KR20220066680A

KR20220066680A - PCS 단섬유의 불융화 디바이스 및 이를 이용한 SiC 단섬유의 제조 방법

Info

Publication number: KR20220066680A
Application number: KR1020200152979A
Authority: KR
Inventors: 조광연; 신동근; 주영준
Original assignee: 한국세라믹기술원
Priority date: 2020-11-16
Filing date: 2020-11-16
Publication date: 2022-05-24
Also published as: KR102447735B1

Abstract

PCS 단섬유의 불융화 디바이스는 가스 유입구 및 배출구가 구비되며 개폐가능한 도어(12)가 장착되며 수평으로 배치되는 챔버(10); 챔버의 바닥면으로부터 소정의 높이만큼 이격되어 배치되며, 다수의 관통구멍이 형성되는 PCS 섬유 재치대(20); 챔버(10)의 PCS 섬유 재치대(20)의 저면과 상기 챔버(10)의 바닥면 사이에 형성되는 불융화 가스 발생체 수납공간(40); 챔버(10)의 가스 배출구에 연결되는 진공장치; 및 챔버(10)의 내부에 주입되는 가스의 종류와 주입량, 압력, 온도, 가스 배출시간을 조절하는 제어부를 포함한다.

Description

PCS 단섬유의 불융화 디바이스 및 이를 이용한 SiC 단섬유의 제조 방법 {INFUSIBLE TREATMENT DEVICE ON PCS SHORT FIBER AND METHOD FOR MANUFACTURING SiC SHORT FIBER USING THE SAME}

본 발명은 PCS 단섬유의 불융화 디바이스 및 이를 이용한 SiC 단섬유의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, PCS 섬유를 절단하여 단섬유 상태에서 불융화 처리하는 디바이스 및 이러한 PCS 단섬유의 불융화 디바이스를 이용하여 SiC 단섬유를 제조하는 방법에 관한 것이다.

실리콘카바이드(SiC) 섬유는 불활성 분위기 아래의 고온에서 제조되는 섬유로서, 초고온에서의 기계적 물성이 우수하기 때문에 최근 우주 항공기 엔진, 원자력 발전소 내부 구조체, 화력 발전소 터빈블레이드, 브레이크 패드/디스크, 유도 무기 내장 부품, 반도체 치공구 등 여러 분야에 걸쳐 폭넓게 사용되고 있다.

SiC 섬유의 제조 원료는 폴리카보실란(PCS: Polycarbosilane)으로서, PCS 섬유는 불활성 분위기에서 열처리하여 열분해된 후 세라믹인 SiC로 전환되어 SiC 섬유로 된다. 그러나, 용융방사된 PCS 섬유는 열처리과정에서 다시 용융되어 섬유 형상을 잃게 되므로, 이를 방지하기 위하여 열가소성을 가진 PCS 섬유를 열을 가하여도 용융되지 않고 섬유 형상을 유지하기 위하여 약 200℃ 부근에서 공기 중 혹은 할로겐 가스 분위기에서 화학처리를 하여 PCS 섬유의 가교반응을 유도하여 열경화성으로 전환시키는 불융화 공정을 수행한다. 그리고, 불융화 처리된 PCS 섬유를 불활성 분위기에서 약 1000℃ 이상으로 열처리하면 PCS 섬유가 그 형상을 유지하면서 열분해되어 SiC 섬유가 제조된다.

종래의 PCS 섬유의 불융화 과정은 연속 섬유의 형태로 수행되기 때문에, SiC 섬유의 최종 사용형태가 부직포(不織布) 시트인 경우에는, SiC 섬유를 절단하여 단섬유(short fiber)로 만든 후, 이를 원하는 모양으로 형태를 갖추도록 부직포 형성 치구 등에 넣고 추가로 열처리하여 부직포 형상의 SiC 단섬유 시트의 제조가 완성된다. 이와 같이, 이미 불융화 및 열처리가 완료된 SiC 섬유를 다시 열처리를 해야하는 번거로움이 발생하여 부직포 형상의 SiC 단섬유 시트의 생산성이 저하되고 제조비용이 상승하게 된다.

그리고, SiC 연속 섬유의 경우에는, 연속 섬유는 넓은 공간으로 구성되어 있어서 기능을 부여하기 위한 할로겐물질의 도핑이 효율적으로 수행되지 않는 문제가 있다. 이에 따라, SiC 연속 섬유에 반도체 기능과 같은 원하는 기능을 부여하기 위하여는, 예를 들어, 아이오딘에 의해 불융화한 후 약 1000℃ 이상 열처리한 후 추가로 Cl 등의 할로겐가스에 노출시켜서 도핑해야하는 번거로움이 있다.

