KR20140130612A - 탄소 섬유 제조를 위한 열처리 장치 및 이를 구비한 탄소 섬유 제조 시스템 - Google Patents

탄소 섬유 제조를 위한 열처리 장치 및 이를 구비한 탄소 섬유 제조 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소 섬유 제조를 위한 열처리 장치 및 이를 구비한 탄소 섬유 제조 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 탄소 섬유 제조를 위한 열처리 장치는 입구와 출구 그리고 내부 열처리 공간을 갖고 상기 입구와 상기 출구 사이에서 상기 내부 열처리 공간을 지나며 이동과 정지를 반복하는 전구체 섬유를 정지 상태에서 단속적으로 열처리 공정을 수행하는 열처리 챔버와, 상기 열처리 챔버 내부에 간격을 두고 구비되며 상기 전구체 섬유가 이동 중일 때에는 분리되고 정지 중일 때에는 상기 전구체 섬유에 접촉하는 전원 전극과 접지 전극을 포함하는 하나 이상의 단속 전극쌍과, 상기 단속 전극을 상기 전구체 섬유에 접촉시키거나 분리시키도록 동작시키는 제1 구동 모듈; 상기 전원 전극으로 전력을 공급하기 위한 전원 공급원 및 상기 전구체 섬유의 열처리를 위하여 상기 제1 구동 모듈을 제어하는 제어부를 포함한다. 본 발명의 탄소 섬유 제조를 위한 열처리 장치 및 이를 구비한 탄소 섬유 제조 시스템을 이용하면 전기 저항에 의해 전구체 섬유 자체를 발열시킴으로써, 탄화공정에서 투입되는 에너지 비용을 줄일 수 있다. 또한 전구체 섬유를 정지한 후 단속 전극을 접촉하여 열처리함으로써 전극 접촉부의 압력을 최소화할 수 있어, 전구체 섬유의 전기 접촉부의 벤딩이나 압력에 의한 탄소섬유의 품질저하를 막을 수 있다. 또한 버퍼링 모듈을 이용하여 탄소섬유 제조 시스템의 열처리 단계에서 전구체 섬유의 이동을 정지할 때, 열처리 전 단계에서 출력되는 전구체 섬유를 버퍼링할 수 있어 시스템 전반에 걸쳐 전구체 섬유의 이송을 유지하며 연결 공정과 일련의 연속 공정을 수행할 수 있어 생산성 향상을 이룰 수 있다. 또한 복수 개의 단속 전극쌍을 이용하여 하나의 열처리 챔버에서 여러 단계의 열처리를 수행할 수 있다.

Description

탄소 섬유 제조를 위한 열처리 장치 및 이를 구비한 탄소 섬유 제조 시스템{HEAT TREATMENT APPARATUS FOR CARBON FIBER MANUFACTURE AND CARBON FIBER MANUFACTURE SYSTEM WITH THE SAME}
본 발명은 탄소 섬유 제조를 위한 열처리 장치 및 이를 구비한 탄소 섬유 제조 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전도성 피처리 섬유의 이동을 정지시킨 후 단속 전극을 이용하여 자체 저항 발열되도록하여 탄소섬유를 제조하는 탄소 섬유 제조를 위한 열처리 장치 및 이를 구비한 탄소 섬유 제조 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 탄소섬유는 적어도 90% 이상의 탄소로 이루어진 섬유를 칭하는 것으로서, 항공, 레저, 자동차, 조선, 특수산업에 고강도/고탄성의 경량화 소재로 활용되고 있다. 탄소섬유는 제조방법 및 출원원료에 따라 폴리아크릴로니트릴계(PAN:polyacrylonitrile), 핏치계(Pitch), 레이온계(Rayon) 탄소섬유로 구별되어진다. 특히 폴리아크릴로니트릴계 탄소섬유는 높은 인장강도 및 전단강도를 지닌 고기능성 충전재로서 우주 및 항공분야에 소비되어 왔으며, 핏치계의 경우 값싼 범용성 탄소섬유로서 많은 기능성을 내포하고 있다. 탄소섬유의 대표적인 특성은 강철에 비해 1/5로 가볍고, 10배 정도 강도가 세며 높은 탄성률을 갖는다.
탄소섬유의 제조방법은 전구체로서 레이온, 핏치 또는 폴리아크릴로니트릴을 중합 방사하여 섬유를 제조하고, 이 전구체 섬유를 열처리하여 얻는 것이 일반적이다. 여기서 열처리 과정을 간략하게 설명하면 다음과 같다. 전구체 섬유는 공기 분위기에서 200 ~ 300℃의 온도로 산화시키는 안정화 단계를 거치게 된다. 산화 안정화는 전구체 섬유가 탄화과정에서 융착되거나 분해되지 않도록 분자간에 가교결합을 시켜주는데 목적이 있다. 안정화 단계를 거친 전구체 섬유는 불활성 분위기에서 1000 ~ 1500℃로 열처리하는 탄화 단계 및 2500 ~ 3000℃에서 열처리하는 흑연화 단계를 거쳐 탄소섬유를 제조하게 된다. 탄화 단계는 절연성 전구체 섬유에 소정의 전도성을 부여하기 위한 저온 탄화 공정과 전도성이 부여된 전구체 섬유를 열처리하기 위한 고온 탄화 공정으로 나뉜다.
