KR102551850B1 - 탄소섬유-그래핀 복합체 제조장치 및 이의 제조방법 - Google Patents

탄소섬유-그래핀 복합체 제조장치 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

롤투롤 공정을 통한 탄소섬유-그래핀 복합체의 제조장치 및 상기 탄소섬유-그래핀 복합체의 제조방법이 개시된다.
상기 롤투롤 공정을 통한 탄소섬유-그래핀 복합체의 제조장치를 이용하여 제조된 탄소섬유-그래핀 복합체는 탄소섬유에 그래핀이 코팅됨으로써 우수한 열전도도, 전기전도도, 전자파 차폐 등의 기능성이 부여되어 우수한 성능을 나타내는 것일 있다.

Description

탄소섬유-그래핀 복합체 제조장치 및 이의 제조방법{CARBON FIBER-GRAPHENE COMPOSITE MANUFACTURING APPARATUS AND MANUFACTURING METHOD THE SAME}
본 발명은 탄소섬유-그래핀 복합체 제조장치 및 상기 탄소섬유-그래핀 복합체의 제조방법에 관한 것이다.
탄소 나노 튜브(Carbon nanotube)는 6 각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 대롱 모양을 이루는 지름 1 nm 크기의 미세한 분자이다. 탄소 원자가 3 개씩 결합하여 벌집 모양의 구조를 갖게 된 탄소 평면이 도르르 말려서 튜브 모양이 됐다고 해서 붙여진 이름이다. 인장력이 강철보다 100 배 강하고 유연성이 뛰어난 미래형 신소재이다. 속이 비어있어 가벼우며, 전기전도도가 구리만큼 잘 통하며, 열전도도 또한 다이아몬드 만큼이나 좋은 것으로 알려져 있다. 게다가 탄소 나노 튜브는 튜브의 지름 크기에 따라 도체가 되기도 하고 반도체가 되는 성질이 있음이 밝혀지면서 차세대 반도체 물질로도 각광을 받고 있다.
한편, 그래핀(graphene)은 2007 년부터 전 세계적으로 주목받기 시작한 탄소계 신소재로서, 흑연(graphite)의 층상 구조에서 고립된 단일층 또는 10 층 미만의 층으로, 3 개의 전자가 sp2 결합을 하고, 1개의 전자는 2 차원적 평면의 상·하면에 π-결합을 한 평면 벌집 모양의 구조를 갖는다. 이러한 구조를 갖는 그래핀은 2 차원 평면에서 전자들의 움직임이 탄도성(Ballistic)을 갖게 되어, 길이에 상관없는 전기전도성을 나타내므로 허용전류 밀도가 109 A/cm2으로서 구리 및 은 등과 같은 금속의 1,000 배 이상의 전류밀도를 나타내며, 탄소 나노 튜브(Carbon nanotube)보다 전기전도도가 더 좋은 것으로 평가되고 있다. 그래핀의 이러한 특성에 기인하여, 도전재료, 전자파 차폐재료, 태양전지, 고분자 복합재료 등에 응용되고 있다.
이러한 그래핀의 여러 형태 가운데, 산화 그래핀(Graphene oxide, GO)은 많은 친수성 산소 작용기(Oxygenfunctional group)를 가지고 있으며, 이러한 산소 작용기는 복합 재료를 보강할 수 있는 높은 가공성을 부여할 수 있다.
한편, 탄소섬유 복합재는 비강도, 비탄성, 내열성과 같은 물성이 다른 종류의 섬유에 비해 월등히 우수하고, 경량이면서 고강도, 고탄성 복합체를 만들 수 있는 장점이 있는 물질이다. 탄소섬유 복합재에 있어서, 탄소섬유를 포함하는 매트릭스가 플라스틱인 것을 탄소섬유 강화 플라스틱이라 하고, 금속인 것을 탄소섬유 강화 금속, 탄소인 것을 탄소 복합 재료라고 한다.
