KR20210133454A - 탄소섬유 카본시트 및 그의 제조방법 - Google Patents

탄소섬유 카본시트 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소섬유 카본시트 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 탄화수율이 60% 내지 90%인 함침 수지를 사용하여 탄소섬유 카본시트를 제조함으로써 고온 열처리 공정에 따른 탄화 수지의 수축을 감소시키고 높은 강도를 유지하여 굴곡(wave) 및 벤딩(bending)과 같은 결점 발생을 최소화할 수 있는 탄소섬유 카본시트를 제공할 수 있다. 이를 통해 본 발명에 따른 탄소섬유 카본시트는 연료전지의 카본페이퍼로 적용되었을 때 셀 내의 다른 층과의 계면 형성이 용이하게 되어 연료전지의 제조 수율 및 발전 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

탄소섬유 카본시트 및 그의 제조방법{CARBON FIBER CARBON SHEET AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 탄소섬유 카본시트 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 고온열처리 공정에 의해 제조되는 카본시트의 벤딩(bending) 및 굴곡(wave) 결점이 감소된 탄소섬유 카본시트 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 탄소섬유는 우수한 기계적 물성을 보유한 소재로서, 매트릭스 수지와 함께 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 구성하여 사용된다. 탄소섬유의 우수한 기계적 물성을 이용한 기재인 CFRP가 다양하게 사용됨에 따라 기존 소재의 경량화 및 고강도화가 이루어지고 있다. 또한, 탄소섬유의 X-RAY 투과성, 전기전도성, 열전도성 등 특수한 성질을 이용하는 분야도 있는데, 연료전지의 기체확산층(GAS DIFFUSION LAYER, GDL)은 탄소섬유의 기능적 특성을 활용하는 대표적인 예이다.
연료전지는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치로, 기존의 화석연료들와 달리 연료를 태우지 않고 전기를 바로 생산하기 때문에 환경 친화적이며 발전 효율이 매우 높은 장점이 있다. 이와 같은 연료전지는 친환경 에너지이며 높은 발전 효율로 인해 자동차 및 화물용 드론에 설치되는 소형 연료전지부터 1가구 또는 1개 건물의 전력을 생산하는 대형 연료전지까지 다양한 규모로 보급되고 있다.
연료전지의 단위 셀은 일반적으로 분리판, 기체확산층, 촉매층, 전해질, 촉매층 및 분리판 순으로 적층되어 구성되며, 연료로 사용되는 수소는 애노드(Anode)에 공급되고 산소는 캐소드(Cathode)에 공급된다. 그 중 기체확산층은 산소나 수소 가스를 균일하게 공급하며 발전 부산물인 물을 배출하는 기능을 한다. 이를 위해 기체확산층은 연료가스를 촉매층으로 골고루 공급할 수 있는 기체투과도 및 생성된 전자를 빠르게 이동시킬 수 있는 전기전도도가 요구되며, 이와 동시에 외부 충격에 대한 충분한 강도를 필요로 한다. 이와 같은 기체확산층의 요구 물성을 만족시키기 위하여 기체확산층은 일반적으로 우수한 강도 및 전기전도도를 가지는 탄소섬유 기반 카본페이퍼로 제조된다. 이와 같은 카본페이퍼로 제조된 기체확산층의 일례로 대한민국 공개특허 제10-2017-0108474호는 전기전도성이 뛰어난 카본페이퍼를 제조하는 방법을 기재하고 있다.
그러나 종래의 카본페이퍼는 고온 열처리에 의한 제조과정에서 매트릭스 수지의 열 수축에 의한 카본페이퍼의 벤딩(bending) 또는 굴곡(wave) 결점이 발생되어 기체확산층을 만드는 제조공정에서 코팅층의 균일한 코팅이 어렵게 되거나, 연료전지 셀을 쌓아 올리는 결합 공정에서 다른 층과의 계면 접합이 어려워져 연료전지의 제조 수율이 나빠지는 단점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2017-0108474호
본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 카본시트 또는 카본 페이퍼를 제조하기 위한 고온 열처리 공정에서 탄화 수지의 수축을 감소시키고 높은 강도를 유지하여 굴곡(wave) 및 벤딩(bending) 결점 발생을 최소화할 수 있는 탄소섬유 카본시트 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 다른 목적과 이점은 바람직한 실시예를 설명한 하기의 설명으로부터 분명해질 것이다.