한국 등록특허 제10-1848388호, 한국 등록특허 제10-1848389호 등에서, SiC 섬유를 활용한 부직포 제조시 불융화 과정에 대한 언급은 되어있으나, 대부분 SiC 섬유를 단섬유로 절단하여 부직포 형성 치구에 넣어서 다시 열처리하여 부직포 형상의 SiC 단섬유 시트를 제조하고 있어서, 공정수가 많고 복잡하며, 작업자에 의한 수작업의 횟수가 많게 되어 양산이 용이하지 않으므로, 근본적인 해결책이 제공되지 않고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 SiC 섬유를 단섬유로 절단하여 다시 열처리하는 과정 없이 SiC 단섬유 부직포 시트를 제조할 수 있어서, 부직포 형상의 SiC 단섬유 시트의 제조 공정을 간단히 하여 공정 시간 및 비용을 절감할 수 있는 PCS 단섬유 불융화 디바이스 및 이를 이용한 SiC 단섬유의 제조 방법을 제공하는 것이다.

그러나, 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따른 PCS 단섬유의 불융화 디바이스는, 가스 유입구 및 배출구가 구비되며, 내부 공간이 공기분위기, 질소분위기, 진공분위기, 아르곤분위기, 할로겐분위기 중 어느 하나로 기밀되게 유지될 수 있도록 상방향으로 개폐가능한 도어가 장착되며 수평으로 배치되는 챔버; PCS 단섬유를 장입할 수 있도록 상기 챔버의 바닥면으로부터 소정의 높이만큼 이격되어 배치되며, 다수의 관통구멍이 형성되는 PCS 섬유 재치대; 상기 챔버의 PCS 섬유 재치대의 저면과 상기 챔버의 바닥면 사이에 형성되는 불융화 가스 발생체 수납공간; 상기 챔버의 가스 배출구에 연결되는 진공장치; 및 상기 챔버의 내부에 주입되는 가스의 종류와 주입량, 압력, 온도, 가스 배출시간을 조절하는 제어부를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 PCS 단섬유의 불융화 디바이스에서, 상기 챔버 및 상기 PCS 섬유 재치대는 흑연재질로 제조되거나 또는 금속재질로 제조된 후 표면이 PTFE 섬유로 코팅될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCS 단섬유의 불융화 디바이스에서, 상기 제어부는 진공장치를 작동시켜 상기 챔버 내부의 공기를 배출하여 진공도를 약 1*10^-2torr에 도달시킨 후, 다시 질소를 주입하여 약 760torr에 도달시키는 과정을 3회 반복하도록 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCS 단섬유의 불융화 디바이스에서, 상기 챔버 내부의 불융화 가스 발생체 수납공간에 장입되는 고체상의 아이오딘(iodine)의 양은 PCS 섬유 재치대에 장입된 PCS 섬유의 약 5 내지 15 중량%로 될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCS 단섬유의 불융화 디바이스에서, 상기 챔버의 내부는 약 200℃로 유지될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 PCS 단섬유의 불융화 디바이스에서, 상기 챔버의 내측벽면에는 상기 PCS 섬유 재치대를 설치하기 위한 걸림턱을 구비할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 PCS 단섬유의 불융화 방법은, 전술한 PCS 단섬유의 불융화 디바이스의 챔버의 내부에 설치된 PCS 섬유 재치대에 PCS 단섬유를 장입하고, 챔버의 바닥면과 PCS 섬유 재치대 사이의 수납공간에 고체상의 아이오딘을 장입하는 단계; 진공장치를 작동시켜 챔버의 내부의 공기를 배출하여 진공도를 약 1*10^-2torr에 도달시킨 후, 다시 질소를 주입하여 약 760torr에 도달시키는 과정을 3회 반복하여 불융화 분위기를 조성하는 단계; 및 상기 불융화 분위기 조성 단계 동안 상기 챔버의 내부의 온도를 약 200℃로 유지하여 고체상 아이오딘을 가스화시켜서 PCS 단섬유와 가교반응시키는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 PCS 단섬유의 불융화 방법에서, 상기 챔버 내부의 불융화 가스 발생체 수납공간에 장입되는 고체상의 아이오딘의 양은 PCS 섬유 재치대에 장입된 PCS 섬유의 약 5 내지 15 중량%로 될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 SiC 단섬유의 제조방법에서는, 전술한 PCS 단섬유의 불융화 방법에 의해 제조된 PCS 단섬유를 불활성분위기에서 약 1000℃ 이상으로 열처리하여 SiC 단섬유를 제조할 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 2단으로 이루어진 불융화 디바이스에 의해 PCS 단섬유를 효과적으로 불융화하고, 불융화가 완료된 PCS 단섬유가 적재된 디바이스채로 열처리하여 부직포 형상의 SiC 단섬유 시트를 제조함으로써, SiC 섬유를 단섬유로 절단하여 다시 열처리하는 과정 없이 SiC 단섬유 부직포 시트를 제조할 수 있다. 또한, 흑연치구와 같은 좁은 공간내에서 PCS 단섬유의 불융화와 기능 부여를 위한 할로겐물질의 도핑이 동시에 진행될 수 있다. 이에 의해, 부직포 형상의 SiC 단섬유 시트의 제조 공정을 간단히 하여 공정 시간 및 비용을 절감할 수 있다. 물론, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCS 단섬유의 불융화 디바이스를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 PCS 단섬유 불융화 디바이스에 PCS 단섬유와 불융화 가스 발생체가 장입된 상태에서의 단면도이다.
도 3은 도 1의 PCS 단섬유 불융화 디바이스에서 개폐도어를 생략한 상태의 평면도이다.
도 4는 도 1의 PCS 단섬유 불융화 디바이스에서 디바이스의 하단부가 변형된 변형예이다.
도 5는 도 4의 PCS 단섬유 불융화 디바이스에 PCS 단섬유와 불융화 가스 발생체가 장입된 상태에서의 단면도이다.
도 6은 PCS 단섬유 불융화 디바이스에 장입된 PCS 단섬유가 불융화 처리되기 전 상태의 도면이다.
도 7은 PCS 단섬유 불융화 디바이스에 장입된 PCS 단섬유가 불융화 처리된 후 상태의 도면이다.
도 8은 PCS 단섬유 불융화 디바이스에 장입된 PCS 단섬유가 불융화 처리된 후 전기로에서 열처리된 상태의 도면이다
도 9는 PCS 단섬유의 불융화 전후의 FT-IR(퓨리에 변환 적외선 분광분석) 선도이다.
도 10은 PCS 단섬유의 불융화 전후의 TGA(열중량 분석) 선도이다.

