KR102504825B1 - Carbon paper using carbon fiber having excellent dispersibility and Manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소섬유를 분말화 및 열처리를 수행하고, 이를 계면활성제를 포함하는 분산용액에 분산시킨 뒤 바인더 용액을 분사함으로써 적정 두께, 강도 및 밀도를 가지고 면저항 및 기공도가 우수하며 파절 없이 유연하게 구부러져 에너지 분야의 다공성 막에 적용이 가능한 분산성이 우수한 탄소섬유를 이용한 카본페이퍼 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention powders and heat-treats carbon fibers, disperses them in a dispersion solution containing a surfactant, and then sprays a binder solution to make the carbon fibers have appropriate thickness, strength and density, excellent sheet resistance and porosity, and flexibility without fracture. It relates to carbon paper using carbon fibers with excellent dispersibility that can be bent and applied to porous membranes in the energy field, and a method for manufacturing the same.

Description

분산성이 우수한 탄소섬유를 이용한 카본페이퍼 및 이의 제조방법 {Carbon paper using carbon fiber having excellent dispersibility and Manufacturing method thereof}Carbon paper using carbon fiber having excellent dispersibility and Manufacturing method thereof}

본 발명은 분산성이 우수한 탄소섬유를 이용한 카본페이퍼 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to carbon paper using carbon fibers having excellent dispersibility and a method for manufacturing the same.

탄소섬유는 우수한 기계적 물성을 보유한 소재로서, 일반적으로 매트릭스 수지와 함께 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 구성하여 사용된다. 탄소섬유의 우수한 기계적 물성을 활용한 기재인 CFRP가 다양하게 사용됨에 따라 기존 소재의 경량화 및 고강도화가 이루어지고 있다.Carbon fiber is a material with excellent mechanical properties, and is generally used by being composed of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) together with a matrix resin. As CFRP, a base material utilizing the excellent mechanical properties of carbon fiber, is used in various ways, the existing materials are being made lighter and stronger.

한편, 대한민국 등록특허 제 10-1997120 호에서는 카본페이퍼를 제조함에 있어 원소재인 폴리이미드, 금속분말, 그래핀(graphene) 및 CNT(Carbon Nano Tube) 등을 사용하였는데, 표면의 전기전도 특성을 향상시키기 위하여 진공증착 또는 도금을 수행하였다. 그러나, 이러한 경우 금속 코팅에 의해 카본페이퍼의 기공이 폐색되므로 배터리 및 연료전지 등 에너지 분야의 다공성 막을 제조하기에 적합하지 않아, 통기도가 우수하면서도 카본페이퍼의 전기저항, 두께, 유연성 등을 모두 구현할 수 있는 카본페이퍼에 대한 연구가 시급한 실정이다.On the other hand, Korean Patent Registration No. 10-1997120 uses polyimide, metal powder, graphene, and CNT (Carbon Nano Tube), which are raw materials, to improve the electrical conductivity of the surface in manufacturing carbon paper. In order to do so, vacuum deposition or plating was performed. However, in this case, since the pores of the carbon paper are blocked by the metal coating, it is not suitable for manufacturing a porous membrane in the energy field such as batteries and fuel cells, and thus it is possible to realize all of the electrical resistance, thickness, and flexibility of the carbon paper while having excellent air permeability. There is an urgent need for research on carbon paper that exists.

대한민국 등록특허 제10-1997120 호 (등록일: 2019.07.01.)Republic of Korea Patent Registration No. 10-1997120 (registration date: 2019.07.01.)

상기한 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 분말화 및 열처리를 통해 분산성이 우수한 탄소섬유 분말을 사용함으로써 적정 밀도 및 강도를 갖고, 유연성과 기공도가 우수한 분산성이 우수한 탄소섬유를 이용한 카본페이퍼 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.In order to solve the above problems, the present invention uses carbon fiber powder having excellent dispersibility through powderization and heat treatment, so that it has proper density and strength, and has excellent flexibility and porosity. Carbon paper using carbon fibers with excellent dispersibility, and It is intended to provide a manufacturing method thereof.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 분산성이 우수한 탄소섬유를 이용한 카본페이퍼의 제조방법은 탄소섬유를 1차 열처리 및 냉각하여 표면이 개질된 탄소섬유를 수득하는 단계; 상기 표면이 개질된 탄소섬유를 분산용액에 분산시켜 혼합 용액을 제조하는 단계; 상기 혼합 용액을 물에 잠긴 틀 내부에 공급하여 섬유 웹(web)을 제조하는 단계; 상기 섬유 웹을 건조시켜 페이퍼 형태의 섬유 웹을 수득하는 단계; 및 상기 페이퍼 형태의 섬유 웹에 바인더 용액을 코팅한 후, 2차 열처리를 수행하여 카본페이퍼를 제조하는 단계; 를 포함할 수 있다.The method for producing carbon paper using carbon fibers having excellent dispersibility of the present invention for solving the above problems includes the steps of first heat-treating and cooling the carbon fibers to obtain carbon fibers having a modified surface; preparing a mixed solution by dispersing the surface-modified carbon fibers in a dispersion solution; supplying the mixed solution into a frame submerged in water to produce a fiber web; drying the fibrous web to obtain a fibrous web in the form of paper; and coating the paper-shaped fibrous web with a binder solution and then performing a secondary heat treatment to produce carbon paper. can include

본 발명의 바람직한 일실시예로써, 상기 탄소섬유는 평균 직경이 4 ~ 9μm이고, 평균 길이가 5 ~ 7mm일 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the carbon fibers may have an average diameter of 4 to 9 μm and an average length of 5 to 7 mm.

본 발명의 바람직한 일실시예로써, 상기 1차 열처리는 질소 분위기 하에서 500 ~ 900℃의 온도로 5 ~ 25분 동안 수행할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the first heat treatment may be performed for 5 to 25 minutes at a temperature of 500 to 900 ° C. under a nitrogen atmosphere.

본 발명의 바람직한 일실시예로써, 상기 냉각은 질소 분위기 하에서 150℃ 이하의 온도로 5 ~ 15분 동안 수행할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the cooling may be performed for 5 to 15 minutes at a temperature of 150 ° C. or less under a nitrogen atmosphere.

본 발명의 바람직한 일실시예로써, 상기 분산용액은 계면활성제 2 ~ 10 중량% 및 잔량의 물을 포함할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, The dispersion solution may include 2 to 10% by weight of a surfactant and the balance of water.

본 발명의 바람직한 일실시예로써, 상기 바인더 용액은 바인더 수지 10 ~ 30중량% 및 잔량의 에탄올 용매를 포함하고, 상기 바인더 수지는 페놀 수지, 피치(Pitch)계 수지, 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol) 수지 및 폴리아크릴산(Polyacrylate) 수지 중 에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the binder solution includes 10 to 30% by weight of a binder resin and the remaining amount of an ethanol solvent, and the binder resin is a phenol resin, a pitch-based resin, or polyvinyl alcohol It may include at least one selected from resin and polyacrylate resin.

본 발명의 바람직한 일실시예로써, 상기 코팅은 6회 ~ 20회 스프레이 코팅을 수행할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the coating may be spray coated 6 to 20 times.

본 발명의 바람직한 일실시예로써, 상기 2차 열처리는 900 ~ 1,100℃ 하에서 30 ~ 120분 동안 수행할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, The secondary heat treatment may be performed at 900 to 1,100 ° C for 30 to 120 minutes.

본 발명의 바람직한 일실시예로써, 상기 건조 및 2차 열처리는 1 ~ 3kg의 하중으로 압축하여 수행할 수 있다.As a preferred embodiment of the present invention, the drying and secondary heat treatment may be performed by compressing with a load of 1 to 3 kg.

본 발명의 다른 목적으로, 상기한 제조방법으로 제조된 분산성이 우수한 탄소섬유를 이용한 카본페이퍼는 두께가 75 ~ 125μm이고, 밀도가 1.65 ~ 3.00mg/cm2일 수 있다.For another object of the present invention, carbon paper using carbon fibers having excellent dispersibility manufactured by the above manufacturing method may have a thickness of 75 to 125 μm and a density of 1.65 to 3.00 mg/cm 2 .

