PCS FIBER AND METHOD FOR MANUFACTURING SiC FIBER USING THE SAME}

본 발명은 불융화된 PCS 섬유의 수직형 연속 열처리 장치 및 이를 이용한 SiC 섬유의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 불융화된 PCS 섬유를 수직 하방으로 관통시키면서 열처리하는 수직형 연속 열처리 장치 및 이러한 수직형 연속 열처리 장치를 이용하여 이용하여 SiC 섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.

실리콘카바이드(SiC) 섬유는 불활성 분위기 아래의 고온에서 제조되는 섬유로서, 초고온에서의 기계적 물성이 우수하기 때문에 최근 우주 항공기 엔진, 원자력 발전소 내부 구조체, 화력 발전소 터빈블레이드, 브레이크 패드/디스크, 유도 무기 내장 부품, 반도체 치공구 등 여러 분야에 걸쳐 폭넓게 사용되고 있다.

SiC 섬유의 제조 원료는 폴리카보실란(PCS: Polycarbosilane)으로서, PCS 섬유는 불활성 분위기에서 열처리하여 열분해된 후 세라믹인 SiC로 전환되어 SiC 섬유로 된다. 그러나, 용융방사된 PCS 섬유는 열처리과정에서 다시 용융되어 섬유 형상을 잃게 되므로, 이를 방지하기 위하여 열가소성을 가진 PCS 섬유를 열을 가하여도 용융되지 않고 섬유 형상을 유지하기 위하여 약 200℃ 부근에서 공기 중 혹은 할로겐 가스 분위기에서 화학처리를 하여 PCS 섬유의 가교반응을 유도하여 열경화성으로 전환시키는 불융화 공정을 수행한다. 그리고, 불융화 처리된 PCS 섬유를 불활성 분위기에서 약 1000℃ 이상으로 열처리하면 PCS 섬유가 그 형상을 유지하면서 열분해되어 SiC 섬유가 제조된다.

종래 기술에서, 불융화된 PCS섬유(cured PCS fiber)의 열처리는 수평로 형태의 전기로를 사용하여, 수평 전기로 초입에서 PCS 섬유를 풀어주고, 수평 전기로 내에서 열처리되어 열분해과정을 거쳐 세라믹으로 전환된 SiC 섬유를 수평 전기로 후단에서 감아주는 방식으로 SiC섬유를 제조하고 있다.

예를 들어, 한국 등록특허 제10-2076864호의 SiC 섬유 제조 방법에서는, 불융화된 PCS 섬유를 서로 다른 온도범위를 가지는 복수의 구간을 가지는 수평 전기로의 내부로 수평으로 이동시키면서 PCS 섬유로부터 탄소함유 가스를 발생시키고, PCS 섬유를 열분해하여 SiC 섬유로 전환하고, PCS 섬유의 열분해 과정에서 발생된 탄소를 SiC 섬유의 표면에 증착하고 있다(도 1 참조).

그리고 한국 등록특허 제10-1582584호, 한국 등록특허 제10-17814213호, 한국 등록특허 제10-1554004호 등에서도 불융화된 PCS섬유를 열처리 과정에서 수평전기로에 불융화된 PCS섬유를 한쪽에서 풀고 반대쪽에서 되감는 공정으로 열처리 대상 불융화 PCS섬유를 끌면서 반대쪽으로 이동시킨다. 이러한 경우, 끌려가는 불융화된 PCS 섬유가 끊길 수 있고 수평 전기로의 바닥에 닿아 손상을 입을 수 있게 된다.

따라서, 불융화된 PCS 섬유를 열처리하는 종래의 수평 전기로를 이용하는 경우 근본적으로 최종 제조된 SiC섬유의 물성향상을 위한 해결책이 제공되지 않고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 불융화된 PCS 섬유를 수직 하방으로 이동시키면서 열처리함으로써 열처리 과정에서 PCS 섬유가 끊어지거나 열처리로의 바닥에 닿아서 손상되는 것을 방지할 수 있는 불융화된 PCS 섬유의 수직 연속 열처리 장치 및 이를 이용한 SiC 섬유의 제조 방법을 제공하는 것이다.

