KR20110109697A - 탄소/탄소 복합재료의 내산화 코팅방법, 카본 히터 및 조리기기 - Google Patents

탄소/탄소 복합재료의 내산화 코팅방법, 카본 히터 및 조리기기 Download PDF

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Abstract

고온에서 탄소섬유의 산화를 방지하여 내열/내삭마성의 특성을 향상시키기 위해, 본 발명에서는 고분자 수지 용액에 세라믹 분말을 분산시켜서 만든 혼합 용액에 의한 간단하게 탄소/탄소 복합재료에 내산화 코팅이 이루어지는 탄소/탄소 복합재료의 내산화 코팅방법을 제공한다.

Description

탄소/탄소 복합재료의 내산화 코팅방법, 카본 히터 및 조리기기{A method for coating oxidation protective layer for carbon/carbon composite, a carbon heater, and cooker}
본 발명은 탄소/탄소 복합재료에 관한 것이며, 특히 탄소/탄소 복합재료의 내산화 코팅방법 및 이에 의하여 제조된 카본 히터, 및 카본 히터가 구비되는 조리기기에 관한 것이다.
92% 이상의 탄소로 이루어진 탄소섬유(Carbon fiber, CFs)는 높은 열전도도, 낮은 탄성계수, 열팽창계수, 밀도, 및 높은 비강도와 고탄성 소재로써 우수한 가공성 등 유용한 성질들을 많이 가지고 있어 고온 구조용 재료로 적합하며, 특히 가공성이 높은 첨단 복합재료의 강화재로 주목을 받고 있다. 이와 같이, 탄소섬유는 열전도도가 높고 열팽창계수가 낮을 뿐만 아니라, 열충격 저항성이 크기 때문에 순간적으로 높은 열을 받게 되는 항공기의 마찰재, 우주 왕복선의 nose cone, 핵반응기의 내열재 및 로켓노즐 등의 초고온용 구조재로서 산업 전반에 걸쳐 많이 이용되고 있다.
그러나, 탄소섬유(CFs)가 유리한 공학적 특성을 갖고 있는 반면, 500℃ 이상에서 공기중에 노출되면 산소와 반응하여 표면이 산화되거나, CO 또는 CO2 가스를 발생하여 재료의 침식(삭마)이 일어나 순수한 상태로 사용하기에는 부적합하다. 즉, 도 1을 참조하면, 공기 중에서 열처리된 후(1000℃) 탄소섬유 표면의 주사 전자현미경 (SEM) 사진을 통해 고온에서 탄소섬유가 산소와 반응하면 CO 또는 CO2로 산화되어 섬유 표면에 기공이 생기고, 이에 따른 질량 감소 및 강도 저하로 인해 사용상의 제한을 받을 수 있다는 것을 나타낸다. 불안정한 표면이 2000℃ 이상의 초고온에 노출되었을 때, 열전도에 의해 산화되어 약해진 부분이 깎여 나가는 삭마현상을 일으키게 되므로 산소분위기에서 탄소섬유는 표면 및 구조는 물론 자체 보유 특성을 보호받을 수 있어야 한다.
이와 같이, 탄소섬유를 고온에서 사용하기 위해서는 산소 분위기로부터 격리시켜 산화가 발생하는 것을 막아야 한다. 따라서, 고온에서 탄소섬유(CFs)의 산화를 방지하여 내열/내삭마성의 특성을 향상시키기 위해 탄소섬유의 복합화 기술의 확보가 매우 중요하다.
탄소섬유의 내열/내삭마성의 특성을 향상시키기 위해 산화를 방지하는 방법에는 크게 두 가지가 있다. 한 방법은 탄소에 산화억제제를 첨가하는 방법이고, 다른 방법은 탄소섬유 표면에 산소가 통과하기 어려운 코팅을 입히는 방법이다. 앞의 방법은 약 1000℃까지는 산화를 억제할 수 있으나, 그 이상의 고온에서는 산화 억제 효과가 매우 떨어지게 된다. 따라서 1000℃ 이상의 고온에서 탄소섬유의 산화를 방지하기 위해서는 코팅이 필수적이라고 할 수 있다.