본 발명을 통해 적절한 밀도 및 강도를 가지고, 유연성 및 기공도가 우수한 분산성이 우수한 탄소섬유를 이용한 카본페이퍼 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide carbon paper using carbon fibers having appropriate density and strength, excellent flexibility and porosity, and excellent dispersibility, and a manufacturing method thereof.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 카본페이퍼를 주사전자현미경(SEM)을 통해 각각 50배율, 500배율 및 3,000배율로 관찰을 수행한 이미지이고,
도 2의 a) ~ b)는 본 발명의 일실시예에 따른 카본페이퍼를 구부려 유연성을 평가한 이미지이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 카본페이퍼를 두께에 따라 촬영한 이미지이다.1 is an image obtained by observing carbon paper according to an embodiment of the present invention through a scanning electron microscope (SEM) at 50, 500, and 3,000 magnifications, respectively;
2 a) to b) are images of evaluating flexibility by bending carbon paper according to an embodiment of the present invention,
Figure 3 is an image taken according to the thickness of the carbon paper according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명의 분산성이 우수한 탄소섬유를 이용한 카본페이퍼의 제조방법은 탄소섬유를 1차 열처리 및 냉각하여 표면이 개질된 탄소섬유를 수득하는 1단계; 상기 표면이 개질된 탄소섬유를 분산용액에 분산시켜 혼합 용액을 제조하는 2단계; 상기 혼합 용액을 물에 잠긴 틀 내부에 공급하여 섬유 웹(web)을 제조하는 3단계; 상기 섬유 웹을 건조시켜 페이퍼 형태의 섬유 웹을 수득하는 4단계; 및 상기 페이퍼 형태의 섬유 웹에 바인더 용액을 코팅한 후, 2차 열처리를 수행하여 카본페이퍼를 제조하는 5단계; 를 포함할 수 있다.The method for producing carbon paper using carbon fibers having excellent dispersibility of the present invention includes a first step of obtaining surface-modified carbon fibers by first heat-treating and cooling the carbon fibers; a second step of preparing a mixed solution by dispersing the surface-modified carbon fibers in a dispersion solution; a third step of supplying the mixed solution into a frame submerged in water to manufacture a fiber web; Step 4 of drying the fibrous web to obtain a fibrous web in the form of paper; and a fifth step of coating the paper-shaped fibrous web with a binder solution and performing a secondary heat treatment to produce carbon paper; can include

상세하게는, 상기 탄소섬유는 평균 직경이 4 ~ 9μm일 수 있고, 바람직하게는 4.5 ~ 8.5μm일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 5.0 ~ 8.0μm일 수 있다. 만일, 상기 탄소섬유의 직경이 4μm 미만일 경우 기계적 물성이 현저히 낮아지는 문제가 발생할 수 있고, 9μm를 초과하는 경우 기공도의 저하 및 두께의 증가 문제가 발생할 수 있다.Specifically, the carbon fiber may have an average diameter of 4 to 9 μm, preferably 4.5 to 8.5 μm, and more preferably 5.0 to 8.0 μm. If the diameter of the carbon fiber is less than 4 μm, a problem in that mechanical properties may be significantly lowered may occur, and if the diameter exceeds 9 μm, a decrease in porosity and an increase in thickness may occur.

또한, 상기 탄소섬유 분말은 평균 길이가 5 ~ 7mm일 수 있고, 바람직하게는 5.5 ~ 6.5mm일 수 있다. 만일, 상기 탄소섬유 분말의 평균 길이가 5mm 미만인 경우 카본페이퍼의 유연성이 저하하는 문제가 발생할 수 있고, 7mm를 초과하는 경우에는 분산성과 기공도가 저하하는 문제가 발생할 수 있다.In addition, the carbon fiber powder may have an average length of 5 to 7 mm, preferably 5.5 to 6.5 mm. If the average length of the carbon fiber powder is less than 5 mm, a problem of deterioration in flexibility of the carbon paper may occur, and if it exceeds 7 mm, a problem of deterioration in dispersibility and porosity may occur.

이때, 상기 탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 탄소섬유, 피치(Pitch)계 탄소섬유, 레이온(Rayon)계 탄소섬유 및 탄소섬유의 폐기물 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 폴리아크릴로니트릴(PAN)계 탄소섬유 및 피치(Pitch)계 탄소섬유를 포함할 수 있다.In this case, the carbon fiber may include at least one selected from polyacrylonitrile (PAN)-based carbon fiber, pitch-based carbon fiber, rayon-based carbon fiber, and carbon fiber waste, and preferably may include polyacrylonitrile (PAN)-based carbon fibers and pitch-based carbon fibers.

먼저, 상기 1단계의 1차 열처리는 질소 분위기 하에서 수행할 수 있고, 500 ~ 900℃의 온도로 수행할 수 있으며, 바람직하게는 550 ~ 850℃의 온도로 수행할 수 있고, 더욱 바람직하게는 600 ~ 800℃의 온도로 수행할 수 있다.First, the first heat treatment of the first step may be performed under a nitrogen atmosphere, at a temperature of 500 to 900 ° C, preferably at a temperature of 550 to 850 ° C, more preferably at 600 ° C. It can be carried out at a temperature of ~ 800 ° C.

만일, 상기 1차 열처리를 500℃ 미만에서 수행하는 경우 온도가 충분하지 않아 표면이 개질되지 않아 탄소섬유의 분산성이 불량해지고, 결과적으로 카본페이퍼의 물성이 불량해지는 문제가 발생할 수 있고, 900℃를 초과하는 온도에서 수행하는 경우에는 탄소섬유 표면의 사이징 재료가 모두 탄화되어 카본페이퍼의 분산성이 불량해지는 문제가 있을 수 있다.If the first heat treatment is performed at less than 500° C., the temperature is not sufficient and the surface is not modified, resulting in poor dispersibility of the carbon fiber, resulting in poor physical properties of the carbon paper. In the case of performing at a temperature exceeding , there may be a problem in that the dispersibility of the carbon paper is poor because all of the sizing material on the surface of the carbon fiber is carbonized.

이때, 상기 사이징 재료는 본 발명에 따른 탄소섬유의 표면에 도포되어 탄소섬유를 다발로 묶어주는 역할을 한다. 이러한 사이징 재료는 적절히 탄화되는 것이 중요한데, 상기 사이징 재료가 완전히 탄화되어 탄소섬유만 남게 되는 경우 분산성이 떨어지고, 상기 사이징 재료가 탄화되지 않으면 상기 탄소섬유가 다발 형태로 남아 있기 때문에 분산성이 불량해지므로, 상기 1차 열처리를 적절한 온도 및 시간으로 수행하는 것이 중요하다.At this time, the sizing material is applied to the surface of the carbon fibers according to the present invention and serves to bundle the carbon fibers. It is important that these sizing materials are properly carbonized. If the sizing material is completely carbonized and only carbon fibers remain, the dispersibility is poor. If the sizing material is not carbonized, the carbon fibers remain in a bundle form, resulting in poor dispersibility. Therefore, it is important to perform the first heat treatment at an appropriate temperature and time.

또한, 상기 1차 열처리는 5 ~ 25분 동안 수행할 수 있고, 바람직하게는 10 ~ 20분 동안 수행할 수 있다. 만일, 상기 1차 열처리를 5분 미만으로 수행하는 경우 시간이 충분하지 않아 표면이 개질되지 않는 문제가 있을 수 있고, 25분을 초과하여 수행하는 경우 탄소섬유 표면의 사이징 재료가 모두 탄화되는 문제가 있을 수 있다.In addition, the first heat treatment may be performed for 5 to 25 minutes, preferably for 10 to 20 minutes. If the first heat treatment is performed for less than 5 minutes, there may be a problem in that the surface is not modified due to insufficient time, and when performed for more than 25 minutes, all sizing materials on the surface of the carbon fiber are carbonized. There may be.

한편, 상기 냉각은 상기 1차 열처리 이후 수행할 수 있으며, 상기 냉각은 질소 분위기 하에서 수행할 수 있고, 150℃ 이하의 온도에서 5 ~ 15분 동안 수행할 수 있으며, 바람직하게는 130℃ 이하의 온도에서 6 ~ 14분 동안 수행할 수 있고, 보다 바람직하게는 50 ~ 120℃의 온도에서 7 ~ 13분 동안 수행할 수 있다. 만일, 상기 냉각을 150℃를 초과하는 온도에서 수행하는 경우 탄소섬유 표면이 산화하여 카본페이퍼의 밀도와 강도가 감소하여 물성이 불량해지는 문제가 있을 수 있다.Meanwhile, the cooling may be performed after the first heat treatment, the cooling may be performed under a nitrogen atmosphere, and may be performed for 5 to 15 minutes at a temperature of 150° C. or less, preferably at a temperature of 130° C. or less. It can be carried out for 6 to 14 minutes, more preferably for 7 to 13 minutes at a temperature of 50 to 120 ℃. If the cooling is performed at a temperature exceeding 150° C., the surface of the carbon fiber is oxidized and the density and strength of the carbon paper are reduced, resulting in poor physical properties.

이상에서 설명한 1차 열처리 및 냉각(1단계)를 수행함으로써, 상기 탄소섬유 분말의 표면이 개질되고, 이를 통해 분산용액에 분산 시 섬유끼리 뭉치는 현상 없이 탄소섬유 분말이 서로 달라붙지 않기 때문에 카본페이퍼의 기공도(투과도)가 향상되는 효과가 있다. 본 발명에 따른 카본페이퍼는 에너지 분야의 막 용도로 사용될 수 있으므로 기공도가 우수해야 한다.By performing the first heat treatment and cooling (step 1) described above, the surface of the carbon fiber powder is modified, and through this, when dispersed in a dispersion solution, the carbon fiber powder does not stick to each other without a phenomenon of aggregation of the fibers Carbon paper There is an effect of improving the porosity (permeability) of Since the carbon paper according to the present invention can be used as a membrane in the energy field, it must have excellent porosity.

