WO2017171263A1 - 탄소섬유 제조장치 및 제조방법 - Google Patents

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WO2017171263A1
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wire electrode
precursor
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fiber precursor
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송석균
김병연
정만기
김성인
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재단법인 철원플라즈마 산업기술연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a carbon fiber manufacturing apparatus and a manufacturing method, and to a carbon fiber manufacturing apparatus and method for oxidatively stabilizing a carbon fiber precursor by generating high-efficiency oxygen radicals by corona plasma generation by a nonlinear electric field.
  • the conventional high temperature hot air manufacturing process requires a long time process by exposing the carbon fiber precursor to a high temperature (200-300 ° C.) for more than 2 hours in the oxidation stabilization process, which is the most energy-intensive process.
  • a high temperature 200-300 ° C.
  • the price of carbon fiber is high, which is limited to high-priced applications such as aircraft and sporting goods.
  • More than 90% of the commercially available carbon fibers are obtained from PAN precursors, which undergo oxidation stabilization at 180 to 300 ° C. under an air atmosphere and carbonization at 1600 ° C. or less under an inert gas atmosphere.
  • the PAN polymer forms a ladder structure having heat resistance through oxidation, dehydrogenation, and cyclization reaction during stabilization. This process is an important step to have high performance in the production of carbon fiber, but it is a time consuming and energy-consuming step because the reaction is very slow.
  • the oxidative stabilization process is a process in which condensation occurs due to the introduction of hydrocarbons, and the carbon fiber having excellent mechanical properties must be sufficiently stabilized at a slow heating rate and for a long time so that combustion does not occur by the introduced oxygen. Can be prepared.
  • This oxidation stabilization is the most time-consuming step in the carbon fiber manufacturing process, so technical optimization is essential to increase productivity.
  • the conventional carbon fiber manufacturing apparatus manufactures carbon fibers using RF plasma, but in the case of RF plasma, the apparatus cost is increased because the process must be performed in a vacuum process. In the ICP method, plasma generation is difficult at atmospheric pressure, and thus the cost of the process is greatly increased.
  • the present invention is to provide a carbon fiber manufacturing apparatus and a method for significantly reducing the process time and energy consumption by applying a plasma device and a process of low energy consumption by a non-linear electric field in the production of carbon fiber.
  • Carbon fiber manufacturing apparatus by supplying oxygen radicals to the carbon fiber precursor to induce oxidation stabilization of the polymer constituting the carbon fiber precursor, to the device for producing carbon fiber from the carbon fiber precursor
  • a heating unit for supplying heat required for oxidation stabilization of the carbon fiber precursor
  • a plasma generating unit for converting oxygen in the air into an oxygen radical state so that the carbon fiber precursor is oxidatively stabilized by the oxygen radicals to form the carbon fiber.
  • the plasma generating unit includes the oxygen in the air.
  • a wire electrode part In order to generate a corona plasma for changing to an oxygen radical state, a wire electrode part is generated which generates a nonlinear electric field by an applied voltage, the wire electrode part being arranged to intersect on an imaginary plane such that the plane is divided into a plurality of planes. It may be characterized by having a plurality of wires to be divided.
  • the plasma generating unit of the carbon fiber manufacturing apparatus further comprises a ground electrode disposed to be spaced apart in one direction from the wire electrode unit, wherein the wire electrode unit, according to the type of the applied voltage
  • the non-linear electric field may be formed in one direction or in another direction opposite to the one direction.
  • the plasma generating unit of the carbon fiber manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention, the insulating portion and the insulation interposed between the wire electrode portion and the ground electrode portion to determine the separation distance between the wire electrode portion and the ground electrode portion; And a tension unit connecting the wire electrode unit to the wire unit and providing a tension to the wires such that the wires maintain tension in the virtual plane.
  • the wire electrode portion of the carbon fiber manufacturing apparatus when a positive voltage is applied, so that the non-linear electric field is formed in the one direction from the wire electrode portion toward the ground electrode portion, negative voltage
  • the nonlinear electric field is formed in the other direction from the ground electrode part toward the wire electrode part, and when an alternating voltage is applied, the nonlinear electric field alternates toward the one direction and the other direction. It may be characterized in that it is formed.
  • the wire electrode portion of the carbon fiber manufacturing apparatus when the negative voltage is applied, the bonding structure of the polymer forming the carbon fiber precursor by the electrons emitted toward the ground electrode portion is It may be characterized in that the change.
  • the heating unit of the carbon fiber manufacturing apparatus includes a heat generation unit for converting electrical energy into heat energy and a heat supply unit for supplying the heat energy generated from the heat generation unit to the plasma generation unit It may be characterized by.
  • the first receiving portion for receiving the heating portion;
  • a second accommodating part accommodating the plasma generating part;
  • a communicating part communicating with the first accommodating part and the second accommodating part, wherein the communicating part comprises a first passage providing a passage through which the heat energy supplied to the plasma generating part is moved by the heat supply part.
  • a second passage part for allowing the heat energy supplied to the first passage part to be consumed by the plasma generating part and moved to the heating part.
  • the carbon fiber precursor of the carbon fiber manufacturing apparatus is disposed to be spaced apart from the plurality of wires, disposed so as to appear sequentially in the first space and the second space divided into the virtual plane. It may be characterized by.
  • the degree of oxidation stabilization of the carbon fiber precursor is different depending on the relative position of the wire electrode and the ground electrode of the carbon fiber precursor. To be induced.
  • the carbon fiber manufacturing apparatus further includes a power supply unit connected to the wire electrode unit to generate heat in a state in which the wire electrode unit is floated at a high voltage.
  • the power supply unit includes the wire electrode.
  • a second power supply unit for supplying power to the unit and a second power supply unit for floating the first power supply unit at a high voltage.
  • the plasma generating unit of the carbon fiber manufacturing apparatus further includes an insulation tube disposed between the plurality of wires intersecting such that the plurality of wires intersecting on the imaginary plane do not contact each other. It can be characterized by.
  • Carbon fiber manufacturing apparatus by supplying oxygen radicals to the carbon fiber precursor to induce oxidation stabilization of the polymer constituting the carbon fiber precursor, an apparatus for producing carbon fiber from the carbon fiber precursor Furnace, the heating unit for supplying heat required for the oxidation stabilization of the carbon fiber precursor; And a plasma generating unit for converting oxygen in the air into an oxygen radical state so that the carbon fiber precursor is oxidatively stabilized by the oxygen radicals to form the carbon fiber.
  • the plasma generating unit includes an electric field under an applied voltage.
  • a first electrode generating a second electrode, a second electrode disposed to be spaced apart from the first electrode, and contacting the second electrode and the first electrode to change oxygen located in a space spaced from the first electrode into oxygen radicals; And a dielectric part disposed between the electrode and the second electrode, wherein the second electrode includes a plurality of gases such that a gas generated by the reaction of the carbon fiber precursor and the oxygen radical disposed between the first electrode passes therethrough.
  • the through hole may be formed.
  • the carbon fiber manufacturing apparatus-the carbon fiber manufacturing apparatus by supplying oxygen radicals to the carbon fiber precursor induces oxidation stabilization of the polymer constituting the carbon fiber precursor
  • a heating unit for supplying heat required for oxidative stabilization of the carbon fiber precursor, wherein the plasma generating unit generates a nonlinear electric field by an applied voltage.
  • a wire electrode part arranged to be generated in the corona plasma and causing oxygen in the air to be changed into the oxygen radical state by the generated corona plasma, and a ground electrode part spaced apart in one direction from the wire electrode part.
  • It may comprise; a first step of obtaining a carbon fiber precursor group.
  • the carbon fiber precursor is disposed between the wire electrode portion and the ground electrode portion, but disposed closer to the ground electrode portion than the wire electrode portion.
  • the carbon fiber precursor may further include a second step in which the oxidation stabilization proceeds while the surface is not damaged by corona plasma generated by the nonlinear electric field.
  • the corona plasma generated by the non-linear electric field By placing the carbon fiber precursor so that the wire electrode portion is located between the carbon fiber precursor and the ground electrode portion, the corona plasma generated by the non-linear electric field And a third step of preventing the carbon fiber precursor from being directly exposed to the carbon fiber precursor.
  • the carbon fiber precursor is disposed between the wire electrode portion and the ground electrode portion, it is disposed so as to be located closer to the wire electrode portion than the ground electrode portion And a fourth step of directly exposing the corona plasma generated by the nonlinear electric field to perform the oxidation stabilization.
  • the carbon fiber precursor is disposed spaced apart from the plurality of wires arranged to intersect on the virtual plane, the first space and the first divided into the virtual plane And a fifth step in which the oxidative stabilization proceeds while being disposed to appear sequentially in two spaces.
  • the process time can be shortened by allowing the process to proceed by corona plasma caused by a nonlinear electric field.
  • the state of the carbon fiber precursor can be adjusted to the step of the oxidation stabilization process to produce a good quality carbon fiber.
  • the gas generated by oxidation stabilization of the carbon fiber precursor can be easily discharged, thereby shortening the process time and increasing the efficiency of the process.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing a carbon fiber manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a plan view showing a carbon fiber manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a schematic perspective view showing a plasma generating unit of the carbon fiber manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a side view showing a plasma generating unit of the carbon fiber manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a schematic diagram for explaining the heat transfer unit according to an embodiment of the present invention.
  • 6 to 9 is a schematic view for explaining a method for producing carbon fibers using a carbon fiber manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic perspective view showing a carbon fiber manufacturing apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 11 is a plan view showing a carbon fiber manufacturing apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a side view showing a plasma generating unit of the carbon fiber manufacturing apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 13 is a schematic perspective view showing a plasma generating unit of the carbon fiber manufacturing apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a flow chart for explaining the carbon fiber manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • Carbon fiber manufacturing apparatus by supplying oxygen radicals to the carbon fiber precursor to induce oxidation stabilization of the polymer constituting the carbon fiber precursor, to the device for producing carbon fiber from the carbon fiber precursor
  • a heating unit for supplying heat required for oxidation stabilization of the carbon fiber precursor
  • a plasma generating unit for converting oxygen in the air into an oxygen radical state so that the carbon fiber precursor is oxidatively stabilized by the oxygen radicals to form the carbon fiber.
  • the plasma generating unit includes the oxygen in the air.
  • a wire electrode part In order to generate a corona plasma for changing to an oxygen radical state, a wire electrode part is generated which generates a nonlinear electric field by an applied voltage, the wire electrode part being arranged to intersect on an imaginary plane such that the plane is divided into a plurality of planes. It may be characterized by having a plurality of wires to be divided.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing a carbon fiber manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a plan view showing a carbon fiber manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a schematic perspective view showing a plasma generating unit of the carbon fiber manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a side view showing a plasma generating unit of the carbon fiber manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention
  • 5 is a schematic view for explaining a heat transfer unit according to an embodiment of the present invention.
  • the carbon fiber manufacturing apparatus 1 by supplying oxygen radicals to the carbon fiber precursor (P) of the polymer constituting the carbon fiber precursor (P) By inducing oxidation stabilization, it may be a device for producing carbon fibers from the carbon fiber precursor (P).
