KR20170130534A - 스트립형 탄소계 가열 필라멘트 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

탄소로 이루어진 매트릭스 내에 탄소 섬유가 매립된 복합재로 이루어지고 종방향 축선을 갖는 가열 필라멘트를 제조하는 공지의 방법에서, 텍스타일 본드 내에 탄소 섬유를 함유한 평면형 구조체를 마련하며, 이 평면형 구조체를 열가소성 플라스틱 재료로 함침시키며, 이어서 함침된 평면형 구조체를 복합재를 형성하면서 보호 가스 또는 진공 내에서 탄화시킨다. 이러한 구성으로부터 출발하여, 큰 표면적의 스트립형 반제품으로부터의 절단 공정에서 재료 손실을 가능한 한 최소화하면서, 높은 고유 전기 저항을 갖고 높은 기계적 안정성을 특징으로 하는 탄소계 가열 필라멘트를 얻기 위해, 본 발명에 따르면, 열가소성 플라스틱 재료로 이루어진 플라스틱 스레드를 평면형 구조체의 텍스타일 본드 내에 포함시킨 섬유 복합재로부터 평면형 구조체를 마련하는 것이 제안된다.

Description

스트립형 탄소계 가열 필라멘트 및 그 제조 방법

본 발명은, 탄소로 이루어진 매트릭스의 텍스타일 본드(textile bond) 내에 탄소 섬유가 매립되어 있는 복합재로 이루어진 스트립형 탄소계 가열 필라멘트에 관한 것이다.

또한, 본 발명은, 탄소로 이루어진 매트릭스 내에 탄소 섬유가 매립된 복합재로 이루어지고 종방향 축선을 갖는 가열 필라멘트를 제조하는 이하의 방법 단계들을 포함하는 방법에 관한 것이다.

(a) 텍스타일 본드 내에 탄소 섬유를 함유한 평면형 구조체를 마련하는 단계;

(b) 그 평면형 구조체를 열가소성 플라스틱 재료로 함침시키는 단계; 및

(c) 복합재를 형성하면서 함침된 평면형 구조체를 탄화시키는 단계.

탄소계 가열 필라멘트는, 제1 형태의 탄소 전구체로부터 생성된 탄소 스레드(thread)가 제2 형태의 탄소 전구체로부터 생성된 탄소로 이루어진 매트릭스 내에 매립되어 있는, 탄소-탄소 복합재로 이루어진다.

가열 필라멘트는, 필라멘트 전구, 적외선 방사체(infrared emitter) 또는 오븐에서 전류를 운반하기 위한 글루 필라멘트(glow filament), 글루 와이어, 또는 나선형 권취 필라멘트로서 이용되며, 통상은 매끈한 스트립, 또는 그 종방향 축선을 중심으로 꼬거나 코일 형태로 감은 스트립과 같은 세장형 형태로 제공된다. 탄소 섬유계 가열 필라멘트는 양호한 기계적 안정성과 함께 높은 전기 저항을 나타내며, 비교적 신속한 온도 변화를 허용한다.

통상 사용 시에, 가열 필라멘트는 흔히 800℃ 이상의 온도에 연속적으로 노출된다. 일정한 복사선 방출을 보장하기 위해, 가열 필라멘트는 그 전기적 및 기계적 특성이 온도 부하에 관계없이 가능한 한 오랫동안 특정 허용 범위 내에 유지되어야 한다는 요구조건을 갖는다.

전기적 특성과 관련하여, 가열 필라멘트의 전기 저항에 특별한 주의를 기울려야 할 것이다. 또한, 전기 저항은 부하 하에서 시간의 경과에 따라 일정해야 할 것이며, 다른 한편으로는 통상의 전압(예를 들면, 230V)에서 짧은 가열 필라멘트 길이로도 작동할 수 있도록 가능한 한 높아야 한다.

스트립형 가열 필라멘트에서, 공칭 전기 저항은 기본적으로 그 단면적, 특히 그 스트립의 두께에 의해 조절될 수 있다. 하지만, 스트립 두께의 감소는 그 기계적 강도와 규정된 최소 사용 수명으로 인해 제한을 받게 된다. 그 제한은, 예를 들면 1m 이상의 긴 발광 길이(irradiation length)의 경우와 같이 가열 필라멘트가 사용 중에 큰 기계적 부하를 받게 되는 경우에 특히 두드러진다.

US 6,845,217 B2로부터, 결정질 탄소와 비정질 탄소의 비율을 변경함으로써, 그리고 질소 또는 붕소 등의 도펀트에 의해 가열 필라멘트의 복합 재료의 전기 저항을 설정하는 것이 공지되어 있다. 하지만, 그러한 식으로 제조된 가열 필라멘트는 낮은 기계적 안정성을 보인다.

EP 0 700 629 A1에서는 탄소 섬유의 스트립형 구조를 유리체 탄소(vitreous carbon)로 코팅한 가열 필라멘트를 제안하고 있다. 콘택을 형성하기 위해, 몰리브덴 시트 금속으로 이루어진 스프링에 의해 제위치에 고정 및 유지되는 스트립 단부들에 보다 두꺼운 접합 섹션이 마련된다. 이러한 식으로, 기계적 안정성이 증가하여, 보다 작은 스트립 두께 및 이에 따른 보다 큰 전기 저항이 가능하게 된다.

