WO2020022724A1 - 마이크로웨이브를 이용한 탄소 섬유 탄화 장치 - Google Patents

마이크로웨이브를 이용한 탄소 섬유 탄화 장치 Download PDF

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WO2020022724A1
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WO
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carbon fiber
carbonization
heating element
microwave
microwaves
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PCT/KR2019/009038
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신지혜
박태언
김수진
김기환
이일하
이준영
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주식회사 엘지화학
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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • D01F9/14—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments
    • D01F9/32—Apparatus therefor
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D06—TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06M—TREATMENT, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE IN CLASS D06, OF FIBRES, THREADS, YARNS, FABRICS, FEATHERS OR FIBROUS GOODS MADE FROM SUCH MATERIALS
    • D06M10/00—Physical treatment of fibres, threads, yarns, fabrics, or fibrous goods made from such materials, e.g. ultrasonic, corona discharge, irradiation, electric currents, or magnetic fields; Physical treatment combined with treatment with chemical compounds or elements

Definitions

  • the present invention relates to a carbon fiber carbonization apparatus using microwaves, and more particularly, in the process of carbonizing carbon fibers using microwaves, a direct heating effect is increased by changing the structure of an internal heating element in a carbonization furnace, and It relates to a carbon fiber carbonization apparatus using a microwave to improve the mechanical properties of the fiber.
  • Carbon fiber is an organic carbon fiber in the form of a fiber made of polyacrylonitrile (PAN), petroleum / coal hydrocarbon residue, Pitch or rayon, which is a carbonaceous carbon material having a mass content of carbon element of 90% or more. It means a fiber obtained by thermally decomposing a substance in an inert atmosphere.
  • PAN polyacrylonitrile
  • Pitch or rayon
  • Carbon fiber is lighter than steel and superior in strength, and is widely applied to various fields such as automobile, aerospace, wind power, and sports. For example, due to recent environmental issues, environmental regulations related to automobile exhaust gas are being tightened, and the demand for high fuel-efficient lightweight cars is increasing.How can reduce the weight of automobiles without sacrificing structural and mechanical strength? As a result, technologies using carbon fiber reinforced composites have attracted attention.
  • the process of the conventional carbon fiber is a low-temperature carbonization of 700 ⁇ 900 °C and high temperature carbonization of more than 1000 °C step by step, for this purpose, the process has been generally performed using an electric furnace.
  • carbon fiber carbonization process using a carbonization furnace using microwave for the process cost and energy saving has been studied. It is essential to maintain an inert atmosphere around the carbon fiber in the general high temperature carbonization process, and indirect heating by the ambient temperature rise by the microwave during the high temperature carbonization and direct heating effect on the carbon fiber itself.
  • the direct / indirect heating effect is different depending on the size, structure, and location of the internal heating element in the carbonization furnace.
  • the structure in which the passage through which carbon fibers move is sealed by the heating element has a problem in that the direct heating effect by the microwave is not high. .
  • Patent Document 1 Publication No. 2016-0140268
  • Patent Document 2 Japanese Laid-Open Patent No. 2013-002767
  • Patent Document 3 Publication No. 2018-0071184
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, an object of the present invention, in order to increase the direct heating effect by the microwave, by opening one side of the heating element located inside the carbonization furnace toward the direction of microwave irradiation
  • the present invention provides a carbon fiber carbonization apparatus in which indirect heating and direct heating can be performed at a place where a heating element is located.
  • Carbon fiber carbonization apparatus using a microwave the carbonization furnace is irradiated with microwaves from the irradiation unit disposed on one side; A moving tube in which the carbon fiber moves along the inside and is mounted to penetrate the carbonization furnace; And a heating element coupled to an outer circumferential surface of the moving tube to absorb microwaves and generating heat, wherein the heating element is coupled to the moving tube, and the moving tube is partially covered by the heating element, but the remaining part is exposed.
  • a portion where the surface of the moving tube is exposed is disposed to face the irradiation unit to which the microwave is irradiated.
  • the heating element has a shape in which a groove is formed in a size that the moving tube can enter, the surface of the moving tube is exposed at the open portion of the groove when the moving tube enters the groove.
  • the heating element has a polyhedral shape, and one surface of the heating element is recessed to have a groove shape.
  • the heating element occupies less than 1.7% of the internal volume of the carbonization furnace.
  • the moving tube is manufactured so that the microwave can be transmitted. That is, a part of the microwaves irradiated from the irradiator passes through the moving tube and is directly absorbed by the carbon fiber, and the other microwaves are absorbed by the heating element.
  • the moving tube is made of quartz (quartz).
  • the moving tube made of quartz is configured to have a loss tangent value of less than 0.0003.
  • the cross-sectional area of the cross section of the moving tube has a size of 5.9% or less compared to the cross-sectional area of the cross section of the carbonization furnace, the inert gas is injected into the moving tube.
  • the irradiator includes a waveguide through which the microwave is moved to the carbonization furnace, and the end of the waveguide connected to the carbonization furnace is disposed to be positioned at a position facing the heating element.
