KR20200101347A - 카본 브러쉬 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 카본 브러쉬에 대해 이동되는 접촉 구조, 특히 전기 기계의 정류자 또는 컬렉터 링과 전기적으로 접촉하기 위한 카본 브러쉬 및 카본 브러쉬의 제조 방법에 관한 것이다. 카본 브러쉬는 그래파이트 분말을 경화성 수지 및 첨가제와 블렌딩함으로써 수득되는 재료 블렌드를 가압하고 경화시킴으로써 실현되고, 그래핀은 첨가제로서 사용된다.

Description

카본 브러쉬 및 그 제조 방법
본 발명은 카본 브러쉬 및 카본 브러쉬의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 접촉 구조 특히, 전기 기계의 카본 브러쉬에 대해 이동되는 정류자(commutator) 또는 컬렉터 링(collector ring)에 전기적으로 접촉하기 위한 카본 브러쉬 및 카본 브러쉬의 제조 방법에 관한 것이다. 그래파이트(graphite) 분말을 경화성 수지(hardenable resin)와 첨가제에 블렌딩(blending)함으로써 재료 블렌드(material blend)가 얻어지고, 재료 블렌드를 가압 및 경화시켜 카본 브러쉬의 브러쉬 본체가 얻어진다.
일반적으로, 카본 브러쉬들은 브러쉬 본체 또는 연결 와이어(pigtail)가 부착된 브러쉬 본체, 댐핑 요소 등으로 이루어진다. 브러쉬 본체는 접촉 표면을 형성하여 정류자 또는 컬렉터 링과 같이 이동되는 접촉 구조와 전기적으로 접촉하는 역할을 한다. 브러쉬 본체를 제조하기 위해, 그래파이트 분말 형태의 카본을 결합제(binding agent)와 블렌드하고 이를 압축 성형 방법으로 가공하여 브러쉬 본체를 형성하하는 기술이 알려져 있다. 수지(resin)들은 일반적으로 결합제로서 사용되고, 고체 윤활제와 세정제(cleaning agents)와 같은 보조 재료들, 심지어 금속 분말은, 카본 브러쉬의 요구되는 물리적 특성을 설정하기 위한 첨가제로서, 그래파이트 분말과 수지로부터 만들어지는 재료 블렌드에 첨가될 수 있다.
EP 1 713 148 A1은 카본 분말과 열가소성 결합제로 구성된 분말 블렌드(powdered blend)에 금속 분말을 첨가하고, 분말 블렌드를 압축 성형 공정으로 가공하여 브러쉬 본체를 형성하는 카본 브러쉬의 제조 방법을 개시한다. 공지된 카본 복합 재료를 사용하여 금속 분말이 카본에 첨가되면 카본 브러쉬의 재료 저항성에 영향을 미친다.
수지가 결합제로서 사용되면, 수지는 브러쉬 본체의 가압 성형체를 열-처리하는 범위에서 탄화됨으로써 수지는 본질적으로 완전히 카본으로 변화된다. 한편, 수지를 탄화 또는 열분해시키지 않고 단순히 수지를 경화시키는 것이 유리할 수 있다. 수지는 우수한 마찰 특성으로 인해 카본 브러쉬의 수명을 연장시킬 수 있다.
카본 브러쉬 즉, 브러쉬 본체의 접촉 표면과 접촉 구조 즉, 정류자 또는 컬렉터 링 사이에 규칙적으로 형성되는 중간층(intermediary layer)은, 산화 구리 및 브러쉬 마모(grit)로 만들어지고 수지의 부분을 함유한다. 이러한 수지 부분은 전기 전이 저항을 증가시켜서 정류(commutation)를 향상시킨다. 따라서, 유도된 단락 전류는 정류자의 2개의 인접한 슬랫(slat)들을 통해 중간층을 2회 통과해야 한다. 그러나, 수지의 전기적 특성으로 인해, 브러쉬 본체의 수지 매트릭스는 카본질 매트릭스에 비해 브러쉬 본체의 비저항(specific resistance)을 증가시킨다. 따라서, 매트릭스 재료로서 수지는 전기 전도성 방식으로 서로 부분적으로만 연결된 그래파이트 분말의 입자들을 둘러싼다. 카본 브러쉬들은 수지 매트릭스 내에서 그래파이트 분말의 입자들을 단단히 고정시킴으로써 수명이 길지만 스파크가 발생할 때 안정성이 떨어진다.