다음으로, 상기 2단계의 분산용액은 계면활성제 2 ~ 10중량% 및 잔량의 물을 포함할 수 있고, 바람직하게는 계면활성제 2.5 ~ 9중량% 및 잔량의 물을 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 계면활성제 3 ~ 8중량%로 포함할 수 있다.Next, the dispersion solution in the second step may include 2 to 10% by weight of a surfactant and the balance of water, preferably 2.5 to 9% by weight of the surfactant and the balance of water, more preferably may include 3 to 8% by weight of a surfactant.

만일, 상기 분산용액 중에서 계면활성제를 2중량% 미만으로 포함하는 경우 탄소섬유의 분산성이 저하하는 문제가 발생할 수 있고, 10중량%를 초과하여 포함하는 경우 계면활성제를 물에 희석하는 시간이 증가하는 문제가 발생하거나 물성 향상의 정도가 미미할 수 있다.If less than 2% by weight of the surfactant is included in the dispersion solution, the dispersibility of the carbon fiber may deteriorate, and if it is included in the dispersion solution in excess of 10% by weight, the time for diluting the surfactant in water increases. A problem may occur or the degree of physical property improvement may be insignificant.

이때, 상기 계면활성제는 비이온성 계면활성제, 양이온성 계면활성제, 음이온성 계면활성제 및 양쪽성 계면활성제 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 양이온성 계면활성제 및 음이온성 계면활성제 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.In this case, the surfactant may include at least one selected from nonionic surfactants, cationic surfactants, anionic surfactants, and amphoteric surfactants, preferably selected from cationic surfactants and anionic surfactants. One or more may be included.

상기와 같이 탄소섬유를 분산시키는 분산용액에 계면활성제를 사용하는 경우 탄소섬유의 분산성 향상의 작용을 통해 제조되는 카본페이퍼가 적정 두께를 가지고, 기공도 및 유연성 등의 물성이 우수해지는 효과가 있다.As described above, when a surfactant is used in a dispersion solution for dispersing carbon fibers, carbon paper produced through the action of improving the dispersibility of carbon fibers has an appropriate thickness and has an effect of improving physical properties such as porosity and flexibility. .

한편, 상기 2단계의 혼합 용액은 상기 분산용액 및 상기 표면이 개질된 탄소섬유를 포함할 수 있다.Meanwhile, the mixed solution of the second step may include the dispersion solution and the surface-modified carbon fiber.

다음으로, 상기 3단계는 물에 잠긴 틀을 준비하는 3-1단계; 상기 물에 잠긴 틀 내부에 혼합 용액을 공급하여 섬유 웹(web)을 제조하는 3-2단계;를 포함할 수 있다.Next, step 3 is step 3-1 of preparing a frame submerged in water; Step 3-2 of manufacturing a fiber web by supplying a mixed solution to the inside of the frame submerged in water; may include.

구체적으로는, 먼저, 상기 3-1단계의 물에 잠긴 틀은 상기 물에 적어도 1/3 이상 잠길 수 있고, 바람직하게는 적어도 2/3 이상 잠긴 것일 수 있다.Specifically, first, the frame submerged in water in the step 3-1 may be submerged by at least 1/3 or more, preferably at least 2/3 or more.

이때, 상기 물은 수조에 담긴 것일 수 있다.At this time, the water may be contained in a water tank.

이때, 상기 틀은 폴리프로필렌 망 또는 폴리에틸렌 망을 포함할 수 있고, 바람직하게는 폴리프로필렌 망을 포함할 수 있다.In this case, the frame may include a polypropylene network or a polyethylene network, and preferably may include a polypropylene network.

또한, 상기 틀은 페이퍼 형태일 수 있다.Also, the mold may be in the form of paper.

다음으로, 상기 3-2단계의 섬유 웹은 상기 틀 내부에 혼합 용액을 공급하여 상기 수조의 물에 혼합 용액이 서서히 분산됨으로써 상기 표면이 개질된 탄소섬유가 상기 틀 위에 적절하게 분산되어 가라앉은 것일 수 있다. Next, the fibrous web in step 3-2 is one in which a mixed solution is supplied to the inside of the frame and the mixed solution is gradually dispersed in the water in the tank so that the surface-modified carbon fibers are properly dispersed and settled on the frame. can

다음으로, 상기 4단계의 건조는 열풍을 통해 수행할 수 있고, 40℃ 이상의 온도에서 30분 이상 수행할 수 있으며, 바람직하게는 50 ~ 100℃의 온도에서 50 ~ 70분 동안 수행할 수 있다.Next, the drying in step 4 may be performed with hot air, at a temperature of 40° C. or higher for 30 minutes or more, and preferably at a temperature of 50 to 100° C. for 50 to 70 minutes.

만일, 상기 건조를 40℃ 미만의 온도에서 수행하거나 30분 미만 동안 수행하는 경우 충분히 건조되지 않음에 따라 섬유 웹에 있던 계면활성제가 증발하지 않아 기공도가 감소하는 문제가 있을 수 있다.If the drying is performed at a temperature of less than 40° C. or for less than 30 minutes, there may be a problem in that the surfactant in the fiber web does not evaporate and the porosity decreases as it is not sufficiently dried.

또한, 상기 건조는 섬유 웹을 포함하는 틀을 수조에서 꺼내어 수행할 수 있다.In addition, the drying may be performed by removing the frame including the fiber web from the water bath.

다음으로, 상기 5단계의 바인더 용액 코팅은 6 ~ 20회 스프레이 코팅 수행할 수 있고, 바람직하게는 8회 ~ 16회 수행할 수 있다. 만일, 상기 페놀 용액 분사를 6회 미만으로 수행하는 경우 카본페이퍼를 구성하는 탄소섬유 간 결합이 제대로 형성되지 않아 밀도가 감소하는 문제가 있을 수 있고, 20회를 초과하여 수행하는 경우 카본페이퍼의 두께가 과도하게 증가하거나 유연성이 감소하는 문제가 발생할 수 있다.Next, the binder solution coating in step 5 may be spray coated 6 to 20 times, preferably 8 to 16 times. If the phenol solution spraying is performed less than 6 times, there may be a problem in that the density decreases because the bonds between the carbon fibers constituting the carbon paper are not properly formed, and when the phenol solution is sprayed more than 20 times, the thickness of the carbon paper There may be a problem of excessive increase or decrease in flexibility.

이때, 상기 바인더 용액은 바인더 수지 10 ~ 30중량% 및 잔량의 에탄올 용매를 포함할 수 있고, 바람직하게는 바인더 수지 15 ~ 25중량% 및 잔량의 에탄올 용매를 포함할 수 있다. 만일, 상기 바인더 수지를 10중량% 미만으로 포함하는 경우 탄소섬유 간 결합이 제대로 형성하지 않아 카본페이퍼의 밀도가 낮아지는 문제가 있을 수 있고, 30중량%를 초과하여 포함하는 경우 카본페이퍼의 두께가 과도하게 증가하거나 유연성이 불량해지는 문제가 발생할 수 있다.At this time, the binder solution may include 10 to 30% by weight of the binder resin and the remaining amount of the ethanol solvent, preferably 15 to 25% by weight of the binder resin and the remaining amount of the ethanol solvent. If the binder resin is included in an amount of less than 10% by weight, there may be a problem in that the density of the carbon paper is lowered because the bond between the carbon fibers is not properly formed, and if the binder resin is included in an amount exceeding 30% by weight, the thickness of the carbon paper is reduced. Problems such as excessive increase or poor flexibility may occur.

또한, 상기 바인더 수지는 페놀 수지, 피치(Pitch)계 수지, 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol) 수지 및 폴리아크릴산(Polyacrylate) 수지 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 바인더 효과가 우수하고 저렴한 장점이 있는 페놀 수지를 포함할 수 있다.In addition, the binder resin may include at least one selected from a phenol resin, a pitch-based resin, a polyvinyl alcohol resin, and a polyacrylate resin, and preferably has an excellent binder effect, It may contain a phenolic resin, which has the advantage of being inexpensive.

다음으로, 상기 5단계의 2차 열처리는 상기 바인더 용액 코팅 후에 수행할 수 있으며, 상기 2차 열처리는 900 ~ 1,100℃ 하에서 30 ~ 120분 동안 수행할 수 있고, 바람직하게는 950 ~ 1,050℃ 하에서 50 ~ 100분 동안 수행할 수 있다.Next, the secondary heat treatment of step 5 may be performed after the binder solution coating, and the secondary heat treatment may be performed at 900 to 1,100 ° C for 30 to 120 minutes, preferably at 950 to 1,050 ° C for 50 minutes. Can be performed in ~100 minutes.

