KR20230114349A - 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법 및 이를 위한 제조장치 - Google Patents
탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법 및 이를 위한 제조장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명에 따른 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법은 탄소나노튜브 포레스트가 공급부의 제 1고정판에 고정되고, 상기 탄소나노튜브 포레스트로부터 방사된 원사 소재가 포집부의 제 2고정판에 고정되는 포레스트 고정단계 및 상기 제 2고정판이 회전하면서, 이송부가 상기 포집부를 상기 공급부로부터 멀어지는 방향으로 이송시켜 탄소나노섬유를 제조하는 탄소나노섬유 제조단계를 포함하는 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조장치는 복수 개의 탄소나노튜브 포레스트가 고정되는 공급부, 상기 공급부에 고정된 상기 탄소나노튜브 포레스트로부터 건식방사된 원사 소재가 일지점으로 모여 꼬일 수 있도록 하는 포집부 및 상기 포집부를 일방향으로 이송시키는 이송부를 포함하는 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조장치는 복수 개의 탄소나노튜브 포레스트가 고정되는 공급부, 상기 공급부에 고정된 상기 탄소나노튜브 포레스트로부터 건식방사된 원사 소재가 일지점으로 모여 꼬일 수 있도록 하는 포집부 및 상기 포집부를 일방향으로 이송시키는 이송부를 포함하는 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법 및 이를 위한 제조장치 에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 화학 기상 증착법을 통해 건식방사가 가능한 수직 배열된 탄소나노튜브를 합성하고, 건식방사를 통해 탄소나노섬유를 제조할 수 있는 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법 및 이를 위한 제조장치 에 관한 것이다.
탄소나노튜브(Carbon Nanotube: CNT)는 우수한 기계적 물성과 더불 어서, 낮은 전기비저항, 높은 열전도율을 가진 산업전반에서 그 응용성이 주목되는 소재이다. 예를 들어 탄소나노튜브는 알루미늄보다 낮은 밀도를 가지면서 인장강도는 철보다 약 370배 강하며, 전기비저항과 열전도율은 각각 구리 및 다이아몬드와 유사한 값을 나타내어 전기전자, 정보통신, 에너지, 바이오, 우주항공, 스포츠, 국방 등 폭넓은 분야에서 응용가능성이 제시되고 있다. 일례로, 인장강도 35GPa, 인 장탄성률이 1TPa에 육박하는 탄소나노튜브가 보고되고 있다.
탄소나노섬유(Carbon Nanotube Fiber: CNTF)는 탄소나노튜브가 여러 분야에 쉽게 응용되도록 하기 위하여 매크로(macro)한 크기를 갖도록 형성된 탄소나노튜브의 집합체이다. 탄소나노섬유는 우수한 물성을 갖는 탄소나노튜브를 응집하여 제조되므로 기존의 아라미드 섬유, 탄소섬유와 같은 상용화된 고성능 섬유재료를 능가하는 섬유재료로의 응용가능성이 주목되었다.
고순도의 탄소나노튜브 섬유를 제조하는 종래의 일반적인 방법에는 탄소나노튜브가 분산된 용액을 고분자용액이 담긴 회전하는 용기 내부로 직접 방사 하여, 고분자용액이 탄소나노튜브 입자 사이에 침투하여 탄소나노튜브를 접착하여 섬유를 만드는 것이 일반적으로 알려져 있다.
그러나, 상기와 같이 용액이 직접 방사되는 경우, 고분자용액이 탄 소나노튜브 사이로의 확산되는 속도가 느리고, 또한 고분자용액이 담기 용기를 회 전하는 속도의 제한으로 인하여 탄소나노튜브 섬유의 제조 효율이 제한되는 문제점이 있다. 뿐만 아니라 제조된 탄소나노튜브 섬유의 30 wt% 내외가 고분자여서 우수한 탄소나노튜브의 특성발현이 제한된다.
또한, 탄소나노튜브의 우수한 물성들은 개별 탄소나노튜브만으로 제한되어 있으며, 현재까지의 기술로는 기존의 탄소나노튜브가 갖고 있는 성질에 훨씬 미치지 못하는 탄소나노섬유만을 제조할 수 있어서, 우수한 물성을 나타내는 탄소나노섬유를 생산하기가 쉽지 않다.
