KR20220112493A - 탄소섬유 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다환 방향족 잔사 조성물과 탄소계 조성물을 포함하는 블렌드 분산액에 전자기파를 이용하여 고연화점을 가지는 피치를 제조하고, 이를 용융방사한 후 탄화한 탄소섬유 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 촉매를 사용하지 않고, 저렴하면서도 친환경적이며, 짧은 시간 반응을 통하여 용융방사가 가능한 고연화점의 피치를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

탄소섬유 및 이의 제조방법{CARBON FIBER AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 탄소섬유 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로, 다환 방향족 잔사 조성물과 탄소계 조성물을 포함하는 블렌드 분산액에 전자기파를 가하여 고연화점을 가지는 피치를 제조하고, 이를 용융방사 및 탄화하는 단계를 포함하는 탄소섬유의 제조방법 및 이로부터 제조된 탄소섬유에 관한 것이다.
신재생에너지 개발이 많이 진행됨에도 불구하고 지난해 전 세계의 하루 평균 석유 소비량은 9984만 3000배럴로, 석유제품은 아직까지 에너지원으로 대부분 사용이 되고 있다. 석유제품은 원유의 분별증류 및 정제공정을 통해 얻어지는데, 이 과정에서 다량의 부산물로써 석유계 잔사유가 생긴다. 이러한 석유계 잔사유는 방향족화도가 높고 황과 같은 불순물이 적어 고강도탄소 섬유와 같은 고부가 탄소재료에 적합한 원료로 알려져 있어, 이를 이용하여 등방성 피치나 이방성 피치의 제조, 석유나 나프탈렌 유도체로 메조상 피치의 제조 등과 같은 관련된 연구가 많이 진행되고 있다.
용융방사 가능한 고연화점 피치 제조공정은 균일하며 높은 분자량을 가지기 위하여 400~430°C의 고온에서 7~10시간 정도의 장시간의 열처리가 요구되므로 에너지 소모가 크고 공정이 복잡하여 공정비용이 높다. 또한 석유계 잔사유를 단순 열중합으로는 저분자량 물질이 기화되어 고수율(20%이상)의 좁은 분자량 분포를 가지는 고연화점 피치를 제조하기는 어렵다. 한편, AlCl3 또는 HF/BF3을 이용하는 양이온 중합반응과 Cl2 또는 Br2 과 같은 할로겐 촉매를 첨가하여 할로겐화 탈할로겐수소화를 이용한 피치 제조방법이 공지되어 있다. 상기 제조방법은 반응온도를 낮추어 비교적 높은 수율과 좁은 분자량 분포의 고연화점 피치를 얻을 수 있지만, 불순물의 제거가 어렵고 촉매의 높은 부식성 및 안정성 문제로 인해 제조 설비 및 운용에 비용이 많이 드는 문제점이 있다. 또한, 유기계 고분자로 이루어진 라디칼 개시제인 디쿠밀퍼옥사이드(dicumylperoxide; DCP), 벤조일퍼옥사이드(benzoyl peroxide) 등을 중합 개시제로 사용하여 탄소섬유용 피치를 제조하는 방법도 있지만, PFO 의 축중합반응이 주로 진행되는 250℃ 이상에는 형성된 라디칼이 비라디칼화 되거나 휘발하여 제거되기가 쉬워, 비교적 대량의 개시제를 사용하여도 높은 축합도를 얻기 어려운 문제점을 가진다.
이에 따라 저렴하면서도 친환경적이며, 라디칼을 안정하게 형성시킬 수 있어 용융방사가 가능한 고연화점 피치를 제조할 수 있는 기술 개발이 필요한 실정이다.
대한민국 특허등록공보 제10-2045042 B1 (2019.11.08)
본 발명의 목적은 석유계 또는 석탄계 잔사 조성물을 이용하여 탄소섬유를 제조하는 방법에 관한 것으로, 구체적으로 촉매를 사용하지 않고, 저렴하면서도 친환경적이며, 짧은 시간 반응을 통하여 용융방사가 가능한 고연화점의 피치 (메조페이즈 피치 포함)를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상술한 바와 같은 고연화점의 피치를 이용하여 탄소섬유를 제조하는 방법을 제공하는 것으로, 보다 구체적으로, 등방성이나 이방성을 가지는 액정복합 탄소섬유의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 다환 방향족 화합물 잔사 조성물로부터 피치를 제조하는 종래의 제조방법이 활용할 수 없었던 고휘발성 저분자량의 다환 방향족 화합물 잔사 조성물을 실질적으로 손실량이 거의 없을 정도로 피치의 원료로 활용하고, 이를 높은 수율로 전환시켜 경제성을 향상시키는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상술한 바와 같은 고연화점의 피치를 이용하여 짧은 시간에 산화안정화하여 경제적으로 탄소섬유를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 탄소섬유의 제조방법은 a) 다환 방향족 화합물을 포함하는 다환 방향족 화합물 잔사 조성물과 1차원 또는 2차원 탄소계 물질을 포함하는 탄소계 조성물을 혼합하여, 다환 방향족 화합물 잔사 조성물과 탄소계 조성물이 인터칼레이션된 블렌드 분산액을 제조하는 단계; b) 블렌드 분산액에 전자기파를 가하여 피치를 제조하는 단계; c) 피치를 용융방사하여 방사섬유를 얻는 단계; 및 d) 방사섬유를 탄화하여 탄소섬유를 얻는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조방법에 있어서, 다환 방향족 화합물 잔사 조성물은 석유계 다환 방향족 화합물 잔사 또는 석탄계 다환 방향족 화합물 잔사를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조방법에 있어서, 다환 방향족 화합물 잔사 조성물은 MALDI-TOF에 의한 평균분자량이 10 내지 1,000 Da인 다환 방향족 화합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조방법에 있어서, 상기 다환 방향족 화합물 잔사 조성물은 LMFD(Low-Molecular weight Fluidized Catalytic Cracking-Decant Oil)일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조방법에 있어서, 상기 탄소계 조성물은 단일벽 카본나노튜브, 다중벽 카본나노튜브, 그래핀 나노리본, 카본나노섬유, 카본나노와이어로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 1차원 탄소계 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조방법에 있어서, 상기 탄소계 조성물은 그래핀, 산화그래핀(GO) 및 환원된 산화그래핀(rGO)로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 2차원 탄소계 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조방법에 있어서, 상기 블렌드 분산액은 상기 탄소계 조성물과 상기 단환 방향족 화합물의 잔사 조성물을 1: 0.01 내지 1: 0.2 중량비 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조방법에 있어서, 전자기파는 감마선, X선, 가시광선, 근적외선(NIR), 적외선, 자외선, 마이크로파, 극초단파, 초단파, 단파, 중파, 장파, 저주파, 고주파, 초고주파로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조방법에 있어서, 인터칼레이션된 블렌드 분산액은 액정상 블렌드 분산액일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조방법에 있어서, b) 단계에서 마이크로웨이브는 300 내지 15,000 W의 세기 및 0.001 초 내지 600 분으로 조사할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조방법에 있어서, 피치는 연화점이 150 내지 370 ℃이며, 평균분자량이 300 내지 2,000 Da 인 이방성 피치일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조방법에 있어서, c) 단계 이후 전자기파를 조사하여 안정화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 탄소섬유는 다환 방향족 화합물 잔사 조성물과 탄소계 조성물이 인터칼레이션된 블렌드 분산액에 전자기파를 가하여 제조된 피치를 용융방사 후 탄화한 것이다.