  • the microwave is directly absorbed by the carbon fiber at the portion where the heating element is located, the heating is performed directly, and the indirect heating by the radiant heat of the heating element is performed together, so that more efficient carbonization is achieved and the elasticity of the carbon fiber is achieved.
  • Mechanical properties such as tensile strength and diameter can be improved.
  • a portion of the surface of the moving tube exposed is disposed to face the irradiation unit to which the microwave is irradiated to increase the direct heating effect.
  • the heating element has a shape in which a groove is formed in a size to which the moving tube can enter, the heating element can be easily coupled to the moving tube.
  • the moving tube is made of quartz (quartz) and has a loss tangent value of less than 0.0003. That is, as the loss tangent value approaches 0, the transmittance of the microwave increases, so that the amount of the moving tube absorbing and heating the microwave can be minimized.
  • the cross-sectional area of the cross section of the moving tube has a size of 5.9% or less than the cross-sectional area of the cross section of the carbonization furnace, it is possible to reduce the amount of inert gas (nitrogen, etc.) injected into the moving tube.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a carbon fiber carbonization apparatus 100 using microwaves according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 2 is an internal cross-sectional view of the A surface of the carbonization furnace 10 according to the embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a perspective view of a carbon fiber carbonization apparatus 100 using microwaves according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 4 (a) and 4 (c) are views illustrating a state in which a rectangular column through hole is included in the hexahedral heating element 30 according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 4 (b) and (d) are views showing a state including a cylindrical through hole in the hexahedral heating element 30 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a carbon fiber carbonization apparatus 100 using microwaves in accordance with an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is an internal cross-sectional view of the A surface of the carbonization furnace 10 according to an embodiment of the present invention
  • 3 is a perspective view of a carbon fiber carbonization apparatus 100 using microwaves according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 (a) and (c) is a square to the hexahedral heating element 30 according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a view showing a state including a through hole
  • Figures 4 (b) and (d) is a view showing a state including a cylindrical through hole in the hexahedral heating element 30 according to an embodiment of the present invention.
  • the carbon fiber carbonization apparatus 100 using the microwave may include a carbonization furnace 10, a moving tube 20, the heating element 30 and the irradiation unit 40.
  • the carbonization furnace 10 serves to carbonize the carbon fiber inside the carbonization furnace 10 using microwaves.
  • the firing process of the carbon fiber is a stabilization process, low temperature carbonization process of 700 ⁇ 900 °C and high temperature carbonization process of more than 1,000 °C step by step, the high temperature carbonization process is made in the carbonization furnace 10 of the present invention, A high temperature atmosphere of 1,000 ° C. or more can be maintained.
  • the heating using the microwave of the carbonization furnace 10 is indirect heating made through the radiant heat of the heat source (heating element in the present invention) disposed around the carbon fiber and the microwave directly irradiated with the microwave to the carbon fiber, the microwave reaction of the fiber itself Direct heating is carried out uniformly at the same time.
  • the present invention is composed of an inert gas atmosphere inside the carbonization furnace 10. That is, the inside of the moving tube 20 (and the carbonization furnace 10) is filled with an inert gas.
  • the microwave should be irradiated directly to the carbon fiber, and the term "direct irradiation" described herein means that the molecules of the carbon fiber are vibrated by the microwave and the temperature is increased by the frictional force caused by the vibration. Note.
  • the carbonization furnace 10 is sufficient to perform the above-described role, it is noted that there is no particular configuration limitation.
  • the carbonization furnace 10 has a tubular shape in which a predetermined space is formed therein, and is connected to open with the waveguide 41, and an irradiation part 40 for generating microwaves is disposed on the opposite side of the waveguide 41. Has a configuration.
  • the moving tube 20 serves to provide a passage of a predetermined shape so that the carbon fiber can be moved therein and is configured to penetrate the carbonization furnace 10.
  • Such a moving tube 20 may be composed of quartz (quartz) having a high transmittance of microwaves, and in one embodiment of the present invention, the moving tube 20 is formed in a cylindrical shape, but it is sufficient to perform the above-described role, and the limitation of a special configuration is limited. Note that there is no. However, the moving tube in the present invention has a sufficient transmittance so that the microwave can be transmitted.
  • the loss tangent representing the loss of the microwave by the material of the moving tube is preferably less than 0.0003.
  • the heating element 30 serves to maintain a high temperature atmosphere required during the carbonization process and may be located outside the moving tube 20 inside the carbonization furnace 10. And the heating element 30 may be made of silicon carbide (SiC) to perform this role.
  • the heating element 30 absorbs microwaves and is heated, and when heated, radiates heat to carbon fibers to indirectly heat the carbon fibers.
  • the heating element 30 may be opened toward the direction in which the microwave is irradiated, so that the microwave can be irradiated directly to the carbon fiber. Due to this structure, the direct heating effect of the carbon fiber can be improved, and the effect of producing a result of improved mechanical properties such as elasticity, tensile strength, and diameter compared to the existing process conditions surrounding the moving tube 20 on all sides may occur. Can be.