그러나, 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따른 불융화된 PCS 섬유의 수직형 연속 열처리 장치는, 상부에 불융화된 PCS 섬유 공급부가 배치되고 하부에 SiC 섬유 권취부가 배치되며, 상단 중앙에 PCS 섬유 공급구가 설치되고 하단 중앙에 SiC 섬유 배출구가 설치되며 수직으로 배열되는 열처리로; 및 상기 열처리로 내의 내주면 둘레부에 설치되어 상기 열처리로를 수직으로 통과하는 PCS 섬유에 열을 가하는 발열 유닛;을 포함하며, 불융화된 PCS 섬유가 상기 열처리로 내에서 열분해될 수 있도록 상기 열처리로의 내부를 질소분위기, 아르곤분위기, 할로겐분위기 중 어느 하나로 유지하기 위하여 상기 열처리로의 내부로 불활성 가스를 연속으로 공급하고 배출한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 불융화된 PCS 섬유의 수직형 연속 열처리 장치에서, 상기 열처리로의 내부로 불활성 가스를 연속으로 공급하고 배출하기 위하여, 상기 열처리로의 상단에는 가스공급구가 형성되며 열처리로의 하단에는 가스배출구가 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 불융화된 PCS 섬유의 수직형 연속 열처리 장치에서, 상기 열처리로의 내부로 공급되는 불활성 가스는 질소, 아르곤, 수소 중 어느 하나로 될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 불융화된 PCS 섬유의 수직형 연속 열처리 장치에서, 상기 열처리로의 내부를 통과하는 PCS 섬유는 열처리로의 상단으로부터 하단으로 내려가면서 순차적으로 높은 복수의 온도 영역에서 열처리될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 불융화된 PCS 섬유의 수직형 연속 열처리 장치에서, 상기 열처리로의 내부의 열처리온도 구간은 3개의 구간으로 구획될 수 있으며, 상기 열처리로의 상부에 위치되는 제1 열처리 영역(Heating zone Ⅰ)의 온도는 약 300℃ 내지 500℃로 제어되며, 중간에 위치되는 제2 열처리 영역(Heating zone Ⅱ)의 온도는 약 500℃ 내지 700℃로 제어되며, 하부에 위치되는 제3 열처리 영역(Heating zone Ⅲ)의 온도는 약 700℃ 내지 1000℃로 제어될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 불융화된 PCS 섬유의 수직형 연속 열처리 장치에서, 상기 열처리로의 상부에 배치된 불융화된 PCS 섬유 공급부에서의 PCS 섬유 인출 속도와 상기 열처리로의 하부에 배치된 SiC 섬유 권취부에서의 SiC 섬유 권취 속도를 동기시키는 동기화 수단을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 불융화된 PCS 섬유의 수직형 연속 열처리 장치에서, 상기 열처리로는 수직형 전기로로 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 불융화된 PCS 섬유를 열처리하여 SiC 섬유를 제조하는 방법은, 수직으로 배열되며 내부가 불활성 가스 분위기인 연속 열처리 장치의 상단으로 불융화된 PCS 섬유를 공급하는 단계; 상기 연속 열처리 장치의 상단을 통하여 공급된 불융화된 PCS 섬유가 연속 열처리 장치의 하단으로 수직 하방으로 이동하는 과정에서 불융화된 PCS 섬유를 순차적으로 높은 복수의 온도 영역에서 열처리하는 단계; 및 연속 열처리 장치에서의 열처리가 완료된 SiC 섬유를 배출하는 단계를 포함하는 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 불융화된 PCS 섬유의 열처리 방법에서, 상기 열처리 단계는 3개의 온도 영역에서 수행될 수 있으며, 상기 3개의 온도 구간 중 열처리로의 상부에서 수행되는 제1 열처리 영역의 온도는 약 300℃ 내지 500℃이며, 열처리로의 중간에서 수행되는 제2 열처리 영역의 온도는 약 500℃ 내지 700℃이며, 열처리로의 하부에서 수행되는 제3 열처리 영역의 온도는 약 700℃ 내지 1000℃로 될 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 불융화된 PCS섬유를 수직 열처리로를 통해 열처리를 하여 불융화 PCS섬유의 끊김과 손상을 방지하여 최종적으로 물성이 향상된 SiC 섬유를 효과적으로 제조할 수 있다.

