KR20100033858A - 저항가열을 이용한 탄소섬유의 표면처리 장치 및 표면처리 방법 - Google Patents

저항가열을 이용한 탄소섬유의 표면처리 장치 및 표면처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유의 표면처리 장치는 탄소섬유 자체의 저항가열을 통하여 상기 탄소섬유를 발열시키고, 이렇게 가열된 탄소섬유에 탄소를 포함하는 가스를 공급함으로써 상기 탄소섬유의 표면에 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있다.

Description

저항가열을 이용한 탄소섬유의 표면처리 장치 및 표면처리 방법{Apparatus and method for surface treatment of carbon fiber using resistive heating}
저항가열을 이용한 탄소섬유의 표면처리 장치 및 표면처리 방법이 제공된다.
탄소섬유는 PAN(polyacrylonitrile), 레이온 또는 피치(pitch) 등을 전구체로 사용하고 이 전구체를 산소분위기에서 안정화시킨 다음, 1500℃ 이상의 고온에서 탄화와 흑연화 공정을 통하여 만들어지는 탄소함유율이 90% 이상인 섬유를 말한다. 이러한 탄소섬유는 비탄성률, 비강도, 내열성, 내식성, 전도성, 진동 감쇄성 및 마모특성 등이 우수하여 우주 항공용 구조재, 토목 건축용 보강재, 스포츠 레저용품, 자동차 부품 및 구조재, 압력 용기, 전자기기 외장재 등과 같은 다양한 산업 분야에 폭넓게 사용되는 고기능 고강도 소재이다. 상기 탄소섬유는 대부분의 응용분야에서 탄소섬유 단독으로는 사용되지 않고, 고분자, 세라믹 또는 금속 등의 모재(matrix)와 함께 복합 소재의 형태로 사용된다. 여기서, 상기 탄소섬유는 복합 소재 내에서 강화재 역할을 하게 된다. 이러한 복합소재의 기계적 물성은 모재나 강화재 자체의 물성이나 강화재 함량 등에 영향을 받을 뿐만 아니라 모재와 강화재 상의 계면 특성에 의해 결정되어 진다. 특히, 모재와 강화재 사이의 계면 접합 특성의 향상은 고강도 경량화 복합소재 개발의 핵심 이슈 중 하나이다.
모재와 강화재 사이의 계면 전단강도를 증가시키는 방법으로는 모재와 강화재 사이의 화학적 결합력을 증대시키는 방법과 모재와 강화재의 계면 표면적을 증가시켜 모재와 강화재 사이의 물리적 결합력을 증대시키는 방법 등이 있다. 그리고, 물리적 결합력을 증대시키는 방법으로는 탄소섬유를 마이크로웨이브 또는 플라즈마 처리를 통해 탄소섬유의 표면 거칠기를 증가시키는 방법과 탄소섬유 표면에 2차상(secondary phase)를 형성하는 방법 등이 있다. 마이크로웨이브와 플라즈마를 사용하여 표면 거칠기를 증가시키는 방법은 계면 전단강도를 증가시킬 수는 있지만 탄소섬유 자체의 물성을 저하시키는 단점이 있다. 반면에, 탄소섬유 표면에 휘스키화(whiskerization) 등을 수행함으로써 계면의 두께와 표면적을 증대시키는 방법은 탄소섬유의 물성에 영향을 주지 않으면서 계면 전단강도를 200~300% 정도 증가시킬 수 있다. 따라서, 휘스키화를 통한 계면의 두께 및 표면적을 증대시키는 방법은 다른 방법들에 비해 계면 전단강도 강화를 통한 복합소재의 기계적 강도 증가 효과가 매우 크다. 최근에는 보다 강한 계면 전단강도를 얻기 위해 탄소나노튜브(carbon nanotube)를 이용하여 탄소 섬유 표면에 휘스키화를 적용한 기술들이 연구되고 있다.
본 발명의 일 실시예는 저항가열을 이용한 탄소섬유의 표면처리 장치 및 표면처리 방법을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여,
본 발명의 일 구현예에 따르면,
탄소섬유 자체의 저항가열을 통하여 상기 탄소섬유를 발열시키고, 상기 가열된 탄소섬유에 탄소를 포함하는 가스를 공급함으로써 상기 탄소섬유의 표면에 탄소나노튜브를 성장시키는 탄소섬유의 표면처리 장치가 개시된다.
상기 탄소섬유의 표면처리 장치는, 회전에 의하여 상기 탄소섬유를 이동시키는 복수의 전극롤러; 및 상기 전극롤러들 사이에 전압을 인가하는 전원공급장치;를 구비하여, 상기 전극롤러들 사이에 전압을 인가함으로써 상기 전극롤러들 사이를 이동하는 상기 탄소섬유를 가열한다.