만일, 상기 2차 열처리를 900℃ 미만에서 수행하거나 30분 미만으로 수행하는 경우 바인더가 충분히 탄화되지 않는 문제가 발생할 수 있고, 바람직하게는 1,100℃를 초과하는 온도에 수행하거나 120분을 초과하여 수행하는 경우 제조 비용이 증가하여 경제성의 문제가 발생할 수 있다.If the secondary heat treatment is performed at less than 900 ° C or for less than 30 minutes, a problem may occur in which the binder is not sufficiently carbonized, preferably at a temperature exceeding 1,100 ° C or for more than 120 minutes. In this case, the manufacturing cost may increase, resulting in a problem of economic feasibility.

한편, 상기 4단계의 건조 및 5단계의 2차 열처리는 1 ~ 3kg의 하중으로 압축시키면서 수행할 수 있고, 바람직하게는 1.5 ~ 2.5kg의 하중으로 압축시키면서 수행할 수 있다.Meanwhile, the drying in step 4 and the secondary heat treatment in step 5 may be performed while compressing with a load of 1 to 3 kg, preferably with a load of 1.5 to 2.5 kg.

이때, 상기와 같은 하중을 통해 제조되는 카본페이퍼가 적정 두께로 압축될 수 있다.At this time, the carbon paper produced through the load as described above may be compressed to an appropriate thickness.

본 발명의 또 다른 목적으로, 상기한 제조방법을 통해 분산성이 우수한 탄소섬유를 이용한 카본페이퍼를 제조할 수 있다.As another object of the present invention, it is possible to manufacture carbon paper using carbon fibers having excellent dispersibility through the above manufacturing method.

이때, 상기 카본페이퍼는 두께가 75 ~ 125μm일 수 있고, 바람직하게는 두께가 82 ~ 122μm일 수 있으며, 보다 바람직하게는 84 ~ 99μm일 수 있다.In this case, the carbon paper may have a thickness of 75 to 125 μm, preferably a thickness of 82 to 122 μm, and more preferably a thickness of 84 to 99 μm.

만일, 상기 두께가 75μm 미만일 경우 카본페이퍼의 강도가 저하되어 에너지 분야의 다공성 막에 적용이 불가한 문제가 있을 수 있고, 125μm를 초과하는 경우 에너지 분야의 다공성 막 제조 시 제품의 두께가 과도하게 증가하여 상용화가 불가한 문제가 발생할 수 있다. 도 3을 통해 살펴보면, 카본페이퍼의 두께가 각각 72μm, 82μm, 95μm, 102μm, 106μm, 112μm, 122μm 및 126μm인 경우, 즉, 본 발명의 범위 내인 75 ~ 125μm일 경우 우수한 형태를 유지하였으나, 이를 벗어나는 경우 카본페이퍼의 형상을 유지하지 못하거나 과도하게 두꺼워 오히려 물성이 저하되는 것을 확인할 수 있었다.If the thickness is less than 75 μm, the strength of the carbon paper is lowered, and there may be a problem that it cannot be applied to the porous membrane in the energy field, and if it exceeds 125 μm, the thickness of the product increases excessively when manufacturing the porous membrane in the energy field. As a result, problems that cannot be commercialized may occur. Looking through FIG. 3, when the thickness of the carbon paper was 72 μm, 82 μm, 95 μm, 102 μm, 106 μm, 112 μm, 122 μm and 126 μm, respectively, that is, when the thickness was 75 to 125 μm within the scope of the present invention, excellent shape was maintained, but In this case, it was confirmed that the shape of the carbon paper was not maintained or was excessively thick, so that the physical properties were deteriorated.

또한, 상기 카본페이퍼는 밀도가 1.65 ~ 3.00mg/cm2일 수 있고, 바람직하게는 1.75 ~ 2.80 mg/cm2일 수 있으며, 보다 바람직하게는 1.85 ~ 2.40 mg/cm2일 수 있다.In addition, the carbon paper may have a density of 1.65 to 3.00 mg/cm 2 , preferably 1.75 to 2.80 mg/cm 2 , and more preferably 1.85 to 2.40 mg/cm 2 .

한편, 상기 카본페이퍼는 사용하고자 하는 제품의 크기에 맞게 잘라 사용할 수 있으며, 바람직한 일예로는 넓이와 길이가 각각 80 ~ 160mm 및 50 ~ 110mm일 수 있고, 바람직하게는 상기 넓이와 길이가 각각 85 ~ 155mm 및 55 ~ 105mm일 수 있다.On the other hand, the carbon paper can be cut and used according to the size of the product to be used, and in a preferred example, the width and length may be 80 to 160 mm and 50 to 110 mm, respectively, and preferably the width and length are 85 to 110 mm, respectively. 155 mm and 55 to 105 mm.

상기와 같은 카본페이퍼는 이용될 수 있는 분야를 제한하는 것은 아니나, 본 발명의 일 실시예에 따른 카본페이퍼는 적정 밀도 및 강도를 갖고, 유연성과 기공도가 우수한 특성을 가지기 때문에 바람직하게는 에너지 분야의 다공성 막에 사용될 수 있다.The carbon paper as described above is not limited to the field in which it can be used, but since the carbon paper according to an embodiment of the present invention has appropriate density and strength, and has excellent flexibility and porosity, it is preferably used in the energy field. can be used for porous membranes.

이때, 상기 "에너지 분야"란 에너지와 관련된 분야라면 어떠한 분야라도 제한이 없으며, 바람직하게는 배터리 및 연료전지 분야를 포함할 수 있다.At this time, the "energy field" is not limited to any field as long as it is an energy-related field, and may preferably include a battery and fuel cell field.

이하, 본 발명을 하기 실시예들을 통해 설명한다. 이때, 하기 실시예들은 발명을 예시하기 위하여 제시된 것일 뿐, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예들에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described through the following examples. At this time, the following examples are only presented to illustrate the invention, and the scope of the present invention is not limited by the following examples.

[실시예][Example]

실시예 1: 분산성이 우수한 탄소섬유를 이용한 카본페이퍼의 제조Example 1: Preparation of carbon paper using carbon fibers with excellent dispersibility

(1) 표면이 개질된 탄소섬유 분말을 제조하는 단계(1) preparing surface-modified carbon fiber powder

먼저, 튜브(반응기, 산화로 및 알루미나 보트) 내에 45초 동안 질소를 공급해 튜브 내에 질소 분위기가 형성되게 하였다.First, nitrogen was supplied into the tubes (reactor, oxidation furnace and alumina boat) for 45 seconds to form a nitrogen atmosphere in the tubes.

다음으로, 상기 탄소섬유를 700℃의 온도로 15분 동안 1차 열처리하여 열처리된 탄소섬유를 수득하였다.Next, the carbon fibers were subjected to primary heat treatment at a temperature of 700° C. for 15 minutes to obtain heat-treated carbon fibers.

이때, 상기 탄소섬유는 평균 직경이 6.5(±0.5)μm이고 평균 길이가 6mm이다.At this time, the carbon fiber has an average diameter of 6.5 (±0.5) μm and an average length of 6 mm.

다음으로, 상기 열처리된 탄소섬유를 튜브 끝에서 150℃ 하에서 10분 동안 냉각하여 표면이 개질된 탄소섬유를 제조하였다.Next, the heat-treated carbon fiber was cooled at the end of the tube at 150° C. for 10 minutes to prepare a surface-modified carbon fiber.

(2) 페이퍼 형태의 섬유 웹을 제조하는 단계(2) Manufacturing a fiber web in the form of paper

먼저, 계면활성제인 음이온계 계면활성제 5중량% 및 잔량의 물을 혼합하여 분산용액을 제조하였다.First, a dispersion solution was prepared by mixing 5% by weight of an anionic surfactant, which is a surfactant, and the remaining amount of water.

다음으로, 상기 표면이 개질된 탄소섬유 0.2g을 상기 분산용액에 분산시켜 혼합 용액 2L를 제조하였다.Next, 0.2 g of the surface-modified carbon fiber was dispersed in the dispersion solution to prepare a mixed solution of 2 L.

다음으로, 상기 혼합 용액을 물에 의해 2/3 정도가 잠긴 틀에 공급하여 섬유 웹(web)을 제조하였다.Next, the mixed solution was supplied to a frame about 2/3 of which was submerged with water to prepare a fiber web.

이때, 상기 틀은 페이퍼 형태이고, 폴리프로필렌 망을 포함한다.At this time, the frame is in the form of paper and includes a polypropylene net.

다음으로, 상기 섬유 웹(web)을 포함하는 페이퍼 형태의 틀을 꺼내 60℃ 하에서 30분 동안 건조시켜 페이퍼 형태의 섬유 웹을 제조하였다.Next, a paper-type frame including the fiber web was taken out and dried at 60° C. for 30 minutes to prepare a paper-type fiber web.

