KR102134628B1 - Apparatus and method manufacturing carbon fiber - Google Patents

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송석균
김병연
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재단법인 철원플라즈마 산업기술연구원
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Abstract

Disclosed are an apparatus and a method manufacturing a carbon fiber, wherein the apparatus comprises: a reactor which includes a space through which a fiber passes to carbonize or graphitize an oxidation-stabilized fiber, and includes one end as an inlet unit for receiving the fiber and the other end as an outlet unit for recovering the carbonized or graphitized carbon fiber; an inlet first roller which supplies a pre-carbonized fiber in a front end of the inlet unit of the reactor; an outlet first roller which recovers the carbonized carbon fiber in a back end of the outlet unit of the reactor; an inlet second roller which supplies a separate carbonized or graphitized fiber to a lower end of the inlet first roller; an outlet second roller which recovers a separate high elastic carbon fiber in a lower end of the outlet first roller; a cooling unit which is provided as a cooling jacket through which cooling water flows in the inlet unit and the outlet unit of the reactor; a gas supplying unit which is provided to supply work gas around the inlet unit and the outlet unit of the reactor; one or more microwave generating modules which are provided along the reactor; and a wave guide in which the microwave generating modules are installed in a vertical direction for the reactor. The present invention can reduce energy consumption.

Description

탄소섬유 제조 장치 및 방법{Apparatus and method manufacturing carbon fiber}Apparatus and method manufacturing carbon fiber}

본 발명은 제조 공정 시간 단축 및 에너지 소비를 절감하는 탄소섬유 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon fiber manufacturing apparatus and method for reducing manufacturing process time and reducing energy consumption.

탄소섬유 제조에서 고온 열풍에 의한 제조 방법이 알려져 있다. 고온 열풍에 의한 탄소섬유 제조의 경우 산화안정화 공정을 포함하고 있다. 산화안정화 공정은 2시간이 넘는 고온(200~300℃)에 탄소섬유 전구체를 노출 시켜야 하므로 장시간의 공정 수행 과정과 고에너지 소비에 따른 제조 단가의 상승요인이 되고 있어 탄소섬유의 가격을 낮추는데 한계가 있다. 이로 인해 항공기, 스포츠 용품 등의 고가격대의 응용 분야에만 제한적으로 사용되고 있는 실정이므로 자동차, 항공 및 건축 자재 등으로의 다양한 산업분야에서 대량 사용을 위해서는 탄소섬유 제조 가격 하락이 필수적이다. 현재 상용 탄소섬유의 약 90%이상은 폴리아크릴로니트릴(PAN, polyacrylonitrile) 전구체로부터 얻고 있는데 에어 가스에서 180~300℃에서 이루어지는 산화안정화, 불활성기체 분위기하에 1600℃이하에서 이루어지는 탄화과정을 거쳐 탄소섬유가 제조되며, 고탄성율의 탄소섬유 제조 목적으로 흑연화(1600~3,000℃) 과정을 통해 흑연화 탄소섬유가 제조되고 있다. PAN 고분자는 산화안정화 과정에서 산화, 탈수소화, 고리화 반응 등을 통해 내열성을 갖는 사다리 구조를 형성하게 되는데 산화안정화 과정은 탄소섬유 제조에서 고성능을 가지게 하는 중요한 과정이지만 반응이 느려 공정 시간의 증가 및 에너지 소모가 큰 과정에 해당한다. 이러한 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. 산화안정화 과정은 탄소섬유 제조공정에서 가장 시간이 지체되는 공정이기 때문에 생산성을 높이기 위한 최적화가 요구되고 있다. 탄소섬유 제조를 위한 산화안정화 및 탄화공정에서 에너지 및 공정 비용 절감을 위하여 플라즈마를 적용하는 다양한 연구가 진행되어 왔으나 다양한 제약으로 만족할만한 양산화에는 이르지 못하고 있는 실정이다. 한편, 탄소섬유 제조에 있어 탄화 및 흑연화 공정은 고온(600~3,000℃)의 공정으로 기존 전기로 방식에서는 이와 같은 고온을 얻기 위하여 발열체로 특수 히터를 사용하며, 고온에 의한 발열체 전극 연결을 통한 열 전달손실 및 섬유가 없는 공간으로 열 복사 손실, 주변 기구들의 열 흡수 등의 에너지 손실이 있으며, 고온에 도달하기 위하여 많은 시간이 소요됨으로서 초기 예열시간이 길고, 간접전달방식이므로 에너지 효율이 낮은 단점이 있다. 기존의 탄소섬유 제조 장치로는 RF플라즈마를 이용하여 탄소섬유를 제조하는 장치가 제안되어 있으나 RF 플라즈마의 경우 진공 공정으로 진행되어야 하므로 장치 비용이 증가하며, 또한 대기압에서 플라즈마 발생이 어려워 공정의 비용이 증가하는 문제점이 있다. 또 다른 탄소섬유 제조방법으로는 마이크로파 가열 및 마이크로 웨이브 플라즈마의열을 이용하여 탄소섬유를 제조하는 방법이 제안되어 있으나 여전히 제조 공정 시간 단축과 에너지 소비를 줄이는데 한계가 있다.In the production of carbon fibers, a method of manufacturing by hot air is known. In the case of carbon fiber production by hot air, oxidation stabilization is included. Since the oxidation stabilization process requires exposing the carbon fiber precursor to high temperature (200~300℃) for more than 2 hours, it is a factor that increases the manufacturing cost due to long process execution and high energy consumption. have. Because of this, it is currently being used only in high-priced applications such as aircraft and sports goods, so it is essential to reduce the price of carbon fiber production for mass use in various industries such as automobiles, aviation and building materials. Currently, about 90% or more of commercial carbon fiber is obtained from polyacrylonitrile (PAN) precursor. Carbon fiber is subjected to oxidation stabilization at 180~300℃ in air gas and carbonization process at 1600℃ under inert gas atmosphere. Is manufactured, and graphitized carbon fibers are manufactured through a graphitization (1600 to 3,000°C) process for the purpose of producing high modulus carbon fibers. The PAN polymer forms a ladder structure having heat resistance through oxidation, dehydrogenation, and cyclization reactions in the oxidation stabilization process. The oxidation stabilization process is an important process that has high performance in the production of carbon fibers, but the reaction is slow to increase the process time and This is a process that consumes a lot of energy. This oxidation stabilization process is a process in which condensation takes place by oxygen introduced with hydrocarbons, and carbon fiber with excellent mechanical properties is produced only when it is sufficiently stabilized by slow heating rate and long-time stabilization so that combustion does not occur by the introduced oxygen. can do. Since the oxidation stabilization process is the most time-lagging process in the carbon fiber manufacturing process, optimization to increase productivity is required. Various studies have been conducted to apply plasma to reduce energy and process costs in the oxidation stabilization and carbonization process for the production of carbon fiber, but it has not been able to achieve satisfactory mass production due to various limitations. On the other hand, in the carbon fiber production, the carbonization and graphitization processes are high-temperature (600~3,000°C) processes. In the existing electric furnace method, special heaters are used as heating elements to obtain such high temperatures. There is energy loss such as heat radiation loss and heat absorption of peripheral devices in the space without heat transfer and fiber, and it takes a lot of time to reach high temperature, so the initial preheating time is long and the energy efficiency is low due to the indirect transfer method. There is this. As an existing carbon fiber manufacturing apparatus, an apparatus for manufacturing carbon fiber using RF plasma has been proposed, but in the case of RF plasma, the cost of the process is increased because it has to be performed in a vacuum process, and it is also difficult to generate plasma at atmospheric pressure. There is an increasing problem. As another carbon fiber manufacturing method, a method of manufacturing carbon fiber using microwave heating and microwave plasma heating has been proposed, but there is still a limitation in reducing manufacturing process time and reducing energy consumption.

특허문헌 1. 국내 등록특허공보 제10-1914974호(공고일2018년12월28일)Patent Literature 1. Domestic Registered Patent Publication No. 10-1914974 (Publication date: December 28, 2018) 특허문헌 2. 국내 등록특허공고 제10-1752092호(공고일2017년06월29일)Patent Literature 2. Domestic Registered Patent Announcement No. 10-1752092 (published on June 29, 2017)

본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 반응로에 최적 상태로 마이크로 웨이브를 조사하고 마이크로 웨이브 파를 흡수 발열체로 비열이 낮은 탄화된 탄소섬유를 사용하여 탄소섬유를 제조할 수 있게 하여 예열 대기시간 감축 및 적은 에너지를 소비하는 탄소섬유 제조 장치 및 방법을 제공하는데 있다.One of the technical problems to be solved in the present invention, by irradiating the microwave in an optimal state in the reaction furnace and absorbing the microwave wave as an absorbing heating element, it is possible to manufacture carbon fiber using carbonized carbon fiber having a low specific heat, thereby preheating atmosphere Disclosed is a carbon fiber manufacturing apparatus and method that reduces time and consumes less energy.