탄소섬유 제조를 위한 열처리 단계는 탄소섬유 제조에 있어서 중요한 단계이다. 즉, 열처리 단계에서의 미세한 온도 차이나 온도 변화는 탄소섬유의 제조에 영향을 미칠 수 있다. 그러므로 보다 높은 품질의 탄소섬유를 제조하기 위해서는 열처리 단계에서 안정적으로 전구체 섬유를 처리하기 위한 기술이 요구된다.
전구체 섬유의 열처리 방법은 전구체 섬유의 외부에서 열을 가하는 방식과 저항발열 방식으로 전구체 섬유 자체를 발열시키는 방식이 있다. 이중에서 저항발열 방식은 전도성 피처리 섬유인 전구체 섬유에 전원이 인가된 전극을 접촉하면 전구체 섬유에 전류가 흘러 전구체 섬유 자체를 발열시키는 것이다. 여기서, 전구체 섬유는 이동되면서 전극에 접촉한다. 전구체 섬유는 이동하면서 전극에 접촉되기 때문에 전구체 섬유와 전극 사이의 접촉부의 압력에 의해 전구체 섬유가 끊어지거나 손상이 발생될 수 있는 문제점이 있다. 또한 여러 단계로 열처리를 수행하기 위해 다수 개의 열처리 장치를 구비하여야 하므로 설비에 많은 비용이 소요된다.
본 발명의 목적은 전구체 섬유의 이송을 정지한 후 단속 전극쌍을 이용하여 전구체 섬유를 발열시켜 발열 효율을 높일 수 있는 탄소 섬유 제조를 위한 열처리 장치 및 이를 구비한 탄소 섬유 제조 시스템을 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 또 다른 목적은 탄소 섬유 제조 시스템에서 전구체 섬유의 이송을 정지한 후 열처리를 진행하는 동안 열처리 단계 전단에서 출력되는 전구체 섬유를 버퍼링하여 이웃한 연속 처리 공정과 연속할 수 있는 탄소 섬유 제조를 위한 열처리 장치 및 이를 구비한 탄소 섬유 제조 시스템을 제공하는데 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일면은 탄소 섬유 제조를 위한 열처리 장치 및 이를 구비한 탄소 섬유 제조 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 탄소 섬유 제조를 위한 열처리 장치는 입구와 출구 그리고 내부 열처리 공간을 갖고 상기 입구와 상기 출구 사이에서 상기 내부 열처리 공간을 지나며 이동과 정지를 반복하는 전구체 섬유를 정지 상태에서 단속적으로 열처리 공정을 수행하는 열처리 챔버; 상기 열처리 챔버 내부에 간격을 두고 구비되며 상기 전구체 섬유가 이동 중일 때에는 분리되고 정지 중일 때에는 상기 전구체 섬유에 접촉하는 전원 전극과 접지 전극을 포함하는 하나 이상의 단속 전극쌍; 상기 단속 전극을 상기 전구체 섬유에 접촉시키거나 분리시키도록 동작시키는 제1 구동 모듈; 상기 전원 전극으로 전력을 공급하기 위한 전원 공급원; 및 상기 전구체 섬유의 열처리를 위하여 상기 제1 구동 모듈을 제어하는 제어부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 단속 전극쌍이 상기 전구체 섬유에 접촉할 때 상기 전구체 섬유가 상기 단속 전극쌍에 밀착되도록 상기 전구체 섬유에 접촉하여 밀거나 당기는 하나 이상의 절연 부재; 및 상기 절연 부재를 상기 전구체 섬유에 접촉시켜 밀거나 당기도록 동작시키는 제2 구동 모듈을 포함하고, 상기 제어부는 상기 제1 구동 모듈과 상기 제2 구동 모듈이 연동하도록 제어한다.
일 실시예에 있어서, 상기 절연 부재와 상기 단속 전극쌍은 상기 전구체 섬유에 접촉될 때 상기 전구체 섬유가 상기 절연 부재와 상기 단속 전극쌍 사이에서 엇 교차하는 구조를 갖는다.
일 실시예에 있어서, 단속에 의해 상기 전구체 섬유가 매회 이동되는 거리는 상기 전구체 섬유가 저항 발열되는 구간의 길이보다 상대적으로 짧게 이동한다.
일 실시예에 있어서, 상기 하나 이상의 단속 전극쌍은 서로 다른 크기의 전압이 공급되는 복수개의 단속 전극쌍을 포함하되, 상기 서로 다른 전압은 상기 전구체 섬유의 이동 방향으로 갈수록 상대적으로 높은 전압을 갖는다.
일 실시예에 있어서, 상기 열처리 챔버 내에서 진행되는 단속적인 열처리 공정을 이웃한 연속 처리 공정과 연결하기 위하여 상기 열처리 챔버의 전단 또는 후단에서 전구체 섬유를 버퍼링하기 위한 버퍼 모듈을 포함한다.
본 발명의 탄소 섬유 제조 시스템은 전구체 섬유가 내부에서 연속적으로 이동되는 상태에서 제1 단계 열처리를 수행하는 제1 열처리 챔버; 상기 제1 단계 열처리된 전구체 섬유를 정지된 상태에서 제2 단계 열처리를 수행하는 제2 열처리 챔버; 및 상기 제1 열처리 챔버와 상기 제2 열처리 챔버 사이에 구성되어 상기 제2 열처리 챔버가 상기 제2 단계 열처리를 수행하는 동안 상기 제1 열처리 챔버에서 배출되는 상기 제1 단계 열처리된 전구체 섬유를 버퍼링하는 버퍼 모듈을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 열처리 챔버는 상기 전구체 섬유를 복사 또는 대류를 수단으로 하는 분위기 가열을 통하여 상기 전구체 섬유가 전도성을 갖도록 하는 저온 탄화 공정을 수행한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 열처리 챔버는 상기 전구체 섬유가 정지 상태일 때 상기 전구체 섬유에 접촉하여 상기 전구체 섬유에 전력을 공급하는 단속 전극쌍을 구비하고, 상기 전구체 섬유가 정지 상태에서 저항 발열하도록 단속적으로 열처리하는 고온 탄화 공정을 수행한다.
