KR20200061674A - Method for measuring the thermal conductivity of PAN-based carbon fibers tow using the thermo-graphic camera - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 열화상 카메라를 이용한 탄소섬유의 열전도도 측정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 PAN계 탄소섬유 토우의 열전도도를 간단하게 측정할 수 있으며, 안정성 및 신뢰성이 보다 향상된 탄소섬유 토우의 열전도도 시험방법의 기초를 마련할 수 있는 측정 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for measuring the thermal conductivity of a carbon fiber using a thermal imaging camera, and more specifically, it is possible to simply measure the thermal conductivity of a PAN-based carbon fiber tow, and improve the stability and reliability of the thermal conductivity of a carbon fiber tow. It also relates to a measurement method that can provide a basis for the test method.
세계적으로 에너지 자원의 고갈에 따라 절약 부분에 많은 투자를 하고 있는바 미래지향적으로 에너지 절약 제품의 개발이 국가 경제와 사업의 번영을 가져올 것이다. 이러한 흐름에 맞춰 최근 부각되고 있는 발열체는 일반적으로 사용하고 있는 전기 발열체보다 20∼40%의 전력을 감소하는 제품으로 국내 및 세계에 보급 시 전기 에너지 절약 및 경제적 파급효과가 클 것으로 예상된다. With the global exhaustion of energy resources, many investments have been made in savings. In the future, the development of energy saving products will bring prosperity to the national economy and business. In accordance with this trend, the heating element that has recently emerged is a product that reduces electric power by 20 to 40% compared to the electric heating element that is generally used.
발열체는 전류의 흐름에 저항하여 열을 발생하는 전기 전도체의 성질을 이용한 재료로서 각종 가정용 전열기구에서부터 산업용 전기에 이르기까지 그 범위는 매우 광범위하다. 최근 전기 히터 등에 사용하는 기존의 구리선, 니크롬선이나 할로겐 히터를 탄소계 발열체로 대체하겠다는 연구가 보고되면서, 이를 이용한 발열체의 제조기술 개발 경쟁이 더욱 치열해지게 됐다. The heating element is a material using the properties of an electric conductor that generates heat by resisting the flow of electric current, and the range is very wide, from various household heating appliances to industrial electricity. Recently, as a study to replace the existing copper wire, nichrome wire, or halogen heater used for electric heaters with a carbon-based heating element was reported, competition for manufacturing technology development of the heating element using the heating element became more intense.
탄소 섬유(carbon fiber), 그라파이트 섬유, 탄소 그라파이트, CF는 탄소가 주성분인 직경이 5~7㎛ 정도인 매우 가는 섬유이다. 탄소 섬유를 구성하는 탄소 원자들은 섬유의 길이 방향을 따라 육각 고리 결정의 형태로 붙어 있으며, 이러한 분자 배열 구조로 인해 강한 물리적 속성을 띠게 된다.Carbon fiber, graphite fiber, carbon graphite, and CF are very thin fibers having a diameter of about 5 to 7 µm, the main component of which is carbon. Carbon atoms constituting the carbon fiber are attached in the form of hexagonal ring crystals along the length of the fiber, and these molecular arrangement structures have strong physical properties.
탄소 섬유는 다양한 패턴으로 직조될 수 있으며, 플라스틱 등과 함께 사용되어 탄소섬유강화 플라스틱(Carbon-fiber-reinforced polymer)과 같이 가볍고도 강한 복합 재료를 만들어내기도 한다. 탄소 섬유의 밀도는 철보다 훨씬 낮기 때문에, 경량화가 필수적인 조건일 때 사용하기에 적합하다.Carbon fiber can be woven in a variety of patterns, and is used with plastics to produce lightweight and strong composite materials such as carbon-fiber-reinforced polymers. Since the density of carbon fiber is much lower than that of iron, it is suitable for use when light weight is an essential condition.
탄소 섬유는 높은 인장 강도, 가벼운 무게, 낮은 열팽창율 등의 특성으로 인해 항공우주산업, 토목건축, 군사, 자동차 및 각종 스포츠 분야의 소재로 매우 널리 쓰이는 반면, 가격면에서는 유사한 소재인 유리 섬유나 플라스틱보다 상대적으로 비싸고, 당기거나 구부리는 힘에 매우 강하며, 압축하는 힘이나 순간적인 충격에는 약하다.Carbon fiber is very widely used as a material in the aerospace industry, civil construction, military, automobile, and various sports fields due to its properties such as high tensile strength, light weight, and low thermal expansion coefficient, whereas glass fiber or plastic, which is similar in price, is widely used. It is more expensive, very resistant to pulling or bending, and weak to compressive forces or instantaneous impacts.
한편, 최근 정보화 사회의 심화와 함께 전자 디바이스의 고집적화가 줄(Joule) 열로서 나타나 문제로서 인식되고 있다. 또한 소형화된 전자 디바이스는 공간적인 제약 때문에 열을 적절한 장소로 이동시키거나 케이스 등으로부터 방열시킬 필요가 있어 사용 부품재료의 다기능화가 열 대책의 구체적 사례로서 요구되고 있다On the other hand, in recent years, with the deepening of the information society, the high integration of electronic devices appears as a Joule column and is recognized as a problem. In addition, the miniaturized electronic device needs to move heat to an appropriate place or dissipate heat from a case, etc. due to space constraints, and multifunctionalization of used component materials is required as a specific example of heat measures.
