KR20190051223A - 카본 브러시 및 그의 제조 방법 - Google Patents

카본 브러시 및 그의 제조 방법 Download PDF

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KR20190051223A KR1020170146627A KR20170146627A KR20190051223A KR 20190051223 A KR20190051223 A KR 20190051223A KR 1020170146627 A KR1020170146627 A KR 1020170146627A KR 20170146627 A KR20170146627 A KR 20170146627A KR 20190051223 A KR20190051223 A KR 20190051223A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 카본 브러시는 흑연 및 글래시 카본을 포함하고, 단면의 폭방향에 대하여, 중심에서 표면으로 갈수록, 글래시 카본의 중량 비율이 높아진다.
본 발명의 일 실시예에 의한 카본 브러시의 제조 방법은 흑연 및 액상의 바인더를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계; 혼합물을 성형하여 성형물을 제조하는 단계; 및 성형물을 열처리하는 단계를 포함한다.

Description

카본 브러시 및 그의 제조 방법{CARBON BRUSH AND PRODUCING METHOD FOR THE SAME}
카본 브러시 및 그의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로 내구성이 향상된 카본 브러시 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.
카본 브러시는 전기 모터류 또는 발전기의 전력을 공급하는 장치이다. 카본 브러시는 장치의 작동 간 계속해서 접촉 마찰을 일으키기 때문에 마찰과 전기적 소모에 의해 카본 브러시의 소모가 발생한다. 이처럼 카본 브러시의 소모는 장치의 내구성에 절대적인 영향을 미친다.
일반적으로 카본 브러시는 마찰계수가 낮고, 기계적 마모율이 낮을수록, 기계적 내구수명이 향상되며, 아크 발생 억제 특성이 우수하다. 또한 아크에 의한 소모가 적을수록 전기적 수명이 향상되는 특성을 보인다.
현재 사용되고 있는 카본 브러쉬 소재는 크게 전기흑연질, 흑연질, 금속흑연질, 수지결합흑연질로 구분할 수 있다. 전기흑연질 카본브러쉬는 흑연과 코크스, 바인더 등의 물질을 혼합하여 형성한 브러쉬를 고온에서 흑연화하여 전기적 특성을 향상시킨 것을 의미한다. 흑연질은 흑연분말과 바인더, 첨가물로 이루어진 원재료를 가열하여 성형한 것을 의미한다. 금속흑연질 브러쉬는 전기적 특성의 향상을 위해 구리, 은, 철 등 통전물질을 흑연과 혼합하여 제조한 것을 의미한다. 수지결합흑연질은 고온의 탄화 공정 없이 흑연 분말을 에폭시 등의 수지계 바인더로 접합하여 성형한 것을 의미한다.
금속흑연질, 전기흑연질, 흑연질 브러쉬는 입자의 성형을 위하여 바인더를 사용해야 하며, 바인더는 주로 페놀, 에폭시, 아민 계열의 수지와 PVA, PEG 등의 물질로 구성된다. 바인더를 이용하여 압축 가공 후 열처리를 통해 바인더의 탄화 공정을 거치게 되는데, 이 때 바인더는 흑연상이 아닌 비정질상의 탄소상을 형성하게 되고, 이와 같은 탄소상은 마찰계수가 높고 통전성이 거의 없기 때문에 브러쉬의 물성을 떨어뜨리는 주요 원인이 된다.
종래에는 금속흑연질의 농도를 층별로 달리한 다층구조의 브러쉬, 또는 브러쉬의 표면을 금속으로 코팅하는 구조를 통해 아크 내구성 및 통전성을 해결하려는 시도가 있었다. 하지만 이와 같은 방법은 다수의 공정이 추가되어야 하며, 공정이 복잡하고, 비효율적인 문제가 있었다. 또한 슬립링에 사용되는 브러쉬로 적용할 경우 내구에 대한 장점이 없어지는 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예는 카본 브러시 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다. 구체적으로 기계적, 전기적 마모가 저감되는 카본 브러시 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 카본 브러시는 흑연 및 글래시 카본을 포함하고, 단면의 폭방향에 대하여, 중심에서 표면으로 갈수록, 글래시 카본의 중량 비율이 높아진다.