본 발명의 탄소 섬유 제조를 위한 열처리 장치 및 이를 구비한 탄소 섬유 제조 시스템을 이용하면 전기 저항에 의해 전구체 섬유 자체를 발열시킴으로써, 탄화공정에서 투입되는 에너지 비용을 줄일 수 있다. 또한 전구체 섬유를 정지한 후 단속 전극을 접촉하여 열처리함으로써 전극 접촉부의 압력을 최소화할 수 있어, 전구체 섬유의 전기 접촉부의 벤딩이나 압력에 의한 탄소섬유의 품질저하를 막을 수 있다. 또한 버퍼링 모듈을 이용하여 탄소섬유 제조 시스템의 열처리 단계에서 전구체 섬유의 이동을 정지할 때, 열처리 전 단계에서 출력되는 전구체 섬유를 버퍼링할 수 있어 시스템 전반에 걸쳐 전구체 섬유의 이송을 유지하며 연결 공정과 일련의 연속 공정을 수행할 수 있어 생산성 향상을 이룰 수 있다. 또한 복수 개의 단속 전극쌍을 이용하여 하나의 열처리 챔버에서 여러 단계의 열처리를 수행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소 섬유 제조 시스템을 간략하게 도시한 도면이다.
도 2는 제2 열처리 챔버의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 전구체 섬유와 단속 전극 쌍의 접촉 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 제2 열처리 챔버에서 전구체 섬유를 열처리하는 과정을 도시한 순서도이다.
도 5는 열처리된 탄소 섬유를 이송하는 과정을 도시한 도면이다.
도 6은 복수 개의 단속 전극 쌍을 갖는 제2 열처리 챔버의 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소 섬유 제조 시스템을 간략하게 도시한 도면이다.
도 8은 버퍼 모듈의 동작 상태를 도시한 도면이다.
도 9는 버퍼 모듈을 이용한 탄소 섬유 제조 방법을 도시한 순서도이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되어지는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소 섬유 제조 시스템을 간략하게 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 탄소 섬유 제조 시스템(100)은 전구체 섬유(105)를 열처리하기 위한 제1, 2 열처리 챔버(300, 500)와 전구체 섬유(105)의 긴장도를 조절하기 위한 텐션 제어부(200) 및 전구체 섬유(105)를 이송하기 위한 롤러(102)를 포함한다.
제1 열처리 챔버(300)는 롤러(102)에 의해 이송되는 전구체 섬유(105)가 내부 열처리 공간으로 유입되는 입구와 내부 열처리 공간에서 열처리된 전구체 섬유(105)가 배출되는 출구를 갖는다. 제1 열처리 챔버(300)는 전구체 섬유(105)가 유입 및 배출되는 입, 출구에 챔버 내부로 공기가 유입되는 것을 차단하기 위한 제1, 2 공기 차단부(302, 304)가 구비된다. 예를 들어, 제1, 2 공기 차단부(302, 304)는 질소(N2) 가스를 상부에서 하부로 분사함으로써 질소(N2) 커튼막을 형성하는 방식으로 외부 공기를 차단한다. 제1 열처리 챔버(300)는 600 ~ 1000 ℃의 불활성 분위기에서 복사 및 대류를 수단으로 전구체 섬유(105)를 1차 가열하여 전구체 섬유(105)가 전도성을 갖도록 하는 저온 탄화 공정을 수행한다,
제2 열처리 챔버(500)는 제1 열처리 챔버(300)의 후단에 설치되어 제1 열처리 챔버(300)에 의해 열처리된 전구체 섬유(105)를 열처리한다. 제2 열처리 챔버(500)는 내부 열처리 공간으로 전구체 섬유(105)가 유입되는 입구와 내부 열처리 공간에서 열처리된 탄소섬유가 배출되는 출구를 갖는다. 제1 열처리 챔버(300)에서 1차 열처리되어 소정의 전도성을 갖는 전구체 섬유(105)는 제2 열처리 챔버(500)에서 전극을 이용한 저항가열로 고온 탄화 공정이 수행된다.
텐션 제어부(200)는 롤러(102)에 의해 이송되는 전구체 섬유(105)의 긴장도를 조절하기 위한 구성으로, 제1 열처리 챔버(300)의 전단과, 제1 열처리 챔버(300)와 제2 열처리 챔버(500) 사이와, 제2 열처리 챔버(500)의 후단에 각각 설치된다.
롤러(102)는 탄소 섬유 제조 시스템(100)의 텐션 제어부(200)와 제1, 2 열처리 챔버(300, 500)의 내부를 전구체 섬유(105)가 지나면서 이송될 수 있도록 구성된다.