  • the heating element 30 may have a hexahedral shape through which a surface corresponding to the moving tube 20 is penetrated, and one surface of the surface not penetrated by the moving tube 20 is open. Can be provided.
  • the heating element 30 has a shape in which a groove is formed in a size that the moving tube 20 can enter, the surface of the moving tube in the opening of the groove when the moving tube 20 enters the groove Can be configured to be exposed.
  • a portion of the surface of the moving tube 20 exposed is disposed to face the irradiation unit 40 to which the microwave is irradiated.
  • the through hole of the heating element 30 according to the shape of the moving tube 20 passing through the heating element 30 of one embodiment according to the present invention It can be changed into a square pillar, a cylinder or a polyhedron.
  • the applied power varies depending on the length and volume ratio of the heating element 30.
  • the length of the heating element 30 is more than 7 cm or the ratio of occupying the inside of the carbonization furnace 10 is more than 1.7%, 1,000 ° C. for the high temperature carbonization process is performed.
  • the problem that higher applied power is required to maintain the above high temperature may occur. Therefore, the length of the heating element 30 of the present invention is 7 cm or less, the volume fraction occupied in the carbonization furnace 10 is limited to 1.7% or less, and to improve the energy efficiency of the entire carbon fiber firing process.
  • the heating element 30 is sufficient to perform the above-described role, and there is no limitation of a special configuration.
  • the heating element 30 has a hexahedral shape and is illustrated as having a concave groove shape on one surface, but a portion covers a portion of the moving tube 20 and a portion may expose a portion of the moving tube 20. If it has a can be manufactured in various forms.
  • the irradiator 40 serves to generate and irradiate microwaves into the carbonization furnace 10, and may include a waveguide 41 for this purpose.
  • the waveguide 41 may be connected to the irradiator 40 and the carbonization furnace 10, and the waveguide 41 serves to provide a passage through which the microwaves may move.
  • the irradiation unit 40 is sufficient to perform the above-described role and there is no limitation of a special configuration. That is, the irradiation unit 40 may be a magnetron (magnetron).
  • nitrogen may be injected into the moving tube 20 and the carbonization furnace 10 or the moving tube 20 only as an inert gas.
  • the cross-sectional area of the moving tube 20 is preferably limited to 5.9% or less than the cross-sectional area of the carbonization furnace 10 so as to reduce the injection amount of nitrogen. That is, when the cross-sectional area of the moving tube 20 exceeds 5.9% or more, the injection amount of nitrogen may increase and the indirect heating efficiency may also decrease as the injection amount of nitrogen increases, and the heating element 30 coupled to the moving tube 20 is increased.
  • the size of may increase, so that the efficiency of the output of the device may decrease.
  • Carbon fiber carbonization apparatus 100 using the microwave according to an embodiment of the present invention was utilized. Specifically, a heating element having a hexahedron structure in which one surface is opened except for the surface through which the moving tube penetrates inside the carbonization furnace is used. The open side was directed toward the direction in which the microwaves were irradiated. And Experimental Example 1 used a heating element consisting of a length of 1.8cm in the carbon fiber moving direction.
  • Carbon fiber carbonization apparatus 100 using the microwave according to an embodiment of the present invention was utilized. Specifically, a heating element having a hexahedron structure in which one surface is opened except for the surface through which the moving tube penetrates inside the carbonization furnace is used. The open side was directed toward the direction in which the microwaves were irradiated. And Experimental Example 2 used a heating element consisting of a length of 5cm in the carbon fiber moving direction.
  • Carbon fiber carbonization apparatus 100 using the microwave according to an embodiment of the present invention was utilized. Specifically, a heating element having a hexahedron structure in which one surface is opened except for the surface through which the moving tube penetrates inside the carbonization furnace is used. The open side was directed toward the direction in which the microwaves were irradiated. And Experimental Example 3 used a heating element consisting of a length of 6.8cm in the carbon fiber moving direction.
  • the comparative example used a heating element consisting of a length of 1.8 ⁇ 12cm in the carbon fiber moving direction.
  • the carbon fibers of Comparative Examples and Examples 1 to 3 were moved to the carbonization furnace 10 after the low temperature carbonization process in the electric furnace.
  • the heating element 30 used a SiC heating element, and the temperature inside the carbonization furnace 10 was maintained at 1100 to 1200 ° C.
  • Experimental Example 1 is 12.7% increase in elasticity compared to the comparative example, the diameter of the carbon fiber 5.8% due to shrinkage due to the carbonization reaction Decreased.
  • Experimental Example 2 the elasticity was increased by 14.2%, the tensile strength was 4.7%, and the diameter of the carbon fiber was decreased by 6.2% compared with the comparative example.
  • the structure of the heating element 30 according to the present invention was changed. As a result of the microwave direct heating effect is increased, the resulting carbon fiber has been improved in the mechanical properties, such as increased diameter reduction rate and elasticity and toughness strength.