상기 탄소섬유의 표면처리 장치는 전극롤러들 사이로 유입되는 상기 탄소섬유의 표면에 탄소나노튜브의 성장을 위한 촉매층을 형성하는 장치를 더 구비할 수있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면,
회전에 의하여 탄소섬유를 이동시키는 것으로, 소정 간격 이격되게 설치되는 제1 및 제2 전극롤러; 및
상기 제1 전극롤러와 제2 전극롤러 사이에 전압을 인가하는 제1 전원공급장치;을 구비하여,
상기 제1 전극롤러와 제2 전극롤러 사이에 전압을 인가함으로써 상기 제1 전극롤러와 제2 전극롤러 사이를 이동하는 탄소섬유를 가열하고, 상기 가열된 탄소섬유에 탄소를 포함하는 가스를 공급함으로써 상기 탄소섬유의 표면에 탄소나노튜브를 성장시키는 탄소섬유의 표면처리 장치가 개시된다.
상기 제1 및 제2 전극롤러와, 상기 제1 전원공급장치는 무산소 분위기의 챔버 내에 마련될 수 있으며, 이 경우 상기 챔버 내에 상기 탄소를 포함하는 가스를 공급함으로써 상기 제1 전극롤러와 제2 전극롤러 사이를 이동하면서 가열된 탄소섬유의 표면에 탄소나노튜브를 성장시킬 수 있다.
상기 탄소섬유의 표면에 성장 형성된 탄소나노튜브의 길이 및 직경은 상기 가열된 탄소섬유의 온도, 상기 제1 및 제2 전극롤러의 회전속도 및 상기 제1 및 제2 전극롤러 사이의 간격 중 적어도 하나에 의해 결정될 수 있다.
상기 탄소나노튜브의 성장을 위하여 상기 탄소섬유는 300℃ ~ 1500℃로 가열될 수 있다. 한편, 상기 탄소섬유의 표면처리 장치는 상기 탄소나노튜브가 성장 형성된 탄소 섬유가 감기는 보빈(bobbin)을 더 구비할 수 있다.
상기 제1 전극롤러 쪽으로 들어가는 탄소섬유의 표면에는 탄소나노튜브의 성장을 위한 촉매층이 형성되어 있고, 상기 제2 전극롤러로부터 나오는 탄소섬유의 표면에는 탄소나노튜브가 성장 형성될 수 있다.
상기 촉매층은 Fe, Ni, Co, Pd, Pt, Ir 및 Ru로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 이러한 촉매층은 진공 증착법 또는 액상 증착법에 의하여 형성될 수 있다.
상기 탄소섬유의 표면처리 장치는, 상기 탄소섬유의 표면에 촉매층을 형성하는 촉매층 형성장치를 더 구비할 수 있다. 여기서, 상기 촉매층 형성장치는, 촉매 금속을 포함하는 전해액; 회전에 의하여 탄소섬유를 이동시키는 제3 및 제4 전극롤러; 및 상기 제3 및 제4 전극롤러 사이에 전압을 인가하는 제2 전원공급장치;를 구비하여, 상기 제3 및 제4 전극롤러 사이에 전압이 인가됨에 따라 상기 전해액 내에서 이동하는 탄소섬유의 표면에 상기 촉매층을 형성할 수 있다.
그리고, 상기 탄소섬유의 표면처리 장치는 상기 촉매층 형성장치에 의해 촉매층이 형성된 탄소섬유를 상기 제1 전극롤러를 향하여 이동시키는 적어도 하나의 이동롤러를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면,
탄소섬유 자체의 저항가열을 통하여 상기 탄소섬유를 발열시키고, 상기 가열된 탄소섬유에 탄소를 포함하는 가스를 공급함으로써 상기 탄소섬유의 표면에 탄소나노튜브를 성장시키는 탄소섬유의 표면처리 방법이 개시된다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면,
소정 간격 이격되게 설치된 제1 및 제2 전극롤러에 의하여 탄소섬유를 이동시키는 단계;
상기 제1 및 제2 전극롤러 사이에 전압을 인가함으로써 상기 탄소섬유를 가열시키는 단계; 및
상기 가열된 탄소섬유에 탄소를 포함하는 가스를 공급하여 상기 탄소섬유의 표면에 탄소나노튜브를 성장시키는 단계;를 포함하는 탄소섬유의 표면처리 방법이 개시된다.