수지 재료는 경량성 및 가공성에서 우수한 재료이나 열전도율은 겨우 0.2W/(mK) 정도이다. 이 때문에 열전도율을 향상시킨 수지 재료 개발에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한 이미 열전도성 시트, 윤활제 등 실용화되어 있는 열 대책용 재료가 다수 있으나 더욱 높은 열전도율 향상이 요청되고 있다.The resin material is excellent in light weight and workability, but the thermal conductivity is only about 0.2 W/(mK). For this reason, interest in developing a resin material having improved thermal conductivity is increasing. In addition, there are already a number of thermal countermeasure materials that have been put into practical use, such as thermally conductive sheets and lubricants, but there is a demand for higher thermal conductivity.
상기의 열전도율을 측정하는 방법은 접촉식인 평판열류계법과 hotwire 식이 있게 된다. The methods for measuring the thermal conductivity include a contact plate heat flow method and a hotwire method.
평판열류계법은 시편의 상하 온도 차를 달리하여, 평형 값을 읽어 열전도도 값을 구한다.The plate heat flow method calculates the thermal conductivity value by reading the equilibrium value by varying the temperature difference between the specimens.
hotwire 식은 일정량의 전류를 센서의 발열체를 통하여 샘플에 전달하고 시간 경과에 따른 센서와 샘플의 접지된 부분의 온도를 측정한다.The hotwire method transmits a certain amount of current to the sample through the heating element of the sensor and measures the temperature of the sensor and the grounded part of the sample over time.
비접촉식(LFA)은 열확산율(α), 비열(Cp), 밀도(ρ) 측정 후 열전도도(λ)로 환산하는 것으로서, 두께(y), 수평(x) 각 방향에 따라 열전도도를 고려할 수 있다.Non-contact type (LFA) is a thermal diffusivity (α), specific heat (Cp), and density (ρ) measured and converted into thermal conductivity (λ).The thermal conductivity can be considered according to the thickness (y) and horizontal (x) directions. have.
상기와 같이 탄소 재료는 오래전부터 인간과 친숙한 재료 중의 하나이며, 탄소를 발열체로 사용할 경우 높은 돌입전류의 발생 없이 고효율의 발열이 가능하기 때문에 국내 외에서 기존의 금속선을 대체하고자 하는 연구에 몰두하고 있는 실정이다. As described above, the carbon material is one of human-friendly materials for a long time, and when carbon is used as a heating element, high-efficiency heat generation is possible without generating a high inrush current. to be.
기존 탄소섬유의 발열량은 Q=I2R의 공식(Q: 열량(W), I: 전류(A), R: 저항(Ω))을 이용하여 전력을 구하고 샘플에 인가되는 전압 및 전류에 따라, 샘플의 면적에 따라, 샘플의 발열속도(heating rate)에 따라, 발열온도 예측 및 상관관계를 확인할 수 있으나 정확한 탄소섬유의 열전도도를 측정하는데 여러 가지 문제점이 있다. The heating value of the existing carbon fiber is calculated using the formula of Q=I 2 R (Q: heat (W), I: current (A), R: resistance (Ω)), and according to the voltage and current applied to the sample. , Depending on the area of the sample and the heating rate of the sample, the heating temperature prediction and correlation can be confirmed, but there are various problems in measuring the thermal conductivity of the carbon fiber accurately.
탄소 섬유의 발열특성 중 접촉식(Contact-type) 열전도도 측정 방법의 경우, 탄소 섬유의 두께가 일정하지 않아 일정한 무게가 걸리지 않으며 균일한 샘플링이 되지 않고 작업자에 따라 개인차가 발생할 수 있으며 비접촉식(Non contact-type)의 경우, 섬유 내부에 기공(pore) 및 틈 사이로 많은 레이저를 통과시켜 열전도도 측정 시 정확도가 떨어지며 오차 발생률이 크다. In the case of the contact-type thermal conductivity measurement method among the heating characteristics of carbon fiber, the thickness of the carbon fiber is not constant, so it does not take a constant weight and does not sample uniformly, and individual differences may occur depending on the operator. In the case of contact-type), many lasers are passed through pores and gaps inside the fiber, resulting in low accuracy and high error rate when measuring thermal conductivity.
최근에 탄소섬유는 에너지 효율, 안전성 측면에서 우월한 성능이 확인되어 탄소섬유의 적용에 대한 수요가 증가하고 있으나, 관련 성능 평가 방법이 정립되지 않았다. 기존에 사용하고 있는 금속 소재의 발열 성능 관련 평가 방법은 ASTM 등의 표준에서 논하고 있으나 금속과 탄소섬유의 소재 특성이 상이하여 적용 가능성에 대한 논의가 필요하다. In recent years, superior performance in terms of energy efficiency and safety has been confirmed for carbon fiber, and demand for the application of carbon fiber is increasing, but a related performance evaluation method has not been established. The method of evaluating the heat-generating performance of the metal material used in the past is discussed in standards such as ASTM, but the material properties of the metal and carbon fiber are different, so it is necessary to discuss the applicability.
현재 국내 탄소섬유 발열특성 분석 방법에는 열화상 카메라를 이용하여 샘플과 열화상 카메라 사이에 일정한 거리와 면적의 온도 분포를 측정하여 주로 최고/최저 온도의 차이로서 온도 균일성을 확인하고 있으나 샘플의 형태, 샘플의 온도 측정 면적 또는 측정 부위 등에 따라 온도 분포의 차이가 발생하므로 이에 대한 국제 인증 법규, 제도정립 및 측정 방법 등의 기준이 요구된다. Current domestic carbon fiber heating characteristics analysis method uses a thermal imaging camera to measure the temperature distribution of a certain distance and area between the sample and the thermal imaging camera, mainly checking the temperature uniformity as the difference between the highest and lowest temperatures, but the form of the sample , As the temperature distribution difference occurs depending on the area of measurement or the temperature of the sample, standards such as international certification regulations, system establishment, and measurement methods are required.