  • Experimental Example 1 Experimental Example 2
  • Experimental Example 3 Comparative example SiC length (cm) 1.8 5 6.8 1.8-12 Volume percentage (%) 0.45 1.24 1.68 1.75-5.24 Quartz internal temperature (°C) 988-1088 1120-1232 920-1043 1070 to 1198 Power (kW) 1.2 to 1.8 1.6 to 2.2

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Abstract

본 발명은 마이크로웨이브를 이용한 탄소 섬유 탄화 장치에 관한 것으로써, 일측에 배치된 조사부로부터 마이크로웨이브가 내부로 조사되는 탄화로; 상기 탄소 섬유가 내부를 따라 이동하며, 상기 탄화로를 관통하도록 장착된 이동관; 및 상기 이동관의 외주면에 결합되어 마이크로웨이브를 흡수하여 발열하는 발열체;를 포함하고, 상기 발열체가 이동관에 결합된 위치에서, 상기 이동관은 발열체에 의해 일부분이 덮여 가려지되 나머지 부분은 표면이 노출되는 것을 특징으로 한다.

Description

마이크로웨이브를 이용한 탄소 섬유 탄화 장치
본 출원은 2018년 7월 23일자 한국특허출원 제10-2018-0085419호 및 2019년 7월 10일자 한국특허출원 제10-2019-0083343호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국특허출원들의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 마이크로웨이브를 이용한 탄소 섬유 탄화 장치에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 마이크로웨이브를 이용하여 탄소 섬유를 탄화시키는 과정에 있어서 탄화로 내부 발열체의 구조 변경을 통해 직접 가열 효과를 높이고, 탄소 섬유의 기계적 물성을 향상시키는 마이크로웨이브를 이용한 탄소 섬유 탄화 장치에 관한 것이다.
탄소섬유란 탄소원소의 질량 함유율이 90%이상으로 이루어진 섬유장의 탄소재료로서 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile, PAN), 석유계/석탄계 탄화수소잔류물인 피치(Pitch) 또는 레이온으로부터 된 섬유형태의 유기 탄소 섬유물질을 불활성분위기에서 열 분해하여 얻어지는 섬유를 의미한다.
탄소섬유는 강철보다 가벼우면서도 강도가 우수하여 자동차 분야, 우주항공 분야, 풍력발전 분야, 스포츠 분야 등 다양한 분야에 널리 적용되고 있다. 예를 들어, 최근 환경 문제로 인하여 자동차 배기가스와 관련된 환경 규제가 강화되고 있어 고연비의 경량화 자동차에 대한 요구가 증대되고 있는데, 구조적 및 기계적 강도를 희생하지 않으면서도 자동차의 중량을 감소시킬 수 있는 방법으로 탄소섬유 강화 복합체를 사용하는 기술이 주목을 받고 있다.
그러나, 다양한 산업 분야로 적용시키기 위해선 고성능의 탄소 섬유를 낮은 비용으로 대량 생산할 수 있는 기술의 개발이 필요한 설정이다.
종래 탄소 섬유의 탄화 공정은 700 ~ 900℃의 저온탄화와 1000℃이상의 고온탄화가 단계적으로 이루어지는데, 이를 위해 일반적으로 전기로를 이용하여 공정을 진행해왔다. 하지만, 공정 비용 및 에너지 절감을 위해 마이크로웨이브를 이용한 탄화로를 이용한 탄소섬유 탄화 공정이 연구 되고 있다. 일반적인 고온 탄화 공정시 탄소 섬유 주변의 불활성한 분위기 유지가 필수적이며, 고온 탄화시 마이크로웨이브에 의해 분위기 온도 상승에 의한 간접 가열과 탄소 섬유 자체에 직접 가열 효과가 일어난다. 직/간접 가열 효과는 탄화로 내부 발열체의 크기, 구조 및 위치에 따라 상이하게 나타나는데, 탄소 섬유가 이동하는 통로가 발열체에 의해 밀폐되어 있는 구조는 마이크로웨이브에 의한 직접 가열 효과가 높지 않다는 문제점이 있었다.
이와 관련하여, 마이크로웨이브에 의한 직접 가열 효과를 높이는 탄화 공정이 필요한 실정이다.
선행기술문헌
(특허문헌 1) 공개특허공보 제2016-0140268호
(특허문헌 2) 일본공개특허 제2013-002767호
(특허문헌 3) 공개특허공보 제2018-0071184호
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 마이크로웨이브에 의한 직접 가열 효과를 높이기 위해, 탄화로 내부에 위치한 발열체의 일측부를 마이크로웨이브가 조사되는 방향을 향하여 개방시켜서, 발열체가 위치한 곳에서 간접가열과 직접가열이 동시에 이뤄질 수 있는 탄소 섬유 탄화 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 마이크로웨이브를 이용한 탄소 섬유 탄화 장치는, 일측에 배치된 조사부로부터 마이크로웨이브가 내부로 조사되는 탄화로; 상기 탄소 섬유가 내부를 따라 이동하며, 상기 탄화로를 관통하도록 장착된 이동관; 및 상기 이동관의 외주면에 결합되어 마이크로웨이브를 흡수하여 발열하는 발열체;를 포함하고, 상기 발열체가 이동관에 결합된 위치에서, 상기 이동관은 발열체에 의해 일부분이 덮여 가려지되 나머지 부분은 표면이 노출되는 것을 특징으로 한다.