상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시 예를 통하여 보다 분명해질 것이다.

이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들은 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다.

어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어 있다"거나 "접속되어 있다"고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어 있다"거나 또는 "직접 접속되어 있다"고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "∼사이에"와 "바로 ∼사이에" 또는 "∼에 인접하는"과 "∼에 직접 인접하는" 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

이하, 본 발명의 실시예들을 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PCS 단섬유의 불융화 디바이스를 개략적으로 나타낸 도면이며; 도 2는 도 1의 PCS 단섬유 불융화 디바이스에 PCS 단섬유와 불융화 가스 발생체가 장입된 상태에서의 단면도이며; 도 3은 도 1의 PCS 단섬유 불융화 디바이스에서 개폐도어를 생략한 상태의 평면도이다.

본 발명에 따른 PCS 단섬유의 불융화 디바이스(100)를 이용한 SiC 단섬유의 제조 방법에서는, SiC 섬유를 단섬유로 절단하여 다시 열처리하는 과정 없이 SiC 단섬유 부직포 시트를 제조할 수 있다. 본 발명의 PCS 단섬유의 불융화 디바이스(100)는 (i) PCS 섬유의 불융화가 가능하도록 공기분위기, 질소분위기, 진공분위기, 아르곤분위기 등으로 만들 수 있는 챔버가 기밀성이 보장된 문과 열처리존으로 구성되어 있으며; (ii) 불융화에 사용될 각종 가스들, 예를 들면, 공기, 질소, 아르곤, 할로겐 등이 주입될 수 있는 가스 유입구(IN-LET)가 구비되며; (iii) PCS 단섬유 불융화 디바이스가 2단으로 제작되어 하단에는 고체상의 할로겐 물질을 장입하고, 상단에는 PCS 섬유 재치대 위에 PCS 단섬유가 장입되며, 상기 PCS 섬유 재치대에는 다수의 관통구멍이 형성되어 하단의 할로겐가스가 상단으로 상승하여 PCS 단섬유와 반응하는 구조로 되어 있으며; (iv) PCS 단섬유 불융화 디바이스 챔버의 개폐도어를 닫아서 PCS 섬유 재치대 위에 장입된 PCS 단섬유가 할로겐가스에 노출되며; (v) PCS 단섬유를 불융시키기 위하여 PCS 단섬유를 장입한 불융화 디바이스를 그대로 가열할 수 있는 전기로가 이용될 수 있으며; (vi) 불융화 분위기 분위기 조성이 가능하도록 챔버 내부의 가스를 배출할 수 있는 가스 배출구(OUT-LET)가 진공장치에 연결되는 구조로 될 수 있다. 또한, PCS 단섬유의 불융화 디바이스(100)를 이용한 SiC 단섬유의 제조 방법에서는, 불융화 처리가 완료된 PCS 단섬유를 PCS 단섬유 불융화 디바이스에서 꺼내지 않고 그대로 PCS 단섬유 불융화 디바이스를 전기로에서 넣어서 열처리하여 SiC 단섬유 부직포 시트를 제조할 수 있다. 이에 의해, SiC 단섬유를 꺼내고 새로 담는 과정 없이 SiC 단섬유 부직포 시트를 제조함으로써 공정의 편의성이 부가된다.