일반적으로 이용되는 종래의 탄소섬유의 내산화 코팅방법으로는, 1000℃ 이하에서 사용할 경우 저가의 인산계 코팅막을 사용하는 반면, 1000℃ 이상에서는 붕소계 코팅막이 사용되어 왔다. 하지만 1500℃ 이상의 고온에서 붕소는 평형 증기압이 높으므로 사용할 수 없다는 단점을 가지고 있다.
따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해, 종래에는 고온의 산화분위기에서 표면에 산소의 투과율이 낮은 비정질 SiO2막을 형성하여 탄소섬유의 산화를 억제한다.
대한민국 공개특허공보 제2004-0069837호는 "탄소/탄소 복합재료에 내산화 특성을 부여하기 위해 내산화 코팅층을 형성하는 방법"에 관한 것으로, 팩 시멘테이션 기술을 이용하여 탄소/탄소 복합재료 위에 Si만을 함침시켜 2가지 이상의 내산화 코팅층을 형성하는 것으로, 10 ㎛ 내지 2,000 ㎛까지 코팅의 두께가 제어 가능한 복합 코팅 방법을 개시하고 있다. 그러나, 상기 방법은 코팅 공정에서나 내화성의 측면에서 만족할 만한 것은 아니다. 또한, 대부분 세라믹 코팅시 화학적 기상 반응 방법을 이용하기 때문에 공정이 매우 복잡하고 비싸다는 단점을 가지고 있다.
고온에서 탄소섬유의 산화를 방지하여 내열/내삭마성의 특성을 향상시키기 위해, 본 발명에서는 고분자 수지 용액에 세라믹 분말을 분산시켜서 만든 혼합 용액에 의한 간단한 코팅방법으로, 내산화성이 우수한 탄소/탄소 복합재료의 내산화 코팅방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소/탄소 복합재료의 내산화 코팅방법은, 고분자 수지를 용매에 용해시켜서 고분자 수지 용액을 형성하는 단계; 상기 고분자 수지 용액에 세라믹 분말을 분산시켜서 혼합 용액을 형성하는 단계; 상기 혼합 용액을 탄소섬유에 코팅하는 단계; 상기 코팅 단계 후 공기 중에서 1차 열처리하는 단계; 및 상기 1차 열처리 후 불활성 기체 하에서 2차 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 방법은 공기 중 고온에서 탄소섬유의 산화를 방지하여 탄소섬유 복합재의 내열/내삭마성을 향상시킨다. 즉, 본 발명에 따른 방법은 상기 탄소섬유 복합재에 공기 중에서 높은 열적 안정성 및 내산화성을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 방법은 탄소섬유 복합재에 균일한 코팅층을 제공하기 때문에 상기 코팅층과 탄소섬유의 표면 사이에 열팽창 계수의 차이로 인해 반복되는 열이력으로 코팅층이 박리되는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 방법에 따라 제조되는 탄소섬유 복합재는 탄소섬유와 세라믹의 접착력을 증가시킬 수 있다.
또한, 탄소섬유 상에 코팅된 세라믹 입자는 코팅시간, 고분자 수지와 세라믹 분말의 농도 변화, 또는 열처리 온도에 따라 탄소섬유 표면에 세라믹을 다른 크기의 입자와 두께로 코팅될 수 있다.
도 1에서 (a) 탄소섬유의 주사 전자현미경(SEM) 사진, (b) 공기 중에서 열처리 후(1000℃) 탄소섬유의 주사 전자현미경(SEM) 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 세라믹 분말을 포함하는 혼합용액이 코팅된 탄소섬유 복합재의 제조공정을 나타내는 흐름도이다.
도 3에서 (a) SiC 주사 전자현미경(SEM) 사진, (b) 아르곤 기체 하에서 1400℃로 열처리한 SiC의 주사 전자현미경(SEM) 사진이다.
도 4는 농도가 다른 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, PAN) 용액과 SiC(silicone carbide)의 혼합 용액을 코팅한 탄소섬유 복합재의 고배율 주사 전자현미경(SEM) 사진이며, (a) 및 (b) 5 중량%의 폴리아크릴로니트릴 수지, (c) 및 (d) 7 중량%의 폴리아크릴로니트릴 수지를 사용하였다.