상기 발열체가 이동관에 결합된 위치에서, 이동관의 표면이 노출되는 부분은 마이크로웨이브가 조사되는 조사부를 향하도록 배치된다.
본 발명에서, 상기 발열체는 이동관이 진입할 수 있는 크기로 홈이 형성된 모양을 가지며, 상기 이동관이 홈으로 진입했을 때 상기 홈의 개구된 부분에서 이동관의 표면이 노출된다.
상기 발열체는 다면체 형상을 갖고, 일면이 오목하게 파여 홈이 형성된 모양을 갖는다. 그리고, 상기 발열체는 상기 탄화로 내부 부피의 1.7%이하를 차지한다.
본 발명에서, 상기 이동관은 상기 마이크로웨이브가 투과될 수 있도록 제조된다. 즉, 상기 조사부에서 조사되는 마이크로웨이브의 일부는 이동관을 투과해 탄소 섬유에 직접흡수되고, 나머지 마이크로웨이브는 발열체에 흡수된다.
본 발명에서 상기 이동관은 쿼츠(석영: quartz)로 제조된다. 상기 쿼츠로 제조된 이동관은 0.0003 미만의 손실탄젠트(loss tangent) 값을 갖도록 구성된다.
한편, 상기 이동관 횡단면의 단면적은 탄화로 횡단면의 단면적 대비 5.9% 이하의 크기를 가지며, 상기 이동관 내부로 불활성 가스가 주입된다.
그리고, 상기 조사부는, 상기 마이크로웨이브가 탄화로로 이동되는 도파관;을 포함하고, 상기 탄화로로 연결되는 도파관의 끝단은 발열체를 향하는 위치에 놓이도록 배치된다.
본 발명의 탄소 섬유 탄화 장치는 발열체가 위치한 부분에서 마이크로웨이브가 탄소 섬유에 직접 흡수 되어 직접 가열이 이뤄짐과 동시에 발열체의 복사열에 의한 간접 가열이 함께 이뤄지므로, 더 효율적인 탄화가 이뤄져서 탄소섬유의 탄성, 인장강도, 지름 등 기계적 물성이 향상될 수 있다.
본 발명에서는 발열체가 이동관에 결합된 위치에서, 이동관의 표면이 노출되는 부분은 마이크로웨이브가 조사되는 조사부를 향하도록 배치되어 직접 가열효과를 증대시킬 수 있다.
상기 발열체는 이동관이 진입할 수 있는 크기로 홈이 형성된 모양을 가지므로, 상기 발열체는 이동관에 용이하게 결합이 가능하다.
본 발명에서 상기 이동관은 쿼츠(석영: quartz)로 제조되며, 0.0003 미만의 손실탄젠트(loss tangent) 값을 갖는다. 즉, 손실탄젠트 값이 0 에 가까울 수록 마이크로웨이브의 투과율을 증가하므로 이동관이 마이크로웨이브를 흡수하여 가열되는 양은 최소화될 수 있다.
한편, 상기 이동관 횡단면의 단면적은 탄화로 횡단면의 단면적 대비 5.9% 이하의 크기를 가지므로, 이동관 내부로 주입되는 불활성 가스(질소 등)의 주입량을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브를 이용한 탄소 섬유 탄화 장치(100)의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화로(10) A면의 내부 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브를 이용한 탄소 섬유 탄화 장치(100)의 사시도이다.
도 4(a)와 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 육면체 발열체(30)에 사각기둥 관통홀을 포함한 모습을 도시한 도면이다.
도 4(b)와 (d)는 본 발명의 일 실시예에 따른 육면체 발열체(30)에 원통형 관통홀을 포함한 모습을 도시한 도면이다.
본 발명에 대한 상세한 설명은 당 업계의 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 완전하게 설명하기 위한 것이다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 하거나, 어떤 구조와 형상을 "특징"으로 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하거나 다른 구조와 형상을 배제한다는 것이 아니라, 다른 구성요소, 구조 및 형상을 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 제시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 실시예의 의한 발명의 내용을 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브를 이용한 탄소 섬유 탄화 장치(100)의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화로(10) A면의 내부 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브를 이용한 탄소 섬유 탄화 장치(100)의 사시도이고, 도 4(a)와 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 육면체 발열체(30)에 사각기둥 관통홀을 포함한 모습을 도시한 도면이고, 그리고 도 4(b)와 (d)는 본 발명의 일 실시예에 따른 육면체 발열체(30)에 원통형 관통홀을 포함한 모습을 도시한 도면이다.