하지만, 가열 필라멘트의 전기 저항은 짧은 방사체(1m 미만)를 약 230V의 통상의 산업용 전압으로 작동시킬 수 있기에는 여전히 너무 낮다.

DE 10 2011 109 578 A1에서는 낮은 전기 전도성을 갖는 탄소 매트릭스 내에, 비교적 짧은 탄소 섬유들의 평면형 불규칙 구조를 매립함으로써 스트립형 가열 필라멘트에서의 전기 저항을 증가시키는 것을 제안하고 있다. 임의의 방향으로 흐르는 전류가 적어도 일부 영역에서 탄소 매트릭스 내에서 흘러, 전기 저항을 증가시킨다. 탄소 매트릭스는 열가소성 플라스틱 재료의 탄화에 의해 생성된다. 적절한 플라스틱으로는 폴리에테르 술폰(PES), 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리프탈아미드(PPA), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 또는 폴리이미드(PI)를 포함하며, PEEK 및 PET가 특히 바람직하다. 플라스틱의 탄화 전에, 가열 필라멘트는 원하는 치수로 절단된다. 그 탄소 섬유는 예를 들면 폴리아크릴로니트릴(PAN), 타르 또는 비스코스(viscose)에 기초한다.

DE 10 2011 109 577 A1에 따른 유사한 기법에서, 탄소 섬유들의 규칙적 구조가 낮은 전기 전도성을 갖는 탄소계 매트릭스 내에 매립되며, 그 매트릭스의 제조 전 및 그 후에, 예를 들면 통로 구멍을 생성함으로써 탄소 섬유들의 적어도 하나의 부분이 전류 흐름의 하나의 가능한 방향으로 볼 때에 끊어지게 하고 있다. 끊어진 부분의 개수 및 끊어진 탄소 섬유의 비율에 의해, 그 매트릭스 재료를 통하도록 강제되는 전류 흐름의 비율 및 이에 따른 복합재의 전기 저항이 조절될 수 있다. 탄소 섬유 구조는 예를 들면, 섬유 또는 섬유 다발의 직조 재료, 메시 재료, 편직 재료, 매듭 재료(knotted material)를 포함한다. 전기 저항을 더욱 증가시키기 위해, 그 하나의 실시예에서는 큰 평면형 반제품으로 이루어진 스트립형 가열 필라멘트를, 섬유 종방향 축선들이 최종 가열 필라멘트의 종축과 0이 아닌 소정 각도를 갖도록 절단한다. 하지만, 이는, 이미 함침되었고 이에 따라 상당히 가공된 고가의 예비 재료의 절단 손실을 야기한다.

마지막으로 설명한 두 구성의 탄소계 가열 필라멘트의 경우, 전기 저항은, 양호한 전기 전도성을 갖는 탄소 섬유를 전류 플럭스 방향에 대해 소정 배향을 갖게 함으로써 또는 그 탄소 섬유의 불연속성의 정도에 의해 어느 정도는 영향을 받을 수 있다. 하지만, 전기 전항의 가변성에 있어서의 그러한 이득은 기계적 안정성의 희생을 가져온다. 또한, 전류 플럭스 방향에 대한 큰 각도로의 탄소 섬유의 배향은 스트립의 뒤틀림 및 사용 수명의 단축을 야기할 수 있는 것으로 확인되었다.

따라서, 본 발명은, 한편으로는 230V의 통상의 산업용 전압에서 1m 이하의 짧은 방사 길이로 작동할 수 있기에 충분하게 높은 고유 전기 저항을 갖고 다른 한편으로는 높은 기계적 안정성과 긴 사용 수명을 특징으로 하도록 그러한 탄소계 가열 필라멘트를 수정한다는 과제에 기초한다.

본 발명은 또한, 큰 평면 스트립형의 반제품으로부터의 절단 등으로 인한 재료 손실이 적은 그러한 탄소계 가열 필라멘트를 제조하는 방법을 제공한다는 과제에 기초한다.

가열 필라멘트를 제조하는 방법과 관련하여, 그 과제는, 상기한 일반적인 형태의 방법으로부터 출발하여 본 발명에 따라, 평면형 구조체가, 열가소성 플라스틱 재료로 이루어진 플라스틱 스레드를 그 평면형 구조체의 텍스타일 본드 내에 포함시킨 섬유 복합재로부터 마련되도록 하여 달성된다.

섬유 복합재는 추가적인 플라스틱 스레드가 포함된 규칙적 또는 불규칙 탄소 섬유 구조를 포함한다. 플라스틱 스레드는 바람직하게는 탄소 섬유 구조 내에서 그 자신의 스레드 시스템을 형성하고, 개별 스레드 또는 멀티필라멘트 스레드로서 제공된다. 하지만, 그 플라스틱 스레드들은 탄소 섬유들과 함께 공통 스레드 시스템으로 처리될 수 있고, 선택적으로는 그들과 함께 소위 "하이브리드 스레드(hybrid thread)"를 형성할 수 있다.