따라서, 본 발명의 목적은 수지 매트릭스를 구비하고 비저항이 낮은 카본 브러쉬 및 카본 브러쉬의 제조 방법을 제안하는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 방법 및 청구항 14의 특징을 갖는 카본 브러쉬에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 카본 브러쉬 제조 방법은, 카본 브러쉬에 대해 이동되는 접촉 구조, 특히 전기 기계의 정류자 또는 컬렉터 링과 전기 접촉하기 위한 카본 브러쉬의 브러쉬 본체는 그래파이트 분말을 경화성 수지 및 첨가제와 블렌딩함으로써 얻어지는 재료 블렌드를 가압 및 경화시켜 얻어지고, 그래핀이 첨가제로서 사용된다.
재료 블렌드는 예를 들어, 압출기의 도움으로 얻을 수 있고, 예를 들어, 매트릭스 재료로서 작용하는 수지를 경화시킴으로써 브러쉬 본체를 형성하기 위해 재료 블렌드가 경화된다. 천연 그래파이트, 인조 그래파이트 또는 전기 그래파이트(electrographite)가 그래파이트 분말로 사용될 수 있다. 그래핀은 각각의 카본 원자가 120°각도에서 다른 3개의 원자들에 의해 둘러싸인 2차원 구조를 가진 카본의 변형이다. 레이어들과 기타 파라미터들은 적용 분야에 따라 보편적으로 선택된다. 특히, 그래핀의 2차원 구조는, 다른 첨가제들의 비교적 더 큰 3차원 입자들의 경우와 같이, 이러한 공간들을 확대하지 않으면서 수지로 채워지고 적어도 부분적으로 그래핀 입자들로 채워진, 그래파이트 분말의 입자들 사이의 공간들의 브리징(bridging)을 가능하게 한다.
유리하게, 그래핀 입자들은 그래파이트 입자들 사이의 거리를 확대시키지 않으면서 그래파이트 입자들 주위에 0.1 내지 1㎛ 두께의 수지층에 산재한다. 이는 브러쉬 본체의 전기 전도성을 크게 향상시키고 비저항을 감소시킬 수 있다. 또한, 수지 상(phase) 내에 제공되는 마찰에 대한 기여가 감소되고, 그 중에서도 브러쉬로부터의 소음이 감소된다. 나아가서, 이렇게 얻어진 브러쉬 본체의 기계적 특성들도 상당히 개선된다. 그래핀의 첨가는 예를 들어, 천공 또는 연마에 의해 가압되거나 기계적으로 가공될 때, 브러쉬 본체에 인열이 형성되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 따라서, 브러쉬 본체의 안정성 및 열전도성이 더 증가될 수 있다.
브러쉬 본체 및 카본 브러쉬의 전도성이 개선되는 것 외에도, 카본 브러쉬의 가능한 오작동들 예컨대, 작동 시간 동안의 브러쉬 본체의 파손이 최소화될 수 있다. 스파크의 생성은 서비스 수명과 마모에 미치는 부정적인 영향이 적으므로, 카본 브러쉬의 적용 분야가 확장된다.
카본 브러쉬 및 브러쉬 본체는 수지의 경화 초기에 얻을 수 있고, 경화는 ≤ 500℃의 온도에서 일어날 수 있다. 따라서, 수지의 열분해 또는 카본으로의 변화가 방지됨으로써, 위에서 기술된 수지의 긍정적인 특성들이 유지된다. 따라서, 수지를 탄화 또는 열분해하는 것은 본 발명의 방법의 범위 내에서 의도된 것은 아니다.
브러쉬 본체는 0.01 내지 5 중량%, 바람직하게 0.01 내지 3 중량%, 특히 바람직하게 0.01 내지 2 중량%의 그래핀 부분을 가질 수 있다. 놀랍게도, 그래핀의 이러한 부분은 카본 브러쉬의 성능을 크게 향상시킬 수 있다. 동시에, 적은 양의 그래핀을 재료 블렌드에 단지 첨가하면 되므로, 카본 브러쉬의 향상된 성능을 저렴하게 얻을 수 있다.
유리하게, 재료 블렌드는 주로 그래파이트 분말로 제조될 수 있다. 따라서, 재료 블렌드는 > 50 중량%, 바람직하게, > 90 중량%일 수 있는 그래파이트 부분을 가질 수 있다. 또한, 재료 블렌드는 고체 윤활제, 연마제 및/또는 금속 분말과 같은 다른 재료들을 포함할 수 있다. 따라서, 카본 브러쉬 및 브러쉬 본체의 특성은각각의 용도에 맞게 원하는 대로 조정될 수 있다.