따라서, 전술한 문제점을 보완하기 위해 본 발명가들은 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법 및 이를 위한 제조장치의 개발이 시급하다 인식하여, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 탄소나노튜브 포레스트가 공급부의 제 1고정판에 고정되고, 상기 탄소나노튜브 포레스트로부터 방사된 원사 소재가 포집부의 제 2고정판에 고정되는 포레스트 고정단계 및 상기 제 2고정판이 회전하면서, 이송부가 상기 포집부를 상기 공급부로부터 멀어지는 방향으로 이송시켜 탄소나노섬유를 제조하는 탄소나노섬유 제조단계를 포함하고, 상기 제 1고정판 및 탄소나노튜브 포레스트는 복수 개로 구비되어, 상기 제 1고정판 및 탄소나노튜브 포레스트의 배치에 따라 탄소나노섬유의 두께, 전기 전도도 및 강도의 특성 조절이 가능하도록 하는 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법 및 이를 위한 제조장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하려는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법은 탄소나노튜브 포레스트가 공급부의 제 1고정판에 고정되고, 상기 탄소나노튜브 포레스트로부터 방사된 원사 소재가 포집부의 제 2고정판에 고정되는 포레스트 고정단계 및 상기 제 2고정판이 회전하면서, 이송부가 상기 포집부를 상기 공급부로부터 멀어지는 방향으로 이송시켜 탄소나노섬유를 제조하는 탄소나노섬유 제조단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 포레스트 고정단계에서는, 상기 제 1고정판 및 탄소나노튜브 포레스트가 복수 개로 구비되어, 상기 공급부에 상기 탄소나노튜브 포레스트가 각각 고정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 포레스트 고정단계에서는, 상기 탄소나노튜브 포레스트로부터 건식방사되는 방사 시작점을 기준으로, 원사 소재의 너비가 1.25 내지 5cm로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조장치는 복수 개의 탄소나노튜브 포레스트가 고정되는 공급부, 상기 공급부에 고정된 상기 탄소나노튜브 포레스트로부터 건식방사된 원사 소재가 일지점으로 모여 꼬일 수 있도록 하는 포집부 및 상기 포집부를 일방향으로 이송시키는 이송부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 공급부는, 상기 탄소나노튜브 포레스트가 고정되는 제 1고정판을 포함하고, 상기 제 1고정판 및 탄소나노튜브 포레스트는, 2축 방향으로 일정한 간격을 두고 배치되는 복수 개로 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 포집부는, 상기 이송부의 일측에 구비되는 거치대, 상기 거치대의 일측에 구비되어, 회전동력을 발생시키는 모터 및 상기 모터와 연결되어, 상기 탄소나노튜브 포레스트로부터 방사된 원사 소재가 고정되기 위한 제 2고정판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법 및 이를 위한 제조장치는 공급부의 제 1고정판 및 탄소나노튜브 포레스트를 2축 방향으로 일정한 간격을 두고 배치한 상태로 건식방사함으로써, 원사 간의 밀도 및 탄소나노섬유의 두께가 증가하고, 다른 탄소나노섬유의 두께 조절 방법에 비해 기계적, 전기적 특성이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법 및 이를 위한 제조장치는 섬유 표면 형태의 거칠기 편차가 줄어들어 표면 기능화 및 일정한 두께의 코팅이 용이하여 다양한 응용이 가능해지는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법 및 이를 위한 제조장치는 탄소나노튜브 원사의 개수에 따라 전기적 특성이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법 및 이를 위한 제조장치는 탄소나노튜브 포레스트를 다차원 형상으로 배치할 수 있어, 여러 특성의 탄소나노섬유 제작이 가능하다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 상세한 설명 및 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조장치를 대략적으로 나타낸 도면이며, 이송부가 포집부를 이송시키는 모습을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조장치에서 공급부에 고정된 탄소나노튜브 포레스트가 합사되는 모습을 나타내는 실제 이미지이다.