물론, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 불융화된 PCS 섬유의 종래 기술에서의 열처리 공정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 불융화된 PCS 섬유의 수직형 연속 열처리 장치의 개념도이다.
도 3은 열처리 전의 불융화된 PCS 섬유의 사진이다.
도 4는 수직형 연속 열처리 장치에서 열처리된 SiC 섬유의 사진이다.
도 5는 열처리 전의 불융화된 PCS 섬유와 수직형 연속 열처리 장치에서 열처리된 SiC 섬유의 X선 회절(XRD: X-ray diffraction) 그래프이다.
도 6은 열처리 전의 불융화된 PCS 섬유의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 7은 수직형 연속 열처리 장치에서 열처리된 SiC 섬유의 주사전자현미경(SEM) 사진이다.

상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시 예를 통하여 보다 분명해질 것이다.

이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들은 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어 있다"거나 "접속되어 있다"고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어 있다"거나 또는 "직접 접속되어 있다"고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "∼사이에"와 "바로 ∼사이에" 또는 "∼에 인접하는"과 "∼에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

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

다르게 정의되지 않는 한, 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

이하, 본 발명의 실시예들을 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 불융화된 PCS 섬유의 수직형 연속 열처리 장치의 개념도이다.

본 발명에 따른 불융화된 PCS 섬유의 수직형 연속 열처리 장치에서는, (i) 불융화된 PCS섬유가 열처리로의 상단으로부터 하단으로 내려가면서 순차적으로 열처리되도록 연속 열처리 장치가 수직으로 배열되어 있으며; (ii) 열처리로의 내부를 불활성 분위기로 조성하기 위하여, 예를 들어, 질소, 아르곤, 수소 등이 주입되고 배출될 수 있는 가스 공급구와 가스 배출구가 각각 연속 열처리 장치의 상단 및 하단에 배치되어 있으며; (iii) 수직형 열처리로의 상단에는 가스 공급구를 배치하고 하단에는 가스 배출구를 배치하여, 상단의 가스 공급부를 통하여 주입된 불활성 가스를 하단의 가스 배출구를 통하여 배출시킴으로써, 열처리로 내부에서 열풍이 상승하여 위쪽으로 빠져나가는 형상에 의해 발생될 수 있는 하단의 개구부를 통하여 공기가 유입되는 것을 방지하였으며; (iv) 수직형 연속 열처리 장치에서의 열처리 온도 구간을 제어할 수 있도록 가열영역(Heating zone)을 3개 내지 5개로 구성하여 각 가열영역별로 온도제어가 가능하도록 하였다.