  • the carbon fiber precursor P (hereinafter, referred to as a precursor) is an organic precursor material (precursor) in the form of a fiber, and may be an organic material before becoming carbon fibers by an oxidation stabilization and carbonization process.
  • the precursor (P) may be prepared from polyacrylonitrile (hereinafter referred to as PAN), petroleum- or coal-based hydrocarbon residues such as pitch (asphalt) or rayon, and may be 200 to 200 in an air atmosphere. Oxidation stabilization at 300 ° C., carbonization at 1600 ° C. or less under an inert gas atmosphere can be made into carbon fibers.
  • PAN polyacrylonitrile
  • Asphalt petroleum- or coal-based hydrocarbon residues
  • Oxidation stabilization at 300 ° C., carbonization at 1600 ° C. or less under an inert gas atmosphere can be made into carbon fibers.
  • the oxidation stabilization may refer to a process of forming a ladder structure having heat resistance through oxidation, dehydrogenation, and cyclization reaction by oxygen into which the polymer forming the precursor P is introduced.
  • oxygen radical refers to oxygen that is larger in activity and unstable than a normal oxygen (stable state) and has a high energy
  • representative examples thereof include superoxide (O 2- ), hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), Hydroxy radicals (OH *) and the like.
  • oxygen radical oxidation stabilization of the precursor (P) can proceed quickly and stably.
  • the carbon fiber manufacturing apparatus 1 of the present invention is a device for easily producing carbon fibers by providing heat (200 to 300 ° C.) and oxygen radicals necessary for oxidative stabilization of the precursor P.
  • the carbon fiber manufacturing apparatus 1 changes the heating unit 10 for supplying heat required for oxidation stabilization of the precursor P and oxygen in the air to an oxygen radical state, so that the precursor P is the oxygen radical. It may include a plasma generation unit 20 to be oxidatively stabilized by the carbon fiber.
  • the carbon fiber manufacturing apparatus 1 includes a first accommodating part 30 accommodating the heating part 10, a second accommodating part 40 accommodating the plasma generating part 20, and the first accommodating part. It may include a communication unit 50 for communicating the receiving portion 30 and the second receiving portion 40.
  • the first accommodating part 30 and the second accommodating part 40 may be a kind of chamber for separately accommodating the heating part 10 and the plasma generating part 20, and the communicating part ( 50 is again provided with the heat energy supplied from the heating unit 10 to the plasma generating unit 20 or the heat energy supplied to the plasma generating unit 20 is consumed again the heating unit 10 It may provide a passageway to allow resupply.
  • the communicating part 50 may include a first passage part providing a passage through which the thermal energy supplied to the plasma generation part 20 is moved by the heat supply part 16 of the heating part 10 to be described below. 52 and a second passage portion 54 which allows the thermal energy supplied to the first passage portion 52 to be consumed by the plasma generating portion 20 and moved to the heating portion 10. Can be.
  • first passage part 52 or the second passage part 54 may be formed in plural numbers between the first accommodating part 30 and the second accommodating part 40.
  • the heat energy generated by the heating unit 10 circulates through the first receiving unit 30 and the second receiving unit 40 through the communicating unit 50, and the heating unit 10.
  • the heating unit 10 the heat generating unit 14 for converting electrical energy into heat energy, the hot air for supplying the heat energy generated from the heat generating unit 14 to the plasma generation unit 20 It may be provided with a driving motor 12 capable of driving the supply portion 16 and the heat supply unit 16.
  • the heat generating unit 14 is a kind of electric heater for converting the supplied electric energy into heat energy, and the heat supply unit 16 receives air heated by the heat generating unit 14 from the first accommodating unit 30. ) May be moved to the second receiving portion 40 through the first passage portion 52.
  • the heat supply unit 16 may be a kind of blower that converts the supplied electric energy into power energy, and the driving energy for operating the heat supply unit 16 may be supplied from the drive motor 12.
  • the plasma generator 20 may include a wire electrode part 22 generating a nonlinear electric field by an applied voltage and a ground electrode part 24 spaced apart from the wire electrode part 22 in one direction.
  • the voltage supplied to the wire electrode part 22 may be supplied by a power supply device (not shown) provided separately.
  • the wire electrode part 22 may include a plurality of wires disposed to intersect on a virtual plane D (see FIGS. 3 and 4) to divide the plane into a plurality of planes.
  • a plurality of wires constituting the plurality of wires may be formed so as to cross in a zigzag manner or repeat a polygonal shape on the virtual plane D, so that the plane may be divided into a plurality of planes.
  • the plurality of wires generate a nonlinear electric field between the ground electrode part 24 by the applied voltage, and the oxygen in the air is converted into oxygen radicals by corona plasma generated by the generated nonlinear electric field.
  • the ground electrode part 24 may be grounded to the bottom surface connected to the ground.
  • each of the singular wires constituting the plurality of wires is a water molecule contained in the surrounding air in a corona discharge generated with a high surface charge density around the wire by forming a nonlinear high electric field around its small diameter, or Oxygen molecules may be changed to an oxygen radical, ie, an active radical state, such as superoxide (O 2 ⁇ ), hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), hydroxy radical (OH *), or the like.
  • an oxygen radical ie, an active radical state, such as superoxide (O 2 ⁇ ), hydrogen peroxide (H 2 O 2 ), hydroxy radical (OH *), or the like.
  • the active radical has a strong oxidation reaction force of about 1000 times or more than a general molecular reaction, it can be oxidized by reacting with the precursor (P) composed of carbon (C), hydrogen (H) and the like.
  • the wire electrode part 22 may be formed such that the direction of the nonlinear electric field is formed in one direction or the other direction opposite to the one direction according to the type of the applied voltage.
  • the nonlinear electric field when a positive voltage is applied to the wire electrode part 22, the nonlinear electric field is formed in one direction from the wire electrode part 22 toward the ground electrode part 24, and the wire electrode part When a negative voltage is applied to the 22, the nonlinear electric field may be formed in the other direction from the ground electrode part 24 toward the wire electrode part 22.
  • an AC voltage may be applied to the wire electrode part 22 to alternately form the nonlinear electric field toward one direction or the other direction.
  • the polymer forming the precursor P by electrons emitted from the wire electrode part 22 toward the ground electrode part 24 when the negative voltage is applied to the wire electrode part 22, the polymer forming the precursor P by electrons emitted from the wire electrode part 22 toward the ground electrode part 24.
  • the binding structure of can be changed.
  • the precursor (P). when a negative high voltage is applied to the wire electrode part 22, electrons emitted from the wire electrode part 22 may be accelerated by the ground electrode part 24 to irradiate the precursor P. .
  • the electron when the electron is 10 keV, the penetration depth of 15-25 ⁇ m, the penetration depth of several hundred ⁇ m when the electron is 100 keV, and the penetration depth of several mm when the electron is 1000 keV, the precursor (P). Can be penetrated.
  • the diameter of the precursor (P) is within 10 ⁇ 20 ⁇ m, it is possible to ensure a sufficient penetration depth by the electrons emitted from the wire electrode portion 22.
  • the polymer constituting the precursor (P) may change the bonding structure by the electrons penetrated to shorten the time of the oxidative stabilization process.
  • the effect that occurs when a negative voltage is applied to the wire electrode portion 22 described above occurs when the precursor P is disposed between the wire electrode portion 22 and the ground electrode portion 24.
  • the precursor P is not disposed only between the wire electrode part 22 and the ground electrode part 24, but the wire electrode part 22 in a direction away from the ground electrode part 24. 6), the degree of oxidation stabilization of the precursor P may be different depending on the relative positions of the wire electrode part 22 and the ground electrode part 24. It will be described in detail with respect to the derivation.
  • the plasma generator 20 is interposed between the wire electrode part 22 and the ground electrode part 24 to determine a separation distance between the wire electrode part 22 and the ground electrode part 24. Connecting the insulating portion 26 and the insulating portion 26 to the wire electrode portion 22 and tensioning the plurality of wires so that the plurality of wires are kept in tension along the virtual plane D. It may be provided with a tension unit 28 to provide.
  • the insulating part 26 connects the wire electrode part 22 and the ground electrode part 24, and may be formed of a non-conductor so as not to be affected by the voltage applied to the wire electrode part 22.
  • the wire electrode part 22 and the ground electrode part 24 may be formed between the wire electrode part 22 and the ground electrode part 24 to form a space in which the precursor P may be located. Can be spaced apart.
  • the tension unit 28 may be a kind of spring to provide tension such that tension is maintained in response to a length in which the plurality of wires may be changed by temperature, humidity, or the like.
  • the carbon fiber manufacturing apparatus 1 is connected to the wire electrode portion 22, the power supply unit to generate heat in a state in which the wire electrode portion 22 is floated at a high voltage ( 60) may be further included.
  • the power supply unit 60 includes a first power supply unit 61 for supplying power to the wire electrode unit 22, a second power supply unit 62 for floating the first power supply unit 61 to a high voltage, and the first power supply unit ( 61 and a connection part 66 connecting the wire electrode part 22 may be provided.
  • the wire electrode portion 22 heated by the first power supply portion 61 may easily discharge electrons, and a temperature (200 to 300 ° C.) within a predetermined range required for oxidative stabilization of the precursor P. May be used to
  • the plasma generation unit 20 further includes an insulating tube 29 disposed between the plurality of wires that cross each other such that the plurality of wires that cross on the virtual plane D do not contact each other. can do.
  • the insulating tube 29 may prevent the short circuit of each of the plurality of crossed wires.
  • 6 to 9 is a schematic view for explaining a method for producing carbon fibers using a carbon fiber manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the plasma generation unit 20 has a degree of oxidation stabilization of the precursor P such that the wire electrode part 22 and the ground electrode part 24 of the precursor P are formed. It can be derived differently depending on the relative position of and.
  • the degree of oxidation stabilization according to the relative position between the wire electrode 22 and the ground electrode 24 of the precursor P will be described, but the wire electrode according to the progress of oxidation stabilization of the precursor P will be described.
  • the oxidation stabilization proceeds without damaging the surface of the precursor P, thereby making it possible to produce carbon fiber of excellent quality.
  • the precursor P is disposed between the wire electrode part 22 and the ground electrode part 24, but is disposed on the ground electrode part 24 rather than the wire electrode part 22. Oxidation stabilization may be performed while the surface P is not damaged by the corona plasma generated by the nonlinear electric field.
  • the negative high voltage may be applied to the wire electrode part 22, and the electrons emitted from the wire electrode part 22 are accelerated by the ground electrode part 24 by the applied negative high voltage.
  • the precursor P may be irradiated.
  • the precursor (P) can be penetrated.
  • the diameter of the precursor (P) is within 10 ⁇ 20 ⁇ m, it is possible to ensure a sufficient penetration depth by the electrons emitted from the wire electrode portion 22, and to constitute the precursor (P) by the electrons penetrated
  • the bonding structure of the polymer may be changed to shorten the time of the oxidative stabilization process.
  • the precursor P may be disposed between the precursor P and the ground electrode part 24 so that the wire electrode part 22 is positioned. That is, the precursor P may be disposed on one side of the wire electrode part 22 in a direction away from the ground electrode part 24.
  • the precursor P is generated by the remote plasma that is not directly exposed to the corona plasma generated by the wire electrode part 22 and reacts with the diffused oxygen radicals, thereby weakening the initial precursor P.