이때, 상기 건조는 2kg의 하중으로 압축시키면서 수행하였다.At this time, the drying was performed while compressing with a load of 2 kg.

(3) 카본페이퍼를 제조하는 단계(3) manufacturing carbon paper

상기 페이퍼 형태의 섬유 웹에 바인더 용액을 10회 스프레이 코팅하여 코팅된 섬유 웹을 제조하였다.A coated fiber web was prepared by spray-coating the binder solution 10 times on the paper-shaped fiber web.

이때, 상기 바인더 용액은 바인더 수지로 페놀 수지 20중량% 및 잔량의 에탄올을 혼합하여 제조하였다.At this time, the binder solution was prepared by mixing 20% by weight of a phenol resin and the remaining amount of ethanol as a binder resin.

다음으로, 상기 코팅된 섬유 웹을 1,000℃ 하에서 60분 동안 2차 열처리를 수행하고, 넓이X길이 160mmX110mm로 잘라 면적이 17,600mm2이고 두께가 112μm인 카본페이퍼를 제조하였다.Next, the coated fibrous web was subjected to secondary heat treatment at 1,000° C. for 60 minutes, and cut into a width X length of 160 mm X 110 mm to prepare carbon paper having an area of 17,600 mm 2 and a thickness of 112 μm.

이때, 상기 2차 열처리는 2kg의 하중으로 압축시키면서 수행하였다.At this time, the secondary heat treatment was performed while compressing with a load of 2 kg.

실시예 2 ~ 실시예 17 및 비교예 1 ~ 비교예 16: 카본페이퍼의 제조Example 2 to Example 17 and Comparative Example 1 to Comparative Example 16: Preparation of carbon paper

실시예 1과 동일한 방법으로 카본페이퍼를 제조하되, 하기 표 2 ~ 표 9의 조건으로 실시예 2 ~ 실시예 17 및 비교예 1 ~ 비교예 16을 실시하였다.Carbon paper was prepared in the same manner as in Example 1, but Examples 2 to 17 and Comparative Examples 1 to 16 were performed under the conditions shown in Tables 2 to 9 below.

실험예 1: 카본페이퍼 표면 관찰Experimental Example 1: Carbon paper surface observation

주사전자현미경(SEM)을 통해 실시예 1에서 제조한 카본페이퍼의 표면을 관찰하였다.The surface of the carbon paper prepared in Example 1 was observed through a scanning electron microscope (SEM).

구체적으로, 도 1의 a), b) 및 c)는 각각 50배율, 500배율 및 3,000배율로 관찰을 수행한 이미지이다. 이를 통해 실시예 1은 탄소섬유끼리 융착하지 않고 탄소섬유 한 가닥씩 분리되어 웹이 형성되었음을 알 수 있었다.Specifically, a), b) and c) of FIG. 1 are images observed at 50, 500, and 3,000 magnifications, respectively. Through this, it was found that in Example 1, a web was formed by separating the carbon fibers one by one without fusing the carbon fibers.

실험예 2: 카본페이퍼 물성 평가Experimental Example 2: Evaluation of carbon paper properties

실시예 1 및 실시예 8에서 제조한 카본페이퍼를 각각 3회씩 제조하여, 각각의 카본페이퍼의 무게 및 밀도를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The carbon papers prepared in Examples 1 and 8 were prepared three times each, and the weight and density of each carbon paper were measured, and the results are shown in Table 1 below.

무게(mg)weight (mg) 가로(mm)Width (mm) 세로(mm)vertical (mm) 면적(mm2)Area (mm 2 ) 밀도(mg/mm2)Density (mg/mm 2 )



실시예1



Example 1 Web
건조 후Web
after drying 1회1 time 2.7412.741 160160 110110 17,60017,600 1.561.56 2회Episode 2 3.0113.011 160160 110110 17,60017,600 1.711.71 3회3rd time 3.6753.675 160160 110110 17,60017,600 2.092.09 페놀 용액 분사 후After spraying phenol solution 1회1 time 7.7367.736 160160 110110 17,60017,600 4.404.40 2회Episode 2 7.4447.444 160160 110110 17,60017,600 4.234.23 3회3rd time 7.6027.602 160160 110110 17,60017,600 4.324.32 카본
페이퍼Carbon
paper 1회1 time 3.8393.839 160160 110110 17,60017,600 2.182.18 2회Episode 2 3.9753.975 160160 110110 17,60017,600 2.262.26 3회3rd time 3.7943.794 160160 110110 17,60017,600 2.162.16


실시예8


Example 8 Web
건조 후Web
after drying 1회1 time 3.1693.169 160160 110110 17,60017,600 1.801.80 2회Episode 2 3.3753.375 160160 110110 17,60017,600 1.921.92 3회3rd time 3.1673.167 160160 110110 17,60017,600 1.801.80 페놀 용액 분사 후After spraying phenol solution 1회1 time 5.5425.542 160160 110110 17,60017,600 3.153.15 2회Episode 2 5.4785.478 160160 110110 17,60017,600 3.113.11 3회3rd time 5.4935.493 160160 110110 17,60017,600 3.123.12 카본
페이퍼Carbon
paper 1회1 time 3.0883.088 160160 110110 17,60017,600 1.751.75 2회Episode 2 3.2703.270 160160 110110 17,60017,600 1.861.86 3회3rd time 2.9052.905 160160 110110 17,60017,600 1.651.65

상기 표 1을 살펴보면, 바인더 용액 분사 횟수에 따라 카본페이퍼의 물성이 변화하는 것을 확인할 수 있었다.Looking at Table 1, it was confirmed that the physical properties of the carbon paper changed according to the number of injections of the binder solution.

실험예 3: 카본페이퍼 물성 평가2Experimental Example 3: Evaluation of carbon paper properties 2

실시예 1 ~ 실시예 17 및 비교예 1 ~ 비교예 16에서 제조한 카본페이퍼를 다음과 같은 방법으로 물성 평가하여 그 결과값을 하기 표 2 ~ 표 9에 나타내었다.The physical properties of the carbon papers prepared in Examples 1 to 17 and Comparative Examples 1 to 16 were evaluated in the following manner, and the result values are shown in Tables 2 to 9 below.

(1) 분산성 측정(1) Dispersion measurement

카본페이퍼 제조공정 중 표면이 개질된 탄소섬유를 분산용액에 분산시키고 이를 관찰하였으며, 분산이 매우 잘 되는 경우 “◎”로 표시하였고, 분산이 잘 되지만 일부 뭉침 현상 등이 발생하는 경우 "○"으로 표시하였으며, 분산성이 불량한 경우 "X"으로 표시하였다. During the carbon paper manufacturing process, surface-modified carbon fibers were dispersed in a dispersion solution and observed. When the dispersion was very good, “◎” was marked, and when the dispersion was good but some agglomeration occurred, “○” In case of poor dispersibility, it was marked with "X".

(2) 기공도 측정(2) Porosity measurement

카본페이퍼의 부피 및 무게와 밀도를 통해 기공도를 측정하였다.The porosity was measured through the volume, weight and density of the carbon paper.

이때, 기공도가 높을수록 투과도가 높아 우수한 것으로 판단하였다.At this time, the higher the porosity, the higher the transmittance, and it was judged to be excellent.

(3)면저항 측정(3) Sheet resistance measurement

카본페이퍼의 면저항을 측정하기 위하여, 카본페이퍼를 넓이X길이 15mmX15mm으로 절단하여 샘플 5개를 만들었고, 상기 샘플 5개 각각을 4point probe을 통해 면저항을 측정하였으며, 5번의 실험값 중 최고값 및 최저값을 제외한 나머지 값들의 평균을 내었다.In order to measure the sheet resistance of the carbon paper, 5 samples were made by cutting the carbon paper into a width X length of 15 mm X 15 mm, and the sheet resistance of each of the 5 samples was measured through a 4-point probe, excluding the highest and lowest values among the five experimental values. The remaining values were averaged.

(4)강도 평가(4) Strength evaluation

카본페이퍼의 양 끝을 잡고 일정 힘으로 당겼을 때 찢어지는 경우 “X"으로 표시하였고, 찢어지지 않고 우수한 강도를 보이는 경우에는 "○"으로 표시하였다. When holding both ends of the carbon paper and pulling it with a certain force, it was marked with “X” if it was torn, and if it showed excellent strength without tearing, it was marked with “○”.

(5)유연성 평가(5) Evaluation of flexibility

카본페이퍼의 유연성을 평가하기 위하여, 도 3의 (a)에 나타낸 바와 같이, 카본페이퍼의 양 끝을 잡고 구부렸고, 도 3의 (b)와 같이 절단되거나 크랙 발생 없이 유연하게 휘어지는 경우 "○"으로 나타내었고, 뻣뻣하여 잘 휘어지지 않는 경우 "△"으로 나타내었으며, 휘어지지 않고 파절 및 크랙이 발생하는 경우 "X"으로 나타내었다. In order to evaluate the flexibility of the carbon paper, as shown in (a) of FIG. 3, both ends of the carbon paper were held and bent, and when it was flexibly bent without cutting or cracking as shown in (b) of FIG. 3, "○" Indicated by, and when it is stiff and does not bend well, it is represented by "Δ", and when fracture and cracks occur without bending, it is represented by "X".