상기 탄소섬유 복합재는 1950 년대에서 시작되어 오늘날에 이르기까지 여러 분야에서 사용이 점차 증가하고 있다. 특히, 탄소섬유 복합재의 발달은 소재 고유의 특성인 비강성, 내식성, 내마모성, 고강도, 우수한 감쇠 특성으로 현재 항공산업에 가장 많이 사용되고 있으며, 스포츠용품, 기계구조물, 자동차 등 많은 분야에서 사용이 점차 증가하고 있다.
본 발명자들은 상기와 같은 탄소섬유 복합재에 대하여 연구하던 중, 기본 재료로서 탄소섬유의 표면에 그래핀을 코팅함으로써 우수한 열전도도, 전기전도도 및 전자파 차폐 등의 기능성을 부여한 탄소섬유-그래핀 복합체를 제조하기 위해 본 연구를 시작하게 되었다. 이에, 상기와 같은 연구를 거듭한 끝에 롤투롤 공정을 이용하여 탄소섬유에 그래핀을 코팅시키는 장치를 개발하게 되었으며, 상기 장치를 이용하게 되면 제조 공정 시간을 현저히 단축시킬 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다.
이와 관련하여, 대한민국 등록특허 제10-1386765호는 그래핀이 코팅된 전도성 전자섬유 및 이의 제조방법에 대하여 개시하고 있다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 일 실시예는 롤투롤 공정을 통한 탄소섬유-그래핀 복합체 제조장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예는 롤투롤 공정을 통한 탄소섬유-그래핀 복합체의 제조방법을 제공한다.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 한정되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면은,
탄소섬유의 표면을 전처리하기 위한 표면처리부; 상기 표면처리된 탄소섬유에 그래핀을 코팅하는 그래핀 코팅부; 상기 그래핀이 코팅된 탄소섬유를 건조시키는 건조부; 및 상기 건조된 그래핀이 코팅된 탄소섬유를 고온 처리하여 상기 그래핀을 환원시키는 환원 처리부;를 포함하는 롤투롤 공정을 통한 탄소섬유-그래핀 복합체 제조장치를 제공한다.
상기 전처리는 플라즈마를 이용하여 수행되는 것일 수 있다.
상기 플라즈마의 세기는 300 W 내지 1.5 kW인 것일 수 있다.
상기 전처리는 5 분 내지 10 분 동안 수행되는 것일 수 있다.
상기 그래핀 코팅부에서 코팅된 그래핀은 산화 그래핀이며, 상기 그래핀은 수용액에 용해되어 있는 것일 수 있다.
상기 건조는 100℃ 내지 200℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 환원 처리부의 고온 처리는 500℃ 내지 800℃의 온도에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 환원 처리부의 고온 처리는 30 분 내지 2 시간 동안 수행되는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면은,
탄소섬유의 표면을 전처리하는 단계; 상기 표면처리된 탄소섬유에 그래핀을 코팅하는 단계; 상기 그래핀이 코팅된 탄소섬유를 건조시키는 단계; 및 상기 건조된 그래핀이 코팅된 탄소섬유를 고온 처리하여 상기 그래핀을 환원시키는 단계;를 포함하는 롤투롤 공정을 통한 탄소섬유-그래핀 복합체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 롤투롤 공정을 통한 탄소섬유-그래핀 복합체의 제조장치를 이용하여 제조된 탄소섬유-그래핀 복합체는 탄소섬유에 그래핀이 코팅됨으로써 우수한 열전도도, 전기전도도, 전자파 차폐 등의 기능성이 부여되어 우수한 성능을 나타내는 것일 있다.
또한, 상기 탄소섬유-그래핀 복합체는 롤투롤 공정을 통하여 제조되기 때문에 제조 시간을 현저하게 단축시켜, 단시간에 대량생산이 가능하다. 더불어, 탄소섬유의 표면을 플라즈마를 이용하여 전처리하기 때문에 그래핀의 코팅 전에 탄소섬유에 코팅된 외부 코팅 물질을 제거할 수 있으며, 탄소섬유의 표면적을 증가시킬 수 있어 그래핀이 높은 함량으로 균일하게 코팅될 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 탄소섬유-그래핀 복합체 제조장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유-그래핀 복합체 제조장치의 상면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유-그래핀 복합체 제조장치의 정면도이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 플라즈마 처리 후 탄소섬유의 표면을 나타낸 SEM 사진이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 탄소섬유-그래핀 복합체의 표면을 나타낸 SEM 사진이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 의해 본 발명이 한정되지 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 의해 정의될 뿐이다.