본 발명의 실시예에 의하면, 탄소섬유의 표면에 탄소나노튜브를 성장시킴으로써 재와의 물리적 결합력을 증대시키고 계면의 표면적을 증대시킬 수 있어 계면 전단강도를 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 복합소재가 받는 하중이 적절히 분산됨으로써 복합소재의 기계적 특성이 향상될 수 있다. 또한, 저항가열을 이용하여 탄소섬유의 국부적인 영역만을 가열하여 탄소나노튜브를 성장시킴으로써 에너지 소모량이 적고, 가열과 냉각 시간이 매우 짧아 수율을 증대시킬 수 있다. 이에 따라, 가격 경쟁력을 향상시킬 수 있다. 그리고, 탄소섬유의 공급과 패키징(packaging)이 탄소나노튜브의 성장과 함께 수행될 수 있으므로, 연속적인 공정을 통한 대량 생산이 가능하다.
탄소나노튜브(CNT,carbon nanotube)는 가벼우면서도 열전도도, 전기전도도 및 기계적 강도 등이 탁월하여 복합재료의 이상적인 강화재로 여겨지는 소재이다. 탄소 섬유 복합재에 탄소나노튜브를 적용하는 방법은 크게 두가지가 있다. 첫째는 기능화된 탄소나노튜브(functionalized CNT)를 모재 내에 분산시켜 탄소나노튜브를 탄소섬유 표면에 부착시키는 방법이고, 둘째는 탄소섬유 표면에 탄소나노튜브를 직접 성장시키는 방법이다. 첫째의 기능화된 탄소나노튜브를 모재 내에 분산시켜 탄 소나노튜브를 탄소섬유 표면에 부착시키는 방법은 탄소섬유를 기능화하는 단계 및 분산 단계 등을 거쳐야 한다. 이렇게 모재 내에 분산된 탄소나노튜브가 탄소섬유 표면에 부착됨으로써 탄소섬유와 모재 사이의 계면을 강화시키는 역할을 하게 된다. 이러한 방법은 탄소섬유 표면에 탄소나노튜브를 직접 성장시키는 방법에 비하여 계면 전단강도의 증대 효과는 낮지만 연속 공정과 대량 생산에 유리한 장점이 있다.
둘째의 탄소섬유 표면에 탄소나노튜브를 직접 성장시키는 방법은 탄소나노튜브 성장에 필요한 촉매를 탄소섬유 표면에 형성하고, 대략 700 ~ 1000℃의 고온에서 화학기상 증착법(CVD)를 통해 탄소나노튜브를 성장시키는 방법을 말한다. 이러한 방법은 탄소나노튜브가 탄소섬유와 모재의 계면 상에 존재함으로써 계면의 접촉력을 증대시키고 탄소나노튜브의 강한 물성으로 인해 계면 전단강도의 증가효과가 탁월하다. 그러나, 이와 같이 기존의 화학기상 증착법을 이용하는 방법은 고온의 퍼니스(furnace)가 필요하고, 또한 제한된 공간 내에서만 탄소나노튜브의 성장이 가능하기 때문에 에너지 소모량이 크고 연속 공정이 어렵다는 단점이 있다. 본 발명의 실시예에는 저항가열을 이용함으로써 탄소섬유 표면에 탄소나노튜브를 직접 성장시킬 수 있는 장치 및 방법을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유의 표면처리 장치를 개략적으로 도 시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유의 표면처리 장치는 소정 간격으로 이격되게 설치되어 탄소섬유(110)를 이동시키는 한 쌍의 제1 및 제2 전극롤러(120a,120b)와, 상기 제1 및 제2 전극롤러(120a,120b) 사이에 전압을 인가하는 전원공급장치(130)를 구비한다. 상기 탄소섬유(110)는 탄소의 함량이 90% 이상인 PAN(polyacrylonitrile)계, 레이온(rayon)계 또는 피치(pitch)계 탄소섬유가 될 수 있다. 그리고, 상기 탄소섬유(110)의 비저항이 대략 0.1 ~ 100mΩㆍcm 정도가 될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 및 제2 전극롤러(120a,120b)와 전원공급장치(130)는 챔버(100) 내에 마련될 수 있다. 상기 챔버(100) 내부는 무산소 분위기로 유지되는데, 이는 후술하는 탄소나노튜브의 성장 과정에서 탄소가 챔버(100) 내에서 산소와 결합하는 것을 방지하기 위함이다. 한편, 상기 전원공급장치(130)는 챔버(100) 밖에 마련되는 것도 가능하다. 상기 챔버(100) 내에는 탄소섬유(110)를 제1 전극롤러(120a) 쪽으로 공급하는 제1 보빈(bobbin)(140)이 더 마련될 수 있다. 여기서, 상기 제1 보빈(140)에 감겨진 탄소섬유(110)는 제1 보빈(140)의 회전에 의하여 상기 제1 전극롤러(120a) 쪽으로 공급된다.
