KR102201043B1 - Method and apparatus of producing carbon fiber using drying-spinning process - Google Patents

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KR102201043B1
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홍순규
이형우
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a carbon fiber manufacturing method using dry spinning and a manufacturing apparatus of carbon fibers manufactured by the manufacturing method. More particularly, the present invention relates to a carbon fiber manufacturing method using dry spinning and a manufacturing apparatus of carbon fibers manufactured by the manufacturing method, wherein an optimal carbon nanotube forest for manufacturing carbon fibers is produced, and productivity of carbon fibers can be improved by having excellent yields due to the carbon nanotube forest. Also, the carbon fibers can have transparent conductivity by being applied to various fields such as electrodes, heaters, solar cells and the like.

Description

건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법 및 상기 제조 방법에 의해 제조되는 탄소섬유 제조 장치 {METHOD AND APPARATUS OF PRODUCING CARBON FIBER USING DRYING-SPINNING PROCESS}A carbon fiber manufacturing method using dry spinning, and a carbon fiber manufacturing apparatus manufactured by the manufacturing method {METHOD AND APPARATUS OF PRODUCING CARBON FIBER USING DRYING-SPINNING PROCESS}

본 발명은 건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법 및 상기 제조 방법에 의해 제조되는 탄소섬유 제조 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 탄소섬유를 제조하기 위한 최적의 탄소 나노 튜브 포레스트(carbon nanotube forest)를 제작하고, 상기 탄소 나노 튜브 포레스트로 인해 우수한 수율을 가져 탄소섬유의 생산성을 향상시킬 수 있으며, 전극, 히터, 태양전지 등 다양한 분야에 적용하여 투명 전도성을 가질 수 있는 건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법 및 상기 제조 방법에 의해 제조되는 탄소섬유 제조 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon fiber manufacturing method using dry spinning and a carbon fiber manufacturing apparatus manufactured by the above manufacturing method, and more specifically, to prepare an optimal carbon nanotube forest for manufacturing carbon fibers. , Due to the carbon nanotube forest, the carbon fiber production method using dry spinning can be applied to various fields such as electrodes, heaters, solar cells, etc., and the method of manufacturing carbon fiber using dry spinning, which has excellent yield and can improve the productivity of carbon fiber. It relates to a carbon fiber manufacturing apparatus manufactured by a manufacturing method.

탄소나노튜브(Carbon Nanotube: CNT)는 우수한 기계적 물성과 더불어서, 낮은 전기비저항, 높은 열전도율을 가진 산업전반에서 그 응용성이 주목되는 소재이다. 예를 들어 탄소나노튜브는 알루미늄보다 낮은 밀도를 가지면서 인장강도는 철보다 약 370배 강하며, 전기 비저항과 열전도율은 각각 구리 및 다이아몬드와 유사한 값을 나타내어 전기전자, 정보통신, 에너지, 바이오, 우주항공, 스포츠, 국방 등 폭넓은 분야에서 응용가능성이 제시되고 있다. 일례로, 인장강도 35GPa, 인장탄성률이 1TPa에 육박하는 탄소나노튜브가 보고되고 있다.Carbon Nanotube (CNT) has excellent mechanical properties, low electrical resistivity, and high thermal conductivity. For example, carbon nanotubes have a lower density than aluminum and have a tensile strength of about 370 times stronger than that of iron, and their electrical resistivity and thermal conductivity are similar to those of copper and diamond, respectively. Applicability is suggested in a wide range of fields such as aviation, sports, and defense. For example, a carbon nanotube having a tensile strength of 35 GPa and a tensile modulus of 1 Tpa has been reported.

탄소나노튜브섬유(Carbon Nanotube Fiber: CNTF)는 탄소나노튜브가 여러 분야에 쉽게 응용되도록 하기 위하여 매크로(macro)한 크기를 갖도록 형성된 탄소나노튜브의 집합체이다. 탄소나노튜브섬유는 우수한 물성을 갖는 탄소나노튜브를 응집하여 제조되므로 기존의 아라미드 섬유, 탄소섬유와 같은 상용화된 고성능 섬유재료를 능가하는 섬유재료로의 응용가능성이 주목되었다.Carbon Nanotube Fiber (CNTF) is an aggregate of carbon nanotubes formed to have a macro size so that carbon nanotubes can be easily applied to various fields. Since carbon nanotube fibers are manufactured by agglomerating carbon nanotubes having excellent physical properties, the possibility of application as a fiber material that surpasses commercially available high-performance fiber materials such as aramid fiber and carbon fiber has been noted.

고순도의 탄소나노튜브 섬유를 제조하는 종래의 일반적인 방법에는 탄소나노튜브가 분산된 용액을 고분자용액이 담긴 회전하는 용기 내부로 직접 방사하여, 고분자용액이 탄소나노튜브 입자 사이에 침투하여 탄소나노튜브를 접착하여 섬유를 만드는 것이 일반적으로 알려져 있다.In the conventional general method of manufacturing high-purity carbon nanotube fibers, a solution in which carbon nanotubes are dispersed is directly spun into a rotating container containing a polymer solution, so that the polymer solution penetrates between the carbon nanotube particles to penetrate the carbon nanotubes. It is generally known to bond to make fibers.

그러나, 상기와 같이 용액이 직접 방사되는 경우, 고분자용액이 탄소나노튜브 사이로의 확산되는 속도가 느리고, 또한 고분자용액이 담기 용기를 회전하는 속도의 제한으로 인하여 탄소나노튜브 섬유의 제조 효율이 제한되는 문제점이 있다. 뿐만 아니라 제조된 탄소나노튜브 섬유의 30 wt% 내외가 고분자여서 우수한 탄소나노튜브의 특성발현이 제한된다.However, when the solution is directly spun as described above, the diffusion rate of the polymer solution through the carbon nanotubes is slow, and the manufacturing efficiency of the carbon nanotube fibers is limited due to the limitation of the speed at which the container containing the polymer solution is rotated. There is a problem. In addition, since about 30 wt% of the produced carbon nanotube fibers are polymers, the excellent characteristics of carbon nanotubes are limited.

또한, 탄소나노튜브의 우수한 물성들은 개별 탄소나노튜브 만으로 제한되어 있으며, 현재까지의 기술로는 기존의 탄소나노튜브가 갖고 있는 성질에 훨씬 미치지 못하는 탄소나노튜브섬유 만을 제조할 수 있어서, 우수한 물성을 나타내는 탄소나노튜브섬유를 생산하기가 쉽지 않다.In addition, the excellent physical properties of carbon nanotubes are limited only to individual carbon nanotubes, and with the current technology, only carbon nanotube fibers that are far less than the properties of existing carbon nanotubes can be manufactured. It is not easy to produce carbon nanotube fibers that represent.