도 5는 본 발명에 따라 SiC가 코팅된 탄소섬유 복합재의 X선 회절 분석(XRD)의 그래프를 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 탄소섬유 복합재 등의 열중량 측정분석(TGA) 그래프를 나타낸다.
도 7은 본 발명에 따른 카본 히터의 제1실시예를 보인 종단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 카본 히터의 제2실시예를 보인 종단면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 조리기기의 실시예를 개략적으로 보인 종단면도이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 고분자 수지를 용매에 용해시켜서 고분자 수지 용액을 형성하는 단계; 상기 고분자 수지 용액에 세라믹 분말을 분산시켜서 혼합 용액을 형성하는 단계; 상기 혼합 용액을 탄소섬유에 코팅하는 단계; 상기 코팅 단계 후 공기 중에서 1차 열처리하는 단계; 및 상기 1차 열처리 후 불활성 기체 하에서 2차 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 복합재의 코팅방법을 제공한다.
즉, 본 발명은 고분자 수지 용액에 세라믹 분말을 분산시킨 혼합 용액을 탄소섬유 표면에 코팅함으로써 공기 중에서 높은 열적안정성을 갖는 탄소섬유 복합재의 코팅방법을 제공한다.
더욱 상세하게는, 고분자 수지 용액에 비산화성 세라믹인 탄화규소 (SiC), 질화규소(Si3N4), 또는 탄화티타늄(TiC)과 같은 세라믹 분말을 분산시킨 혼합용액을 탄소섬유 표면에 코팅 및 열처리하여, 공기 중에서 높은 열적안정성을 갖는 탄소섬유 복합재를 제공하며, 상기 방법에 따라 제조된 탄소섬유 복합재는 공기 중 고온에서 우수한 내산화성을 갖는다.
이하에서는 도면을 참조하여 실시예를 중심으로 본 발명에 의한 탄소/탄소 복합재료의 내산화 코팅방법을 더 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 세라믹 분말을 포함하는 혼합용액이 코팅된 탄소섬유 복합재의 제조공정을 나타내는 흐름도이다.
먼저, 고분자 수지를 용매에 용해시켜서 고분자 수지 용액을 형성하고, 상기 고분자 수지 용액에 세라믹 분말을 분산시켜서 혼합 용액을 형성한다.
탄소섬유는 고온에서 제조되는 특성으로 인해 탄소섬유 표면에 메트릭스(matrix)와의 결합력을 증대시킬 수 있는 관능기의 양이 상대적으로 적기 때문에 세라믹과의 접착력이 매우 약하다. 따라서 탄소섬유에 아래와 같은 고분자 수지를 도입하여 표면의 결합특성을 향상시킴으로써 표면에 내마모성, 내부식성을 갖는 탄소섬유의 기능을 향상시킬 수 있다.
상기 고분자 수지는 폴리아크릴로니트릴(polyacrylo nitrile), 폴리이미드(polyimide), 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole, PBI), 및 폴리비닐알코올 (PVA)로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 바람직하게, 상기 고분자 수지는 폴리아크릴로니트릴일 수 있다.
상기 고분자 수지 중 폴리아크릴로니트릴(PAN, 분자량=160,000)은 100% 순중합체(homopolymer) 뿐만 아니라 5 내지 15 중량%의 공중합체(copolymer)를 함유한 개질된 아크릴을 사용할 수 있다. 공중합체의 조성으로는 이타콘산(itaconic acid) 또는 메틸아크릴레이트(methylacrylate, MA)등을 공중합 물질로 사용할 수 있다.
상기 고분자 수지는 탄소섬유 표면의 결합특성을 향상시킬 수 있다. 즉, 상기 고분자 수지는 탄소섬유의 세라믹과의 접착력을 향상시키고, 탄소섬유 표면에 내마모성, 내부식성을 향상시킬 수 있다.
상기 고분자 수지를 용해시키는 용매는 THF(tetrahydrofuran), DMF(dimethylformamide), DMAc(dimethylacetamide), 피리딘(pyridine), 퀴놀린(quinoline), 및 물(H2O)로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
상기 용매에 용해된 고분자 수지를 포함하는 고분자 수지 용액에서, 상기 고분자 수지는 5 내지 10 중량%의 비율을 가질 수 있다.