본 발명의 PCS 단섬유 불융화 디바이스(100)에서 불융화 처리하기 위한 PCS 단섬유는 종래의 기술에 의해 PCS 섬유가 권취된 보빈(도시하지 않음)으로부터 PCS 단섬유를 풀어서 소정의 길이로 절단하여, 도 6에 도시된 바와 같이, PCS 섬유 재치대(20) 위에 장입하여 준비될 수 있다. 예를 들어, PCS 단섬유(30)는 약 50mm 길이로 절단될 수 있다. 종래의 기술에 의한 PCS 섬유가 권취된 보빈은, 예를 들어, 융융 방사 유닛(도시하지 않음)에서 소재 고분자를 가열하여 용융하고, 용융된 소재를 공압을 가한 상태에서 노즐을 통해 압출하여 냉각 및 고화시키는 방식으로 PCS 섬유 원사를 형성하여 원통형 보빈의 외주면에 권취하여 준비될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 PCS 단섬유의 불융화 디바이스(100)는 기밀성이 보장된 도어와 열처리존을 구비한 챔버(10), 상기 챔버의 바닥면으로부터 소정의 높이만큼 이격되어 배치되며, 다수의 관통구멍이 형성되는 PCS 섬유 재치대(20); 상기 챔버내부에서 상기 PCS 섬유 재치대와 챔버의 바닥면 사이에 형성되는 불융화 가스 발생체의 수납공간(40), 상기 챔버의 가스 배출구에 연결되는 진공장치; 및 상기 챔버 내부의 가스의 상태를 조절하는 제어부를 포함한다.

상기 챔버(10) 내부에 배치되는 PCS 섬유 재치대(20)위에 PCS 단섬유(30)를 장입한 다음, 챔버의 내부 공간을 공기분위기, 질소분위기, 진공분위기, 아르곤분위기, 할로겐분위기 중 어느 하나로 기밀되게 유지할 수 있도록 개폐가능한 도어(12)가 힌지식으로 장착될 수 있다. 상기 챔버(10)에는 가스를 주입할 수 있는 가스 유입구(IN-LET)(도시하지 않음) 및 가스를 배출할 수 있는 가스 배출구(OUT-LET)(도시하지 않음)가 구비되며, 상기 가스 배출구에는 불융화분위기 조성이 가능하도록 챔버 내부의 가스를 배출할 수 있는 진공장치(도시하지 않음)가 부착된다. 상기 진공장치는 진공펌프로 이루어질 수 있다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 챔버(10)의 내부에는 PCS 단섬유(30)가 장입될 수 있도록 PCS 섬유 재치대(20)가 상기 챔버의 바닥면으로부터 소정의 높이만큼 이격되어 배치될 수 있다. 상기 재치대(20)에는 직경 약 5mm의 다수의 관통구멍(21)이 형성되어서, 상기 챔버 내부에서 재치대의 하부에 배치되는 불융화 가스 발생체(50)로부터 발생되는 불융화 가스(예를 들어, 고체상의 아이오딘으로부터 발생되는 할로겐가스)가 상승하면서 관통구멍들(21)을 관통하여 PCS 단섬유와 반응하게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 PCS 단섬유 불융화 디바이스는 수평으로 배치된 상태에서 사용되며, 챔버(10) 내에서 상부에 PCS 단섬유(30)가 배치되고, 하부에 불융화 가스 발생체(50)가 배치되는 2단 구조로 이루어진다. 이와 같이, 챔버(10)의 내부가 PCS 섬유 재치대(20)를 경계로 2단으로 구성되므로, 하부에 배치된 불융화 가스 발생체(50)로부터 발생되는 불융화 가스가 상승하면서 상기 재치대(20)의 관통구멍들(21)을 통과하므로 상부에 배치된 PCS 단섬유(30)가 불융화 가스에 노출되어 불융화 가스와 반응하면서 불융화 과정이 진행된다.

본 발명의 일 실시예의 변형예에 따르면, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, PCS 섬유 재치대(20)를 챔버(10)의 바닥면으로부터 소정의 높이에 용이하게 배치하기 위하여, 챔버(10)의 내측벽면의 하부에 걸림턱(14)이 설치될 수 있다. 챔버(10)의 바닥면부터 PCS 섬유 재치대(20)가 설치되는 높이까지의 챔버(10)의 내측벽의 내경을 PCS 섬유 재치대(20)의 상부의 챔버(10)의 내측벽의 내경보다 작게 하여 상기 걸림턱(14)을 형성할 수 있다. 상기 걸림턱(14) 상부의 챔버의 내측벽의 내경은 상기 PCS 섬유 재치대(20)의 외경보다 큰 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 일 실시예의 변형예에서, PCS 섬유 재치대(20)를 챔버(10)의 바닥면으로부터 소정의 높이에 배치하기 위하여 PCS 섬유 재치대(20)의 저면에 소정 길이의 복수의 다리부(도시하지 않음)가 설치될 수 있다.

챔버(10) 내에서 PCS 섬유 재치대(20) 위에 장입된 PCS 단섬유를 가열하여 불융화 처리하기 위하여 PCS 단섬유와 고체상의 불융화 가스 발생체가 2단 배열로 장입된 불융화 디바이스(치구)(100)를 그대로 넣어서 가열할 수 있는 가열체(예를 들어, 전기 오븐)(도시하지 않음)이 이용될 수 있다. 상기 가열체의 가열에 의해 PCS 단섬유의 불융화 처리과정에서 PCS 단섬유가 녹지 않도록 챔버(10)의 내부의 온도는 약 200℃로 유지하면서, 불융화 치구내에 장입된 PCS 단섬유 전체를 동일한 온도로 균일하게 가열할 수 있다. 또한, 챔버(10) 내에서 PCS 섬유 재치대(20) 위에 장입된 PCS 단섬유를 가열하여 불융화 처리하기 위하여 챔버(10)의 내벽 또는 뚜껑에 하나 이상의 발열체(도시하지 않음)가 설치될 수도 있다.