따라서, 전술한 문제점을 보완하기 위해 본 발명가들은 건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법 및 제조 장치의 개발이 시급하다 인식하여, 본 발명을 완성하였다.Therefore, in order to compensate for the above-described problems, the present inventors recognized that the development of a method and apparatus for manufacturing carbon fibers using dry spinning is urgent, and thus completed the present invention.

대한민국 등록특허공보 제10-1766143호Korean Registered Patent Publication No. 10-1766143 대한민국 등록특허공보 제10-1972987호Korean Patent Publication No. 10-1972987

본 발명의 목적은 탄소섬유를 제조하기 위한 최적의 탄소 나노 튜브 포레스트(carbon nanotube forest)를 제작할 수 있으며, 이로 인해 우수한 수율로 탄소섬유를 제조할 수 있는 건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법 및 제조 장치를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to produce an optimal carbon nanotube forest for producing carbon fibers, and thereby a carbon fiber manufacturing method and manufacturing apparatus using dry spinning capable of manufacturing carbon fibers with excellent yield Is to provide.

본 발명의 다른 목적은 탄소 나노 튜브 면(carbon nanotube layer)을 형성하는 각각의 탄소 나노 튜브 사이에 강력한 반데르 바알스 힘(Van der Waals' force)이 존재하여 높은 밀도를 가지며, 이로 인해 우수한 강도를 갖는 탄소섬유의 제조가 가능한 건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법 및 제조 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is that a strong Van der Waals' force exists between each of the carbon nanotubes forming a carbon nanotube layer, thereby having a high density, and thus excellent strength It is to provide a carbon fiber manufacturing method and manufacturing apparatus using dry spinning capable of manufacturing the carbon fiber having a.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems of the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법 및 제조 장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a carbon fiber manufacturing method and manufacturing apparatus using dry spinning.

이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present specification will be described in more detail.

본 발명은 하기의 단계를 포함하는 건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing carbon fibers using dry spinning comprising the following steps.

(S1) 탄소 나노 튜브로 구성되는 탄소 나노 튜브 포레스트(carbon nanotube forest)를 제조하는 단계;(S1) preparing a carbon nanotube forest composed of carbon nanotubes;

(S2) 상기 탄소 나노 튜브 포레스트의 일면을 탄소섬유 공급부에 고정시키고, 타면을 취합부에 고정시키는 단계;(S2) fixing one surface of the carbon nanotube forest to a carbon fiber supply unit and fixing the other surface to a collecting unit;

(S3) 상기 취합부를 초당 1 내지 10 mm 속도로 방사하여 필름(film) 형상의 탄소 나노 튜브 면(carbon nanotube layer)을 형성하는 단계; 및(S3) forming a film-shaped carbon nanotube layer by spinning the collecting portion at a rate of 1 to 10 mm per second; And

(S4) 상기 취합부를 360 ° 회전시켜 상기 탄소 나노 튜브 면을 꼬아(twisting) 탄소섬유를 제조하는 단계.(S4) manufacturing a carbon fiber by rotating the collecting part 360 ° to twist the surface of the carbon nanotube.

본 발명에 있어서, 상기 (S4) 단계에서 제조된 탄소 섬유에 장력을 부여하는 (S5) 단계;를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the (S5) step of imparting tension to the carbon fiber produced in the (S4) step; characterized in that it further comprises.

본 발명에 있어서, 상기 탄소 나노 튜브 포레스트는 하기의 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the carbon nanotube forest is characterized in that it comprises the following steps.

(S1A) 실리콘(SiO2) 기판 일면에 알루미나(산화알루미늄, Al2O3)를 1 내지 5 nm의 두께로 증착하는 단계;(S1A) depositing alumina (aluminum oxide, Al 2 O 3 ) on one surface of a silicon (SiO 2 ) substrate to a thickness of 1 to 5 nm;

(S1B) 상기 알루미나 일면에 철(Fe) 촉매를 2 내지 3 nm의 두께로 증착하는 단계; 및(S1B) depositing an iron (Fe) catalyst to a thickness of 2 to 3 nm on one surface of the alumina; And

(S1C) 상기 철 촉매 일면에 탄소 나노 튜브를 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용하여 탄소 나노 튜브 포레스트를 제조하는 단계.(S1C) preparing a carbon nanotube forest by using a chemical vapor deposition (CVD) method of carbon nanotubes on one surface of the iron catalyst.

본 발명에 있어서 ,상기 알루미나와 철 촉매 사이에는 1 내지 3 nm의 합금(alloy)이가 형성된 것을 특징으로 한다.In the present invention, an alloy of 1 to 3 nm is formed between the alumina and the iron catalyst.

본 발명에 있어서, 상기 (S3) 단계에서 상기 탄소 나노 튜브 면은 100 내지 500 mm로 형성되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, in the step (S3), the carbon nanotube surface is characterized in that it is formed of 100 to 500 mm.

본 발명에 있어서, 상기 (S3) 단계에서 제조되는 탄소 나노 튜브 면은 상기 탄소 나노 튜브 사이에 존재하는 반데르 바알스 힘(Van der Waals' force)에 의한 인력이 작용하여 형성되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the surface of the carbon nanotubes prepared in step (S3) is characterized in that it is formed by the action of attractive force due to a Van der Waals' force existing between the carbon nanotubes. .

본 발명에 있어서, 상기 (S4) 단계에서 상기 취합부는 초당 1회 360 ° 회전하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, in the step (S4), the collecting unit is rotated 360 ° once per second.

또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조되는 탄소섬유를 제조하기 위한 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조 장치를 제공한다.In addition, the present invention provides a carbon fiber manufacturing apparatus, characterized in that for manufacturing the carbon fiber manufactured by the above method.

본 발명에 있어서, 상기 탄소섬유 제조 장치는 바디부; 상기 바디부의 일 측면에 위치하고, 탄소 나노 튜브 포레스트를 공급하기 위한 공급부; 상기 공급부에 고정된 상기 탄소 나노 튜브 포레스트를 방사하여 탄소 나노 튜브 면을 형성하고 탐소 섬유를 제조하는 취합부; 상기 취합부를 일정한 속도로 이동시키기 위한 이동부; 및 상기 취합부에 의해 제조된 탄소 섬유에 장력을 부여하기 위한 장력부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the carbon fiber manufacturing apparatus includes a body portion; A supply unit located on one side of the body unit and configured to supply a carbon nanotube forest; A collecting unit for forming a surface of carbon nanotubes by spinning the carbon nanotube forest fixed to the supply unit and producing a tamso fiber; A moving part for moving the collecting part at a constant speed; And a tension part for imparting tension to the carbon fiber manufactured by the collecting part.