상기 목적들은, 본 발명에 따르면, 산화안정화된 섬유를 탄화 또는 흑연화 하기 위해 섬유가 통과하는 공간을 가지며, 일단은 섬유가 공급되는 입구부로 구성되고, 타단은 탄화 또는 흑연화된 탄소섬유로 회수하기 위해 출구부를 구비하는 반응로; 상기 반응로의 입구부 전단에, 탄화전 섬유를 공급하는 입구부 제1 로울러;상기 반응로의 출구부 후단에, 탄화된 탄소섬유를 회수하기 위하여 구비되는 출구부 제1 로울러; 상기 입구부 제1 로울러 하단에 별도의 탄화된 또는 흑연화된 섬유를 공급하는 입구부 제2 로울러; 상기 출구부 제1 로울러 하단에 별도의 고탄성 탄소 섬유를 회수하는 출구부 제2 로울러; 상기 반응로의 입구부와 출구부에 냉각수가 유입되는 냉각 재킷으로 구비되는 냉각부; 상기 반응로의 입구부와 출구부 주변에 작업 가스를 공급하도록 구비되는 가스 공급부; 상기 반응로를 따라 적어도 하나 이상 구비되는 마이크로웨이브 발생 모듈; 및 상기 마이크로웨이브 발생 모듈은 상기 반응로에 대하여 수직방향으로 설치된 웨이브 가이드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조 장치로부터 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 제1 로울러와 상기 제2 로울러의 수직 간격 조절로 공급되는 탄화전 섬유와 탄화된 섬유간의 간격 조절이 가능하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 반응로는 수평 또는 수직방향으로 설치하여 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 반응로에 탄화전 섬유를 공급하는 섬유 공급단계; 반응로에 탄화된 섬유를 공급하는 섬유 공급단계; 상기 단계로부터 반응로에 공급된 섬유를 탄화하기 위해 반응로에 가스를 주입하는 가스 주입단계; 마이크로웨이브 발생 모듈에 전원을 공급하여 마그네트론을 구동하여 마이크로웨이브를 반응로에 조사하는 단계; 공급되는 탄화된 섬유에 조사되는 마이크로웨이브가 흡수 발열하는 단계; 발열하는 탄화된 섬유가 탄화전 섬유에 열을 공급하여 탄화 과정이 진행되게하는 단계; 발열하는 탄화된 섬유의 온도를 측정하여 마이크로웨이브의 전력을 제어하는 단계; 탄화 또는 흑연화된 탄소섬유를 냉각하는 냉각 단계; 상기 냉각 단계로부터 탄화된 탄소섬유를 제1 로울러로 회수하는 회수단계; 및 상기 냉각 단계로부터 발열체로 사용 전의 탄화된 섬유를 발열체로 사용된 후로 가공된 고탄성화된 또는 흑연화된 탄소섬유를 제2 로울러로 회수하는 회수단계;를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 발열하는 탄화된 섬유와 탄화전 섬유의 간격을 제어함으로서 탄화전 섬유에 공급되는 열과 발열하는 탄화된 섬유 온도차이를 제어하도록 구성될 수 있다.According to the present invention, according to the present invention, there is a space through which the fiber passes to carbonize or graphitize the oxidized stabilized fiber, one end is composed of an inlet portion through which the fiber is supplied, and the other end is recovered as carbonized or graphitized carbon fiber. A reaction furnace having an outlet to do so; An inlet first roller for supplying pre-carbonization fibers to an inlet end of the reactor; an outlet first roller provided for recovering carbonized carbon fibers at a rear end of the outlet of the reactor; An inlet second roller for supplying a separate carbonized or graphitized fiber to the bottom of the inlet first roller; An outlet portion second roller for recovering a separate high elastic carbon fiber at the bottom of the outlet portion of the first roller; A cooling part provided with a cooling jacket through which cooling water flows into the inlet and outlet parts of the reactor; A gas supply unit provided to supply working gas to the inlet and outlet portions of the reactor; A microwave generating module provided with at least one along the reactor; And the microwave generation module can be achieved from a carbon fiber manufacturing apparatus comprising a; wave guide installed in the vertical direction with respect to the reactor.
According to an embodiment of the present invention, the first roller and the second roller may be configured to be able to adjust the spacing between the carbonized fibers and the carbonized fibers supplied by adjusting the vertical spacing.
According to an embodiment of the present invention, the reactor may be configured to be installed in a horizontal or vertical direction.
According to an embodiment of the present invention, a fiber supply step of supplying the fibers before the carbonization to the reaction furnace; A fiber supply step of supplying carbonized fibers to the reaction furnace; A gas injection step of injecting gas into the reactor to carbonize the fibers supplied to the reactor from the above step; Supplying power to the microwave generating module to drive the magnetron to irradiate the microwave to the reaction furnace; The microwave irradiated to the supplied carbonized fiber absorbs and generates heat; Heating the carbonized fiber to supply heat to the fiber before carbonization to cause the carbonization process to proceed; Controlling the power of the microwave by measuring the temperature of the heat-generated carbonized fiber; A cooling step of cooling the carbonized or graphitized carbon fiber; A recovery step of recovering carbonized carbon fibers from the cooling step to a first roller; And a recovering step of recovering the highly elasticized or graphitized carbon fiber processed after using the carbonized fiber before being used as a heating element from the cooling step as a heating element.
According to an embodiment of the present invention, the temperature between the heat supplied to the pre-carbonized fiber and the heat-generated carbonized fiber may be controlled by controlling the distance between the heat-generated carbonized fiber and the pre-carbonized fiber.

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본 발명에 따른 탄소섬유 제조 장치 및 방법에 의하면 최적의 마이크로 웨이브 조사에 의한 예열 대기시간 감축 및 적은 에너지를 소비하는 탄소섬유 발열체를 사용하여 일반 탄소섬유 제조 및 고탄성 탄소섬유 제조에 적용하여 제조 공정 시간 단축 및 에너지 소비를 절감하는 효과가 있다.According to the carbon fiber manufacturing apparatus and method according to the present invention, the manufacturing process time is applied to general carbon fiber production and high elastic carbon fiber production using carbon fiber heating elements that consume less energy and reduce preheating standby time by optimal microwave irradiation. It has the effect of shortening and reducing energy consumption.

또한, 탄화 공정에서 마이크로 웨이브가 조사된 탄소섬유 발열체를 열원으로 사용함으로서 기존에 장시간 소요되는 예열시간을 수 십초~수 분이내에 수 백도로 만들 수 있어 예열 대기 시간을 대폭 낮출 수 있으므로 탄소섬유 제조 시간을 줄일 수 있는 효과가 있다.In addition, by using the carbon fiber heating element irradiated with microwaves in the carbonization process as a heat source, it is possible to make the preheating time, which takes a long time in the past, to several hundred degrees within a few seconds to a few minutes, which can significantly lower the preheating standby time, so the carbon fiber manufacturing time It has the effect of reducing.

또한, 탄화 및 흑연화 공정에서 탄소섬유 발열체와 탄화하고자 하는 탄화전 섬유 사이의 간격을 조절함으로서 온도 제어 또는 고탄성 탄소섬유의 등급을 제어할 수 있는 효과가 있다.In addition, in the carbonization and graphitization process, by controlling the distance between the carbon fiber heating element and the pre-carbonization fiber to be carbonized, there is an effect of controlling the temperature or the grade of the high elastic carbon fiber.