본 발명에 따른 탄소섬유 제조 방법은 촉매를 사용하지 않고, 저렴하면서도 친환경적이며, 짧은 시간 반응을 통하여 용융방사가 가능한 고연화점의 피치를 제조할 수 있다. 구체적으로, 탄소계 조성물의 구조적 특징을 활용하여, 전자기파를 통해 탄소계 조성물이 라디칼을 형성함으로써, 탄소계 조성물 주변에서 석유계 또는 석탄계 잔사 조성물이 고분자화가 진행되어, 고연화점을 가지는 피치가 용이하게 제조될 수 있으며, 제조된 고연화점의 피치는 탄소섬유로 제조될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제조된 고연화점의 피치는 등방성 또는 이방성을 가지는 피치일 수 있고, 상기 등방성 피치는 세공을 활성화하여, 활성탄소섬유로 제조될 수 있고, 상기 이방성 피치는 메조페이즈 피치로, 우수한 기계적 특성 및 전기 전도성을 가지는 탄소섬유로 제조할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 탄소섬유 제조 방법은 다환 방향족 화합물 잔사 조성물로부터 피치를 제조하는 종래의 제조방법이 활용할 수 없었던 고휘발성 저분자량의 다환 방향족 화합물 잔사 조성물을 실질적으로 손실량이 거의 없을 정도로 피치의 원료로 활용하고, 또한 반응시간을 극적으로 감소시킬 수 있으며, 제조되는 피치의 수율을 현저히 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 탄소섬유 제조 방법은 피치를 이용하여 짧은 시간에 산화 안정화하여 짧은 시간에 경제적으로 탄소섬유를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 제조방법의 모식도로, (a)는 그래핀에 석유계 잔사유가 인터칼레이션된 블렌드 분산액을 나타내고, (b)는 상기 블렌드 분산액을 마이크로 처리하여 형성된 고연화점의 피치, (c)는 탄소섬유를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 액정복합섬유의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 사진을 나타낸 것이다.
도 2의 (a)는 실시예 1에서 제조된 탄소섬유를 나타내고, (b)는 제조된 탄소섬유의 단면을 나타내는 것이다. 도 2의 (c) 및 (d)는 탄소섬유의 단면을 각각 33,750 배 및 975,000 배씩 확대한 것을 나타내는 것이다.
이하 첨부된 도면들을 포함한 구체예 또는 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 구체예 또는 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않는 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본 발명에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 구체예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 “인터칼레이션(intercalation)”이란, 층상구조가 있는 물질의 층간에 분자, 원자 또는 이온이 삽입되는 것을 의미하며, 본 발명은 탄소계 물질, 구체적으로 그래핀계 물질의 층간에 액정성 방향족 화합물이 삽입되는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용된 용어 “이방성”, “메조페이스”는 동일한 의미를 나타내는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 탄소섬유 및 이의 제조방법을 제공한다.
본 발명을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 탄소섬유의 제조방법은 a) 다환 방향족 화합물을 포함하는 다환 방향족 화합물 잔사 조성물과 1차원 또는 2차원 탄소계 물질을 포함하는 탄소계 조성물을 혼합하여, 상기 다환 방향족 화합물 잔사 조성물과 탄소계 조성물이 블렌드 분산액을 제조하는 단계; b) 상기 블렌드 분산액에 전자기파를 가하여 피치를 제조하는 단계; c) 상기 피치를 용융방사하여 방사섬유를 얻는 단계; 및 d) 상기 방사섬유를 탄화하여 탄소섬유를 얻는 단계;를 포함한다.
종래 다환 방향족 화합물 잔사 조성물을 이용하여 피치를 제조하는 방법은 휘발성이 높은 저분자량물이 빠르게 휘발되어 수율이 낮아 경제적인 피치의 원료로 활용할 수 없고, 고온에서 장시간 동안 반응시켜 제조시간이 길고 수율이 낮아 제조 공정상 생산성이 떨어지는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위하여 본 발명에서는 전자기파를 이용하여 휘발성이 높은 저분자량의 다환 방향족 화합물 잔사 조성물을 손실량이 실질적으로 거의 없을 정도로 피치의 원료로 활용가능하고, 반응시간을 극적으로 감소시킬 수 있으며, 제조되는 피치의 수율도 현저히 향상시킬 수 있는 탄소섬유 제조 방법을 완성하였다. 상기와 같이 전자기파를 이용하여 제조된 피치는 고연화점을 가지고, 등방성이나 이방성의 특성을 갖게되며, 등방성을 갖는 피치는 등방성 탄소섬유 원료로 활성화하여 흡착재나 방열재로 사용될 수 있고, 상기 이방성을 가지는 피치(메조페이스 피치)는 등방성을 가지는 피치보다 고결정성, 고전도성, 고강도, 고탄성률을 가지는 탄소섬유를 제조할 수 있고, 또한 장섬유 형태의 탄소섬유를 제조할 수 있는 장점을 가진다.