상기 목적은, 탄소섬유 및 탄소섬유를 결합하는 고분자 수지 탄화물을 포함하고, 고분자 수지 탄화물은 하기 수학식 1에 따른 탄화수율이 60 내지 90%인 탄소섬유 카본시트에 의해 달성된다.
(수학식 1)
탄화수율=(탄화 후 무게/탄화 전 무게)*100
바람직하게는, 탄소섬유 카본시트의 평탄도는 2mm 이하일 수 있다.
바람직하게는, 고분자 수지 탄화물을 형성하는 함침 용액은 함침 수지 및 용매를 포함하고, 함침 수지는 열경화성 수지를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 함침 수지는 페놀계 수지, 에폭시계 수지 및 멜라민계 수지 중에서 선택된 적어도 하나 이상일 수 있다.
바람직하게는, 함침 수지는 페놀계 수지이고, 용매는 메탄올, 에탄올 및 프로판올 중에서 어느 하나일 수 있다.
바람직하게는, 함침 수지는 함침 용액 100 중량부에 대해 1 내지 50 중량부일 수 있다.
바람직하게는, 함침 용액은 흑연, 카본블랙, CNT, 그래핀 및 밀드탄소섬유를 포함하는 탄소계 전도성 필러와 무기계 필러 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 필러를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 고분자 수지 탄화물은 탄소섬유 100 중량부에 대해 20 내지 80 중량부일 수 있다.
바람직하게는, 탄소섬유 카본시트의 두께는 100 내지 500㎛일 수 있다.
바람직하게는, 탄소섬유는 비등방성으로 배열된 탄소섬유 웹이 1 이상의 층으로 구성된 것일 수 있다.
바람직하게는, 탄소섬유의 길이는 3 내지 25mm일 수 있다.
바람직하게는, 탄소섬유의 직경은 5 내지 10㎛일 수 있다.
상기 목적은, 탄소섬유 웹을 제조하는 제1 단계, 함침 수지 및 용매를 혼합하여 함침 용액을 제조하는 제2 단계, 탄소섬유 웹에 함침 용액을 함침시키는 제3 단계, 함침된 탄소섬유 웹을 열풍으로 건조시키는 제4 단계, 건조된 탄소섬유 웹에 열과 압력을 가하여 경화시키는 제5 단계 및 경화된 탄소섬유 웹을 1,000 내지 3,000℃에서 탄화시켜 카본시트를 제조하는 제6 단계를 포함하는 탄소섬유 카본시트의 제조방법에 의해 달성된다.
바람직하게는, 함침 수지는 하기 수학식 1에 따른 탄화수율이 60 내지 90%일 수 있다.
(수학식 1)
탄화수율=(탄화 후 무게/탄화 전 무게)*100
바람직하게는, 제2 단계의 함침 수지는 페놀계 수지, 에폭시계 수지 및 멜라민계 수지 중에서 선택된 적어도 하나 이상이고, 용매는 메탄올, 에탄올 및 프로판올 중에서 어느 하나일 수 있다.
바람직하게는, 제2 단계의 함침 수지는 함침 용액 100 중량부에 대해 1 내지 50 중량부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 제2 단계의 함침 용액은 흑연, 카본블랙, CNT, 그래핀 및 밀드탄소섬유를 포함하는 탄소계 전도성 필러와 무기계 필러 중에서 선택된 하나 이상의 필러를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 제 1단계의 탄소섬유 웹은 습식(wet-laid) 방법으로 제조된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 탄소섬유 카본시트는 탄화수율이 60 내지 90%인 함침 수지를 사용하여 카본시트를 제조함으로써 굴곡 및 벤딩과 같은 결점 발생을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 탄소섬유 카본시트는 굴곡 및 벤딩과 같은 결점이 적어 연료전지용 카본페이퍼로 적용되었을 때 셀 내의 다른 층과의 계면 형성이 용이하게 되어 연료전지의 제조 수율 및 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
다만, 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 카본시트의 표면 SEM 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 카본시트의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 실시예에 사용된 페놀 수지의 탄화수율 측정 전·후 이미지이다.