수지는 액체일 수 있고 그래핀은 그래파이트 분말과 혼합되기 전에 입자 형태로 액상 수지에 첨가될 수 있다. 일반적으로, 수지는 분말 형태일 수도 있지만, 그래핀은 액상 수지와 잘 블렌드될 수 있기 때문에, 수지가 액체인 경우 특히 유리하다. 그래핀은 일종의 분말로서 입자 형태로 사용될 수 있고, 입자들은 2차원 구조를 가진 플레이트 형태로 되어 있다. 그래핀의 제조 방법에 따라, 2차원 구조의 플레이트들은 적층되거나 적층되지 않을 수 있다. 여하튼, 그래핀의 입자들은 구(sphere)를 형성하지 않는다.
액상 수지가 용매, 바람직하게 아세톤으로 희석되고, 열-처리에 의해 압축 후에 또는 압축되는 동안 용매가 제거될 수 있고 수지가 경화될 수 있는 경우, 재료 블렌드는 특히 용이하게 수득될 수 있다. 용매로 희석됨으로써, 특히 균질한 재료 블렌드를 얻을 수 있고, 예컨대, 압출기에서 쉽게 가공될 수 있다. 그러면, 그래핀은 수지와 특히 잘 블렌드될 수 있다. 수지는 열-처리를 통한 용매 기화에 의해 경화될 수 있으므로, 재료 블렌드 및 그렇게 구현된 브러쉬 본체로부터 제거될 수 있다. 용매가 열-처리되거나 기화될 때, 수지의 경화 공정이 시작되도록 온도가 선택될 수 있다.
대안적으로, 수지는 고체일 수 있고 용매를 이용하여 액화될 수 있고, 그래핀은 그래파이트 분말과 블렌드되기 전에 액상 수지에 입자 형태로 첨가될 수 있고, 수지는 경화되어 분말로 가공될 수 있고, 분말은 그래파이트 분말과 혼합될 수있다. 분말은 압출 방식으로 그래파이트 분말과 블렌드될 수 있다.
유리하게, 그래핀과 수지는 균질하게 분산될 수 있다. 그러면, 이러한 분산은 그래파이트 분말과 간단히 블렌드될 수 있으므로, 그래핀은 재료 블렌드 전체에 걸쳐 브러쉬 본체에 균질하게 용이하게 분포된다.
평균 입자 크기가 ≤ 2μm인 그래핀을 사용하는 경우, 브러쉬 본체의 특히 높은 전기 전도성이 달성될 수 있음이 밝혀졌다.
수지는 열경화성 수지 또는 열가소성 수지, 에폭시 수지, 페놀 수지, 수지로서 사용될 수 있도록 되어 있는 노볼락(novolak) 또는 실록산(siloxane)일 수 있다. 실록산은 디오르가노폴리실록산(diorganopolysiloxane)일 수 있다.
그래핀 옥사이드(GO), 환원 그래핀 옥사이드(rGO), 그래핀 나노 플레이트렛(GNO) 및/또는 카본 나노 튜브들(CNT)은 각각 단층 또는 다층일 수 있는 그래핀으로 사용될 수 있다. 사용된 그래핀은 특히 그의 제조 방법의 기능으로서 기능화될 수 있다. 특정 그래핀을 사용함으로써, 카본 브러쉬의 특성을 유리하게 조정할 수 있다.
단일-벽 또는 다중벽 카본 나노 튜브들(CNT), 카본 블랙 및/또는 다른 그래핀 변형들이 첨가제에 첨가되면, 카본 브러쉬의 특성들을 더 유리하게 유도할 수 있다. 카본 블랙의 경우, 입자 크기가 비교적 작은 것이 특히 중요하다. 그래파이트 분말의 입자들의 크기 분포에 따라, 카본 블랙 입자들은 유리하게 그래파이트 분말의 입자들 사이의 더 큰 공간들을 채울 수 있다.
브러쉬 본체는 다층, 바람직하게 이중층 또는 트레블(treble)층이고, 적어도 하나의 층은 첨가제를 구비하고, 접촉 구조와 전기적으로 접촉하기 위한 접촉 표면을 가질 수 있다. 접촉 구조로부터 떨어져 면하는 브러쉬 본체의 층은 예컨대, 그래핀의 이탈부(deviating portion)를 가질 수 있거나, 그래핀이 없을 수도 있다. 층들은 그들이 그래파이트 분말 및/또는 금속 분말의 상이한 부분들을 갖는 한 상이할 수 있다. 따라서, 접촉 표면에서 특히 양호한 전기 접촉을 가능하게 함과 동시에 접촉 표면 반대편의 끝단에서 스트랜드(strand)에 간단히 고정될 수 있는 브러쉬 본체가 얻어질 수 있다.