상기 세라믹 물질은 융점이 높고 인성이 우수하며, 내산화성 및 내마모성이 우수한 비산화성 세라믹 물질일 수 있다. 상기 세라믹 물질은 탄화규소(SiC), 질화규소(Si3N4), 또는 탄화티타늄(TiC)일 수 있다. 바람직하게, 상기 세라믹 물질은 SiC일 수 있다.
상기 세라믹 물질은, 상기 고분자 수지에 대해 중량을 기준으로 1:0.5 내지 1:2의 비율로 분산될 수 있다. 바람직하게는, 1:0.8 내지 1:1.3의 비율로 분산될 수 있다. 더 바람직하게는 1:1의 비율로 분산될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에서는, 고분자 수지와 세라믹 분말의 중량비가 1:1인 경우에 탄소섬유 표면 상에 세라믹 분말을 균일하게 코팅시킬 수 있다.
고분자 수지 용액에 상기 세라믹 물질을 혼합하여 혼합 용액을 형성한다. 이때, 상기 고분자 수지 용액에 상기 세라믹 물질이 균일하게 혼합되도록 교반기, 막대, 등을 이용할 수 있다. 즉, 상기 고분자 수지 용액에 상기 세라믹 물질의 분말이 고르게 분산되도록 다양한 방법 등을 이용할 수 있다.
그런 다음, 상기 고분자 수지 및 세라믹 물질의 혼합 용액을 탄소섬유에 코팅한다. 상기 혼합 용액을 코팅하는 방법은, 브러시 코팅(brush coating) 또는 롤 코팅(roll coating)을 통해 수행된다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 고분자 수지 및 세라믹 물질의 혼합 용액을 브러시를 이용하여 탄소섬유 상에 7회 내지 12회 정도로 바를 수 있다. 바람직하게는, 브러시를 이용하여 상기 탄소섬유 상에 10회 정도로 바를 수 있다. 이는 상기 탄소섬유 상에 상기 혼합용액을 코팅하는 횟수가 적으면 탄소섬유 사이에 전체적으로 균일한 코팅이 어렵고, 반대로 코팅하는 횟수가 너무 많으면 세라믹 분말끼리 뭉쳐져서 불균일한 코팅일 될 수 있기 때문에 상기와 같은 코팅횟수가 가장 적절하다.
또한, 상기 혼합용액을 딥 코팅기(dip coater)를 이용하여 상기 탄소섬유 상에 코팅할 수도 있다.
상기 탄소섬유 상에 코팅된 세라믹 입자는 코팅시간, 고분자 수지와 세라믹 분말의 농도 변화, 또는 하기의 열처리 온도에 따라 탄소섬유 표면에 다른 크기의 입자와 두께로 코팅될 수 있다.
본 발명은 상기 혼합 용액을 탄소섬유 상에 코팅하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 일반적으로 열팽창계수가 다른 세라믹 물질을 탄소섬유 상에 기상 증착하였을 경우에는 코팅층과 기재표면 사이에 열팽창 계수의 차이로 인해 반복되는 열 이력으로 코팅층이 박리되는 현상이 있을 수 있으나, 본 발명은 고분자 수지 및 세라믹 물질로 제조된 혼합용액을 탄소섬유 상에 코팅함으로써 균일한 입자를 포함하는 코팅층을 형성하고, 이로 인해 상기와 같은 열이력으로 인한 박리 현상을 피할 수 있다.
상기 코팅 단계 후 공기 중에서 1차 열처리를 하고, 상기 1차 열처리 후 불활성 기체 하에서 2차 열처리를 하여 탄소섬유 복합재를 제조한다.
상기 1차 열처리 단계는 고분자 수지의 열적 안정성을 높이기 위한 산화 안정화 단계이다. 상기 1차 열처리 단계는, 200℃ 내지 400℃에서 수행될 수 있다. 바람직하게, 상기 1차 열처리 단계는, 200℃ 내지 300℃에서 수행될 수 있다. 상기 1차 열처리 단계는 30분 내지 2시간 동안 수행될 수 있다. 바람직하게, 상기 1차 열처리 단계는 30분 내지 1시간 동안 수행될 수 있다.