또한, 탄화 및 흑연화 공정에서 마이크로 웨이브 조사 발열체로 비열이 낮은 탄소섬유를 열원으로 사용할 수 있으므로 적은 에너지로 고온을 만들어 탄소섬유에 전달되도록 하여 탄소섬유 제조에 소비되는 에너지를 절약할 수 있는 효과가 있다.In addition, since carbon fibers with low specific heat can be used as a heat source in the carbonization and graphitization process as microwave irradiation heating elements, high temperature is generated with less energy and transmitted to carbon fibers, thereby saving energy consumed in carbon fiber production. have.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유 제조 장치 및 이를 이용하는 탄소섬유 제조 방법을 개략적으로 설명하는 예시이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 또 다른 탄소섬유 제조 장치 및 이를 이용하는 탄소섬유 제조 방법을 개략적으로 설명하는 예시이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유 제조 방법을 순서도로 나타낸 예시이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 또 다른 탄소섬유 제조 방법을 순서도로 나타낸 예시이다.1 is an example schematically illustrating a carbon fiber manufacturing apparatus and a carbon fiber manufacturing method using the same according to an embodiment of the present invention.
2 is an example schematically illustrating another carbon fiber manufacturing apparatus and a carbon fiber manufacturing method using the same according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is an exemplary flow chart showing a carbon fiber manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating another carbon fiber manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 탄소섬유 제조 장치 및 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the carbon fiber manufacturing apparatus and method of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 경우에는 그 설명은 생략하는 것으로 한다.In describing the present invention, when a detailed description of known functions or configurations related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the description will be omitted.

탄소섬유 제조에서 열처리에 의한 기존 공정을 살펴보면, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile) 등의 전구체를 전처리하는 공정, 200~300℃의 공기 또는 산소 분위기에서 안정화 및 산화시키는 공정, 600~2000℃의 불활성 분위기에서 탄화시켜 탄소섬유를 얻는 공정, 추가로 고탄성 탄소섬유를 얻기 위하여 2000~3000℃의 불활성 분위기에서 흑연화시키는 공정, 탄화 또는 흑연화된 탄소섬유에 대한 표면 처리 공정, 사이징 공정(sizing) 및 건조 공정의 순서로 제조 공정이 수행되고 있으므로 긴 공정 시간과 많은 에너지 투입 비용이 소비되고 있다. Looking at the existing process by heat treatment in the production of carbon fiber, the process of pre-treating a precursor such as polyacrylonitrile, a process of stabilizing and oxidizing in an air or oxygen atmosphere of 200 to 300°C, an inert atmosphere of 600 to 2000°C To obtain carbon fibers by carbonization, further graphitizing in an inert atmosphere at 2000 to 3000°C to obtain high elastic carbon fibers, surface treatment process for carbonized or graphitized carbon fibers, sizing and drying process Since the manufacturing process is performed in the order of, a long process time and a lot of energy input cost are consumed.

이와 같은 기존 탄소섬유 제조 공정 비용은 탄소섬유 전체 제조 비용에 대략 50% 이상을 차지하고 있어 공정 비용을 절감할 수 있는 새로운 기술 및 제조 공정 개선을 필요로 하고 있다.The existing carbon fiber manufacturing process cost accounts for approximately 50% or more of the total carbon fiber manufacturing cost, and thus requires new technology and manufacturing process improvement that can reduce the process cost.

이에, 본 발명은, 최적의 마이크로 웨이브 가열에 의한 예열 대기시간 감축 및 적은 에너지를 소비하는 발열체로 비열이 낮은 탄소섬유를 발열체로 사용할 수 있도록 함으로써 제조 공정 시간 단축 및 에너지 소비를 절감할 뿐만 아니라 발열체로 사용된 탄소섬유는 고탄성 섬유로 제조하여 회수할 수 있는 탄소섬유 제조 장치 및 방법을 제시한다.Accordingly, the present invention is to reduce the preheating time by optimal microwave heating and the heating element that consumes less energy, so that the carbon fiber with low specific heat can be used as the heating element, thereby shortening the manufacturing process time and reducing energy consumption. The carbon fiber used as the present invention proposes a carbon fiber manufacturing apparatus and method that can be produced and recovered from high elasticity fibers.

본 발명에서는, 마이크로 웨이브 가열에 의한 탄화 및 흑연화 장치의 열 반응기의 구조가 수평 및 수직인 구조를 갖는 탄소섬유 제조 장치가 제시된다.In the present invention, a carbon fiber manufacturing apparatus having a horizontal and vertical structure of a thermal reactor of a carbonization and graphitization apparatus by microwave heating is proposed.

본 발명에서는, 다수의 마이크로 웨이브 공급 구조를 갖으며, 다수의 탄소섬유를 동시에 처리할 수 있는 넓은 면적의 탄소섬유 제조 장치가 제시된다.In the present invention, a carbon fiber manufacturing apparatus having a large number of microwave supply structures and capable of simultaneously processing a plurality of carbon fibers is proposed.

본 발명에서는, 탄소섬유 탄화 제조를 위한 발열체로 탄화된 탄소섬유를 사용하는 탄소섬유 제조 장치 및 방법이 제시된다.In the present invention, an apparatus and method for producing carbon fiber using carbonized carbon fiber as a heating element for carbon fiber carbonization are proposed.

본 발명에서는, 마이크로 웨이브 가열에 의한 탄화된 탄소섬유가 발열하여 미 탄화된 섬유에 열에너지를 전달하여 탄화전 섬유를 탄화시키는 탄소섬유 제조 장치 및 방법이 제시된다.In the present invention, a carbon fiber manufacturing apparatus and method are proposed in which carbonized carbon fibers by microwave heating generate heat to transfer thermal energy to uncarbonized fibers to carbonize the fibers before carbonization.

본 발명에서는, 발열체로 사용된 탄소섬유를 고탄성률을 갖는 탄소섬유로 제조할 수 있는 탄소섬유 제조 장치 및 방법이 제시된다.In the present invention, a carbon fiber manufacturing apparatus and method capable of manufacturing a carbon fiber used as a heating element into a carbon fiber having a high modulus of elasticity is proposed.

본 발명에서는, 고탄성률의 탄소섬유를 제조하는 동시에 추가에너지 투입 없이 일반 탄소섬유를 제조할 수 있는 탄소섬유 제조 장치 및 방법이 제시된다.In the present invention, a carbon fiber manufacturing apparatus and method capable of manufacturing a carbon fiber having a high modulus of elasticity and producing a general carbon fiber without inputting additional energy are proposed.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유 제조 장치를 개략적으로 설명하는 예시이다.1 is an example schematically illustrating a carbon fiber manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유 제조 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 산화안정화된 섬유(탄화전 섬유)를 탄화 또는 흑연화 하기 위해 섬유가 통과하는 공간(Sp)을 가지며, 일단은 섬유가 공급되는 입구부(A)로 구성되고, 타단은 탄화 또는 흑연화된 탄소섬유로 회수하기 위해 출구부(B)를 구비하는 반응로(10)를 구비하여 구성될 수 있다.Carbon fiber manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention, as shown in Figure 1, has a space (Sp) through which the fiber passes to carbonize or graphitize the oxidation-stabilized fibers (fibers), once It is composed of an inlet portion (A) through which fibers are supplied, and the other end can be configured by having a reactor (10) having an outlet portion (B) to recover carbonized or graphitized carbon fibers.

여기서, 반응로(10)의 일단 입구부(A)와 타단의 출구부(B)에는 냉각부가 각각 구비될 수 있다.Here, the cooling unit may be provided at the inlet portion A of the reactor 10 and the outlet portion B of the other end, respectively.

그리고, 반응로(10)를 따라 적어도 하나 이상의 마이크로 웨이브 발생 모듈(18)을 설치하여 구성될 수 있다.And, it may be configured by installing at least one microwave generating module 18 along the reactor 10.

그리고, 반응로(10)에 작업 가스를 공급하는 가스 공급부를 구비하여 구성될 수 있다.And, it may be configured by having a gas supply for supplying a working gas to the reactor 10.

또한, 반응로(10)의 입구부(A)와 출구부(B)에는 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각수(w1)가 유입되는 냉각 재킷(7-1)(7-2)이 각각 구성될 수 있다.In addition, in the inlet (A) and the outlet (B) of the reactor 10, as shown in Figure 1, the cooling jacket (7-1) (7-2) to which the cooling water (w1) flows is configured respectively Can be.

또한, 마이크로 웨이브 발생 모듈(18)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 수평 방향의 반응로(10)에 대하여 수직방향으로 웨이브 가이드(14)를 설치하여 구성될 수 있다.In addition, the microwave generation module 18 may be configured by installing a wave guide 14 in the vertical direction with respect to the reaction furnace 10 in the horizontal direction, as shown in FIG. 1.