본 발명에 따른 PCS 단섬유의 불융화 디바이스(100)에서는, PCS 섬유 재치대(20) 위에 장입된 PCS 단섬유(30)를 불융화 처리하기 위하여 챔버(10)의 내부의 온도를 약 200℃로 유지하면서, 불융화 가스 발생체(50)로부터 불융화 가스를 발생시키면, 이 불융화 가스가 PCS 단섬유와 반응하면서 가교반응(Cross Linking)이 일어나면서 PCS 섬유의 불융화 반응이 진행된다. 불융화 가스발생체를 챔버의 내부에 장입하기 위하여, 상기 챔버(10)의 바닥면과 상기 PCS 섬유 재치대(20)의 사이에 불융화 가스 발생체의 수납공간(40)이 구비된다. 본 발명에서 불융화 발생체(50)는 고체상의 아이오딘이 이용될 수 있으며, 가스화된 아이오딘은 PCS 섬유의 개질 및 도핑 작용을 수행한다. 챔버(10) 내부의 불융화 가스 발생체의 수납공간(40)에 장입된 고체상의 아이오딘이 약 200℃에서 가스화 되면, 아이오딘은 전자를 내주게 되며, CH 화합물의 분해와 가교반응이 일어나, PCS 섬유는 분자량과 수율이 상승한 PCS 섬유로 개질되고 동시에 아이오딘이 PCS 섬유내에 도핑되어 잔류하게 되어 PCS 섬유의 불융화 처리가 완료된다. 이러한 불융화 공정에서는, 화학 반응을 통해 열가소성 폴리머가 열경화성 폴리머로 전환되며, 가교 결합 또는 라디칼 결합을 통해 저분자량의 폴리머 단위체를 더 큰 단위체로 만든다. 상기 챔버 내부의 불융화 가스 발생체의 수납공간(40)에는 PCS 섬유 재치(20) 위에 적재된 PCS 단섬유의 약 5 내지 15 중량%의 고체상의 아이오딘을 장입할 수 있다. 고체상의 아이오딘의 양이 PCS 단섬유의 5중량%에 미달하면 PCS 단섬유의 불융화 속도가 느리거나 불융화가 완료되지 않는 경우가 발생하며, 고체상의 아이오딘의 양이 PCS 단섬유의 15중량% 이상에서는 PCS 단섬유의 불융화 효과가 증진되지 않는다.

상기 챔버(10)의 내부에 주입되는 가스의 종류와 주입량, 압력, 온도, 가스 배출시간은 제어부(도시되지 않음)에 의해 조절될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 PCS 단섬유 불융화 디바이스(치구)는 부식성이 강한 할로겐가스에 노출되므로, 할로겐가스에 대한 내부식성을 구비한 재질로 제조되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 본 발명의 PCS 단섬유 불융화 디바이스(치구)는 흑연소재로 제조되거나 또는 금속재질로 제조된 후 표면을 PTFE (Polytetrafluoroethylene) 섬유로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 상기 PTFE 섬유는 테프론(상품명)을 이용할 수 있다.

이어서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 PCS 단섬유의 불융화 방법 및 이를 이용한 SiC 단섬유의 제조방법에 대하여 설명한다.

먼저, 본 발명의 PCS 단섬유의 불융화 방법에 대하여 설명한다.

본 발명에 따른 PCS 단섬유의 불융화 방법에서는, PCS 단섬유가 불융화 디바이스(치구)(100)의 챔버(10)의 내부에 배치된 PCS 섬유 재치대(20) 위에 적재하여 장입한 상태에서 불융화 처리를 수행한다. PCS 단섬유 불융화 디바이스(100)에서 불융화 처리하기 위한 PCS 단섬유는 종래의 기술에 의해 PCS 섬유가 권취된 보빈(도시하지 않음)으로부터 PCS 섬유를 풀어서 약 50 mm의 길이의 PCS 단섬유(30)로 절단하여, 도 6에 도시된 바와 같이, PCS 섬유 재치대(20) 위에 장입하여 준비될 수 있다. 여기서, PCS 섬유를 보빈에 권취하는 방법은 종래의 기술을 이용할 수 있다. 예를 들어, SiC 섬유의 출발원료인 PCS(Polycarbosilane)을 약 200 ~ 250℃ 부근으로 가열하여 용융시킨 후, 노즐의 구멍을 통해 섬유상으로 배출시킨 후 냉각되어 굳어진 PCS 섬유를 노즐 하부에 위치한 보빈(도시하지 않음)에 감은 다음에, PCS 단섬유를 불융화 처리하기 위하여 PCS 섬유 보빈으로부터 PCS 섬유를 풀어서 소정의 길이 단위로 절단하여 PCS 단섬유(30)를 준비한다.