그 섬유 복합재로 이루어진 반제품의 치수는 가열 필라멘트의 최종 윤곽에 근사할 수 있지만, 일반적으로는 그 섬유 복합재는 스트립형 반제품으로서 제공되며, 이 스트립형 반제품으로부터 예를 들면 커팅 또는 펀칭에 의해 가열 필라멘트의 프리폼(preform)이 제조되며, 그 절단 가장자리는 이상적으로는 스트립형 반제품의 종방향 측부에 평행하여 재료 손실을 최소화하도록 된다.

이러한 식으로 제조된 세장형 가열 필라멘트는 통상 스트립 또는 플레이트 형상을 하며, 편평하거나, 예를 들면 코일형으로 감거나 꼬아 3개의 공간 방향으로 연장한다. 통상 사용시에, 가열 전류는 세장형 가열 필라멘트를 통해 그 일단부에서부터 그 반대측 단부로 흐른다. 따라서, 전류 플럭스 방향과 가열 필라멘트 종방향 축선은 본질적으로 평행하다.

가열 필라멘트의 고유 전기 전도성은 탄서 섬유의 종류, 양, 분포 및 배향에 영향을 받는다. 원론적으로, 전기 저항은, 텍스타일 탄소 섬유 구조(textile carbon fiber structure)의 임의의 불연속성의 정도가 클수록, 그리고 가열 필라멘트의 종방향 축선이 탄소 섬유와 이루는 평균 각도가 클수록 더 커지게 되며, 여기서 탄소 섬유들의 배향은 전류 플럭스 방향으로 방향 벡터를 갖는다. 그러한 각도는 또한 간략화를 위해 아래에서는 "분기각(divergence angle)"으로서 지칭한다. 산업 실무에서 통상적인 230V의 전압으로 심지어 짧은 가열 필라멘트 길이에 대해 작동하는 것이 염려되는 경우에 높은 전기 저항이 요구된다. 하지만, 불연속성의 정도 및 분기각을 증가시키면, 가열 필라멘트를 형성하기 위한 가공에서 반제품의 기계적 안정성에 부정적으로 영향을 미친다. 따라서, 이전의 반제품을 절단하는 경우, 이는 찢어짐 및 파단을 초래하기 쉽고, 특히 절단된 가열 필라멘트의 종방향 측부를 따라 풀어짐(fraying)을 초래하기 쉽다.

기계적 안정성에 있어서의 그러한 손실은, 열가소성 플라스틱 재료로 이루어진 스레드가 이미 직물 탄소 섬유 구조의 제조 중에 포함된다는 점에서, 본 발명에 따른 섬유 복합재 반제품의 개선점과는 반대되는 것이다. 그러한 플라스틱 스레드는 또한 평면형 구조체의 텍스타일 본드 내에 포함되지만, 그 스레드는 바람직하게는 예를 들면 본드의 종류, 스테이 스레드(stay thread), 워프 스레드(warp thread), 가로 스레드(transverse thread), 또는 바인더 스레드에 따라 텍스타일 본드에서 역시 필요로 하였을 구조용 스레드의 적어도 일부분을 형성한다.

텍스타일 본드 내에서 그 고유 기능과는 별개로, 플라스틱 스레드는 반제품에 대한 안정화 효과를 갖는다. 실제로, 한편으로는 가열 필라멘트의 커팅 또는 펀칭 시에, 비교적 취성을 갖는 탄소 섬유 구조의 인열 저항(tear resistance) 또는 파괴 인성은 탄소 섬유와 비교해 높은 탄성으로 인해 플라스틱 스레드에 의해 증가되며, 이는 큰 분기각의 경우더라도 찢어짐 또는 풀어짐에 대항해 작용한다. 게다가, 종방향 축선 방향으로 연장하는 플라스틱 스레드는 반제품의 추가적인 가공 중에 그 방향으로 발생하는 인장력을 흡수할 수 있고, 이에 따라 텍스타일 본드의 미리 설정된 접합 각도의 변경 또는 그 뒤틀림을 상쇄시킨다. 스트립형 반제품에서, 플라스틱 스레드에 의해 얻어지는 안정화는, 가열 필라멘트가 큰 분기각에도 불구하고 스트립 종방향 축선에 대해 평행한 찢어짐 또는 변형 없이 커팅 또는 펀칭될 수 있다는 점에 기여한다.

한편, 열가소성 플라스틱 스레드는 또한, 이들이 가열 하에서 함침 중에 연화하고 그 위치에서 탄소 섬유 구조 내에 침투하여, 그 플라스틱의 적어도 일부분을 압밀된 평면형 구조체 내에 형성할 수 있다는 점에서 가열 필라멘트의 추가적 처리에서 그 안정화에 기여한다.

세장형 가열 필라멘트(특정 길이와 폭을 가짐)가 압밀된 탄소 섬유 직조 재료로부터 절단된다.