카본 브러시는 단면의 폭방향에 대하여, 중심에서 전체 폭 길이의 10%까지의 중심부 및 표면에서 전체 폭 길이의 10% 까지의 표면부를 포함하고, 중심부는 글래시 카본을 10 중량% 이하 포함하고, 표면부는 글래시 카본을 30 중량% 이상 포함할 수 있다.
카본 브러시는 중심부 및 표면부 사이의 개재부를 더 포함하고, 개재부는 글래시 카본을 10 중량% 초과 및 30 중량% 미만 포함할 수 있다.
촉매 금속을 5 내지 20 중량% 더 포함할 수 있다.
중심부의 쇼어 경도는 21 내지 23 이고, 표면부의 쇼어 경도는 26 내지 30 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 카본 브러시의 제조 방법은 흑연 및 액상의 바인더를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계; 혼합물을 성형하여 성형물을 제조하는 단계; 및 성형물을 열처리하는 단계를 포함한다.
혼합물을 제조하는 단계는 흑연 및 액상의 바인더를 혼련하여 덩어리 상태의 혼련물을 형성하는 단계; 혼련물을 분쇄하여 혼합 분말을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
혼합물을 제조하는 단계는 흑연 90 내지 99 중량% 및 액상의 바인더 1 내지 10 중량% 혼합하여 혼합물을 제조할 수 있다.
혼합물을 제조하는 단계는 고상의 바인더를 더 혼합하고, 흑연 90 내지 99 중량%, 액상의 바인더 0.5 내지 5 중량% 및 고상의 바인더 0.5 내지 5 중량% 혼합할 수 있다.
액상의 바인더는 페놀 수지 및 폴리 아크릴로니트릴 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
혼합물을 제조하는 단계는 촉매 금속을 더 혼합하고, 흑연 75 내지 90 중량%, 액상의 바인더 0.5 내지 5 중량% 및 촉매 금속 5 내지 20 중량% 혼합할 수 있다.
혼합물을 성형하여 성형물을 제조하는 단계는, 1t/cm2 내지 50t/cm2 의 압력 및 10 내지 250℃의 온도에서 수행될 수 있다.
성형물을 열처리하는 단계는, 1000 내지 2000℃의 온도에서 수행될 수 있다.
성형물을 열처리하는 단계는, 불활성 기체 분위기에서 수행될 수 있다.
성형물을 열처리하는 단계는, 수소 가스 0.1 내지 10 부피% 및 불활성 기체 90 내지 99.9 부피% 포함하는 분위기에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면 카본 브러시 표면부의 강도가 향상되고, 상대적으로 중심부의 마모가 우선적으로 일어나게 되며, 그로 인해 정류자(또는 슬립링)와의 접촉면이 안정화되고, 전체적으로 기계적 및 전기적 마모가 억제되어, 내구성이 향상된 카본 브러시를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면 내구성이 향상된 카본 브러시의 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 브러시의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 브러시의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 브러시를 적용한 회전 전기 장치의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 종래의 카본 브러시를 적용한 회전 전기 장치의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 또는 "상에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 또는 상에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.
따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 브러시(100)의 단면을 개략적으로 나타낸다. 도 1의 카본 브러시(100)는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 브러시(100)는 흑연 및 글래시 카본을 포함하고, 단면의 폭방향(x방향)에 대하여, 중심에서 표면으로 갈수록, 글래시 카본의 중량 비율이 높아진다. 도 1에서는 글래시 카본의 중량을 흑색의 강도로 표현하였다. 즉, 중심에서 표면으로 갈수록, 글래시 카본의 중량 비율이 높아지고, 흑색의 강도가 점점 진해진다.
흑연은 천연 흑연 또는 합성 흑연이 될 수 있다.