한편, 상기 제1 전극롤러(120a) 쪽으로 공급되는 탄소섬유(110)는 그 표면에 탄소나노튜브의 성장을 위한 촉매층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 촉매층은 예를 들면 대략 0.2nm ~ 3㎛ 정도의 두께로 형성될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 촉매층은 탄소섬유(110)의 표면에 진공 증착법 또는 액상 증 착법에 의하여 촉매 금속을 소정 두께로 증착함으로써 형성될 수 있다. 여기서, 상기 진공 증착법에는 전자빔 증발법, 스퍼터링법 또는 화학기상증착법 등이 될 수 있으며, 상기 액상 증착법에는 딥 코팅(dip coating)법, 스프레이 코팅(spray coating)법, 무전해 도금법 또는 전해 도금법 등이 될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 촉매층을 이루는 촉매 금속으로는 전이 금속, 예를 들면 Fe, Ni, Co, Pd, Pt, Ir 및 Ru로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질이 사용될 수 있다. 한편, 상기 전이 금속들의 촉매 특성을 향상시키기 위하여 예를 들면, Mo, Cu 또는 Al 등과 같은 금속이 보조 촉매금속으로 함께 사용될 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극롤러(120a,120b)는 회전에 의하여 탄소섬유(110)를 이동시키는 동시에 전원공급장치(130)에 의해 인가되는 전압에 의하여 제1 및 제2 전극롤러(120a,120b) 사이를 이동하는 탄소섬유(110)를 소정 온도로 가열한다. 여기서, 상기 탄소섬유(110)의 가열 온도는 상기 제1 및 제2 전극롤러(120a,120b) 사이에 인가되는 전압, 상기 제1 및 제2 전극롤러(120a,120b) 사이의 간격 등에 의하여 조절될 수 있다. 상기 탄소섬유(110)는 탄소나노튜브의 성장을 위하여 예를 들면, 대략 300℃ ~ 1500℃ 정도로 가열될 수 있다.
본 실시예에서는 상기 제1 및 제2 전극롤러(120a,120b) 사이를 이동하는 탄소섬유(110)가 가열된 상태에서 상기 탄소섬유(110)의 표면에 탄소나노튜브(112)를 성장시키게 된다. 이를 위하여, 상기 챔버(100) 내에는 탄소를 포함하는 가스가 공급된다. 여기서, 상기 탄소를 포함하는 가스는 예를 들면, C2H2, CH4, C2H6 또는 CO 등이 될 수 있다. 이외에도 상기 탄소를 포함하는 가스로는 탄소를 포함하는 alcohol, benzene 또는 xylene 등을 열에너지로 분해한 가스가 사용될 수도 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 탄소 공급원이 사용될 수 있다. 한편, 상기 탄소를 포함하는 가스와 함께 예를 들면, Ar, H2 또는 NH3 가스 등이 챔버 내로 공급될 수도 있다.
상기 챔버(100) 내에는 표면에 탄소나노튜브(112)가 성장된 탄소섬유(111)를 패키징하기 위한 제2 보빈(150)이 더 마련될 수 있다. 상기 제2 전극롤러(120b)로부터 나오는 탄소나노튜브(112)가 성장된 탄소섬유(111)는 상기 제2 보빈(150)에 감겨짐으로써 패키징된다.
상기와 같은 구조의 탄소섬유의 표면처리 장치에서 탄소섬유(110)의 표면에 탄소나노튜브(112)가 성장 형성되는 과정은 다음과 같다. 먼저, 상기 제1 보빈(140)에 감겨진 촉매층이 형성된 탄소섬유(110)가 제1 전극롤러(120a)와 제2 전극롤러(120b) 사이로 이동한다. 이어서, 상기 전원공급장치(130)에 의하여 제1 전극롤러(120a)와 제2 전극롤러(120b) 사이에 소정 전압이 인가되면, 상기 제1 전극롤러(120a)와 제2 전극롤러(120b) 사이를 이동하는 탄소섬유(110)에는 전류가 흐르게 되고, 이때 탄소섬유(110)의 자체 저항으로 인해 탄소섬유(110)가 가열된다. 이에 따라, 촉매층이 형성된 탄소섬유(110)의 표면에 탄소나노튜브(112)가 성장할 수 있는 열 에너지가 발생하게 된다. 여기서, 상기 탄소섬유(110)의 가열 온도는 상기 제1 및 제2 전극롤러(120a,120b) 사이에 인가되는 전압, 상기 제1 전극롤러(120a) 와 제2 전극롤러(120b) 사이의 간격 등에 의하여 조절될 수 있다.