덧붙여, 본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 명세서 전체에서 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본원의 제 1 측면은,
탄소섬유의 표면을 전처리하기 위한 표면처리부; 상기 표면처리된 탄소섬유에 그래핀을 코팅하는 그래핀 코팅부; 상기 그래핀이 코팅된 탄소섬유를 건조시키는 건조부; 및 상기 건조된 그래핀이 코팅된 탄소섬유를 고온 처리하여 상기 그래핀을 환원시키는 환원 처리부;를 포함하는 롤투롤 공정을 통한 탄소섬유-그래핀 복합체 제조장치를 제공한다.
이하, 본원의 제 1 측면에 따른 탄소섬유-그래핀 복합체 제조장치에 대하여 도 1 내지 도 3을 참조하여 상세히 설명한다. 도 1은 탄소섬유-그래핀 복합체 제조장치의 개략도이고, 도 2는 상기 제조장치의 상면도이며, 도 3은 상기 제조장치의 정면도를 나타낸다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소섬유-그래핀 복합체 제조장치는 롤투롤 공정을 통하여 진행되는 것일 수 있다. 즉, 도 1 내지 3에 나타낸 바와 같이, 각각의 공정이 롤투롤 공정으로 진행되기 때문에 연속적으로 상기 탄소섬유-그래핀 복합체가 제조되는 것일 수 있다. 따라서, 상기 탄소섬유-그래핀 복합체 제조장치를 이용하여 탄소섬유-그래핀 복합체를 제조하게 되면 연속적인 제조가 가능하기 때문에 대량 생산이 가능한 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소섬유-그래핀 복합체 제조장치는 탄소섬유의 표면을 전처리하기 위한 표면처리부를 포함하는 것일 수 있다. 상기 표면처리는 상기 탄소섬유의 외면에 코팅된 외부 코팅 물질 등을 제거하고, 탄소섬유의 표면적을 증가시키기 위하여 수행되는 것일 수 있다. 따라서, 상기 탄소섬유는 그래핀의 코팅 전에 상기와 같이 전처리 공정이 수행되기 때문에 이후 공정에서 코팅되는 그래핀이 높은 함량으로 균일하게 코팅 가능한 것일 수 있다. 한편, 상기 전처리는 바람직하게 플라즈마를 이용하여 수행되는 것일 수 있으며, 상기 플라즈마 처리에 의해 탄소섬유 표면에 화학적 기능기가 부착되고, 탄소의 결합구조 및 거칠기가 조절되는 것일 수 있다. 상기 플라즈마 처리는 대기압 플라즈마 처리 또는 진공 플라즈마 처리일 수 있으며, 바람직하게는 대기압 플라즈마 처리를 이용하여 수행되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 대기압 플라즈마 처리는 대기압 하에서 공기 또는 아르곤 기체를 이용하여 수행되는 것으로서, 이를 통해 탄소섬유 표면에 C-C, C=C, -CH, C-H, OH 등의 화학적 기능기들이 형성되는 것일 수 있다. 또한, 상기 플라즈마에 의해 탄소섬유 표면이 개질되어 탄소 결합들이 변형되는 것일 수 있으며, 구체적으로는 흑연 구조의 sp2 결합이 다이아몬드 구조의 sp3 결합 구조로 변형되는 것일 수 있다. 한편, 상기 탄소섬유는 팬(PAN)계, 핏치(Pitch)계 또는 레이언(Rayon)계에서 선택된 어느 하나 이상인 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 플라즈마의 세기는 300 W 내지 1.5 kW일 수 있고, 바람직하게는 500 W 내지 1 kW인 것일 수 있다. 또한, 상기 전처리는 5 분 내지 10 분 동안 수행되는 것일 수 있다. 