KR101660032B1 - 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층 - Google Patents

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Abstract

탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층에 관한 발명이 개시된다. 개시된 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층은, 복수 개의 탄소섬유가 배열되어 형성되는 탄소섬유층과, 탄소섬유층의 표면에 코팅되며, 탄소를 포함하여 이루어지는 탄소박막층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층{CARBON FIBER LAYER WITH CARBON COATING}
본 발명은 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층에 관한 것으로, 보다 상세하게는 직조된 CFRP 등의 탄소섬유층에 탄소박막층을 적용하여 기계적 특성 및 층간 결합력을 보강한 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층에 관한 것이다.
화석연료의 고갈이 심각한 사회 문제로 대두되면서 이산화탄소 감소를 위한 친환경적 경량화 소재의 필요성이 증대되고 있다. 경량화 소재는 자동차, 항공기, 선박에서와 함께 철도차량에 사용할 경우 화석 연료의 소비를 개선 가능하다.
자동차 분야에서는 차체는 물론 인테리어 까지도 광범위하게 탄소섬유를 적용하여 차량의 무게를 줄여 속도 향상 및 연비를 개선하고 있으며, Airbus A350은 날개와 몸체를 포함한 총 53 %가 탄소섬유로 제작되어 강성은 높이고 중량을 획기적으로 줄여 연비와 안정성을 크게 개선할 수 있다.
특히, 철도 차량은 하중을 받는 궤도의 유지보수 문제와 고속 주행 시 주행저항 감소를 위해 축 중량의 감소 등이 요구되며, 특히 가·감속이 많은 도시철도에서는 전력에너지 절감을 위하여 경량화가 요청되는 상황이다.
뿐만 아니라, 차량 중량의 감소로 고속에서 안정적인 제동효과를 가질 수 있으며 교량 등의 구조물을 간단히 하여 건설비를 획기적으로 경감할 수 있다.
이러한 장점을 가지는 철도 차량 경량화를 달성하기 위해서 다양한 경량화 소재들이 개발되고 있다. 특히. 철도차량의 경량화를 위하여 차량의 차체, 대차 및 의장/내장분야 부품을 강철(Steel) 보다 가벼운 소재인 스테인리스, 고강도 알루미늄, 탄소섬유 복합소재 및 난연 마그네슘 합금 등 첨단 소재를 적용하고 있다.
현재 경량화 소재로 주목을 받는 물질은 고강도 알루미늄, 난연 마그네슘 및 탄소섬유 복합소재(CFRP: Carbon Fiber Reinforcement Plastics) 등이나 탄소섬유를 적용한 복합소재의 경우 가격 및 입체 가공성 등은 우수하지만 다른 경량화 소재에 비해 기계적 성질이 부족하며, 층간 접착력이 떨어지는 문제점이 있다. 따라서 이를 개선할 필요성이 요청된다.
본 발명의 배경기술은 공개특허공보 제2013-0018028호(2013.02.20 공개, 발명의 명칭: 카본 섬유 제조장치)에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 탄소섬유층의 기계적 강성 층간 접착력을 증대시킬 수 있는 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층은: 복수 개의 탄소섬유가 배열되어 형성되는 탄소섬유층; 및 상기 탄소섬유층의 표면에 코팅되며, 탄소를 포함하여 이루어지는 탄소박막층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 탄소섬유층은, 복수 개의 탄소섬유가 직조되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 탄소섬유층은, 복수 개의 탄소섬유가 평행하게 배열되는 탄소배열층; 및 복수 개의 탄소섬유 사이에 충진되어 상기 탄소섬유를 결합하는 탄소섬유연결재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 탄소섬유연결재는, 열경화성 수지를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 탄소섬유연결재는, 에폭시 또는 불포화 폴리에스테르를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 탄소박막층은, 상기 탄소섬유층의 양면에 증착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 탄소박막층은, 드라이 플레이팅 방식으로 탄소섬유층에 코팅되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 탄소박막층은, 스퍼터링 방식에 의하여 상기 탄소섬유층에 코팅되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 탄소박막층은, 상기 탄소섬유층의 표면이 에칭된 후 상기 탄소섬유층에 코팅되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 탄소박막층은, 상기 탄소섬유층에 코팅된 두께가 100nm ~ 200nm인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층은, CFRP 등의 탄소섬유층의 표면에 동일 소재의 탄소를 포함하여 이루어지는 재료로 스퍼터링하여 탄소박막층을 형성하므로 탄소섬유층의 고탄성을 유지, 강성을 강화하는 동시에 탄소섬유층과 탄소박막층의 접착력을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 탄소섬유층에 에칭을 실시 한 후, 탄소박막층을 코팅하므로 탄소섬유층의 굴곡을 줄여 탄소박막층이 균일하게 도포될 수 있도록 한다.