한국등록특허 제10-2016-0036680호인 '열전도율이 향상된 핏치계 탄소섬유의 제조방법' 발명은 무전해 도금법에 의해 열전도율이 높은 핏치계 탄소섬유의 제조 방법에 관한 것으로서, 열전도도가 향상된 핏치계 탄소섬유를 개시하고 있다. The invention of Korean Patent Registration No. 10-2016-0036680, “Method for manufacturing pitch-based carbon fiber with improved thermal conductivity,” relates to a method for manufacturing pitch-based carbon fiber with high thermal conductivity by electroless plating, and has improved thermal conductivity. Fiber is disclosed.
다만, 위 종래 기술은 무전해 도금법을 이용하여 핏치계 탄소섬유의 열전도도를 향상시키는 것에 국한되어 있고, 핏치계 탄소섬유/에폭시 복합재료 시편을 제조하고 Contact-type의 열전도도를 측정하여 본래 섬유 형태의 핏치계 탄소섬유의 열전도도 측정 기술은 개시하고 있지 않다는 점에서 한계가 있다. However, the above prior art is limited to improving the thermal conductivity of the pitch-based carbon fiber by using an electroless plating method, and manufacturing a specimen of the pitch-based carbon fiber/epoxy composite material and measuring the thermal conductivity of the contact-type original fiber. There is a limitation in that a technique for measuring the thermal conductivity of a type of pitch-based carbon fiber is not disclosed.
본 발명은 열화상 카메라를 이용하여 직물, 부직포와 같은 복합체 형태가 아닌 PAN계 탄소섬유 토우의 열전도도를 간단하게 측정할 수 있게 함으로써 안정성 및 신뢰성이 부여된 탄소섬유의 열전도도 시험방법을 제공하는 것이다.The present invention provides a method for testing the thermal conductivity of carbon fibers to which stability and reliability are imparted by simply measuring the thermal conductivity of a PAN-based carbon fiber tow that is not in the form of a composite such as fabric or non-woven fabric using a thermal imaging camera. will be.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 PAN계 탄소섬유 토우의 열전도도 측정 방법은 탄소섬유 필라멘트 토우를 샘플링하는 단계; 상기 샘플링된 탄소섬유 필라멘트 토우의 열전도도를 열화상 카메라로 측정하는 단계; 및 상기 열화상 카메라를 통해 측정된 값으로부터 열전도도를 계산하는 단계;를 포함하고, 상기 탄소섬유 필라멘트 토우의 길이는 10mm 내지 50mm인 것을 특징으로 한다.A method of measuring the thermal conductivity of a PAN-based carbon fiber tow according to the present invention for achieving the above object comprises: sampling a carbon fiber filament tow; Measuring the thermal conductivity of the sampled carbon fiber filament tow with a thermal imaging camera; And calculating the thermal conductivity from the values measured through the thermal imaging camera. The length of the carbon fiber filament tow is 10 mm to 50 mm.
상기 열전도도 측정 방법은, 상기 샘플링된 탄소섬유 필라멘트 토우를 고정해 주는 측정용 거치장치를 이용하고, 상기 측정용 거치장치는 베이스 플레이트(10), 베이스 플레이트(10) 상에 고정 설치되는 고정 플레이트 유닛(20); 상기 고정 플레이트 유닛(20)의 일측 방향을 따라 상기 베이스 플레이트(10) 상에서 이동 가능하게 배치되는 이동 플레이트 유닛(30); 상기 고정 플레이트 유닛(20)과 이동 플레이트 유닛(30) 상에 연결되는 전원공급부(40); 및 상기 고정 플레이트 유닛(20)과 이동 플레이트 유닛(30) 상에 걸쳐 놓여지는 탄소섬유 필라멘트 시편의 양 끝단을 고정하도록 상기 고정 플레이트 유닛(20)과 이동 플레이트 유닛(30) 각각에 배치되는 한쌍의 클램퍼(50);를 포함한다.The method for measuring the thermal conductivity uses a fixing device for fixing the sampled carbon fiber filament tow, and the measuring device is fixed to a
상기 베이스 플레이트는 유리, 석영 또는 절연재료 중 어느 하나를 포함한다.The base plate includes any one of glass, quartz or insulating material.
상기 고정 플레이트 유닛(20) 및 이동 플레이트 유닛(30)에 각각 설치된 구리 전극의 간격은 가로 10 mm 내지 20 mm이다.The distance between the copper electrodes installed on the
상기 열화상 카메라의 측정 범위는 열원으로부터 5mm 내지 15mm으로 구성된다.The measurement range of the thermal imaging camera is 5 mm to 15 mm from the heat source.
상기 열화상 카메라는 50 내지 200㎛ 렌즈를 사용한다.The thermal imaging camera uses a 50 to 200㎛ lens.
상기 열화상 카메라와 탄소섬유 필라멘트 토우와의 거리는 70mm 내지 300mm이다.The distance between the thermal imaging camera and the carbon fiber filament tow is 70 mm to 300 mm.
상기 탄소섬유 필라멘트 토우는 샘플당 10 내지 15 point를 측정하여 평균값을 구한다.The carbon fiber filament tow is measured by measuring 10 to 15 points per sample to obtain an average value.
상기 탄소섬유 필라멘트 토우의 열전도도를 측정하는 단계에서, 상기 탄소 섬유의 방사율(emissivity) 값은 0.97로 유지한다.In the step of measuring the thermal conductivity of the carbon fiber filament tow, the emissivity value of the carbon fiber is maintained at 0.97.