플라스틱 스레드는 개별 경우에 존재하는 탄소 섬유 구조에 관계 없이 안정화 효과를 발현한다. 그 구조는 단일층이거나 다층일 수 있다. 하지만, 그 배향과 관련하여, 가열 요소의 종방향 축선의 방향으로 배향된 플라스틱 스레드가 특히 효과적인 것으로 입증되었다. 따라서, 플라스틱 스레드는 가열 필라멘트의 종방향 측부에 평행하게 연장하고 중간 전류 플럭스 방향에 대해 대략 평행하다.

하나의 특히 바람직한 방법에서, 복수의 플라스틱 스레드가 가열 필라멘트의 폭에 걸쳐 균일하게 분포된다.

가열 필라멘트의 "폭"은 2개의 평행한 종방향 측부들 사이의 거리이다. 예를 들면, 텍스타일 본드의 스테이 또는 워프 스레드로서 형성된 복수의, 즉 적어도 3개의 플라스틱 스레드는 그 치수에 걸쳐 균일하게 분포된다.

하나의 대안으로서, 하지만 바람직하게는 유사한 방법에서, 가열 필라멘트에는 2개의 평형한 종방향 측부가 마련되며, 그 플라스틱 스레드는 주로 그 2개의 종방향 측부의 영역에서 연장한다.

이 경우, 가열 필라멘트는 안정화 플라스틱 스레드가 2개의 평행한 종방향 측부를 따라 우세하게 또는 전적으로 마련되도록 평면형 구조체로부터 커팅 또는 펀칭된다. 플라스틱 스레드는, 그 표면적 점유율(단위 길이당 개수)이 그 종방향 측부에서 가장 큰 경우에 종방향 측부에 "우세하게" 배치된다라고 한다. 이 방법은, 예를 들면, 플라스틱 스레드가 실제로 텍스타일 평면형 구조체의 생성을 보다 어렵게 하고, 이에 따라 기계적 안정화에 대해 특히 유리한 효과를 달성하는 위치에만, 즉, 평면형 구조체로부터 생성될 가열 필라멘트의 종방향 측부의 영역에만 마련되는 경우에 유리하다.

하나의 특히 바람직한 구조에서, 플라스틱 스레드는 섬유 복합재 내의 탄소 섬유에 대해 10° 내지 80°의 각도를 이룬다.

이 경우, 가열 필라멘트의 종방향 축선에 평행하게 연장하는 플라스틱 스레드에서, 탄소 섬유는 가열 필라멘트의 종방향 축선에 대해 큰 분기각을 형성하여, 가열 필라멘트의 전기 저항에 대해 앞서 이미 설명한 이점을 동반한다.

섬유 복합재는 예를 들면, 직조(woven), 매듭(knotted), 편직, 스티치, 메시 재료(meshwork), 크로세스티드(crocheted), 펠트, 또는 풀드(fulled) 재료 또는 플리스(부직포)를 형성하는 구조용 스레드와 기능용 스레드로 함께 이루어진다.

하지만, 하나의 특히 바람직한 방법에서, 섬유 복합재는 스티치와 스테이 스레드가 포함된 편직 구조를 갖는 편직물(knit)로서 제공되며, 플라스틱 스레드로 이루어진 복수의 스테이 스레드가 바람직하게는 각 스티치에 마련된다.

그러한 편직 재료는 통상 웨프트(weft) 삽입을 갖는 경편기(warp knitting machine) 또는 라셀 편직기(Raschel machine)에 의해 제조된다. 그 편직 재료는 통상 수평 웨프트 삽입을 갖는 수직 편직 구조로 이루어진다. 수직 편직 구조는 스티치 구조와, 선택적으로는 그 구조 내에 포함된 스테이 스레드를 포함한다. 편직 재료에서, 스테이 스레드를 편직 재료의 각 스티치에 마련될 수 있거나, 스테이 스레드가 마련된 편직 재료의 스티치에 추가하여 스테이 스레드가 없는 하나 이상의 스티치를 마련할 수도 있다.

하나의 대안적인 방법에서, 섬유 복합재는, 스테이 스레드가 포함되어 있고 그 중 적어도 2개, 바람직하게는 전부가 플라스틱 스레드로 형성된 메시 구조를 갖는 메시 재료로서 구성된다.

라운드 메시 재료 형태의 메시 재료는 소위 메시 코어 위에 편조(braiding)함으로써 제조될 수 있다. 이 경우, 메시 스레드는 코일 상에 권취되어, 베인에 의해 이동되는 코일 홀더(보빈(bobbin)) 내에 클램핑된다. 하나의 라운드 메시 재료에서, 보빈의 절반은 시계방향으로 이동하는 한편, 다른 절반은 반시계방향으로 이동한다. 이축 메시 스레드 시스템에서, 2개의 메시 스레드 시스템 간의 반각(half angle)이 "메시 각도"로서 지칭된다. 메시 재료 내에 제3의 스레드 시스템의 도입을 위해, 그 스레드는 동시에 이동되는 것이 아니라, 소위 스테이 스레드로서 고정된 위치로 메시 워크 내에 도입된다. 삼축 스레드 시스템의 스테이 스레드 중 적어도 하나 부분은 본 발명에 따라 열가소성 플라스틱 재료로 이루어진 플라스틱 스레드로서 구성된다. 다른 2개의 메시 스레드 시스템 중 적어도 하나는 탄소 섬유로 이루어진다.