글래시 카본은 열경화성 수지를 불활성 분위기에서 열처리할 때 얻어지는 탄소 재료이다. 글래시 카본은 흑연 나노리본(nanoribbon)으로 둘러싸여 있다. 이 때문에 글래시 카본은 흑연과 유사한 특성을 가질 것으로 추정되어 왔다. 그러나 최근에는 글래시 카본의 결정 구조가 풀러렌과 같다고 보는 연구 결과도 나오고 있다. 따라서, 특정한 형태의 결정 구조로 단정지어 말하기는 어렵다고 할 수 있다. 글래시 카본은 열전도성이나 전기전도성이 일반 세라믹 제품에 비해 매우 우수하고 흑연에 비해 고탄성이라는 점과 그 외의 기계적 특성 등은 유리와 유사하다는 점 등 일반 탄소 재료뿐만 아니라 세라믹 재료와도 다른 매우 특이한 특성을 갖는 재료이다. 글래시 카본은 흑연에 비해 높은 저항값을 가지며, 흑연에 비해 치밀한 특성이 있다. 또한, 부식에서 자유롭기 때문에, 브러쉬 내에 포함되는 금속 개재물의 부식을 억제할 수 있다. 또한, 글래시 카본은 매우 높은 열 전도율을 가지며, 그로 인해 방열 특성이 우수하다.
본 발명의 일 실시예에서는 이러한 글래시 카본의 성질을 이용하여, 단면의 폭방향에 대하여, 중심에서 표면으로 갈수록, 글래시 카본의 중량 비율이 높아지도록 구성하였다. 반대로, 중심에서 표면으로 갈수록, 흑연의 중량 비율은 감소한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 브러시(100)의 단면을 개략적으로 나타낸다.
도 2에서 나타나듯이, 카본 브러시(100)는 단면의 폭방향(x방향)에 대하여, 중심에서 전체 폭 길이의 10% 까지의 중심부(10) 및 표면에서 전체 폭 길이의 10% 까지의 표면부(30)를 포함한다.
전술하였듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 브러시(100)는 단면의 폭방향에 대하여, 중심에서 표면으로 갈수록, 글래시 카본의 중량 비율이 높아지도록 구성하였으므로, 중심부(10) 및 표면부(30)의 글래시 카본의 중량 비율이 서로 상이하다.
구체적으로, 중심부(10)는 글래시 카본을 10 중량% 이하 포함하고, 표면부(30)는 글래시 카본을 30 중량% 이상 포함한다. 글래시 카본을 제외한 성분은 흑연이다. 즉, 흑연을 잔부로 포함한다.
중심부(10)가 글래시 카본을 너무 많이 포함하는 경우, 표면부와의 경도차이가 상대적으로 작아져 접촉안정화 효과가 감소하고 상대재의 과다 마모를 유발할 수 있다. 더욱 구체적으로 중심부(10)는 글래시 카본을 0.1 내지 8 중량% 포함할 수 있다.
표면부(30)가 글래시 카본을 너무 적게 포함하는 경우, 표면부(30)의 경도와 내마모성이 작아져, 목적하는 정류자와의 접촉면 안정을 달성할 수 없게 된다. 더욱 구체적으로 표면부(10)는 글래시 카본을 50 내지 95 중량% 포함할 수 있다.
중심부(10) 및 표면부(30)의 글래시 카본 함량은 전체 중심부(10) 및 표면부(30)에 대한 평균 함량을 의미하는 것이고, 세부적으로 중심부(10) 및 표면부(30) 내에서도 중심에서 표면 방향으로 갈수록, 글래시 카본의 중량 비율이 높아지도록 구성된다.
도 2에서 나타나듯이, 중심부(10) 및 표면부(30) 사이에는 개재부(20)가 형성된다. 개재부(20)는 글래시 카본을 10 중량% 초과 및 30 중량% 미만으로 포함할 수 있다. 개재부(20)가 글래시 카본을 너무 적게 포함하는 경우, 기계적 강도가 너무 낮아져 문제가 될 수 있다. 개재부(20)가 글래시 카본을 너무 많이 포함하는 경우, 상대적으로 흑연 함량이 적어져, 전기적 특성 및 윤활성 면에서 문제가 될 수 있다. 개재부(20)의 글래시 카본 함량은 전체 개재부(20)에 대한 평균 함량을 의미하는 것이고, 세부적으로 개재부(20) 내에서도 중심에서 표면 방향으로 갈수록, 글래시 카본의 중량 비율이 높아지도록 구성된다. 더욱 구체적으로 개재부(20)는 글래시 카본을 15 중량% 내지 25 중량% 포함할 수 있다.