상기 열화상 카메라를 통해 측정된 값으로부터 열전도도를 계산하는 단계에서, 푸리에(Fourier)의 열전도 공식을 이용하여 계산한다.In the step of calculating the thermal conductivity from the values measured by the thermal imaging camera, it is calculated using the Fourier thermal conductivity formula.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 탄소섬유의 열전도도 측정방법은 열화상 카메라를 이용하여 직물, 부직포와 같은 복합체 형태가 아닌 PAN계 탄소섬유 토우의 열전도도를 간단하게 측정할 수 있으며, 보다 안정성 및 신뢰성이 부여된 탄소섬유의 열전도도 시험방법의 기초를 마련할 수 있다.As described above, the method for measuring the thermal conductivity of carbon fibers according to the present invention can easily measure the thermal conductivity of a PAN-based carbon fiber tow that is not in the form of a composite such as a fabric or a non-woven fabric by using a thermal imaging camera. The basis for the thermal conductivity test method of carbon fiber with reliability can be prepared.
도 1은 본 발명에 따른 PAN계 탄소섬유 토우의 열전도도 측정방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 PAN계 탄소섬유 토우의 열전도도 측정 장비의 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 PAN계 탄소섬유 토우의 열전도도 측정방법을 위해 PAN계 탄소섬유 토우의 열전도도 시편 거치 장치의 평면도이다.
도 4는 본 발명이 적용되는 PAN계 탄소섬유 토우의 열전도도 시편 거치 장치의 측면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 PAN계 탄소섬유 토우의 표면온도를 측정한 이미지이다. 1 is a flow chart showing a method for measuring the thermal conductivity of a PAN-based carbon fiber tow according to the present invention.
Figure 2 is a schematic view of the thermal conductivity measuring equipment of the PAN-based carbon fiber tow according to the present invention.
3 is a plan view of a device for mounting a thermal conductivity specimen of a PAN-based carbon fiber tow for a method of measuring thermal conductivity of a PAN-based carbon fiber tow according to the present invention.
Figure 4 is a side view of the thermal conductivity specimen mounting device of the PAN-based carbon fiber tow to which the present invention is applied.
5 is an image of measuring the surface temperature of the PAN-based carbon fiber tow according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and the scope of the invention to those skilled in the art. It is provided to inform you completely. The same reference numbers in the drawings refer to the same elements.
도 1을 참조하면 본 발명에 따른 열화상 카메라를 이용한 PAN계 탄소섬유 토우의 열전도도 측정방법은 열전도도 측정 전에 PAN계 탄소섬유를 샘플링하는 단계, 상기 샘플링된 탄소섬유의 열전도도를 열화상 카메라로 측정하는 단계 및 상기 열화상 카메라를 통해 측정된 값으로부터 열전도도를 계산하는 단계를 포함한다.Referring to Figure 1, the method of measuring the thermal conductivity of a PAN-based carbon fiber tow using a thermal imaging camera according to the present invention comprises the steps of sampling the PAN-based carbon fiber before measuring the thermal conductivity, the thermal conductivity of the sampled carbon fiber thermal imaging camera And measuring the thermal conductivity from the values measured by the thermal imaging camera.
탄소섬유를 샘플링하는 단계에서 탄소섬유의 종류로는 polyacrylonitrile (PAN)섬유, Pitch계 섬유, 레이온계 섬유를 이용할 수 있다.In the step of sampling the carbon fiber, polyacrylonitrile (PAN) fiber, pitch fiber, or rayon fiber can be used as the type of carbon fiber.
열전도도 측정을 위한 탄소섬유는 7㎛ 의 직경 및 12,000 가닥으로 이루어진 섬유로 제조할 수 있으며, 상기 샘플의 길이는 10mm 내지 50mm인 것이 바람직하며, 40mm 내지 50mm을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. Carbon fiber for measuring the thermal conductivity can be made of a fiber consisting of 7㎛ diameter and 12,000 strands, the length of the sample is preferably 10mm to 50mm, more preferably 40mm to 50mm.
상기 샘플의 길이가 40mm 미만일 경우 열화상 카메라로 표면온도를 측정하면 열원과 너무 가까워 표면의 온도차가 발생하지 않을 수 있고, 샘플의 길이가 50mm을 초과할 경우 열원에서 발생된 열이 이동하면서, 열원과 멀어진 만큼 열이 손실될 수 있다. When the length of the sample is less than 40 mm, when measuring the surface temperature with a thermal imaging camera, the temperature difference of the surface may not occur because it is too close to the heat source, and when the length of the sample exceeds 50 mm, the heat generated from the heat source moves while the heat source And farther away, heat can be lost.
도 2를 참조하면, 상기 샘플링된 탄소섬유의 열전도도를 열화상 카메라로 측정하는 단계에서 열화상 카메라의 픽셀수(pixels)는 640x840으로 하며, 10㎛ 내지 200㎛ 렌즈를 사용하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 50㎛ 내지 200㎛ 렌즈를 사용하는 것이 바람직하다.2, in the step of measuring the thermal conductivity of the sampled carbon fiber with a thermal imaging camera, the number of pixels of the thermal imaging camera is 640x840, and it is preferable to use a 10㎛ to 200㎛ lens, More preferably, it is preferable to use a 50㎛ to 200㎛ lens.
상기 열화상 카메라의 렌즈가 50㎛ 미만일 경우 픽셀수가 많아져 샘플의 측정 포인트를 찾기 어렵고, 200㎛를 초과할 경우 픽셀수가 적어져 샘플의 평균 온도를 측정할 수 없다.When the lens of the thermal imaging camera is less than 50 μm, the number of pixels increases, so it is difficult to find a measurement point of the sample, and when it exceeds 200 μm, the number of pixels decreases, and the average temperature of the sample cannot be measured.
상기 열화상 카메라와 샘플과의 거리는 70mm 내지 300mm으로 구성되는 것이 바람직하며, 50㎛ 렌즈를 사용 시 기본 픽셀수에 맞추어 샘플과의 거리를 70mm인 것을 특징으로 한다. The distance between the thermal imaging camera and the sample is preferably 70 mm to 300 mm, and when using a 50 μm lens, it is characterized in that the distance between the sample is 70 mm in accordance with the number of basic pixels.