본 발명에 있어서, 상기 취합부는 상기 탄소 나노 튜브 포레스트의 타면이 고정되는 고정봉; 상기 고정봉의 양면을 고정하고, 상기 탄소 나노 튜브 면을 꼬아(twisting) 탄소 섬유 형태로 제조하기 위한 회전부; 및 상기 회전부를 거치하기 위한 거치대;로 구성되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the collecting part is a fixing rod to which the other surface of the carbon nanotube forest is fixed; A rotating part for fixing both sides of the fixing rod and twisting the carbon nanotube surface to form a carbon fiber; And a holder for mounting the rotating part.

본 발명에 있어서, 상기 이동부는 초당 1 내지 10 mm 속도로 상기 취합부를 이동시키는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the moving part is characterized in that it moves the collecting part at a speed of 1 to 10 mm per second.

본 발명에 있어서, 상기 장력부는 상기 탄소 섬유에 장력을 부여하기 위한 로드(rod); 및 상기 로드를 고정시키고 상기 바디부에 탈부착되기 위한 플레이트(plate);로 구성되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the tension part is a rod for imparting tension to the carbon fiber; And a plate for fixing the rod and being attached to and detached from the body.

상기 건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법 및 제조 장치에서 언급된 모든 사항은 모순되지 않는 한 동일하게 적용된다.All matters mentioned in the carbon fiber manufacturing method and manufacturing apparatus using dry spinning are applied equally unless contradictory.

본 발명의 건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법 및 제조 장치는 탄소섬유를 제조하기 위한 최적의 탄소 나노 튜브 포레스트(carbon nanotube forest)를 제작할 수 있으며, 이로 인해 우수한 수율로 탄소섬유를 제조할 수 있다. The carbon fiber manufacturing method and manufacturing apparatus using dry spinning of the present invention can produce an optimal carbon nanotube forest for manufacturing carbon fibers, and thus, carbon fibers can be manufactured with excellent yield.

또한, 본 발명의 건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법 및 제조 장치는 탄소 나노 튜브 면을 형성하는 각각의 탄소 나노 튜브 사이에 강력한 반데르 바알스 힘(Van der Waals' force)이 존재하여 높은 밀도를 가지며, 이로 인해 우수한 강도를 갖는 탄소섬유의 제조가 가능하다.In addition, the carbon fiber manufacturing method and manufacturing apparatus using dry spinning of the present invention has a strong Van der Waals' force between each of the carbon nanotubes forming the surface of the carbon nanotubes, resulting in high density. And thus it is possible to manufacture carbon fibers having excellent strength.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.

도 1은 본 발명의 건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법을 대략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법에 이용된 탄소 나노 튜브 포레스트를 대략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법의 (S2) 단계를 대략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법의 (S3) 단계를 대략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법의 (S4) 단계를 대략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법의 (S5) 단계를 대략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법에 의해 제조된 탄소섬유의 SEM 이미지이다.
1 is a block diagram schematically showing a carbon fiber manufacturing method using dry spinning of the present invention.
2 is a diagram schematically showing a carbon nanotube forest used in the method for manufacturing carbon fibers using dry spinning of the present invention.
Figure 3 is a view schematically showing the step (S2) of the carbon fiber manufacturing method using the dry spinning of the present invention.
Figure 4 is a view schematically showing the step (S3) of the carbon fiber manufacturing method using the dry spinning of the present invention.
Figure 5 is a view schematically showing the step (S4) of the carbon fiber manufacturing method using the dry spinning of the present invention.
6 is a view schematically showing the step (S5) of the method for manufacturing carbon fibers using dry spinning of the present invention.
7 is an SEM image of carbon fibers manufactured by the method of manufacturing carbon fibers using dry spinning of the present invention.

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.Terms used in the present specification have selected general terms that are currently widely used as possible while considering functions in the present invention, but this may vary depending on the intention or precedent of a technician working in the field, the emergence of new technologies, and the like. In addition, in certain cases, there are terms arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning of the terms will be described in detail in the description of the corresponding invention. Therefore, the terms used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the overall contents of the present invention, not a simple name of the term.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in this application. Does not.

수치 범위는 상기 범위에 정의된 수치를 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최대의 수치 제한은 낮은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 낮은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 최소의 수치 제한은 더 높은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼 모든 더 높은 수치 제한을 포함한다. 본 명세서에 걸쳐 주어진 모든 수치 제한은 더 좁은 수치 제한이 명확히 쓰여져 있는 것처럼, 더 넓은 수치 범위 내의 더 좋은 모든 수치 범위를 포함할 것이다.The numerical range includes the numerical values defined in the above range. All maximum numerical limits given throughout this specification include all lower numerical limits as if the lower numerical limits were expressly written. All minimum numerical limits given throughout this specification are inclusive of all higher numerical limits as if the higher numerical limits were expressly written. All numerical limits given throughout this specification will include all better numerical ranges within the wider numerical range, as if the narrower numerical limits were expressly written.

건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법Carbon fiber manufacturing method using dry spinning

본 발명은 하기의 단계를 포함하는 건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a method for producing carbon fibers using dry spinning comprising the following steps.

(S1) 탄소 나노 튜브로 구성되는 탄소 나노 튜브 포레스트(carbon nanotube forest)를 제조하는 단계;(S1) preparing a carbon nanotube forest composed of carbon nanotubes;

(S2) 상기 탄소 나노 튜브 포레스트의 일면을 탄소섬유 공급부에 고정시키고, 타면을 취합부에 고정시키는 단계;(S2) fixing one surface of the carbon nanotube forest to a carbon fiber supply unit and fixing the other surface to a collecting unit;

(S3) 상기 취합부를 초당 1 내지 10 mm 속도로 방사하여 필름(film) 형상의 탄소 나노 튜브 면(carbon nanotube layer)을 형성하는 단계; 및(S3) forming a film-shaped carbon nanotube layer by spinning the collecting portion at a rate of 1 to 10 mm per second; And

(S4) 상기 취합부를 360 ° 회전시켜 상기 탄소 나노 튜브 면을 꼬아(twisting) 탄소섬유를 제조하는 단계.(S4) manufacturing a carbon fiber by rotating the collecting part 360 ° to twist the surface of the carbon nanotube.

본 발명에 사용된 용어 “탄소 나노 튜브(carbon nanotube, CNT)”는, 원기둥 모양의 나노구조를 지니는 탄소의 동소체를 의미하며, 우수한 기계적 특성, 열적 특성, 전기적 특성을 갖는다.The term “carbon nanotube (CNT)” used in the present invention refers to an allotrope of carbon having a cylindrical nanostructure, and has excellent mechanical properties, thermal properties, and electrical properties.