따라서, 상기 전처리는 상기 플라즈마의 세기에 따라 적정 시간 동안 수행되는 것일 수 있으며, 종래 전처리 공정에 비하여 공정 시간이 현저하게 단축 가능한 것일 수 있다. 더불어, 상기 표면처리부는 플라즈마 처리에 의해 수행되기 때문에 오존이 발생할 수 있으며, 상기 발생하는 오존을 제거하기 위한 대기처리장치를 추가로 포함하는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소섬유-그래핀 복합체 제조장치는 상기 표면처리된 탄소섬유에 그래핀을 코팅하는 그래핀 코팅부를 포함하는 것일 수 있다. 상기 표면처리된 탄소섬유는 롤투롤 공정에 의해 그래핀 코팅부로 이동하는 것일 수 있으며, 그래핀이 용해되어 있는 그래핀 수용액에 상기 탄소섬유가 침지된 후, 건조부로 이동함으로써 탄소섬유 표면에 상기 그래핀 수용액이 코팅되는 것일 수 있다. 이때, 상기 그래핀 수용액은 바람직하게, 증류수 및 그래핀의 혼합용액인 것일 수 있으며, 상기 증류수 100 중량부 대비 상기 그래핀의 함량은 10 중량부 내지 30 중량부인 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 그래핀 수용액은 용기 내에 수용되어 있는 것일 수 있으며, 상기 표면처리된 탄소섬유가 투입롤을 통하여 상기 용기 내에 수용된 그래핀 수용액에 침지되는 것일 수 있다. 이후, 상기 그래핀 수용액에 침지된 탄소섬유는 탈착롤을 통하여 상기 용기 외부로 이동하는 것일 수 있으며, 용기 외부로 이동된 탄소섬유는 건조부로 이동하는 것일 수 있다. 이때, 상기 건조부로 이동되기 전의 탄소섬유는 대기와 접촉함으로써 표면에 코팅된 그래핀이 산화반응을 일으켜 산화 그래핀이 형성되는 것일 수 있다. 한편, 상기 그래핀 코팅부의 공정 시간은 1 시간 미만으로 수행되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 약 10 분 동안 수행되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소섬유-그래핀 복합체 제조장치는 상기 그래핀이 코팅된 탄소섬유를 건조시키는 건조부를 포함하는 것일 수 있다. 상기 건조부는 상기 탄소섬유에 코팅된 그래핀에 함유되어 있는 증류수를 제거하기 위한 공정으로서, 건조 방법에는 크게 제한이 없으나, 약 100℃ 내지 200℃의 온도, 바람직하게는 약 150℃ 온도에서 1 시간 미만, 바람직하게는 약 10 분 동안 수행되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소섬유-그래핀 복합체 제조장치는 상기 건조된 그래핀이 코팅된 탄소섬유를 고온 처리하여 상기 그래핀을 환원시키는 환원 처리부를 포함하는 것일 수 있다. 즉, 상기 그래핀, 구체적으로는 산화 그래핀이 코팅된 탄소섬유를 고온 처리 시킴으로써 상기 산화 그래핀이 환원되는 것일 수 있으며, 이를 통해 상기 그래핀이 탄소섬유의 표면에 더욱 강하게 점착되는 것일 수 있다. 이때, 상기 고온 처리는 아르곤(Ar) 및 질소(N2) 분위기 하에서 500℃ 내지 800℃의 온도로 수행되는 것일 수 있으며, 약 1 시간 동안 수행되는 것일 수 있다. 한편, 상기 환원 처리부는 상기한 바와 같이, 타 공정에 비하여 공정 시간이 다소 길기 때문에 상기 건조부 및 환원 처리부 사이에 감속기를 설치하여 공정시간을 조절하는 것일 수 있다. 더불어, 상기 환원 처리부는 고온 처리에 의해 오존이 발생할 수 있으며, 상기 발생하는 오존을 제거하기 위한 대기처리장치를 추가로 포함하는 것일 수 있다.