상기 열화상 카메라와 샘플과의 거리가 70mm 미만일 경우 초점거리가 짧아져 표면의 온도차를 측정할 수 없고, 300mm를 초과할 경우 초점거리가 길어져 픽셀 안에 샘플이 들어오지 않을 수 있다.If the distance between the thermal imaging camera and the sample is less than 70 mm, the focal length is shortened, and thus the temperature difference on the surface cannot be measured. If it exceeds 300 mm, the focal length may be longer and samples may not enter the pixel.
도 5는 본 발명에 따른 PAN계 탄소섬유 토우의 표면온도를 측정한 이미지이다. 도 5를 참조하면, 상기 열화상 카메라의 측정 범위는 열원으로부터 5mm 내지 30mm으로 구성되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 5mm 내지 15mm인 것을 특징으로 한다. 상기 열화상 카메라의 측정 범위가 5mm 미만일 경우 열의 이동이 매우 빨라 열원 (T2)과 측정지점 (T1)의 표면 온도차를 측정할 수 없으며, 15mm를 초과할 경우 열의 이동이 길어져 외부로 열이 방출되어 정확한 표면 온도차를 측정할 수 없다.5 is an image of measuring the surface temperature of the PAN-based carbon fiber tow according to the present invention. 5, the measurement range of the thermal imaging camera is preferably composed of 5mm to 30mm from the heat source, more preferably 5mm to 15mm. When the measurement range of the thermal imaging camera is less than 5 mm, the movement of heat is very fast, so it is impossible to measure the surface temperature difference between the heat source (T2) and the measuring point (T1). Accurate surface temperature differences cannot be measured.
상기 열화상 카메라를 이용한 열전도도 값은 샘플 당 10 point 내지 15 point를 측정하여 평균값을 나타내는 것이 바람직하다. The thermal conductivity value using the thermal imaging camera is preferably measured by measuring 10 to 15 points per sample to indicate the average value.
측정 횟수가 10 point 미만일 경우 샘플의 균일한 값을 측정하기 어려우며, 15 point를 초과할 경우 일률적인 값이 연속적으로 측정될 수 있다. When the number of measurements is less than 10 points, it is difficult to measure a uniform value of the sample, and when it exceeds 15 points, a uniform value may be continuously measured.
탄소섬유의 방사율(emissivity) 값은 0.90 내지 0.98로 유지하는 것을 특징으로 하며 바람직하게는 0.97로 유지하는 것이 바람직하다. It is characterized in that the emissivity value of the carbon fiber is maintained at 0.90 to 0.98, and is preferably maintained at 0.97.
탄소섬유의 방사율이 0.90 미만일 경우 탄소섬유의 실제 표면온도 값보다 측정한 값에 대한 오차가 발생할 수 있으며, 0.98을 초과할 경우 파장의 종류에 관계없이 모든 방사선을 흡수하여 표면온도 측정이 불가능할 수 있다. If the emissivity of the carbon fiber is less than 0.90, an error may occur for the measured value than the actual surface temperature value of the carbon fiber, and if it exceeds 0.98, it may be impossible to measure the surface temperature by absorbing all radiation regardless of the type of wavelength. .
상기 열화상 카메라를 통해 측정된 값으로부터 열전도도를 계산하는 단계는 푸리에(Fourier)의 열전도 공식을 이용하여 계산할 수 있다.The step of calculating the thermal conductivity from the values measured by the thermal imaging camera may be calculated using Fourier's thermal conductivity formula.
이하에서는, PAN계 탄소섬유 토우의 열전도도 측정하는 방법을 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the method of measuring the thermal conductivity of the PAN-based carbon fiber tow will be described in more detail with reference to the present invention through specific examples. However, the following examples are only to illustrate the present invention, the content of the present invention is not limited by the following examples.
실시예Example
열화상 카메라의 기본 픽셀수는 640x480으로 하며 50㎛ 렌즈를 사용함으로써 정밀함을 강화하였다. 이때, 열화상 카메라와 샘플과의 거리는 300mm로 하며, 50㎛ 렌즈를 사용시 기본 픽셀수에 맞추어 샘플과의 거리를 70mm로 설정하였다. The basic number of pixels of a thermal imaging camera is 640x480, and precision is enhanced by using a 50㎛ lens. At this time, the distance between the thermal imaging camera and the sample is 300 mm, and when using a 50 μm lens, the distance between the sample is set to 70 mm according to the number of basic pixels.
탄소섬유의 방사율(emissivity) 값은 0.97로 설정하고 50V, 20A (100W)까지 사용 가능한 전원공급장치를 사용하여 시편 표면에 3.0∼4.0W의 전력을 일정하게 인가되도록 하여 탄소섬유 토우의 열전도도를 측정하였다. Set the emissivity value of the carbon fiber to 0.97 and use a power supply that can be used up to 50V and 20A (100W) to apply a constant power of 3.0 to 4.0W to the specimen surface to increase the thermal conductivity of the carbon fiber tow. It was measured.
열화상 카메라(FLIR, FLIR A655SC)를 통해 측정된 값을 푸리에(Fourier)의 열전도 공식인 Q=-kA(△T/L)에 적용하여 탄소섬유의 열전도도 값을 제공하였으며, 각 샘플 당 15 point 측정한 결과를 하기 표 1에 나타내었다. The values measured by the thermal imaging camera (FLIR, FLIR A655SC) were applied to the Fourier thermal conductivity formula Q=-kA(△T/L) to provide the thermal conductivity values of the carbon fibers, 15 for each sample. Table 1 shows the results of the point measurements.