본 발명에 따라 수직형 연속 열처리 장치에서 열처리 하기 위한 불융화된 PCS 섬유는 종래의 기술에 의해 보빈에 권취된 형태로 준비될 수 있다. 예를 들어, 융융 방사 유닛(도시하지 않음)에서 소재 고분자를 가열하여 용융하고, 용융된 소재를 공압을 가한 상태에서 노즐을 통해 압출하여 냉각 및 고화시키는 방식으로 PCS 섬유 원사를 형성하여 원통형 보빈의 외주면에 권취한 다음, 보빈으로부터 PCS 섬유를 풀어서 불융화 처리한 다음 다시 보빈에 감을 수도 있고, PCS 섬유가 원통형 보빈에 감긴 상태 그대로 PCS 섬유를 불융화 처리할 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 불융화된 PCS 섬유의 수직형 연속 열처리 장치(100)는 상단 중앙에 PCS 섬유 공급구(11)가 설치되고 하단 중앙에 SiC 섬유 배출구(12)가 설치되며 수직으로 배열되는 열처리로(10); 및 상기 열처리로(10) 내의 내주면 둘레부에 설치되는 발열 유닛(20)을 포함한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 불융화된 PCS 섬유의 수직형 연속 열처리 장치(100)의 열처리로(10)의 상부에는 불융화된 PCS 섬유 공급부(200)가 배치되고, 하부에는 SiC 섬유 권취부(300)가 배치된다. 상기 PCS 섬유 공급부(300)에는 불융화된 PCS 섬유가 권취된 보빈이 장착되며, 상기 PCS 섬유 공급부가 PCS 섬유가 풀리는 방향으로 보빈을 회전시킨다, 상기 PCS 섬유 공급부로부터 상기 열처리로(10)의 PCS 섬유 공급구(11)를 통하여 공급되는 PCS 섬유(F_PCS)의 공급속도는 PCS 섬유가 상기 열처리로(10)의 상단으로부터 하단까지 이동하는 동안 PCS 섬유가 SiC 섬유로 전환이 완료될 수 있는 PCS 섬유의 이동속도이다. 상기 SiC 섬유 권취부(300)에는 열처리가 완료되어 열처리로(10)의 SiC 섬유 배출구(12)를 통하여 배출되는 SiC 섬유(F_SiC)를 권취하는 권취 롤이 장착될 수 있으며, 이 권취 롤을 원통형 보빈으로 이루어질 수 있다. 상기 SiC 섬유 권취부(300)에서의 권취 롤의 회전속도는 상기 PCS 섬유 공급부(200)에서의 보빈의 회전속도와 일치하는 것이 바람직하다. SiC 섬유 권취부(300)에서의 권취 롤의 회전속도가 PCS 섬유 공급부(200)에서의 보빈의 회전속도보다 큰 경우에는 PCS 섬유가 열처리 과정에서 끊어지거나 직경이 가늘어져서 SiC 섬유의 직경이 가늘게 될 수 있다.

상기 열처리로(100)의 상부에 배치된 불융화된 PCS 섬유 공급부(200)에서의 PCS 섬유(F_pcs) 인출 속도와 상기 열처리로(100)의 하부에 배치된 SiC 섬유 권취부(300)에서의 SiC 섬유(F_SiC) 권취 속도를 동기시키기 위하여 동기화 수단이 더 구비될 수 있다.

불융화된 PCS 섬유가 상기 열처리로(10) 내에서 열분해될 수 있도록 상기 열처리로의 내부를 질소분위기, 아르곤분위기, 할로겐분위기 중 어느 하나로 유지하기 위하여 상기 열처리로(10)의 내부로 불활성 가스를 연속으로 공급하고 배출한다. 열처리로(10)의 내부로 질소, 아르곤, 수소 등의 불활성 가스를 공급하기 위하여 불활성 가스 공급부(도시하지 않음)가 열처리로(10)의 상단에 형성된 가스공급구(30)에 연결될 수 있다. 열처리로(10)의 내부의 불활성 가스는 열처리로(10)의 하단에 형성된 가스배출구(30)를 통하여 외부로 배출될 수도 있으며, 열처리로(10)의 내부의 불활성 가스를 외부로 배출시키기 위한 가스배출부(도시하지 않음)가 상기 열처리로(10)의 하단의 가스배출구(30)에 연결될 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 불융화된 PCS 섬유의 수직형 연속 열처리 장치에서, 불활성 가스공급구(30)는 PCS 섬유 공급구(11)를 그대로 이용할 수도 있고, PCS 섬유 공급구(11)와는 별개로 열처리로(10)의 적절한 위치에 구비될 수도 있다. 또한, 불활성 가스배출구(40)는 PCS 섬유 배출구(12)를 그대로 이용할 수도 있고, PCS 섬유 배출구(12)와는 별개로 열처리로(10)의 적절한 위치에 구비될 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 불융화된 PCS 섬유의 수직형 연속 열처리 장치에서, 상기 열처리로(100)의 내부를 통과하는 PCS 섬유(F_pcs)는 열처리로의 상단으로부터 하단으로 내려가면서 순차적으로 높은 복수의 온도 영역에서 열처리된다.