직조 재료와는 달리, 메시 각도에 대해, 수직 각도로의 제약이 없이, 메시 각도의 크기는 가열 필라멘트의 전기 저항을 세팅하는 데에 있어서 추가적인 자유도를 제공한다.

다른 유리한 방법에서, 섬유 복합재는 직조 재료로서 구성되며, 이 직조 재료는, 종방향으로 연장하는 워프 스레드와, 워프 스레드에 대해 직교하게 또는 다른 각도로 연장하는 가로 스레드(transverse thread)를 갖는 직조 구조를 가지며, 워프 스레드의 과반수, 바람직하는 각각이 플라스틱 스레드로 이루어진다.

탄소 섬유 직조 재료 형태의 평면형 구조체는 기계적으로 특히 안정하며 뒤틀림이 적으며, 메시 재료, 편직, 또는 매듭 재료 등의 기타 텍스타일 구조와 비교해 용이하게 제조할 수 있다.

탄소 섬유와 플라스틱 스레드가 유시한 직경을 갖는다면, 섬유 복합재의 제조가 간단해진다. 섬유 복합재에서 플라스틱 스레드의 비율이 클수록, 반제품의 기계적 안정화에 대한 그 기여도는 크다. 한편, 탄화 후의 플라스틱 스레드는, 최종 가열 필라멘트의 강도에 탄소 섬유보다 덜 기여하는 탄소 매트릭스의 일부를 단지 형성한다. 적절한 절충안으로서, 섬유 복합재 내의 탄소 섬유의 체적 백분율이 50 내지 60% 범위인 경우에 효과적인 것으로 입증되었다.

선형 텍스타일 구조의 섬도(fineness)는 ISO 1144 및 DIN 60905 파트 1에 따라 단위 길이당 중량으로서 소위 "텍스 시스템(tex system)"으로 정의된다. 1tex는 1000m당 1그램에 상응한다.

충분한 기계적 강도와 가능한 한 높은 전기 저항과 관련하여, 탄소 섬유가 0.05tex 내지 0.09tex 범위의 섬도를 갖고 섬유 복합재가 100 내지 300g/㎡ 범위의 평량을 갖는다면 효과적인 것으로 입증되었다.

또한, 섬유 복합재의 플라스틱 스레드가 폴리에테르 에테르 케톤(약어: PEEK)을 포함하는 경우에 효과적인 것으로 입증되었다.

PEEK는 내고온성 열가소성 재료이며, 폴리아릴에테르케톤족에 속한다. 탄화 처리 후에 높은 탄소 함량을 갖는다. 그 용융점은 335℃이다.

섬유 복합재에 포함되는 플라스틱 스레드의 양은 함침을 위해 추가적인 플라스틱을 필요로 하지 않도록 설계된다. 대안으로서, 함침을 위해 섬유 복합재는 기타 열가소성 플라스틱 재료와 접촉하고 가열될 수 있다. 가장 간단한 경우, 기타 열가소성 플라스틱 재료는 플라스틱 스레드와 동일 재료이다. 그 플라스틱 재료는 섬유 형태, 입자 형태, 또는 필름 형태로 제공된다. 함침을 위해, 섬유 복합 재료는 또한 양측에 각각 배치된 열가소성 플라스틱 재료로 이루어진 필름들 사이에 샌드위치 형태로 배치될 수도 있다.

추가적인 고화(solidification)를 위해, 함침된 평면형 구조체는 바람직하게는 가열에 의해 압밀되며, 이 경우, PEEK과 탄소 섬유의 친밀한 습윤화(close wetting)가 이루어질 때까지 고온에서 압력 하에서 공구 내에 유지된다. 응력 또는 뒤틀림을 최소한으로 유지하기 위해, 압밀은 또한 바람직하게는 압축 압력을 유지하면서 공구 내에서 함침된 섬유 복합재를 냉각하는 것을 포함한다.

압밀된 평면형 구조체의 탄화는 바람직하게는 저항 가열 또는 노(furnace) 내에서의 가열을 통해 보호 가스 또는 진공 내에서 실현된다. 후속 흑연화는 또한 보다 높은 전기 전도성을 설정하는 데에 이용될 수 있다. 흑연화는 대기압의 불활성 분위기에서 또는 진공에서 1500℃ 내지 3000℃의 온도로 수행된다.

가열 필라멘트와 관련하여, 상기한 목적은, 텍스타일 본드가 제1 탄소 섬유와 제2 탄소 섬유로 이루어진 스레드 시스템을 포함하며, 제1 탄소 섬유는 제2 탄소 섬유와 45° 내지 135° 범위의 섬유 교차각 α를 갖고, 900℃ 내지 1600℃ 범위의 필라멘트 온도에서 적어도 25Ω㎟/m의 고유 전기저항을 갖는다는 점에서 본 발명에 따라 해결된다.