도 4는 실시예 및 비교예에 따른 탄소섬유 카본시트의 평탄도 측정을 설명하는 도면이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술 분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 상충되는 경우, 정의를 포함하는 본 명세서가 우선할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명되는 것과 유사하거나 동등한 방법 및 재료가 본 발명의 실시 또는 시험에 사용될 수 있지만, 적합한 방법 및 재료가 본 명세서에 기재된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 카본시트의 표면 SEM 이미지이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 카본시트는 탄소섬유 및 탄소섬유를 결합하고 있는 고분자 수지 탄화물을 포함한다. 탄소섬유 카본시트는 탄소섬유에 고분자 수지를 함침시킨 후 최종적으로 고온 열처리하여 제조되는데, 이때 탄소섬유는 고온 열처리에 의한 치수변화가 거의 일어나지 않지만, 고분자 수지는 중량감소와 함께 수축이 발생하면서 고분자 수지 탄화물을 형성한다. 따라서 제조된 탄소섬유 카본시트에 발생되는 벤딩(bending) 및/또는 굴곡(wave) 결점은 고분자 수지의 수축에 큰 영향을 받는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 카본시트는 고온 열처리에 의한 탄화 과정에서 고분자 수지의 수축 비율을 감소시켜 탄소섬유 카본시트에 발생되는 벤딩 및/또는 굴곡 현상을 감소시키기 위해 탄화수율이 60% 내지 90%로 높은 함침 수지를 사용하여 탄소섬유 카본시트를 제조한다. 이때, 탄화수율은 수학식 1에 의해 산출된다.
(수학식 1)
탄화수율=(탄화 후 무게/탄화 전 무게)*100
수학식 1에 의해 산출되는 고분자 수지 탄화물의 탄화수율이 60 내지 90%의 높은 값을 가지게 되면 고온 열처리 공정에서 중량 감소가 줄어들기 때문에 종래의 탄화수율이 약 50% 정도인 함침 수지에 비해 수축이 감소하게 되어 탄소섬유 카본시트의 벤딩 및/또는 굴곡 결점 발생이 감소한다. 또한, 고분자 수지 탄화물의 탄화수율이 높아지게 되면, 고분자 수지 탄화물 내 O, N, H 원자 대비 C 원자의 함량이 높기 때문에 기계적 강도가 높아 수축에 대한 저항이 높아지기 때문에 치수안정성이 높아지는 효과를 가진다. 반면에, 탄화수율이 60% 미만인 경우는 종래의 탄소섬유 카본시트에 사용되는 일반적인 페놀 수지로서 고온 열처리 공정에서 열수축에 의한 벤딩 및/또는 굴곡 결점이 다수 발생하게 되며, 탄화수율이 90%를 초과하는 경우는 이와 같은 탄화수율을 달성하기 위한 수지의 제조 비용이 증가하는 문제를 가진다.
고분자 수지 탄화물을 형성하는 함침 수지, 즉 열처리에 의한 탄화 과정 이전에 탄소섬유에 함침되는 함침 수지는 열경화성 수지인 것이 바람직하다. 열경화성 수지는 열가소성 수지에 비해 열 경화 후, 비 가역적인 3차원 망상구조를 가지기 때문에 열 특성 및 기계적 특성이 우수하고, 불활성 분위기에서 고온 열처리 시 탄소(C) 원자들이 여전히 그 형태를 유지하면서 일정 수준의 강도를 가질 수 있다. 따라서, 열경화성 수지는 탄소섬유 카본시트를 제조하는 고온 열처리 공정 후에도 탄소섬유를 결합하는 바인더 역할을 할 수 있다.
이때, 고분자 수지 탄화물을 형성하는 열경화성 함침 수지는 페놀계 수지, 에폭시계 수지 및 멜라민계 수지 중에서 선택되는 적어도 하나 이상인 것이 바람직하며, 본 발명에서는 페놀계 수지인 것이 더욱 바람직하다. 페놀 수지는 열경화성 수지 중에서도 탄화수율이 약 50% 정도로 높은 수지이기 때문에 탄소섬유 카본시트의 함침 수지로 사용 시 고온 열치리 공정 후에도 탄소섬유를 결합하는 바인더 역할을 할 수 있기 때문에 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 카본시트는 탄소섬유 및 탄소섬유를 결합하는 고분자 수지 탄화물을 포함하며, 보다 구체적으로 탄소섬유에 함침 용액을 함침한 후 고온 열처리를 통해 함침 용액을 탄화시켜 고분자 수지 탄화물을 형성한다.