저항가열 방식은 전구체 섬유(105)에 전력이 인가된 전극을 접촉시킴으로써 전구체 섬유(105)를 저항가열하는 것으로, 종래에는 전구체 섬유(105)를 계속 이동하면서 전극을 접촉하여 열처리하였다. 그러나 본 발명에서는 제2 열처리 챔버(500) 내부로 유입된 전구체 섬유(105)의 이송을 정지한 후, 정지된 전구체 섬유(105)에 전원 전극과 접지 전극을 포함하는 단속 전극쌍을 접촉하여 단속적으로 전구체 섬유(105)를 저항발열시킨다. 단속 전극쌍이 접촉된 전구체 섬유(105)는 정지된 상태에서 전류가 안정적으로 흐를 수 있어 안정적이면서 완전한 저항발열이 이루어진다. 이하에서는 제2 열처리 챔버(500)의 내부 구성 및 단속 전극쌍을 이용한 전구체 섬유(105)의 저항발열 과정을 상세히 설명한다.
도 2는 제2 열처리 챔버의 구성을 도시한 도면이고, 도 3은 전구체 섬유와 단속 전극 쌍의 접촉 상태를 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 열처리 챔버(500)는 챔버 몸체(501)와, 전구체 섬유(105)의 길이방향을 따라 설치되는 제1, 2, 3 전극(512, 522, 532)과, 이를 구동하기 위한 제1, 2, 3 전극 구동 모듈(510, 520, 530)과, 전구체 섬유(105)를 제1, 2, 3 전극(512, 522, 532)에 접촉되도록 하기 위한 제1, 2, 3 절연 부재(564, 574, 584)와, 이를 구동하기 위한 제1, 2, 3 절연 부재 구동 모듈(560, 570, 580) 및 제어부(590)로 구성된다.
챔버 몸체(501)는 내부에 열처리 공간을 갖고 전구체 섬유(105)가 유입되는 입구와 전구체 섬유(105)가 배출되는 출구를 갖는다. 입구와 출구에는 챔버 몸체(501) 내부로 외부 공기가 유입되는 것을 차단하기 위한 제1, 2 공기 차단부(502, 504)가 구비된다. 여기서, 제1, 2 공기 차단부(502, 504)는 질소(N2) 가스를 이용한 커튼막 형성 방식을 사용할 수 있다. 질소(N2) 가스를 제1, 2 공기 차단부(502, 504)의 상부에 구비된 가스 주입구(502a, 502b)로 주입하고, 제1, 2 공기 차단부(502, 504)의 하부에 구비된 가스 배출구(502b, 504b)로 배출시킴으로써, 질소(N2) 가스를 이용한 공기 차단을 이룰 수 있다. 챔버 몸체(501)의 상부에는 가스 공급구(505)가 구비되어 가스 공급원(506)로부터 공정가스를 공급받는다. 또한 챔버 몸체(501)의 하부에는 배기 가스를 배출하기 위한 배기구(507)가 배기펌프(509)와 연결된다.
제1, 2, 3 전극(512, 522, 532)은 챔버 몸체(501) 내부를 지나는 전구체 섬유(105)의 하부에 위치하도록 챔버 몸체(501)의 내부에 소정의 간격을 두고 설치된다. 전원 공급원(414)과 연결되어 전력을 공급받는 제1 전극(512)을 중심으로 양측으로 접지(524, 534)로 연결된 제2, 3 전극(522, 532)이 설치된다. 제1, 2, 3 전극(512, 522, 532)에 전구체 섬유(105)가 접촉되면, 제1 전극(512)에서 공급된 전류가 전구체 섬유(105)를 따라 제2, 3 전극(522, 532)으로 흘러 전구체 섬유(105)가 발열된다. 제1 전극(512)에는 직류 전원(515)이 연결될 수도 있다.
제1, 2, 3 전극 구동 모듈(510, 520, 530)은 제1, 2, 3 전극(512, 522, 532)에 설치되어 제1, 2, 3 전극(512, 522, 532)을 전구체 섬유(105)에 접촉시키거나 분리시키도록 상하 이동한다.
제1 전극 구동 모듈(510)은 제1 전극(512)에 연결된 제1 전극 구동축(518)과, 제1 전극 구동축(518)을 상하로 수직 이동시키기 위한 제1 전극 구동부(516)로 구성된다. 제1 전극(512)과 제1 전극 구동부(516) 사이에는 전기적 절연을 위한 절연부(519)를 갖는다. 제2 전극 구동 모듈(520)는 제2 전극(522)에 연결된 제2 전극 구동축(528)과, 제2 전극 구동축(528)을 상하 수직 이동시키기 위한 제2 전극 구동부(526)로 구성된다. 제2 전극(522)과 제2 전극 구동부(526) 사이에는 전기적 절연을 위한 절연부(529)를 갖는다. 제3 전극 구동 모듈(530)는 제3 전극(532)에 연결된 제3 전극 구동축(538)과, 제3 전극 구동축(538)을 상하 수직 이동시키기 위한 제3 전극 구동부(536)로 구성된다. 제3 전극(532)과 제3 전극 구동부(536) 사이에는 전기적 절연을 위한 절연부(539)를 갖는다. 제1, 2, 3 전극 구동축(518, 528, 538)은 챔버 몸체(501)의 외부에 구비된 제1, 2, 3 전극 구동부(516,526, 536)와 챔버 몸체(501) 내부에 구비된 제1, 2, 3 전극(512, 522, 532)을 연결한다. 그러므로 챔버 몸체(501)와 제1, 2, 3 전극 구동축(518, 528, 538) 사이에는 챔버 몸체(501)의 밀폐를 위한 실링(508)이 구비된다. 실링(508)은 절연 피드쓰루(feedthrough)로 구성될 수 있다. 또한 제1, 2, 3 전극 구동부(516, 526, 536)는 제1, 2, 3 전극 구동축(518, 528, 538)을 상하 이동시키기 위한 실린더 구조로 구성될 수 있다.