또한, 본 발명에 따른 탄소섬유의 제조방법은 폐기물로 버려지는 다환 방향족 화합물 잔사 조성물을 활용할 수 있을 뿐만 아니라 용융방사를 통하여 공정을 간단하게 하여 탄소섬유 원료의 가격을 낮추고 제조공정의 경제성을 확보할 수 있다.
이하는 본 발명의 각 단계에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
상기 a) 단계에서, 블렌드 분산액은 상기 다환 방향족 화합물 잔사 조성물과 상기 탄소계 조성물을 1: 0.0001 내지 1:1로 포함하는 것일 수 있고, 바람직하게는 1: 0.001 내지 1: 0.5의 중량비, 더욱 바람직하게는 1: 0.01 내지 1:0.2의 중량비로 포함할 수 있다. 상기와 같은 중량비로 혼합함으로써 전자기파의 처리에 의하여 피치가 높은 전환율로 제조될 수 있으며, 제조된 피치는 연화점(softening point)이 충분히 높아 탄화 전의 공정인 공기 중에서 200 ℃ 이상인 조건에서 안정화가 가능하게 되어 바람직하다.
바람직한 일 예로서, 탄소계 조성물이 2차원 탄소계 물질을 상기 중량비로 포함됨으로써 블렌드 분산액이 액정상을 나타낼 수 있어 바람직하다. 상기 탄소계 조성물이 2차원 탄소계 물질을 포함하고 다환 방향족 화합물 잔사 조성물과 혼합되어 제조된 블렌드 분산액은 상기 2차원 탄소계 물질에 다환 방향족 화합물이 ππ 적층(ππ stacking)을 통해 인터칼레이션이 효과적으로 형성될 수 있다. 상기 ππ적층은 다환 방향족 그룹이 서로 평평하게 쌓여서 결합되는 것으로, 구체적인 예를 들어, 상기 2차원 탄소계 물질 면 사이에 다환 방향족 화합물인 액정성 방향족 화합물이 강력한 상호작용으로 적층되는 것으로, 결합 강도는 약하지만, 충분한 양의 ππ적층을 형성함으로써 이로부터 제조된 탄소섬유는 우수한 기계적 강도 및 전기전도도를 발현할 수 있다.
상기 블렌드 분산액은 다환 방향족 화합물의 잔사 조성물과 탄소계 조성물을 균일하게 분산시키기 위하여 초음파처리방법, 기계적 교반방법, 이들의 혼합된 방법 등으로 블렌드 분산액을 균일하고 안정적으로 분산시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일 구체예에 따라, 다환 방향족 화합물 잔사 조성물과 탄소계 조성물이 혼합된 블렌드 분산액에 함유된 불순물을 제거하기 위하여 투석 또는 원심분리를 이용하여 제거하여 피치 물성의 균일성을 향상시킬 수 있으나, 이는 일 예일 뿐 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 다환 방향족 화합물 잔사 조성물은 석유계 다환 방향족 화합물 잔사 또는 석탄계 다환 방향족 화합물 잔사를 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로 열분해 연료유(Pyrolyzed fuel oil, PFO), 나프타분해 잔사유(Naphtha cracking bottom oil, NCB), 에틸렌 잔사유(ethylene bottom oil, EBO), 중질유, 초중질유, 감압잔사유(Vacuum residue, VR), 상압잔사유, 유동 접촉 분해 잔사유(fluid catalytic cracking decant oil, FCC-DO), 탈아스팔트오일(De-asphalted oil, DAO) 및 콜타르로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있고, 보다 구체적으로 상기 다환 방향족 화합물 잔사 조성물은 더욱 구체적으로 유동 접촉 분해 잔사유(fluid catalytic cracking decant oil, FCC-DO)인 것일 수 있으며, 구체적으로 유동 접촉 분해유의 85% 이상을 차지하는 저분자량인 LMFD(Low-Molecular weight Fluidized Catalytic Cracking-Decant Oil)을 포함하는 것일 수 있다. 상기 LMFD는 방향화도가 높은 것일 수 있고, 구체적으로 방향화도가 0.5 내지 0.9 인 것일 수 있다. 상기 방향화도는 브라운-래드너(Brown-Ladner)법으로 계산한 방향족분의 함유량을 나타낸 것이다.
종래에는 석유 잔사유를 이용하여 피치를 제조하기 위하여 휘발성이 높은 저분자량 성분을 제거한 후 남은 성분을 축합하여 고분자로 변환하여 왔고, 석유 잔사유로부터 생성된 피치는 등방성을 가졌다. 그러나 본 발명의 바람직한 일 양태에서는 휘발성이 높은 저분자량을 배제하지 않고 오히려 피치의 원료로 바람직하게 사용할 수 있으며, 또한 종래와 달리 이를 등방성 피치보다 기계적 물성이 더 우수하며 고부가 가치를 가지는 이방성 피치로 제조할 수 있다.
상기 다환 방향족 화합물 잔사 조성물의 평균분자량은 제한되지는 않으나 MALDI-TOF에 의한 평균분자량이 10 내지 1,000 Da인 것일 수 있다.
다환 방향족 화합물 잔사 조성물의 일 예로는, 휘발성이 높은 저비점 물질인 LMFD(Low-Molecular weight Fluidized Catalytic Cracking-Decant Oil)일 수 있고, 구체적으로 MALDI-TOF에 의한 평균분자량이 20 내지 800 Da일 수 있다. 상기 고휘발성 저분자량의 다환 방향족 화합물 잔사 조성물은 통상적인 피치 제조공정 온도에서 대부분 휘발되어 제거된다. 이러한 이유로 고휘발성 저분자량의 다환 방향족 화합물은 피치 제조 공정 전 미리 제거하여 피치 물성의 균일성을 유지하여 왔다. 그러나 본 발명에 따른 탄소섬유 제조방법은, 피치의 제조단계에서 고휘발성 저분자량의 다환 방향족 화합물 잔사 조성물을 주 원료로 포함함에도 불구하고 실질적으로 손실량이 거의 없이 피치로 전환될 수 있으며, 후속적으로 고부가 가치의 탄소섬유로 전환될 수 있는 이점을 가진다.