본원의 제 2 측면은,
탄소섬유의 표면을 전처리하는 단계; 상기 표면처리된 탄소섬유에 그래핀을 코팅하는 단계; 상기 그래핀이 코팅된 탄소섬유를 건조시키는 단계; 및 상기 건조된 그래핀이 코팅된 탄소섬유를 고온 처리하여 상기 그래핀을 환원시키는 단계;를 포함하는 롤투롤 공정을 통한 탄소섬유-그래핀 복합체의 제조방법을 제공한다.
본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.
이하, 본원의 제 2 측면에 따른 탄소섬유-그래핀 복합체의 제조방법에 대하여 단계별로 상세히 설명한다.
우선, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소섬유-그래핀 복합체의 제조방법은 탄소섬유의 표면을 전처리하는 단계;를 포함한다. 상기 표면처리는 상기 탄소섬유의 외면에 코팅된 외부 코팅 물질 등을 제거하고, 탄소섬유의 표면적을 증가시키기 위하여 수행되는 것일 수 있다. 따라서, 상기 탄소섬유는 그래핀의 코팅 전에 상기와 같이 전처리 공정이 수행되기 때문에 이후 공정에서 코팅되는 그래핀이 높은 함량으로 균일하게 코팅 가능한 것일 수 있다. 한편, 상기 전처리는 바람직하게 플라즈마를 이용하여 수행되는 것일 수 있으며, 상기 플라즈마 처리에 의해 탄소섬유 표면에 화학적 기능기가 부착되고, 탄소의 결합구조 및 거칠기가 조절되는 것일 수 있다. 상기 플라즈마 처리는 대기압 플라즈마 처리 또는 진공 플라즈마 처리일 수 있으며, 바람직하게는 대기압 플라즈마 처리를 이용하여 수행되는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 대기압 플라즈마 처리는 대기압 하에서 공기 또는 아르곤 기체를 이용하여 수행되는 것으로서, 이를 통해 탄소섬유 표면에 C-C, C=C, -CH, C-H, OH 등의 화학적 기능기들이 형성되는 것일 수 있다. 또한, 상기 플라즈마에 의해 탄소섬유 표면이 개질되어 탄소 결합들이 변형되는 것일 수 있으며, 구체적으로는 흑연 구조의 sp2 결합이 다이아몬드 구조의 sp3 결합 구조로 변형되는 것일 수 있다. 한편, 상기 탄소섬유는 팬(PAN)계, 핏치(Pitch)계 또는 레이언(Rayon)계에서 선택된 어느 하나 이상인 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 플라즈마의 세기는 300 W 내지 1.5 kW일 수 있고, 바람직하게는 500 W 내지 1 kW인 것일 수 있다. 또한, 상기 전처리는 5 분 내지 10 분 동안 수행되는 것일 수 있다. 따라서, 상기 전처리는 상기 플라즈마의 세기에 따라 적정 시간 동안 수행되는 것일 수 있으며, 종래 전처리 공정에 비하여 공정 시간이 현저하게 단축 가능한 것일 수 있다. 더불어, 상기 표면처리부는 플라즈마 처리에 의해 수행되기 때문에 오존이 발생할 수 있으며, 상기 발생하는 오존을 제거하기 위한 대기처리장치를 추가로 포함하는 것일 수 있다.
다음으로, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소섬유-그래핀 복합체의 제조방법은 상기 표면처리된 탄소섬유에 그래핀을 코팅하는 단계;를 포함한다. 상기 표면처리된 탄소섬유는 롤투롤 공정에 의해 그래핀 코팅부로 이동하는 것일 수 있으며, 그래핀이 용해되어 있는 그래핀 수용액에 상기 탄소섬유가 침지된 후, 건조부로 이동함으로써 탄소섬유 표면에 상기 그래핀 수용액이 코팅되는 것일 수 있다. 이때, 상기 그래핀 수용액은 바람직하게, 증류수 및 그래핀의 혼합용액인 것일 수 있으며, 상기 증류수 100 중량부 대비 상기 그래핀의 함량은 10 중량부 내지 30 중량부인 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 그래핀 수용액은 용기 내에 수용되어 있는 것일 수 있으며, 상기 표면처리된 탄소섬유가 투입롤을 통하여 상기 용기 내에 수용된 그래핀 수용액에 침지되는 것일 수 있다. 이후, 상기 그래핀 수용액에 침지된 탄소섬유는 탈착롤을 통하여 상기 용기 외부로 이동하는 것일 수 있으며, 용기 외부로 이동된 탄소섬유는 건조부로 이동하는 것일 수 있다. 이때, 상기 건조부로 이동되기 전의 탄소섬유는 대기와 접촉함으로써 표면에 코팅된 그래핀이 산화반응을 일으켜 산화 그래핀이 형성되는 것일 수 있다. 한편, 상기 그래핀 코팅부의 공정 시간은 1 시간 미만으로 수행되는 것일 수 있으며, 바람직하게는 약 10 분 동안 수행되는 것일 수 있다.