본 발명에 따른 PCS 단섬유의 불융화 방법은 PCS 단섬유를 챔버(10)의 내부에 설치된 PCS 섬유 재치대(20)에 장입하는 단계(S10), 챔버(10)의 내부를 불융화 분위기로 조성하는 단계(S20) 및 고체상의 아이오딘을 가스화시켜 PCS 단섬유와 가교반응시키는 단계(S30)를 포함한다.

구체적으로, PCS 단섬유를 챔버 내부에 장입하는 단계(S10)에서는, 전술한 PCS 단섬유의 불융화 디바이스(100)의 챔버(10)의 개폐도어(12)를 개방하고, 챔버(10) 내부에서 바닥면으로부터 소정의 높이만큼 이격되어 배치된 PCS 섬유 재치대에 PCS 단섬유(30)를 적재하여 장입하고, 챔버(10)의 바닥면과 PCS 섬유 재치대(20)의 사이의 공간에 고체상의 아이오딘(50)을 장입한다(도 2 참조). 불융화 가스가 PCS 단섬유들(30) 사이로 자유롭게 유동할 수 있도록 재치대(20)에는 기체가 관통할 수 있도록 복수의 관통구멍(21)이 천공되는 것이 바람직하다. 여기서, PCS 단섬유 불융화 디바이스(100)는 수평으로 배치된 상태에서 사용되며, 챔버(10) 내에서 상부에 PCS 단섬유(30)가 배치되고, 하부에 불융화 가스 발생체(50)가 배치되는 2단 구조로 이루어진다. 이와 같이, 챔버(10)의 내부가 PCS 섬유 재치대(20)를 경계로 2단으로 구성되므로, 하부에 배치된 불융화 가스 발생체(50)로부터 발생되는 불융화 가스가 상승하면서 상기 재치대(20)의 관통구멍들(21)을 통과하므로 상부에 배치된 PCS 단섬유(30)가 불융화 가스에 노출되어 불융화 가스와 반응하면서 불융화 과정이 진행된다.

챔버(10) 내에서 PCS 섬유 재치대(20) 위에 장입된 PCS 단섬유를 가열하여 불융화 처리하기 위하여, PCS 단섬유와 고체상의 불융화 가스 발생체(예를 들어, 아이오딘)를 2단으로 장입한 불융화 치구를 가열체(예를 들어, 전기 오븐)에 넣어 불융화 치구를 가열한다. 상기 가열체는 PCS 단섬유의 불융화 처리과정에서 PCS 단섬유가 녹지 않도록 불융화 치구의 챔버(10)의 내부의 온도는 약 200℃로 유지될 수 있다.

PCS 단섬유를 챔버(10) 내의 PCS 섬유 재치대(20) 위에 장입하고, 불융화 가스 발생체 수납공간에 고체상의 아이오딘을 장입한 다음에 챔버(10)의 개폐도어(12)를 닫는다.

다음에, 불융화 분위기를 조성하는 단계(S20)에서는, 예를 들어, 진공장치인 진공펌프를 작동시켜 챔버(10)의 내부의 공기를 배출하여 진공도를 약 1*10^-2torr에 도달시킨 후, 다시 불활성인 질소가스를 주입하여 약 760torr에 도달시키는 과정을 3회 반복하여 불융화 분위기를 조성한다.

그리고 PCS 섬유를 가교반응시키는 단계(S30)에서는, PCS 단섬유가 장입된 불융화 치구를 그대로 전기로와 같은 가열체에 넣고 가열하여 불융화 치구(100)의 챔버(10)의 내부의 온도를 PCS 섬유가 녹지 않는 200℃를 유지한다. 이 경우, 전기로에서의 열처리시에 챔버(10) 내부의 기체의 유동으로 인하여 PCS 단섬유가 비산되는 것을 방지하기 위하여, 챔버(10)의 개폐도어(12)는 닫은 상태로 전기로에서 열처리한다. 본 실시예에서는 할로겐가스 분위기를 조성하기 위해 진공도 1*10^-2torr를 유지한 후 PCS 섬유의 무게의 5 내지 15%에 해당하는 고체상 아이오딘을 챔버의 바닥면과 PCS 섬유 재치대의 사이의 공간(40)에 장입한다. 챔버(10) 내부의 온도가 약 200℃가 유지되면 불융화장비 내부에 장입된 불융화 가스 발생체인 고체상 아이오딘이 가스화되면서 불융화치구 내부에서 불융화가스가 확산되어 PCS 단섬유와 반응하면서 가교반응이 일어나면서 불융화반응이 진행되고, 약 3시간이 경과하면 불융화 반응이 완료된다.