상기 탄소계 조성물은 1차원 탄소계 물질 및 2차원 탄소계 물질 중 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 구제척으로 1차원 탄소계 물질로는 단일벽 카본나노튜브(single-wall carbon nanotube, SWNT), 다중벽 카본나노튜브 (multi-wall carbon nanotube, MWNT), 그래핀 나노리본(graphene nanoribbon, GNR), 카본나노섬유(carbon nanofiber) 및 카본나노와이어(carbon nanowire)으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나　또는 둘 이상의 조합일 수 있다. 2차원 탄소계 물질로는 그래핀, 산화그래핀(GO) 및 환원된 산화그래핀(rGO)으로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 조합일 수 있다.
바람직한 일 양태로서, 상기 탄소계 조성물은 상기 다환 방향족 잔사 조성물과의 혼련성 및 상기 단계 b)에서 전자기파를 흡수하여 효과적으로 발열하여 높은 피치 전환율을 나타내며, 동시에 피치의 이방성을 향상시키는 측면에서 바람직하게는 2차원 탄소계 물질을 포함하는 것일 수 있다. 보다 좋게는 2차원 탄소계 물질의 바람직한 물질로서 구체적으로 환원된 산화그래핀이 예시될 수 있다.
상기 탄소계 물질의 직경은 50nm 내지 100㎛일 수 있고, 구체적으로 100 nm 내지 10㎛일 수 있으나 이에 제한받지 않는다. 2차원 탄소계 물질의 종횡비(장축직경/두께)는 5 이상, 10 이상 및 10,000 미만일 수 있으나 이에 제한받지 않는다.
또 다른 바람직한 일 양태로서, 상기 탄소계 조성물은 1차원 탄소계 물질 및 2차원 탄소계 물질의 혼합물일 수 있다. 1차원 탄소계 물질과 2차원 탄소계 물질의 혼합물이 포함됨에 따라 피치의 이방성을 확보함과 동시에 후속적인 탄화단계를 통해 보다 우수한 전기전도성을 가지는 탄소섬유를 얻을 수 있다.
상기 b) 단계에서, 전자기파는 감마선, X선, 가시광선, 근적외선(NIR), 적외선, 자외선, 마이크로파, 극초단파, 초단파, 단파, 중파, 장파, 저주파, 고주파 및 초고주파로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것일 수 있다. 바람직하게 마이크로파를 사용할 수 있고, 이때, 마이크로파는 100 내지 30,000 W, 구체적으로 300 내지 15,000 W의 세기로 0.0001 초 내지 800 분, 구체적으로 0.001 초 내지 600 분의 조건으로 조사될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 발명은 전자기파를 이용하여 다환 방향족 화합물과 탄소계 조성물의 라디칼 반응이 단시간 내에 효율적이고 충분히 수행될 수 있으며, 우수한 물성의 고연화점의 피치를 제조할 수 있어 바람직하다.
상기의 제조방법으로 제조된 피치는 용융방사에 적합한 우수한 물성을 구현할 수 있다. 상기 피치는 연화점이 200 내지 360 ℃, 바람직하게 250 ℃ 내지 320 ℃이의 고연화점을 가지는 것일 수 있고, 평균분자량이 300 내지 2,000 Da 이며, 바람직하게 이방성을 가지는 피치일 수 있다. 상기 이방성 피치는 축합다환(多環) 방향족 평면분자가 평행으로 배열된 적층(積層)구조를 형성하고 있으며, 반응 온도 이하에서 유동성을 나타내어 이방성 상을 형성하고 방사성이 우수하므로 탄소섬유를 제조하기에 적합하다. 또한, 이방성 피치로 제조된 탄소섬유는 등방성 피치로 제조된 탄소섬유보다 기계적 또는 전기적 물성이 우수하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 제조방법으로 제조된 피치의 수율은 50 % 이상으로, 종래에 비하여 현저히 향상된 제조 수율을 가질뿐만 아니라 단시간에 제조가 가능하여 경제적으로 더욱 바람직하다. 보다 구체적으로 피치의 수율은 60 % 이상, 더욱 구체적으로 피치의 수율은 80 % 이상일 수 있다.
상기 다환 방향족 화합물 잔사 조성물과 탄소계 조성물이 인터칼레이션된 블렌드 분산액에 전자기파를 가하면, 상기 탄소계 조성물의 구조적인 엣지나 결함 부분 혹은 극성 관능기(하이드록시기, 카르복시기 등)에서 라디칼이 형성될 수 있다. 또한, 탄소계 조성물은 전자기파를 흡수하여 짧은 시간 안에 고온의 상태가 되고, 탄소계 물질의 sp2 결합 결정면을 따라 다환 방향족 화합물 잔사 조성물이 축중합 및 라디칼 반응을 통하여 고분자화가 진행되면서, 이방성 및 고결정성을 구현하는 것으로 예상된다. 구체적으로 다환 방향족 화합물 잔사 조성물이 탄소계 조성물의 배향을 따라 정렬되고, 또한 탄소계 조성물의 결정을 따라 성장함으로써, 이방성 및 고결정성을 구현하는 것으로 예상된다. 이에 따라, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 피치는 메조페이스(mesophase)를 갖는 것일 수 있다.
상기 c) 단계에서는 상기 단계 b)에 의하여 제조된 피치를 용융방사하여 방사섬유를 제조한다.
상기 방사단계는 구체적인 예를 들어, 제조된 블렌드 분산액을 방사구금을 통하여 방사온도 250 내지 350 ℃에서 300 내지 800 m/min의 권취속도로 방사하는 방사공정으로 방사섬유를 제조할 수 있다. 상기 분사구의 선택에 따라 제조되는 섬유의 균일성 및 두께가 결정될 수 있고, 방사섬유의 액정상의 우수한 배향성 및 결정성을 발현시킬 수 있어 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 양태에 따라 블렌드 분산액을 용융방사 시 권취속도 300 내지 800 m/min으로 하여 권취할 수 있는 방사성을 가질 수 있다. 이러한 특성으로 인해 방사 시 쉽게 단사되지 않고 방사섬유를 형성할 수 있어 탄소섬유의 전구체 소재로써 바람직하다.