실시예1Example 1 실시예2Example 2 실시예3Example 3 실시예4Example 4 실시예5Example 5


제조조건


manufacturing condition 탄소섬유carbon fiber 평균직경(μm)Average diameter (μm) 6.56.5 6.56.5 6.56.5 6.56.5 6.56.5 평균길이(mm)Average length (mm) 66 66 66 66 66 1차
열처리Primary
heat treatment 온도(℃)Temperature (℃) 700700 700700 700700 550550 850850 시간(min)time (min) 1515 1515 1515 1515 1515 냉각Cooling 온도(℃)Temperature (℃) 150150 150150 150150 150150 150150 시간(min)time (min) 1010 1010 1010 1010 1010 분산
용액Dispersion
solution 계면활성제(중량%)Surfactants (% by weight) 55 2.52.5 1010 55 55 물water 잔량balance 잔량balance 잔량balance 잔량balance 잔량balance 바인더용액 분사횟수(회)Number of spraying of binder solution (times) 1010 1010 1010 1010 1010 2차열처리2nd heat treatment 온도(℃)Temperature (℃) 1,0001,000 1,0001,000 1,0001,000 1,0001,000 1,0001,000 시간(min)time (min) 6060 6060 6060 6060 6060 카본페이퍼carbon paper 분산성dispersibility ◎◎ △△ ◎◎ ○○ ◎◎ 두께(μm)Thickness (μm) 9595 106106 102102 106106 9393 밀도(mg/mm2)Density (mg/mm 2 ) 2.172.17 1.791.79 2.012.01 1.961.96 2.182.18 기공도(%)Porosity (%) 9292 9393 8989 8989 9494 면저항(Ω/sq) 평균Sheet resistance (Ω/sq) average 5.385.38 6.166.16 5.295.29 5.595.59 5.315.31 강도robbery ○○ ○○ ○○ ○○ ○○ 유연성flexibility ○○ ○○ ○○ ○○ ○○

실시예6Example 6 실시예7Example 7 실시예8Example 8 실시예9Example 9


제조조건


manufacturing conditions 탄소섬유carbon fiber 평균직경(μm)Average diameter (μm) 6.56.5 6.56.5 6.56.5 6.56.5 평균길이(mm)Average length (mm) 66 66 66 66 1차열처리1st heat treatment 온도(℃)Temperature (℃) 700700 700700 700700 700700 시간(min)time (min) 1010 2020 1515 1515 냉각Cooling 온도(℃)Temperature (℃) 150150 150150 150150 150150 시간(min)time (min) 1010 1010 1010 1010 분산용액dispersion solution 계면활성제(중량%)Surfactant (% by weight) 55 55 55 55 물water 잔량balance 잔량balance 잔량balance 잔량balance 바인더용액 분사횟수(회)Number of spraying of binder solution (times) 1010 1010 66 1818 2차열처리2nd heat treatment 온도(℃)Temperature (℃) 1,0001,000 1,0001,000 1,0001,000 1,0001,000 시간(min)time (min) 6060 6060 6060 6060 카본페이퍼carbon paper 분산성dispersibility ○○ ◎◎ ◎◎ ◎◎ 두께(μm)Thickness (μm) 8585 9595 9292 9999 밀도(mg/mm2)Density (mg/mm 2 ) 2.022.02 2.172.17 1.751.75 2.282.28 기공도(%)Porosity (%) 9090 9292 9393 8686 면저항(Ω/sq) 평균Sheet resistance (Ω/sq) average 5.405.40 5.485.48 5.945.94 5.295.29 강도robbery ○○ ○○ ○○ ○○ 유연성flexibility ○○ ○○ ○○ △△

실시예10Example 10 실시예11Example 11 실시예12Example 12 실시예13Example 13


제조조건


manufacturing condition 탄소섬유carbon fiber 평균직경(μm)Average diameter (μm) 6.56.5 6.56.5 6.56.5 6.56.5 평균길이(mm)Average length (mm) 66 66 66 66 1차열처리1st heat treatment 온도(℃)Temperature (℃) 700700 700700 700700 700700 시간(min)time (min) 1515 1515 1515 1515 냉각Cooling 온도(℃)Temperature (℃) 150150 150150 150150 150150 시간(min)time (min) 1010 1010 1010 1010 분산용액dispersion solution 계면활성제(중량%)Surfactant (% by weight) 55 55 55 55 물water 잔량balance 잔량balance 잔량balance 잔량balance 바인더용액 분사횟수(회)Number of spraying of binder solution (times) 1010 1010 1010 1010 2차열처리2nd heat treatment 온도(℃)Temperature (℃) 950950 1,0501,050 1,0001,000 1,0001,000 시간(min)time (min) 6060 6060 5050 100100 카본페이퍼carbon paper 분산성dispersibility ◎◎ ◎◎ ◎◎ ◎◎ 두께(μm)Thickness (μm) 9595 9595 9595 9595 밀도(mg/mm2)Density (mg/mm 2 ) 2.122.12 2.252.25 2.152.15 2.222.22 기공도(%)Porosity (%) 9393 8888 9292 8989 면저항(Ω/sq) 평균Sheet resistance (Ω/sq) average 5.685.68 5.295.29 5.425.42 5.335.33 강도robbery ○○ ○○ ○○ ○○ 유연성flexibility ○○ ○○ ○○ ○○

실시예14Example 14 실시예15Example 15 실시예16Example 16 실시예17Example 17


제조조건


manufacturing condition 탄소섬유carbon fiber 평균직경(μm)Average diameter (μm) 4.54.5 8.58.5 6.56.5 6.56.5 평균길이(mm)Average length (mm) 66 66 5.55.5 6.56.5 1차열처리1st heat treatment 온도(℃)Temperature (℃) 700700 700700 700700 700700 시간(min)time (min) 1515 1515 1515 1515 냉각Cooling 온도(℃)Temperature (℃) 150150 150150 150150 150150 시간(min)time (min) 1010 1010 1010 1010 분산용액dispersion solution 계면활성제(중량%)Surfactant (% by weight) 55 55 55 55 물water 잔량balance 잔량balance 잔량balance 잔량balance 바인더용액 분사횟수(회)Number of spraying of binder solution (times) 1010 1010 1010 1010 2차열처리2nd heat treatment 온도(℃)Temperature (℃) 1,0001,000 1,0001,000 1,0001,000 1,0001,000 시간(min)time (min) 6060 6060 6060 6060 카본페이퍼carbon paper 분산성dispersibility ◎◎ ◎◎ ◎◎ ◎◎ 두께(μm)Thickness (μm) 8383 112112 9494 105105 밀도(mg/mm2)Density (mg/mm 2 ) 2.062.06 2.262.26 2.012.01 2.262.26 기공도(%)Porosity (%) 9494 8686 9292 9090 면저항(Ω/sq) 평균Sheet resistance (Ω/sq) average 5.285.28 5.425.42 5.125.12 5.495.49 강도robbery ○○ ○○ ○○ ○○ 유연성flexibility ○○ ○○ ○○ ○○

비교예1Comparative Example 1 비교예2Comparative Example 2 비교예3Comparative Example 3 비교예4Comparative Example 4 비교예5Comparative Example 5


제조조건


manufacturing conditions 탄소섬유carbon fiber 평균직경(μm)Average diameter (μm) 6.56.5 6.56.5 6.56.5 6.56.5 6.56.5 평균길이(mm)Average length (mm) 66 66 66 66 66 1차열처리1st heat treatment 온도(℃)Temperature (℃) 700700 700700 400400 1,0001,000 -- 시간(min)time (min) 1515 1515 1515 1515 -- 냉각Cooling 온도(℃)Temperature (℃) 150150 150150 150150 150150 150150 시간(min)time (min) 1010 1010 1010 1010 1010 분산용액dispersion solution 계면활성제(중량%)Surfactant (% by weight) 00 2020 55 55 55 물(중량%)water (% by weight) 100100 잔량balance 잔량balance 잔량balance 잔량balance 바인더용액 분사횟수(회)Number of spraying of binder solution (times) 1010 1010 1010 1010 1010 2차열처리2nd heat treatment 온도(℃)Temperature (℃) 1,0001,000 1,0001,000 1,0001,000 1,0001,000 1,0001,000 시간(min)time (min) 6060 6060 6060 6060 6060 카본페이퍼carbon paper 분산성dispersibility XX ◎◎ XX ◎◎ XX 두께(μm)Thickness (μm) 230230 112112 131131 9191 7272 밀도(mg/mm2)Density (mg/mm 2 ) 0.360.36 1.921.92 1.791.79 2.192.19 1.841.84 기공도(%)Porosity (%) 9595 7979 7777 9494 8080 면저항(Ω/sq) 평균Sheet resistance (Ω/sq) average 7.337.33 4.484.48 6.136.13 5.295.29 6.886.88 강도robbery ○○ ○○ XX ○○ XX 유연성flexibility XX ○○ ○○ XX ○○