  • the process can be carried out so that the surface is not damaged by rapid oxidation stabilization.
  • the precursor P is disposed between the wire electrode part 22 and the ground electrode part 24, but is disposed on the wire electrode part 22 rather than the ground electrode part 24.
  • Oxidative stabilization may be performed by placing A3 close to and directly exposing the corona plasma generated by the nonlinear electric field.
  • the precursor P disposed close to the wire electrode part 22 may be damaged by ion energy of the corona plasma, the precursor P may be disposed at the position described with reference to FIG. 6 or 7.
  • the precursor P, which has undergone oxidation stabilization that is, the precursor P, which is resistant to surface damage, may be positioned to allow an additional oxidation stabilization process to proceed.
  • the precursor (P) is spaced apart from the plurality of wires constituting the wire electrode portion 22, the first space (S1) divided based on the virtual plane (D) in which the plurality of wires are formed And it may be disposed (A4) to appear sequentially in the second space (S2) to allow the oxidation stabilization proceeds.
  • the wire electrode part 22 may include a plurality of wires disposed to intersect on a virtual plane D to divide the plane into a plurality of planes, and the precursor P passes through the plurality of planes and may be bent and disposed to sequentially appear in the first space S1 and the second space S2.
  • the precursors P disposed to intersect on the imaginary plane D of the wire electrode part 22 are illustrated in FIGS. 6 to 6. It is preferable to use the precursors P disposed at the positions A1, A2 and A3 described with reference to FIG. 8 and subjected to some degree of oxidation stabilization.
  • FIG. 10 is a schematic perspective view showing a carbon fiber manufacturing apparatus according to another embodiment of the present invention
  • Figure 11 is a plan view showing a carbon fiber manufacturing apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a side view showing a plasma generating unit of the carbon fiber manufacturing apparatus according to another embodiment of the present invention
  • Figure 13 is a schematic perspective view showing a plasma generating unit of the carbon fiber manufacturing apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • the plasma generating unit 120 may be spaced apart from the first electrode 121 and the first electrode 121 to generate an electric field by an applied voltage. ) Between the first electrode 121 and the second electrode 122 while being in contact with the second electrode 122 and the first electrode 121 for converting oxygen located in a space separated from each other into oxygen radicals.
  • the dielectric part 125 may be disposed on the substrate 125.
  • the first electrode 121 and the second electrode 122 may be formed of a metal electrode, and the first electrode 121 may be covered with the dielectric part 125.
  • the dielectric part 125 may be an insulator, and thus the voltage applied to the first electrode 121 to allow the flow of current through the first electrode 121 and the second electrode 122. Is the AC voltage.
  • the first electrode 121 and the second electrode 122 is formed to be a few millimeters in order to generate stable oxygen radicals between the first electrode 121 and the second electrode 122.
  • the dielectric part 125 blocks oxygen inversion current between the first electrode 121 and the second electrode 122, and avoids the transition to the arc, thereby stably oxygen radicals in the continuous AC voltage mode.
  • the electrons are accumulated on the surface of the dielectric part 125 to randomly distribute the streamer to the surface to induce uniform plasma generation.
  • the second electrode 122 has a plurality of through-holes H formed therethrough so that the by-product gas generated by the reaction of the precursor P and the oxygen radicals disposed between the first electrode 121 passes therethrough. Can be. That is, the second electrode 122 may have a mesh shape.
  • the oxidation reaction of the precursor (P) and the oxygen radical first occurs in the aliphatic side chain of the polymer constituting the precursor (P), the aroma and crosslinking proceeds mainly by the release of oxygen with hydrogen As a result, various by-product gases such as H 2 , H 2 O, CO, CO 2 , CH 4 and tar are generated.
  • the precursor P may be oxidatively stabilized by oxygen radicals while being disposed between the first electrode 121 and the second electrode 122, the first electrode 121 and the first electrode may be formed.
  • Various by-product gases discharged between the two electrodes 122 are moved through the plurality of through holes H of the second electrode 122, and thus, between the first electrode 121 and the second electrode 122. It is possible to prevent the disturbance of the oxidation stabilization process by the accumulated by-product gas.
  • the thermal energy provided by the heating unit 110 passes through the first passage 152 or the second passage 154 of the communication unit.
  • the temperature is circulated through the plurality of through holes H of the second electrode 122 to maintain a predetermined range of temperature (200 to 300 ° C.) required for oxidation stabilization of the precursor P. .
  • the plurality of through-holes H of the second electrode 122 frees the movement of the hot air by the heating unit 110, and at the same time, the by-product gas caused by the oxidation stabilization reaction of the precursor P and oxygen radicals. It can serve to facilitate the discharge of the.
  • the precursor P may have different degrees of oxidation stabilization depending on relative positions of the first electrode 121 and the second electrode 122.
  • the precursor P may be disposed B1 such that the second electrode 122 is positioned between the precursor P and the first electrode 121. That is, the precursor P may be disposed on one side of the second electrode 122 in a direction away from the first electrode 121 to perform oxidation stabilization.
  • the precursor P is not directly exposed to the plasma formed between the first electrode 121 and the second electrode 122, but by diffusion of oxygen radicals in the plasma generated by the remote plasma.
  • the process may be performed so that the weak surface of the initial precursor P is not damaged by rapid oxidative stabilization.
  • the plurality of through holes H of the second electrode 122 may allow oxygen radicals generated between the first electrode 121 and the second electrode 122 to easily diffuse into the precursor P. By the oxidation stabilization of the precursor (P) it can be made to proceed stably.
  • the precursor P is disposed between the first electrode 121 and the second electrode 122 (B2) may be subjected to oxidation stabilization.
  • the precursor P may be directly exposed to the plasma formed between the first electrode 121 and the second electrode 122 to perform oxidation stabilization.
  • oxidation stabilization proceeds to a certain extent at the position of B1 described above. It is preferable to place the precursor (P) which is resistant to surface damage so that further oxidation stabilization process proceeds.
  • the plurality of through-holes H of the second electrode 122 may discharge the by-product gas by circulation of the hot air provided by the heating unit 110 and oxidation of the precursor P and the oxygen radical. It can be moved to the furnace to help the efficient oxidation stabilization of the precursor (P) can be made of a good quality carbon fiber.
  • FIG. 14 is a flowchart illustrating a carbon fiber manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • the carbon fiber manufacturing method by supplying oxygen radicals to the carbon fiber precursor (P) by inducing oxidation stabilization of the polymer constituting the carbon fiber precursor (P), It may be a method of producing carbon fibers using a carbon fiber manufacturing apparatus for producing carbon fibers from the carbon fiber precursor (P).
  • the carbon fiber manufacturing apparatus may be the carbon fiber manufacturing apparatus 1 described with reference to FIGS. 1 to 9.
  • the carbon fiber manufacturing apparatus 1 supplies heat required for oxidation stabilization of the precursor P, generates a nonlinear electric field by an applied voltage, and generates air by corona plasma generated by the nonlinear electric field.
  • the precursor (P) may be oxidatively stabilized by the oxygen radical to produce a carbon fiber.
  • the carbon fiber manufacturing method may include a first step (S1) to a fifth step (S5).
  • the first step (S1) is a step of obtaining the precursor (P), the obtained precursor (P), polyacrylonitrile (Polyacrylonitrile, hereinafter referred to as PAN), the petroleum-based coal residues of the pitch (Pitch, Asphalt) or rayon.
  • PAN polyacrylonitrile
  • Pitch Petroleum-based coal residues of the pitch
  • rayon rayon
  • the precursor P has a wire electrode part 22 (see FIG. 1) for generating a non-linear electric field by an applied voltage and a ground electrode part 24 spaced apart in one direction from the wire electrode part 22. 1), and disposed so as to be closer to the ground electrode portion 24 than the wire electrode portion 22 (see A1, FIG. 6) so that the carbon fiber precursor is generated by the nonlinear electric field. It may include a second step (S2) in which the oxidation stabilization proceeds while the surface is not damaged by the corona plasma.
  • S2 second step in which the oxidation stabilization proceeds while the surface is not damaged by the corona plasma.
  • a negative high voltage is applied to the wire electrode part 22 so that electrons emitted from the wire electrode part 22 by the applied negative high voltage are transferred to the ground electrode part 24. It may be accelerated by) to be irradiated to the precursor (P).
  • the precursor (P) can be penetrated.
  • the diameter of the precursor (P) is within 10 ⁇ 20 ⁇ m, it is possible to ensure a sufficient penetration depth by the electrons emitted from the wire electrode portion 22, and to constitute the precursor (P) by the electrons penetrated
  • the bonding structure of the polymer may be changed to shorten the time of the oxidative stabilization process.
  • the precursor P is disposed (see A2, FIG. 7) such that the wire electrode part 22 is positioned between the precursor P and the ground electrode part 24.
  • the precursor P may not be directly exposed to the corona plasma generated by the nonlinear electric field.
  • the precursor P is generated by the remote plasma that is not directly exposed to the corona plasma generated by the wire electrode part 22 and reacts with the diffused oxygen radicals, thereby weakening the initial precursor P.
  • the process can be carried out so that the surface is not damaged by rapid oxidation stabilization.
  • the precursor P is disposed between the wire electrode part 22 and the ground electrode part 24, but the wire electrode part 22 is disposed above the ground electrode part 24.
  • the oxidative stabilization may be performed by being positioned close to the A3 (see FIG. 8) and directly exposed to the corona plasma generated by the nonlinear electric field.
  • the fourth step S4 is a step of placing additional precursors that have undergone resistance to surface damage, that is, precursors that have undergone the second step S2 and / or the third step S3, to allow further oxidation stabilization to proceed. Can be.
  • the precursor of the fourth step (S4) is directly exposed to the corona plasma generated by the non-linear electric field to oxidative stabilization, at this time, the surface is not damaged by the ion energy of the corona plasma, the oxidation stabilization proceeds Can be.
  • the precursor P is disposed to be spaced apart from the plurality of wires, and is divided into the first space S1 and FIG. 3 divided into the virtual plane D (see FIGS. 3 and 4). 4) and the oxidation stabilization may be performed while being sequentially disposed in the second space (S2, see FIGS. 3 and 4).
  • the precursor P may pass through a plurality of planes formed by the plurality of wires, and may be bent and disposed to sequentially appear in the first space S1 and the second space S2. Since the ion energy of the corona plasma is closer to the plurality of wires, the intensity of the ion energy increases, so that the precursor P disposed to cross on the imaginary plane of the wire electrode part 22 may be oxidatively stabilized at the position. Can be.
  • each step may be added or subtracted repeatedly to proceed with the oxidation stabilization process of the precursor (P).
  • a specific step may be used repeatedly, and according to the progress of oxidation stabilization of the precursor (P) may not proceed any particular step.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치는, 탄소섬유 전구체에 산소 라디칼을 공급하여 상기 탄소섬유 전구체를 구성하는 고분자의 산화안정화를 유도함으로써, 상기 탄소섬유 전구체로부터 탄소섬유를 제조하는 장치로, 상기 탄소섬유 전구체의 산화안정화에 필요한 열을 공급하는 가열부; 및 공기 중의 산소를 산소 라디칼 상태로 변화시켜, 상기 탄소섬유 전구체가 상기 산소 라디칼에 의해 산화안정화되어 상기 탄소섬유가 되도록 하는 플라즈마 생성부;를 포함할 수 있다.