본 발명에 있어서, 상기 (S1) 단계는 탄소 나노 튜브로 구성되는 탄소 나노 튜브 포레스트(carbon nanotube forest)를 제조하는 단계일 수 있다.In the present invention, the step (S1) may be a step of manufacturing a carbon nanotube forest composed of carbon nanotubes.

보다 구체적으로, 상기 탄소 나노 튜브 포레스트는 하기의 단계에 의해 제조될 수 있다.More specifically, the carbon nanotube forest may be manufactured by the following steps.

(S1A) 실리콘(SiO2) 기판 일면에 알루미나(산화알루미늄, Al2O3)를 1 내지 5 nm의 두께로 증착하는 단계;(S1A) depositing alumina (aluminum oxide, Al 2 O 3 ) on one surface of a silicon (SiO 2 ) substrate to a thickness of 1 to 5 nm;

(S1B) 상기 알루미나 일면에 철(Fe) 촉매를 2 내지 3 nm의 두께로 증착하는 단계; 및(S1B) depositing an iron (Fe) catalyst to a thickness of 2 to 3 nm on one surface of the alumina; And

(S1C) 상기 철 촉매 일면에 탄소 나노 튜브를 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용하여 탄소 나노 튜브 포레스트를 제조하는 단계.(S1C) preparing a carbon nanotube forest by using a chemical vapor deposition (CVD) method of carbon nanotubes on one surface of the iron catalyst.

상기 (S1A) 단계에 있어서, 상기 알루미나는 1 내지 5 nm의 두께로 코팅되는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로 상기 알루미나가 1 nm 미만으로 코팅될 경우 상기 알루미나의 두께가 너무 얇게 형성되어 상기 알루미나로 인한 효과가 나타나지 않으며, 상기 알루미나를 10 nm 초과하여 코팅될 경우 상기 알루미나 층과 상기 탄소 나노 튜브 사이의 결합력이 증대되어 건식 방사가 수행될 수 없다. 따라서, 상기 알루미나는 1 내지 5 nm의 두께로 코팅되는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 2 내지 4 nm의 두께로 코팅될 수 있다.In the step (S1A), the alumina is preferably coated to a thickness of 1 to 5 nm. More specifically, when the alumina is coated with a thickness of less than 1 nm, the alumina is formed too thin, so that the effect due to the alumina does not appear, and when the alumina is coated more than 10 nm, the alumina layer and the carbon nanotube Dry spinning cannot be performed due to the increased bonding force. Therefore, the alumina is preferably coated to a thickness of 1 to 5 nm, and most preferably may be coated to a thickness of 2 to 4 nm.

상기 (S1B) 단계에 있어서, 상기 실리콘(SiO2) 기판 일면에 증착된 알루미나의 상부면에 철(Fe) 촉매를 2 내지 3 nm의 두께로 증착할 수 있다.In the step (S1B), an iron (Fe) catalyst may be deposited to a thickness of 2 to 3 nm on the upper surface of the alumina deposited on one surface of the silicon (SiO 2 ) substrate.

상기 철 촉매는 전자 빔 코팅 시스템(electron beam coating system)에 의해 증착될 수 있으며, 상기 전자 빔 코팅 시스템은 증발 챔버(evaporating chamber), 증발 제어 시스템(evaporate control system), 전원 공급 시스템(power supply system) 및 진공 시스템(vacuum system)으로 구성될 수 있다.The iron catalyst may be deposited by an electron beam coating system, and the electron beam coating system includes an evaporating chamber, an evaporate control system, and a power supply system. ) And a vacuum system.

보다 구체적으로, 상기 증발 챔버 내에 상기 알루미나가 코팅된 실리콘 기판을 삽입하고, 4 x 10-6 내지 5 x 10-6 torr의 압력을 가한다. 다음으로, 4 내지 6 kV의 고전압을 인가하고, 철 촉매를 상기 알루미나 상부면에 증착시킨다.More specifically, the alumina-coated silicon substrate is inserted into the evaporation chamber, and a pressure of 4 x 10 -6 to 5 x 10 -6 torr is applied. Next, a high voltage of 4 to 6 kV is applied, and an iron catalyst is deposited on the alumina upper surface.

상기 전자 빔 코팅 시스템에 의해 철 촉매가 증착되고, 탄소 나노 튜브 합성 시, 촉매 금속 아일랜드를 형성하기 위해 가해주는 발생되는 열로 인해 상기 알루미나와 철 촉매 사이에는 합금(alloy)이 형성될 수 있다. 상기 합금은 1 내지 3 nm 두께로 형성될 수 있다. 상기 합금으로 인해 상기 (S1C) 단계에서 코팅되는 탄소 나노 튜브 사이의 결합력이 감소되어 탄소섬유가 형성되는 수율이 현저히 증가될 수 있다.An iron catalyst is deposited by the electron beam coating system, and an alloy may be formed between the alumina and the iron catalyst due to heat generated to form a catalytic metal island during carbon nanotube synthesis. The alloy may be formed to a thickness of 1 to 3 nm. Due to the alloy, the bonding force between the carbon nanotubes coated in the (S1C) step may be reduced, so that the yield of forming carbon fibers may be significantly increased.

최종적으로, 상기 (S1C) 단계에서 상기 (S1B) 단계에서 증착된 철 촉매 일면에 탄소 나노 튜브를 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용하여 탄소 나노 튜브 포레스트를 제조할 수 있다.Finally, in the (S1C) step, a carbon nanotube forest can be prepared by using a chemical vapor deposition (CVD) method of carbon nanotubes on one surface of the iron catalyst deposited in the (S1B) step.

본 발명에 있어서, 상기 (S2) 단계는 상기 탄소 나노 튜브 포레스트의 일면을 탄소섬유 공급부에 고정시키고, 타면을 취합부에 고정시키는 단계일 수 있고, 상기 (S3) 단계는 상기 취합부를 초당 1 내지 10 mm 속도로 방사하여 필름(film) 형상의 탄소 나노 튜브 면(carbon nanotube layer)을 형성하는 단계일 수 있다.In the present invention, the step (S2) may be a step of fixing one surface of the carbon nanotube forest to the carbon fiber supply unit and fixing the other surface to the collecting unit, and the step (S3) includes 1 to 1 per second of the collecting unit. It may be a step of forming a film-shaped carbon nanotube layer by spinning at a speed of 10 mm.