비교예6Comparative Example 6 비교예7Comparative Example 7 비교예8Comparative Example 8 비교예9Comparative Example 9 비교예10Comparative Example 10


제조조건


manufacturing conditions 탄소섬유carbon fiber 평균직경(μm)Average diameter (μm) 6.56.5 6.56.5 6.56.5 6.56.5 6.56.5 평균길이(mm)Average length (mm) 66 66 66 66 66 1차열처리1st heat treatment 온도(℃)Temperature (℃) 700700 700700 700700 700700 700700 시간(min)time (min) 3030 1515 1515 1515 1515 냉각Cooling 온도(℃)Temperature (℃) 150150 150150 150150 150150 150150 시간(min)time (min) 1010 1010 1010 1010 1010 분산용액dispersion solution 계면활성제(중량%)Surfactant (% by weight) 55 55 55 55 55 물water 잔량balance 잔량balance 잔량balance 잔량balance 잔량balance 바인더용액 분사횟수(회)Number of spraying of binder solution (times) 1010 22 2424 1010 1010 2차열처리2nd heat treatment 온도(℃)Temperature (℃) 1,0001,000 1,0001,000 1,0001,000 700700 1,3001,300 시간(min)time (min) 6060 6060 6060 6060 6060 카본페이퍼carbon paper 분산성dispersibility ◎◎ ◎◎ ◎◎ ◎◎ ◎◎ 두께(μm)Thickness (μm) 9797 8888 103103 9696 9494 밀도(mg/mm2)Density (mg/mm 2 ) 2.182.18 1.211.21 3.443.44 1.981.98 3.313.31 기공도(%)Porosity (%) 9393 9393 7272 9494 7373 면저항(Ω/sq) 평균Sheet resistance (Ω/sq) average 6.316.31 8.658.65 5.165.16 5.995.99 5.215.21 강도robbery ○○ XX ○○ ○○ ○○ 유연성flexibility XX XX XX XX ○○

비교예11Comparative Example 11 비교예12Comparative Example 12 비교예13Comparative Example 13 비교예14Comparative Example 14


제조조건


manufacturing conditions 탄소섬유carbon fiber 평균직경(μm)Average diameter (μm) 6.56.5 6.56.5 22 1111 평균길이(mm)Average length (mm) 66 66 66 66 1차열처리1st heat treatment 온도(℃)Temperature (℃) 700700 700700 700700 700700 시간(min)time (min) 1515 1515 1515 1515 냉각Cooling 온도(℃)Temperature (℃) 150150 150150 150150 150150 시간(min)time (min) 1010 1010 1010 1010 분산용액dispersion solution 계면활성제(중량%)Surfactants (% by weight) 55 55 55 55 물water 잔량balance 잔량balance 잔량balance 잔량balance 바인더용액 분사횟수(회)Number of spraying of binder solution (times) 1010 1010 1010 1010 2차열처리2nd heat treatment 온도(℃)Temperature (℃) 1,0001,000 1,0001,000 1,0001,000 1,0001,000 시간(min)time (min) 1010 130130 6060 6060 카본페이퍼carbon paper 분산성dispersibility ◎◎ ◎◎ ◎◎ ◎◎ 두께(μm)Thickness (μm) 9595 9393 7575 135135 밀도(mg/mm2)Density (mg/mm 2 ) 2.012.01 3.213.21 1.961.96 2.532.53 기공도(%)Porosity (%) 9393 7575 9595 7777 면저항(Ω/sq) 평균Sheet resistance (Ω/sq) average 5.865.86 5.255.25 5.115.11 5.625.62 강도robbery ○○ ○○ XX ○○ 유연성flexibility XX ○○ ○○ △△

비교예15Comparative Example 15 비교예16Comparative Example 16


제조조건


manufacturing condition 탄소섬유carbon fiber 평균직경(μm)Average diameter (μm) 6.56.5 6.56.5 평균길이(mm)Average length (mm) 33 99 1차열처리1st heat treatment 온도(℃)Temperature (℃) 700700 700700 시간(min)time (min) 1515 1515 냉각Cooling 온도(℃)Temperature (℃) 150150 150150 시간(min)time (min) 1010 1010 분산용액dispersion solution 계면활성제(중량%)Surfactant (% by weight) 55 55 물water 잔량balance 잔량balance 바인더용액 분사횟수(회)Number of spraying of binder solution (times) 1010 1010 2차열처리2nd heat treatment 온도(℃)Temperature (℃) 1,0001,000 1,0001,000 시간(min)time (min) 6060 6060 카본페이퍼carbon paper 분산성dispersibility ◎◎ XX 두께(μm)Thickness (μm) 6565 139139 밀도(mg/mm2)Density (mg/mm 2 ) 1.981.98 2.862.86 기공도(%)Porosity (%) 9393 7979 면저항(Ω/sq) 평균Sheet resistance (Ω/sq) average 4.224.22 6.556.55 강도robbery XX ○○ 유연성flexibility ○○ △△

상기 표 2 ~ 9를 살펴보면, 실시예 1 ~ 실시예 17은 카본페이퍼 제조 중 탄소섬유의 분산성이 우수하고, 카본페이퍼가 적정 두께 및 밀도를 가지며, 우수한 강도, 면저항, 기공도 및 유연성을 가지는 것을 확인할 수 있었다.Looking at Tables 2 to 9, Examples 1 to 17 have excellent dispersibility of carbon fiber during the manufacture of carbon paper, the carbon paper has an appropriate thickness and density, and has excellent strength, sheet resistance, porosity and flexibility. could confirm that

반면에, 분산용액에 계면활성제를 포함하지 않는 비교예 1의 경우 탄소섬유가 잘 분산되지 않았을 뿐만 아니라 카본페이퍼의 두께가 과도하게 두껍고, 밀도가 낮으며, 면저항이 높고, 유연성 또한 불량한 것을 확인할 수 있었다.On the other hand, in the case of Comparative Example 1 in which a surfactant was not included in the dispersion solution, it was confirmed that the carbon fibers were not well dispersed, and the thickness of the carbon paper was excessively thick, the density was low, the sheet resistance was high, and the flexibility was also poor. there was.

또한, 게면활성제가 10중량%를 초과하는 비교예 2는, 10중량%를 포함하는 실시예 3과 비교했을 때, 기공도가 불량한 것을 확인할 수 있었다.In addition, it was confirmed that Comparative Example 2, in which the surfactant contained more than 10% by weight, had poor porosity compared to Example 3, which contained 10% by weight.

또한, 1차 열처리 온도가 500℃ 미만인 비교예 3은 분산성이 불량하고, 제조되는 카본페이퍼의 두께가 두꺼울 뿐만 아니라 면저항이 높고 강도 또한 불량한 것을 확인할 수 있었다.In addition, Comparative Example 3 having a primary heat treatment temperature of less than 500° C. had poor dispersibility, and it was confirmed that the produced carbon paper had a thick thickness, high sheet resistance, and poor strength.

또한, 1차 열처리 온도가 900℃를 초과하는 비교예 4는 카본페이퍼를 구부렸을 때 균열이 발생하는 문제가 있었다.In addition, Comparative Example 4 in which the primary heat treatment temperature exceeds 900 ° C. had a problem in that cracks occurred when the carbon paper was bent.

또한, 1차 열처리를 수행하지 않은 비교예 5는 분산성이 불량하고 카본페이퍼의 두께가 너무 얇을 뿐만 아니라 기공도가 낮고, 면저항이 높으며 강도가 불량한 것을 확인할 수 있었다.In addition, Comparative Example 5 in which the primary heat treatment was not performed was found to have poor dispersibility, too thin carbon paper thickness, low porosity, high sheet resistance, and poor strength.

또한, 1차 열처리 시간이 25분을 초과하는 비교예 6은, 25분 동안 수행한 실시예 7과 비교했을 때, 면저항이 높고 유연성이 불량한 것을 알 수 있었다.In addition, it was found that Comparative Example 6, in which the primary heat treatment time exceeded 25 minutes, had high sheet resistance and poor flexibility when compared to Example 7, which was performed for 25 minutes.

또한, 바인더 용액 분사 횟수가 6회 미만인 비교예 7은, 6회 분사한 실시예 8과 비교했을 때, 면저항이 높고 강도 및 유연성이 불량한 것을 확인할 수 있었다.In addition, it was confirmed that Comparative Example 7 in which the number of injections of the binder solution was less than 6 times had high sheet resistance and poor strength and flexibility when compared to Example 8 in which the number of injections of the binder solution was less than 6 times.