Description

탄소섬유 제조장치 및 제조방법
본 발명은 탄소섬유 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로, 비선형 전기장에 의한 코로나 플라즈마 발생으로 고효율 산소 라디칼을 발생시켜 탄소섬유 전구체를 산화 안정화시키는 탄소섬유 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.
탄소섬유 제조에 있어 기존의 고온 열풍에 의한 제조는, 공정 중 가장 에너지 비용이 많이 드는 산화안정화 공정의 경우 2 시간이 넘는 고온(200 ~ 300 ℃)에 탄소섬유 전구체를 노출 시켜야 함으로서, 장시간의 공정 과정과 고 에너지 소비에 따른 제조 단가가 상승하여 현재 탄소섬유의 가격이 고가이며, 이로 인해 항공기, 스포츠 용품 등의 고가격대의 응용 분야에만 한정 되어 사용되고 있다.
그러므로, 향후 자동차, 건축 자재 등의 다양한 대량 소비를 위하여서는 탄소섬유 제조 가격의 하락이 필수적이다.
상용 탄소섬유의 90% 이상은 PAN 전구체로부터 얻어지는데 air 분위기하에 180 ~ 300 ℃에서 이루어지는 산화 안정화, 불활성기체분위기하에 1600 ℃이하에서 이루어지는 탄화과정을 거친다.
PAN 고분자는 안정화 과정에서 산화, 탈수소화, 고리화 반응 등을 통해 내열성을 갖는 사다리 구조를 형성한다. 이 과정은 탄소섬유 제조에 있어서 고성능을 가지게 하는 중요한 단계이나 반응이 매우 느려 시간 및 에너지 소모가 큰 단계이다.
구체적으로, 산화안정화 공정은 탄화수소가 도입된 산소에 의하여 축합이 일어나는 과정이며, 도입된 산소에 의해서 연소가 발생하지 않도록 느린 승온 속도와 오랜 시간의 안정화로 충분하게 안정화를 시켜야 기계적 특성이 우수한 탄소섬유를 제조할 수 있다. 이 산화안정화는 탄소섬유 제조공정에서 가장 시간이 지체되는 단계이기 때문에 생산성을 높이기 위해서 기술적으로 최적화가 필수적이다.
종래의 탄소섬유 제조장치(한국등록특허 제10-1296719호)는, RF플라즈마를 이용하여 탄소섬유를 제조하나, RF 플라즈마의 경우 실질적으로 진공 공정으로 진행되어야 하므로, 장치 비용이 증가하며, 또한 RF ICP 방식으로는 대기압에서 플라즈마 발생이 어려워 공정의 비용이 대폭 증가하는 문제점이 있었다.
본 발명에서는 비선형 전기장에 의한 저 에너지 소비의 플라즈마 장치 및 공정을 탄소섬유 제조에 적용하여 공정 시간 및 에너지 소비를 상당 절감하는 탄소섬유 제조장치 및 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치는, 탄소섬유 전구체에 산소 라디칼을 공급하여 상기 탄소섬유 전구체를 구성하는 고분자의 산화안정화를 유도함으로써, 상기 탄소섬유 전구체로부터 탄소섬유를 제조하는 장치로, 상기 탄소섬유 전구체의 산화안정화에 필요한 열을 공급하는 가열부; 및 공기 중의 산소를 산소 라디칼 상태로 변화시켜, 상기 탄소섬유 전구체가 상기 산소 라디칼에 의해 산화안정화되어 상기 탄소섬유가 되도록 하는 플라즈마 생성부;를 포함하며, 상기 플라즈마 생성부는, 상기 공기 중의 산소를 상기 산소 라디칼 상태로 변화시키기 위한 코로나 플라즈마를 생성하기 위해, 인가된 전압에 의해 비선형 전기장을 발생시키는 와이어 전극부를 구비하며, 상기 와이어 전극부는, 가상의 평면 상에서 교차하도록 배치되어 상기 평면이 복수의 평면으로 분할되도록 하는 복수의 와이어를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치의 상기 플라즈마 생성부는, 상기 와이어 전극부로부터 일방향으로 이격되어 배치되는 접지전극부를 더 구비하며, 상기 와이어 전극부는, 상기 인가된 전압의 종류에 따라 상기 비선형 전기장의 방향이 상기 일방향 또는 상기 일방향의 반대 방향인 타방향으로 형성되도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치의 상기 플라즈마 생성부는, 상기 와이어 전극부와 상기 접지전극부 사이에 개재되어 상기 와이어 전극부와 상기 접지전극부의 이격 거리를 결정하는 절연부 및 상기 절연부와 상기 와이어 전극부를 연결하며, 상기 복수의 와이어가 상기 가상의 평면을 따라 긴장된 상태를 유지하도록 상기 복수의 와이어에 장력을 제공하는 텐션부를 더 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치의 상기 와이어 전극부는, 양의 전압이 인가된 경우, 상기 비선형 전기장이 상기 와이어 전극부로부터 상기 접지전극부를 향한 상기 일방향으로 형성되도록 하며, 음의 전압이 인가된 경우, 상기 비선형 전기장이 상기 접지전극부로부터 상기 와이어 전극부를 향한 상기 타방향으로 형성되도록 하고, 교류의 전압이 인가된 경우, 상기 비선형 전기장이 상기 일방향과 상기 타방향을 향해 교번적으로 형성되도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치의 상기 와이어 전극부는, 상기 음의 전압이 인가된 경우, 상기 접지전극부를 향해 방출된 전자에 의해 상기 탄소섬유 전구체를 형성하는 상기 고분자의 결합 구조가 변화되도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치의 상기 가열부는, 전기 에너지를 열 에너지로 전환하는 열생성부 및 상기 열생성부로부터 발생된 상기 열 에너지를 상기 플라즈마 생성부로 공급하는 열공급부를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치는, 상기 가열부를 수용하는 제1 수용부; 상기 플라즈마 생성부를 수용하는 제2 수용부; 및 상기 제1 수용부와 상기 제2 수용부를 연통하는 연통부;를 더 포함하며, 상기 연통부는, 상기 열공급부에 의해 상기 플라즈마 생성부로 공급되는 상기 열 에너지가 이동되는 통로를 제공하는 제1 통로부 및 상기 제1 통로부로 공급된 상기 열 에너지가 상기 플라즈마 생성부에 의해 소모되어 상기 가열부로 이동되도록 하는 제2 통로부를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치의 상기 탄소섬유 전구체는, 상기 복수의 와이어와 이격되어 배치되되, 상기 가상의 평면으로 분할된 제1 공간 및 제2 공간에 순차적으로 출현하도록 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치의 상기 플라즈마 생성부는, 상기 탄소섬유 전구체의 산화안정화 정도가, 상기 탄소섬유 전구체의 상기 와이어 전극부 및 상기 접지전극부와의 상대적 위치에 따라 상이하게 유도되도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치는, 상기 와이어 전극부와 연결되어 상기 와이어 전극부가 고전압으로 플로팅된 상태에서 열이 발생하도록 하는 전원부;를 더 포함하며, 상기 전원부는, 상기 와이어 전극부에 전원을 공급하는 제1 전원부 및 상기 제1 전원부를 고전압으로 플로팅하는 제2 전원부를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치의 상기 플라즈마 생성부는, 상기 가상의 평면 상에서 교차되는 상기 복수의 와이어 각각이 접촉되지 않도록, 교차되는 상기 복수의 와이어 사이에 배치되는 절연튜브를 더 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치는, 탄소섬유 전구체에 산소 라디칼을 공급하여 상기 탄소섬유 전구체를 구성하는 고분자의 산화안정화를 유도함으로써, 상기 탄소섬유 전구체로부터 탄소섬유를 제조하는 장치로, 상기 탄소섬유 전구체의 산화안정화에 필요한 열을 공급하는 가열부; 및 공기 중의 산소를 산소 라디칼 상태로 변화시켜, 상기 탄소섬유 전구체가 상기 산소 라디칼에 의해 산화안정화되어 상기 탄소섬유가 되도록 하는 플라즈마 생성부;를 포함하며, 상기 플라즈마 생성부는, 인가된 전압에 의해 전기장을 발생시키는 제1 전극, 상기 제1 전극과 이격되어 배치되며 상기 제1 전극과의 이격된 공간에 위치한 산소를 산소 라디칼로 변화시키는 제2 전극 및 상기 제1 전극에 접촉된 채, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되는 유전체부를 구비하며, 상기 제2 전극은, 상기 제1 전극과의 사이에 배치된 상기 탄소섬유 전구체와 상기 산소 라디칼의 반응에 의해 생성된 가스가 통과되도록 복수의 관통홀이 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조방법은, 탄소섬유 제조장치 - 상기 탄소섬유 제조장치는, 탄소섬유 전구체에 산소 라디칼을 공급하여 상기 탄소섬유 전구체를 구성하는 고분자의 산화안정화를 유도하도록 공기 중의 산소를 상기 산소 라디칼 상태로 변화시키는 플라즈마 생성부 및 상기 탄소섬유 전구체의 산화안정화에 필요한 열을 공급하는 가열부를 포함하며, 상기 플라즈마 생성부는, 인가된 전압에 의해 비선형 전기장을 발생시켜 이로 인해 코로나 플라즈마가 생성되도록 하고 상기 생성된 코로나 플라즈마에 의해 상기 공기 중의 산소가 상기 산소 라디칼 상태로 변화되도록 하는 와이어 전극부 및 상기 와이어 전극부로부터 일방향으로 이격되어 배치되는 접지전극부를 포함함 - 를 이용하여 탄소섬유를 제조하는 방법으로, 상기 탄소섬유 전구체를 획득하는 제1 단계;를 포함 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조방법은, 상기 탄소섬유 전구체가, 상기 와이어 전극부와 상기 접지전극부의 사이에 배치되되, 상기 와이어 전극부보다 상기 접지전극부에 가까이 위치하도록 배치하여 상기 탄소섬유 전구체가 상기 비선형 전기장에 의해 생성된 코로나 플라즈마에 의해 표면이 손상되지 않은 채, 상기 산화안정화가 진행되는 제2 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조방법은, 상기 탄소섬유 전구체와 상기 접지전극부 사이에 상기 와이어 전극부가 위치하도록 상기 탄소섬유 전구체를 배치하여, 상기 비선형 전기장에 의해 생성된 코로나 플라즈마에 상기 탄소섬유 전구체가 직접 노출되지 않도록 하는 제3 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조방법은, 상기 탄소섬유 전구체가 상기 와이어 전극부와 상기 접지전극부 사이에 배치되되, 상기 접지전극부보다 상기 와이어 전극부에 가까이 위치하도록 배치되어 상기 비선형 전기장에 의해 생성된 코로나 플라즈마에 직접 노출되어 상기 산화안정화가 진행되는 제4 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조방법은, 상기 탄소섬유 전구체가 가상의 평면 상에서 교차하도록 배치되는 복수의 와이어와 이격되어 배치되되, 상기 가상의 평면으로 분할된 제1 공간 및 제2 공간에 순차적으로 출현하도록 배치된 채, 상기 산화안정화가 진행되는 제5 단계;를 더 포함하는 탄소섬유 제조방법.