챔버내에서의 PCS 섬유의 불융화반응 시간이 3시간 미만에서는 PCS 섬유 재치대(20) 위에 적재된 PCS 단섬유 전체가 완전히 불융화되지 않는 현상이 발생하였으며, 불융화반응이 3시간 이상 진행되더라도 불융화 효과는 더 이상 증진되지는 않았다. 챔버내에서의 3시간 동안의 불융화처리 후, 불융화치구를 냉각시켜 오븐의 내부온도를 상온(약 25℃)로 냉각되면, 오븐에서 PCS 단섬유 불융화 디바이스(불융화치구)를 꺼내고, 불융화된 PCS 담섬유가 담겨 있는 상태의 불융화치구를 그대로 불활성 분위기의 전기로에 장입하고, 불활성분위기(예를 들어, 질소가스 분위기)에서 약 1300℃로 열처리하여 PCS 섬유의 열분해를 유도하여 SiC 단섬유를 제조한다. 도 8은 PCS 단섬유(30)가 열분해되어 SiC 단섬유(60)로 제조된 것을 나타내는 사진이다. 열처리가 완료된 SiC 단섬유(60)는 흑색을 띄게 된다.

이와 같이, 본 발명에 따르면, 2단으로 이루어진 불융화 디바이스에 의해 PCS 단섬유를 효과적으로 불융화하고, 불융화가 완료된 PCS 단섬유가 적재된 디바이스(불융화치구)를 그대로 열처리하여 부직포 형상의 SiC 단섬유 시트를 제조함으로써, SiC 섬유를 단섬유로 절단하여 다시 열처리하는 과정 없이 SiC 단섬유 부직포 시트를 제조할 수 있다. 이에 의해, 부직포 형상의 SiC 단섬유 시트의 제조 공정을 간단히 하여 공정 시간 및 비용을 절감할 수 있다.

도 6은 PCS 단섬유가 재치대에 적재되어 있는 불융화 처리 전의 상태를 나타내는 것이고, 도 7은 PCS 단섬유가 불융화 처리되어 PCS 단섬유의 색상이 변화된 것을 나타내는 것이다. 불융화 처리가 완료된 PCS 단섬유는 노란색을 띄게 된다.

이러한 불융화 처리에 의해 열 가소성의 PCS 단섬유가 열경화성으로 전환되어, 후속 열분해 공정에서 연화 온도 및 용융 온도 이상으로 온도를 높이더라도 연화되거나 용융되지 않고 섬유 형상을 그대로 유지하는 SiC 단섬유의 형성이 가능하며, 동시에 열분해수율도 향상될 수 있다.

시험예

도 9는 본 발명에 따른 PCS 단섬유의 불융화 디바이스 및 불융화 방법에 의해 불융화 처리된 PCS 단섬유와 불융화 전의 PCS 단섬유의 FT-IR(Fourier-transform Infrared: 퓨리에 변환 적외선) 분광분석 선도이다.

용융방사에 의해 형성된 PCS 단섬유는 열가소성이므로 SiC 단섬유로 만들기 위하여 후속적으로 열처리(열분해)를 하게 되면, 섬유 형상을 잃고 서로 엉겨 붙는 문제가 있다. 그러므로, 온도가 상승되더라도 섬유 형상을 유지할 수 있도록 하기 위하여 PCS 단섬유를 열경화성으로 만드는 공정이 불융화 처리이며, 이러한 불융화 처리에 의해 PCS 단섬유의 CH 결합이 끊어지고, CH-Si-CH, CH-O-Si-CH 결합 등이 형성되고, 저분자량 분자들이 서로 가교하게 된다.

도 9는 이러한 PCS 단섬유의 불융화에 의해 CH 결합이 감소되고 가교반응(Cross Linking)이 일어났음을 보여주는 선도이다. 도 9에서 가로축은 파동수(Wave nuber)를 나타내며, 세로축은 투과율(Transmittance)을 나타낸다. 도 9에서 실선은 PCS 단섬유의 불융화 후의 FT-IR 분광분석값을 나타내며, 점선은 PCS 단섬유의 불융화 전의 FT-IR 분광분석값을 나타낸다. 도 9의 선도에서 아래쪽으로 향하는 피크들이 CH 결합을 나타내는 것으로서, 실선으로 표시된 불융화 후의 피크의 크기가 점선으로 표시된 불융화 전의 피크의 크기에 비하여 작아지므로, CH 결합이 감소된 것, 즉 가교반응이 일어나 불융화 처리가 이루진 것을 나타낸다. 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 불융화 디바이스 및 불융화 방법에 의해 불융화된 PCS 단섬유는 불융화전에 비해서 CH 피크들이 현저하게 감소되어 할로겐 가스에 의해 효과적으로 가교반응이 일어났음을 확인하였다.