상기 열처리로(100)의 내부의 열처리온도 구간은, 예를 들어, 3개의 구간으로 구획될 수 있다.

상기 열처리로(10)의 상부에 위치되는 제1 열처리 영역(I)에서는, 불융화 PCS 섬유의 저분자량이 제거되도록, 온도가 약 300℃ 내지 500℃로 설정될 수 있다. 제1 열처리 영역의 온도가 300℃ 이하이면 용융방사온도 구간의 온도인 약 200℃ ~ 300℃와 중복되므로, 제1 열처리 영역에서의 효율이 떨어지며, 제1 열처리 영역의 온도가 500℃ 이상이면 CH 화합물의 열분해가 급격하게 일어나서 PCS 섬유의 부풀림 현상이 발생할 수 있다.

다음에, 상기 열처리로(10)의 중간 높이의 위치에 배치되는 제2 열처리 영역(Ⅱ)에서는, 불융화 PCS 섬유가 열분해되면서 Si와 C의 결합이 유도되도록, 불융화된 PCS 섬유를 약 500℃ 내지 700℃로 열처리할 수 있다. 제2 열처리 영역의 온도가 500℃ 이하이면 제1 열처리 영역의 온도와 중복되어 열처리 효율이 떨어지고, 최대 1000℃에 이르는 제3 열처리 영역의 최후 온도까지 급격하게 온도가 상승하는 상태가 되어버려 가스발생 또는 수축 등으로 섬유의 부풀림이나 뒤틀림 현상이 발생할 수 있으며, 제2 열처리 영역의 온도가 700℃ 이상이면 급격한 수축이 발생하여 섬유의 뒤틀림 등이 발생할 수 있다. 본 발명에서는 불융화된 PCS 섬유가 열처리로(10) 내에서 열분해될 수 있도록 열처리로의 내부를 질소분위기, 아르곤분위기, 할로겐분위기 중 어느 하나로 유지하는 것이 바람직하다. 상기 열처리로(10)의 내부에 주입되는 가스의 종류와 주입량, 압력, 온도, 가스 배출량은 제어부(도시되지 않음)에 의해 조절될 수 있다.

다음에, 상기 열처리로(10)의 하부에 위치되는 제3 열처리 영역(Ⅲ)에서는, β-SiC결정의 생성이 촉진되도록, 온도가 약 700℃ 내지 1000℃로 설정될 수 있다. 제3 열처리 영역의 온도가 700℃ 이하이면 제2 열처리 영역의 온도와 중복되어 열처리 효율이 떨어지고, 최대 1000℃에 이르는 제3 열처리 영역의 최후 온도까지 급격하게 온도가 상승하는 상태가 되어버려 섬유의 뒤틀림 현상 등이 발생할 수 있으며, 제3 열처리 영역의 온도가 1000℃ 이상이면 열분해 과정이 거의 종료되므로 더 이상의 열처리 효율이 증대되지 않게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 불융화된 PCS 섬유의 수직형 연속 열처리 장치는 수직형 전기로로 이루어질 수 있지만, 공지 기술의 다른 가열로로 이루어질 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 불융화된 PCS 섬유의 수직형 연속 열처리 장치(100)의 열처리로(10) 내의 내주면 둘레부에 설치되는 발열 유닛(20)은 열처리로(10)의 내부 중앙을 상단에서 하단으로 관통하여 이동하는 PCS 섬유를 가열한다. 상기 발열 유닛(20)은 그 중앙을 관통하는 PCS 섬유(F_PCS)를 균일하게 가열할 수 있도록 열처리로(10)의 축심으로부터 반경방향으로 동일한 거리에 위치하도록 배열되는 것이 바람직하다. 상기 발열 유닛(20)은 사이 제1 열처리 영역(I) ~ 제3 열처리 영역(III)에서 독립적으로 제어되도록 구성되며, 각 영역(I, II, III)에서의 발열 유닛(20)은 하나의 코일 형상의 발열체로 이루어질 수도 있고 하나 이상의 고리형 발열체로 이루어질 수도 있다.