상기 (S3) 단계에서 상기 탄소 나노 튜브 면은 100 내지 500 mm로 형성될 수 있다. 상기 탄소 나노 튜브 면이 100 mm 미만으로 형성될 경우 짧은 길이로 인해 최종적으로 제조되는 탄소섬유의 제조에 어려움이 있으며, 상기 탄소 나노 튜브 면이 500 mm를 초과하여 형성될 경우 상기 탄소 나노 튜브 면에 가해지는 장력이 감소하여 상기 탄소 나노 튜브 면이 끊어질 수 있으므로, 상기 탄소 나노 튜브 면은 100 내지 500 mm의 길이도 형성되는 것이 바람직하다.In the step (S3), the surface of the carbon nanotube may be 100 to 500 mm. When the carbon nanotube side is formed to be less than 100 mm, it is difficult to manufacture the finally produced carbon fiber due to the short length, and when the carbon nanotube side is formed to exceed 500 mm, the carbon nanotube side is Since the applied tension is reduced and the surface of the carbon nanotubes may be cut, it is preferable that the surface of the carbon nanotubes has a length of 100 to 500 mm.

상기 (S3) 단계에서 제조되는 탄소 나노 튜브 면은 상기 탄소 나노 튜브 사이에 존재하는 반데르 바알스 힘(Van der Waals' force)에 의한 인력이 작용하여 형성될 수 있다. 상기 반데르 바알스 힘으로 인해 상기 탄소 나노 튜브가 밀도 높게 형성될 수 있고, 이로 인해 최종적으로 제조되는 탄소섬유의 강도를 현저히 향상시킬 수 있다.The surface of the carbon nanotubes prepared in step (S3) may be formed by the action of attractive force due to the Van der Waals' force existing between the carbon nanotubes. Due to the Van der Waals force, the carbon nanotubes may be formed with a high density, and thus the strength of the finally produced carbon fiber may be remarkably improved.

본 발명에 있어서, 상기 (S4) 단계는 상기 취합부를 360 ° 회전시켜 상기 탄소 나노 튜브 면을 꼬아(twisting) 탄소섬유를 제조하는 단계일 수 있다.In the present invention, the step (S4) may be a step of manufacturing a carbon fiber by twisting the surface of the carbon nanotube by rotating the collecting part by 360°.

보다 구체적으로, 상기 취합부는 초당 1회 360 ° 회전하여 상기 탄소 나노 튜브 면을 꼬아 꼬인 형태의 탄소섬유를 제조할 수 있다. More specifically, the collecting part may be rotated 360° once per second to prepare a twisted carbon fiber by twisting the surface of the carbon nanotube.

본 발명은 상기 (S4) 단계 완료 후, 상기 (S4) 단계에서 제조된 탄소 섬유에 장력을 부여하는 (S5) 단계;를 추가적으로 포함할 수 있습니다.The present invention may further include a step (S5) of applying tension to the carbon fiber produced in the step (S4) after completion of the step (S4).

보다 구체적으로, 상기 (S5) 단계는 상기 (S4) 단계에서 제조된 탄소 섬유를 플레이트(plate) 일면에 형성된 로드(rod)에 올려 둠으로써, 상기 탄소 섬유의 각도에 따른 마찰력으로 인해 장력을 부여할 수 있다. More specifically, in the step (S5), the carbon fiber produced in the step (S4) is placed on a rod formed on one surface of the plate, thereby imparting tension due to the frictional force according to the angle of the carbon fiber. can do.

본 발명의 건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법은 탄소섬유를 제조하기 위한 최적의 탄소 나노 튜브 포레스트(carbon nanotube forest)를 제작할 수 있으며, 이로 인해 우수한 수율로 탄소섬유를 제조할 수 있다.The method for manufacturing carbon fibers using dry spinning of the present invention can produce an optimal carbon nanotube forest for manufacturing carbon fibers, and thus, carbon fibers can be manufactured with excellent yield.

또한, 탄소 나노 튜브 면을 형성하는 각각의 탄소 나노 튜브 사이에 강력한 반데르 바알스 힘(Van der Waals' force)이 존재하여 높은 밀도를 가지며, 우수한 강도를 갖는 탄소섬유의 제조가 가능하다.In addition, a strong Van der Waals' force exists between each of the carbon nanotubes forming the surface of the carbon nanotubes, so that carbon fibers having high density and excellent strength can be manufactured.

탄소섬유 제조 장치Carbon fiber manufacturing equipment

본 발명은 상기의 제조방법을 이용하여 탄소섬유를 제조하기 위한 탄소 섬유 제조 장치를 제공한다.The present invention provides a carbon fiber manufacturing apparatus for manufacturing carbon fibers using the above manufacturing method.

보다 구체적으로, 바디부; 상기 바디부의 일 측면에 위치하고, 탄소 나노 튜브 포레스트를 공급하기 위한 공급부; 상기 공급부에 고정된 상기 탄소 나노 튜브 포레스트를 방사하여 탄소 나노 튜브 면을 형성하고 탄소 섬유를 제조하는 취합부; 상기 바디부의 길이방향으로 위치하고, 상기 취합부를 일정한 속도로 이동시키기 위한 이동부; 및 상기 취합부에 의해 제조된 탄소 섬유에 장력을 부여하기 위한 장력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조 장치를 제공한다.More specifically, the body portion; A supply unit located on one side of the body unit and configured to supply a carbon nanotube forest; A collecting part for forming a carbon nanotube surface by spinning the carbon nanotube forest fixed to the supply part and producing a carbon fiber; A moving part positioned in the longitudinal direction of the body part and moving the collecting part at a constant speed; And a tension part for imparting tension to the carbon fiber produced by the collecting part.

상기 바디부는 상기 탄소 섬유 제조 장치의 형태를 유지하기 위한 형태를 형성할 수 있다. The body portion may have a shape for maintaining the shape of the carbon fiber manufacturing apparatus.

또한, 상기 장력부가 탈부착 되기 위한 홈이 길이 방향으로 형성될 수 있으며, 상기 홈은 길이 및 너비는 상기 장력부에 따라 용이하게 변경될 수 있다.In addition, a groove for attaching and detaching the tension part may be formed in a longitudinal direction, and the length and width of the groove may be easily changed according to the tension part.

본 발명에 있어서, 상기 탄소섬유 공급부는 탄소섬유의 재료를 공급하기 위한 탄소 나노 튜브 프레스트의 일면이 고정될 수 있다.In the present invention, the carbon fiber supply unit may be fixed to one side of the carbon nanotube press for supplying the material of the carbon fiber.

상기 탄소섬유 공급부는 100 내지 130 mm의 높이도 형성될 수 있으며, 바람직하게는 110 내지 120 mm 높이로 형성될 수 있다.The carbon fiber supply unit may have a height of 100 to 130 mm, and preferably may be formed to have a height of 110 to 120 mm.

