JP5580835B2 - 炭素ナノチューブ発熱シート - Google Patents

Description

本発明は、ＣＮＴ（Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏ Ｔｕｂｅ）溶液をグラビア印刷でコーティングした高分子面状発熱シートに関するもので、より詳細には、グラビア印刷による面状発熱体として、二軸に延伸した透明ＰＥＴやＯＰＳフィルムの間にジグザグ状に配列された銀ペーストを形成した後、発熱に優れたＣＮＴインクを面状にコーティングすることによって、短時間に温度を上昇させ、断絶や火災から安全で、且つ消費電力の少ない面状発熱シートに関するものである。

一般的な自動車シートは、薄い電気導線を用いて瞬間的な高電流で温度を上昇させ、温度センサやバイメタルを通して電流を切ったり流したりする方式で一定の温度に維持させる。しかし、前記製品は、断線による製品の作動中断が発生したり、電気導線を中心に高熱が発生するので、周辺に露出する熱損失が生じ、電線配列を手作業で実施するので、製品別に発熱均一度が低下するという問題があった。

自動車に使用される面状発熱体は、１２ボルトで製作しなければならないが、既存のカーボンペーストで製作する場合、局部的な温度上昇を防止するために網状にしなければならない。また、電極として使用される銀ペーストも、距離による抵抗変化及びカーボンペーストと銀ペーストとの間の断線発生によって４個以上の導線を使用するようになり、結局、製品の大きさに制限が発生する。したがって、既存の製品は、１２ボルトで２５０ｍｍ×３００ｍｍ以上の面状発熱体を製作することが難しく、不均一な温度上昇による発熱耐久性が低下するという問題を有している。

図１は、従来の熱線発熱体の加熱メカニズムを示した図で、被加熱体と発熱線との接触面が局部的であるので、被加熱体に対する熱伝逹効率が低下し、最高温度への昇温時間も遅い。

図４は、一般のカーボンの電気的ネットワーク構造図であって、一般のカーボンにおいては、バインダー内でカーボンと金属の一部を混合し、粒子同士が接触したときに電気が通じるようになり、これによって粒子間の短絡が発生する場合、短絡が発生しない特定部位への電気の集中によって高熱が発生し、累積したエネルギーによって短絡が発生する。

一般の伝導性カーボンを用いた抵抗ペーストは、カーボンの特性であるマイナス（−）の温度抵抗係数を有するので、反復的な使用による抵抗数値の低下のため信頼性の確保が難しい。また、金属性物質は、プラス（＋）の温度抵抗係数を有するので、反復的な使用による抵抗数値の上昇のため信頼性の確保が難しい。

特許文献１には、経糸で配列されて製織される綿糸又は天然繊維と、綿糸又は天然繊維と同一方向に配置され、一定の間隔で離隔配置されて製織される銅線と、綿糸又は天然繊維上に炭素コーティングされ、緯糸で製織される発熱糸で製織され、上下面にポリウレタンコーティング層を形成した発熱板体上に一定の温度範囲でオン／オフになるように付着された温度センサと、からなり、銅線の端子は、車両用電源に接続される接続端子を備えたことを特徴とする発熱機能を有する自動車シートが開示されている。

特許文献２には、スクリーン印刷による通常の面状発熱体において、板状の合成樹脂材で形成された底板の上面に多段で交互に配置された構造の多数の台形状に形成されたカーボンペーストと、カーボンペーストの外周面の一側部分又は外周面の全面に塗布され、陰電極と陽電極が交互に形成されて電極を伝達する多数のシルバーペーストとが互いに連結されており、カーボンペーストとシルバーペーストの上面に所定の厚さ及び幅の薄い層で被せられ、コーティング硬化された絶縁性を有する合成樹脂材と、粘着及び接着成分で塗布された仕上げ板とが積層されて構成されることを特徴とする印刷スクリーン印刷による面状発熱体が開示されている。

特許文献３には、自動車シート及び背もたれの内部に設置され、発熱線が内蔵された自動車用シート及び背もたれにおいて、シートヒータークッション及びシートヒーターバックで構成され、それぞれは一定の形態を有する耐熱性部材に平面で設置された発熱線で構成され、それぞれの発熱線は体重によって切れる現象を防止するために連結ジャックで結合され、シートヒータークッション発熱線の他の一側に結合され、発熱線の温度が上昇すると抵抗値が低下するネガティブ特性を有するＮＴＣ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）が備えられ、ＮＴＣの一側にＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）が結合され、ＥＣＵの一側及びＮＴＣの他の一側に結合される可変抵抗多段調節器が備えられ、ＮＴＣ及び可変抵抗多段調節器の抵抗値によって連続的に電源がオン／オフになることを特徴とする発熱線が内蔵された自動車シートの背もたれ用部材が開示されている。