이어서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 불융화된 PCS 섬유를 열처리하여 SiC 섬유를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.

먼저, 불융화되어 원통형 보빈에 권취된 PCS 섬유를 준비한다. 불융화된 PCS 섬유가 권취된 보빈은 용융방사되어 보빈에 권취된 PCS 섬유를 그대로 불융화 처리하여 준비될 수도 있고, 용융방사되어 보빈에 권취된 PCS 섬유를 보빈으로부터 풀어서 불융화 처리한 다음에 다시 보빈에 감아서 준비될 수도 있다. 도 3에 도시된 사진은 본 발명에 따른 수직형 열처리 장치에서 열처리를 수행하기 전의 불융화된 PCS 섬유의 사진으로서, 고분자인 PCS 섬유가 불융화되어 노란색을 띄는 것을 나타낸다.

다음에, 불융화된 PCS 섬유가 권취된 보빈으로부터 PCS 섬유를 풀어서 열처리로(10)의 상단에 위치한 PCS 섬유 공급구(11)를 통하여 열처리로(10)의 내부로 연속으로 공급한다.

다음에, 연속 열처리 장치(100)의 상단을 통하여 공급된 불융화된 PCS 섬유(F_PCS)가 연속 열처리 장치의 하단을 향하여 수직 하방으로 이동하는 과정에서, 불융화된 PCS 섬유를 순차적으로 높은 복수의 온도 영역에서 열처리한다. 예를 들어, 상기 열처리로(10)를 수직 방향으로 3개의 온도 영역(I, II, III)으로 구획하여, 열처리로의 상부에서 수행되는 제1 열처리 영역의 온도는 약 300℃ 내지 500℃로 제어하며, 열처리로의 중간에서 수행되는 제2 열처리 영역의 온도는 약 500℃ 내지 700℃로 제어하며, 열처리로의 하부에서 수행되는 제3 열처리 영역의 온도는 약 700℃ 내지 1000℃로 제어할 수 있다.

이 경우에, 온도가 약 300℃ 내지 500℃로 제어되는 제1 열처리 영역(I)에서는 불융화 PCS 섬유의 저분자량이 제거되며, 온도가 약 500℃ 내지 700℃로 제어되는 제2 열처리 영역(II)에서는 불융화 PCS 섬유가 열분해되면서 Si와 C의 결합이 유도되며, 온도가 약 700℃ 내지 1000℃로 제어되는 제3 열처리 영역(III)에서는 β-SiC결정의 생성이 촉진될 수 있다.

본 발명에서는 불융화된 PCS 섬유가 열처리로(10) 내에서 열분해될 수 있도록 열처리로의 내부를 질소분위기, 수소분위기, 아르곤분위기, 할로겐분위기 중 어느 하나로 유지하는 것이 바람직하다.

도 4에 도시된 사진은 불융화된 PCS 섬유(도 2)를 본 발명에 따른 수직형 열처리 장치에서 열처리를 수행한 후 SiC 섬유로 전환된 것을 나타내는 것으로서, 노란색을 띄던 불융화된 PCS 섬유가 본 발명의 수직형 열처리 장치의 열처리로를 연속으로 통과하면서 열처리되어 SiC 섬유가 된 것을 나타내는 사진이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 성공적으로 전환된 SiC 섬유는 흑색을 띄게 된다.