제1, 2, 3 절연 부재(564, 574, 584)는 전구체 섬유(105)를 중심으로 제1, 2, 3 전극(512, 522, 532)와 마주하도록 챔버 몸체(501)의 상부에 설치된다. 제1, 2, 3 절연 부재(564, 574, 584)는 전구체 섬유(105)와 제1, 2, 3 전극(512, 522, 532)이 접촉될 때, 전구체 섬유(105)가 제1, 2, 3 전극(512, 522, 532)에 밀착되도록 전구체 섬유(105)에 접촉하여 아래를 향한다. 전구체 섬유(105)는 제1, 2, 3 전극(512, 522, 532)에 밀착되어 열처리가 진행되기 때문에 접촉면이 넓어져 전구체 섬유(105)의 전도 효율이 증대된다. 제1, 2, 3 절연 부재(564, 574, 584)는 전구체 섬유(105)를 제1, 2, 3 전극(512, 522, 532) 방향으로 밀거나 당김으로써, 전구체 섬유(105)와 제1, 2, 3 전극(512, 522, 532)이 밀착되도록 구동된다. 본 발명에서는 일 실시예로 제1, 2, 3 절연 부재(564, 674, 584)는 각각 두 개로 구성되고, 전구체 섬유(105)가 제1, 2, 3 절연 부재(564, 674, 584)와 제1, 2, 3 전극(512, 522, 532) 사이에서 엇 교차하여 접촉함으로써, 접촉부의 접촉 압력을 최소화할 수 있다.
제1, 2, 3 절연 부재 구동 모듈(560, 570, 580)은 제1, 2, 3 절연 부재(564, 574, 584)에 설치되어 제1, 2, 3 절연 부재(564, 574, 584)를 전구체 섬유(105)에 접촉시키거나 분리시키도록 상하 이동한다. 제1 절연 부재 구동 모듈(560)은 제1 절연 부재(564)에 연결된 제1 구동축(563)과, 제1 구동축(563)을 상하로 수직 이동시키기 위한 제1 구동부(562)로 구성된다. 제1 절연 부재(564)와 제1 전극 구동부(562) 사이에는 전기적 절연을 위한 절연부(563)를 갖는다. 제2 절연 부재 구동 모듈(570)은 제2 절연 부재(574)에 연결된 제2 구동축(573)과, 제2 구동축(573)을 상하로 수직 이동시키기 위한 제2 구동부(572)로 구성된다. 제2 절연 부재(574)와 제2 전극 구동부(572) 사이에는 전기적 절연을 위한 절연부(573)를 갖는다. 제3 절연 부재 구동 모듈(580)은 제3 절연 부재(584)에 연결된 제3 구동축(583)과, 제3 구동축(583)을 상하로 수직 이동시키기 위한 제3 구동부(582)로 구성된다. 제3 절연 부재(584)와 제3 전극 구동부(582) 사이에는 전기적 절연을 위한 절연부(583)를 갖는다. 또한 제1, 2, 3 구동축(563, 573, 583)과 챔버 몸체(501) 사이에도 실링(508)이 구비되고, 실링(508)은 절연 피드쓰루(feedthrough)로 구성될 수 있다. 제1, 2, 3 구동부(562, 572, 582)는 제1, 2, 3 구동축(563, 573, 583)을 상하 이동시키기 위한 실린더 구조로 구성될 수 있다.
제어부(590)는 제1, 2, 3 전극 구동 모듈(510, 520, 530)과 제1, 2, 3 절연 부재 구동 모듈(560, 570, 580)을 제어한다. 제어부(590)는 열처리를 위해 전구체 섬유(105)의 이동을 정지하면, 제1, 2, 3 전극 구동부(516, 526, 536)와 제1, 2, 3 구동부(562, 572, 582)가 구동되도록 제어하여 전구체 섬유(105)에 제1, 2, 3 전극(512, 522, 532)과 제1, 2, 3 절연 부재(564, 574, 584)가 접촉하도록 한다. 전구체 섬유(105)의 열처리가 완료되면, 전구체 섬유(105)에서 제1, 2, 3 전극(512, 522, 532)과 제1, 2, 3 절연 부재(564, 574, 584)가 분리될 수 있도록 제1, 2, 3 전극 구동부(516, 526, 536)와 제1, 2, 3 구동부(562, 572, 582)를 구동한다. 제어부(590)는 전구체 섬유(105)가 열처리를 위해 이송이 정지되거나 열처리 전, 후에이송되면, 제1, 2, 3 전극 구동 모듈(510, 520, 530)과 제1, 2, 3 절연 부재 구동모듈(560, 570, 580)이 연동되어 구동될 수 있도록 제어한다.