탄소섬유에 함침되는 함침 용액은 함침 수지 및 용매를 포함한다. 이때. 함침 용액의 함침 수지는 페놀 수지이고 용매는 알코올계 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 일반적으로 액상의 페놀 수지는 점도가 높기 때문에 희석하지 않은 상태로 사용 시 공정성이 불량하며 탄소섬유 기재의 찢어짐과 같은 문제가 발생할 수 있다. 또한, 고상의 페놀 수지는 탄소섬유 기재에 균일한 함침이 어렵고 분진과 같은 공정 문제가 발생하기 때문에 액상의 용매가 필요하다. 따라서 함침 용액은 함침 수지에 용매를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하며, 용매로는 메탄올, 에탄올 및 프로판올 중에서 선택되는 적어도 하나 이상의 알코올계 용매가 바람직하다.
알코올계 용매는 페놀 수지의 용해가 양호하며 점도가 매우 낮기 때문에 액상 및 고상의 페놀 수지를 이용한 함침 공정성이 크게 향상될 수 있다. 또한, 탄소섬유 기재에 포함되어 있는 열가소성 바인더를 용해시키지 않기 때문에 함침 공정 중 탄소섬유 기재의 손상 없이 함침이 가능하다.
이때, 함침 용액 100 중량부에 대해 함침 수지의 함량은 1 내지 50 중량부인 것이 바람직하다. 함침 용액 중의 수지 함량은 탄소섬유 기재의 평량(g/m2),함침 속도, 함침 횟수 및 목표 함침량 등에 따라 달라질 수 있는데, 함침 용액에서 함침 수지가 1 중량부 미만이면 탄소섬유에 함침되는 수지의 함량이 너무 적기 때문에 함침 및 건조 공정을 불필요하게 여러 번 반복해야 하므로 공정 상 바람직하지 않으며, 50 중량부 초과인 경우 함침 용액의 점도가 높아지기 때문에 공정성이 불량해지고 탄소섬유 기재에 손상이 발생될 수 있기 때문에 바람직하지 않다.
탄소섬유 카본시트는 연료전지의 기체확산층으로 사용되는 경우 기체투과도, 전기전도도, 열전도도, 기계적강도 등의 물성이 요구된다. 따라서, 탄소섬유 카본시트의 전기전도도 및 열전도도 향상의 목적으로 함침 용액 중에 흑연, 카본블랙, CNT, 그래핀 및 밀드탄소섬유와 같은 탄소계 전도성 필러와 ZnO 등과 같은 무기계 필러 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 필러가 첨가될 수 있다. 탄소섬유 기재에 필러를 균일하게 분포시키기 위해서 함침 용액에 필러를 균일하게 분산한 후 함침하는 것이 바람직하다.
탄소섬유에 함침 용액을 함침시킨 후 1,000 내지 3,000℃에서 고온 열처리하여 탄화된 고분자 수지 탄화물은 탄소섬유 카본시트에서 탄소섬유 100 중량부에 대해 20 내지 80 중량부인 것이 바람직하다. 고분자 수지 탄화물의 함량이 20 중량부 미만이면 탄소섬유를 결합하는 힘이 약해 기계적 강도가 감소하며 두께방향 열 및 전기전도도가 충분하지 않게 되고, 고분자 수지 탄화물의 함량이 80 중량부 초과이면 탄소섬유 기재 내 기공을 고분자 수지 탄화물이 채워 기체투과도가 감소하여 연료전지에 사용되는 경우 연료전지의 효율이 낮아지는 단점이 있다.
탄소섬유 카본시트의 두께는 100 내지 500㎛인 것이 바람직하다. 탄소섬유 카본시트의 두께가 100㎛ 미만이면 기재의 강도가 저하되고 연료전지용 기체확산층으로 사용되었을 때 발전 효율이 낮은 단점이 있으며, 탄소섬유 카본시트의 두께가 500㎛ 초과이면 시트의 유연성이 감소되어 연속적으로 생산 시 롤 형태로 권취하는 것이 불가능하며 연료전지용 기체확산층으로 사용되었을 때 셀의 두께가 두꺼워지는 단점이 있다.