시험예

도 5는 열처리 전의 불융화된 PCS 섬유와 수직형 연속 열처리 장치에서 열처리된 SiC 섬유의 X선 회절(XRD: X-ray diffraction) 그래프이다.

도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직ㅎ령 연속 열처리 장치를 사용하여 PCS 섬유를 열처리하여 얻은 SiC 섬유는, 도 5에서 적색 그래프로 도시된 바와 같이, 피크의 크기가 크게 나타난 것을 확인할 수 있다. 이와 같이, 열처리 전의 PCS 섬유에 비하여 β-SiC 결정이 확연하게 나타나서 본 발명의 수직형 연속 열처리 장치를 통하여 제조된 SiC 섬유의 제조가 성공적이었음을 나타낸다.

도 6은 열처리 전의 불융화된 PCS 섬유의 주사전자현미경(SEM)에 의해 촬영한 미세구조 사진이고, 도 7은 수직형 연속 열처리 장치에서 열처리되어 세라믹(SiC)로 전환된 SiC 섬유의 주사전자현미경(SEM: Scanning Electron Microscope)에 의해 촬영한 미세구조 사진이다. 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 불융화된 PCS 섬유가 본 발명의 수직형 연속 열처리 장치에서 열처리되어 SiC 섬유로 전환된 후, 둥그런 섬유형상이 확인되었다.

원소	Wt%	At%
Si	26.10	15.23
C	51.26	69.96
O	13.27	13.59
I	9.38	1.21
Total	100	100

상기 [표 1]은 열처리 전의 불융화된 PCS 섬유의 에너지분산형 분광분석(EDS: Energy Dispersive Spectroscopy)을 통하여 분석한 원소분석표이다.

원소	Wt%	At%
Si	39.04	26.06
C	46.71	64.07
O	7.59	8.89
I	6.66	0.98
Total	100	100

상기 [표 2]은 본 발명에 따라 수직형 연속 열처리 장치에서 열처리된 SiC 섬유의 에너지분산형 분광분석(EDS)을 통하여 분석한 원소분석표이다.

상기 [표 2]에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 수직형 연속 열처리 장치에서 열처리된 SiC 섬유에서는 산소 원소(O)의 함량이 10 Wt%를 넘지 않아서, 수직형 열처리로의 내부로 과도하게 공기가 유입되지 않고 불활성 분위기를 유지하고 있는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본원 발명에서는 수직형 열처리로의 상단에는 가스 공급구를 배치하고 하단에는 가스 배출구를 배치하여, 상단의 가스 공급부를 통하여 불활성 가스를 계속 주입하고 하단의 가스 배출구를 통하여 배출시킴으로써, 열처리로 내부에서 열풍이 상승하여 위쪽으로 빠져나가는 형상에 의해 발생될 수 있는 하단의 개구부를 통하여 공기가 유입되는 것을 방지되므로, 열처리로에서 열처리된 SiC 섬유에 산소 원소(O)의 함량이 10 Wt%를 넘지 않게 될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 불융화된 PCS 섬유를 수직형 열처리로를 통해 열처리를 함으로써, 불융화된 PCS 섬유가 열처리로를 수평으로 이동하는 과정에서의 PCS 섬유의 끊김이나, PCS 섬유가 열처리로의 바닦에 끌려서 PCS 섬유가 손상되는 것을 방지하여 최종적으로 물성이 향상된 SiC 섬유를 효과적으로 제조할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 수직형 열처리로
11: PCS 섬유 공급구
12: SiC 섬유 배출구
20: 발열 유닛
30: 가스공급구
40: 가스배출구
100: 수직형 열처리 장치
200: PCS 섬유 공급부
300: SiC 섬유 권취부
F_PCS: PCS 섬유
F_SiC: SiC 섬유

Claims (9)