상기 d) 단계에서는 제조된 상기 방사섬유를 탄화하여 탄소섬유가 제조될 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 탄화단계는 방사섬유를 탄화시킴으로써 탄소섬유로 변환시키는 것으로, 상기 단계 d)에 해당된다. 상기 단계 d)는 불활성 기체 분위기하에 800 내지 3,000 ℃에서 탄화되는 것일 수 있다. 구체적으로는 실온에서 800 내지 3,000 ℃까지 분당 5 ℃로 승온시켜 30분 내지 90분 동안 탄화를 실시할 수 있고, 1 내지 3차에 걸쳐서 탄화과정을 거칠 수도 있다.
상기 탄화단계는 2 내지 3차로 걸쳐서 진행할 경우 각각 상이한 온도 및 시간으로 수행할 수 있다. 구체적인 예를 들어, 800 내지 1,500 ℃에서 1차 탄화, 1,200 내지 1,500 ℃에서 2차 탄화 및 2,000 내지 3,000 ℃에서 3차 흑연화의 과정을 거쳐 탄소섬유의 물성을 제어할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기와 같이 단계적 탄화를 진행할 경우, 탄소섬유의 배향도나 치밀성 등의 물성이 우수해져 더 바람직할 수 있다.
본 발명의 일 양태에 따라 상기 탄화단계 이전에 안정화단계를 더 거칠 수 있다. 상기 안정화단계는 공기 중에서 280 내지 320 ℃까지 분당 1 ℃로 승온시켜 30 내지 90분 동안 산화 안정화하여 불융화 섬유를 제조함으로써 수행될 수 있다. 상기 안정화단계를 거침에 따라 방사섬유가 탈수소화 반응 및 산화 반응으로 산화성 분위기에서 수소원자가 분자로 떨어져 나가거나 산소의 결합으로 인해 분자 간의 결합을 유도하게 된다. 이때, 반응하는 산소원자가 방사섬유 내부까지 고르게 잘 전달됨으로써 방사섬유 전체가 안정된 사다리 구조가 형성될 수 있어, 우수한 내염성(안정성)을 지닐 수 있다.
또한, 상기 안정화단계는 연화 용융상을 거쳐 저비점 성분은 휘발되고, 일부는 열분해되어 계외로 방출되며, 잔류하는 성분은 활성화되면서 환화(cyclization), 방향족화(aromatization) 및 중축합 고분자화(polycondensation)되는 액상 탄화 반응이다. 상기와 같은 안정화단계를 거치면서 방사섬유 내의 탄소계 조성물의 층간에 인터칼레이션된 다환 방향족 평면 분자인 다환 방향족 잔사 조성물이 반데르발스 힘을 구동력으로 응집하고, 상호 평행하게 적층되어 배향성 및 액정성이 더욱 향상될 수 있다.
상기 안정화단계는 또한 전자기파를 조사함으로써 수행되는 것일 수 있다. 상기 전자기파의 종류로는 단계 b)의 전자기파의 종류와 동일하게 사용할 수 있다. 상기 안정화단계에서 전자기파는 다양한 분위기에서 조사될 수 있으나, 구체적으로 공기, 산소, 질소 등을 포함하는 분위기 중에서 조사되는 것일 수 있다. 이와 같은 안정화단계는 단시간 내에 안정화가 가능하고, 방사섬유의 형상을 유지하면서 기계적 특성을 향상시키며 고밀도, 고 탄소화됨에 따라 우수한 전기전도성을 갖는 탄소섬유를 제조할 수 있어 더욱 바람직하다.
보다 구체적으로 상기 안정화단계는 공기 중에서 전자기파를 이용하여 280 내지 320 ℃까지 분당 1 ℃로 승온시켜 30 내지 90분 동안 산화 안정화하여 불융화 섬유를 제조함으로써 수행될 수 있다. 이때 전자기파의 출력은 온도에 따라 자동적으로 조절되며, 300 내지 15,000 W의 세기로 0.001 초 내지 600 분의 조건으로 조사될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 기본 열처리 공정과 전자기파가 혼합하는 형식으로 진행될 수 있다.
본 발명에 따라 제조되는 피치에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 피치는 다환 방향족 화합물 잔사 조성물과 탄소계 조성물이 인터칼레이션된 블렌드 분산액에 전자기파를 가하여 제조된 것일 수 있고, 상술한 제조방법에 의하여 제조된 것일 수 있다.
상기 피치는 등방성 또는 이방성을 가지는 것일 수 있고, 고연화점을 가지는 것일 수 있다. 상기 등방성 피치는 등방성 탄소섬유의 원료로 활성화하여, 흡착재나 방열재에 적용할 수 있으며, 이방성을 가지는 메조페이스 피치는 우수한 기계적 물성으로 인해, 고부가 가치를 갖는 고탄성 및 고전도성 탄소섬유로 제조에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 탄소섬유를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 탄소섬유는 상기 피치를 용융방사 후 탄화한 것일 수 있고, 상술한 제조방법으로 제조된 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 양태에 따른 탄소섬유는 이방성을 가지는 탄소섬유일 수 있고, 보다 구체적으로 상기 다환 방향족 화합물 잔사 조성물과 탄소계 조성물이 인터칼레이션된 블렌드 분산액에 전자기파를 가함으로써, 상기 탄소계 조성물의 액정 구조를 따라 다환 방향족 화합물 잔사 조성물이 배향된 형태로 고분자화되어 제조된 이방성 및 고결정성을 가지는 메조페이즈 피치를 탄화하여 높은 탄성계수, 우수한 열전도도 및 전기전도도 등의 향상된 기계적 물성을 가지는 탄소섬유가 제조하는 것일 수 있다. 바람직하게, 상기 탄소계 조성물은 1차원 또는 2차원 탄소계 물질에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 탄소계 물질이며, 상기 다환 방향족 화합물 잔사 조성물은 MALDI-TOF에 의한 평균분자량이 100 내지 1,000 Da인 다환 방향족 화합물을 포함하는 석유계 다환 방향족 화합물 잔사 조성물 또는 석탄계 다환 방향족 화합물 잔사 조성물일 수 있다. 전술한 바와 같은 바람직한 조합에 따라 제조되는 탄소섬유는 바람직하게 이방성을 가지는 탄소섬유일 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소섬유 제조방법에 의하면,　등방성 탄소섬유용 피치 또는 고연화점　및 고강도 등을 가지면서도 산화 안정성 및 산화 불융화성이 우수한 탄소섬유용 피치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 탄소섬유는 탄소계 조성물에 의한 결정성 향상으로 기인된 물성증대 효과뿐만 아니라, 액정상 형성으로 인한 고배향 액정복합 탄소섬유로도 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 탄소섬유는 그래핀계 물질의 장점과 액정의 장점을 동시에 얻을 수 있는 것으로, 액정의 고유한 특징인 자기장, 흐름장 등의 외부장을 이용하여 그 방향성을 조절할 수 있고, 거시적으로 이방적인 광학적, 유전적, 기계적 특성 등을 나타낼 수 있어 그래핀계 물질의 활용도를 넓힐 수 있으며, 새로운 공정을 확립할 수 있다.