도 4는 제2 열처리 챔버에서 전구체 섬유를 열처리하는 과정을 도시한 순서도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제2 열처리 챔버(500)에서 전구체 섬유를 열처리하는 과정을 설명하면, 탄소 섬유 제조 시스템(100)에서 제1 열처리 챔버(300)에서 열처리된 일정 길이의 전구체 섬유(105)는 제2 열처리 챔버(500) 내부로 이송된다(S100). 제2 열처리 챔버(500) 내부로 이송된 전구체 섬유(105)는 열처리를 위해 이송이 정지된다(S200). 정지된 전구체 섬유(105)에 단속 전극 쌍인 제1, 2, 3 전극(512, 522, 532)을 접촉시킨다. 제어부(590)는 전구체 섬유(105)의 이동이 정지되면 제1, 2, 3 전극 구동 모듈(510, 520, 530)을 구동하여 제1, 2, 3 전극(512, 522, 532)을 상승시켜 전구체 섬유(105)에 접하도록 한다. 여기서, 제1, 2, 3 전극(512, 522, 532)에 전구체 섬유(105)가 밀착될 수 있도록 전구체 섬유(105)에 제 1, 2, 3 절연 부재(564, 574, 584)를 접촉시킨다. 제어부(590)는 제1, 2, 3 절연 부재 구동 모듈(560, 570, 580)를 구동하여 제 1, 2, 3 절연 부재(564, 574, 584)를 하강시켜 전구체 섬유(105)에 접하도록 한다(S300). 전구체 섬유(105)에 접촉된 제1 전극(512)에 전원을 공급하면(S400), 전류는 전구체 섬유(105)를 통해 제2, 3 전극(522, 532)으로 흘러 접지로 전달된다. 그러므로 제2 전극(522)과 제3 전극(532) 사이의 통전 구간에서 전구체 섬유(105)는 자체 저항 발열되어 열처리된다(S500). 열처리가 완료되면 제1 전극(512)에 전원 공급을 종료하고(S600), 제어부(590)는 제1, 2, 3 전극 구동 모듈(510, 520, 530)과 제1, 2, 3 절연 부재 구동 모듈(560, 570, 580)을 구동하여 제1, 2, 3 전극(512, 522, 532)과 제1, 2, 3 절연 부재(564, 574, 584)를 전구체 섬유(105)에서 분리한다(S700). 정지되었던 전구체 섬유(105)는 열처리가 완료되면 다시 이송이 개시된다(S800).
상기에 설명한 방식으로 여러 번의 단속 열처리 단계를 진행하면서 전구체 섬유(105)를 열처리할 수 있다. 본 발명에서는 전구체 섬유(105)는 제2 열처리 챔버(500)의 내부에서 이송이 정지된 상태로 단속 전극쌍에 의해 자체 저항 발열된다. 그러므로 종래의 이송중인 전구체 섬유(105)에 비해 전극과의 접촉부가 안정적으로 유지되고, 전구체 섬유(105)에 안정적으로 전류가 흐르게 되어 보다 효율적인 열처리가 이루어질 수 있다.
도 5는 열처리된 탄소섬유를 이송하는 과정을 도시한 도면이다.
도 5(a)에 도시된 바와 같이, 제1, 2, 3 전극(512, 522, 532)에 접하여 열처리된 전구체 섬유(105)는 제1, 2, 3 전극(512, 522, 532)과 분리된 후 이송된다. 여기서, 열처리된 전구체 섬유(105)의 이동 거리는 저항 발열 구간인 제2 전극(522)과 제3 전극(532) 사이의 길이보다 짧도록 한다. 다시 말해, 열처리 된 전구체 섬유(105)의 이동시, 열처리 된 전구체 섬유(105)의 일부가 저항 발열 구간에 다시 포함되어 중첩적으로 열처리된다. 이러한 중첩 열처리 구간을 형성함으로써, 전구체 섬유(105)가 열처리 되지 않고 이송되는 경우를 미연에 방지할 수 있다.
도 6은 복수 개의 단속 전극 쌍을 갖는 제2 열처리 챔버의 구성을 도시한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제2 열처리 모듈(500a)은 전원 전극과 접지 전극으로 구성된 복수 개의 단속 전극쌍을 포함한다. 복수 개의 단속 전극쌍은 여러 단계의 저항 발열 구간을 형성한다. 여기서, 저항 발열 구간은 상기에 설명한 바와 같이, 제1, 2, 3 전극(512, 522, 532)과 제1, 2, 3 전극 구동 모듈(510, 520, 530)과 제1, 2, 3 절연 부재(564, 574, 584)와 제1, 2, 3 절연 부재 구동 모듈(560, 570, 580)로 구성된다. 또한 상기에 설명과 동일한 방식으로 전구체 섬유(105)의 이동을 정지한 후 열처리한다.
제1 단계 저항 발열 구간(A)에서 열처리된 전구체 섬유(105)는 제2 단계 저항 발열 구간(B)로 이동되어 열처리되고, 전구체 섬유(105)는 다시 제3 단계 저항 발열 구간(C)으로 이동된다. 제어부(590)의 제어에 따라 각 구간에 설치된 제1 전극(512)에는 서로 다른 크기의 전압을 인가함으로써, 전구체 섬유(105)의 열처리 정도를 조절할 수 있다. 예를 들어, 제1 단계 저항 발열 구간(A)에서의 전구체 섬유(105)는 1200℃로 열처리될 수 있도록 제1 전극(512)에 전압이 공급되고, 제2 단계 저항 발열 구간(B)에서의 전구체 섬유(105)는 1300℃로 열처리될 수 있도록 제1 전극(512)에 전압이 공급되며, 제3 단계 저항 발열 구간(C)에서의 전구체 섬유(105)는 1500℃로 열처리 될 수 있도록 제1 전극(512)에 전압이 공급됨으로써, 전구체 섬유(105)는 점차 높은 온도로 열처리될 수 있다. 그러므로 전구체 섬유(105)는 여러 단계를 거치면서 완전한 열처리 효과를 얻을 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소 섬유 제조 시스템을 간략하게 도시한 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 탄소 섬유 제조 시스템(100a)은 제1 열처리 챔버(300)와 제2 열처리 챔버(500) 사이에 버퍼 모듈(400)이 구비된다. 제2 열처리 챔버(500)에서 열처리 공정을 진행할 때, 전구체 섬유(105)의 이송을 정지한다. 그러면 시스템 전체에서 이송되던 전구체 섬유(105)의 이송도 정지되어야하므로 탄소섬유의 생산성 저하 및 처리 효율이 낮아진다. 본 발명에서의 버퍼 모듈(400)은 제2 열처리 챔버(500)의 전단에 설치되어 제2 열처리 챔버(500)에서 전구체 섬유(105)를 이송을 정지시킨 후 열처리 공정을 진행할 때, 이웃한 연속 처리 공정과 연결하여 전구체 섬유(105)의 이송을 유지할 수 있도록 전구체 섬유(105)를 버퍼링한다.