이처럼 중심부(10), 개재부(20) 및 표면부(30) 각각의 기계적 강도를 달리 함으로써, 상대적으로 경도가 낮은 중심부(10) 마모가 우선적으로 일어나게 되며, 정류자(또는 슬립링)과의 접촉면이 안정화되고, 기계적 마모 및 전기적 마모가 억제될 수 있다. 구체적으로 중심부(10)의 쇼어 경도는 21 내지 23이고, 표면부(30)의 쇼어 경도는 26 내지 30일 수 있다. 단 쇼어 경도는 ISO868에 따라 측정된 값이다.
카본 브러시는 촉매 금속을 더 포함할 수 있다. 촉매 금속은 철, 구리, 또는 이들의 산화물이 될 수 있다. 촉매 금속을 더 포함하는 경우, 1 내지 10 중량% 더 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 카본 브러시(100)를 적용한 회전 전기 장치의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다. 회전 전기 장치는 도 3에 나타나듯이, 카본 브러시(100), 정류자(110) 및 브러시 홀더(120)를 포함한다.
카본 브러시(100)에 대한 설명은 전술하였으므로, 중복되는 설명은 생략한다. 정류자(110)는 단면이 원형인 원통 형상이며, 카본 브러시(100)의 폭방향으로 정류자(110)와 맞닿도록 배치된다. 브러시 홀더(120)은 컵 형상으로 구성되며, 개구부가 정류자(110)를 향하고, 카본 브러시(100)를 내포할 수 있도록 배치된다.
도 3에서 나타나듯이, 진동이나 유동 발생으로 인하여, 카본 브러시(100)가 양 화살표 방향으로 움직이게 된다. 이 때, 카본 브러시(100)의 표면부(30)가 중심부(10)에 비해 경도가 높아, 중심부(10)의 마모가 우선적으로 일어나게 된다. 그 결과 정류자(110)와의 접촉면이 안정화되고, 기계적 마모 및 전기적 마모가 억제되게 된다.
도 4는 종래의 카본 브러시를 적용한 회전 전기 장치의 단면을 개략적으로 나타낸 도면이다. 본 발명의 일 실시예와는 달리 종래의 카본 브러시는 카본 브러시 전체에서 함량이 일정하다. 결국, 진동이나 유동 발생으로 인하여, 카본 브러시가 양 화살표 방향으로 움직이면, 표면부로의 힘이 집중되어 기계적 마모가 가속되거나, 또는 카본 브러시와 정류자 간의 간극이 벌어져 아크에 의한 전기 소모가 발생하게 된다.
이처럼 본 발명의 일 실시예에 의하면 카본 브러시(100) 표면부(30)의 강도가 향상되고, 상대적으로 중심부(10)의 마모가 우선적으로 일어나게 되며, 그로 인해 정류자(110)와의 접촉면이 안정화되고, 전체적으로 기계적 및 전기적 마모가 억제되어, 내구성이 향상된다.
본 발명의 일 실시예에 의한 카본 브러시의 제조 방법은 흑연 및 액상의 바인더를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계(S10); 혼합물을 성형하여 성형물을 제조하는 단계(S20); 및 성형물을 열처리하는 단계(S30)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서는 액상의 바인더를 카본 브러시의 바인더로서 사용한다. 이로 인하여, 단계(S20) 등에서 압력을 가하여 성형할 시, 압력에 의한 유동 및 모세관 현상에 의해 브러시의 중심으로부터 표면 방향으로 액상의 바인더 농도가 높아지게 된다. 이후 단계(S30)에서 열처리함으로써, 액상의 바인더가 탄화되어 글래시 카본으로 탄화되게 된다. 이를 통해 제조된 카본 브러시(100)는 중심에서 표면으로 갈수록, 글래시 카본의 중량 비율이 높아지게 된다. 글래시 카본의 중량 비율에 대한 구체적인 세부 구성 및 효과는 전술한 것과 동일하므로, 중봇되는 설명은 생략한다. 이하에서는 각 단계별로 상세하게 설명한다.