그리고, 상기 촉매층이 형성된 탄소섬유(110)가 가열된 상태에서 탄소를 포함하는 가스가 공급되면 상기 탄소섬유(110)의 표면에서 탄소나노튜브(112)가 성장된다. 이때, 성장되는 탄소나노튜브(112)의 길이 및 직경은 탄소섬유(110)의 가열온도, 제1 및 제2 전극롤러(120a,120b)의 회전속도, 제1 전극롤러(120a)와 제2 전극롤러(120b) 사이의 간격 등에 의해 제어될 수 있다. 이어서, 탄소나노튜브(112)가 성장하는 탄소섬유(111)가 제2 전극롤러(120b)를 지나게 되면 탄소나노튜브(112)의 성장은 멈추게 되고, 이렇게 탄소나노튜브(112)가 성장된 탄소섬유(111)는 제2 보빈(150)에 감김으로써 패키징된다.
이상과 같이, 본 실시예에서는 저항가열을 이용하여 탄소섬유(110)의 국부적인 영역만을 가열하여 탄소나노튜브(112)를 성장시킴으로써 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 그리고, 탄소섬유의 공급과 패키징(packaging)이 탄소나노튜브의 성장과 함께 수행될 수 있으므로, 연속적인 공정을 통한 대량 생산이 가능해질 수 있다. 한편, 이상에서는 탄소섬유의 저항가열 위하여 챔버(100) 내에 두 개의 제1 및 제2 전극롤러(120a,120b)가 마련되는 경우가 설명되었으나, 본 실시예는 이에 한정되지 않고 다양한 개수의 전극롤러가 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소섬유의 표면처리 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소섬유의 표면처리 장치는 탄소섬유(210')의 표면에 촉매층을 형성하는 촉매층 형성장치(300)와, 상기 촉 매층 형성장치(300)에 의해 촉매층이 형성된 탄소섬유(210)를 공급받아 상기 탄소섬유(210)의 표면에 탄소나노튜브(212)를 성장시키는 장치를 포함한다. 상기 탄소나노튜브(212)를 성장시키는 장치는 무산소 분위기의 챔버(200) 내에 마련된 한 쌍의 제1 및 제2 전극롤러(220a,220b)와, 상기 제1 및 제2 전극롤러(220a,220b) 사이에 전압을 인가하는 제1 전원공급장치(230)를 포함한다.
상기 제1 및 제2 전극롤러(220a,220b)는 촉매층 형성장치(300)로부터 공급받은 탄소섬유(210)를 이동시키는 동시에 제1 전원공급장치(230)에 의해 인가되는 전압에 의하여 제1 전극롤러(220a)와 제2 전극롤러(220b) 사이를 이동하는 탄소섬유(210)를 소정 온도로 가열한다. 여기서, 상기 탄소섬유(210)의 가열 온도는 상기 제1 및 제2 전극롤러(220a,220b) 사이에 인가되는 전압, 상기 제1 전극롤러(220a)와 제2 전극롤러(220b) 사이의 간격 등에 의하여 조절될 수 있다. 상기 탄소섬유(210)는 탄소나노튜브(212)의 성장을 위하여 예를 들면, 대략 300℃ ~ 1500℃ 정도로 가열될 수 있다. 상기 챔버(200) 내에는 탄소나노튜브(212)의 성장을 위하여 탄소를 포함하는 가스가 공급된다. 그리고, 상기 챔버(200) 내에는 탄소나노튜브(212)가 성장된 탄소섬유(211)를 패키징하기 위한 제2 보빈(250)이 더 마련될 수 있다. 상기 제2 전극롤러(220b)로부터 나오는 탄소나노튜브(212)가 성장된 탄소섬유(211)는 상기 제2 보빈(250)에 감겨짐으로써 패키징된다.
상기 촉매층 형성장치(300)는 전해 도금법에 의하여 탄소 섬유(210')의 표면에 촉매층을 형성한다. 상기 촉매층 형성장치(300)는 탄소나노튜브 성장을 위한 소정의 촉매 금속을 포함하는 전해액(360)과, 회전에 의하여 탄소섬유(210')를 이동 시키는 한 쌍의 제3 및 제4 전극롤러(320a,320b)와, 상기 제3 및 제4 전극롤러(320a,320b) 사이에 전압을 인가하는 제2 전원공급장치(330)를 포함한다. 상기 전해액(360)에 포함되는 촉매 금속으로는 전이 금속, 예를 들면 Fe, Ni, Co, Pd, Pt, Ir 및 Ru로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질이 사용될 수 있다. 한편, 상기 전이 금속들의 촉매 특성을 향상시키기 위하여 예를 들면, Mo, Cu 또는 Al 등과 같은 금속이 보조 촉매금속으로 함께 사용될 수 있다. 그리고, 상기 촉매층 형성장치(300)는 상기 제3 전극롤러(320a) 쪽으로 탄소섬유(210')를 공급하는 제1 보빈(340)을 더 포함할 수 있다. 상기와 같은 구조에서, 상기 제2 전원공급장치(330)에 의하여 상기 제3 및 제4 전극롤러(320a,320b) 사이에 소정 전압이 인가되면, 상기 전해액(360) 내에서 이동하는 탄소섬유(210')의 표면에 촉매층(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 촉매층은 예를 들면 대략 0.2nm ~ 3㎛ 정도의 두께로 형성될 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 도 2에서 참조부호 351,352는 전해액 내부에서 탄소섬유(210')를 이동시키기 위한 이동롤러들을 나타낸다. 그리고, 참조부호 353,354,355는 촉매층 형성장치(300)에 의해 촉매층이 형성된 탄소섬유(210)를 제1 전극롤러(220a) 쪽으로 이동시키기 위한 이동롤러들을 나타낸다.