본 발명에서, 마이크로웨이브를 이용한 탄소 섬유 탄화 장치(100)는 탄화로(10), 이동관(20), 발열체(30) 및 조사부(40)를 포함할 수 있다.
탄화로(10)는 마이크로웨이브를 이용하여 탄화로(10) 내부의 탄소 섬유를 탄화시키는 역할을 수행한다. 일반적으로 탄소 섬유의 소성 공정은 안정화과정, 700 ~ 900℃의 저온탄화과정 및 1,000℃이상의 고온탄화과정이 단계적으로 이루어지는데, 본 발명의 탄화로(10)에서는 고온탄화과정이 이루어지며, 이를 위해 1,000℃이상의 고온의 분위기가 유지될 수 있다.
또한, 탄화로(10)의 마이크로웨이브를 이용한 가열은 탄소 섬유 주변에 배치된 열원(본 발명에서는 발열체)의 복사열을 통해 이뤄지는 간접 가열과 탄소 섬유에 마이크로웨이브가 직접 조사되어 섬유 자체의 마이크로웨이브 반응으로 균일하게 직접 가열이 동시에 이뤄진다.
한편, 탄화 공정 중 탄소 섬유 주변의 분위기를 가열시키는 과정에서 탄소 섬유와의 어떠한 반응이 일어나지 않도록 하기 위해 불활성한 분위기가 필수적이다. 이를 위해 본 발명은 탄화로(10) 내부를 불활성가스 분위기로 구성된다. 즉, 상기 이동관(20) (및 탄화로(10)) 내부는 불활성가스가 채워진다.
그리고 직접 가열의 경우 마이크로웨이브가 탄소 섬유에 직접 조사되어야 하는데, 본 명세서에서 기재된 "직접 조사"라는 의미는 마이크로웨이브에 의해 탄소 섬유의 분자가 진동되며 이러한 진동에 의한 마찰력으로 온도 상승되는 것을 의미함을 유의한다.
한편, 탄화로(10)는 상술된 역할을 수행하면 충분하며 특별한 구성의 제한이 있지 않음을 유의한다.
본 발명에서 상기 탄화로(10)는 내부에 소정의 공간이 형성된 통모양을 갖되 도파관(41)과 개통되도록 연결되며 상기 도파관(41)의 반대쪽에는 마이크로웨이브를 생성하는 조사부(40)가 배치되는 구성을 갖는다.
이동관(20)은 탄소 섬유가 내부에서 이동될 수 있도록 일정한 형태의 통로를 제공하는 역할을 수행하며 탄화로(10)를 관통하도록 구성된다.
이러한 이동관(20)은 마이크로웨이브의 투과율이 높은 쿼츠(석영)로 구성될 수 있으며 본 발명의 일 실시예에선 이동관(20)이 원통형으로 형성되나 상술된 역할을 수행하면 충분하며 특별한 구성의 제한이 있지 않음을 유의한다. 다만, 본 발명에서 이동관은 상기 마이크로웨이브가 투과될 수 있도록 충분한 투과율을 갖는다. 상기 이동관이 쿼츠로 제조될 때 상기 이동관의 재질에 의해 마이크로웨이브의 손실을 나타내는 손실탄젠트(loss tangent)는 0.0003 미만인 것이 바람직하다.
발열체(30)는 탄화 공정시 요구되는 고온 분위기를 유지시키는 역할을 수행하며 탄화로(10) 내부에 있는 이동관(20)의 외측에 위치될 수 있다. 그리고 이러한 역할을 수행하기 위해 발열체(30)는 탄화 규소(SiC)로 이루어질 수 있다. 상기 발열체(30)는 마이크로웨이브를 흡수하여 가열되며 가열되면 복사열을 탄소 섬유로 방사하여 상기 탄소 섬유를 간접가열한다.
또한, 발열체(30)는 마이크로웨이브가 탄소 섬유에 직접 조사될 수 있도록, 마이크로웨이브가 조사되는 방향을 향하여 개방될 수 있다. 이러한 구조로 인해 탄소 섬유의 직접 가열 효과를 향상될 수 있고, 이동관(20)을 모든 면에서 감싸고 있는 기존 공정조건 대비 탄성, 인장강도, 지름 등의 기계적 물성이 향상된 결과물을 만들 수 있는 효과가 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 일 실시예의 발열체(30)는 이동관(20)에 의해 대응되는 면이 관통된 육면체 모양의 형상을 가질 수 있고, 이동관(20)에 의해 관통되지 않는 면 중 일면이 개방된 구조로 제공 될 수 있다. 본 발명에서, 상기 발열체(30)는 이동관(20)이 진입할 수 있는 크기로 홈이 형성된 모양을 가지며, 상기 이동관(20)이 홈으로 진입했을 때 상기 홈의 개구된 부분에서 이동관의 표면이 노출되도록 구성될 수 있다. 그리고, 이동관(20)의 표면이 노출되는 부분은 마이크로웨이브가 조사되는 조사부(40)를 향하도록 배치된다.