다음으로, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소섬유-그래핀 복합체의 제조방법은 상기 그래핀이 코팅된 탄소섬유를 건조시키는 단계;를 포함한다. 상기 건조시키는 단계는 상기 탄소섬유에 코팅된 그래핀에 함유되어 있는 증류수를 제거하기 위한 공정으로서, 건조 방법에는 크게 제한이 없으나, 약 100℃ 내지 200℃의 온도, 바람직하게는 약 150℃ 온도에서 1 시간 미만, 바람직하게는 약 10 분 동안 수행되는 것일 수 있다.
다음으로, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 탄소섬유-그래핀 복합체의 제조방법은 상기 건조된 그래핀이 코팅된 탄소섬유를 고온 처리하여 상기 그래핀을 환원시키는 단계;를 포함한다. 즉, 상기 그래핀, 구체적으로는 산화 그래핀이 코팅된 탄소섬유를 고온 처리 시킴으로써 상기 산화 그래핀이 환원되는 것일 수 있으며, 이를 통해 상기 그래핀이 탄소섬유의 표면에 더욱 강하게 점착되는 것일 수 있다. 이때, 상기 고온 처리는 아르곤(Ar) 및 질소(N2) 분위기 하에서 500℃ 내지 800℃의 온도로 수행되는 것일 수 있으며, 약 1 시간 동안 수행되는 것일 수 있다. 한편, 상기 환원시키는 단계는 상기한 바와 같이, 타 공정에 비하여 공정 시간이 다소 길기 때문에 상기 건조시키는 단계의 건조부 및 환원시키는 단계의 환원 처리부 사이에 감속기를 설치하여 공정시간을 조절하는 것일 수 있다. 더불어, 상기 환원 처리부는 고온 처리에 의해 오존이 발생할 수 있으며, 상기 발생하는 오존을 제거하기 위한 대기처리장치를 추가로 포함하는 것일 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예. 탄소섬유-그래핀 복합체의 제조
본 발명에 따른 탄소섬유-그래핀 복합체를 제조하기 위하여 도 1 내지 3에 도시된 바와 같은 롤투롤 장치를 사용하였다. 우선, 탄소섬유에 1 kW 세기의 플라즈마를 10 분 동안 조사함으로써 전처리 공정을 수행하였다. 상기 전처리 공정 후에 탄소섬유를 투입롤을 이용하여 그래핀 수용액이 수용되어 있는 용기 내로 투입시켰으며, 탈착롤을 이용하여 상기 용기 외부로 이동시켰다. 이때, 상기 그래핀 수용액은 증류수 및 그래핀을 포함하는 용액으로서, 탄소섬유를 상기 수용액에 침지시킴으로써 탄소섬유 외부에 그래핀 수용액을 코팅하였으며, 상기 코팅은 10 분 동안 수행되었다. 그 후, 상기 그래핀 수용액이 코팅된 탄소섬유를 건조부에 이동시켜 150℃의 온도에서 10 분동안 건조시킴으로써 그래핀 수용액에 함유된 증류수를 모두 제거하였다. 마지막으로, 상기 건조된 탄소섬유를 환원 처리부로 이동시켜 500℃ 내지 800℃의 온도에서 1 시간 동안 고온 처리시킴으로써 그래핀을 환원시켰으며, 그래핀이 코팅된 탄소섬유 즉, 탄소섬유-그래핀 복합체를 수득하였다.