본 발명에 따르면 열풍 구조와 플라즈마의 복합 공정을 통하여 보다 낮은 온도의 열풍을 적용할 수 있도록 하여 에너지를 절약할 수 있다.
또한, 비선형 전기장에 의한 코로나 플라즈마에 의해 공정이 진행되도록 하여 공정 시간을 단축할 수 있다.
또한, 탄소섬유 전구체의 상태에 따라 그 산화안정화 공정의 단계를 조절하여 우수한 품질의 탄소섬유를 제조할 수 있다.
또한, 탄소섬유 전구체의 산화안정화에 의해 생성된 가스의 배출이 용이하도록 하여, 공정 시간을 단축함과 동시에 공정의 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치를 도시한 개략사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치를 도시한 평면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치의 플라즈마 생성부를 도시한 개략 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치의 플라즈마 생성부를 도시한 측면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전열부를 설명하기 위한 개략도.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치를 이용하여 탄소섬유를 제조하는 방법을 설명하기 위한 개략도.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치를 도시한 개략 사시도.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치를 도시한 평면도.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치의 플라즈마 생성부를 도시한 측면도.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치의 플라즈마 생성부를 도시한 개략 사시도.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조방법을 설명하기 위한 순서도.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치는, 탄소섬유 전구체에 산소 라디칼을 공급하여 상기 탄소섬유 전구체를 구성하는 고분자의 산화안정화를 유도함으로써, 상기 탄소섬유 전구체로부터 탄소섬유를 제조하는 장치로, 상기 탄소섬유 전구체의 산화안정화에 필요한 열을 공급하는 가열부; 및 공기 중의 산소를 산소 라디칼 상태로 변화시켜, 상기 탄소섬유 전구체가 상기 산소 라디칼에 의해 산화안정화되어 상기 탄소섬유가 되도록 하는 플라즈마 생성부;를 포함하며, 상기 플라즈마 생성부는, 상기 공기 중의 산소를 상기 산소 라디칼 상태로 변화시키기 위한 코로나 플라즈마를 생성하기 위해, 인가된 전압에 의해 비선형 전기장을 발생시키는 와이어 전극부를 구비하며, 상기 와이어 전극부는, 가상의 평면 상에서 교차하도록 배치되어 상기 평면이 복수의 평면으로 분할되도록 하는 복수의 와이어를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치를 도시한 개략사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치를 도시한 평면도이다.
또한, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치의 플라즈마 생성부를 도시한 개략 사시도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치의 플라즈마 생성부를 도시한 측면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전열부를 설명하기 위한 개략도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치(1)는, 탄소섬유 전구체(P)에 산소 라디칼을 공급하여 상기 탄소섬유 전구체(P)를 구성하는 고분자의 산화안정화를 유도함으로써, 상기 탄소섬유 전구체(P)로부터 탄소섬유를 제조하는 장치일 수 있다.
상기 탄소섬유 전구체(P, 이하 전구체)란, 섬유형태의 유기 전구체물질(Precursor)로, 산화안정화 및 탄화공정에 의해 탄소섬유가 되기 전 단계의 유기물일 수 있다.
구체적으로, 상기 전구체(P)는, 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, 이하 PAN), 석유계 · 석탄계 탄화수소 잔류물인 피치(Pitch, 아스팔트) 또는 레이온으로부터 제조될 수 있으며, 에어(air) 분위기 하에서 200 ~ 300 ℃에서 이루어지는 산화안정화, 불활성기체분위기하에서 1600 ℃이하에서 이루어지는 탄화과정을 거쳐 탄소섬유로 제조될 수 있다.
상기 산화안정화란, 상기 전구체(P)를 형성하는 고분자가 도입된 산소에 의해 산화, 탈수소화, 고리화 반응 등을 통해 내열성을 갖는 사다리 구조를 형성하는 공정을 의미할 수 있다.
또한, 상기 산소 라디칼이란, 일반적인　산소(안정한 상태)보다 활성이 크고 불안정하며 높은 에너지를 갖고 있는 산소를 의미하며, 대표적인 예로는 초과산화물(Superoxide, O2-),　과산화수소(H2O2), 히드록시라디칼(OH*) 등이 있다.
즉, 상기 산소 라디칼에 의해, 상기 전구체(P)의 산화안정화가 빠르고 안정적으로 진행될 수 있다.
본 발명의 탄소섬유 제조장치(1)는, 상기 전구체(P)의 산화안정화에 필요한 열(200 ~ 300 ℃)과 산소 라디칼을 제공하여 탄소섬유를 용이하게 제조하기 위한 장치이다.
상기 탄소섬유 제조장치(1)는, 상기 전구체(P)의 산화안정화에 필요한 열을 공급하는 가열부(10) 및 공기 중의 산소를 산소 라디칼 상태로 변화시켜, 상기 전구체(P)가 상기 산소 라디칼에 의해 산화안정화되어 상기 탄소섬유가 되도록 하는 플라즈마 생성부(20)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄소섬유 제조장치(1)는, 상기 가열부(10)를 수용하는 제1 수용부(30), 상기 플라즈마 생성부(20)를 수용하는 제2 수용부(40) 및 상기 제1 수용부(30)와 상기 제2 수용부(40)를 연통하는 연통부(50)를 포함할 수 있다.
상기 제1 수용부(30) 및 제2 수용부(40)는, 상기 가열부(10)와 상기 플라즈마 생성부(20)를 분리수용하기 위한 일종의 챔버(chamber)일 수 있으며, 상기 연통부(50)는 상기 가열부(10)로부터 공급된 열 에너지가 상기 플라즈마 생성부(20)로 제공되거나 또는 상기 플라즈마 생성부(20)로 공급된 열 에너지가 소모된 채, 다시 상기 가열부(10)로 재공급되도록 하는 통로를 제공할 수 있다.
구체적으로, 상기 연통부(50)는 이하 설명할 가열부(10)의 열공급부(16)에 의해 상기 플라즈마 생성부(20)로 공급되는 상기 열 에너지가 이동되는 통로를 제공하는 제1 통로부(52) 및 상기 제1 통로부(52)로 공급된 상기 열 에너지가 상기 플라즈마 생성부(20)에 의해 소모되어 상기 가열부(10)로 이동되도록 하는 제2 통로부(54)를 구비할 수 있다.
여기서, 상기 제1 통로부(52) 또는 제2 통로부(54)는 상기 제1 수용부(30)와 상기 제2 수용부(40) 사이에 복수개 형성될 수 있다.
정리하면, 상기 가열부(10)에 의해 생성된 열 에너지는 상기 연통부(50)를 통해 상기 제1 수용부(30)와 제2 수용부(40)를 순환하며, 상기 가열부(10) 또는 상기 플라즈마 생성부(20)와 열 교환함으로써, 상기 제2 수용부(40)에 수용된 상기 플라즈마 생성부(20)에 의해 산화안정화되는 상기 전구체(P)가 일정 범위의 온도 즉, 200 ~ 300 ℃의 온도 환경하에서 산화안정화 되도록 할 수 있다.
한편, 상기 가열부(10)는, 전기 에너지를 열 에너지로 전환하는 열생성부(14), 상기 열생성부(14)로부터 발생된 상기 열 에너지를 상기 플라즈마 생성부(20)로 공급하는 열공급부(16) 및 상기 열공급부(16)를 구동할 수 있는 구동모터(12)를 구비할 수 있다.
상기 열생성부(14)는, 공급된 전기 에너지를 열 에너지로 전환하는 일종의 전열기이며, 상기 열공급부(16)는 상기 열생성부(14)에 의해 가열된 공기를 상기 제1 수용부(30)로부터 상기 제2 수용부(40)로 상기 제1 통로부(52)를 통해 이동되도록 할 수 있다.
즉, 상기 열공급부(16)는 공급된 전기 에너지를 동력 에너지로 전환하는 일종의 송풍기일 수 있으며, 상기 열공급부(16)를 작동시키는 구동 에너지는 상기 구동모터(12)로부터 공급될 수 있다.
상기 플라즈마 생성부(20)는, 인가된 전압에 의해 비선형 전기장을 발생시키는 와이어 전극부(22) 및 상기 와이어 전극부(22)로부터 일방향으로 이격되어 배치되는 접지전극부(24)를 구비할 수 있으며, 상기 와이어 전극부(22)에 공급되는 전압은 별도로 구비된 전원장치(미도시)에 의해 공급될 수 있다.
상기 와이어 전극부(22)는, 가상의 평면(D, 도 3 및 도 4 참조) 상에서 교차하도록 배치되어 상기 평면이 복수의 평면으로 분할되도록 하는 복수의 와이어를 구비할 수 있다.
즉, 상기 복수의 와이어를 구성하는 단수의 와이어들이 상기 가상의 평면(D) 상에서 지그재그 식으로 교차되거나 다각형 형상이 반복되도록 형성되어, 상기 평면이 복수의 평면으로 분할되도록 할 수 있다.
또한, 상기 복수의 와이어는, 인가된 전압에 의해 상기 접지전극부(24)와의 사이에서 비선형 전기장을 발생시켜, 상기 발생된 비선형 전기장에 의해 생성된 코로나 플라즈마에 의해 상기 공기 중의 산소를 산소 라디칼로 변화시킬 수 있다. 여기서, 상기 접지전극부(24)는 지면과 연결된 바닥면에 접지될 수 있다.
상기 와이어 전극부(22)에 음의 전압, 양의 전압 또는 교류 전압이 인가되면, 공기 중의 자유전자가 상기 와이어 전극부(22) 주변의 강한 전기장에 의해 가속되어 상기 공기 중의 산소와 충돌하여 산소 플라즈마가 생성되도록 할 수 있다.
구체적으로, 상기 복수의 와이어를 구성하는 각각의 단수의 와이어는 그 작은 직경 주위에 비선형의 높은 전기장 형성으로 와이어 주변에 높은 표면전하밀도로 생성된 코로나 방전에 주변의 공기 중에 포함되어 있는 물분자 또는 산소분자를 초과산화물(Superoxide, O2-),　과산화수소(H2O2), 히드록시라디칼(OH*) 등의 산소 라디칼 즉, 활성 라디칼(radical) 상태로 변화시킬 수 있다.
이러한 활성 라디칼은 일반적인 분자반응에 비하여 약 1000배 이상의 강한 산화 반응력을 가지므로, 탄소(C) 및 수소(H) 등으로 구성된 상기 전구체(P)와 반응하여 산화시킬 수 있다.
이 때, 상기 와이어 전극부(22)는, 상기 인가된 전압의 종류에 따라 상기 비선형 전기장의 방향이 상기 일방향 또는 상기 일방향의 반대 방향인 타방향으로 형성되도록 할 수 있다.
구체적으로, 상기 와이어 전극부(22)에 양의 전압이 인가된 경우, 상기 비선형 전기장은 상기 와이어 전극부(22)로부터 상기 접지전극부(24)를 향한 일방향으로 형성되도록 하며, 상기 와이어 전극부(22)에 음의 전압이 인가된 경우, 상기 비선형 전기장이 상기 접지전극부(24)로부터 상기 와이어 전극부(22)를 향한 상기 타방향으로 형성되도록 할 수 있다.