도 8은 버퍼 모듈의 동작 상태를 도시한 도면이고, 도 9는 버퍼 모듈을 이용한 탄소 섬유 제조 방법을 도시한 순서도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 버퍼 모듈(400)은 버퍼링 챔버(402)와 버퍼링 챔버(402) 내부에 구비되는 푸시풀 부재(416)와 푸시풀 부재(416)를 구동하여 전구체 섬유(105)를 버퍼링하기 위한 푸시풀 구동 모듈(410)과 전구체 섬유(105)를 지지하는 지지롤러(420)로 구성된다.
버퍼링 챔버(402)는 전구체 섬유(105)가 내부를 통과하여 이동한다. 버퍼링 챔버(402)는 제1 열처리 챔버(300)에서 열처리된 전구체 섬유(105)가 유입되어 제2 열처리 챔버(500)에서 열처리가 수행되는 동안 전구체 섬유(105)를 버퍼링한다.
푸시풀 부재(416)는 전구체 섬유(105)의 상부에 설치되어 상하로 이동한다. 푸시풀 부재(416)는 전구체 섬유(105)에 접촉하여 전구체 섬유(105)를 밀거나 당김으로써 전구체 섬유(105)를 버퍼링한다.
푸시풀 구동 모듈(410)은 푸시풀 부재(416)에 연결되는 구동축(414)과 구동축(414)을 상하 이동시키기 위한 푸시풀 부재 구동부(412)로 구성된다. 푸시풀 구동 모듈(410)은 제2 열처리 챔버(500) 내부에서 열처리되는 전구체 섬유(105)의 이송 및 정지 상태에 따라 연동되어 제어부(590)에 의해 제어된다. 푸시풀 부재(416)와 푸시풀 부재 구동부(412) 사이에는 전기적 절연을 위한 절연부(413)가 구비된다. 푸시풀 부재 구동부(412)는 푸시풀 부재(416)를 상하로 이동시킬 수 있는 실린더 구조로 구성될 수 있다. 또한 구동축(414)과 버퍼링 챔버(402) 사이에는 실링(411)이 구비된다. 실링(508)은 절연 피드쓰루(feedthrough)로 구성될 수 있다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 열처리 챔버(300)에서 1차 열처리된 전구체 섬유(105)는 제2 열처리 챔버(500) 내부로 이송된다. 제2 열처리 챔버(500) 내부로 이송된 전구체 섬유(105)는 2차 열처리를 위해 이송을 정지한다. 전구체 섬유(105)의 이송이 정지되면 전구체 섬유(105)와 이격되어 위치되었던 푸시풀 부재(416)를 구동하여 전구체 섬유(105)의 버퍼링을 개시한다(S210). 버퍼링 챔버(402)의 푸시풀 부재 구동 모듈(410)을 구동하여 전구체 섬유(105)에 푸시풀 부재(416)가 접하도록 푸시풀 부재(416)를 하강시킨다. 푸시풀 부재(416)는 하강하면서 전구체 섬유(105)를 버퍼링 챔버(402) 아래로 늘어트린다. 즉, 제2 열처리 챔버(500) 내부에서는 전구체 섬유(104)의 이송이 정지되었지만, 버퍼 모듈(400) 및 그 전 단계에서의 전구체 섬유(104)는 계속적으로 이송되면서 버퍼링 챔버(402) 내부에 버퍼링된다. 푸시풀 부재(416)의 구동 시간은 제2 열처리 챔버(500) 내부에서 전구체 섬유(105)의 이송이 정지된 시간에 비례한다.
제2 열처리 챔버(500)에서 열처리 완료 후 전구체 섬유(105)의 이송이 재개되면 푸시풀 부재(416)를 상승시키고, 푸시풀 부재(416)에 의해 버퍼링되었던 전구체 섬유(105)가 버퍼링 챔버(402)에서 배출되어 제2 열처리 챔버(500)로 제공된다(S810). 버퍼 모듈(400)을 이용하여 제2 열처리 챔버(500)에서 열처리 시 전구체 섬유(105)의 이송이 정지된 시간만큼의 길이보상이 가능해진다.
이상에서 설명된 본 발명의 탄소 섬유 제조를 위한 열처리 장치 및 이를 구비한 탄소 섬유 제조 시스템의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다.