그리고, 웨이브 가이드(14)의 상부로는 마그네트론(12)이 장착된 런처(launcher)와 메칭 튜너인 스토브(13)를 연결하여 구성될 수 있다.Further, the upper portion of the wave guide 14 may be configured by connecting a launcher equipped with a magnetron 12 and a stove 13 that is a matching tuner.

또한, 반응로(10)의 주변부에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 탄화전 섬유를 공급하고 탄화 또는 흑연화된 탄소섬유를 내보내기 위해 상기 반응로(10)의 입구부(A)와 출구부(B)측에 구비되는 제1 로울러(21-1)(21-2) 및 제1 로울러(21-1)(21-2)와 별개로 탄화된 섬유를 공급하고 탄화 또는 흑연화된 탄소섬유로 내보내기 위해 반응로(10)의 입구부(A)와 출구부(B)측에 제2 로울러(22-1)(22-2)를 설치하여 구성될 수 있다. In addition, in the periphery of the reactor 10, as shown in FIG. 1, the inlet (A) and outlet of the reactor 10 to supply the carbon fiber before the carbonization or graphitized carbon fiber Supply carbonized fibers separately from the first rollers 21-1 and 21-2 provided on the side (B) and the first rollers 21-1 and 21-2, and carbonized or graphitized carbon fibers It can be configured by installing a second roller (22-1) (22-2) on the inlet (A) and outlet (B) side of the reaction furnace 10 for export to the furnace.

여기서, 바람직하게는 반응로(10)를 기준으로 제1 로울러(21-1)(21-2)는 상부에 위치하고, 제2 로울러(22-1)(22-2)는 하부에 위치하여 구성될 수 있다.Here, preferably, the first rollers 21-1 and 21-2 are positioned on the upper side of the reactor 10, and the second rollers 22-1 and 22-2 are located on the lower side. Can be.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 또 다른 탄소섬유 제조 장치를 개략적으로 설명하는 예시이다.2 is an example schematically illustrating another carbon fiber manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일실시예에 따른 또 다른 탄소섬유 제조 장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 반응로(10)의 출구부(B)는 탄화된 섬유를 반응로(10)의 공간(Sp) 속으로 리턴시켜 탄화 또는 흑연화된 탄소섬유로 회수하기 위한 리턴로울러(16)를 구비하여 구성될 수 있다.Another carbon fiber manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention, as shown in Figure 2, the outlet portion (B) of the reactor 10 is a carbonized fiber into the space (Sp) of the reactor 10 It can be configured to be provided with a return roller 16 for recovery to carbonized or graphitized carbon fibers by returning to.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유 제조 방법을 순서도로 나타낸 예시이다.Figure 3 is an exemplary flow chart showing a carbon fiber manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유 제조 방법은 도 3에 도시된 바와 같이,반응로에 탄화전 섬유를 공급하는 섬유 공급단계(S10), 섬유 공급단계(S10)로부터 반응로에 공급된 섬유를 탄화 또는 흑연화 하기 위해 반응로에 가스를 주입하는 가스 주입단계(S30), 마이크로 웨이브 발생 모듈에 전원을 공급하고 마그네트론을 구동하여 마이크로 웨이브를 반응로에 조사하여 가열하는 단계(S40), 탄화 또는 흑연화된 탄소섬유를 냉각하는 냉각단계(S60), 냉각단계(S60)로부터 냉각되어 탄화 또는 흑연화된 탄소섬유를 회수하는 회수단계(S80)를 포함하여 탄소섬유를 제조할 수 있다.Carbon fiber manufacturing method according to an embodiment of the present invention, as shown in Figure 3, the fiber supplied to the reactor before the fiber supply step (S10), fiber supply step (S10) from the fiber supplied to the reactor Gas injection step of injecting gas into the reactor to carbonize or graphitize (S30), supplying power to the microwave generation module, and driving a magnetron to irradiate microwaves to the reactor and heat it (S40), carbonization Alternatively, the carbon fiber may be manufactured by including a cooling step (S60) for cooling the graphitized carbon fiber, and a recovery step (S80) for recovering the carbonized or graphitized carbon fiber cooled by the cooling step (S60).

여기서, 마이크로 웨이브를 반응로에 조사하여 가열하는 S40 단계 이후, 반응로의 온도를 제어하는 온도 제어단계(S50)를 포함하여 탄소섬유를 제조할 수 있다.Here, after the step S40 for heating by irradiating the microwave to the reaction furnace, carbon fibers may be manufactured by including a temperature control step (S50) for controlling the temperature of the reaction furnace.

또한, 섬유 공급단계에서는 탄화전 섬유가 아닌 탄화된 섬유를 공급하는 단계(S20)를 포함하여 탄소섬유를 제조할 수 있다.In addition, in the fiber supply step, carbon fibers may be manufactured by including a step (S20) of supplying carbonized fibers other than carbonized fibers.

또한, 탄화전 섬유가 아닌 탄화된 섬유를 공급하는 단계(S20)를 수행한 이 후 고탄성 탄소섬유를 회수하는 회수단계(S100)를 포함하여 고탄성 탄소섬유를 제조할 수 있다.In addition, after performing the step (S20) of supplying the carbonized fibers, rather than the fiber before the carbonization, a high-elasticity carbon fiber can be manufactured by including a recovery step (S100) of recovering the high-elasticity carbon fibers.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 또 다른 탄소섬유 제조 방법을 순서도로 나타낸 예시이다.4 is a flowchart illustrating another carbon fiber manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일실시예에 따른 또 다른 탄소섬유 제조 방법은 도 4에 도시된 바와 같이,Another carbon fiber manufacturing method according to an embodiment of the present invention, as shown in Figure 4,

반응로에 탄화전 섬유를 공급하는 섬유 공급단계(S10), 섬유 공급단계(S10)로부터 반응로에 공급된 섬유를 탄화 또는 흑연화 하기 위해 반응로에 가스를 주입하는 가스 주입단계(S30), 마이크로 웨이브 발생 모듈에 전원을 공급하고 마그네트론을 구동하여 마이크로 웨이브를 반응로에 조사하여 가열하는 단계(S40), 탄화 또는 흑연화된 탄소섬유를 냉각하는 냉각단계(S60), 냉각단계(S60)로부터 냉각되어 탄화 또는 흑연화된 탄소섬유를 리턴시켜 회귀시키는 회귀단계(S200), 상기 회귀단계(S200)를 통해 탄화 또는 흑연화된 탄소섬유를 반응로 내에서 발열체로 사용하는 단계(S40-1), 반응로 내에서 리턴되어 회귀되는 탄화 또는 흑연화된 탄소섬유를 냉각시키는 냉각단계(S60-1) 및 탄화 또는 흑연화된 고탄성 탄소섬유를 회수하는 회수단계(S100)를 포함하여 고탄성 탄소섬유를 제조할 수 있다.Fiber supply step (S10) for supplying fibers before carbonization to the reactor, gas injection step (S30) for injecting gas into the reactor to carbonize or graphitize the fibers supplied to the reactor from the fiber supply step (S10), From the step of supplying power to the microwave generating module and driving the magnetron to irradiate the microwave to the reaction furnace for heating (S40), the cooling step of cooling the carbonized or graphitized carbon fiber (S60), and the cooling step (S60). Cooling and returning the carbonized or graphitized carbon fiber to return to return (S200), using the carbonized or graphitized carbon fiber as a heating element in the reactor through the returning step (S200) (S40-1) , Cooling step (S60-1) for cooling the carbonized or graphitized carbon fiber returned and returned in the reactor and recovery step (S100) for recovering the carbonized or graphitized high elastic carbon fiber. Can be produced.

여기서, 마이크로 웨이브를 반응로에 조사하여 가열하는 단계 이후, 반응로의 온도를 제어하는 온도제어단계를 포함하여 탄소섬유를 제조할 수 있다.Here, after the step of irradiating and heating the microwave to the reaction furnace, carbon fibers may be manufactured by including a temperature control step of controlling the temperature of the reaction furnace.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유 제조 장치를 도 1 및 도 2를 참조하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Meanwhile, a carbon fiber manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 1 and 2.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유 제조 장치를 나타낸 예시이다. 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 탄소섬유 제조 장치는, 탄소섬유 전구체를 산화안정화 또는 산화안정화 된 섬유를 탄화 또는 흑연화 하기 위해 탄화전 섬유(1)가 공급되고 탄화된 섬유(3)를 회수하는 반응로(10)가 구성될 수 있다. 1 is an example showing a carbon fiber manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the carbon fiber manufacturing apparatus according to the present invention is supplied with carbonized fiber (3) and carbonized fiber (3) before carbonization to oxidize or graphitize the carbon fiber precursor. The reaction furnace 10 for recovering may be configured.