또한, 본 발명은 탄소박막층이 적용되지 않은 CFRP 등의 탄소섬유층 대비 강성이 증대되므로, 동일 강성을 구현하기 위한 탄소섬유층의 개수, 중량 및 원가를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A 단면을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 B-B 단면을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층을 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4의 C-C 단면을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 4의 D-D 단면을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층에서 탄소섬유가 직조된 상태를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층의 재작과정을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층의 재작과정을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층의 최대 인장강도 및 탄성계수를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층이 복수 개 배열된 상태를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층이 적층된 상태를 나타내는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층의 일 실시예를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층을 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A 단면을 나타내는 도면이며, 도 3은 도 1의 B-B 단면을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층을 나타내는 사시도이고, 도 5는 도 4의 C-C 단면을 나타내는 도면이며, 도 6은 도 4의 D-D 단면을 나타내는 도면이다.
도 1 내지 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층(1)은 탄소섬유층(100) 및 탄소박막층(200)을 포함한다. 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층(1)은 평면 형상인 것을 예로 들어 설명하지만, 곡면, 입체형상 등과 같이 비평면 형상으로 형성될 수 있음은 물론이다.
탄소섬유층(100)은 복수 개의 탄소섬유(110) 단독 또는 탄소섬유(110)를 연결하는 수지인 후술할 탄소섬유연결재(130)를 포함한다.
즉 제1 실시예에서의 탄소섬유층(101)은 탄소섬유(110)가 직조된 상태이며, 제2 실시예에서의 탄소섬유층(102)은 탄소섬유(110)가 평행하게 배열된 상태에서 탄소섬유연결재(130)에 의하여 결합, 고정된 상태에 해당하는데, 탄소섬유(110)의 직조여부, 배열형태 및 탄소섬유연결재(130)의 적용여부는 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층(1, 2, 3)이 장착되는 환경, 요구되는 강성 등에 따라 달라질 수 있다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층에서 탄소섬유가 직조된 상태를 나타내는 도면이다.
도 1 내지 3 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에서 탄소섬유층(101)은 복수 개의 탄소섬유(110)가 직조되어 형성된다. 직조된 탄소섬유층(101)은 소정 각도, 예를 들어 90도로 상호 엇갈리는 탄소섬유(110)를 이용하여 직조한 것에 해당한다.
본 발명의 제1 실시예에서 탄소섬유층(101)은 직조 방식에 의하여 탄소섬유(110)가 고정되므로, 탄소섬유(110)를 고정시키기 위한 에폭시 등의 수지의 적용 없이도 탄소섬유층(101)의 형상을 유지할 수 있다.
도 4 내지 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에서 탄소섬유층(102)은 탄소배열층(120) 및 탄소섬유연결재(130)를 포함한다.
탄소배열층(120)은 복수 개의 탄소섬유(110)가 평행하게 배열되며, 탄소섬유연결재(130)는 복수 개의 탄소섬유(110) 사이에 충진되어 탄소섬유(110)를 결합, 고정한다. 본 실시예에서 탄소섬유연결재(130)는 에폭시, 불포화 폴리에스테르 등의 열경화성 수지를 포함하여 이루어진다.