前記各従来技術では、発熱体として熱線、カーボンなどを用いており、炭素ナノチューブを発熱体として適用した例はなかった。

大韓民国実用新案登録第２０７３２２号 大韓民国実用新案登録第３００６９２号 大韓民国特許登録第６４４０８９号

本発明の目的は、炭素ナノチューブを発熱体として適用した炭素ナノチューブ発熱シートを提供することにある。

本発明は、前記目的を達成するために、炭素ナノチューブで構成される発熱層を含む発熱シートを提供する。

本発明では、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ：Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏ Ｔｕｂｅ）溶液を用いた面状発熱体を適用することによって、既存のカーボンペーストで発生した温度上昇による抵抗増加によって板状の合成樹脂材の形状が変化し、局部的な抵抗変化によって火災が発生するという問題を解決しようとした。また、自動車用発熱生地として使用するために、別途の過電流防止装置であるＥＣＵなどの部品を使用せずにＣＮＴ素材のＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）効果を用いて初期温度上昇後に均衡的な温度に維持させた。また、二軸に延伸したＰＥＴやＯＰＳを使用してフィルムの発熱時における生地の収縮又は膨張を防止し、抵抗変化を発生させないことを特徴とする。

本発明では、自動車用途に使用される１２ボルトで目標温度に速く到逹した後、バイメタルなどの温度調節器がなくてもＰＴＣ性質によって均一な温度に維持するＣＮＴ溶液を用いた。ＣＮＴは、長い髪の毛構造となっているので、髪の毛構造の水平方向に電気がよく通じる物質である。また、髪の毛が１本ずつ互いに絡み合って連結された構造で電気が通じるようになる原理であるので、曲がった状態でも抵抗変化がさほど発生しない。また、ＣＮＴを自動車用シートヒーターとして使用する場合、お尻の摩擦や重力によってヒーターが曲がるようになるが、既存の製品では抵抗変化が最大の問題であった反面、本発明の製品では抵抗変化が発生しないという特徴がある。

本発明では、電極層を形成する銀ペースト上にＣＮＴを印刷し、別途の酸化防止層が必要でなくなる。銀ペーストは酸化力に優れるという特徴があり、既存の製品では、スクリーン印刷後に、コーティング硬化された絶縁性合成樹脂を塗布しなければならなかった。

炭素ナノチューブは、６個の炭素からなる複数の六角形が互いに連結されて管状をなしている新しい素材である。ここで、管の直径は数〜数十ナノメートルに過ぎず、炭素ナノチューブと呼ばれるようになった。炭素ナノチューブの電気伝導度は、銅の電気伝導度と類似しており、炭素ナノチューブの熱伝導率は、自然界で最も優れたダイヤモンドの熱伝導率と同一で、炭素ナノチューブの強度は鉄鋼の強度に比べて１００倍も優れている。炭素繊維は１％のみが変形しても切れる反面、炭素ナノチューブは１５％が変形しても耐えることができる。

本発明で、炭素ナノチューブとしては、金属をドーピングした炭素ナノチューブを使用する。金属―炭素ナノチューブを適用したペーストは、温度抵抗係数がほぼ０に近く、反復的な使用にも抵抗数値の変化がないので、信頼性の確保が容易である。炭素ナノチューブに金属をドーピングすることによって正特性サーミスタ（ＰＴＣ）性質を具現することができ、電流の流れ性も良くなる。

本発明で、炭素ナノチューブのドーピングに使用される金属としては、銀、銅などを使用することができ、電気伝導度及び電極との相溶性の面では銀を使用することが望ましい。

本発明の第１の実施態様に係る発熱シートは、上側から基材フィルム層、電極層、炭素ナノチューブ発熱層、フィルム層、粘着剤層及び保護材層で構成される。

本発明の第２の実施態様に係る発熱シートは、上側から基材フィルム層、電極層、炭素ナノチューブ発熱層、フィルム層、粘着剤層及び断熱材層で構成される。

本発明では、炭素ナノチューブ発熱層の両側面に銅薄膜層が形成されることが望ましい。電気伝導性の良い銅箔を使用することによって、電流の流れをより円滑にすることができる。銅箔を使用する場合、既存の面状発熱体で発生する不均一な温度分布を解決することができる。

本発明で、銅薄膜層と電極層との間には伝導性粘着剤を使用することができる。伝導性粘着剤を使用して銅薄膜層と電極層との間の接触抵抗を最小化することができ、これによって、銅薄膜の破損による銅薄膜層と電極層との断絶を予防することができる。