실험예 1. 전처리 공정 후 탄소섬유의 표면 관찰
상기 실시예에서 플라즈마 전처리 공정을 수행한 후의 탄소섬유 표면을 관찰하였으며, 이의 SEM 사진을 도 4a 및 4b에 나타내었다. 도 4a 및 4b에 나타낸 바와 같이, 플라즈마 처리된 탄소섬유는 매끄러운 표면을 가지고 있었으며, 이를 통해 탄소섬유에 코팅된 이물질 등이 모두 제거되었음을 확인할 수 있었다.
실험예 2. 탄소섬유-그래핀 복합체의 표면 관찰
상기 실시예에서 제조된 탄소섬유-그래핀 복합체의 표면을 관찰하였으며, 이의 SEM 사진을 도 5a 및 5b에 나타내었다. 도 5a 및 도 5b에 나타낸 바와 같이, 상기 제조된 탄소섬유-그래핀 복합체는 탄소섬유의 표면에 그래핀이 균일하게 코팅되어 있음을 확인할 수 있었다.

Claims (9)

  1. 탄소섬유의 표면을 전처리하기 위한 표면처리부;
    상기 표면처리된 탄소섬유에 그래핀을 코팅하는 그래핀 코팅부;
    상기 그래핀이 코팅된 탄소섬유를 건조시키는 건조부; 및
    상기 건조된 그래핀이 코팅된 탄소섬유를 고온 처리하여 상기 그래핀을 환원시키는 환원 처리부; 를 포함하고,
    상기 전처리는 대기압 플라즈마 처리를 이용하여 수행되며,
    상기 그래핀 코팅부는, 용기 내에 수용되어 있는 그래핀 수용액에 상기 표면처리된 탄소섬유가 침지되는 것을 포함하고, 상기 그래핀 수용액은 증류수 및 상기 그래핀의 혼합용액이며,
    상기 건조부로 이동되기 전의 상기 탄소섬유는 대기와 접촉함으로써 표면에 코팅된 상기 그래핀이 산화반응을 일으켜 산화 그래핀이 형성되는 것인,
    롤투롤 공정을 통한 탄소섬유-그래핀 복합체 제조장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마의 세기는 300 W 내지 1.5 kW인 것인 탄소섬유-그래핀 복합체 제조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전처리는 5 분 내지 10 분 동안 수행되는 것인 탄소섬유-그래핀 복합체 제조장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 건조는 100℃ 내지 200℃의 온도에서 수행되는 것인 탄소섬유-그래핀 복합체 제조장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 환원 처리부의 고온 처리는 500℃ 내지 800℃의 온도에서 수행되는 것인 탄소섬유-그래핀 복합체 제조장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 환원 처리부의 고온 처리는 30 분 내지 2 시간 동안 수행되는 것인 탄소섬유-그래핀 복합체 제조장치.
  9. 탄소섬유의 표면을 전처리하는 단계;
    상기 표면처리된 탄소섬유에 그래핀을 코팅하는 단계;
    상기 그래핀이 코팅된 탄소섬유를 건조시키는 단계; 및
    상기 건조된 그래핀이 코팅된 탄소섬유를 고온 처리하여 상기 그래핀을 환원시키는 단계; 를 포함하고,
    상기 전처리는 대기압 플라즈마 처리를 이용하여 수행되며,
    상기 그래핀을 코팅하는 단계는, 용기 내에 수용되어 있는 그래핀 수용액에 상기 표면처리된 탄소섬유가 침지되어 수행되고, 상기 그래핀 수용액은 증류수 및 상기 그래핀의 혼합용액이며,
    상기 건조시키는 단계로 이동되기 전의 탄소섬유는 대기와 접촉함으로써 표면에 코팅된 상기 그래핀이 산화반응을 일으켜 산화 그래핀이 형성되는 것인
    롤투롤 공정을 통한 탄소섬유-그래핀 복합체의 제조방법.
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