먼저, 단계(S10)에서는 흑연 및 액상의 바인더를 포함하는 혼합물을 제조한다. 단계(S10)은 더욱 구체적으로 액상의 바인더를 혼련하여 덩어리 상태의 혼련물을 형성하는 단계; 및 혼련물을 분쇄하여 혼합 분말을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
단계(S10)에서 흑연 90 내지 99 중량% 및 액상의 바인더 1 내지 10 중량% 혼합하여 혼합물을 제조할 수 있다. 액상의 바인더가 너무 부족할 경우, 표면부(30)의 글래시 카본의 함량이 낮아지는 문제가 발생하고, 흑연의 결합성이 떨어질 수 있다. 액상의 바인더가 너무 많을 경우, 상대적으로 흑연의 양이 줄어들어, 카본 브러시(100)의 전기적 물성이 떨어질 수 있다.
단계(S10)에서 바인더로서 액상의 바인더 외에 고상의 바인더(즉, 분말형 바인더)를 더 혼합하여 혼합물을 제조할 수 있다. 액상의 바인더 만을 포함할 경우, 후술할 단계(S20) 등에서 압력을 강하게 가할 경우, 중심부(10)의 바인더 농도가 낮아져 원하는 수준의 경도를 얻지 못할 수 있다. 이 경우, 고상의 바인더를 적절히 더 혼합하는 경우 해결이 될 수 있다. 구체적으로, 흑연 90 내지 99 중량%, 액상의 바인더 0.5 내지 5 중량% 및 고상의 바인더 0.5 내지 5 중량% 혼합할 수 있다. 고상의 바인더가 너무 많이 포함될 경우, 중심과 표면의 경도 차이가 적절히 발생하지 아니하는 문제가 발생할 수 있다. 고상의 바인더는 고분자 수지 또는 핏치(pitch)가 될 수 있다.
액상의 바인더는 페놀 수지 및 폴리아크릴로니트릴 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 페놀 수지와 폴리아크릴로니트릴은 방향족 벤젠 고리를 다수 포함하기 때문에, 글래시 카본으로의 전환 효율이 우수하다.
혼합물을 제조하는 단계는 촉매 금속을 더 혼합하고, 흑연 80 내지 95 중량%, 액상의 바인더 0.5 내지 5 중량% 및 촉매 금속 1 내지 10 중량% 혼합할 수 있다. 흑연, 액상의 바인더, 고상의 바인더 및 촉매 금속을 혼합할 수도 있으며, 이 경우, 흑연 80 내지 95 중량%, 액상의 바인더 0.5 내지 5 중량%, 고상의 바인더 0.5 내지 5 중량% 및 촉매 금속 1 내지 10 중량% 혼합할 수 있다.
단계(S10)에서 흑연 및 액상 또는 고상의 바인더뿐 아니라 기타 첨가제를 더 추가할 수도 있다. 구체적으로 금속분말, 고체윤활제 또는 연마제 등을 더 추가할 수 있다.
다음으로, 단계(S20)은 혼합물을 성형하여 성형물을 제조한다.
단계(S20)에서 1t/cm2 내지 50t/cm2의 압력 및 10 내지 250℃의 온도에서 수행될 수 있다. 압력이 너무 낮으면, 성형이 원활치 않은 문제가 발생할 수 있다. 압력이 너무 높으면 중심부(10)의 바인더 농도가 낮아져 원하는 수준의 경도를 얻지 못할 수 있다. 또한 온도가 너무 낮으면 바인더의 유동이 저하되어 스프링백 문제가 발생할 수 있다. 온도가 너무 높으면 바인더의 탄화가 진행되어 문제가 발생할 수 있다.
다음으로, 단계(S30)은 성형물을 열처리하여 카본 브러시를 제조한다. 단계(S30)에서 성형물 내의 바인더가 탄화되어 글래시 카본으로 전환된다. 단계(S20)에서의 가압 등으로 인하여 중심으로부터 표면 방향으로 바인더의 농도가 높아지는 농도 구배가 형성되므로, 최종 제조된 카본 브러시(100)는 중심에서 표면으로 갈수록, 글래시 카본의 중량 비율이 높아지게 된다.
단계(S30)은 1000 내지 2000℃의 온도에서 수행될 수 있다. 온도가 너무 낮으면, 바인더가 글래시 카본으로 원활히 전환되지 않을 수 있다. 온도가 더 높더라도 효과 향상은 없으며, 높은 온도에 따른 생산 비용만이 증가한다.
단계(S30)은 불활성 기체 분위기에서 수행될 수 있다. 이 때 산소가 포함되는 경우 탄소의 연소가 발생한다. 불활성 기체란 아르곤(Ar) 또는 질소(N2) 기체를 의미한다.