탄소박막층(200)은 탄소섬유층(100, 101, 102)의 표면에 증착되며 탄소를 포함하여 이루어진다. 본 실시예에서 탄소박막층(200)은 탄소섬유층(100, 101, 102)의 양측 표면에 드라이 플레이팅(Physical Vapor Deposition) 방식으로 증착된다.
본 실시예에서 탄소박막층(200)은 비교적 낮은 진공도에서 플라즈마를 발생시켜 이온화한 아르곤 등의 가스를 가속하여 타깃에 충격하는 방식으로 탄소섬유층(100, 101, 102)에 탄소박막층(200)을 형성하는 스퍼터링(Sputtering) 방식에 의하여 탄소섬유층(100, 101, 102)에 코팅된다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층의 재작과정을 나타내는 도면이고, 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층의 재작과정을 나타내는 도면이다.
도 8 및 9를 참조하면, 본 실시예에서 탄소박막층(200)은 탄소섬유층(100, 101, 102)의 표면이 에칭된 후 탄소섬유층(100, 101, 102)에 코팅된다. 탄소섬유층(100, 101, 102)의 표면이 에칭되면, 대략 원형 단면을 가지는 탄소섬유(110)에 의하여 굴곡된 탄소섬유층(100, 101, 102)이 평탄화되므로 탄소섬유층(100, 101, 102)의 표면에 코팅되는 탄소박막층(200)의 두께 편차를 줄일 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층의 최대 인장강도 및 탄성계수를 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 실시예에서 탄소박막층(200)은 코팅된 두께가 100nm ~ 200nm에 해당하며 바람직하게는 코팅된 두께가 145nm ~ 155nm 에 해당한다. 도 10은 탄소박막층(200)의 두께에 따라 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층(1, 2, 3)의 최대 인장강도 및 탄성계수 특성의 변화를 나타낸다.
도 10을 참조하면, 탄소 코팅이 적용되기 전 탄소박막층(200)의 최대 인장강도가 2.7GPa 인 것에 비하여 탄소박막층(200)의 두께가 100nm 내지 200nm에 해당하는 경우 최대 인장강도가 4.7GPa 내지 6.2GPa에 해당하여 대략 1.7배에서 2.3배에 해당한다.
특히 탄소박막층(200)의 두께가 150nm일 경우 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층(1, 2, 3)은 탄소박막층(200)을 코팅하기 전 탄소섬유층(100, 101, 102) 대비 유사한 값을 유지하면서 최대 인장강도는 6.2GPa에 해당하여 강성이 대략 2.3배로 현저히 강화된다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층(1, 2, 3)의 작동원리 및 효과를 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 제1 실시예에서 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층(2)은 복수 개의 탄소섬유(110)를 직조하여 탄소섬유층(101)을 제작한 후, 해당 탄소섬유층(101)을 에칭하여 탄소섬유층(101) 표면의 편평도를 향상시킨다.
탄소섬유층(101)의 에칭이 완료되면, 스퍼터링 방식으로 탄소박막층(200)을 탄소섬유층(101)의 일면 또는 양면에 형성함으로써, 탄소섬유층(101)의 고탄성을 유지함과 동시에 강성을 현저히 증대시킨다.
본 발명의 제2 실시예에서의 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층(3)은 복수 개의 탄소섬유(110)를 배열하여 탄소배열층(120)을 제작한 후, 에폭시 등의 탄소섬유연결재(130)로 탄소배열층(120)의 탄소섬유(110)를 결합, 고정한다.