도 3은 본 발명에 따른 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법을 대략적으로 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법에서 탄소나노튜브 포레스트 단일 합사 방식의 여러 형태를 나타내는 이미지이다.
도 5는 종래의 기술에 따른 탄소나노섬유를 나타내는 도면이다.
도 6은 종래의 기술에 따른 다발 합사 방식의 꼬임구조로 인하여 균일하지 않은 섬유의 표면을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법에 따른 단일 합사 방식을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조장치에서 공급부에 고정된 탄소나노튜브 포레스트가 합사되는 모습을 나타내는 실제 이미지이다.
도 3은 본 발명에 따른 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법을 대략적으로 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법에서 탄소나노튜브 포레스트 단일 합사 방식의 여러 형태를 나타내는 이미지이다.
도 5는 종래의 기술에 따른 탄소나노섬유를 나타내는 도면이다.
도 6은 종래의 기술에 따른 다발 합사 방식의 꼬임구조로 인하여 균일하지 않은 섬유의 표면을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법에 따른 단일 합사 방식을 나타내는 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
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 있음을 의미한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 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.
본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시 예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.
수치 범위는 상기 범위에 정의된 수치를 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최대의 수치 제한은 낮은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 낮은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최소의 수치 제한은 더 높은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 높은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 수치 제한은 더 좁은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼, 더 넓은 수치 범위 내의 더 좋은 모든 수치 범위를 포함할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조장치를 대략적으로 나타낸 도면이며, 이송부가 포집부를 이송시키는 모습을 나타낸 도면, 도 2는 본 발명의 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조장치에서 공급부에 고정된 탄소나노튜브 포레스트가 합사되는 모습을 나타내는 실제 이미지, 도 3은 본 발명에 따른 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법을 대략적으로 나타낸 블록도, 도 4는 본 발명에 따른 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법에서 탄소나노튜브 포레스트 단일 합사 방식의 여러 형태를 나타내는 이미지, 도 5는 종래의 기술에 따른 탄소나노섬유를 나타내는 도면, 도 6은 종래의 기술에 따른 다발 합사 방식의 꼬임구조로 인하여 균일하지 않은 섬유의 표면을 나타내는 도면, 도 7은 본 발명에 따른 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법에 따른 단일 합사 방식을 나타내는 도면이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조장치를 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조장치는 베이스부(100), 복수 개의 탄소나노튜브 포레스트(10)가 고정되는 공급부(200), 상기 공급부(200)에 고정된 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)로부터 건식방사된 원사 소재(11)가 일지점으로 모여 꼬일 수 있도록 하는 포집부(300) 및 상기 포집부(300)를 일방향으로 이송시키는 이송부(400)를 포함한다.
먼저, 상기 베이스부(100)가 마련된다. 상기 베이스부(100)는 상기 탄소나노섬유 제조장치(1)의 하단부를 지지하는 본체로 구성되며, 사각형의 형태의 판으로 형성된다. 그리고, 상기 베이스부(110)의 중앙부에는 길이방향을 따라 홈(110)이 형성된다. 상기 홈(110)은 바람직하게 상기 베이스부(110)의 길이방향 총 길이보다 작은 크기로 형성되고, 상기 베이스부(110)의 중심부를 기준으로, 일측으로 치우쳐진 위치에 형성될 수 있다.
또한, 상기 홈(110)에는 레일(111)이 구비된다. 상기 레일(111)은 상기 홈(110)의 가장자리를 따라 구비되고, 상기 이송부(400)를 이송시킬 수 있는 궤도를 형성한다. 물론, 상기 레일(111)은 강철 소재로 형성될 수 있고, 그 형태는 상기 이송부(400)와 연결될 수만 있다면 어떠한 형태로든 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 공급부(200)는 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)를 고정시킬 수 있도록 상기 베이스부(100)의 일측면에 구비된다. 상기 공급부(200)는 사각형의 판 형태로 형성된다. 그리고, 상기 공급부(200)는 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)가 고정되기 위한 제 1고정판(210)을 포함한다.