또한, 상기 와이어 전극부(22)에 교류 전압이 인가되어 상기 비선형 전기장이 일방향 또는 타방향을 향해 교번적으로 형성될 수도 있다.
여기서, 상기 와이어 전극부(22)에 상기 음의 전압이 인가된 경우, 상기 와이어 전극부(22)로부터 상기 접지전극부(24)를 향해 방출된 전자에 의해 상기 전구체(P)를 형성하는 고분자의 결합 구조가 변화되도록 할 수 있다.
구체적으로, 상기 와이어 전극부(22)에 음의 고전압을 인가하면 상기 와이어 전극부(22)로부터 방출된 전자가 상기 접지전극부(24)에 의해 가속되어 상기 전구체(P)에 조사될 수 있다. 이 때, 상기 전자가 10keV일 경우에는 15~25μm의 침투 깊이로, 상기 전자가 100keV일 경우에는 수백 μm의 침투 깊이로, 상기 전자가 1000keV일 경우에는 수 mm의 침투깊이로 상기 전구체(P)에 침투될 수 있다.
여기서, 상기 전구체(P)의 직경은 10~20μm 이내이므로, 상기 와이어 전극부(22)로부터 방출된 전자에 의해 충분한 침투 깊이를 확보할 수 있다.
또한, 상기 전구체(P)를 구성하는 고분자는 침투된 상기 전자에 의해 결합 구조가 바뀌어 산화안정화 공정의 시간이 단축될 수 있다.
상술한 상기 와이어 전극부(22)에 음의 전압이 인가된 경우에 발생하는 효과는 상기 전구체(P)가 상기 와이어 전극부(22) 및 상기 접지전극부(24) 사이에 배치되었을 경우에 발생하는 효과이며, 상기 전구체(P)는 상기 와이어 전극부(22) 및 상기 접지전극부(24)와의 사이에만 배치되는 것이 아닌, 상기 접지전극부(24)로부터 멀어지는 방향의 상기 와이어 전극부(22) 일측에도 배치될 수 있는 바, 이하 도 6 내지 도 9를 참조로 상기 전구체(P)의 산화안정화 정도가 상기 와이어 전극부(22) 및 상기 접지전극부(24)와의 상대적 위치에 따라 상이하게 유도된다는 점에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
한편, 상기 플라즈마 생성부(20)는, 상기 와이어 전극부(22)와 상기 접지전극부(24) 사이에 개재되어 상기 와이어 전극부(22)와 상기 접지전극부(24)의 이격 거리를 결정하는 절연부(26) 및 상기 절연부(26)와 상기 와이어 전극부(22)를 연결하며 상기 복수의 와이어가 상기 가상의 평면(D)을 따라 긴장된 상태를 유지하도록 상기 복수의 와이어에 장력을 제공하는 텐션부(28)를 구비할 수 있다.
상기 절연부(26)는, 상기 와이어 전극부(22) 및 상기 접지전극부(24)를 연결하며, 상기 와이어 전극부(22)에 인가된 전압에 영향을 받지 않도록 부도체로 형성될 수 있다. 또한, 상기 와이어 전극부(22) 및 상기 접지전극부(24) 사이에 상기 전구체(P)가 위치할 수 있는 공간이 형성되도록, 상기 와이어 전극부(22)와 상기 접지전극부(24)를 이격시킬 수 있다.
상기 텐션부(28)는, 일종의 스프링으로 상기 복수의 와이어가 온도, 습도 등에 의해 변할 수 있는 길이에 대응하여 긴장이 유지되도록 장력을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치(1)는, 상기 와이어 전극부(22)와 연결되어 상기 와이어 전극부(22)가 고전압으로 플로팅된 상태에서 열이 발생하도록 하는 전원부(60)를 더 포함할 수 있다.
상기 전원부(60)는, 상기 와이어 전극부(22)에 전원을 공급하는 제1 전원부(61), 상기 제1 전원부(61)를 고전압으로 플로팅하는 제2 전원부(62) 및 상기 제1 전원부(61)와 상기 와이어 전극부(22)를 연결하는 연결부(66)를 구비할 수 있다.
여기서, 상기 제1 전원부(61)에 의해 히팅된 상기 와이어 전극부(22)는 전자의 방출이 용이할 수 있으며, 상기 전구체(P)의 산화안정화에 요구되는 일정 범위의 온도(200 ~ 300℃)를 유지하는데 이용될 수도 있다.
이 때, 상기 플라즈마 생성부(20)는, 상기 가상의 평면(D) 상에서 교차되는 상기 복수의 와이어 각각이 접촉되지 않도록, 교차되는 상기 복수의 와이어 사이에 배치되는 절연튜브(29)를 더 구비할 수 있다.
상기 절연튜브(29)는, 교차된 상기 복수의 와이어 각각이 쇼트되는 것을 방지할 수 있다.
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치를 이용하여 탄소섬유를 제조하는 방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 6 내지 도 9를 참조하면, 상기 플라즈마 생성부(20)는, 상기 전구체(P)의 산화안정화 정도가, 상기 전구체(P)의 상기 와이어 전극부(22) 및 상기 접지전극부(24)와의 상대적 위치에 따라 상이하게 유도되도록 할 수 있다.
이하, 상기 전구체(P)의 상기 와이어 전극부(22) 및 상기 접지전극부(24)와의 상대적 위치에 따른 산화안정화 정도를 설명하되, 상기 전구체(P)의 산화안정화 진행 정도에 따라 상기 와이어 전극부(22) 및 상기 접지전극부(24)와의 상대적 위치를 달리하여 상기 전구체(P)의 표면 손상 없이 산화안정화가 진행되도록 함으로써 우수한 품질의 탄소섬유가 제조되도록 할 수 있다.
우선, 도 6을 참조하면, 상기 전구체(P)가 상기 와이어 전극부(22)와 상기 접지전극부(24) 사이에 배치되되, 상기 와이어 전극부(22) 보다 상기 접지전극부(24)에 가까이 위치하도록 배치(A1)되어 상기 전구체(P)가 상기 비선형 전기장에 의해 생성된 코로나 플라즈마에 의해 표면이 손상되지 않은 채, 산화안정화가 진행될 수 있다.
여기서, 상기 와이어 전극부(22)에 음의 고전압을 인가되도록 할 수 있으며, 인가된 음의 고전압에 의해 상기 와이어 전극부(22)로부터 방출된 전자가 상기 접지전극부(24)에 의해 가속되어 상기 전구체(P)에 조사될 수 있다. 이 때, 상기 전자가 10keV일 경우에는 15~25μm의 침투 깊이로, 상기 전자가 100keV일 경우에는 수백 μm의 침투 깊이로, 상기 전자가 1000keV일 경우에는 수 mm의 침투깊이로 상기 전구체(P)에 침투될 수 있다.
상기 전구체(P)의 직경은 10~20μm 이내이므로, 상기 와이어 전극부(22)로부터 방출된 전자에 의해 충분한 침투 깊이를 확보할 수 있으며, 침투된 상기 전자에 의해 상기 전구체(P)를 구성하는 고분자의 결합 구조가 바뀌어 산화안정화 공정의 시간이 단축될 수 있다.
그리고, 도 7을 참조하면, 상기 전구체(P)와 상기 접지전극부(24) 사이에 상기 와이어 전극부(22)가 위치하도록 상기 전구체(P)를 배치할 수 있다. 즉, 상기 전구체(P)가 상기 접지전극부(24)와 멀어지는 방향으로 상기 와이어 전극부(22)의 일측 상에 배치(A2)될 수 있다.
이 때, 상기 전구체(P)는 상기 와이어 전극부(22)에 의해 생성된 코로나 플라즈마에 직접 노출이 안되는 Remote 플라즈마에 의해 발생되어 확산된 산소 라디칼과 반응함으로써, 초기의 상기 전구체(P)의 약한 표면이 급격한 산화안정화로 손상되지 않도록 공정을 진행할 수 있다.
또한, 도 8을 참조하면, 상기 전구체(P)가 상기 와이어 전극부(22)와 상기 접지전극부(24) 사이에 배치되되, 상기 접지전극부(24)보다 상기 와이어 전극부(22)에 가까이 위치하도록 배치(A3)되어 상기 비선형 전기장에 의해 생성된 코로나 플라즈마에 직접 노출되어 산화안정화가 진행될 수 있다.
상기 와이어 전극부(22)에 가까이 위치하도록 배치된 상기 전구체(P)는 상기 코로나 플라즈마의 이온 에너지에 의해 표면이 손상될 수 있으므로, 상기 도 6 또는 상기 도 7을 참조로 설명한 위치에 배치된 채, 산화안정화가 일부 진행된 전구체(P) 즉, 표면 손상에 내성이 생긴 전구체(P)를 위치시켜 추가적인 산화안정화 공정이 진행되도록 할 수 있다.
또한, 상기 전구체(P)가 상기 와이어 전극부(22)를 구성하는 복수의 와이어와 이격되어 배치되되, 상기 복수의 와이어가 형성된 가상의 평면(D)을 기준으로 분할된 제1 공간(S1) 및 제2 공간(S2)에 순차적으로 출현하도록 배치(A4)되어 산화안정화가 진행되도록 할 수 있다.
구체적으로, 도 9를 참조하면, 상기 와이어 전극부(22)는, 가상의 평면(D) 상에서 교차하도록 배치되어 상기 평면이 복수의 평면으로 분할되도록 하는 복수의 와이어를 구비할 수 있으며, 상기 전구체(P)는 상기 복수의 평면을 통과하되, 상기 제1 공간(S1) 및 제2 공간(S2)에 순차적으로 출현하도록 굴곡되어 배치될 수 있다.
여기서, 상기 코로나 플라즈마의 이온 에너지는 상기 복수의 와이어와 가까울수록 그 세기가 세지므로, 상기 와이어 전극부(22)의 가상의 평면(D) 상에서 교차하도록 배치되는 전구체(P)는 상기 도 6 내지 도 8을 참조로 설명한 위치에 배치(A1, A2, A3)되어 산화안정화가 어느 정도 진행된 전구체(P)를 사용하는 것이 바람직하다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치를 도시한 개략 사시도이며, 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치를 도시한 평면도이다.
또한, 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치의 플라즈마 생성부를 도시한 측면도이며, 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치의 플라즈마 생성부를 도시한 개략 사시도이다.
도 10 내지 도 13을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치는, 플라즈마 생성부를 제외하고는 도 1 내지 도 9를 참조로 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조장치와 구성 및 효과가 동일하므로, 상기 플라즈마 생성부 이외의 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 플라즈마 생성부(120)는, 인가된 전압에 의해 전기장을 발생시키는 제1 전극(121), 상기 제1 전극(121)과 이격되어 배치되며 상기 제1 전극(121)과의 이격된 공간에 위치한 산소를 산소 라디칼로 변화시키는 제2 전극(122) 및 상기 제1 전극(121)에 접촉된 채, 상기 제1 전극(121)과 상기 제2 전극(122) 사이에 배치되는 유전체부(125)를 구비할 수 있다.