상기와 같은 구조의 탄소섬유의 표면처리 장치에서 탄소섬유(210')의 표면에 탄소나노튜브(212)가 성장 형성되는 과정은 다음과 같다. 먼저, 상기 제1 보빈(340)에 감겨져 있는 탄소섬유(210')는 제3 및 제4 전극롤러(320a,320b)와 전해액(360) 내부의 이동롤러들(351,352)에 의하여 전해액(360) 내부로 이동하게 된다. 이어서, 상기 제3 및 제4 전극롤러(320a,320b) 사이에 전압을 인가하게 되면, 상기 탄소섬유(210')의 표면에 촉매 금속이 부착됨으로써 촉매층이 형성된다.
그리고, 상기 촉매층 형성장치(300)에 의하여 표면에 촉매층이 형성된 탄소섬유(210)는 이동롤러들(353,354,355)을 통하여 챔버(200) 내에 마련된 제1 전극롤러(220a)와 제2 전극롤러(220b) 사이로 공급된다. 이어서, 상기 제1 전원공급장치(230)에 의하여 제1 전극롤러(220a)와 제2 전극롤러(220b) 사이에 소정 전압이 인가되면, 상기 제1 전극롤러(220a)와 제2 전극롤러(220b) 사이를 이동하는 탄소섬유(210)는 자체저항으로 인해 소정 온도로 가열된다. 여기서, 상기 탄소섬유(210)의 가열 온도는 상기 제1 및 제2 전극롤러(220a,220b) 사이에 인가되는 전압, 상기 제1 전극롤러(220a)와 제2 전극롤러(220b) 사이의 간격 등에 의하여 조절될 수 있다. 이어서, 상기 촉매층이 형성된 탄소섬유(210)가 가열된 상태에서 챔버(200)내에 탄소를 포함하는 가스가 공급되면 상기 탄소섬유(210)의 표면에서 탄소나노튜브(212)가 성장된다. 이때, 성장되는 탄소나노튜브(212)의 길이 및 직경은 탄소섬유(210)의 가열온도, 제1 및 제2 전극롤러(220a,220b)의 회전속도, 제1 전극롤러(220a)와 제2 전극롤러(220b) 사이의 간격 등에 의해 제어될 수 있다. 이어서, 탄소나노튜브(212)가 성장하는 탄소섬유(211)가 제2 전극롤러(220b)를 지나게 되면 탄소나노튜브(212)의 성장은 멈추게 되고, 상기 탄소나노튜브(212)가 성장된 탄소섬유(211)는 제2 보빈(250)에 감김으로써 패키징된다.
이상의 실시예에서는 전해 도금법에 의하여 탄소섬유의 표면에 촉매층을 형성하는 공정과 촉매층이 형성된 탄소섬유의 표면에 탄소나노튜브를 성장시키는 공정을 함께 수행할 수 있으므로, 연속 공정을 통한 대량 생산을 보다 효과적으로 구 현할 수 있다. 한편, 이상의 실시예에서는 액상 증착법 중 전해 도금법에 의해 탄소섬유의 표면에 촉매층을 형성하는 촉매층 형성장치가 설명되었으나, 이는 단지 예시적인 것으로 이로부터 당업자는 다양한 변형이 가능하다. 예를 들면, 상기 촉매층 형성장치를 딥 코팅 장치, 스프레이 코팅 장치 또는 무전해 도금 장치 등으로 구현하는 것도 얼마든지 가능하다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 탄소섬유 표면에 성장 형성된 탄소소나노튜브를 찍은 전자현미경 사진들이다. 구체적으로, 도 3에는 전자빔 증발법에 의하여 탄소섬유의 표면에 촉매층(1nm 두께의 Invar와 2nm 두께의 Al)을 형성한 다음, 본 발명의 실시예에 따라 저항가열을 통해 상기 탄소섬유의 표면에 탄소나노튜브가 성장된 모습을 찍은 전자현미경 사진이 도시되어 있다. 그리고, 도 4에는 Iron acetate 액상 촉매을 이용한 딥 코팅법에 의하여 탄소섬유의 표면에 촉매층을 형성한 다음, 본 발명의 실시예에 따라 저항가열을 통해 상기 탄소섬유의 표면에 탄소나노튜브가 성장된 모습을 찍은 전자현미경 사진이 도시되어 있다. 도 3 및 도 4에서는 탄소섬유로는 Mitsubish chem.사의 K63712 pitch계 탄소섬유를 사용하였다. 그리고, 저항가열시 두 전극롤러 사이의 간격은 4cm 이었으며, 두 전극롤러 사이에 인가되는 전압 및 두 전극롤러 사이를 흐르는 전류는 각각 8.8V 및 340mA 이었다. 또한, 탄소나노튜브 성장을 위한 챔버 내에는 C2H2 가스와 Ar 가스가 공급되었으며, 탄소나노튜브의 성장시간은 10분이었다.