본 발명에 따른 가열 필라멘트는 전술한 방법에 따라 제조된 복합재로부터 얻어진다. 이 복합재는 탄소 함유 매트릭스 내에 탄소 섬유를 포함한다. 이 경우, 복합재의 반제품에서, 탄소 섬유는 (가열 필라멘트의) 전류 플럭스 방향에 대해 큰 각도로 배향될 수 있거나, 큰 정도로 불연속적일 수 있고, 이에 의해 비교적 큰 전기 저항을 야기할 수 있다. 반제품은 열가소성 플라스틱 재료로 이루어지고 그 반제품에 대해 안정화 효과를 갖는 스레드를 포함하며, 따라서 높은 고유 전기 저항을 갖고 결함이 없거나 적은 가열 필라멘트로의 추가적인 처리를 가능하게 한다. 본 발명에 따른 가열 필라멘트의 고유 전기 저항은 900℃ 내지 1600℃ 범위의 온도에서 적어도 25Ω㎟/m이다. 가열 필라멘트의 통상의 작동 온도가 그 온도 범위이다.

텍스타일 본드는 제1 탄소 섬유와 제2 탄소 섬유로 이루어진 스레드 시스템을 포함하며, 제1 탄소 섬유는 제2 탄소 섬유와 45° 내지 135° 범위의 섬유 교차각 α를 갖는다.

이 경우, 섬유 교차각은 분기각, 즉 탄소 섬유와 가열 필라멘트의 종방향 축선 간의 각도의 2배이다. 그 각도가 클수록, 가열 필라멘트의 고유 전기 저항은 높아진다. 따라서, 45° 내지 135° 범위의 섬유 교차각 α는 22.5° 내지 67.5°범위의 분기각을 가능하게 한다.

본 발명에 따른 방법 및 가열 필라멘트의 하나의 특별한 특징은, 비교적 큰 섬유 교차각이 스트립형 복합재에 형성되며, 스트립의 종방향 측부를 따라 수행되는 가열 필라멘트의 커팅에 의해 얻어진다는 점이다.

본 발명을 실시예 및 도면을 참조하여 아래에서 보다 상세하게 설명할 것이다. 도면에서,
도 1은 본 발명에 따른 가열 필라멘트를 제조하기 위한 반제품으로서 메시 구조의 개략도이며,
도 2는 본 발명에 따라 전기적 연결부가 마련된 가열 필라멘트의 프리폼의 개략적 단면도이며,
도 3은 탄화 후의 가열 필라멘트의 사진이며,
도 4는 온도에 따른 가열된 가열 필라멘트 길이당 전압의 그래프이며,
도 5는 메시 재료에서 섬유 교차각에 대한 고유 전기 저항의 의존성을 나타내는 그래프이다.

도 1은 탄소 섬유(2)로 이루어지는 한편, 플라스틱으로 이루어진 스테이 스레드(3)가 포함된 삼축 라운드 메시 재료(triaxial round meshwork) 형태의 반제품(1)을 개략적으로 도시한다. 플라스틱 스테이 스레드(3)는 메시 재료 코어(4) 둘레에 균일하게 분포되며, 레이디얼 메시 재료 프로세스(radial meshwork process)에서 메시 코어(4)의 이동 방향(5)으로 연장한다. 그 이동 방향(5)은 반제품으로부터 제조되는 가열 필라멘트의 종방향 축선 방향(25)(도 2 및 도 3 참조)에 상응한다. 두 탄소 섬유 시스템 간의 메시 각도 β는 67.5°이며, 이 경우 섬유 교차각 α는 135°이다.

탄소 섬유(2)는 0.07tex의 섬도를 갖는다. 플라스틱 스테이 스레드(3)는 PEEK 섬유 다발로 이루어지며 섬도가 1107 데니어이다("데니어(denier)"는 얀 섬도의 치수 단위로서, 9000m당 질량으로 나타낸다). 이러한 식으로 제조된 메시 재료(1)는 가요성이 있고 300g/㎡의 평량을 갖는다.

최종 라운드 메시 재료는, 그 종방향 축선 방향(25)으로 절단되어, 라운드 메시 재료의 둘레면에 의해 결정되는 폭을 갖는 리본형 메시 재료가 얻어진다. 플라스틱 스테이 스레드(3)는 메시 재료(1)를 추가적인 처리를 위해 안정시킨다. 탄소 섬유(2)와 비교해 높은 탄성으로 인해, 인열 저항과 파괴 인성이 순수 탄소 섬유 구조에 비해 증가한다. 게다가, 종방향 축선 방향(5)으로 연장하는 플라스틱 스레드(3)는 메시 재료(1)의 추가적인 처리 중에 발생하는 인장력을 흡수할 수 있고, 이에 따라 미리 설정된 메시 각도의 변위 또는 변경을 상쇄시킨다.