상기 제1 전극(121) 및 제2 전극(122)은 금속 전극으로 구성될 수 있으며, 상기 제1 전극(121)에는 상기 유전체부(125)로 덮여있을 수 있다. 여기서, 상기 유전체부(125)는 절연체일 수 있으며, 이로 인해 상기 제1 전극(121)과 상기 제2 전극(122)을 통한 전류의 흐름이 가능하도록 상기 제1 전극(121)에 인가된 전압은 교류 전압이 되도록 한다.
여기서, 상기 제1 전극(121)과 상기 제2 전극(122) 사이의 안정적인 산소 라디칼 발생을 위하여 상기 제1 전극(121)과 상기 제2 전극(122)은 수 밀리미터로 형성되도록 한다.
상기 유전체부(125)는, 상기 제1 전극(121)과 상기 제2 전극(122) 사이의 반전 전류를 차단하고, 아크로의 전이를 피할 수 있게 하여 연속적인 기 교류 전압 모드에서 안정적으로 산소 라디칼이 생성되도록 하며, 상기 유전체부(125) 표면에 전자가 축적되어 상기 표면에 무작위로 스트리머를 배분되도록 하여 균일한 플라즈마 발생을 유도하는 것이다.
상기 제2 전극(122)은, 상기 제1 전극(121)과의 사이에 배치된 상기 전구체(P)와 산소 라디칼의 반응에 의해 생성된 부산 가스가 통과되도록 복수의 관통홀(H)이 형성될 수 있다. 즉, 상기 제2 전극(122)은 메쉬(Mesh) 형상일 수 있다.
구체적으로, 상기 전구체(P)와 산소 라디칼의 산화반응은, 상기 전구체(P)를 구성하는 고분자의 지방족 곁 사슬에서 먼저 발생하고, 주로 수소를 동반한 산소의 방출로 방향화와 가교결합이 진행되면서 H2, H2O, CO, CO2, CH4, 타르 등과 같은 다양한 부산 가스가 생성된다.
여기서, 상기 전구체(P)는 상기 제1 전극(121)과 상기 제2 전극(122) 사이에 배치된 채, 산소 라디칼에 의해 산화안정화가 진행될 수 있으므로, 상기 제1 전극(121)과 상기 제2 전극(122) 사이에서 방출된 다양한 부산 가스가 상기 제2 전극(122)의 복수의 관통홀(H)을 통해 이동되도록 하여, 상기 제1 전극(121)과 상기 제2 전극(122) 사이에 누적된 부산 가스에 의한 산화안정화 공정의 장애를 예방할 수 있다.
또한, 가열부(110)에 의해 제공된 열 에너지 즉, 상기 가열부(110)에 의해 가열된 공기가 연통부의 제1 통로(152) 또는 제2 통로(154)를 통해 상기 플라즈마 생성부(120)로 유입되면, 상기 제2 전극(122)의 복수의 관통홀(H)을 통해 순환되어, 상기 전구체(P)의 산화안정화에 요구되는 일정 범위의 온도(200 ~ 300 ℃)가 유지될 수 있다.
즉, 상기 제2 전극(122)의 복수의 관통홀(H)은 상기 가열부(110)에 의한 열풍의 이동을 자유롭게 함과 동시에 상기 전구체(P)와 산소 라디칼의 산화안정화 반응에 의한 부산 가스의 배출이 용이하게 하는 역할을 수행할 수 있다.
한편, 상기 전구체(P)는 상기 제1 전극(121) 및 상기 제2 전극(122)과의 상대적 위치에 따라 산화안정화 정도가 상이할 수 있다.
구체적으로, 도 12를 참조하면, 상기 전구체(P)는 상기 제2 전극(122)이 상기 전구체(P)와 상기 제1 전극(121) 사이에 위치하도록 배치(B1)될 수 있다. 즉, 상기 전구체(P)가 상기 제1 전극(121)으로부터 멀어지는 방향으로 상기 제2 전극(122)의 일측 상에 배치되어 산화안정화가 진행될 수 있다.
이 때, 상기 전구체(P)는 상기 제1 전극(121)과 상기 제2 전극(122) 사이에 형성되는 플라즈마에 직접 노출되는 것이 아닌, Remote 플라즈마에 의해 발생된 플라즈마의 산소 라디칼의 확산에 의해 산화안정화가 진행됨으로써, 초기의 상기 전구체(P)의 약한 표면이 급격한 산화안정화로 손상되지 않도록 공정이 진행되도록 할 수 있다.
여기서, 상기 제2 전극(122)부의 복수의 관통홀(H)은 상기 제1 전극(121)과 상기 제2 전극(122) 사이에 발생된 산소 라디칼이 상기 전구체(P)로의 확산이 용이하도록 하여 상기 전구체(P)의 산화안정화가 안정적으로 진행되도록 할 수 있다.
또한, 상기 전구체(P)는 상기 제1 전극(121)과 상기 제2 전극(122) 사이에 배치(B2)되어 산화안정화가 진행될 수 있다. 이 때, 상기 전구체(P)는 상기 제1 전극(121)과 상기 제2 전극(122) 사이에 형성된 플라즈마에 직접 노출되어 산화안정화가 진행될 수 있다.
상기 제1 전극(121)과 상기 제2 전극(122) 사이에 배치된 상기 전구체(P)는 상기 플라즈마의 이온 에너지에 표면이 손상될 수 있으므로, 상술한 B1의 위치에서 산화안정화가 어느 정도 진행되어 표면 손상의 내성이 생긴 전구체(P)를 위치시켜 추가적인 산화안정화 공정이 진행되도록 하는 것이 바람직하다.
이 때, 상기 제2 전극(122)의 복수의 관통홀(H)은 상기 가열부(110)에 의해 제공된 열풍의 순환 및 상기 전구체(P)와 상기 산소 라디칼에 산화반응에 의한 부산 가스의 배출로로 이동되어 상기 전구체(P)의 효율적인 산화안정화를 도와 우수한 품질의 탄소섬유가 제조되도록 할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조방법은, 탄소섬유 전구체(P)에 산소 라디칼을 공급하여 상기 탄소섬유 전구체(P)를 구성하는 고분자의 산화안정화를 유도함으로써, 상기 탄소섬유 전구체(P)로부터 탄소섬유를 제조하는 탄소섬유 제조장치를 이용하여 탄소섬유를 제조하는 방법일 수 있다.
여기서, 상기 탄소섬유 제조장치는, 상기 도 1 내지 도 9를 참조로 설명한 탄소섬유 제조장치(1)일 수 있다.
간략히, 상기 탄소섬유 제조장치(1)는, 상기 전구체(P)의 산화안정화에 필요한 열을 공급하고, 인가된 전압에 의해 비선형 전기장을 발생시키며, 상기 비선형 전기장에 의해 생성된 코로나 플라즈마에 의해 공기 중의 산소를 산소 라디칼 상태로 변화시켜, 상기 전구체(P)가 상기 산소 라디칼에 의해 산화안정화되어 탄소섬유를 제조하는 장치일 수 있다.
상기 탄소섬유 제조방법은, 제1 단계(S1) 내지 제5 단계(S5)를 포함할 수 있다.
상기 제1 단계(S1)는, 상기 전구체(P)를 획득하는 단계로, 획득된 전구체(P)는, 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile, 이하 PAN), 석유계 · 석탄계 탄화수소 잔류물인 피치(Pitch, 아스팔트) 또는 레이온으로부터 제조된 물질일 수 있다.
다음, 상기 전구체(P)가, 인가된 전압에 의해 비선형 전기장을 발생시키는 와이어 전극부(22, 도 1참조)와 상기 와이어 전극부(22)로부터 일방향으로 이격되어 배치되는 접지전극부(24, 도 1 참조)의 사이에 배치되되, 상기 와이어 전극부(22)보다 상기 접지전극부(24)에 가까이 위치하도록 배치(A1, 도 6참조)하여 상기 탄소섬유 전구체가 상기 비선형 전기장에 의해 생성된 코로나 플라즈마에 의해 표면이 손상되지 않은 채, 상기 산화안정화가 진행되는 제2 단계(S2)를 포함할 수 있다.
상기 제2 단계(S2)는, 상기 와이어 전극부(22)에 음의 고전압을 인가되도록 하여, 인가된 음의 고전압에 의해 상기 와이어 전극부(22)로부터 방출된 전자가 상기 접지전극부(24)에 의해 가속되어 상기 전구체(P)에 조사되도록 할 수 있다. 이 때, 상기 전자가 10keV일 경우에는 15~25μm의 침투 깊이로, 상기 전자가 100keV일 경우에는 수백 μm의 침투 깊이로, 상기 전자가 1000keV일 경우에는 수 mm의 침투깊이로 상기 전구체(P)에 침투될 수 있다.
상기 전구체(P)의 직경은 10~20μm 이내이므로, 상기 와이어 전극부(22)로부터 방출된 전자에 의해 충분한 침투 깊이를 확보할 수 있으며, 침투된 상기 전자에 의해 상기 전구체(P)를 구성하는 고분자의 결합 구조가 바뀌어 산화안정화 공정의 시간이 단축될 수 있다.
상기 제3 단계(S3)는, 상기 전구체(P)와 상기 접지전극부(24) 사이에 상기 와이어 전극부(22)가 위치하도록 상기 전구체(P)를 배치(A2, 도 7 참조)하여, 상기 비선형 전기장에 의해 생성된 코로나 플라즈마에 상기 전구체(P)가 직접 노출되지 않도록 할 수 있다.
이 때, 상기 전구체(P)는 상기 와이어 전극부(22)에 의해 생성된 코로나 플라즈마에 직접 노출이 안되는 Remote 플라즈마에 의해 발생되어 확산된 산소 라디칼과 반응함으로써, 초기의 상기 전구체(P)의 약한 표면이 급격한 산화안정화로 손상되지 않도록 공정을 진행할 수 있다.
상기 제4 단계(S4)는, 상기 전구체(P)가 상기 와이어 전극부(22)와 상기 접지전극부(24) 사이에 배치되되, 상기 접지전극부(24)보다 상기 와이어 전극부(22)에 가까이 위치하도록 배치(A3, 도 8 참조)되어 상기 비선형 전기장에 의해 생성된 코로나 플라즈마에 직접 노출되어 상기 산화안정화가 진행될 수 있다.
상기 제4 단계(S4)는, 상기 제2 단계(S2) 또는/및 상기 제3 단계(S3)를 거친 전구체 즉, 표면 손상에 내성이 생긴 전구체를 위치시켜 추가적인 산화안정화가 진행되도록 하는 단계일 수 있다.
즉, 상기 제4 단계(S4)의 전구체는 상기 비선형 전기장에 의해 생성된 코로나 플라즈마에 직접 노출되어 산화안정화가 진행되며, 이 때 상기 코로나 플라즈마의 이온 에너지에 의해서도 표면이 손상되지 않고 산화안정화가 진행될 수 있다.
상기 제5 단계(S5)는, 상기 전구체(P)가 상기 복수의 와이어와 이격되어 배치되되, 상기 가상의 평면(D, 도 3 및 도 4 참조)으로 분할된 제1 공간(S1, 도 3 및 도 4 참조) 및 제2 공간(S2, 도 3 및 도 4 참조)에 순차적으로 출현하도록 배치된 채, 상기 산화안정화가 진행되는 단계일 수 있다.