탄소섬유 카본시트에 사용되는 탄소섬유는 탄소섬유가 비등방성으로 배열된 탄소섬유 웹 형태로 1층 이상으로 구성되는 것이 바람직하다. 이와 같이 탄소섬유 웹은 섬유의 배향 및 기공도 등을 조절하여 1 이상의 층으로 구성하여 기능성을 부여할 수 있다. 이때, 본 발명에서 탄소섬유 웹 형태는 건식(dry-laid), 습식(wet-laid) 및 니들펀칭 등의 방법으로 제조되는 것이 바람직하며, 좀 더 구체적으로 탄소섬유 웹은 습식(wet-laid) 방법으로 제조되는 것이 더욱 바람직하다. 습식(wet-laid) 방법으로 탄소섬유 웹을 제조하게 되면 탄소섬유의 분산이 매우 균일하여 기체투과도가 균일해지고 낮은 평량으로 제조가 가능하다.
또한, 탄소섬유는 길이가 3 내지 25mm인 것이 바람직하다. 탄소섬유 길이가 3mm 미만이면 탄소섬유 웹의 형성이 어렵고 강도가 약한 단점이 있으며 25mm 초과이면 탄소섬유의 분산이 어렵고 탄소섬유 웹의 제조 공정 중 결점이 쉽게 발생될 수 있다.
또한, 탄소섬유는 직경이 5 내지 10㎛인 것이 바람직하다. 탄소섬유의 직경이 5㎛ 미만이면 탄소섬유의 강도가 약해 탄소섬유 카본시트의 강도가 저하되며 10㎛ 초과이면 평량 대비 탄소섬유 웹의 두께가 너무 두꺼워지기 때문에 연료전지용 기체확산층으로 사용되었을 때 연료전지 셀의 두께가 두꺼워지는 단점이 있다.
또한, 본 발명에서 사용되는 탄소섬유는 PAN계, 레이온계, 피치계 중 어느 하나 이상의 탄소섬유가 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 카본시트의 평탄도는 2mm 이하인 것이 바람직하다. 여기서 평탄도는 탄소섬유 카본시트를 평평한 바닥에 놓았을 때, 평평한 바닥을 기준으로 휘어진 부분이 바닥과 이격된 최대 높이(벤딩 결점 최대 높이)를 의미한다. 탄소섬유 카본시트의 평탄도가 2mm 초과인 경우 탄소섬유 카본시트에 벤딩 또는 굴곡이 심하게 발생하여 기체확산층을 만드는 제조공정에서 코팅층의 균일한 코팅이 어렵게 되거나, 연료전지 셀을 쌓아 올리는 결합 공정에서 다른 층과의 계면 접합이 어려워져 연료전지의 제조 수율이 나빠지게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 카본시트의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 카본시트의 제조방법은 탄소섬유웹을제조하는제1 단계(S101), 함침 용액을 제조하는 제2 단계(S102), 탄소섬유 웹에 함침 용액을 함침시키는 제3 단계(S103), 함침된 탄소섬유 웹을 열풍으로 건조하는 제4 단계(S104), 건조된 탄소섬유 웹에 열과 압력을 가하여 경화하는 제5 단계(S105) 및 경화된 탄소섬유 웹을 고온에서 탄화하는 제6 단계(S106)를포함한다.
먼저, 탄소섬유 웹을 제조하는 제1 단계(S101)에서는 탄소섬유가 비등방성으로 배열된 탄소섬유웹 형태로 1층 이상으로 구성된 탄소기재를 사용한다. 이와 같이 탄소섬유 웹은 섬유의 배향 및 기공도 등을 조절하여 1 이상의 층으로 구성하여 기능성을 부여할 수 있다. 이때, 탄소섬유 웹 형태는 건식(dry-laid), 습식(wet-laid) 및 니들펀칭 등의 방법으로 제조되는 것이 바람직하나, 본 발명에서의 탄소섬유 웹은 습식(wet-laid) 방법으로 제조되는 것이 더욱 바람직하다. 습식(wet-laid) 방법으로 탄소섬유 웹을 제조하게 되면 탄소섬유의 분산이 매우 균일하여 기체 투과도가 균일해지고 낮은 평량으로 제조가 가능하기 때문이다.
다음으로, 함침 용액을 제조하는 제2 단계(S102)에서는 함침 수지에 용매를 혼합하여 함침 용액을 제조한다. 일 실시예에서 함침 용액의 함침 수지는 페놀계 수지, 에폭시계 수지 및 멜라민계 수지 중에서 선택된 적어도 하나 이상이고, 용매는 메탄올, 에탄올 및 프로판올 중에서 어느 하나일 수 있다. 본 발명에서는 함침 수지로 페놀 수지인 것이 바람직하고, 용매로 알코올계 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 함침 용액 100 중량부에 대해 함침 수지의 함량은 1 내지 50 중량부인 것이 바람직하다.