본 발명에 있어서, 상기 취합부는 상기 탄소 나노 튜브 포레스트 타면이 고정되고, 상기 이동부에 의해 이동하면서 상기 탄소 나노 튜브 면을 형성할 수 있다.In the present invention, the collecting portion may be fixed to the other surface of the carbon nanotube forest, and may form the carbon nanotube surface while being moved by the moving portion.

상기 취합부는 아크릴 또는 스틸 소재로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The collecting portion may be formed of an acrylic or steel material, but is not limited thereto.

상기 취합부는, 상기 탄소 나노 튜브 포레스트의 타면이 고정되는 고정봉; 상기 고정봉의 양면을 고정하고, 상기 탄소 나노 튜브 면을 꼬아(twisting) 탄소 섬유 형태로 제조하기 위한 회전부; 및 상기 회전부를 거치하기 위한 거치대;로 구성될 수 있다.The collecting part may include a fixing rod to which the other surface of the carbon nanotube forest is fixed; A rotating part for fixing both sides of the fixing rod and twisting the carbon nanotube surface to form a carbon fiber; And a cradle for mounting the rotating part.

상기 고정봉은 상기 탄소 나노 튜브 포레스트의 타면을 고정시킴으로써 탄소 나노 튜브 면을 형성하기 위한 재료를 공급할 수 있다.The fixing rod may supply a material for forming the carbon nanotube surface by fixing the other surface of the carbon nanotube forest.

상기 회전부는 상기 탄소 나노 튜브 면을 초당 1회 360 ° 회전 시킬 수 있다. 상기 회전부가 회전함에 따라 상기 탄소 나노 튜브가 꼬여 일정한 두께의 탄소 섬유 형태로 제조될 수 있다. The rotating part may rotate the surface of the carbon nanotube 360° once per second. As the rotating part rotates, the carbon nanotubes may be twisted to form a carbon fiber having a predetermined thickness.

상기 회전부는 상기 고정봉의 양면을 고정하는 것으로, “ㄷ”자 형태로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 회전부의 “ㄷ” 형태의 양 끝에 홈이 형성되어 상기 홈에 상기 고정봉이 삽입됨으로써 상기 고정봉을 고정시킬 수 있다. The rotating part fixes both sides of the fixing rod, and may be formed in a “c” shape. More specifically, grooves are formed at both ends of the “c” shape of the rotating part, and the fixing rod may be inserted into the groove to fix the fixing rod.

상기 거치대는 상기 회전부를 거치할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 거치대는 상기 회전부를 회전 가능한 나사를 이용하여 고정하여 거치할 수 있고, 회전 가능한 회전축에 삽입되러 거치할 수 있으며, 회전 가능한 형태로 고정되어 거치되는 것이라면 이에 한정되는 것은 아니다.The cradle may mount the rotating part. More specifically, the cradle may be mounted by fixing the rotating part using a rotatable screw, may be mounted to be inserted into a rotatable rotating shaft, and is not limited thereto as long as it is fixed and mounted in a rotatable form.

본 발명에 있어서, 상기 이동부는 상기 취합부를 초당 1 내지 10 mm 속도로 이동시킬 수 있다. 상기 이동부는 일정한 속도로 이동함으로써 상기 취합부에 고정된 탄소 나노 튜브 포레스트에 장력을 가하고, 이로 인해 탄소 나노 튜브 면을 형성할 수 있다. In the present invention, the moving part may move the collecting part at a speed of 1 to 10 mm per second. The moving part may move at a constant speed to apply tension to the carbon nanotube forest fixed to the collecting part, thereby forming a carbon nanotube surface.

상기 이동부는 롤러를 이용하거나, 모터가 추가적으로 설치되어 이동할 수 있으며, 일정한 속도를 상기 취합부를 이동시킬 수 있는 방법이라면 이에 한정되지 않는다.The moving unit may be moved by using a roller or an additional motor is installed, and a method capable of moving the collecting unit at a constant speed is not limited thereto.

본 발명에 있어서, 상기 장력부는 상기 취합부에 의해 제조된 탄소 섬유에 장력을 부여할 수 있다. In the present invention, the tension unit may impart tension to the carbon fiber manufactured by the collecting unit.

상기 장력부는 상기 바디부의 길이방향으로 일 측면에 탈부착 될 수 있는 형태로 제조될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 장력부는 상기 탄소 나노 튜브 면에 상기 회전부에 의해 꼬아져 상기 탄소 섬유로 제조되고 난 후, 상기 바디부의 일 측면에 부착될 수 있다.The tension part may be manufactured in a form that can be detachably attached to one side of the body part in the longitudinal direction. More specifically, the tension part may be twisted on the surface of the carbon nanotube by the rotation part to be made of the carbon fiber, and then attached to one side of the body part.

상기 장력부는 상기 탄소 섬유에 장력을 부여하기 위한 로드(rod); 및 상기 로드를 고정시키고 상기 바디부에 탈부착 되기 위한 플레이트(plate);로 구성될 수 있다.The tension part may include a rod for imparting tension to the carbon fiber; And a plate for fixing the rod and being attached to and detached from the body.

상기 로드는 상기 제조된 탄소 섬유의 각도에 따른 마찰력, 다시 말해 상기 탄소 섬유와 상기 로드가 맞닿은 부분에 장력을 부여할 수 있다. The rod may apply a frictional force according to the angle of the manufactured carbon fiber, that is, a tension to a portion where the carbon fiber and the rod abut.

상기 플레이트는 직사각형의 평면 형태일 수 있으나 상기 로드는 고정시키고 상기 바디부에 탈부착 될 수 있는 형태라면 한정되지 않는다.The plate may have a rectangular planar shape, but is not limited as long as the rod is fixed and detachable to the body portion.

본 발명의 탄소섬유 제조 장치는 고온, 고압과 같은 특정 조건이 필요하지 않아 대량 생산 산업에 적용되기 용이하며, 간단한 모듈을 공정 상에 삽입하는 후처리 공정을 통해 탄소섬유의 물성을 향상시킬 수 있으므로 소규모의 사업장에서도 이용될 수 있다.Since the carbon fiber manufacturing apparatus of the present invention does not require specific conditions such as high temperature and high pressure, it is easy to apply to mass production industries, and the physical properties of carbon fibers can be improved through a post-treatment process in which a simple module is inserted into the process. It can also be used in small businesses.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해 질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하세 알려 주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Advantages and features of the present invention, and a method of achieving them will become apparent with reference to embodiments described below in detail. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in a variety of different forms, and only the embodiments make the disclosure of the present invention complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention pertains. It is provided to inform a person having a complete scope of the invention, and the invention is only defined by the scope of the claims.