상기 제 1고정판(210)은 사각형의 형태로 형성될 수 있으며, 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)를 고정시킬 수 있다면 어떠한 형태 및 크기로든 형성될 수 있다. 그리고, 상기 제 1고정판(210) 및 탄소나노튜브 포레스트(10)는 2축 방향으로 일정한 간격을 두고 배치되는 복수 개로 구비된다. 다시 말하면, 상기 공급부(220)는 복수 개의 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)가 서로 겹쳐지거나 평행을 이루도록 일정간격 배치되는 것이다.
다음으로, 상기 포집부(300)가 마련된다. 상기 포집부(300)는 상기 제 1고정판(210)에 고정된 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)로부터 건식방사된 원사 소재(11)가 일지점으로 모여 꼬일 수 있도록 하는 상기 레일(111)의 경로 상에 위치한다. 보다 구체적으로, 상기 포집부(300)는 거치대(310), 모터(320) 및 제 2고정판(330)을 포함한다.
상기 거치대(310)는 상기 이송부(400)의 상단부에 안착되도록 구비된다. 그리고, 상기 거치대(310)는 일자 모양의 기둥으로 형성되며, 상기 이송부(400)에 안착될 수만 있다면 어떠한 형태로든 형성될 수 있다.
상기 모터(320)는 상기 거치대(310)의 일단부에 구비되며, 전기에너지를 이용하여 동력을 발생시킬 수 있는 장치로 구성된다. 다시 말하면, 상기 모터(320)는 회전동력을 발생시키는 장치이며, 바람직하게 회전동력을 전달할 수 있도록 원형의 막대 모양으로 형성되는 샤프트(도면 미도시)를 포함할 수 있다.
상기 제 2고정판(330)은 상기 모터(320)와 연결된다. 그리고, 상기 제 2고정판(330)은 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)로부터 방사된 원사 소재(11)가 고정된다. 상기 제 2고정판(330)은 사다리꼴의 형태로 된 사각형의 판으로 형성되며, 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)로부터 방사된 원사 소재(11)가 고정될 수만 있다면 어떠한 형태로든 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 이송부(400)는 상기 레일(111)에 구비되고, 상기 거치대(310)의 하단부를 지지할 수 있다. 그리고, 상기 이송부(400)는 상기 포집부(300)를 일방향으로 이송시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 이송부(400)는 물론 상기 레일(111)에서 이송될 수 있도록 하는 바퀴(도면 미도시)를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 이송부(400)는 상기 포집부(300)를 일정한 속도로 이송시킬 수 있다.
종합해보면, 도 2의 (A) 및 (B)를 참조하면 상기 공급부(200)에는 상기 제 1고정판(210) 및 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)가 2축 방향으로 일정간 간격을 두고 배치될 수 있도록 복수 개로 구비된다. 복수 개의 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)로부터 건식방사된 원사 소재(11)가 일지점으로 모여지게 된다. 이때, 상기 모터(320)의 회전으로 상기 제 2고정판(330)이 회전하게 되고, 상기 이송부(400)는 상기 공급부(200)로부터 멀어지는 방향으로 이송시켜 탄소나노섬유를 제작할 수 있게 하는 것이다.
이하에서는, 상기한 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조장치(1)를 이용하여, 본 발명에 따른 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법은 탄소나노튜브 포레스트(10)가 공급부(200)의 제 1고정판(210)에 고정되고, 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)로부터 방사된 원사 소재(11)가 포집부(300)의 제 2고정판(330)에 고정되는 포레스트 고정단계(S1) 및 상기 제 2고정판(330)이 회전하면서, 이송부(400)가 상기 포집부(300)를 상기 공급부(200)로부터 멀어지는 방향으로 이송시켜 탄소나노섬유(20)를 제조하는 탄소나노섬유 제조단계(S2)를 포함한다.
상기 포레스트 고정단계(S1)에서는 상기 제 1고정판(210) 및 탄소나노튜브 포레스트(10)가 복수 개로 구비되어, 상기 공급부(200)에 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)가 각각 고정된다.