상기 표 1의 데이터는 3.0∼4.0W에서 측정한 경우를 보인다.The data in Table 1 shows a case measured at 3.0 to 4.0 W.
상기 푸리에(Fourier)의 열전도 공식을 구성하는 변수의 의미는 다음과 같다. (Q=전력(W), k=열전도도(W/mK), A=면적(m2), △T= 온도차, L=섬유 길이(m)) The meaning of the variables constituting the Fourier thermal conductivity formula is as follows. (Q = power (W), k = thermal conductivity (W/mK), A = area (m 2 ), △T = temperature difference, L = fiber length (m))
상기 실시예를 통하여 본 발명에 따른 PAN계 탄소섬유 토우의 열전도도 측정방법은 열화상 카메라를 이용하여 탄소섬유의 발열특성을 간단하게 측정할 수 있으며, 보다 안정성 및 신뢰성이 부여된 탄소섬유의 열전도도 시험방법의 기초를 마련할 수 있는 것을 확인할 수 있다.The method of measuring the thermal conductivity of the PAN-based carbon fiber tow according to the present invention through the above-described embodiment can easily measure the heat generation characteristics of the carbon fiber using a thermal imaging camera, and the thermal conductivity of the carbon fiber to which more stability and reliability is granted. It can also be seen that the basis of the test method can be prepared.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 PAN계 탄소섬유 필라멘트 토우의 열전도도 측정방법이 적용되는 측정용 거치장치를 설명한다.Hereinafter, with reference to Figures 3 and 4 will be described a mounting device for measuring the thermal conductivity measurement method of the PAN-based carbon fiber filament tow according to the present invention.
측정용 거치장치는 탄소섬유 필라멘트 토우를 고정해주는 홀더 역할을 하며 유리나 석영과 같은 열전도율이 매우 낮은 절연재료 중 선택된 1종 이상으로 구성될 수 있으며, 전원공급기와 탄소섬유 필라멘트 샘플을 연결할 수 있도록 가로 5mm 내지 10mm, 세로 30mm 내지 40mm이고 바람직하게는 가로 9mm, 세로 35mm의 한쌍의 구리(Cu) 전극을 배치한다.The measuring device serves as a holder for fixing the carbon fiber filament tow, and can be composed of one or more selected from insulating materials with very low thermal conductivity such as glass or quartz, and is 5mm wide to connect the power supply and the carbon fiber filament sample. The copper (Cu) electrode of 10 mm to 30 mm to 40 mm in length, preferably 9 mm in width and 35 mm in length, is disposed.
한쌍의 구리 전극 중 하나의 전극은 고정부분으로 이루어져야 하며, 다른 하나의 전극은 한쌍의 전극 사이에 위치한 탄소섬유 필라멘트 토우의 길이를 조정할 수 있는 이동 부분으로 이루어지게 되는데, 이를 통해 구리 전극들 사이의 간격은 10mm 내지 20mm로 설정한다. One electrode of the pair of copper electrodes must be made of a fixed part, and the other electrode is made of a moving part that can adjust the length of the carbon fiber filament tow located between the pair of electrodes, through which The gap is set to 10 mm to 20 mm.
구리 전극의 간격을 10mm 미만으로 설정한 경우 열전도가 매우 빨리 일어나기 때문에 표면의 온도 차를 측정할 수 없고, 20mm를 초과할 경우엔 탄소섬유 필라멘트 샘플의 저항 때문에 측정이 불가능 할 수 있다. 그리고 두 전극 위로 시편을 거치한 다음 절연 소재의 덮개와 클램프를 이용하여 전극과 시편이 밀착되도록 고정한다. If the interval of the copper electrode is set to less than 10 mm, the thermal difference occurs very quickly, so the temperature difference on the surface cannot be measured. If it exceeds 20 mm, the measurement may not be possible due to the resistance of the carbon fiber filament sample. Then, the specimen is mounted on the two electrodes, and then the electrode and the specimen are fixed by using an insulating material cover and clamp.
측정용 거치장치는 탄소섬유 필라멘트 시편의 열전도도 및 전기전도도 측정을 위한 것으로서, 이하 구체적인 구조를 설명한다.The mounting device for measurement is for measuring thermal conductivity and electrical conductivity of a carbon fiber filament specimen, and a detailed structure will be described below.
측정용 거치장치는 베이스 플레이트(10), 베이스 플레이트(10) 상에 고정 설치되는 고정 플레이트 유닛(20); 상기 고정 플레이트 유닛(20)의 일측 방향을 따라 상기 베이스 플레이트(10) 상에서 이동 가능하게 배치되는 이동 플레이트 유닛(30); 상기 고정 플레이트 유닛(20)과 이동 플레이트 유닛(30) 상에 연결되는 전원공급부(40); 및 상기 고정 플레이트 유닛(20)과 이동 플레이트 유닛(30) 상에 걸쳐 놓여지는 탄소섬유 필라멘트 시편의 양 끝단을 고정하도록 상기 고정 플레이트 유닛(20)과 이동 플레이트 유닛(30) 각각에 배치되는 한쌍의 클램퍼(50);를 포함한다.The mounting device for measurement includes a
여기에서, 베이스 플레이트(10) 상에서 이동 플레이트 유닛(30)의 이동방향을 길이 방향으로 하고, 이동 플레이트 유닛(30)의 이동방향에 직교하는 방향을 가로 방향으로 설정한다.Here, the moving direction of the moving
상기 베이스 플레이트(10)는 탄소섬유 필라멘트 토우를 고정해주는 홀더 역할을 하며, 탄소섬유 필라멘트 시험 시편보다 열전도율이 매우 낮은 재료로서 유리나 석영 등을 사용할 수 있다.The
상기 고정 플레이트 유닛(20)과 이동 플레이트 유닛(30) 상에 각각 전극이 고정 배치되고, 상기 전극 상에 탄소섬유 필라멘트 시편이 밀착하도록 배치된 상태에서 클램퍼를 통해 탄소섬유 필라멘트 시편을 전극 상에 가압 고정한다. The electrode is fixedly disposed on the fixed
상기 전극은 일 실시예로서 구리 전극을 채용한다.The electrode employs a copper electrode as an embodiment.