이하에서 언급된 시약 및 용매는 특별한 언급이 없는 한 태원과학(주)로 부터 구입하였으며, 실시예에 이용된 전자 빔 코팅 시스템(electron beam coating system) 장비는 SHE-6T-350D (삼한박막진공(주))을 이용하여 실험을 수행하고, 실시예에 사용된 화학기상증착법 장비는 전기로(furnace)(㈜아이작)를 이용하였다.The reagents and solvents mentioned below were purchased from Taewon Science Co., Ltd. unless otherwise specified, and the electron beam coating system equipment used in the examples was SHE-6T-350D (Samhan Thin Film Vacuum ( Note)) was used to perform the experiment, and the chemical vapor deposition equipment used in the examples was an electric furnace (Izak Co., Ltd.).

제조예 1. 탄소 나노 튜브 제조Preparation Example 1. Preparation of carbon nanotubes

본 발명에 사용되는 탄소 나노 튜브는 저압 화학 기상 증착(Low pressure chemical vapor deposition, LP-CVD)법에 의해 제조하였다. The carbon nanotubes used in the present invention were manufactured by a low pressure chemical vapor deposition (LP-CVD) method.

보다 구체적으로, 저압 화학 기상 증착이 수행되는 반응기의 챔버 내부는 탄소 나노 튜브가 성장하기 위한 기판으로 넣고, 상기 챔버 내부를 10-4 torr의 환경으로 유지시켰다. 그리고, 상기 반응기에 아르곤(400 sccm)을 흘려주면서 520 ℃를 유지시켰다. 그 다음, 수소(H2)를 500 sccm로 1분 동안 상기 챔버에 도입하여 균일한 크기의 촉매 입자를 형성하게 하여 전처리 공정을 수행하였다. 상기 전처리 공정을 완료하고, 아르곤을 4분 동안 400 sccm의 속도로 흘려주고 700 ℃로 온도를 유지시켰다. 그리고, 아세틸렌(ethyne, C2H2)을 200 sccm으로, 수소(H2)를 400 sccm으로 동시에 30분 동안 챔버 내부에 흘려주면서 탄소 나노 튜브를 성장시켰다. 최종적으로, 아르곤(400 sccm)을 흘려주면서 실온으로 냉각하여 탄소 나노 튜브를 제조하였다. More specifically, the inside of the chamber of the reactor in which the low pressure chemical vapor deposition is performed was put as a substrate for growing carbon nanotubes, and the inside of the chamber was maintained in an environment of 10 -4 torr. And, while passing argon (400 sccm) to the reactor was maintained at 520 ℃. Then, hydrogen (H 2 ) was introduced into the chamber at 500 sccm for 1 minute to form catalyst particles having a uniform size to perform a pretreatment process. After completing the pretreatment process, argon was flowed at a rate of 400 sccm for 4 minutes, and the temperature was maintained at 700°C. In addition, acetylene (ethyne, C 2 H 2 ) at 200 sccm and hydrogen (H 2 ) at 400 sccm were simultaneously flowed into the chamber for 30 minutes to grow carbon nanotubes. Finally, argon (400 sccm) was flowed and cooled to room temperature to prepare a carbon nanotube.

실시예 1. 탄소섬유 제조Example 1. Carbon fiber production

1. 탄소 나노 튜브 포레스트 제조1. Manufacture of carbon nanotube forest

실리콘(SiO2) 기판 일면에 알루미나(산화알루미늄, Al2O3)을 3 nm의 두께로 증착시켜 코팅하였다. 그리고 상기 알루미나 층 상부면에 4 x 10-6의 압력 환경에서 5 kV의 고전압을 가한 전자 빔 코팅 시스템(electron beam coating system)을 이용하여 철 촉매를 3 nm의 두께로 코팅하였다. 이때, 상기 알루미나와 철 촉매 사이에 합금(alloy)이가 형성되었다. 최종적으로 상기 철 촉매층 상부면에 상기 제조예 1에서 제조된 탄소 나노 튜브를 코팅하여 탄소 나노 튜브 포레스트를 제조하였다.The silicon (SiO 2 ) substrate was coated by depositing alumina (aluminum oxide, Al 2 O 3 ) to a thickness of 3 nm. Then, the iron catalyst was coated to a thickness of 3 nm using an electron beam coating system in which a high voltage of 5 kV was applied in a pressure environment of 4 x 10 -6 on the upper surface of the alumina layer. At this time, an alloy was formed between the alumina and the iron catalyst. Finally, a carbon nanotube forest was prepared by coating the carbon nanotube prepared in Preparation Example 1 on the upper surface of the iron catalyst layer.

2. 탄소섬유 제조2. Carbon fiber manufacturing

상기 제조된 탄소 나노 튜브 포레스트의 일면을 탄소섬유 제조 장치의 탄소섬유 공급부에 고정시키고, 타면을 취합부에 고정시켰다. 상기 취합부를 초당 7 Mm의 속도로 이동하면서 필름(film) 형상의 탄소 나노 튜브 면을 260 mm 형성하였다. 다음으로, 상기 탄소 나노 튜브 면과 연결된 상기 취합부를 360 ° 다수번 회전시켜 본 발명의 탄소섬유를 제조하였다. 최종적으로, 이를 장력부의 로드에 올려 놓아 상기 탄소섬유와 상기 로드가 맞닿은 부분에 장력을 부여하였으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다.One side of the prepared carbon nanotube forest was fixed to the carbon fiber supply unit of the carbon fiber manufacturing apparatus, and the other side was fixed to the collecting unit. While moving the collecting part at a speed of 7 Mm per second, a film-shaped carbon nanotube surface was formed by 260 mm. Next, the carbon fiber of the present invention was manufactured by rotating the collecting part connected to the carbon nanotube surface several times by 360°. Finally, the tension was applied to the portion where the carbon fiber and the rod abutted by placing it on the rod of the tension portion, and the result is shown in FIG. 7.

상기 도 7을 참조하면, 상기 제조된 탄소섬유의 표면이 매끄럽고 고르게 제조된 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 7, it can be seen that the surface of the manufactured carbon fiber is smooth and evenly manufactured.

이상 설명으로부터, 본 발명에 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.From the above description, it will be understood that those skilled in the art belonging to the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. In this regard, the embodiments described above are illustrative in all respects, and should be understood as non-limiting.