상기 2차 열처리 단계는, 1000℃ 내지 1600℃에서 수행될 수 있다. 바람직하게, 상기 2차 열처리 단계는, 1000℃ 내지 1400℃에서 수행될 수 있다. 상기 2차 열처리 단계는 30분 내지 2시간 동안 수행될 수 있다. 바람직하게, 상기 2차 열처리 단계는 30분 내지 1시간 동안 수행될 수 있다.
상기 불활성 기체는 아르곤일 수 있다.
이하에서는, 실험예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 살펴본다. 그러나 본 발명이 실험예에만 한정되는 것은 아니다.
예 1: 고분자 수지와 세라믹 물질의 혼합용액
1.25g의 폴리아크릴로니트릴을 23.75 ml의 DMF 용매에 용해시켜서 고분자 수지 용액 25 ml를 형성하였다. 상기 고분자 수지 용액 2 ml에 2g의 SiC 분말을 혼합하여 5 중량%의 혼합 용액을 형성하였다.
또한, 1.75g의 폴리아크릴로니트릴을 23.75 ml의 DMF 용매에 용해시켜서 고분자 수지 용액 25 ml를 형성하였다. 상기 고분자 수지 용액 2 ml에 2g의 SiC 분말을 혼합하여 7 중량%의 혼합 용액을 형성하였다.
도 3을 참조하면, 전자현미경 사진(도 3a)에서 SiC 세라믹 입자들은 25 내지 30 ㎛의 크기를 갖고, 큰 입자위에 1 ㎛ 이하의 작은 SiC 입자들이 분포되어 있음을 확인하였다. 또한 아르곤 기체하에서 1400℃의 열처리를 통해 작은 SiC 입자들은 SiC 휘스커 (Whisker)의 모양으로 변화됨을 전자현미경 사진(도 3b)을 통해 관찰하였다.
예 2 : 코팅(Coating)
예 1에서 제조된 혼합용액을 탄소섬유 상에 브러시 코팅 (Brush coating) 방법을 사용하여 코팅하였다. 브러시 코팅법은 공정이 매우 간단하고 단시간에 만들 수 있는 장점이 있다.
상기 브러시 코팅 방법을 이용하여, 탄소섬유 상에 상기 혼합용액을 10회 정도 코팅하였다.
그런 다음, 상기 탄소섬유에 폴리아크릴로니트릴과 SiC의 혼합용액을 브러시 코팅한 후, 공기중에서 건조시키고, 1℃/분의 승온 속도로 공기 중에서 200 내지 300℃까지 가온하여 0.5 시간 내지 1 시간 동안 1차 열처리를 하였다. 이후에, 균일한 크기와 두께를 갖는 SiC 입자를 탄소섬유에 코팅시키기 위해 아르곤 기체하에서 10℃/분의 승온 속도로 1000 내지 1400℃까지 가온하여 0.5 시간 내지 1 시간 2차 열처리를 하였다.
상기 탄소섬유에 코팅된 SiC 코팅층은 구형의 SiC 입자가 탄소섬유 상에 분산되어 있는 상태이며, 상기 구형의 SiC 입자 크기는 예1의 5 중량%의 혼합용액인 경우에는 평균 직경이 300 nm이고, 예1의 7 중량%의 혼합용액인 경우에는 평균 직격이 600 nm이다.
상기와 같은 단계들에 의해, SiC가 코팅된 탄소섬유 복합재를 제조하였다.
결과 : 본 발명에 따라, 세라믹 입자가 코팅된 탄소섬유의 구조 분석
도 4를 참조하면, 도 4는 5 중량%와 7 중량%의 농도를 갖는 PAN 수지와 SiC 분말을 1:1 혼합비로 혼합하고 이 용액을 탄소섬유에 코팅하여 산화안정화 후, 1400℃에서 열처리한 탄소섬유 복합재 표면의 고배율 주사전자현미경(SEM) 사진을 보여준다. 5 중량% 농도의 PAN 수지를 이용한 탄소섬유 복합재(도 4a와 4b)는 0.1 내지 0.3㎛ 크기를 갖는 SiC 입자가 형성되었음을 보여주는 반면, 7 중량% PAN 수지의 경우(도 4c와 4d)는 0.5 내지 0.8 ㎛의 직경을 갖고, 구형의 입자의 크기가 크고 밀도가 비교적 낮으며 균일하게 분산되어 탄소섬유에 각각 코팅됨을 알 수 있다.