플라스틱 스테이 스레드(3)는 가열 하에 연화되며, 이에 따라 그 플라스틱 물질이 그 위치에서 탄소 섬유 구조 내에 침투하여 압밀된 평면형 구조체 내에 플라스틱의 일부분을 형성한다. 하지만, 본 실시예에서, 플라스틱 스테이 스레드(3)의 중량 백분율은 메시 재료 구조(1)의 완전한 함침을 위해서는 충분하지 않다. 따라서, 함침을 위해, 75pm의 두께를 갖는 PEEK 필름이 양측에 부착되어, 약 360℃의 온도 및 5bar의 압력에서 가열 프레스에서 가열된다. 하지만, 이러한 조치만으로는 여전히 매우 안정적인 필라멘트를 제조하지 못한다. 보다 높은 기계적 안정성은 동일 가열 프로세서에서, 탄소 섬유와 플라스틱 스레드로 이루어진 복합재를 약 400℃의 온도 및 10bar의 압력으로 가열 프레스에서 가열하되, 이들 조건에서 추가적으로 15분 동안 유지하는, 압밀 프로세서에 의해 달성된다.

압밀된 복합재는 가열 필라멘트(1)에 대해 원하는 폭 15㎜의 배에 상응하는 폭을 갖는 밴드로서 마련된다. 원하는 길이를 갖는 상응하는 폭의 스트립이 그 밴드의 종방향 측부에 평행하게 절단되며, 절단된 측부에서의 임의의 불규칙성이 제거된다. 절단 방향은 이전의 플라스틱 스레드(3)에 평행하게 연장하며 수직이다. 탄소 섬유가 서로에 대해 135°의 교차각 α와, 절단된 가장자리에 대해 약 67.5°의 각도(이는 분기각이며 메시 각도 β에 상응)를 갖지만, 절단 손실은 작다.

밴드의 절단 후에, 전기적 연결부(21)가 도 2에 개략적으로 도시한 바와 같이 적용된다. 가열 필라멘트 프리폼(20)이 플라스틱 매트릭스(22) 내에 매립된 탄소 섬유 메시 재료(2)로 이루어진 복합재로서 마련된다. 플라스틱 매트릭스(22)의 일부는 이전의 플라스틱 스테이 스레드(3)들에 의해 형성되며, 그 프로파일이 점선(23)으로 도시되어 있다. 그들은 가열 필라멘트 프리폼(20) 및 이로부터 제조되는 가열 필라멘트(30)의 종방향 축선(25)에 평행하게 연장한다(도 3 참조).

탄소 섬유(2)의 체적 백분율은 복합재(20)의 대략 55%이다. 이는 가열 필라멘트를 형성하는 중에 탄화된다. 탄화는 통상 불활성 분위기에서 약 1000℃의 온도로 노에서 가열함으로써 수행된다. 여기서, 수소, 산소, 질소 및 선택적으로는 기타 원소가 특히 탄소 섬유를 둘러싸는 플라스틱 재료로부터 제거되어, 높은 탄소 함량을 갖는 탄소-탄소 복합재가 생성된다.

도 3은 이러한 식으로 생성된 가열 필라멘트(30)의 일부분의 사진을 도시한다. 그 폭은 10㎜이고, 두께는 0.21㎜이며, 길이는 1m이다. 탄소 섬유(2)는 서로에 대해 135°의 교차각 α를 갖는다(따라서, 메시 각도 β는 67.5°). 그 가열 필라멘트는 900℃ 내지 1000℃의 온도 범위에서 대략 80Ω㎟/m의 높은 고유 전기 저항을 특징으로 한다(도 5 참조). 따라서, 가열 필라멘트는 230V의 전원 전압에서 1m 미만의 방사 길이를 갖고 작동할 수도 있다.

이는 또한, 표준 재료와 비교하여 본 발명의 실시예에 따른 가열 필라멘트(30)에 대해 온도 T(℃)에 따른 가열 길이당 전압 U(V/㎝)를 나타내는 도 4의 그래프에서 명확해진다. 따라서, 본 발명에 따른 가열 필라멘트(30)는 900℃ 내지 1400℃의 관련 온도 범위에서, 가열 길이에 대해 2.3 내지 4.35 V/㎝을 달성한다. 따라서, 540㎜ 내지 1000㎜의 가열 길이가 230V의 공칭 전압에서 실현될 수 있다. 비교하면, 표준 재료로 이루어진 가열 필라멘트의 경우, 동일한 공칭 전압에서 1150㎜ 내지 2000㎜ 범위의 보다 큰 가열 길이에 의해서만 달성될 수 있다.

도 5의 그래프에서, 가열 필라멘트(30)의 고유 전기 저항 ρ(Ω㎟/m)이 가로 좌표 상의 교차각 α(deg.; °)에 대해 세로 좌표 상에 도시되어 있다. 이로부터, 고유 전기 저항 ρ은 섬유 교차각 α에 따라 증가한다는 점이 명확하다. 따라서, 45도의 교차각의 경우에는 고유 전기 저항이 약 28Ω㎟/m의 값을 가지며, 135도의 교차각의 경우에는 고유 전기 저항은 약 80Ω㎟/m의 값을 갖는다. 이 경우, 고유 전기 저항은 900℃ 내지 1600℃ 범위의 가열 필라멘트 온도에 대략 일정하다.