그리고, 반응로(10)는 탄화중인섬유(2)를 탄화하기 위하여 발열체로 탄화된 섬유(4)를 공급하고 고탄성 탄소섬유(6)로 회수할 수 있는 공간이 마련되어 구성될 수 있다.In addition, the reactor 10 may be configured to provide a space for supplying the carbonized fiber 4 as a heating element and recovering it as the high elastic carbon fiber 6 to carbonize the fiber 2 being carbonized.

그리고, 반응로(10) 입구부와 출구부에는 반응로(10)의 열기가 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 냉각 재킷(7-1)(7-2)이 각각 구성되어 있다.In addition, cooling jackets 7-1 and 7-2 for preventing heat from flowing out of the reaction furnace 10 are formed at the inlet and outlet portions of the reactor 10, respectively.

그리고, 반응로(10)에 적어도 하나 이상의 마이크로 웨이브 발생 모듈(18)을 구비하여 구성될 수 있다.In addition, the reactor 10 may be configured to include at least one microwave generating module 18.

그리고, 상기 마이크로 웨이브 발생 모듈(18)은 마그네트론(12)의 런처에 메칭 튜너인 스토브(13)가 연결되고 그 스토브(13)의 하부에는 웨이브 가이드(14)를 연결하여 구성될 수 있다.In addition, the microwave generation module 18 may be configured by connecting the launcher of the magnetron 12 to the stove 13, which is a matching tuner, and connecting the wave guide 14 to the lower portion of the stove 13.

그리고, 반응로(10)의 입구부와 출구부의 주변부 위치에는 작업 가스를 공급하는 가스 공급관(9)을 설치하여 구성될 수 있다.In addition, the gas supply pipe 9 for supplying the working gas may be installed at positions of the inlet portion and the outlet portion of the reaction furnace 10.

반응로(10)는 바람직하게는 원통형 또는 직각 육면체형으로 구성하는 것이 바람직할 수 있다.The reactor 10 may preferably be configured in a cylindrical or right-angled hexahedron shape.

여기서, 냉각 재킷(7-1)(7-2)은 바람직하게는, 반응로(10)의 입구부와 출구부에 각각 구비하여 구성될 수 있고, 각각 냉각수(8) 및 냉각수 입출구가 구비되고, 반응로(10)의 양단 입구부와 출구부를 감싸는 원형링 또는 사각링 형상으로 제작하여 반응로(10)의 양단에 각각 장착되고, 반응로(10)를 따라 진입하고 빠져나가는 섬유의 진출입을 유도하도록 구성될 수 있다.Here, the cooling jacket (7-1) (7-2) is preferably, each of the inlet and outlet of the reactor 10 may be provided, respectively, the cooling water 8 and the cooling water inlet and outlet are provided, respectively , Produced in the shape of a circular ring or a quadrangular ring surrounding the inlet and outlet of both ends of the reactor 10, mounted on both ends of the reactor 10, and entering and exiting the fibers entering and exiting along the reactor 10. It can be configured to induce.

그리고, 반응로(10)의 입구부 상부에는 탄화전 섬유(1)를 가이드 하는 상부의 제1 로울러(21-1)를 구비하고, 반응로(10)의 출구부 상부에는 탄화된 섬유(3)를 가이드하는 제1 로울러(21-2)를 구비하여 구성될 수 있다.And, the upper portion of the reactor 10 is provided with a first roller (21-1) of the upper portion to guide the pre-carbonization fiber (1), and the carbonized fiber (3) above the outlet portion of the reactor (10) It may be configured by having a first roller (21-2) for guiding.

그리고, 반응로(10)의 입구부 하부에는 탄화 중인 섬유(2)를 가열하기 위하여 탄소섬유 발열체(5)로 공급되는 탄화된 섬유(4)의 공급을 가이드 하는 제2 로울러(22-1)를 구비하고, 반응로(10)의 출구부 하부에는 고탄성 탄소섬유(6)를 가이드 하는 제2 로울러(22-2)를 구비하여 구성될 수 있다.In addition, a second roller 22-1 guiding the supply of the carbonized fiber 4 supplied to the carbon fiber heating element 5 to heat the fiber 2 being carbonized at the lower portion of the inlet of the reaction furnace 10 It may be provided, the lower portion of the outlet portion of the reactor 10 may be configured to include a second roller (22-2) to guide the high elastic carbon fiber (6).

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 또 다른 탄소섬유 제조 장치를 나타낸 예시이다. 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 또 다른 탄소섬유 제조 장치는 도 1에서 설명된 본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유 제조 장치와 비교하면 구성 및 작동 원리가 같고 반응로의 출구부의 구성에서 차이가 있다.Figure 2 is an example showing another carbon fiber manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, another carbon fiber manufacturing apparatus according to the present invention has the same configuration and operation principle as compared with the carbon fiber manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention described in FIG. There is a difference.

즉, 도 2 도시된 바와 같이, 반응로(10)의 출구부에 로울러박스(15)를 구비하여 탄화된 섬유(3)를 리턴시켜 다시 반응로(10)로 회귀하게 하여 반응로(10) 내에서 탄소섬유 발열체(5)로 활용하도록 유도하고 동시에 그 과정에서 고탄성 탄소섬유(6)로 변화된 탄소섬유를 하부의 제2 로울러(22)를 통해 회수하도록 구성될 수 있다.That is, as shown in FIG. 2, the roller 10 is provided at the outlet of the reactor 10 to return the carbonized fibers 3 to return to the reactor 10 again, so that the reactor 10 It can be configured to induce to be utilized as a carbon fiber heating element (5) within and at the same time to recover the carbon fiber changed to a high elastic carbon fiber (6) in the process through the second roller 22 of the lower portion.

여기서, 로울러 박스(15)는 리턴 로울러(16)와 그 주변부에 설치되어 탄화된 섬유를 리턴 로울러(16)를 통해 이송시키는 가이드 로울러(17-1)(17-2)로 구성될 수 있으며, 로울러 박스(15)는 외부와 밀폐되도록 구성하는 것이 바람직할 수 있다.Here, the roller box 15 may be composed of a return roller (16) and guide rollers (17-1) (17-2) installed on the periphery to transport the carbonized fibers through the return roller (16), The roller box 15 may be configured to be sealed to the outside.

도 2에 도시된 바와 같은 탄소섬유 제조 장치는 일반 탄소섬유 제조 보다는 고탄성 탄소섬유 제조 또는 흑연화 탄소섬유 제조 공정 수행에 바람직하게 사용될 수 있다. 이는 한쪽의 출구부가 폐쇄됨으로서 작업 가스의 유량 손실을 억제하고 줄일 수 있어 고가의 작업 가스 비용을 절약하면서 경제적으로 탄소섬유를 제조하는데 유리하게 적용될 수 있다.The carbon fiber manufacturing apparatus as shown in FIG. 2 can be preferably used to perform high elastic carbon fiber production or graphitized carbon fiber production process rather than general carbon fiber production. This can be advantageously applied to the production of carbon fiber economically while saving expensive work gas cost by suppressing and reducing the flow loss of the work gas by closing one outlet.

한편, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 탄소섬유 제조 장치를 이용하는 본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유 제조 방법을 도 3 및 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Meanwhile, the carbon fiber manufacturing method according to an embodiment of the present invention using the carbon fiber manufacturing apparatus as shown in FIGS. 1 and 2 will be described in more detail with reference to FIGS. 3 and 4.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유 제조 방법을 순서도로 나타낸 예시이다.Figure 3 is an exemplary flow chart showing a carbon fiber manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유 제조 방법은, 반응로(10)에 탄화전 섬유(1)를 공급하는 공급단계(S10)와 동시에 반응로(10)에 마이크로 웨이브 조사 발열체로 사용될 탄화된 섬유(4)를 공급하는 공급단계(S20)가 수행될 수 있다.As shown in Figure 3, the carbon fiber manufacturing method according to an embodiment of the present invention, at the same time as the supply step (S10) of supplying the fiber (1) before carbonization to the reactor 10, the micro to the reactor 10 A supply step (S20) of supplying carbonized fibers 4 to be used as a wave irradiation heating element may be performed.