보다 구체적으로, 상기 제 1고정판(210) 및 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)가 1개로 구비되는 경우, 다발 형태로 포집하는 과정이 복잡하며 연속공정이 어렵고 합사된 제조된 탄소나노섬유(20)는 꼬임이 쉽게 풀리고 표면 거칠기가 매우 커 표면 코팅에 어려움이 있으며, 상기 제 1고정판(210) 및 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)가 5개를 초과하게 될 경우, 원사를 일정간격으로 배치하는 것에 어려움이 있다. 따라서, 상기 제 1고정판(210) 및 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)는 2 내지 4개로 구비되는 것이 바람직하다.
또한, 더 바람직하게는 상기 제 1고정판(210) 및 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)가 겹쳐지게 2개, 평행으로 2개로 배치되는 것이 전도도 및 강도에 있어서 우수한 효과를 나타내었으므로 상기 제 1고정판(210) 및 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)를 4개로 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 포레스트 고정단계(S1)에서는, 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)로부터 건식방사되는 방사 시작점을 기준으로, 원사 소재(11)의 너비가 1.25 내지 5cm로 형성된다.
보다 구체적으로, 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)에서 건식방사되는 방사 시작점을 기준으로 원사 소재(11)의 너비가 1.25 cm 미만으로 형성될 경우 상기 공급부(200)에 너무 많은 수량의 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)를 배치해야 하는 것에 어려움이 있으며, 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)에서 건식방사되는 방사 시작점을 기준으로 원사 소재(11)의 너비가 5cm를 초과하여 형성될 경우 상기 공급부(200)에 복수 개의 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)를 배치 시, 총 너비가 커지게 되므로 탄소섬유를 제조하는 것에 어려움이 있다. 따라서, 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)의 원사 소재(11)의 너비가 1.25 내지 3cm로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 더 바람직하게 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)로부터 건식방사되는 방사 시작점을 기준, 원사 소재(11)의 너비를 알아보기 위하여, 너비 및 배치에 따른 전도도 및 강도를 비교하였으며, 그 결과는 하기 표 1의 내용과 같다.
| 총 너비 | 실시예 | 전도도 (S/cm) |
변화율 (%) |
강도 (Gpa) |
변화율 (%) |
| 5cm 너비 |
1 | 472.14±14.5 | - | 0.386±0.016 | - |
| 2 | 489.67±26.4 | 3.71 | 0.446±0.021 | 15.54 | |
| 3 | 430±7.26 | -8.92 | 0.399±0.014 | 3.36 | |
| 4 | 600.84±2.2 | 27.26 | 0.423±0.018 | 9.73 | |
| 10cm 너비 |
5 | 450.16±27.19 | - | 0.304±0.018 | - |
| 6 | 536.28±2.02 | 19.13 | 0.29±0.016 | -4.6 | |
| 7 | 483.9±6.96 | 7.49 | 0.377±0.021 | 24.01 | |
| 8 | 543.8±1.42 | 20.8 | 0.471±0.019 | 54.93 |
우선 도 4의 (A)를 참조하면, 상기 표 1의 실시예 1 내지 4를 위에서 아래로 나열한 그림이며, 도 4의 (B)를 참조하면 상기 표 2의 실시예 5 내지 8를 위에서 아래로 나열한 그림이다.
보다 구체적으로, 상기 표 1에서 실시예 1은 상기 공급부(200)의 총 너비가 5cm 인 상태에서 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)를 1개로 구비하되 원사 너비를 5cm 로 배치한 것이다.
상기 표 1에서 실시예 2는 상기 공급부(200)의 총 너비가 5cm 인 상태에서 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)를 서로 평행이 되게 2개로 구비하되 원사 너비를 2.5cm 로 배치한 것이다. 이때, 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)의 사이 간격을 1cm 로 배치할 수 있다.
상기 표 1에서 실시예 3은 상기 공급부(200)의 총 너비가 5cm 인 상태에서 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)를 서로 겹쳐지게 2개로 구비하되 원사 너비를 2.5cm 로 배치한 것이다. 이때, 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)의 사이 간격을 1.3cm 로 배치할 수 있다.