도4(a), (b), (c) 및 (d)를 참고하면, 본 발명에 따른 일 실시예의 발열체(30)을 관통하는 이동관(20)의 모양에 따라 발열체(30)의 관통홀이 사각기둥이나 원통형 또는 다면체 등으로 변경될 수 있다. 그리고 발열체(30)의 길이와 체적률에 따라 인가파워가 달라지는데, 발열체(30)의 길이가 7cm초과이거나 탄화로(10) 내부를 차지하는 비율이 1.7%초과일 때, 고온탄화과정을 위한 1,000℃이상의 고온을 유지하는데 보다 높은 인가파워가 요구되는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 발열체(30) 길이는 7cm이하로, 탄화로(10) 내부에서 차지하는 체적률은 1.7% 이하로 한정하여, 전체 탄소 섬유 소성 공정의 에너지 효율을 높이고자 한다.
한편, 발열체(30)는 상술된 역할을 수행하면 충분하며 특별한 구성의 제한이 있지 않음을 유의한다. 도면에서 상기 발열체(30)는 육면체 형상을 갖고 일면에서 오목하게 홈이 파인 형상을 갖는 것으로 도시되었으나, 일부분은 이동관(20)의 일부를 덮고 일부는 이동관(20)의 일부분을 노출시킬 수 있는 구조를 갖는다면 다양한 형태로 제조될 수 있다.
조사부(40)는 탄화로(10) 내부로 마이크로웨이브를 생성하고조사하는 역할을 수행하며, 이를 위해 도파관(41)을 포함할 수 있다.
이러한 도파관(41)에 의해 조사부(40)와 탄화로(10)는 연결될 수 있고, 도파관(41)은 마이크로웨이브가 이동할 수 있는 통로를 제공하는 역할을 수행한다.
한편, 조사부(40)는 상술된 역할을 수행하면 충분하며 특별한 구성의 제한이 있지 않음을 유의한다. 즉, 상기 조사부(40)는 마그네트론(magnetron)이 사용될 수 있다.
참고적으로, 상기 이동관(20) 내부 및 탄화로(10) 내부 또는 이동관(20) 내부에만 불활성 가스로써 질소가 주입될 수 있다. 이때, 질소의 주입량을 감소시킬 수 있도록 상기 이동관(20)의 횡단면 면적은 탄화로(10) 횡단면 면적 대비 5.9% 이하로 제한되는 것이 바람직하다. 즉, 이동관(20)의 횡단면 면적이 5.9% 이상을 초과하는 경우 질소의 주입량이 증가되고 질소의 주입량 증가에 따라 간접 가열 효율도 저하될 수 있으며, 상기 이동관(20)과 결합되는 발열체(30)의 크기 또한 증가하여 장치의 출력 대비 효율이 저하될 수 있다.
<실험예1>
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브를 이용한 탄소 섬유 탄화 장치(100)를 활용하였다. 구체적으로 탄화로 내부에 이동관이 관통된 면을 제외한 면 중 일면이 개방되어 있는 육면체 구조의 발열체를 사용했다. 개방된 면은 마이크로웨이브가 조사되는 방향을 향하도록 하였다. 그리고 실험예1은 탄소섬유 이동방향으로 1.8cm의 길이로 구성된 발열체를 사용하였다.
<실험예2>
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브를 이용한 탄소 섬유 탄화 장치(100)를 활용하였다. 구체적으로 탄화로 내부에 이동관이 관통된 면을 제외한 면 중 일면이 개방되어 있는 육면체 구조의 발열체를 사용했다. 개방된 면은 마이크로웨이브가 조사되는 방향을 향하도록 하였다. 그리고 실험예2은 탄소섬유 이동방향으로 5cm의 길이로 구성된 발열체를 사용하였다.
<실험예3>
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로웨이브를 이용한 탄소 섬유 탄화 장치(100)를 활용하였다. 구체적으로 탄화로 내부에 이동관이 관통된 면을 제외한 면 중 일면이 개방되어 있는 육면체 구조의 발열체를 사용했다. 개방된 면은 마이크로웨이브가 조사되는 방향을 향하도록 하였다. 그리고 실험예3은 탄소섬유 이동방향으로 6.8cm의 길이로 구성된 발열체를 사용하였다.
<비교예>
비교예는 마이크로웨이브를 이용한 탄화로 내부에 이동관이 관통된 면을 제외한 4면이 모두 밀폐되어 있는 육면체 구조의 발열체를 사용하였다. 그리고 비교예는 탄소섬유 이동방향으로 1.8 ~ 12cm의 길이로 구성된 발열체를 사용하였다.
또한, 발열체(30)의 구조 변화에 의한 탄화과정의 결과물을 차이를 비교하기 위해, 비교예 및 실시예1 내지 3의 탄소섬유는 전기로에서 저온탄화과정을 거친 후 탄화로(10)로 이동되었다. 그리고, 발열체(30)는 SiC 발열체를 사용하였고, 탄화로(10) 내부 온도는 1100 ~ 1200℃로 동일하게 유지하였다.