상기 고정 플레이트 유닛(20)은, 소정 두께를 갖는 고정 플레이트(210), 상기 고정 플레이트(210)에 고정된 상태에서 고정 플레이트(210)의 상부로 돌출 배치되는 복수의 제1 고정핀(220), 상기 복수의 제1 고정핀(220)을 통해 고정 플레이트 상에 정위치되는 제1 덮개(230)를 포함한다.The fixing
복수의 제1 고정핀(220)은 가로 방향을 따라 복수개가 일렬로 배열된다. 상기 구조를 통해서 결합되는 제1 덮개(230)의 틀어짐을 방지한다.A plurality of first fixing pins 220 are arranged in a line along the horizontal direction. The first cover 230 coupled through the structure is prevented from being distorted.
상기 고정 플레이트(210)는 계단식으로 단차진 제1 전극 안착홈(212)이 형성되고, 상기 제1 전극 안착홈(212) 상에 제1 전극이 고정 설치되며, 상기 제1 덮개(230)는 그 내측 상에 절연 성질을 갖는 제1 스폰지가 배치된다. The fixed
상기 제1 덮개(230)가 고정 플레이트(210) 상에 결합되는 경우에, 상기 제1 스폰지를 통해 제1 전극이 가압 고정된다.When the first cover 230 is coupled to the fixing
상기 이동 플레이트 유닛(30)은, 소정 두께를 갖는 이동 플레이트(310), 이동 플레이트(310)를 관통한 상태에서 이동 플레이트(310)의 상부로 돌출 배치되는 복수의 제2 고정핀(320), 상기 복수의 제2 고정핀(320)을 통해 이동 플레이트(310) 상에 정위치되는 제2 덮개(330)를 포함한다.The moving
상기 이동 플레이트(310)는 이동 플레이트(310)의 전단으로부터 소정거리 이격된 위치 상에 가로 방향을 따라 제2 전극 안착홈(312)이 형성되고, 상기 제2 전극 안착홈(312) 상에 제2 전극이 고정 설치되며, 상기 제2 덮개(330)는 그 내측 상에 절연 성질을 갖는 제2 스폰지가 배치된다. 한편, 고정 플레이트를 마주하는 이동 플레이트(310)의 전단 중앙부 상에는 상하부로 개방 형성된 측정홈이 형성된다. 상기 측정홈은 고정 플레이트 및 이동 플레이트를 통해 탄소섬유 필라멘트 시편이 설치된 상태에서 측정을 행하는 과정에서 용이한 모니터링을 가능하게 한다.The moving
상기 제2 덮개(330)가 이동 플레이트(310) 상에 결합되는 경우에, 제2 스폰지를 통해 제2 전극이 가압 고정된다.When the second cover 330 is coupled to the moving
한쌍의 클램퍼(50)는 고정 플레이트 유닛(20) 상에 결합된 상태에서 탄소섬유 필라멘트 시편의 일측 끝단을 고정하는 제1 클램퍼 및 이동 플레이트 유닛(30) 상에 결합된 상태에서 탄소섬유 필라멘트 시편의 타측 끝단을 고정하는 제2 클램퍼를 포함한다.The pair of
각각의 클램퍼는 플레이트(210,310)의 상면 상에 직접 고정되는 클램프 바디, 클램프 바디의 상단 일측 상에 회동 가능하게 결합되는 손잡이부, 클램프 바디의 상단 타측 상에 회동 가능하게 결합되는 손잡이부, 손잡이부와 가압부를 상호 연결하는 연동부 및 가압부 상에 길이 조절 가능하게 결합되는 누름봉을 포함한다. 상기 손잡이부와 가압부는 소정 각도로 굴곡진 상태의 구조를 갖는 것으로서 상기 굴곡진 부위 상에 연동부가 회전 가능하게 결합되는 구조일 수 있다.Each clamper is a clamp body fixed directly on the upper surfaces of the
상기 손잡이부가 당겨진 상태인 해제 위치에서, 상기 손잡이부를 밀게 되면 연동부 및 가압부를 연쇄적으로 움직이게 함으로써 결과적으로 상기 가압부 상에 길이 조절 가능하게 결합된 누름봉을 플레이트(210,310) 상에 수직한 상태로 위치하게 한다.In the release position in which the handle part is pulled, when the handle part is pushed, the linking part and the pressing part are continuously moved, so that the push bar coupled to the length is adjustable vertically on the
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 탄소섬유의 열전도도 측정방법은 열화상 카메라를 이용하여 직물, 부직포와 같은 복합체 형태가 아닌 PAN계 탄소섬유 토우의 열전도도를 간단하게 측정할 수 있으며, 보다 안정성 및 신뢰성이 부여된 탄소섬유의 열전도도 시험방법의 기초를 마련할 수 있다.As described above, the method for measuring the thermal conductivity of carbon fibers according to the present invention can easily measure the thermal conductivity of a PAN-based carbon fiber tow that is not in the form of a composite such as a fabric or a non-woven fabric by using a thermal imaging camera. The basis for the thermal conductivity test method of carbon fiber with reliability can be prepared.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention, but to explain, and the scope of the technical spirit of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted by the claims below, and all technical spirits within the equivalent range should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
Claims (10)
상기 샘플링된 탄소섬유 필라멘트 토우의 열전도도를 열화상 카메라로 측정하는 단계; 및
상기 열화상 카메라를 통해 측정된 값으로부터 열전도도를 계산하는 단계;를 포함하고,
상기 탄소섬유 필라멘트 토우의 길이는 10mm 내지 50mm인 것을 특징으로 하는,
PAN계 탄소섬유 토우의 열전도도 측정 방법.