상기 표 1에서 실시예 4는 상기 공급부(200)의 총 너비가 5cm 인 상태에서 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)를 서로 겹치거나 평행이 되게 4개로 구비하되 원사 너비를 1.25cm 로 배치한 것이다. 이때, 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)의 사이 간격을 0.5cm 로 배치할 수 있다.
상기 표 1에서 실시예 5는 상기 공급부(200)의 총 너비가 10cm 인 상태에서 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)를 서로 수평이 되게 2개로 구비하되 원사 너비를 5cm 배치한 것이다.
상기 표 1에서 실시예 6은 상기 공급부(200)의 총 너비가 10cm 인 상태에서 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)를 서로 겹쳐지게 2개로 구비하되 원사 너비를 5cm 로 배치한 것이다.
상기 표 1에서 실시예 7은 상기 공급부(200)의 총 너비가 10cm 인 상태에서 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)를 서로 평행이 되게 4개로 구비하되 원사 너비를 2.5cm 로 배치한 것이다.
상기 표 1에서 실시예 8은 상기 공급부(200)의 총 너비가 10cm 인 상태에서 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)를 서로 겹쳐지거나 평행이 되게 4개로 구비하되 원사 너비를 2.5cm 로 배치한 것이다.
상기 표 1을 살펴보면, 상기 실시예 2의 조건은 실시예 1에 비해 전도도에서 3.71% 증가하였으며, 강도에서 15.54% 증가한 것이 확인되었다. 상기 실시예 3의 조건은 실시예 1에 비해 전도도에서 8.92% 감소하였으며, 강도에서 3.36% 증가한 것이 확인되었다. 상기 실시예 4의 조건은 실시예 1에 비해 전도도에서 27.26% 증가하였으며, 강도에서 9.73% 증가한 것이 확인되었다.
또한, 상기 실시예 6의 조건은 실시예 5에 비해 전도도에서 19.13% 증가하였으며, 강도에서 4.6% 감소한 것이 확인되었다. 상기 실시예 7의 조건은 실시예 5에 비해 전도도에서 7.49% 증가하였으며, 강도에서 24.01% 증가한 것이 확인되었다. 상기 실시예 8의 조건은 실시예 5에 비해 전도도에서 20.80% 증가하였으며, 강도에서 54.93% 증가한 것이 확인되었다.
결과적으로, 상기 실시예 4 의 조건인 경우에 전도도 및 강도가 상기 실시예 2 내지 3에 비해 우수하게 나타나고, 상기 실시예 8의 조건인 경우에 전도도 및 강도가 상기 실시예 6 내지 7에 비해 우수하게 나타나는 것이 확인되었다.
따라서, 더 바람직하게는 상기 공급부(200)의 총 너비가 5cm 인 경우, 전도도 및 강도의 우수한 효과를 위해서 상기 제 1고정판(210) 및 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)가 4개로 배치되되, 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)에서 건식방사되는 방사 시작점을 기준으로 원사 소재(11)의 너비가 1.25 cm로 형성되는 것이 바람직하고, 상기 공급부(200)의 총 너비가 10cm 인 경우, 전도도 및 강도의 우수한 효과를 위해서 상기 제 1고정판(210) 및 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)가 4개로 배치되되, 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)에서 건식방사되는 방사 시작점을 기준으로 원사 소재(11)의 너비가 2.5 cm로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 포레스트 고정단계(S1)에서는 복수 개의 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)로부터 방사되는 원사 소재(11)가 상기 제 2고정판(330)의 일지점에 모이는 각도를 10° 내지 25° 로 꼬일 수 있도록 복수 개의 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)를 배치한다.
또한, 상기 포레스트 고정단계(S1)에서는 탄소나노튜브 포레스트(10)를 제조하는 포레스트 제조단계를 더 포함할 수 있다.
상기 포레스트 제조단계에서는 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)가 저압 화학 기상 증착 (Low pressure chemical vapor deposition, LP-CVD) 법에 의해 제조될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 포레스트 제조단계는 실리콘(SiO2) 기판 일면에 알루미나(산화알루미늄, Al2O3)를 1 내지 5 nm의 두께로 증착하는 제 1단계, 상기 알루미나 일면에 철(Fe) 촉매를 2 내지 3 nm의 두께로 증착하는 제 2단계 및 상기 철 촉매 일면에 탄소나노튜브를 화학기상증착법 (Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용하여 탄소나노튜브 포레스트를 제조하는 제 3단계를 포함할 수 있다.