이하 실시예 및 비교예를 바탕으로 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예 및 비교예는 본 발명을 더욱 상세히 설명하기 위한 하나의 예시일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 비교예에 의해 제한되는 것은 아니다.
[실험 방법]
1. 탄소섬유의 전기전도도 측정
실시예의 탄소섬유의 전기전도도는 ㈜에이아이티 사의 CMT-SR1000N을 이용하여, 전극사이를 1cm로 하고 그 위에 시료를 접촉시킨 다음 전류와 전압을 측정 할 수 있는 측정기에 연결하여 4-point probe 측정방법을 이용하였다.
2. 인장강도
ASTM D 638(Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics)에 의거하여 측정용 시편을 만들어 UTM 5982를 사용, 인장강도(Tensile Strength)를 측정하였다. (인장강도 [Pa] = 최대 load [N] / 초기 시료의단면적 [㎡])
[실시예 1] (블렌드 혼합비 1:0.03)
액상의 LMFD(MALDI-TOF 평균분자량이 259 Da, 방향화도 0.74)과 환원된 산화그래핀(rGO)를 1 : 0.03의 중량비로 도가니에 넣은 후, 볼밀링을 통해 균일 블렌드 분산액을 제조하였다. 제조된 블렌드 분산액을 마이크로파 700 W의 세기로 90분 조사하여 고체 상태의 피치를 제조하였다. 제조된 피치의 경우 265.1℃의 연화점을 가졌다.
마이크로파를 통해 제조된 그래핀 혼합 피치를 방사기의 실린더에 충진하고 가열하는데, 300℃까지 승온한 후 30분 동안 유지하여 열적인 안정성을 확보하고 280℃로 1시간 유지하여 피치를 용융시켰다. 용융시킨 피치를 280℃ 0.1Mpa 조건으로 방사하여 방사섬유를 얻었다. 이 때 사용된 방사구의 지름은 0.5×0.5㎜, 지름/깊이 비 1/1의 노즐로 방사된 섬유는 권취 속도 300m/min까지의 속도로 권취하였다.
용융방사하여 얻은 방사섬유를 열풍순환로를 사용하여 공기를 순환하면서 O2 분위기 하에서 분당 1℃로 승온하여 300 ℃에서 1시간 유지하여 산화안정화하고, 그 후 질소 분위기하에서 1,000℃까지 5℃/min으로 승온하고 1시간 유지하여 탄소섬유를 제조하였다. 나아가, 제작된 탄소 섬유의 물성을 높이기 위해 아르곤 분위기에서 2,000℃까지 10℃/min으로 승온하고 1시간 유지하여 흑연화 과정을 진행하였다.
[실시예 2] (블렌드 혼합비 1:0.05)
액상의 LMFD(MALDI-TOF 평균분자량이 259 Da, 방향화도 0.74)과 환원된 산화그래핀(rGO)를 1 : 0.05의 중량비로 볼밀링 공정을 통해 혼합하여 블렌드 분산액을 제조하였다. 제조된 블렌드 분산액을 마이크로파 700 W의 세기로 60분간 조사하여 고체 상태의 피치를 제조하였다. 제조된 피치의 경우 279.4℃의 연화점을 가졌다.
제조된 피치를 방사기의 실린더에 충진하고 가열하는데, 320 ℃까지 승온한 후 30분 동안 유지하여 열적인 안정성을 확보하고 300 ℃로 1시간 유지하여 피치를 용융시켰다. 용융시킨 피치를 300 ℃ 0.1 Mpa 조건으로 방사하여 방사섬유를 얻었다. 이 때 사용된 방사구의 지름은 0.5 ㎜, 지름/깊이 비 1/1의 노즐로 방사된 섬유는 권취 속도 300m/min까지의 속도로 권취하였다.
용융방사하여 얻은 방사섬유를 열풍순환로를 사용하여 공기를 순환하면서 분당 1 ℃로 승온하여 300 ℃에서 1시간 유지하여 산화안정화하고, 그 후 질소 분위기하에서 1,000 ℃까지 5 ℃/min으로 승온하고 1시간 유지하여 탄소섬유를 제조하였다. 나아가, 제작된 탄소 섬유의 물성을 높이기 위해 아르곤 분위기에서 2,000℃까지 10℃/min으로 승온하고 1시간 유지하여 흑연화 과정을 진행하였다.
[실시예 3] (블렌드 혼합비 1:0.01)
액상의 LMFD(MALDI-TOF 평균분자량이 259 Da, 방향화도 0.74)과 환원된 산화그래핀(rGO)를 1 : 0.01의 중량비로 볼밀링 공정을 통해 혼합하여 블렌드 분산액을 제조하였다. 제조된 블렌드 분산액을 마이크로파 700 W의 세기로 120분간 조사하여 고체 상태의 피치를 제조하였다. 제조된 피치의 경우 227.6℃의 연화점을 가졌다.