도 10은 PCS 단섬유의 불융화 전후의 TGA(Thermal Gravity Analysis: 열중량 분석) 선도이다. 도 10에서 가로축은 온도(Temperature)를 나타내며, 세로축은 질량(Mass)을 나타낸다. 도 10에서 실선은 PCS 단섬유의 불융화 후의 열분해수율(잔량)을 나타내고, 점선은 PCS 단섬유의 불융화 전의 열분해수율을 나타낸다. 도 10에 도시된 바와 같이, 불융화 후의 PCS 단섬유의 열분해수율은 불율화가 효율적으로 진행되어 불융화 전의 PCS 단섬유의 열분해수율에 비하여 약 22 중량% 상승한 것을 확인할 수 있다. 그러므로, 본 발명에 따라 PCS 단섬유를 열분해하여 형성되는 최종 생성물인 SiC 단섬유의 수율이 불융화 처리에 의해 효과적으로 향상될 수 있음을 확인하였다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 2단으로 이루어진 불융화 치구에 의해 PCS 단섬유를 효과적으로 불융화하고, 불융화가 완료된 PCS 단섬유가 적재된 치구를 그대로 열처리하여 부직포 형상의 SiC 단섬유 시트를 제조함으로써, SiC 섬유를 단섬유로 절단하여 다시 열처리하는 과정 없이 SiC 단섬유 부직포 시트를 제조할 수 있으므로, 부직포 형상의 SiC 단섬유 시트의 제조 공정을 간단히 하여 공정 시간 및 비용을 절감할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 챔버
12: 개폐도어
20: PCS 섬유 재치대
30: PCS 단섬유
40: 불융화 가스 발생체 수납공간
50: 불융화 가스 발생체
60: SiC 단섬유
100: PCS 섬유의 불융화 디바이스

Claims

가스 유입구 및 배출구가 구비되며, 내부 공간이 공기분위기, 질소분위기, 진공분위기, 아르곤분위기, 할로겐분위기 중 어느 하나로 기밀되게 유지될 수 있도록 상방향으로 개폐가능한 도어(12)가 장착되며 수평으로 배치되는 챔버(10);
PCS 단섬유를 장입할 수 있도록 상기 챔버의 바닥면으로부터 소정의 높이만큼 이격되어 배치되며, 다수의 관통구멍이 형성되는 PCS 섬유 재치대(20);
상기 챔버(10)의 PCS 섬유 재치대(20)의 저면과 상기 챔버(10)의 바닥면 사이에 형성되는 불융화 가스 발생체 수납공간(40);
상기 챔버(10)의 가스 배출구에 연결되는 진공장치; 및
상기 챔버(10)의 내부에 주입되는 가스의 종류와 주입량, 압력, 온도, 가스 배출시간을 조절하는 제어부를 포함하는
PCS 단섬유의 불융화 디바이스.
제1항에 있어서,
상기 챔버(10) 및 상기 PCS 섬유 재치대(20)는 흑연재질로 제조되거나 또는 금속재질로 제조된 후 표면이 PTFE 섬유로 코팅되는
PCS 단섬유의 불융화 디바이스.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제어부는 진공장치를 작동시켜 상기 챔버 내부의 공기를 배출하여 진공도를 약 1*10^-2torr에 도달시킨 후, 다시 질소를 주입하여 약 760torr에 도달시키는 과정을 3회 반복하도록 제어하는
PCS 단섬유의 불융화 디바이스.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 챔버 내부의 불융화 가스 발생체 수납공간(40)에 장입되는 고체상의 아이오딘의 양은 PCS 섬유 재치대에 장입된 PCS 섬유의 약 5 내지 15 중량%인
PCS 단섬유의 불융화 디바이스.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 챔버(10)의 내부는 약 200℃로 유지되는
PCS 단섬유의 불융화 디바이스.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 챔버(10)의 내측벽면에는 상기 PCS 섬유 재치대를 설치하기 위한 걸림턱(14)을 구비하는
PCS 단섬유의 불융화 디바이스.
PCS 단섬유의 불융화 방법에 있어서,
제1항에 따른 PCS 단섬유의 불융화 디바이스(100)의 챔버(10)의 내부에 설치된 PCS 섬유 재치대(20)에 PCS 단섬유를 장입하고, 챔버(10)의 바닥면과 PCS 섬유 재치대(20) 사이의 수납공간(40)에 고체상의 아이오딘을 장입하는 단계(S10);
진공장치를 작동시켜 챔버(10)의 내부의 공기를 배출하여 진공도를 약 1*10^-2torr에 도달시킨 후, 다시 질소를 주입하여 약 760torr에 도달시키는 과정을 3회 반복하여 불융화 분위기를 조성하는 단계(S20); 및
상기 불융화 분위기 조성 단계(S20) 동안 상기 챔버(10)의 내부의 온도를 약 200℃로 유지하여 고체상 아이오딘을 가스화시켜서 PCS 단섬유와 가교반응시키는 단계(S30)를 포함하는
PCS 단섬유의 불융화 방법.
제7항에 있어서,
상기 단계 S10에서, 상기 챔버의 바닥면과 PCS 섬유 재치대 사이의 불융화 가스 발생체 수납공간(40)에 장입되는 고체상의 아이오딘의 양은 PCS 섬유 재치대에 적재된 PCS 섬유의 약 5 내지 15 중량%인
PCS 단섬유의 불융화 방법.
제7항 또는 제8항에 따른 PCS 단섬유의 불융화 방법에 의해 제조된 PCS 단섬유를 불활성분위기에서 약 1000℃ 이상으로 열처리하는
SiC 단섬유의 제조방법.