탄화전 섬유 공급단계(S10)에서는 반응로(10)의 입구부 상부의 제1 로울러(21-1)에 가이드되어 냉각 재킷(7-1)을 통과하여 탄화전 섬유(1)가 반응로(10)로 공급될 수 있다.In the pre-carbonization fiber supplying step (S10), the first carbonization fiber 1 is guided to the first roller 21-1 at the upper portion of the inlet of the reactor 10 and passes through the cooling jacket 7-1, so that the pre-carbonization fiber 1 is the reaction furnace ( 10).

그리고, 탄화된 섬유 공급단계(S20)에서는 반응로(10)의 입구부 하부의 제2 로울러(22-1)에 가이드되어 냉각 재킷(7-1)을 통해 마이크로 웨이브 흡수 발열체로 탄화된 섬유(4)가 반응로(10)로 공급될 수 있다.And, in the carbonized fiber supply step (S20) is guided to the second roller (22-1) of the lower portion of the inlet of the reaction furnace 10, the carbonized fiber into the microwave absorbing heating element through the cooling jacket (7-1) ( 4) may be supplied to the reactor 10.

그리고, 공급된 탄화전 섬유(1)를 탄화 또는 흑연화 하기 위한 가스를 반응로(10)에 주입하는 가스 주입단계(S30)가 수행될 수 있다.Then, a gas injection step (S30) of injecting a gas for carbonization or graphitization of the supplied fiber 1 into the reactor 10 may be performed.

가스 주입단계(S30)에는 반응로(10) 입구부와 출구부 주변에 설치된 가스공급관(9)을 통해 작업 가스가 공급될 수 있다. 여기서, 반응로(10)에 가스 분위기를 만들어 섬유의 탄화 또는 흑연화 처리하는 공정은 공지된 사항이므로 구체적인 설명을 생략하기로 한다.In the gas injection step (S30), the working gas may be supplied through the gas supply pipe 9 installed around the inlet and outlet of the reactor 10. Here, the process of carbonizing or graphitizing the fibers by creating a gas atmosphere in the reactor 10 is a well-known matter, so a detailed description thereof will be omitted.

가스 공급관(9)을 통해 반응로(10)에 공급되는 가스는 산소가 포함되지 않은 공지의 가스가 주입될 수 있다.Gas supplied to the reactor 10 through the gas supply pipe 9 may be injected with a known gas that does not contain oxygen.

그리고, 마그네트론(10)에 전원을 공급하여 마이크로 웨이브를 발생시키고 발생되는 마이크로 웨이브는 반응기(10) 내부로 조사되어 탄소섬유발열체(5)를 가열하는 가열단계(S40)가 수행될 수 있다.In addition, the heating step (S40) of heating the carbon fiber heating element 5 may be performed by supplying power to the magnetron 10 to generate microwaves and the generated microwaves are irradiated into the reactor 10.

아울러, 섬유의 온도를 제어하는 온도 제어단계(S50)가 수행될 수 있다. 이를 통해 탄화 중인 섬유(2)의 적외선 온도를 측정하여 마그네트론(12)에 공급되는 전력을 제어하여 온도를 바람직한 일정한 유효 온도로 자유롭게 유지할 수 있다.In addition, a temperature control step (S50) for controlling the temperature of the fiber may be performed. Through this, the infrared temperature of the fiber 2 being carbonized is measured to control the power supplied to the magnetron 12 so that the temperature can be freely maintained at a desired constant effective temperature.

또한, 탄소섬유 발열체(5)의 적외선 온도를 측정하고 제2 로울러(22-1)(22-2)의 위치를 제어하여 고탄성 탄소섬유 또는 흑연화된 탄소섬유(6)의 등급을 제어하는 처리도 가능하다.In addition, the treatment of measuring the infrared temperature of the carbon fiber heating element 5 and controlling the position of the second rollers 22-1 and 22-2 to control the grade of the high elastic carbon fiber or graphitized carbon fiber 6 It is also possible.

그리고, 탄화 또는 흑연화된 탄소섬유를 냉각하는 냉각단계(S60)가 수행될 수 있다.Then, a cooling step (S60) of cooling the carbonized or graphitized carbon fiber may be performed.

냉각단계(S60)에서는 반응로(10)에 구비되는 냉각 재킷(7-2)를 통해 고열로 가열된 탄화된 섬유(3) 및 고탄성 탄소섬유(6)를 냉각할 수 있다.In the cooling step (S60), the carbonized fiber 3 and the high-elasticity carbon fiber 6 heated to high heat may be cooled through the cooling jacket 7-2 provided in the reactor 10.

냉각단계(S60)를 통해 냉각된 탄화된 섬유(3)는 회수단계(S80)를 통해 회수될 수 있고, 고탄성 탄소섬유(6)를 회수하는 회수단계(S100)가 수행될 수 있다.The carbonized fiber 3 cooled through the cooling step S60 may be recovered through a recovery step S80, and a recovery step S100 of recovering the high elastic carbon fiber 6 may be performed.

또한, 불활성 가스(N2, Ar, Ne, He 등)를 가스 주입단계(S30)에서 가스 공급관(9)을 통해 유입시켜 반응로 내를 통과하는 섬유의 산화를 방지할 수 있다.In addition, the inert gas (N2, Ar, Ne, He, etc.) can be prevented from being oxidized in the fiber passing through the reactor by flowing through the gas supply pipe 9 in the gas injection step (S30).

그리고, 마이크로 웨이브를 통한 가열단계(S40)에서는 온도 제어를 통해 반응로(10)로 600~3000℃ 범위의 적정 온도를 유지하도록 제어할 수 있고, 이를 통해 탄화전 섬유(1)를 탄화시켜 용이하게 탄소섬유로 제조할 수 있다.And, in the heating step (S40) through the microwave can be controlled to maintain the proper temperature in the range of 600 ~ 3000 ℃ to the reactor 10 through temperature control, through which it is easy to carbonize the fiber (1) before carbonization It can be made of carbon fiber.

또한, 동시에 마이크로 웨이브 조사 발열체로 사용된 탄소섬유는 고탄성 탄소섬유 또는 흑연화된 탄소섬유(6)로 제조할 수 있다.In addition, the carbon fiber used as a microwave irradiation heating element at the same time can be made of high elastic carbon fiber or graphitized carbon fiber (6).

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 또 다른 탄소섬유 제조 방법을 순서도로 나타낸 예시이다.4 is a flowchart illustrating another carbon fiber manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유 제조 방법은, 반응로(10)에 탄화전 섬유(1)를 공급하는 공급단계(S10)를 수행한다.As shown in Figure 4, the carbon fiber manufacturing method according to an embodiment of the present invention performs a supply step (S10) of supplying the pre-carbonized fiber 1 to the reactor 10.

공급단계(S10)에서는 도 2에 도시된 바와 같이 반응로(10)의 입구부 상부측 제1 로울러(21)에 가이드 되어 냉각 재킷(7-1)을 통해 탄화전 섬유(1)가 반응로(10)로 공급된다.In the supplying step (S10), as shown in FIG. 2, the fiber 1 before the carbonization is guided through the cooling jacket 7-1 by being guided to the first roller 21 on the upper side of the inlet of the reactor 10 (10).

그리고, 공급된 탄화전 섬유(1)를 탄화 또는 흑연화 하기 위한 불활성 가스를 주입하는 가스 주입단계(S30)를 수행한다.Then, a gas injection step (S30) of injecting an inert gas for carbonization or graphitization of the supplied fiber 1 is performed.

가스 주입단계(S30)에서는 도 2에 도시된 바와 같이 반응로(10)의 입구부와 출구부 주변에 설치된 가스 공급관(9)을 통해 가스가 공급된다.In the gas injection step (S30), gas is supplied through the gas supply pipe 9 installed around the inlet and outlet of the reactor 10 as shown in FIG. 2.

이때, 상기 가스 공급관(9)에 공급되는 가스는 산소가 포함되지 않은 공지의 가스가 주입될 수 있다.At this time, the gas supplied to the gas supply pipe 9 may be injected with a known gas that does not contain oxygen.

그리고, 마그네트론(12)에 전원을 공급하여 마이크로 웨이브를 발생시키고 발생되는 마이크로 웨이브는 반응기(10) 내부로 조사되어 탄소섬유 발열체(5)를 가열하는 가열단계(S40)를 수행한다.Then, the power is supplied to the magnetron 12 to generate microwaves, and the generated microwaves are irradiated into the reactor 10 to perform a heating step (S40) of heating the carbon fiber heating element 5.