제조된 피치를 방사기의 실린더에 충진하고 가열하는데, 270 ℃까지 승온한 후 30분 동안 유지하여 열적인 안정성을 확보하고 260 ℃로 1시간 유지하여 피치를 용융시켰다. 용융시킨 피치를 260 ℃ 0.1 Mpa 조건으로 방사하여 방사섬유를 얻었다. 이 때 사용된 방사구의 지름은 0.5 ㎜, 지름/깊이 비 1/1의 노즐로 방사된 섬유는 권취 속도 300m/min까지의 속도로 권취하였다.
용융방사하여 얻은 방사섬유를 열풍순환로를 사용하여 공기를 순환하면서 분당 1 ℃로 승온하여 300 ℃에서 1시간 유지하여 산화안정화하고, 그 후 질소 분위기하에서 1,000 ℃까지 5 ℃/min으로 승온하고 1시간 유지하여 탄소섬유를 제조하였다. 나아가, 제작된 탄소 섬유의 물성을 높이기 위해 아르곤 분위기에서 2,000℃까지 10℃/min으로 승온하고 1시간 유지하여 흑연화 과정을 진행하였다.
[실시예 4] (블렌드 혼합비 1:0.1)
액상의 LMFD(MALDI-TOF 평균분자량이 259 Da, 방향화도 0.74)과 환원된 산화그래핀(rGO)를 1 : 0.1의 중량비로 혼합하여 블렌드 분산액을 제조하였다. 제조된 블렌드 분산액을 마이크로파 700 W의 세기로 30분간 조사하여 고체 상태의 피치를 제조하였다. 제조된 피치의 경우 323.6℃의 연화점을 가졌다. 제조된 피치를 방사기의 실린더에 충진하고 가열하는데, 340 ℃까지 승온한 후 30분 동안 유지하여 열적인 안정성을 확보하고 320 ℃로 1시간 유지하여 피치를 용융시켰다. 용융시킨 피치를 320 ℃ 0.1 Mpa 조건으로 방사하여 방사섬유를 얻었다. 이 때 사용된 방사구의 지름은 0.5 ㎜, 지름/깊이 비 1/1의 노즐로 방사된 섬유는 권취 속도 300 m/min까지의 속도로 권취하였다.
용융방사하여 얻은 방사섬유를 열풍순환로를 사용하여 공기를 순환하면서 분당 1 ℃로 승온하여 300 ℃에서 1시간 유지하여 산화안정화하고, 그 후 질소 분위기하에서 1,000 ℃까지 5 ℃/min으로 승온하고 1시간 유지하여 탄소섬유를 제조하였다. 나아가, 제작된 탄소 섬유의 물성을 높이기 위해 아르곤 분위기에서 2,000℃까지 10℃/min으로 승온하고 1시간 유지하여 흑연화 과정을 진행하였다.
[실시예 5]
액상의 LMFD(MALDI-TOF 평균분자량이 259 Da, 방향화도 0.74)과 환원된 산화그래핀(rGO)를 1 : 0.03의 중량비로 도가니에 넣은 후, 볼밀링을 통해 균일 블렌드 분산액을 제조하였다. 제조된 블렌드 분산액을 마이크로파 반응기를 이용하여 질소 분위기하에서 300 ℃까지 분당 5 ℃로 승온하고, 30분간 유지하였다. 이때의 가해진 마이크로파의 평균 세기는 1000 W 였다. 246.4℃ 연화점을 가지는 고체 상태의 피치를 제조하였다. 이때, 가해준 W는 마이크로파 반응기의 온도 센서를 따라 자동 조절되었다.
마이크로파를 통해 제조된 그래핀 혼합 피치를 방사기의 실린더에 충진하고 가열하는데, 280 ℃까지 승온한 후 30분 동안 유지하여 열적인 안정성을 확보하고 270 ℃로 1시간 유지하여 피치를 용융시켰다. 용융시킨 피치를 270 ℃ 0.1 Mpa 조건으로 방사하여 방사섬유를 얻었다. 이 때 사용된 방사구의 지름은 0.5×0.5 ㎜, 방사된 섬유는 권취 속도 300 m/min까지의 속도로 권취하였다.
용융방사하여 얻은 방사섬유를 열풍순환로를 사용하여 공기를 순환하면서 분당 1 ℃로 승온하여 300 ℃에서 1시간 유지하여 산화안정화하고, 그 후 질소 분위기하에서 1,000 ℃까지 5 ℃/min으로 승온하고 1시간 유지하여 탄소섬유를 제조하였다. 나아가, 제작된 탄소 섬유의 물성을 높이기 위해 아르곤 분위기에서 2,000℃까지 10℃/min으로 승온하고 1시간 유지하여 흑연화 과정을 진행하였다.
[비교예 1]
액상의 LMFD(MALDI-TOF 평균분자량이 259 Da, 방향화도 0.74)과 환원된 산화그래핀(rGO)를 1 : 0.05의 중량비로 혼합하여 블렌드 분산액을 제조하였다. 제조된 블렌드 분산액을 10 ℃/min으로 300 ℃까지 승온하고, 300 ℃에서 3시간 동안 유지한 후, 자연 냉각하여 고체 상태의 피치를 제조하였다. 제조된 피치의 경우 195.7 ℃ 이상의 연화점을 가졌다.
제조된 피치를 방사기의 실린더에 충진하고 가열하는데, 250 ℃까지 승온한 후 25분 동안 유지하여 열적인 안정성을 확보하고 230 ℃로 1시간 유지하여 피치를 용융시켰다. 용융시킨 피치를 230 ℃ 0.1 Mpa 조건으로 방사하여 방사섬유를 얻었다. 이 때 사용된 방사구의 지름은 0.5㎜, 지름/깊이 비 1/1의 노즐로 방사된 섬유는 권취 속도 50m/min까지의 속도로 권취하였다.
용융방사하여 얻은 방사섬유를 열풍순환로를 사용하여 공기를 순환하면서 분당 1 ℃로 승온하여 300 ℃에서 1시간 유지하여 산화안정화하였지만, 승온 과정중 섬유가 녹아버렸다.