이상에서 본 발명의 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하 며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유의 표면처리 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소섬유의 표면처리 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 탄소섬유 표면에 성장 형성된 탄소소나노튜브를 찍은 전자현미경 사진들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100,200... 챔버
110,210... 촉매층이 형성된 탄소섬유
111,211... 탄소나노튜브가 성장된 탄소섬유
112,212... 탄소나노튜브
120a,220a... 제1 전극롤러 120b,220b... 제2 전극롤러
130... 전원공급장치
140,340... 제1 보빈(bobbin) 150,250... 제2 보빈
210'... 탄소섬유 230... 제1 전원공급장치
300... 촉매층 형성장치 320a... 제3 전극롤러
320b... 제4 전극롤러 330... 제2 전원공급장치
351,352,353,354,355.... 이동롤러
360... 촉매 금속을 포함하는 전해액

Claims (29)

  1. 탄소섬유 자체의 저항가열을 통하여 상기 탄소섬유를 발열시키고, 상기 가열된 탄소섬유에 탄소를 포함하는 가스를 공급함으로써 상기 탄소섬유의 표면에 탄소나노튜브를 성장시키는 탄소섬유의 표면처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    회전에 의하여 상기 탄소섬유를 이동시키는 복수의 전극롤러; 및
    상기 전극롤러들 사이에 전압을 인가하는 전원공급장치;를 구비하여,
    상기 전극롤러들 사이에 전압을 인가함으로써 상기 전극롤러들 사이를 이동하는 상기 탄소섬유를 가열하는 탄소섬유의 표면처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전극롤러들 사이로 유입되는 상기 탄소섬유의 표면에 탄소나노튜브의 성장을 위한 촉매층을 형성하는 장치를 더 구비하는 탄소섬유의 표면처리 장치.
  4. 회전에 의하여 탄소섬유를 이동시키는 것으로, 소정 간격 이격되게 설치되는 제1 및 제2 전극롤러; 및
    상기 제1 전극롤러와 제2 전극롤러 사이에 전압을 인가하는 제1 전원공급장치;을 구비하여,
    상기 제1 전극롤러와 제2 전극롤러 사이에 전압을 인가함으로써 상기 제1 전극롤러와 제2 전극롤러 사이를 이동하는 탄소섬유를 가열하고, 상기 가열된 탄소섬유에 탄소를 포함하는 가스를 공급함으로써 상기 탄소섬유의 표면에 탄소나노튜브를 성장시키는 탄소섬유의 표면처리 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극롤러와, 상기 제1 전원공급장치는 무산소 분위기의 챔버 내에 마련되는 탄소섬유의 표면처리 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 챔버 내에 상기 탄소를 포함하는 가스를 공급함으로써 상기 제1 전극롤러와 제2 전극롤러 사이를 이동하면서 가열된 탄소섬유의 표면에 탄소나노튜브를 성장시키는 탄소섬유의 표면처리 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 탄소섬유의 표면에 성장 형성된 탄소나노튜브의 길이 및 직경은 상기 가열된 탄소섬유의 온도, 상기 제1 및 제2 전극롤러의 회전속도 및 상기 제1 및 제2 전극롤러 사이의 간격 중 적어도 하나에 의해 결정되는 탄소섬유의 표면처리 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브의 성장을 위하여 상기 탄소섬유는 300℃ ~ 1500℃로 가열되는 탄소섬유의 표면처리 장치.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브가 성장 형성된 탄소 섬유가 감기는 보빈(bobbin)을 더 구비하는 탄소섬유의 표면처리 장치.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 전극롤러 쪽으로 들어가는 탄소섬유의 표면에는 탄소나노튜브의 성장을 위한 촉매층이 형성되어 있고, 상기 제2 전극롤러로부터 나오는 탄소섬유의 표면에는 탄소나노튜브가 성장 형성되어 있는 탄소섬유의 표면처리 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 촉매층은 Fe, Ni, Co, Pd, Pt, Ir 및 Ru로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어지는 탄소섬유의 표면처리 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 촉매층은 진공 증착법 또는 액상 증착법에 의하여 형성되는 탄소섬유의 표면처리 장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 탄소섬유의 표면에 촉매층을 형성하는 촉매층 형성장치를 더 구비하는 탄소섬유의 표면처리 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 촉매층 형성장치는,
    촉매 금속을 포함하는 전해액;
    회전에 의하여 탄소섬유를 이동시키는 제3 및 제4 전극롤러; 및
    상기 제3 및 제4 전극롤러 사이에 전압을 인가하는 제2 전원공급장치;를 구비하여,
    상기 제3 및 제4 전극롤러 사이에 전압이 인가됨에 따라 상기 전해액 내에서 이동하는 탄소섬유의 표면에 상기 촉매층을 형성하는 탄소섬유의 표면처리 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 촉매층 형성장치에 의해 촉매층이 형성된 탄소섬유를 상기 제1 전극롤러를 향하여 이동시키는 적어도 하나의 이동롤러를 더 구비하는 탄소섬유의 표면처리 장치.