또한, S102 단계에서는 함침 용액에 흑연, 카본블랙, CNT, 그래핀 및 밀드탄소섬유와 같은 탄소계 전도성 필러와 ZnO 등과 같은 무기계 필러 중에서 선택된 하나 이상의 필러를 더 혼합할 수 있다. 특히, 필러를 함침 용액에 균일하게 분산시킨 후 필러가 혼합된 함침 용액을 탄소섬유 기재에 함침시켜 탄소섬유 기재의 표면에 필러가 균일하게 분포되도록 할 수 있다.
다음으로, 탄소섬유 웹에 함침 용액을 함침시키는 제3 단계(S103)에서는 S101 단계에서 만들어진 탄소섬유 웹에 S102 단계에서 제조된 함침 용액을 함침시킨다. 구체적인 내용은 상술한 바와 같다.
다음으로, 함침된 탄소섬유 웹을 열풍으로 건조하는 제4 단계(S104)에서는 S103 단계에서 함침 용액이 함침된 탄소섬유 웹을 열풍 건조기를 이용하여 건조시켜, 함침 용액에 포함된 용매를 휘발시키게 된다. 이때 건조온도는 70 내지 100℃인 것이 바람직하다. 건조온도가 70℃ 미만인 경우 잔여 용매가 충분히 건조되지 않으며, 100℃ 초과일 경우 용매로 인한 화재를 유발할 수 있는 문제를 가진다.
다음으로, 건조된 탄소섬유 웹에 열과 압력을 가하여 경화하는 제5 단계(S105)에서는 핫 프레스(hot-press)를 이용하여 열과 압력을 가하여 함침 수지를 경화시킨다.
다음으로, 경화된 탄소섬유 웹을 고온에서 탄화하는 제6 단계(S106)에서는 S105 단계에서 경화가 완료된 탄소섬유 웹을 1,000 내지 3,000℃로 열처리하여 탄소섬유 카본시트를 제조한다.
이와 같이 제조된 탄소섬유 카본시트는 두께방향 열전도도 및 전기전도도를 확보함과 동시에 충분한 기체투과도를 가질 수 있도록 탄소섬유 100 중량부에 대해 20 내지 80 중량부의 고분자 수지 탄화물을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 이와 같이 제조된 탄소섬유 카본시트는 벤딩 또는 굴곡이 적게 발생되어 평탄도가 2mm 이하인 것이 바람직하다.
하기 표 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 카본시트의 페놀 수지와 비교예로서, 종래의 탄소섬유 카본시트의 페놀 수지에 대한 탄화 전/후의 무게를 비교하여 탄화수율을 산출한 결과이다. 참고로, 도 3은 실시예에 사용된 페놀 수지의 탄화수율 측정 전·후 이미지이다.
실시예의 페놀 수지 비교예의 페놀 수지
탄화 전 세라믹 도가니 무게(g) 92.63 94.15
페놀 수지 경화물 무게(g) 3.31 3.20
탄화 후 세라믹 도가니+탄화물 무게(g) 94.73 95.77
탄화물 무게(g) 2.10 1.62
탄화수율(%) 63.44 50.63
하기 표 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 카본시트와 비교예로서, 종래의 탄소섬유 카본시트에 대한 벤딩 결점 최대 높이를 측정한 결과이다.
함침 수지 종류 함침 수지 탄화수율(%) 탄소섬유 카본시트의
벤딩 결점 최대 높이(mm)
실시예 페놀 수지 63.44 1.8
비교예 페놀 수지 50.63 3
표 1에 기재된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 카본시트에 사용된 페놀 수지의 탄화수율은 63.44%이고, 비교예로서 종래의 탄소섬유 카본시트에 사용된 페놀 수지의 탄화수율은 50.63%로 산출되었다.