Sampling the carbon fiber filament tow;
Measuring the thermal conductivity of the sampled carbon fiber filament tow with a thermal imaging camera; And
Including; calculating the thermal conductivity from the value measured by the thermal imaging camera;
The length of the carbon fiber filament tow is characterized in that 10mm to 50mm,
Method for measuring thermal conductivity of PAN-based carbon fiber tow.
상기 열전도도 측정 방법은,
상기 샘플링된 탄소섬유 필라멘트 토우를 고정해 주는 측정용 거치장치를 이용하고,
상기 측정용 거치장치는 베이스 플레이트(10), 베이스 플레이트(10) 상에 고정 설치되는 고정 플레이트 유닛(20); 상기 고정 플레이트 유닛(20)의 일측 방향을 따라 상기 베이스 플레이트(10) 상에서 이동 가능하게 배치되는 이동 플레이트 유닛(30); 상기 고정 플레이트 유닛(20)과 이동 플레이트 유닛(30) 상에 연결되는 전원공급부(40); 및 상기 고정 플레이트 유닛(20)과 이동 플레이트 유닛(30) 상에 걸쳐 놓여지는 탄소섬유 필라멘트 시편의 양 끝단을 고정하도록 상기 고정 플레이트 유닛(20)과 이동 플레이트 유닛(30) 각각에 배치되는 한쌍의 클램퍼(50);를 포함하는,
PAN계 탄소섬유 토우의 열전도도 측정 방법.
According to claim 1,
The method of measuring the thermal conductivity,
Using a measuring device for fixing the sampled carbon fiber filament tow,
The measurement mounting device includes a base plate 10 and a fixed plate unit 20 fixedly installed on the base plate 10; A moving plate unit 30 movably disposed on the base plate 10 along one direction of the fixed plate unit 20; A power supply unit 40 connected to the fixed plate unit 20 and the moving plate unit 30; And a pair of each of the fixed plate unit 20 and the moving plate unit 30 to fix both ends of the carbon fiber filament specimens placed on the fixed plate unit 20 and the moving plate unit 30. Clamper 50; containing,
Method for measuring thermal conductivity of PAN-based carbon fiber tow.
상기 베이스 플레이트는 유리, 석영 또는 절연재료 중 어느 하나를 포함하는,
PAN계 탄소섬유 토우의 열전도도 측정 방법.
According to claim 1,
The base plate comprises any one of glass, quartz or insulating material,
Method for measuring thermal conductivity of PAN-based carbon fiber tow.
상기 고정 플레이트 유닛(20) 및 이동 플레이트 유닛(30)에 각각 설치된 구리 전극의 간격은 가로 10 mm 내지 20 mm인,
PAN계 탄소섬유 토우의 열전도도 측정 방법.
According to claim 1,
The distance between the copper electrodes installed on the fixed plate unit 20 and the moving plate unit 30 is 10 mm to 20 mm horizontally,
Method for measuring thermal conductivity of PAN-based carbon fiber tow.
상기 열화상 카메라의 측정 범위는 열원으로부터 5mm 내지 15mm으로 구성되는,
PAN계 탄소섬유 토우의 열전도도 측정 방법.
According to claim 1,
The measurement range of the thermal imaging camera is composed of 5 to 15 mm from the heat source,
Method for measuring thermal conductivity of PAN-based carbon fiber tow.
상기 열화상 카메라는 50 내지 200㎛ 렌즈를 사용하는,
PAN계 탄소섬유 토우의 열전도도 측정 방법.
According to claim 1,
The thermal imaging camera uses a 50 to 200㎛ lens,
Method for measuring thermal conductivity of PAN-based carbon fiber tow.
상기 열화상 카메라와 탄소섬유 필라멘트 토우와의 거리는 70mm 내지 300mm인,
PAN계 탄소섬유 토우의 열전도도 측정 방법.
According to claim 1,
The distance between the thermal imaging camera and the carbon fiber filament tow is 70 mm to 300 mm,
Method for measuring thermal conductivity of PAN-based carbon fiber tow.
상기 탄소섬유 필라멘트 토우는 샘플당 10 내지 15 point를 측정하여 평균값을 구하는,
PAN계 탄소섬유 토우의 열전도도 측정 방법.
According to claim 1,
The carbon fiber filament tow is to obtain an average value by measuring 10 to 15 points per sample,
Method for measuring thermal conductivity of PAN-based carbon fiber tow.
상기 탄소섬유 필라멘트 토우의 열전도도를 측정하는 단계에서,
상기 탄소 섬유의 방사율(emissivity) 값은 0.97로 유지하는,
PAN계 탄소섬유 토우의 열전도도 측정 방법.
According to claim 1,
In the step of measuring the thermal conductivity of the carbon fiber filament tow,
The emissivity of the carbon fiber is maintained at 0.97,
Method for measuring thermal conductivity of PAN-based carbon fiber tow.
상기 열화상 카메라를 통해 측정된 값으로부터 열전도도를 계산하는 단계에서,
푸리에(Fourier)의 열전도 공식을 이용하여 계산하는,
PAN계 탄소섬유 토우의 열전도도 측정 방법.According to claim 1,
In the step of calculating the thermal conductivity from the value measured by the thermal imaging camera,
Calculated using Fourier's thermal conductivity formula,
Method for measuring thermal conductivity of PAN-based carbon fiber tow.
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