또한, 바인더 용액 분사 횟수가 20회를 초과하는 비교예 8은, 20회 분사한 실시예 9과 비교했을 때, 카본페이퍼의 밀도가 과도하게 높을 뿐만 아니라 기공도 및 유연성 또한 불량한 것을 확인할 수 있었다.In addition, Comparative Example 8, in which the number of injections of the binder solution exceeded 20 times, compared to Example 9 in which the number of injections of the binder solution was performed 20 times, it was confirmed that not only the density of the carbon paper was excessively high, but also the porosity and flexibility were poor.

또한, 2차 열처리 온도가 900℃ 미만인 비교예 9는 면저항이 높고 유연성이 불량한 것을 확인할 수 있었다.In addition, it was confirmed that Comparative Example 9, in which the secondary heat treatment temperature was less than 900° C., had high sheet resistance and poor flexibility.

또한, 2차 열처리 온도가 1,100℃를 초과하는 비교예 10은 밀도가 과도하게 높고 기공도가 불량한 것을 알 수 있었다.In addition, it was found that Comparative Example 10 having a secondary heat treatment temperature exceeding 1,100° C. had excessively high density and poor porosity.

또한, 2차 열처리 시간이 30분 미만인 비교예 11은 면저항이 과도하게 높고 유연성이 불량한 것을 알 수 있었고, 120분을 초과하는 비교예 12는 기공도가 불량한 것을 확인할 수 있었다.In addition, Comparative Example 11 having a secondary heat treatment time of less than 30 minutes was found to have excessively high sheet resistance and poor flexibility, and Comparative Example 12 having a secondary heat treatment time of less than 120 minutes had poor porosity.

또한, 탄소섬유의 평균 직경이 4μm 미만인 비교예 13은, 4μm인 실시예 14와 비교했을 때 카본페이퍼이 강도가 불량한 것을 확인할 수 있었다.In addition, it was confirmed that the strength of the carbon paper in Comparative Example 13, in which the average diameter of the carbon fibers was less than 4 μm, was inferior to that of Example 14, in which the carbon fibers had an average diameter of less than 4 μm.

또한, 탄소섬유의 평균 직경이 9μm를 초과하는 비교예 14는, 9μm인 실시예 15와 비교했을 때, 기공도가 불량할 뿐만 아니라 유연성 또한 좋지 않은 것을 확인할 수 있었다.In addition, it was confirmed that Comparative Example 14, in which the average diameter of the carbon fibers exceeded 9 μm, had poor porosity and poor flexibility, compared to Example 15, in which the average diameter of the carbon fibers was 9 μm.

또한, 탄소섬유의 평균 길이가 5mm 미만인 비교예 15는 카본페이퍼의 강도가 불량한 것을 확인할 수 있었고, 7mm를 초과하는 비교예 16은 탄소섬유의 분산성이 현격하게 불량해졌을 뿐만 아니라, 카본페이퍼의 기공도 및 유연성이 불량하였고, 면저항이 매우 높은 것을 확인할 수 있었다.In Comparative Example 15, where the average length of the carbon fibers was less than 5 mm, it was confirmed that the strength of the carbon paper was poor, and in Comparative Example 16, where the average length of the carbon fibers was less than 7 mm, the dispersibility of the carbon fibers was remarkably poor, and the carbon paper It was confirmed that the porosity and flexibility were poor, and the sheet resistance was very high.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.Although one embodiment of the present invention has been described above, the spirit of the present invention is not limited to the embodiments presented herein, and those skilled in the art who understand the spirit of the present invention may add elements within the scope of the same spirit. However, other embodiments can be easily proposed by means of changes, deletions, additions, etc., but these will also fall within the scope of the present invention.

Claims (10)

탄소섬유를 1차 열처리 및 냉각하여 표면이 개질된 탄소섬유를 수득하는 단계;
상기 표면이 개질된 탄소섬유를 분산용액에 분산시켜 혼합 용액을 제조하는 단계;
상기 혼합 용액을 물에 잠긴 틀 내부에 공급하여 섬유 웹(web)을 제조하는 단계;
상기 섬유 웹을 건조시켜 페이퍼 형태의 섬유 웹을 제조하는 단계; 및
상기 페이퍼 형태의 섬유 웹에 바인더 용액을 코팅한 후, 2차 열처리를 수행하여 카본페이퍼를 제조하는 단계; 를 포함하는 공정을 수행하고,
상기 1차 열처리는 질소 분위기 하에서 500 ~ 900℃의 온도로 5 ~ 25분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 분산성이 우수한 탄소섬유를 이용한 카본페이퍼의 제조방법.
Obtaining a surface-modified carbon fiber by first heat-treating and cooling the carbon fiber;
preparing a mixed solution by dispersing the surface-modified carbon fibers in a dispersion solution;
supplying the mixed solution into a frame submerged in water to produce a fiber web;
drying the fibrous web to prepare a fibrous web in the form of paper; and
manufacturing carbon paper by coating a binder solution on the paper-shaped fibrous web and then performing a secondary heat treatment; Performing a process comprising
The primary heat treatment is a method for producing carbon paper using carbon fibers having excellent dispersibility, characterized in that carried out for 5 to 25 minutes at a temperature of 500 to 900 ℃ under a nitrogen atmosphere.
 제1항에 있어서,
상기 탄소섬유는 평균 직경이 4 ~ 9μm이고, 평균 길이가 5 ~ 7mm인 것을 특징으로 하는 분산성이 우수한 탄소섬유를 이용한 카본페이퍼의 제조방법.
According to claim 1,
The carbon fibers have an average diameter of 4 to 9 μm and an average length of 5 to 7 mm.
 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 냉각은 질소 분위기 하에서 150℃ 이하의 온도로 5 ~ 15분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 분산성이 우수한 탄소섬유를 이용한 카본페이퍼의 제조방법.
According to claim 1,
The cooling is a method for producing carbon paper using carbon fibers with excellent dispersibility, characterized in that carried out for 5 to 15 minutes at a temperature of 150 ℃ or less under a nitrogen atmosphere.
 제1항에 있어서,
상기 분산용액은 계면활성제 2 ~ 10 중량% 및 잔량의 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 분산성이 우수한 탄소섬유를 이용한 카본페이퍼의 제조방법.
According to claim 1,
The dispersion solution is a method for producing carbon paper using carbon fibers having excellent dispersibility, characterized in that it contains 2 to 10% by weight of a surfactant and the balance of water.
 제1항에 있어서,
상기 바인더 용액은 바인더 수지 10 ~ 30중량% 및 잔량의 에탄올 용매를 포함하고,
상기 바인더 수지는 페놀 수지, 피치(Pitch)계 수지, 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol) 수지 및 폴리아크릴산(Polyacrylate) 수지 중 에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 분산성이 우수한 탄소섬유를 이용한 카본페이퍼의 제조방법.
According to claim 1,
The binder solution includes 10 to 30% by weight of a binder resin and the remaining amount of an ethanol solvent,
The binder resin comprises at least one selected from phenol resins, pitch-based resins, polyvinyl alcohol resins, and polyacrylate resins. Using carbon fibers with excellent dispersibility, Manufacturing method of carbon paper.
 제1항에 있어서,
상기 코팅은 6회 ~ 20회 스프레이 코팅을 수행하는 것을 특징으로 하는 분산성이 우수한 탄소섬유를 이용한 카본페이퍼의 제조방법.
According to claim 1,
The coating is a method for producing carbon paper using carbon fibers having excellent dispersibility, characterized in that spray coating is performed 6 to 20 times.
 제1항에 있어서,
상기 2차 열처리는 900 ~ 1,100℃ 하에서 30 ~ 120분 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 분산성이 우수한 탄소섬유를 이용한 카본페이퍼의 제조방법.
According to claim 1,
The secondary heat treatment is a method for producing carbon paper using carbon fibers having excellent dispersibility, characterized in that carried out for 30 to 120 minutes under 900 ~ 1,100 ℃.
 제1항에 있어서,
상기 건조 및 2차 열처리는 1 ~ 3kg의 하중으로 압축시키면서 수행하는 것을 특징으로 하는 분산성이 우수한 탄소섬유를 이용한 카본페이퍼의 제조방법.

According to claim 1,
The drying and secondary heat treatment is a method for producing carbon paper using carbon fibers having excellent dispersibility, characterized in that carried out while compressing with a load of 1 to 3 kg.

 제1항, 제2항 및 제4항 내지 제9항 중에서 선택된 어느 한 항의 제조방법으로 제조되고,
두께가 75 ~ 125μm이고, 밀도가 1.65 ~ 3.00mg/cm2인 것을 특징으로 하는 분산성이 우수한 탄소섬유를 이용한 카본페이퍼.It is prepared by the method of any one of claims 1, 2, and 4 to 9,
Carbon paper using carbon fibers with excellent dispersibility, characterized in that the thickness is 75 to 125 μm and the density is 1.65 to 3.00 mg / cm 2 .
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