표 2 및 도 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, 탄화수율이 63.44%로 60% 이상의 탄화수율을 가지는 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 카본시트는 벤딩 결점 최대 높이가 1.8mm로 2mm 이하인 것을 만족하므로 벤딩 및 굴곡에 대한 감소 효과를 확인할 수 있다. 반면에, 페놀 수지의 탄화수율이 50.63%로 60% 미만인 비교예로서 종래의 탄소섬유 카본시트(402)는 실시예의 탄소섬유 카본시트(401)와 비교하여 벤딩이 더욱 심하게 나타나며, 벤딩 결점 최대 높이가 3mm로 2mm를 초과한 것을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
301: 페놀 수지 경화물 302: 페놀 수지 탄화물
401: 실시예의 탄소섬유 카본시트
402: 비교예의 탄소섬유 카본시트

Claims (18)

  1. 탄소섬유 및 상기 탄소섬유를 결합하는 고분자 수지 탄화물을 포함하고,
    상기 고분자 수지 탄화물은 하기 수학식 1에 따른 탄화수율이 60 내지 90%인 탄소섬유 카본시트.
    (수학식 1)
    탄화수율=(탄화 후 무게/탄화 전 무게)*100
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유 카본시트의 평탄도는 2mm 이하인, 탄소섬유 카본시트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 수지 탄화물을 형성하는 함침 용액은 함침 수지 및 용매를 포함하고,
    상기 함침 수지는 열경화성 수지를 포함하는, 탄소섬유 카본시트.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 함침 수지는 페놀계 수지, 에폭시계 수지 및 멜라민계 수지 중에서 선택된 적어도 하나 이상인, 탄소섬유 카본시트.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 함침 수지는 페놀계 수지이고,
    상기 용매는 메탄올, 에탄올 및 프로판올 중에서 어느 하나인, 탄소섬유 카본시트.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 함침 수지는 상기 함침 용액 100 중량부에 대해 1 내지 50 중량부인, 탄소섬유 카본시트.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 함침 용액은 흑연, 카본블랙, CNT, 그래핀 및 밀드탄소섬유를 포함하는 탄소계 전도성 필러와 무기계 필러 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 필러를 더 포함하는, 탄소섬유 카본시트.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 수지 탄화물은 상기 탄소섬유 100 중량부에 대해 20 내지 80 중량부인, 탄소섬유 카본시트.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유 카본시트의 두께는 100 내지 500㎛인, 탄소섬유 카본시트.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유는 비등방성으로 배열된 탄소섬유 웹이 1 이상의 층으로 구성된, 탄소섬유 카본시트.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유의 길이는 3 내지 25mm인, 탄소섬유 카본시트.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유의 직경은 5 내지 10㎛인, 탄소섬유 카본시트.
  13. 탄소섬유 웹을 제조하는 제1 단계;
    함침 수지 및 용매를 혼합하여 함침 용액을 제조하는 제2 단계;
    상기 탄소섬유 웹에 상기 함침 용액을 함침시키는 제3 단계;
    함침된 탄소섬유 웹을 열풍으로 건조하는 제4 단계;
    건조된 탄소섬유 웹에 열과 압력을 가하여 경화시키는 제5 단계; 및
    경화된 탄소섬유 웹을 1,000 내지 3,000℃에서 탄화시켜 카본시트를 제조하는 제6 단계;
    를 포함하는, 탄소섬유 카본시트의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 함침 수지는 하기 수학식 1에 따른 탄화수율이 60 내지 90%인, 탄소섬유 카본시트의 제조방법.
    (수학식 1)
    탄화수율=(탄화 후 무게/탄화 전 무게)*100
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제2 단계의 상기 함침 수지는 페놀계 수지, 에폭시계 수지 및 멜라민계 수지 중에서 선택된 적어도 하나 이상이고, 상기 용매는 메탄올, 에탄올 및 프로판올 중에서 어느 하나인, 탄소섬유 카본시트의 제조방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 제2 단계의 상기 함침 수지는 상기 함침 용액 100 중량부에 대해 1 내지 50 중량부를 포함하는, 탄소섬유 카본시트의 제조방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 제2 단계의 상기 함침 용액은 흑연, 카본블랙, CNT, 그래핀 및 밀드탄소섬유를 포함하는 탄소계 전도성 필러와 무기계 필러 중에서 선택된 하나 이상의 필러를 더 포함하는, 탄소섬유 카본시트의 제조방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 제1 단계의 상기 탄소섬유 웹은 습식(wet-laid) 방법으로 제조된, 탄소섬유 카본시트의 제조방법.
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KR20170108474A (ko) 2016-03-18 2017-09-27 (주)시엔케이 전기전도성 카본페이퍼의 제작방법.

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