본 발명에 따른 카본 브러쉬는, 카본 브러쉬에 대해 이동되는 접촉 구조, 특히 전기 기계의 정류자 또는 컬렉터 링과 전기적으로 접촉하기 위한 것으로서, 경화된 수지 및 입자 형태의 첨가제를 가진 그래파이트 분말로 제조된 경화된 재료 블렌드로 구성된 브러쉬 본체로 만들어지고, 첨가제는 그래핀이다. 본 발명에 따른 카본 브러쉬의 유리한 효과와 관련하여, 본 발명에 따른 방법의 이점에 대한 설명이 참조된다. 카본 브러쉬의 다른 유리한 실시예들은 방법 청구항 1을 다시 참조하는 종속항들로부터 유도된다.

Claims (14)

  1. 전기 기계의 카본 브러쉬에 대해 이동되는 접촉 구조 특히, 정류자 또는 컬렉터 링과 전기적으로 접촉하기 위한 카본 브러쉬를 제조하기 위한 방법으로서,
    그래파이트 분말을 경화성 수지(resin)와 첨가제로 블렌드함으로써 재료 블렌드(blend)를 얻는 단계; 및
    상기 재료 블렌드를 가압 및 경화시켜 상기 카본 브러쉬의 브러쉬 본체를 얻는 단계를 포함하고,
    상기 첨가제로서 그래핀이 사용되는, 카본 브러쉬의 제조 방법.
  2. 청구항 1에서,
    상기 카본 브러쉬는 수지를 경화시켜 수득되고, 경화는 ≤ 500℃의 온도에서 발생하는, 카본 브러쉬의 제조 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에서,
    상기 브러쉬 본체는 0.01 내지 5 중량%, 바람직하게 0.01 내지 3 중량%, 특히 바람직하게 0.01 내지 2 중량%의 그래핀 부분을 포함하는, 카본 브러쉬의 제조 방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에서,
    상기 재료 블렌드는 주로 그래파이트 분말로 만들어진, 카본 브러쉬의 제조 방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에서,
    상기 수지는 액체이고 그래핀은 그래파이트 분말과 블렌드되기 전에 액상 수지에 입자 형태로 첨가된, 카본 브러쉬의 제조 방법.
  6. 청구항 5에서,
    상기 액상 수지는 용매, 바람직하게 아세톤으로 희석되고, 상기 용매는 열-처리에 의해 가압 전에 또는 가압되는 동안 제거되고, 상기 수지는 경화되는, 카본 브러쉬의 제조 방법.
  7. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에서,
    상기 수지는 단단하고 액화되며, 입자 형태의 그래핀은 그래파이트 분말과 블렌드되기 전에 액상 수지에 첨가되고, 상기 수지는 경화되고 분말로 분쇄되며, 상기 분말은 그래파이트 분말과 블렌드되는, 카본 브러쉬의 제조 방법.
  8. 청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 한 항에서,
    상기 그래핀과 상기 수지가 균질하게 분산되는, 카본 브러쉬의 제조 방법.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에서,
    평균 입자 크기 ≤ 2μm의 그래핀이 사용되는, 카본 브러쉬의 제조 방법.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에서,
    상기 수지로서, 열경화성 수지 또는 열가소성 수지, 바람직하게 에폭시 수지, 페놀 수지, 노볼락 또는 실록산이 사용되는, 카본 브러쉬의 제조 방법.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에서,
    그래핀 옥사이드(GO), 환원 그래핀 옥사이드(rGO), 그래핀 나노 플레이트렛(GNO) 및/또는 카본 나노 튜브(CNT)가 상기 그래핀으로서 사용되는, 카본 브러쉬의 제조 방법.
  12. 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에서,
    단일 벽 또는 다중 벽 카본 나노 튜브 및/또는 카본 블랙이 상기 첨가제에 첨가되는, 카본 브러쉬의 제조 방법.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에서,
    상기 브러쉬 본체는 다층, 바람직하게 이중층 또는 트레블(treble)층이고, 적어도 하나의 층은 첨가제를 포함하고 접촉 구조와 전기적으로 접촉하기 위한 접촉 표면을 구비하는, 카본 브러쉬의 제조 방법.
  14. 카본 브러쉬에 대해 이동 가능한 접촉 구조 특히, 전기 기계의 정류자 또는 컬렉터 링과 전기적으로 접촉하기 위한 카본 브러쉬로서,
    상기 카본 브러쉬는 경화된 수지 및 입자형 첨가제를 가진 그래파이트 분말로 만들어진 경화된 재료 블렌드로 제조된 브러쉬 본체로 구성되고,
    상기 첨가제는 그래핀인, 카본 브러쉬.
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