탄소 나노 튜브 면 : 10
탄소섬유 : 20
바디부 : 100
홈 : 110
공급부 : 200
취합부 : 300
고정봉 : 310
회전부 : 320
거치대 : 330
이동부 : 400
장력부 : 500
로드(rod) : 510
플레이트(plate) : 520
Carbon nanotube face: 10
Carbon fiber: 20
Body: 100
Home: 110
Supply Department: 200
Collecting part: 300
Fixed rod: 310
Rotating part: 320
Mount: 330
Moving part: 400
Tension part: 500
Rod: 510
Plate: 520

Claims (11)

(S1) 탄소 나노 튜브로 구성되는 탄소 나노 튜브 포레스트(carbon nanotube forest)를 제조하는 단계;
(S2) 상기 탄소 나노 튜브 포레스트의 일면을 탄소섬유 공급부에 고정시키고, 타면을 이동부 상에 위치하는 취합부에 고정시키는 단계;
(S3) 상기 이동부를 통해 상기 취합부를 상기 공급부로부터 초당 1 내지 10 mm 속도로 이격시키면서 방사하여 필름(film) 형상의 탄소 나노 튜브 면(carbon nanotube layer)을 형성하는 단계; 및
(S4) 상기 취합부를 360 ° 회전시켜 상기 탄소 나노 튜브 면을 꼬아(twisting) 탄소섬유를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법.
(S1) preparing a carbon nanotube forest composed of carbon nanotubes;
(S2) fixing one surface of the carbon nanotube forest to a carbon fiber supply unit and fixing the other surface to a collecting unit positioned on the moving unit;
(S3) forming a film-shaped carbon nanotube layer by spinning the collecting part apart from the supply part at a rate of 1 to 10 mm per second through the moving part; And
(S4) manufacturing a carbon fiber by twisting the surface of the carbon nanotube by rotating the collecting part by 360 °. A method for producing carbon fiber using dry spinning, comprising: a.
제1항에 있어서,
상기 (S4) 단계에서 제조된 탄소 섬유에 장력을 부여하는 (S5) 단계;를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법.
The method of claim 1,
The carbon fiber manufacturing method using dry spinning, characterized in that it further comprises a; (S5) step of imparting tension to the carbon fiber prepared in the step (S4).
제1항에 있어서,
상기 탄소 나노 튜브 포레스트는,
(S1A) 실리콘(SiO2) 기판 일면에 알루미나(산화알루미늄, Al2O3)를 1 내지 5 nm의 두께로 증착하는 단계;
(S1B) 상기 알루미나 일면에 철(Fe) 촉매를 2 내지 3 nm의 두께로 증착하는 단계; 및
(S1C) 상기 철 촉매 일면에 탄소 나노 튜브를 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)을 이용하여 탄소 나노 튜브 포레스트를 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 알루미나와 철 촉매 사이에는 1 내지 3 nm의 합금(alloy)이가 형성된 것을 특징으로 하는 건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법.
The method of claim 1,
The carbon nanotube forest,
(S1A) depositing alumina (aluminum oxide, Al 2 O 3 ) on one surface of a silicon (SiO 2 ) substrate to a thickness of 1 to 5 nm;
(S1B) depositing an iron (Fe) catalyst to a thickness of 2 to 3 nm on one surface of the alumina; And
(S1C) preparing a carbon nanotube forest using a chemical vapor deposition (CVD) method of carbon nanotubes on one surface of the iron catalyst; including,
A method for producing carbon fiber using dry spinning, characterized in that an alloy of 1 to 3 nm is formed between the alumina and the iron catalyst.
제1항에 있어서,
상기 (S3) 단계에서 상기 탄소 나노 튜브 면은 100 내지 500 mm 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법.
The method of claim 1,
The carbon fiber manufacturing method using dry spinning, characterized in that the carbon nanotube surface is formed in a length of 100 to 500 mm in the step (S3).
제1항에 있어서,
상기 (S3) 단계에서 제조되는 탄소 나노 튜브 면은 상기 탄소 나노 튜브 사이에 존재하는 반데르 바알스 힘(Van der Waals' force)에 의한 인력이 작용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법.
The method of claim 1,
Carbon using dry spinning, characterized in that the carbon nanotube surface produced in step (S3) is formed by the action of attractive force by Van der Waals' force existing between the carbon nanotubes. Fiber manufacturing method.
제1항에 있어서,
상기 (S4) 단계에서 상기 취합부는 초당 1회 360 ° 회전하는 것을 특징으로 하는 건식 방사를 이용한 탄소섬유 제조 방법.
The method of claim 1,
The carbon fiber manufacturing method using dry spinning, characterized in that in the step (S4), the collecting unit rotates 360 ° once per second.
바디부;
상기 바디부의 일 측면에 위치하고, 탄소 나노 튜브 포레스트를 공급하기 위한 공급부;
상기 공급부에 고정된 상기 탄소 나노 튜브 포레스트를 방사하여 탄소 나노 튜브 면을 형성하고 탄소 섬유를 제조하는 취합부;
상기 취합부를 일정한 속도로 이동시키기 위한 이동부; 및
상기 취합부에 의해 제조된 탄소 섬유에 장력을 부여하기 위한 장력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조 장치.
Body part;
A supply unit located on one side of the body unit and configured to supply a carbon nanotube forest;
A collecting part for forming a carbon nanotube surface by spinning the carbon nanotube forest fixed to the supply part and producing a carbon fiber;
A moving part for moving the collecting part at a constant speed; And
A carbon fiber manufacturing apparatus comprising: a tension unit for imparting tension to the carbon fibers manufactured by the collecting unit.
제7항에 있어서,
상기 취합부는,
상기 탄소 나노 튜브 포레스트의 타면이 고정되는 고정봉;
상기 고정봉의 양면을 고정하고, 상기 탄소 나노 튜브 면을 꼬아(twisting) 탄소 섬유 형태로 제조하기 위한 회전부; 및
상기 회전부를 거치하기 위한 거치대;로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조 장치.
The method of claim 7,
The collecting part,
A fixing rod to which the other surface of the carbon nanotube forest is fixed;
A rotating part for fixing both sides of the fixing rod and twisting the carbon nanotube surface to form a carbon fiber; And
A carbon fiber manufacturing apparatus comprising: a cradle for mounting the rotating part.
제7항에 있어서,
상기 이동부는 초당 1 내지 10 mm 속도로 상기 취합부를 이동시키는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조 장치.
The method of claim 7,
The moving unit carbon fiber manufacturing apparatus, characterized in that to move the collecting unit at a speed of 1 to 10 mm per second.
제7항에 있어서,
상기 장력부는,
상기 탄소 섬유에 장력을 부여하기 위한 로드(rod); 및
상기 로드를 고정시키고 상기 바디부에 탈부착되기 위한 플레이트(plate);로 구성되는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조 장치.
The method of claim 7,
The tension part,
A rod for imparting tension to the carbon fiber; And
A carbon fiber manufacturing apparatus comprising: a plate for fixing the rod and attaching or detaching to the body.
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