  16. 탄소섬유 자체의 저항가열을 통하여 상기 탄소섬유를 발열시키고, 상기 가열 된 탄소섬유에 탄소를 포함하는 가스를 공급함으로써 상기 탄소섬유의 표면에 탄소나노튜브를 성장시키는 탄소섬유의 표면처리 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 탄소섬유의 가열은 상기 탄소섬유를 이동시키는 복수의 전극롤러 사이에 전압을 인가함으로써 이루어지는 탄소섬유의 표면처리 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 전극롤러들 사이로 유입되는 상기 탄소섬유의 표면에는 탄소나노튜브의 성장을 위한 촉매층이 형성된 탄소섬유의 표면처리 방법.
  19. 소정 간격 이격되게 설치된 제1 및 제2 전극롤러에 의하여 탄소섬유를 이동시키는 단계;
    상기 제1 및 제2 전극롤러 사이에 전압을 인가함으로써 상기 탄소섬유를 가열시키는 단계; 및
    상기 가열된 탄소섬유에 탄소를 포함하는 가스를 공급하여 상기 탄소섬유의 표면에 탄소나노튜브를 성장시키는 단계;를 포함하는 탄소섬유의 표면처리 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극롤러와, 상기 제1 전원공급장치는 무산소 분위기의 챔 버 내에 마련되며, 상기 탄소를 포함하는 가스는 상기 챔버 내로 공급되는 탄소섬유의 표면처리 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 탄소섬유의 표면에 성장 형성된 탄소나노튜브의 길이 및 직경은 상기 가열된 탄소섬유의 온도, 상기 제1 및 제2 전극롤러의 회전속도 및 상기 제1 및 제2 전극롤러 사이의 간격 중 적어도 하나에 의해 결정되는 탄소섬유의 표면처리 방법.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브의 성장을 위하여 상기 탄소섬유는 300℃ ~ 1500℃로 가열되는 탄소섬유의 표면처리 방법.
  23. 제 19 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브가 성장 형성된 탄소 섬유를 패키징하는 단계를 더 포함하는 탄소섬유의 표면처리 방법.
  24. 제 19 항에 있어서,
    상기 탄소섬유의 표면에 탄소나노튜브 성장을 위한 촉매층을 형성하는 단계를 더 포함하는 표면처리 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 촉매층은 Fe, Ni, Co, Pd, Pt, Ir 및 Ru로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어지는 탄소섬유의 표면처리 방법.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 촉매층은 진공 증착법 또는 액상 증착법에 의하여 형성되는 탄소섬유의 표면처리 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 진공 증착법은 전자빔 증발법, 스퍼터링법 또는 화학기상증착법이고, 상기 액상 증착법은 딥 코팅(dip coating)법, 스프레이 코팅(spray coating)법, 무전해 도금법 또는 전해 도금법인 탄소섬유의 표면처리 방법.
  28. 제 24 항에 있어서,
    상기 촉매층을 형성하는 단계는, 상기 탄소섬유를 이동시키는 제3 및 제4 전극롤러 사이에 전압을 인가함으로써 촉매 금속을 포함하는 전해액 내에서 상기 탄소섬유의 표면에 촉매층을 형성하는 단계를 포함하는 탄소섬유의 표면처리 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 촉매층이 형성된 탄소섬유를 상기 제1 전극롤러를 향하여 이동시키는 단계를 더 포함하는 탄소섬유의 표면처리 방법.
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