바인더가 글래시 카본으로 원활히 전환되도록 단계(S30)은 수소 가스를 포함하는 분위기에서 수행될 수 있다. 구체적으로 수소 가스 0.1 내지 10 부피% 및 불활성 기체 90 내지 99.9 부피% 포함하는 분위기에서 수행될 수 있다. 수소 가스가 너무 많이 포함될 경우, 수소가스에 의한 침식현상이 과도하여 브러쉬의 기계적 물성이 떨어질 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
흑연 99 g, 액상의 페놀 수지 0.8 g 및 물 0.2 g을 70 ℃의 온도에서 4시간 동안 혼련하여 99.7 g의 분말 상태의 혼련물을 얻었다.
분말 상태의 혼련물을 재분쇄하여 입경 10 내지 50 ㎛의 혼합 분말을 제조하였다.
혼합 분말을 성형기에 넣고, 23 ℃에서 30 t/cm2 압력으로 가압하여 1cm x 0.5cm x 3cm 크기의 성형물을 얻었다. 성형물을 3 부피% 수소를 포함하는 비활성 분위기에서 1800 ℃의 온도에서 12시간 동안 열처리하여 카본 브러시를 제조하였다.
밀도, 비저항, 곡강도, 쇼어경도, 내구 소모율 및 고온 고습 방치후 무게 증가율을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
쇼어경도는 ISO868에 따라 측정하였다. 중심부는 폭방향의 중심으로부터 1mm까지의 경도이고, 표면부는 폭방향의 표면으로부터 1mm 까지의 경도이다.
내구 소모율은 1kW 용량의 자동차용 모터에 부착하여 25Nm 의 부하를 주어 1초 ON, 3초 OFF 를 200,000 회 반복한 후 소모된 중량을 측정하는 방법으로 측정하였다. 비교예 1에서 소모된 중량을 100으로 기준잡고, 상대치를 표시하였다.
고온 고습 방치후 무게 증가율은 85 ℃의 온도 및 85 ℃의 습도로 24 시간 동안 방치한 후, 증가된 중량을 측정하는 방법으로 측정하였다.
실시예 2
흑연 82 g, 구리 분말 17g 액상의 페놀 수지 0.8 g 및 물 0.2 g을 70 ℃의 온도에서 4시간 동안 혼련하였다. 혼련하는 과정 중에서 휘발성 물질을 제거하여 99.7 g의 분말 상태의 혼련물을 얻었다.
분말 상태의 혼련물을 재분쇄하여 입경 10 내지 50 ㎛의 혼합 분말을 제조하였다.
혼합 분말을 성형기에 넣고, 23 ℃에서 30 t/cm2 압력으로 가압하여 1cm x 0.5cm x 3cm 크기의 성형물을 얻었다. 성형물을 3 부피% 수소를 포함하는 비활성 분위기에서 1800 ℃의 온도에서 12시간 동안 열처리하여 카본 브러시를 제조하였다.
밀도, 비저항, 곡강도, 쇼어경도, 내구 소모율 및 고온 고습 방치후 무게 증가율을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 1
열처리 온도를 600℃로 실시한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
밀도, 비저항, 곡강도, 쇼어경도, 내구 소모율 및 고온 고습 방치후 무게 증가율을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 2
열처리 온도를 600℃로 실시한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 제조하였다.
밀도, 비저항, 곡강도, 쇼어경도, 내구테스트 한계를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
비교예 3
흑연 82 g, 구리 분말 17 g 액상의 페놀 수지 0.8 g 및 물 0.2 g의 층 표면을 흑연 90 g, 구리 9 g, 액상의 페놀 수지 0.8 g 및 물 0.2 g 의 흑연함량이 높은 재질로 둘러싼 구조로 만든 것을 제외하고는 비교예 2와 동일하게 제조하였다.
밀도, 비저항, 곡강도, 쇼어경도, 내구테스트 한계를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.