아울러, 섬유의 온도를 제어하는 온도 제어단계(S50)가 수행될 수 있다. 이를 통해 탄화 중인 섬유(2)의 적외선 온도를 측정하여 마그네트론(12)에 공급되는 전력을 제어하여 온도를 바람직한 일정한 유효 온도로 자유롭게 유지할 수 있다.In addition, a temperature control step (S50) for controlling the temperature of the fiber may be performed. Through this, the infrared temperature of the fiber 2 being carbonized is measured to control the power supplied to the magnetron 12 so that the temperature can be freely maintained at a desired constant effective temperature.

또한, 탄소섬유 발열체(5)의 적외선 온도를 측정하고 제2 로울러(22) 및 하부 가이드로울러(17-2)의 위치를 위아래로 제어하여 고탄성 탄소섬유 또는 흑연화된 탄소섬유(6)의 등급을 제어하는 처리도 가능하다.In addition, by measuring the infrared temperature of the carbon fiber heating element 5 and controlling the position of the second roller 22 and the lower guide roller 17-2 up and down, the grade of the high elastic carbon fiber or graphitized carbon fiber 6 It is also possible to control the process.

그리고, 탄화된 탄소섬유를 냉각하는 냉각단계(S60)를 수행한다. 냉각단계(S60)에서는 반응로(10)의 냉각 재킷(7-2)을 통해 고열로 가열된 탄화된 섬유(3)를 냉각한다.Then, a cooling step (S60) of cooling the carbonized carbon fiber is performed. In the cooling step (S60), the carbonized fiber 3 heated to high heat is cooled through the cooling jacket 7-2 of the reactor 10.

그리고, 탄화된 탄소섬유를 리턴시켜 회귀시키는 회귀단계(S200)를 수행한다.Then, a return step (S200) of returning the carbonized carbon fiber to return is performed.

탄화된 탄소섬유 회귀단계(S200)에서는 탄화된 탄소섬유(3)를 냉각 재킷(7-2)을 통하여 다시 반응로(10) 안으로 공급한다.In the carbonized carbon fiber return step (S200), the carbonized carbon fiber 3 is supplied into the reactor 10 again through the cooling jacket 7-2.

이어서, 탄화된 탄소섬유 발열체를 사용하는 탄화된 탄소섬유 발열체 사용단계(S40-1)를 수행한다. 여기서, 탄화된 탄소섬유(3)는 마이크로 웨이브 조사 탄소섬유 발열체(5)로 사용된다.Subsequently, a step of using a carbonized carbon fiber heating element using a carbonized carbon fiber heating element (S40-1) is performed. Here, the carbonized carbon fiber 3 is used as a microwave irradiated carbon fiber heating element 5.

그리고, 탄화 또는 흑연화된 탄소섬유(6)를 냉각하는 냉각단계(S60-1)를 수행한다.Then, a cooling step (S60-1) of cooling the carbonized or graphitized carbon fiber 6 is performed.

냉각단계(S60-1)에서는 반응로(10)에 구비되는 냉각 재킷(7-1)을 통해 고열로 가열된 고탄성 탄소섬유(6)를 냉각한다.In the cooling step (S60-1), the high-elasticity carbon fiber 6 heated by high heat is cooled through a cooling jacket 7-1 provided in the reactor 10.

그리고, 냉각되어 고탄성 탄소섬유(6)를 회수하는 회수단계(S100)를 수행한다.Then, the recovery step (S100) of cooling and recovering the highly elastic carbon fiber 6 is performed.

또한, 불활성 가스(N2, Ar, Ne, He 등)를 가스 주입단계(S30)에서 가스 공급관(9)을 통해 유입시켜 반응로 내를 통과하는 섬유의 산화를 방지할 수 있다.In addition, the inert gas (N2, Ar, Ne, He, etc.) can be prevented from being oxidized in the fiber passing through the reactor by flowing through the gas supply pipe 9 in the gas injection step (S30).

그리고, 마이크로 웨이브를 통한 가열단계(S40)에서는 온도 제어를 통해 반응로(10)로 600~3000℃ 범위의 적정 온도를 유지하도록 제어할 수 있고, 이를 통해 탄화전 섬유(1)를 탄화시켜 용이하게 탄소섬유로 제조할 수 있다.And, in the heating step (S40) through the microwave can be controlled to maintain the proper temperature in the range of 600 ~ 3000 ℃ to the reactor 10 through temperature control, through which it is easy to carbonize the fiber (1) before carbonization It can be made of carbon fiber.

또한, 제조된 탄소섬유(3)를 반응로(10)로 회귀시켜 마이크로 웨이브 조사 탄소섬유 발열체(5)로 사용하여 고탄성 탄소섬유 또는 흑연화된 탄소섬유(6)로 제조할 수 있다.In addition, the produced carbon fiber 3 can be returned to the reactor 10 and used as a microwave irradiated carbon fiber heating element 5 to produce high elastic carbon fiber or graphitized carbon fiber 6.

또한, 도 4에 도시된 바와 같은 탄소섬유 제조 방법은, 일반 탄소섬유 제조 보다는 고탄성 탄소섬유 제조 또는 흑연화 탄소섬유 제조 공정 수행에 바람직하게 적용될 수 있다. 이는 한쪽의 출구부를 폐쇄한 상태로 탄소섬유 제조가 가능하므로 이를 통해 작업 가스의 유량 손실을 억제하고 줄일 수 있어 고가의 작업 가스 비용을 절약하면서 경제적으로 탄소섬유를 제조하는데 유리하게 적용될 수 있다.In addition, the carbon fiber manufacturing method as shown in FIG. 4 can be preferably applied to high-elastic carbon fiber production or graphitized carbon fiber production process rather than general carbon fiber production. Since it is possible to manufacture carbon fiber in a state where one outlet is closed, it is possible to suppress and reduce the flow loss of the working gas through this, and thus can be advantageously applied to economically manufacturing carbon fiber while saving expensive work gas cost.

본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유 제조 장치 및 방법에 의하면, 탄화 및 흑연화 공정에서 마이크로 웨이브 조사 발열체로 비열이 낮은 탄화된 탄소섬유를 열원으로 사용할 수 있으므로 반응로의 온도를 기존의 수십 시간 소요에 비하여 수 십초~수 분 이내에 수 천도를 만들 수 있어 예열 대기 시간을 대폭 낮출 수 있고 이를 통해 탄소섬유 제조 시간을 줄일 수 있는 이점이 있다.According to the carbon fiber manufacturing apparatus and method according to an embodiment of the present invention, since carbonized carbon fibers having a low specific heat can be used as a heat source in a carbonization and graphitization process as a microwave irradiation heating element, the temperature of the reactor is conventional for several tens of hours. Compared to the requirements, it is possible to make thousands of degrees within a few seconds to a few minutes, thereby significantly reducing the waiting time for preheating, thereby reducing the manufacturing time of carbon fiber.

본 발명의 일실시예에 따른 탄소섬유 제조 장치 및 방법에 의하면, 탄화 및 흑연화 공정에서 마이크로 웨이브 조사 발열체로 탄화된 탄소섬유를 열원으로 사용함으로써 비열이 낮은 탄소섬유에 직접 에너지를 공급 가열시켜 탄화중인 섬유에 전달됨으로 에너지 소비를 줄이는 이점이 있다.According to the carbon fiber manufacturing apparatus and method according to an embodiment of the present invention, carbonized carbonized with a microwave irradiation heating element is used as a heat source in the carbonization and graphitization process to directly supply energy to carbon fibers with low specific heat and carbonization. It has the advantage of reducing energy consumption by being delivered to the fiber in hand.

이와 같이 본 발명은, 마이크로 웨이브 가열에 의한 탄화 및 흑연화 장치의 열 반응기의 구조가 수평 및 수직인 구조이고, 다수의 마이크로 웨이브 공급 구조를 갖으며, 다수의 탄소섬유를 동시에 처리할 수 있는 넓은 면적으로 탄소섬유를 제조할 수 있는 장점이 있다.As described above, the present invention has a structure in which the structure of the thermal reactor of the carbonization and graphitization apparatus by microwave heating is horizontal and vertical, has a plurality of microwave supply structures, and is capable of simultaneously processing multiple carbon fibers. It has the advantage of being able to manufacture carbon fibers in an area.