그럼으로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
100, 100a: 탄소 섬유 제조 시스템 102: 이송롤러
105: 전구체 섬유 200: 텐션 제어부
300: 제1 열처리 챔버 302, 304: 제1, 2 공기 차단부
400: 버퍼 모듈 402: 버퍼링 챔버
410: 푸시풀 구동 모듈 411: 실링
412: 푸시풀 부재 구동부 413: 절연부
414: 구동축 416: 푸시풀 부재
420: 지지롤러 500: 제2 열처리 챔버
500a: 제2 열처리 모듈 501: 챔버 몸체
502, 504: 제1, 2 공기 차단부 502a, 504a: 가스 주입구
502b, 504b: 가스 배출구 505: 가스 주입구
506: 가스 공급원 507: 배기구
508: 실링 509: 배기펌프
510: 제1 전극 구동 모듈 512: 제1 전극
514: 전원 공급원 515: 직류 전원
516: 제1 전극 구동부 518: 제1 전극 구동축
519: 절연부 520: 제2 전극 구동 모듈
522: 제2 전극 524: 접지
526: 제2 전극 구동부 528: 제2 전극 구동축
529: 절연부 530: 제3 전극 구동 모듈
532: 제3 전극 534: 접지
536: 제3 전극 구동부 538: 제3 전극 구동축
539: 절연부 560: 제1 절연 부재 구동 모듈
562: 제1 구동부 563: 제1 구동축
564: 제1 절연 부재 569: 절연부
570: 제2 절연 부재 구동 모듈 572: 제2 구동부
573: 제2 구동축 574: 제2 절연 부재
579: 절연부 580: 제3 절연 부재 구동 모듈
582: 제3 구동부 583: 제3 구동축
584: 제3 절연 부재 589: 절연부
590: 제어부

Claims (9)

  1. 입구와 출구 그리고 내부 열처리 공간을 갖고 상기 입구와 상기 출구 사이에서 상기 내부 열처리 공간을 지나며 이동과 정지를 반복하는 전구체 섬유를 정지 상태에서 단속적으로 열처리 공정을 수행하는 열처리 챔버;
    상기 열처리 챔버 내부에 간격을 두고 구비되며 상기 전구체 섬유가 이동 중일 때에는 분리되고 정지 중일 때에는 상기 전구체 섬유에 접촉하는 전원 전극과 접지 전극을 포함하는 하나 이상의 단속 전극쌍;
    상기 단속 전극을 상기 전구체 섬유에 접촉시키거나 분리시키도록 동작시키는 제1 구동 모듈;
    상기 전원 전극으로 전력을 공급하기 위한 전원 공급원; 및
    상기 전구체 섬유의 열처리를 위하여 상기 제1 구동 모듈을 제어하는 제어부를 포함하는 탄소 섬유 제조를 위한 열처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단속 전극쌍이 상기 전구체 섬유에 접촉할 때 상기 전구체 섬유가 상기 단속 전극쌍에 밀착되도록 상기 전구체 섬유에 접촉하여 밀거나 당기는 하나 이상의 절연 부재; 및
    상기 절연 부재를 상기 전구체 섬유에 접촉시켜 밀거나 당기도록 동작시키는 제2 구동 모듈을 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제1 구동 모듈과 상기 제2 구동 모듈이 연동하도록 제어하는 탄소 섬유 제조를 위한 열처리 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 절연 부재와 상기 단속 전극쌍은 상기 전구체 섬유에 접촉될 때 상기 전구체 섬유가 상기 절연 부재와 상기 단속 전극쌍 사이에서 엇 교차하는 구조를 갖는 탄소 섬유 제조를 위한 열처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    단속에 의해 상기 전구체 섬유가 매회 이동되는 거리는 상기 전구체 섬유가 저항 발열되는 구간의 길이보다 상대적으로 짧게 이동하는 탄소 섬유 제조를 위한 열처리 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 단속 전극쌍은 서로 다른 크기의 전압이 공급되는 복수개의 단속 전극쌍을 포함하되, 상기 서로 다른 전압은 상기 전구체 섬유의 이동 방향으로 갈수록 상대적으로 높은 전압을 갖는 탄소 섬유 제조를 위한 열처리 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열처리 챔버 내에서 진행되는 단속적인 열처리 공정을 이웃한 연속 처리 공정과 연결하기 위하여 상기 열처리 챔버의 전단 또는 후단에서 전구체 섬유를 버퍼링하기 위한 버퍼 모듈을 포함하는 탄소 섬유 제조를 위한 열처리 장치.
  7. 전구체 섬유가 내부에서 연속적으로 이동되는 상태에서 제1 단계 열처리를 수행하는 제1 열처리 챔버;
    상기 제1 단계 열처리된 전구체 섬유를 정지된 상태에서 제2 단계 열처리를 수행하는 제2 열처리 챔버; 및
    상기 제1 열처리 챔버와 상기 제2 열처리 챔버 사이에 구성되어 상기 제2 열처리 챔버가 상기 제2 단계 열처리를 수행하는 동안 상기 제1 열처리 챔버에서 배출되는 상기 제1 단계 열처리된 전구체 섬유를 버퍼링하는 버퍼 모듈을 포함하는 탄소 섬유 제조 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 열처리 챔버는 상기 전구체 섬유를 복사 또는 대류를 수단으로 하는 분위기 가열을 통하여 상기 전구체 섬유가 전도성을 갖도록 하는 저온 탄화 공정을 수행하는 탄소 섬유 제조 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 열처리 챔버는 상기 전구체 섬유가 정지 상태일 때 상기 전구체 섬유에 접촉하여 상기 전구체 섬유에 전력을 공급하는 단속 전극쌍을 구비하고, 상기 전구체 섬유가 정지 상태에서 저항 발열하도록 단속적으로 열처리하는 고온 탄화 공정을 수행하는 탄소 섬유 제조 시스템.
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