이와 같은 차이는 농도가 다른 수지 용액에서 점도의 차이가 코팅 물질의 분산도에 영향을 미치기 때문으로 유추된다. 수지 용액의 농도가 낮은 5 중량% 용액에서는 7 중량% 용액에 비해서 점도가 낮아 입자의 분산성이 우수한 반면 7 중량% 용액은 점도가 상대적으로 높아 입자의 분산 균일도가 낮기 때문으로 추측된다.
다른 한편으로는 농도가 다른 두 용액과 분산 입자사이의 계면 장력의 차이에 의한 현상으로 유추할 수 있다. 5 중량% 용액은 분산입자와 계면 장력이 작은 반면 7 중량% 용액은 분산 입자와 계면 장력이 커서 열처리 후 5 중량% 용액은 섬유상에 형성된 입자의 크기가 작고, 7 중량% 용액의 경우는 섬유상에 형성된 입자의 크기가 더 큰 것으로 유추된다.
도 5를 참조하면, SiC가 코팅된 탄소섬유 복합재의 X-선 회절분석 그래프(도 5)로부터 2θ=25.92 위치에서 002 피크가 분명하게 나타남을 통해 섬유를 구성하는 결정립의 흑연화가 잘 발달되어 있음을 알 수 있다. 10l 피크에서는 2θ = 40~42에서 100면과 101면의 피크가 분해되지 않은 것으로 보아 섬유는 대부분 난층 구조(turbostratic structure)를 이루고 있음을 예상할 수 있다. 또한 SiC와 SiO2의 결정 피크를 통해 세라믹 입자가 탄소섬유 기재상에 잘 코팅되었음을 알 수 있다. 이들 세라믹 입자들은 고온의 산화분위기에서 표면에 산소의 투과율이 낮은 비정질막을 형성하여 산화를 방지하는 보호막 역할을 하기 때문에, 탄소섬유의 산화를 억제할 수 있다.
도 6을 참조하면, 도 6에서는 탄소섬유, SiC, 5 중량%의 PAN 수지와 SiC가 1:1의 비율로 혼합된 혼합용액이 코팅된 탄소섬유 복합재, 및 7 중량%의 PAN 수지와 SiC가 1:1의 비율로 혼합된 혼합용액이 코팅된 탄소섬유 복합재의 열중량 측정 분석(Thermogravimetric analysis, TGA) 그래프를 보여준다. 상기 열중량 측정 분석 그래프에서 질량의 변화가 없는 경우가 내산화성이 가장 우수하다. 공기 분위기에서 승온속도 10℃/분, 1000℃까지 가온하여 TGA 분석한 결과, SiC는 무게변화가 거의 없음을 통해 내산화성이 매우 우수한 재료임을 알 수 있다. 탄소섬유는 1000℃ 후 매우 큰 질량감소를 보여주는 반면, 세라믹을 코팅한 탄소섬유 복합재는 내산화성이 80%이상 월등하게 증가되었음을 확인할 수 있었다. 또한 7 중량% PAN 수지에 비해서 5 중량% PAN 수지에서 SiC의 분산상태가 우수하고 그 입자의 크기가 작아 탄소섬유의 표면을 효과적으로 도포할 수 있어 내산화성이 더 우수한 것을 나타낸다.
이하에서는 도면을 참조하여 실시예를 중심으로 본 발명에 의한 카본 히터를 더 상세하게 설명한다.
도 7은 본 발명에 따른 카본 히터의 제1실시예를 보인 종단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에서는, 카본 히터(100)를 구성하는 필라멘트(110)는 내산화 코팅된 탄소 또는 탄소 복합재질로 형성된다. 그리고 탄소 또는 탄소 복합재질에 대한 내산화 코팅은 상술한 본 발명의 실시예에 의한 코팅방법에 의하여 이루어질 것이다.
그리고 상기 필라멘트(110)의 양단부에는 각각 지지부재(120)가 구비된다. 상기 지지부재(120)는, 예를 들면, 소정의 내열성 및 절연성을 가지는 재질로 성형될 수 있다.