1. 상부에 불융화된 PCS 섬유 공급부가 배치되고 하부에 SiC 섬유 권취부가 배치되며, 상단 중앙에 PCS 섬유 공급구(11)가 설치되고 하단 중앙에 SiC 섬유 배출구(12)가 설치되며 수직으로 배열되는 열처리로(10); 및
   상기 열처리로(10) 내의 내주면 둘레부에 설치되어 상기 열처리로를 수직으로 통과하는 PCS 섬유(F_pcs)에 열을 가하는 발열 유닛(20);을 포함하며,
   상기 열처리로(10)의 내부를 통과하는 PCS 섬유(F_pcs)는 열처리로의 상단으로부터 하단으로 내려가면서 순차적으로 높은 3개의 온도 영역으로 구획되어 열처리되며,
   상기 열처리로의 상부에 위치되는 제1 열처리 영역의 온도는 약 300℃ 내지 500℃로 제어되며, 중간에 위치되는 제2 열처리 영역의 온도는 약 500℃ 내지 700℃로 제어되며, 하부에 위치되는 제3 열처리 영역의 온도는 약 700℃ 내지 1000℃로 제어되며,
   불융화된 PCS 섬유가 상기 열처리로 내에서 열분해될 수 있도록 상기 열처리로의 내부를 질소분위기, 아르곤분위기, 할로겐분위기 중 어느 하나로 유지하기 위하여 상기 열처리로의 내부로 불활성 가스를 연속으로 공급하고 배출하는
   불융화된 PCS 섬유의 수직형 연속 열처리 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 열처리로의 내부로 불활성 가스를 연속으로 공급하고 배출하기 위하여, 상기 열처리로의 상단에는 가스공급구(30)가 형성되며 열처리로의 하단에는 가스배출구(40)가 형성되는
   불융화된 PCS 섬유의 수직형 연속 열처리 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 열처리로(100)의 내부로 공급되는 불활성 가스는 질소, 아르곤, 수소 중 어느 하나인
   불융화된 PCS 섬유의 수직형 연속 열처리 장치.
   
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 열처리로(100)의 상부에 배치된 불융화된 PCS 섬유 공급부(200)에서의 PCS 섬유(F_pcs) 인출 속도와 상기 열처리로(100)의 하부에 배치된 SiC 섬유 권취부(300)에서의 SiC 섬유(F_SiC) 권취 속도를 동기시키는 동기화 수단을 더 포함하는
   불융화된 PCS 섬유의 수직형 연속 열처리 장치.
   
7. 제1항 내지 제3항, 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 열처리로(100)는 수직형 전기로인
   불융화된 PCS 섬유의 수직형 연속 열처리 장치.
   
8. 불융화된 PCS 섬유를 열처리하여 SiC 섬유를 제조하는 방법에 있어서,
   수직으로 배열되며 내부가 불활성 가스 분위기인 연속 열처리 장치의 상단으로 불융화된 PCS 섬유를 공급하는 단계;
   상기 연속 열처리 장치의 상단을 통하여 공급된 불융화된 PCS 섬유가 연속 열처리 장치의 하단으로 수직 하방으로 이동하는 과정에서 불융화된 PCS 섬유를 순차적으로 높은 복수의 온도 영역에서 열처리하는 단계; 및
   연속 열처리 장치에서의 열처리가 완료된 SiC 섬유를 배출하는 단계를 포함하며,
   상기 열처리 단계는 3개의 온도 영역에서 수행되며,
   상기 3개의 온도 구간 중 열처리로의 상부에서 수행되는 제1 열처리 영역의 온도는 약 300℃ 내지 500℃이며, 열처리로의 중간에서 수행되는 제2 열처리 영역의 온도는 약 500℃ 내지 700℃이며, 열처리로의 하부에서 수행되는 제3 열처리 영역의 온도는 약 700℃ 내지 1000℃인
   SiC 섬유의 제조 방법.
9. 삭제

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