Claims (15)

1. 탄소로 이루어진 매트릭스 내에 탄소 섬유가 매립된 복합재로 이루어지고 종방향 축선을 갖는 가열 필라멘트를 제조하는 방법으로서:
   (a) 텍스타일 본드(textile bond) 내에 탄소 섬유를 함유한 평면형 구조체를 마련하는 단계;
   (b) 상기 평면형 구조체를 열가소성 플라스틱 재료로 함침시키는 단계; 및
   (c) 상기 복합재를 형성하면서 상기 함침된 평면형 구조체를 탄화시키는 단계
   를 포함하는 가열 필라멘트의 제조 방법에 있어서,
   열가소성 플라스틱 재료로 이루어진 플라스틱 스레드(plastic thread)(3; 23)를 상기 평면형 구조체의 텍스타일 본드 내에 포함시킨 섬유 복합재(20)로부터 평면형 구조체를 마련하는 것을 특징으로 하는 가열 필라멘트의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 플라스틱 스레드(3; 23)는 상기 텍스타일 본드의 구조용 스레드를 형성하는 것을 특징으로 하는 가열 필라멘트의 제조 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 플라스틱 스레드(3; 23)는 상기 가열 필라멘트의 종방향 축선(25)의 방향으로 배향되는 것을 특징으로 하는 가열 필라멘트의 제조 방법.
4. 제3항에 있어서, 복수의 플라스틱 스레드(3; 23)가 상기 가열 필라멘트(30)의 폭에 걸쳐 균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는 가열 필라멘트의 제조 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 필라멘트에는 서로 평행하게 연장하는 2개의 종방향 측부가 마련되며, 상기 플라스틱 스레드는 양 종방향 측부의 영역에서 우세하게 연장하는 것을 특징으로 하는 가열 필라멘트의 제조 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유 복합재(20)에서, 상기 플라스틱 스레드(3; 23)는 상기 탄소 섬유(2)에 대해 10° 내지 80°의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 가열 필라멘트의 제조 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유 복합재는 스티치(stitch)들과 스테이 스레드(stay thread)들이 포함된 편직 구조를 갖는 편직 재료로서 구성되며, 상기 플라스틱 스레드로 이루어진 스테이 스레드가 상기 스티치들의 과반수, 바람직하게는 모든 스티치에 마련되는 것을 특징으로 하는 가열 필라멘트의 제조 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유 복합재는, 스테이 스레드들이 포함되어 있고 그 중 적어도 2개, 바람직하게는 전부가 플라스틱 스레드로 형성된 메시 구조를 갖는 메시 재료(meshwork)(1)로서 구성되는 것을 특징으로 하는 가열 필라멘트의 제조 방법.
9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유 복합재는 직조 재료(woven material)로서 구성되며, 상기 직조 재료는 종방향으로 연장하는 워프 스레드(warp thread)들과, 이들 워프 스레드에 대해 직교하게 또는 다른 각도로 연장하는 가로 스레드(transverse thread)를 갖는 직조 구조를 가지며, 상기 워프 스레드들의 과반수, 바람직하게는 각각이 상기 플라스틱 스레드로 형성되는 것을 특징으로 하는 가열 필라멘트의 제조 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유 복합재(20)에서 탄소 섬유(2)의 체적 백분율은 50 내지 60vol% 범위인 것을 특징으로 하는 가열 필라멘트의 제조 방법.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소 섬유(2)는 0.05 내지 0.09tex 범위의 섬도를 가지며, 상기 섬유 복합재(20)는 100 내지 300g/㎡ 범위의 평량으로 마련되는 것을 특징으로 하는 가열 필라멘트의 제조 방법.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유 복합재(20)의 플라스틱 스레드(3; 23)는 폴리에테르 에테르 케톤(PEEK)을 포함하는 것을 특징으로 하는 가열 필라멘트의 제조 방법.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 함침 단계에서, 상기 섬유 복합 재(20)는 양측에 각각 배치된 열가소성 플라스틱 재료의 필름들 사이에 샌드위치 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 가열 필라멘트의 제조 방법.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 함침된 평면형 구조체는 압력 하에서 공구 내에서 가열됨으로써 압밀되는 것을 특징으로 하는 가열 필라멘트의 제조 방법.
15. 열가소성 탄소 재료로 이루어진 매트릭스의 텍스타일 본드 내에 탄소 섬유가 매립되어 있는 복합재로 이루어진 스트립형 가열 필라멘트에 있어서,
    상기 텍스타일 본드는 제1 탄소 섬유와 제2 탄소 섬유를 포함하며, 상기 제1 탄소 섬유는 상기 제2 탄소 섬유에 대해 45° 내지 135° 범위의 섬유 교차각 α를 이루며, 900℃ 내지 1600℃ 범위의 온도에서 적어도 25Ω㎟/m의 고유 전기 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 스트립형 가열 필라멘트.

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