실시예 1 실시예 2 비교예 1 비교예 2 비교예 3
밀도(g/cm3) 1.77 2.30 1.82 2.31 2.13
비저항(μΩ·cm) 4275 720 10426 318 824
곡강도(kgf/cm2) 273 215 141 135 127
쇼어경도(HSc) 중심부 23 24 20 23 23
표면부 27 28 20 23 20
내구 소모율 37 52 100 121 88
고온 고습 방치후 무게 증가율(%) 0.7 1.2 1.9 1.7 1.7
표 1에서 나타나듯이, 중심부와 표면부의 경도를 다르게 한 실시예의 경우, 내구 소모율이 현저히 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 반면, 중심부와 표면부의 경도가 동일한 비교예 1 및 비교예 2는 내구 소모율이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 모터 작동 과정에서 압력 집중이 발생하여, 기계적 마모가 가속된 것이 원인으로 분석된다. 또한 실시예가 비교예에 비해 기계적 특성 및 전기적 특성이 모두 우수함을 확인할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 카본 브러시 10: 중심부
20: 개재부 30: 표면부
110: 정류자 120: 브러시 홀더

Claims (15)

  1. 흑연 및 글래시 카본을 포함하고,
    단면의 폭방향에 대하여, 중심에서 표면으로 갈수록, 글래시 카본의 중량 비율이 높아지는 카본 브러시.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 카본 브러시는 단면의 폭방향에 대하여, 중심에서 전체 폭 길이의 10% 까지의 중심부 및 표면에서 전체 폭 길이의 10% 까지의 표면부를 포함하고, 상기 중심부는 글래시 카본을 10 중량% 이하 포함하고, 상기 표면부는 글래시 카본을 30 중량% 이상 포함하는 카본 브러시.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 카본 브러시는 상기 중심부 및 상기 표면부 사이의 개재부를 더 포함하고, 상기 개재부는 글래시 카본을 10 중량% 초과 및 30 중량% 미만 포함하는 카본 브러시.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 중심부의 쇼어 경도는 21 내지 23 이고, 상기 표면부의 쇼어 경도는 26 내지 30인 카본 브러시.
  5. 제1항에 있어서,
    촉매 금속을 5 내지 20 중량% 더 포함하는 카본 브러시.
  6. 흑연 및 액상의 바인더를 포함하는 혼합물을 제조하는 단계;
    상기 혼합물을 성형하여 성형물을 제조하는 단계; 및
    상기 성형물을 열처리하는 단계를 포함하는 카본 브러시의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 혼합물을 제조하는 단계는
    흑연 및 액상의 바인더를 혼련하여 덩어리 상태의 혼련물을 형성하는 단계; 및
    상기 혼련물을 분쇄하여 혼합 분말을 제조하는 단계;
    를 포함하는 카본 브러시의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 혼합물을 제조하는 단계는
    흑연 90 내지 99 중량% 및 액상의 바인더 1 내지 10 중량% 혼합하여 혼합물을 제조하는 카본 브러시의 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 혼합물을 제조하는 단계는
    고상의 바인더를 더 혼합하고, 흑연 90 내지 99 중량%, 액상의 바인더 0.5 내지 5 중량% 및 고상의 바인더 0.5 내지 5 중량% 혼합하는 카본 브러시의 제조 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 혼합물을 제조하는 단계는
    촉매 금속을 더 혼합하고, 흑연 75 내지 90 중량%, 액상의 바인더 0.5 내지 5 중량% 및 촉매 금속 5 내지 20 중량% 혼합하는 카본 브러시의 제조 방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 액상의 바인더는 페놀 수지 및 폴리 아크릴로니트릴 중 1종 이상을 포함하는 카본 브러시의 제조 방법.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 혼합물을 성형하여 성형물을 제조하는 단계는, 1 내지 50t/cm2의 압력 및 10 내지 250℃의 온도에서 수행되는 카본 브러시의 제조 방법.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 성형물을 열처리하는 단계는, 1000 내지 2000℃의 온도에서 수행되는 카본 브러시의 제조 방법.
  14. 제6항에 있어서,
    상기 성형물을 열처리하는 단계는, 불활성 기체 분위기에서 수행되는 카본 브러시의 제조 방법.
  15. 제6항에 있어서,
    상기 성형물을 열처리하는 단계는, 수소 가스 0.1 내지 10 부피% 및 불활성 기체 90 내지 99.9 부피% 포함하는 분위기에서 수행되는 카본 브러시의 제조 방법.
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