[비교예 2]
액상의 LMFD(MALDI-TOF 평균분자량이 259 Da, 방향화도 0.74)만으로 블렌드 분산액을 제조하였다. 제조된 블렌드 분산액을 마이크로파 700W의 세기로 총 3시간 조사하였으나 고체상의 피치가 제조되지 않았다.
실시예 1 내지 4 및 비교예 1, 2의 탄소섬유의 제조 조건 및 물성을 표 1에 나타내었다.
탄소계 조성물 블렌드 분산액 중량비 마이크로파 조사량
(단위: W)		 조사시간
(단위: 분)		 피치 연화점
(단위: ℃)		 피치 결정성 방사유무
실시예1 rGO 1:0.03 700 90분 265.1 이방성 가능
실시예2 rGO 1:0.05 700 60분 279.4 이방성 가능
실시예3 rGO 1:0.001 700 120분 227.6 이방성 가능
실시예4 rGO 1:0.1 700 30분 323.6 이방성 가능
실시예5 rGO 1:0.03 1000 20분 246.4 이방성 가능
비교예1 rGO 1:0.05 - - 195.7 이방성 가능
비교예2 - - 700 180분 < 100 등방성 불가능
상기 표 1의 실시예 1 내지 5에서 볼 수 있듯이 피치의 연화점이 220℃ 이상의 고연화점을 갖는 점을 알 수 있고, 또한 이방성을 갖는 점을 알 수 있었다.
피치의 결정성은 실시예 1에서 제조된 탄소섬유의 단면의 SEM을 나타내는 도 2(d)에서와 같이, 환원된 산화그래핀(rGO) 주변의 결정면을 따라 LMFD의 결정면이 배향되면서, 등방성에서 이방성으로 변화하며, 환원된 산화그래핀의 결정과 같아지는 것으로 판단된다.
또한 비교예 1과 달리 실시예 1 내지 5는 단시간 내에 피치를 제조할 수 있었다. 탄소계 조성물을 사용하지 않은 비교예 2의 경우는 피치 결정성이 등방성이고, 방사가 가능한 조건으로 피치를 생성하지 못하는 점을 알 수 있었다.
하기 표 2에 실시예 1 내지 4 및 비교예 1, 2의 탄소섬유의 전기전도도 및 인장강도를 나타내었다.
전기전도도(σ)
(단위: S/m)		 인장강도
(단위: GPa)
실시예1 109,500 1.15
실시예2 121,200 1.02
실시예3 102,000 0.95
실시예4 131,000 0.83
실시예5 114,000 1.18
비교예1 - -
비교예2 - -
상기 표 2에서와 같이 실시예 1 내지 5의 탄소섬유는 우수한 전기전도도 및 인장강도를 가지는 것을 확인할 수 있었다.
즉, 본 발명은 탄소섬유 제조방법은, 다환 방향족 화합물 잔사 조성물로 휘발성이 높은 LMFD(Low-Molecular weight Fluidized Catalytic Cracking-Decant Oil)을 활용하여 이방성을 가지고, 전기전도도 및 인장강도가 우수한 고부가 가치의 소재인 탄소섬유로 변환할 수 있는 것을 확인하였다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (13)

  1. a) 다환 방향족 화합물을 포함하는 다환 방향족 화합물 잔사 조성물과 1차원 또는 2차원 탄소계 물질을 포함하는 탄소계 조성물을 혼합하여, 상기 다환 방향족 화합물 잔사 조성물과 탄소계 조성물이 인터칼레이션된 블렌드 분산액을 제조하는 단계;
    b) 상기 블렌드 분산액에 전자기파를 가하여 피치를 제조하는 단계;
    c) 상기 피치를 용융방사하여 방사섬유를 얻는 단계; 및
    d) 상기 방사섬유를 탄화하여 탄소섬유를 얻는 단계;
    를 포함하는 탄소섬유의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다환 방향족 화합물 잔사 조성물은 석유계 다환 방향족 화합물 잔사 또는 석탄계 다환 방향족 화합물 잔사를 포함하는 탄소섬유의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다환 방향족 화합물 잔사 조성물은 MALDI-TOF에 의한 평균분자량이 10 내지 1,000 Da인 다환 방향족 화합물을 포함하는 것인 탄소섬유의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다환 방향족 화합물 잔사 조성물은 LMFD(Low-Molecular weight Fluidized Catalytic Cracking-Decant Oil)인 탄소섬유의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄소계 조성물은 단일벽 카본나노튜브, 다중벽 카본나노튜브, 그래핀 나노리본, 카본나노섬유, 카본나노와이어로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 1차원 탄소계 물질을 포함하는 것인 탄소섬유의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄소계 조성물은 그래핀, 산화그래핀(GO) 및 환원된 산화그래핀(rGO)로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 2차원 탄소계 물질을 포함하는 것인 탄소섬유의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 블렌드 분산액은 상기 탄소계 조성물과 상기 단환 방향족 화합물의 잔사 조성물을 1: 0.01 내지 1: 0.2 중량비 포함하는 탄소섬유의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전자기파는 감마선, X선, 가시광선, 근적외선(NIR), 적외선, 자외선, 마이크로파, 극초단파, 초단파, 단파, 중파, 장파, 저주파, 고주파, 초고주파로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 탄소섬유의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 인터칼레이션된 블렌드 분산액은 액정상 블렌드 분산액인 탄소섬유의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 b) 단계에서 마이크로웨이브는 300 내지 15,000 W의 세기 및 0.001 초 내지 600 분으로 조사하는 것인 탄소섬유의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 피치는 연화점이 150 내지 370 ℃이며, 평균분자량이 300 내지 2,000 Da 인 이방성 피치인 탄소섬유의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 c) 단계 이후 전자기파를 조사하여 안정화하는 단계를 더 포함하는 것인 탄소섬유의 제조방법.
  13. 다환 방향족 화합물 잔사 조성물과 탄소계 조성물이 인터칼레이션된 블렌드 분산액에 전자기파를 가하여 제조된 피치를 용융방사 후 탄화한 것인 탄소섬유.
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