탄소섬유연결재(130)에 의하여 탄소섬유(110)가 고정되면, 탄소섬유층(102)을 에칭하고, 스퍼터링 방식으로 탄소박막층(200)을 탄소섬유층(102)의 일면 또는 양면에 코팅한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층이 복수 개 배열된 상태를 나타내는 도면이고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층이 적층된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 11 및 12를 참조하면, 본 실시예에서 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층(1, 2, 3)의 강성을 보강하고, 특정 방향으로 찢기는 것을 방지하기 위하여 다수의 탄소섬유층(100, 101, 102)을 적층할 수 있다. 본 실시예에서 다수의 탄소섬유층(100, 101, 102)의 적층을 위하여 탄소섬유층(100, 101, 102) 또는 탄소박막층(200)의 사이에 에폭시 등을 포함하여 이루어지는 접착재료 등을 추가하여 층간 접착력을 증대시킬 수 있다.
특히, 제2 실시예에서의 탄소섬유층(102)은 탄소섬유(110)가 일방향으로 배열되는 방식으로 특정 방향에 대한 저항력이 약할 수 있는바, 해당 탄소섬유(110)의 방향을 달리하여 적층, 방향에 따른 강성약화를 방지할 수 있다.
이로써, 본 실시예에 따른 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층(1, 2, 3)은, CFRP 등의 탄소섬유층(100, 101, 102)의 표면에 동일 소재의 탄소를 포함하여 이루어지는 재료로 스퍼터링하여 탄소박막층(200)을 형성하므로 탄소섬유층(100, 101, 102)의 고탄성을 유지하면서, 강성을 강화하는 동시에 탄소섬유층(100, 101, 102)과 탄소박막층(200)의 접착력을 증대시킬 수 있다.
또한, 본 실시예에서의 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층(1, 2, 3)은 탄소섬유층(100, 101, 102)에 에칭을 실시 한 후, 탄소박막층(200)을 탄소섬유층(100, 101, 102)의 일면 또는 양면에 코팅하므로 탄소섬유층(100, 101, 102)의 굴곡을 줄여 탄소박막층(200)이 균일하게 도포될 수 있도록 한다.
또한, 본 실시예에서의 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층(1, 2, 3)은 탄소박막층(200)이 적용되지 않은 CFRP 등의 탄소섬유층(100, 101, 102) 대비 강성이 현저하게 증대되므로, 동일 강성을 구현하기 위한 탄소섬유층(100, 101, 102)의 개수, 중량 및 원가를 절감할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
1, 2, 3: 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층
100, 101, 102: 탄소섬유층
110: 탄소섬유
120: 탄소배열층
130: 탄소섬유연결재
200: 탄소박막층

Claims (10)

  1. 복수 개의 탄소섬유가 배열되어 형성되는 탄소섬유층; 및
    상기 탄소섬유층의 표면에 코팅되며, 탄소를 포함하여 이루어지는 탄소박막층;을 포함하고,
    상기 탄소섬유층은,
    원기둥 형상으로 형성되는 복수 개의 상기 탄소섬유가, 중심축이 동일 평면 상에 위치하도록 평행하게 배열되어 형성되는 탄소배열층; 및
    복수 개의 상기 탄소섬유 사이에 충진되어 상기 탄소섬유를 결합하는 탄소섬유연결재;를 포함하며,
    상기 탄소박막층은, 상기 탄소섬유층의 표면을 에칭하여 상기 탄소섬유층의 표면을 평탄화 한 후 상기 탄소섬유층에 코팅되는 것을 특징으로 하는 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소섬유연결재는, 열경화성 수지를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 탄소섬유연결재는, 에폭시 또는 불포화 폴리에스테르를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층.
  6. 제 1항, 제 4항 및 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소박막층은, 상기 탄소섬유층의 양면에 증착되는 것을 특징으로 하는 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 탄소박막층은, 드라이 플레이팅 방식으로 상기 탄소섬유층에 코팅되는 것을 특징으로 하는 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 탄소박막층은, 스퍼터링 방식에 의하여 상기 탄소섬유층에 코팅되는 것을 특징으로 하는 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층.
  9. 삭제
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소박막층은, 상기 탄소섬유층에 코팅된 두께가 100nm ~ 200nm인 것을 특징으로 하는 탄소 코팅이 적용된 탄소섬유층.
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