한편 상기 필라멘트(110)의 양단부에는 전원단자(130)가 각각 연결된다. 상기 전원단자(130)는, 실질적으로 상기 지지부재(120)를 관통하여 상기 필라멘트(110)의 양단부에 연결된다. 상기 전원단자(130)는 상기 필라멘트(110)에 전원을 공급한다.
실질적으로 본 실시예에서는, 일반적인 카본 히터와 상이하게 튜브가 삭제된다. 이는 상기 필라멘트(110)가 산화방지를 위하여 내산화 코팅됨으로써, 상기 필라멘트(110)의 산화를 방지하기 위하여 상기 필라멘트(110)를 튜브의 내부에 밀봉하거나 상기 튜브의 내부에 불활성 기체를 봉입할 필요성이 없기 때문이다.
도 8은 본 발명에 따른 카본 히터의 제2실시예를 보인 종단면도이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에서는, 내산성 코팅된 탄소 또는 탄소 복합재질로 형성된 필라멘트(210)가 튜브(240)의 내부에 위치된다. 상기 튜브(240)는 양단부가 개구되는 중공으로 형성된다. 본 실시예에서는, 상기 튜브(240)가 소정의 길이를 가지는 바아 형상으로 형성되지만, 상기 튜브(240)의 형상이 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고 상기 튜브(240)의 양단부에는 차폐부재(220)가 구비된다. 상기 차폐부재(220)는 상기 튜브(240)의 양단부를 차폐한다. 상기 차폐부재(220)는, 상술한 본 발명에 의한 카본 히터의 제1실시예의 지지부재(220)와 동일한 재질로 성형될 수 있다. 이때 상기 차폐부재(220)는, 상기 튜브(240)를 밀봉하지 않고, 예를 들면, 억지끼움 등에 의하여 상기 튜브(240)의 양단부에 고정된다.
상기 필라멘트(210)의 양단부에는 전원단자(230)가 연결된다. 상기 전원단자(230)는 상기 필라멘트(210)에 전원을 공급하기 위한 것으로, 상기 차폐부재(220)를 관통하여 상기 필라멘트(210)의 양단부에 연결된다.
본 실시예에서는, 상기 튜브(240)가 상기 필라멘트(210)를 진공 또는 불활성 기체 상 위치되도록 밀봉하는 역할을 수행하지 않고, 상기 필라멘트(210)를 보호하는 역할 또는 상기 필라멘트(210)를 외부로부터 차폐하는 역할만을 수행한다. 따라서 상기 튜브(240)의 양단부가 개구되어도 무방하고, 상기 튜브(240)의 양단부는 단순히 상기 차폐부재(220)에 의하여 차폐된다. 이는 상기 필라멘트(210)가 내산성 코팅됨으로써 가능한 것이다.
이하에서는 도면을 참조하여 실시예를 중심으로 본 발명에 의한 조리기기를 더 상세하게 설명한다.
도 9는 본 발명에 따른 조리기기의 실시예를 개략적으로 보인 종단면도이다.
도 9를 참조하면, 캐비티(10)의 내부에는 조리실(11)이 구비된다. 상기 조리실(11)은 조리물의 조리가 이루어지는 곳이다. 상기 조리실(11)은 도어(미도시)에 의하여 선택적으로 개폐된다.
그리고 상기 캐비티(10)의 상면에는 전달개구(13)가 형성된다. 상기 전달개구(13)는 상기 조리실(11)의 내부로 아래에서 설명할 카본 히터(200)의 에너지를 전달하기 위한 것이다. 상기 전달개구(13)는 상기 캐비티(10)의 상면 일부가 절개되어 형성된다.
상기 캐비티(10)의 상면에는 카본 히터(200)가 설치된다. 상기 카본 히터(200)는 상기 전달개구(13)의 상방에 해당하는 상기 캐비티(10)의 상면에 설치된다. 상기 카본 히터(200)는 상기 조리실(11)의 내부에서 조리물의 조리를 위한 에너지, 예를 들면, 빛 및 열에너지를 제공한다. 도 9에는, 상기 카본 히터(200)가, 도 8에 도시된 본 발명의 제2실시예에 의한 카본 히터와 동일한 것으로 도시되어 있다. 그러나 상기 카본 히터(200)로는, 도 7에 도시된 본 발명의 제1실시예에 의한 카본 히터가 사용될 수도 있다.