또한, 탄소섬유 탄화 제조를 위한 발열체로 탄화된 탄소섬유를 사용하고, 마이크로 웨이브 가열에 의한 탄화된 탄소섬유가 발열하여 미 탄화된 섬유에 열에너지를 전달하여 탄화전 섬유를 탄화시키는 동시에 발열체로 사용된 탄소섬유를 고탄성률을 갖는 탄소섬유로 제조할 수 있는 장점이 있다.In addition, carbonized carbon fiber is used as a heating element for carbon fiber carbonization, and carbonized carbon fiber by microwave heating generates heat to transfer thermal energy to the uncarbonized fiber to carbonize the fiber before carbonization and is used as a heating element. There is an advantage in that the carbon fiber can be produced as a carbon fiber having a high modulus of elasticity.

또한, 고탄성률의 탄소섬유를 제조하는 동시에 추가에너지 투입 없이 일반 탄소섬유를 제조할 수 있는 장점도 있다.In addition, there is also an advantage that it is possible to manufacture a general carbon fiber without inputting additional energy while simultaneously producing a high modulus carbon fiber.

본 발명은 도면에 도시된 일실시예를 참고로 설명되었으나 실시 예로 한정되지 않으며 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있으며 수정과 변형이 이루어진 것은 본 발명의 기술 사상에 포함된다.The present invention has been described with reference to one embodiment shown in the drawings, but is not limited to the embodiment and can be modified and modified within a range not departing from the gist of the present invention. Is included.

1: 탄화전 섬유 2: 탄화 중인 섬유
3.4: 탄화된 섬유 5: 탄소섬유 발열체
6: 고탄성 탄소섬유 또는 흑연화된 탄소섬유
7-1.7-2: 냉각 재킷 8: 냉각수
9: 가스 공급관 10: 반응로
11: 단열재 12: 마그네트론
13: 스토브 14. 웨이브 가이드
15: 로울러 박스 16: 리턴로울러
17-1.17-2: 가이드 로울러 18. 마이크로 웨이브 발생 모듈
21.21-1.21-2: 제1 로울러 22.22-1.22-2: 제2 로울러1: Pre-carbonization fiber 2: Fiber being carbonized
3.4: Carbonized fiber 5: Carbon fiber heating element
6: High elastic carbon fiber or graphitized carbon fiber
7-1.7-2: cooling jacket 8: cooling water
9: gas supply line 10: reactor
11: Insulation 12: Magnetron
13: Stove 14. Wave guide
15: roller box 16: return roller
17-1.17-2: Guide roller 18. Microwave generation module
21.21-1.21-2: First roller 22.22-1.22-2: Second roller

Claims (8)

산화안정화된 섬유를 탄화 또는 흑연화 하기 위해 섬유가 통과하는 공간을 가지며, 일단은 섬유가 공급되는 입구부로 구성되고, 타단은 탄화 또는 흑연화된 탄소섬유로 회수하기 위해 출구부를 구비하는 반응로;
상기 반응로의 입구부 전단에, 탄화전 섬유를 공급하는 입구부 제1 로울러;
상기 반응로의 출구부 후단에, 탄화된 탄소섬유를 회수하기 위하여 구비되는 출구부 제1 로울러;
상기 입구부 제1 로울러 하단에 별도의 탄화된 또는 흑연화된 섬유를 공급하는 입구부 제2 로울러;
상기 출구부 제1 로울러 하단에 별도의 고탄성 탄소 섬유를 회수하는 출구부 제2 로울러;
상기 반응로의 입구부와 출구부에 냉각수가 유입되는 냉각 재킷으로 구비되는 냉각부;
상기 반응로의 입구부와 출구부 주변에 작업 가스를 공급하도록 구비되는 가스 공급부;
상기 반응로를 따라 적어도 하나 이상 구비되는 마이크로웨이브 발생 모듈; 및
상기 마이크로웨이브 발생 모듈은 상기 반응로에 대하여 수직방향으로 설치된 웨이브 가이드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조 장치.A reactor having a space through which fibers pass to carbonize or graphitize the oxidized stabilized fiber, one end consisting of an inlet portion through which the fiber is supplied, and the other end having an outlet portion to recover carbonized or graphitized carbon fibers;
An inlet first roller for supplying fibers before carbonization to an inlet end of the reactor;
An outlet portion first roller provided to recover carbonized carbon fibers at a rear end of the outlet portion of the reaction furnace;
An inlet second roller for supplying a separate carbonized or graphitized fiber to the bottom of the inlet first roller;
An outlet portion second roller for recovering a separate high elastic carbon fiber at the bottom of the outlet portion of the first roller;
A cooling part provided with a cooling jacket through which cooling water flows into the inlet and outlet parts of the reactor;
A gas supply unit provided to supply working gas to the inlet and outlet portions of the reactor;
A microwave generating module provided with at least one along the reactor; And
The microwave generation module is a carbon fiber manufacturing apparatus comprising a; wave guide installed in the vertical direction with respect to the reactor. 제 1 항에 있어서,
상기 제1 로울러와 상기 제2 로울러의 수직 간격 조절로 공급되는 탄화전 섬유와 탄화된 섬유간의 간격 조절이 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조 장치.According to claim 1,
Carbon fiber manufacturing apparatus characterized in that the first roller and the second roller is configured to be able to adjust the spacing between the carbonized fibers and the carbonized fibers supplied by the vertical spacing adjustment. 제 1 항에 있어서,
상기 반응로는 수평 또는 수직방향으로 설치된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 제조 장치.According to claim 1,
The reactor is a carbon fiber manufacturing apparatus, characterized in that installed in the horizontal or vertical direction. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 반응로에 탄화전 섬유를 공급하는 섬유 공급단계;
반응로에 탄화된 섬유를 공급하는 섬유 공급단계;
상기 단계로부터 반응로에 공급된 섬유를 탄화하기 위해 반응로에 가스를 주입하는 가스 주입단계;
마이크로웨이브 발생 모듈에 전원을 공급하여 마그네트론을 구동하여 마이크로웨이브를 반응로에 조사하는 단계;
공급되는 탄화된 섬유에 조사되는 마이크로웨이브가 흡수 발열하는 단계;
발열하는 탄화된 섬유가 탄화전 섬유에 열을 공급하여 탄화 과정이 진행되게하는 단계;
발열하는 탄화된 섬유의 온도를 측정하여 마이크로웨이브의 전력을 제어하는 단계;
탄화 또는 흑연화된 탄소섬유를 냉각하는 냉각 단계;
상기 냉각 단계로부터 탄화된 탄소섬유를 제1 로울러로 회수하는 회수단계; 및 상기 냉각 단계로부터 발열체로 사용 전의 탄화된 섬유를 발열체로 사용된 후로 가공된 고탄성화된 또는 흑연화된 탄소섬유를 제2 로울러로 회수하는 회수단계;를 포함하는 탄소섬유 제조 방법.A fiber supply step of supplying fibers before carbonization to the reaction furnace;
A fiber supply step of supplying carbonized fibers to the reaction furnace;
A gas injection step of injecting gas into the reactor to carbonize the fibers supplied to the reactor from the above step;
Supplying power to the microwave generating module to drive the magnetron to irradiate the microwave to the reaction furnace;
The microwave irradiated to the supplied carbonized fiber absorbs and generates heat;
Heating the carbonized fiber to supply heat to the fiber before carbonization to cause the carbonization process to proceed;
Controlling the power of the microwave by measuring the temperature of the heat-generated carbonized fiber;
A cooling step of cooling the carbonized or graphitized carbon fiber;
A recovery step of recovering carbonized carbon fibers from the cooling step to a first roller; And a recovery step of recovering the highly elasticized or graphitized carbon fiber processed after the carbonized fiber before use as a heating element is used as a heating element from the cooling step to a second roller. 제 7 항에 있어서,
상기 발열하는 탄화된 섬유와 탄화전 섬유의 간격을 제어함으로서 탄화전 섬유에 공급되는 열과 발열하는 탄화된 섬유 온도차이를 제어하는 탄소섬유 제조방법.

The method of claim 7,
Carbon fiber manufacturing method for controlling the temperature difference between the heat supplied to the pre-carbonized fiber and the temperature of the carbonized fiber to generate heat by controlling the distance between the heat-generated carbonized fiber and the pre-carbonized fiber.

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