공정속도 예시 SiC길이(cm) 탄성(GPa) 인장강동(GPa) 지름(μm)
0.47 ~ 0.7Mpm 실험예1 1.8 220.1 3.21 6.88
실험예2 5 223.0 3.36 6.83
비교예 1.8 ~ 12 195.3 3.21 7.3
상기 표 1를 참고하여 실험예1, 실험예2 및 비교예의 기계적 물성을 비교해 보면, 실험예1은 비교예에 비해 탄성이 12.7% 증가하였고, 탄소 섬유의 지름은 탄화 반응에 의한 수축으로 5.8% 감소하였다. 그리고 실험예2는 비교예에 비해 탄성이 14.2%, 인장강도가 4.7% 증가하였고, 탄소 섬유의 지름은 6.2% 감소하였다.결과적으로, 이를 토대로 판단하면, 본 발명에 따른 발열체(30) 구조 변경으로 마이크로웨이브 직접 가열 효과가 높아짐으로써, 그 결과 생성된 탄소 섬유는 지름 감소율이 증가되어 탄성 및 인강강도는 증가하는 등 기계적 물성이 향상되었음을 알 수 있다.
실험예1 실험예2 실험예3 비교예
SiC길이(cm) 1.8 5 6.8 1.8~12
체적률(%) 0.45 1.24 1.68 1.75~5.24
쿼츠 내부온도(℃) 988 ~ 1088 1120 ~ 1232 920 ~ 1043 1070 ~ 1198
파워(kW) 1.2 ~ 1.8 1.6 ~ 2.2
상기 표 2를 참조하면, 실험예1 내지 3은 SiC발열체의 길이 및 체적률이 상이하나, 체적률 1.7%이하일 때는 고온탄화과정 분위기를 유지하는데 유사한 파워가 필요하다는 점을 확인할 수 있다.그에 반해, 비교예는 체적률이 1.7%초과로 고온탄화과정 분위기를 유지하는데 실시예1 내지 3보다 더 많은 파워가 필요하다는 점을 확인할 수 있다.즉, 발열체(30)의 길이가 길고 체적률이 증가할수록 쿼츠 내부 온도를 고온탄화과정 분위기로 유지하는데 인가되어야 하는 파워가 증가하는 것을 알 수 있다. 그리고 특정한 길이(7cm)와 체적률(1.7%)이하에서는 쿼츠 내부 온도를 고온탄화과정 분위기로 유지하는데 인가되어야 하는 파워가 유사하다는 것을 알 수 있다.
상기 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 당 업계의 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 탄소 섬유를 탄화시키는 탄화로;
    상기 탄화로를 관통하고, 탄소 섬유가 내부에서 이동되는 이동관;
    상기 탄화로 내부에 위치하고, 상기 이동관의 외측에 위치되는 발열체; 및
    상기 탄화로 내부로 마이크로웨이브를 조사시키는 조사부;를 포함하고,
    상기 발열체는 그 일측부가 개방된 구조인 것을 특징으로 하는,
    마이크로웨이브를 이용한 탄소 섬유 탄화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발열체는,
    상기 마이크로웨이브가 탄소 섬유에 직접 조사 되도록, 상기 마이크로웨이브가 조사되는 방향을 향하여 개방된 것을 특징으로 하는,
    마이크로웨이브를 이용한 탄소 섬유 탄화 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발열체는,
    육면체 형태로 제공되고,
    상기 이동관에 의해 대응되는 면이 관통되며,
    상기 이동관을 3면에서 감싸고 있는 것을 특정으로 하는,
    마이크로웨이브를 이용한 탄소 섬유 탄화 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발열체는,
    상기 탄소 섬유가 이동하는 방향으로 1cm 내지 7cm의 길이로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는,
    마이크로웨이브를 이용한 탄소 섬유 탄화 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발열체는,
    상기 탄화로 내부 부피의 1.7%이하를 차지하는 것을 특징으로 하는,
    마이크로웨이브를 이용한 탄소 섬유 탄화 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄화로는,
    내부가 불활성 가스 분위기인 것을 특징으로 하는,
    마이크로웨이브를 이용한 탄소 섬유 탄화 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 조사부는,
    상기 마이크로웨이브가 이동하는 도파관;을 포함하고,
    상기 도파관은 상기 탄화로의 일방과 연결되어 있는 것을 특징으로 하는,
    마이크로웨이브를 이용한 탄소 섬유 탄화 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 이동관은,
    쿼츠로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는,
    마이크로웨이브를 이용한 탄소 섬유 탄화 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 쿼츠로 제조된 이동관은 0.0003 미만의 손실탄젠트(loss tangent) 값을 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 섬유 탄화 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 이동관 횡단면의 단면적은 탄화로 횡단면의 단면적 대비 5.9% 이하의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 탄소 섬유 탄화 장치.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 이동관 내부로 질소가 주입되어 불활성 가스 분위기가 조성되는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브를 이용한 탄소 섬유 탄화 장치.
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