상기 카본 히터(200)를 리플렉터(20)가 차폐한다. 상기 리플렉터(20)는 상기 카본 히터(200)의 에너지를 상기 조리실(11)의 내부로 반사하는 역할을 한다. 또한 상기 리플렉터(20)는, 상기 카본 히터(200)의 에너지가 외부로 누설되는 현상을 방지하는 역할도 한다.
따라서 본 실시예에서는, 상기 카본 히터(200)가 동작되면, 상기 카본 히터(200)에서 발생되는 에너지가 상기 전달개구(13)를 통하여 상기 조리실(11)의 내부로 전달된다. 이때 상기 카본 히터(200)의 에너지는, 상기 리플렉터(20)에 의하여 상기 조리실(11)의 내부로 반사된다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 평균적 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (16)

  1. 고분자 수지를 용매에 용해시켜서 고분자 수지 용액을 형성하는 단계;
    상기 고분자 수지 용액에 세라믹 분말을 분산시켜서 혼합 용액을 형성하는 단계;
    상기 혼합 용액을 탄소섬유에 코팅하는 단계;
    상기 코팅 단계 후 공기 중에서 1차 열처리하는 단계; 및
    상기 1차 열처리 후 불활성 기체 하에서 2차 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소/탄소 복합재료의 내산화 코팅방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 수지는, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리이미드(polyimide), 및 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole), 폴리비닐알콜(polyvinylalcohol, PVA)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소/탄소 복합재료의 내산화 코팅방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 5 내지 10 중량%의 비율로 용해되는 것을 특징으로 하는 탄소/탄소 복합재료의 내산화 코팅방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 용매는, THF(tetrahydrofuran), DMF(dimethylformamide), DMAc(dimethylacetamide), 피리딘(pyridine), 퀴놀린(quinoline), 및 물(H2O)로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소/탄소 복합재료의 내산화 코팅방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 물질은 탄화규소(SiC), 질화규소(Si3N4), 및 탄화티타늄(TiC)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 탄소/탄소 복합재료의 내산화 코팅방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 세라믹 분말은, 상기 고분자 수지에 대해 중량을 기준으로 1:0.5 내지 1:2의 비율로 분산되는 것을 특징으로 하는 탄소/탄소 복합재료의 내산화 코팅방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅은, 브러시(brush) 또는 롤(roll) 코팅에 의한 것을 특징으로 하는 탄소/탄소 복합재료의 내산화 코팅방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 열처리 단계는, 200℃ 내지 400℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소/탄소 복합재료의 내산화 코팅방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 불활성 기체는 아르곤인 것을 특징으로 하는 탄소/탄소 복합재료의 내산화 코팅방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차 열처리 단계는, 1000℃ 내지 1600℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 탄소/탄소 복합재료의 내산화 코팅방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 열처리 단계에서는 상기 2차 열처리 단계에서 비하여 상대적으로 더 높은 온도로 열처리가 수행되는 탄소/탄소 복합재료의 내산화 코팅방법.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항의 코팅방법에 의하여 내산화 코팅된 탄소 또는 탄소 복합재료로 성형되는 필라멘트; 및
    상기 필라멘트의 양단부에 구비되고, 상기 필라멘트에 전원을 공급하는 단자; 를 포함하는 카본 히터.
  13. 제 12 항에 있어서,
    양단부가 개구되는 중공으로 형성되고, 상기 필라멘트가 그 내부에 위치되는 튜브를 더 포함하는 카본 히터.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 튜브의 양단부를 차폐하는 차폐부재를 더 포함하는 카본 히터.
  15. 조리실이 구비되는 캐비티;
    상기 조리실의 내부에서의 조리물의 조리를 위한 에너지를 제공하는 제 12 항의 카본 히터;
    상기 카본 히터의 에너지를 상기 조리실의 내부로 반사시키는 리플렉터; 및
    상기 조리실을 선택적으로 개폐하는 도어; 를 포함하는 조리기기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 카본 히터는,
    양단부가 개구되는 중공으로 형성되고, 상기 필라멘트가 그 내부에 위치되는 튜브; 및
    상기 튜브의 양단부를 차폐하는 차폐부재; 를 더 포함하는 조리기기.
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