상기 제 1단계에서는 상기 알루미나가 1 내지 5 nm의 두께로 코팅되는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로 상기 알루미나가 1 nm 미만으로 코팅될 경우 상기 알루미나의 두께가 너무 얇게 형성되어 상기 알루미나로 인한 효과가 나타나지 않으며, 상기 알루미나를 10 nm 초과하여 코팅될 경우 상기 알루미나 층과 상기 탄소나노튜브 사이의 결합력이 증대되어 건식방사가 수행될 수 없다. 따라서, 상기 알루미나는 1 내지 5 nm의 두께로 코팅되는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 2 내지 4 nm의 두께로 코팅될 수 있다.
상기 제 2단계에서는 상기 실리콘(SiO2) 기판 일면에 증착된 알루미나의 상부면에 철(Fe) 촉매가 2 내지 3 nm의 두께로 증착될 수 있다.
이때, 상기 철 촉매는 전자 빔 코팅 시스템(electron beam coating system)에 의해 증착될 수 있으며, 상기 전자 빔 코팅 시스템은 증발 챔버 (evaporating chamber), 증발 제어 시스템(evaporate control system), 전원 공급 시스템(power supply system) 및 진공 시스템(vacuum system)으로 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 증발 챔버 내에 상기 알루미나가 코팅된 실리콘 기판을 삽입하고, 4 x 10-6 내지 5 x 10-6 torr의 압력을 가한다. 다음으로, 4 내지 6 kV의 고전압을 인가하고, 철 촉매를 상기 알루미나 상부면에 증착시킨다.
상기 전자 빔 코팅 시스템에 의해 철 촉매가 증착되고, 탄소 나노 튜브 합성 시, 촉매 금속 아일랜드를 형성하기 위해 가해주는 발생되는 열로 인해 상기 알루미나와 철 촉매 사이에는 합금(alloy)이 형성될 수 있다. 상기 합금은 1 내지 3 nm 두께로 형성될 수 있다. 상기 합금으로 인해 상기 (S1C) 단계에서 코팅 되는 탄소 나노 튜브 사이의 결합력이 감소되어 탄소섬유가 형성되는 수율이 현저히 증가될 수 있다.
최종적으로, 상기 제 3단계에서는 상기 제 2단계에서 증착된 철 촉매 일면에 탄소나노튜브를 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용하여 탄소나노튜브 포레스트(10)를 제조할 수 있다.
또한, 상기 탄소나노섬유 제조단계(S2)에서는 상기 모터(320)의 회전속도가 1700 내지 1900 rpm 로 작동될 수 있고, 바람직하게는 1800 rpm 으로 작동될 수 있다.
또한, 상기 탄소나노섬유 제조단계(S2)에서는 상기 모터(320)의 회전시간이 50 내지 70초로 작동될 수 있고, 바람직하게는 60초로 작동될 수 있다.
또한, 상기 탄소나노섬유 제조단계(S2)에서는 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)로부터 건식방사되는 방사 시작점에서 상기 포집부(300)의 상기 제 2고정판(330)의 일지점까지 40 내지 70cm 의 길이가 될 수 있도록 복수 개의 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)를 배치할 수 있다. 이에 따라, 상기 탄소나노섬유(20) 길이에 따른 TPM(Turn Per Meter)은 2,500 내지 4,000 인 것이 바람직하다.