구체적으로, 상기 전구체(P)는 상기 복수의 와이어에 의해 형성된 복수의 평면을 통과하되, 상기 제1 공간(S1) 및 제2 공간(S2)에 순차적으로 출현하도록 굴곡되어 배치될 수 있으며, 여기서, 상기 코로나 플라즈마의 이온 에너지는 상기 복수의 와이어와 가까울수록 그 세기가 세지므로, 상기 와이어 전극부(22)의 가상의 평면 상에서 교차하도록 배치되는 전구체(P)는 상기 위치에서 산화안정화가 수행될 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조방법은, 각 단계가 가감되거나 반복적으로 진행되어 상기 전구체(P)의 산화안정화 공정을 진행할 수 있다.
즉, 상기 제1 단계 내지 제5 단계는, 각 단계의 진행에 있어서, 특정 단계가 반복적으로 사용될 수 있으며, 또한 상기 전구체(P)의 산화안정화 진행 정도에 따라 어느 특정 단계를 진행하지 않을 수도 있다.
상기에서는 본 발명에 따른 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀둔다.

Claims (17)

  1. 탄소섬유 전구체에 산소 라디칼을 공급하여 상기 탄소섬유 전구체를 구성하는 고분자의 산화안정화를 유도함으로써, 상기 탄소섬유 전구체로부터 탄소섬유를 제조하는 탄소섬유 제조장치에 있어서,
    상기 탄소섬유 전구체의 산화안정화에 필요한 열을 공급하는 가열부; 및
    공기 중의 산소를 산소 라디칼 상태로 변화시켜, 상기 탄소섬유 전구체가 상기 산소 라디칼에 의해 산화안정화되어 상기 탄소섬유가 되도록 하는 플라즈마 생성부;를 포함하며,
    상기 플라즈마 생성부는,
    상기 공기 중의 산소를 상기 산소 라디칼 상태로 변화시키기 위한 코로나 플라즈마를 생성하기 위해, 인가된 전압에 의해 비선형 전기장을 발생시키는 와이어 전극부를 구비하며,
    상기 와이어 전극부는,
    가상의 평면 상에서 교차하도록 배치되어 상기 평면이 복수의 평면으로 분할되도록 하는 복수의 와이어를 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성부는,
    상기 와이어 전극부로부터 일방향으로 이격되어 배치되는 접지전극부를 더 구비하며,
    상기 와이어 전극부는,
    상기 인가된 전압의 종류에 따라 상기 비선형 전기장의 방향이 상기 일방향 또는 상기 일방향의 반대 방향인 타방향으로 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성부는,
    상기 와이어 전극부와 상기 접지전극부 사이에 개재되어 상기 와이어 전극부와 상기 접지전극부의 이격 거리를 결정하는 절연부 및 상기 절연부와 상기 와이어 전극부를 연결하며, 상기 복수의 와이어가 상기 가상의 평면을 따라 긴장된 상태를 유지하도록 상기 복수의 와이어에 장력을 제공하는 텐션부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 와이어 전극부는,
    양의 전압이 인가된 경우, 상기 비선형 전기장이 상기 와이어 전극부로부터 상기 접지전극부를 향한 상기 일방향으로 형성되도록 하며,
    음의 전압이 인가된 경우, 상기 비선형 전기장이 상기 접지전극부로부터 상기 와이어 전극부를 향한 상기 타방향으로 형성되도록 하고,
    교류의 전압이 인가된 경우, 상기 비선형 전기장이 상기 일방향과 상기 타방향을 향해 교번적으로 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 와이어 전극부는,
    상기 음의 전압이 인가된 경우, 상기 접지전극부를 향해 방출된 전자에 의해 상기 탄소섬유 전구체를 형성하는 상기 고분자의 결합 구조가 변화되도록 하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가열부는,
    전기 에너지를 열 에너지로 전환하는 열생성부 및 상기 열생성부로부터 발생된 상기 열 에너지를 상기 플라즈마 생성부로 공급하는 열공급부를 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가열부를 수용하는 제1 수용부;
    상기 플라즈마 생성부를 수용하는 제2 수용부; 및
    상기 제1 수용부와 상기 제2 수용부를 연통하는 연통부;를 더 포함하며,
    상기 연통부는,
    상기 열공급부에 의해 상기 플라즈마 생성부로 공급되는 상기 열 에너지가 이동되는 통로를 제공하는 제1 통로부 및 상기 제1 통로부로 공급된 상기 열 에너지가 상기 플라즈마 생성부에 의해 소모되어 상기 가열부로 이동되도록 하는 제2 통로부를 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유 전구체는,
    상기 복수의 와이어와 이격되어 배치되되, 상기 가상의 평면으로 분할된 제1 공간 및 제2 공간에 순차적으로 출현하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성부는,
    상기 탄소섬유 전구체의 산화안정화 정도가, 상기 탄소섬유 전구체의 상기 와이어 전극부 및 상기 접지전극부와의 상대적 위치에 따라 상이하게 유도되도록 하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 와이어 전극부와 연결되어 상기 와이어 전극부가 고전압으로 플로팅된 상태에서 열이 발생하도록 하는 전원부;를 더 포함하며,
    상기 전원부는,
    상기 와이어 전극부에 전원을 공급하는 제1 전원부 및 상기 제1 전원부를 고전압으로 플로팅하는 제2 전원부를 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성부는,
    상기 가상의 평면 상에서 교차되는 상기 복수의 와이어 각각이 접촉되지 않도록, 교차되는 상기 복수의 와이어 사이에 배치되는 절연튜브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
  12. 탄소섬유 전구체에 산소 라디칼을 공급하여 상기 탄소섬유 전구체를 구성하는 고분자의 산화안정화를 유도함으로써, 상기 탄소섬유 전구체로부터 탄소섬유를 제조하는 탄소섬유 제조장치에 있어서,
    상기 탄소섬유 전구체의 산화안정화에 필요한 열을 공급하는 가열부; 및
    공기 중의 산소를 산소 라디칼 상태로 변화시켜, 상기 탄소섬유 전구체가 상기 산소 라디칼에 의해 산화안정화되어 상기 탄소섬유가 되도록 하는 플라즈마 생성부;를 포함하며,
    상기 플라즈마 생성부는,
    인가된 전압에 의해 전기장을 발생시키는 제1 전극, 상기 제1 전극과 이격되어 배치되며 상기 제1 전극과의 이격된 공간에 위치한 산소를 산소 라디칼로 변화시키는 제2 전극 및 상기 제1 전극에 접촉된 채, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되는 유전체부를 구비하며,
    상기 제2 전극은,
    상기 제1 전극과의 사이에 배치된 상기 탄소섬유 전구체와 상기 산소 라디칼의 반응에 의해 생성된 가스가 통과되도록 복수의 관통홀이 형성된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조장치.
  13. 탄소섬유 제조장치 - 상기 탄소섬유 제조장치는, 탄소섬유 전구체에 산소 라디칼을 공급하여 상기 탄소섬유 전구체를 구성하는 고분자의 산화안정화를 유도하도록 공기 중의 산소를 상기 산소 라디칼 상태로 변화시키는 플라즈마 생성부 및 상기 탄소섬유 전구체의 산화안정화에 필요한 열을 공급하는 가열부를 포함하며, 상기 플라즈마 생성부는, 인가된 전압에 의해 비선형 전기장을 발생시켜 이로 인해 코로나 플라즈마가 생성되도록 하고 상기 생성된 코로나 플라즈마에 의해 상기 공기 중의 산소가 상기 산소 라디칼 상태로 변화되도록 하는 와이어 전극부 및 상기 와이어 전극부로부터 일방향으로 이격되어 배치되는 접지전극부를 포함함 - 를 이용하여 탄소섬유를 제조하는 탄소섬유 제조방법에 있어서,
    상기 탄소섬유 전구체를 획득하는 제1 단계;를 포함하는 탄소섬유 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 탄소섬유 전구체가, 상기 와이어 전극부와 상기 접지전극부의 사이에 배치되되, 상기 와이어 전극부보다 상기 접지전극부에 가까이 위치하도록 배치하여 상기 탄소섬유 전구체가 상기 비선형 전기장에 의해 생성된 코로나 플라즈마에 의해 표면이 손상되지 않은 채, 상기 산화안정화가 진행되는 제2 단계;를 더 포함하는 탄소섬유 제조방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 탄소섬유 전구체와 상기 접지전극부 사이에 상기 와이어 전극부가 위치하도록 상기 탄소섬유 전구체를 배치하여, 상기 비선형 전기장에 의해 생성된 코로나 플라즈마에 상기 탄소섬유 전구체가 직접 노출되지 않도록 하는 제3 단계;를 더 포함하는 탄소섬유 제조방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 탄소섬유 전구체가 상기 와이어 전극부와 상기 접지전극부 사이에 배치되되, 상기 접지전극부보다 상기 와이어 전극부에 가까이 위치하도록 배치되어 상기 비선형 전기장에 의해 생성된 코로나 플라즈마에 직접 노출되어 상기 산화안정화가 진행되는 제4 단계;를 더 포함하는 탄소섬유 제조방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 와이어 전극부는, 가상의 평면 상에서 교차하도록 배치되어 상기 평면이 복수의 평면으로 분할되도록 하는 복수의 와이어를 구비하며,
    상기 탄소섬유 전구체가 상기 복수의 와이어와 이격되어 배치되되, 상기 가상의 평면으로 분할된 제1 공간 및 제2 공간에 순차적으로 출현하도록 배치된 채, 상기 산화안정화가 진행되는 제5 단계;를 더 포함하는 탄소섬유 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990009963A (ko) * 1997-07-14 1999-02-05 최봉락 전기 집진기의 플라즈마 방전용 와이어 전극
KR20040095104A (ko) * 2003-05-06 2004-11-12 사단법인 고등기술연구원 연구조합 경표면 소재 도금 전처리용 상압 플라즈마 표면처리장치및 방법
KR20120037044A (ko) * 2010-10-11 2012-04-19 위순임 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치
KR20130005161A (ko) * 2011-07-05 2013-01-15 최대규 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치
KR20150108355A (ko) * 2012-11-19 2015-09-25 유티-배텔, 엘엘씨 인접 간접 노출을 이용한 중합체 재료의 대기압 플라즈마 프로세싱

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990009963A (ko) * 1997-07-14 1999-02-05 최봉락 전기 집진기의 플라즈마 방전용 와이어 전극
KR20040095104A (ko) * 2003-05-06 2004-11-12 사단법인 고등기술연구원 연구조합 경표면 소재 도금 전처리용 상압 플라즈마 표면처리장치및 방법
KR20120037044A (ko) * 2010-10-11 2012-04-19 위순임 전극을 이용한 탄소 섬유 제조장치
KR20130005161A (ko) * 2011-07-05 2013-01-15 최대규 오존생성기를 이용한 탄소섬유 제조장치
KR20150108355A (ko) * 2012-11-19 2015-09-25 유티-배텔, 엘엘씨 인접 간접 노출을 이용한 중합체 재료의 대기압 플라즈마 프로세싱

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