종합해보면, 본 발명에 따른 탄소나노섬유 제작방법은 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)가 상기 제 1고정판(210)에 고정되고, 상기 탄소나노튜브 포레스트(10)로부터 방사된 원사 소재(11)가 상기 포집부(300)의 상기 제 2고정판(330)의 일지점으로 모이게 된다. 이후 상기 제 2고정판(330)이 회전하면서, 상기 이송부(400)가 상기 포집부(300)를 상기 공급부(200)로부터 멀어지는 방향으로 이송시켜 단일합사 방식으로 탄소나노섬유(20)를 제조하는 것이다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1 : 탄소나노섬유 제조장치
10 : 탄소나노튜브 포레스트
11 : 원사 소재
20 : 탄소나노섬유
100 : 베이스부
110 : 홈
111 : 레일
200 : 공급부
210 : 제 1고정판
300 : 포집부
310 : 거치대
320 : 모터
330 : 제 2고정판
400 : 이송부
S1 : 포레스트 고정단계
S2 : 탄소나노섬유 제조단계
10 : 탄소나노튜브 포레스트
11 : 원사 소재
20 : 탄소나노섬유
100 : 베이스부
110 : 홈
111 : 레일
200 : 공급부
210 : 제 1고정판
300 : 포집부
310 : 거치대
320 : 모터
330 : 제 2고정판
400 : 이송부
S1 : 포레스트 고정단계
S2 : 탄소나노섬유 제조단계
Claims (6)
- 탄소나노튜브 포레스트가 공급부의 제 1고정판에 고정되고, 상기 탄소나노튜브 포레스트로부터 방사된 원사 소재가 포집부의 제 2고정판에 고정되는 포레스트 고정단계; 및
상기 제 2고정판이 회전하면서, 이송부가 상기 포집부를 상기 공급부로부터 멀어지는 방향으로 이송시켜 탄소나노섬유를 제조하는 탄소나노섬유 제조단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 포레스트 고정단계에서는,
상기 제 1고정판 및 탄소나노튜브 포레스트가 복수 개로 구비되어, 상기 공급부에 상기 탄소나노튜브 포레스트가 각각 고정되는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 포레스트 고정단계에서는,
상기 탄소나노튜브 포레스트로부터 건식방사되는 방사 시작점을 기준으로, 원사 소재의 너비가 1.25 내지 5cm로 형성되는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법.
- 복수 개의 탄소나노튜브 포레스트가 고정되는 공급부;
상기 공급부에 고정된 상기 탄소나노튜브 포레스트로부터 건식방사된 원사 소재가 일지점으로 모여 꼬일 수 있도록 하는 포집부; 및
상기 포집부를 일방향으로 이송시키는 이송부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조장치.
- 제 4항에 있어서,
상기 공급부는,
상기 탄소나노튜브 포레스트가 고정되는 제 1고정판;을 포함하고,
상기 제 1고정판 및 탄소나노튜브 포레스트는, 2축 방향으로 일정한 간격을 두고 배치되는 복수 개로 구비되는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조장치.
- 제 4항에 있어서,
상기 포집부는,
상기 이송부의 일측에 구비되는 거치대;
상기 거치대의 일측에 구비되어, 회전동력을 발생시키는 모터; 및
상기 모터와 연결되어, 상기 탄소나노튜브 포레스트로부터 방사된 원사 소재가 고정되기 위한 제 2고정판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220010370A KR20230114349A (ko) | 2022-01-25 | 2022-01-25 | 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법 및 이를 위한 제조장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220010370A KR20230114349A (ko) | 2022-01-25 | 2022-01-25 | 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법 및 이를 위한 제조장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230114349A true KR20230114349A (ko) | 2023-08-01 |
Family
ID=87561783
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220010370A KR20230114349A (ko) | 2022-01-25 | 2022-01-25 | 탄소나노섬유 건식방사 연속 제조방법 및 이를 위한 제조장치 |
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| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230114349A (ko) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101766143B1 (ko) | 2016-05-24 | 2017-08-10 | 인하대학교 산학협력단 | 전기방사법을 이용한 정렬된 활성탄소나노섬유 제조방법 |
| KR101972987B1 (ko) | 2017-12-11 | 2019-04-29 | 한국과학기술연구원 | 고강도 및 고전도도 탄소나노튜브 섬유 연속 제조방법 |
-
2022
- 2022-01-25 KR KR1020220010370A patent/KR20230114349A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (2)
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| KR101972987B1 (ko) | 2017-12-11 | 2019-04-29 | 한국과학기술연구원 | 고강도 및 고전도도 탄소나노튜브 섬유 연속 제조방법 |
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