本発明で、基材フィルム層とフィルム層には、難燃処方が行われたフィルムを使用し、難燃３級以上の難燃性を与えることができる。

本発明の炭素ナノチューブ発熱シートは、自動車のサイドミラー、シートヒーター、シート座布団、電気マットなどの多様な用途に使用することができる。

本発明の炭素ナノチューブ発熱シートは、発熱面積が広いため被加熱体に対する熱伝逹効率に優れ、最高温度への昇温時間も速く、髪の毛構造で互いに絡み合う構造であるため長期間使用による耐久性に優れ、分子構造上、部分的に短絡が発生するとしても、連結されている接触点が多いためショートや火災の危険性がない。また、粒子同士がくっ付いておらず、所定の距離だけ離隔しているとしても、繊維状構造と類似した構造で電気的ネットワークを維持することによって、一般のカーボンの含量に比べて非常に少ない含量でも同等以上の性能を具現し、電気的安定性も保有するようになる。また、炭素ナノチューブに金属をドーピングする場合、温度抵抗係数がほぼ０に近く、反復的な使用にも抵抗数値の変化がないので信頼性の確保が容易であり、切れない電気的ネットワーク効果で集熱現象による短絡を防止することができ、正特性サーミスタ性質を具現することができる。

従来の熱線発熱体の加熱メカニズムを示した図である。 炭素ナノチューブ発熱体の加熱メカニズムを示した図である。 炭素ナノチューブのドーピング過程を示した図である。 一般のカーボンの電気的ネットワーク構造図である。 炭素ナノチューブの電気的ネットワーク構造図である。 本発明の第１の実施態様に係る炭素ナノチューブ発熱シートの断面図である 本発明の第２の実施態様に係る炭素ナノチューブ発熱シートの断面図である。 本発明に係る炭素ナノチューブ発熱シートの平面図である。

以下、添付の図面を参照して本発明を詳細に説明する。

図２は、炭素ナノチューブ発熱体の加熱メカニズムを示した図で、図１とは対照的に、被加熱体と発熱層との接触面が全面であるので、被加熱体に対する熱伝逹効率に優れ、最高温度への昇温時間も速い。

図３は、炭素ナノチューブのドーピング過程を示した図で、炭素ナノチューブと金属原子との化学的結合特性を示したものである。炭素ナノチューブを酸処理すると、図３の１番目の図面のように炭素ナノチューブの末端に官能基が形成され、ここに金属をコーティングすると、図３の２番目の図面のように炭素ナノチューブの末端官能基に金属イオンが化学的に結合される。図３の３番目の図面は、金属ドーピングが行われた炭素ナノチューブ粉末の模式図である。

金属―炭素ナノチューブを適用したペーストは、温度抵抗係数がほぼ０に近く、反復的な使用にも抵抗数値の変化がないので、信頼性の確保が容易である。すなわち、単にマイナスの温度抵抗係数を有するカーボンとプラスの温度抵抗係数を有する金属との混合のみで補正されるのではなく、炭素ナノチューブの表面に化学的結合を用いた金属粒子が結合されることによって前記のような特性が具現される。

図５は、炭素ナノチューブの電気的ネットワーク構造図であって、炭素ナノチューブに金属をドーピングする場合、切れない電気的ネットワーク効果で、図４のように一般のカーボンを使用したときに表れる反復的な集熱現象による短絡を防止することができる。炭素ナノチューブは、粒子同士がくっ付いておらず、所定の距離だけ離隔しているとしても、繊維状構造と類似した構造で電気的ネットワークを維持することによって、一般のカーボンの含量に比べて非常に少ない含量でも同等以上の性能を具現し、電気的安定性も保有するようになる。

炭素ナノチューブは、髪の毛構造で互いに絡み合っているので、長期間の使用による耐久性に優れ、分子構造上、部分的な短絡が発生するとしても、連結されている接触点が多いためショートや火災の危険性がない。

図６は、本発明の第１の実施態様に係る炭素ナノチューブ発熱シートの断面図であって、この炭素ナノチューブ発熱シートは、上側から基材フィルム層１０、電極層２０、炭素ナノチューブ発熱層３０、銅薄膜層４０、フィルム層５０、粘着剤層６０及び保護材層７０で構成される。

基材フィルム層１０は、電極層２０の印刷基材であって、両方向に延伸した（二軸延伸）ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム又はオリエンテッドポリスチレン（ＯＰＳ）フィルムを使用することができ、その厚さは１００μｍ以下である。二軸延伸ＰＥＴや二軸延伸ＯＰＳを基材として使用し、これを１６０℃まで発熱する製品の用途に使用することができ、また、基材フィルム層１０に難燃処方を別途に行い、難燃３級も確保することができる。

電極層２０は、銀ペーストのパターンを印刷した層であって、基材フィルム層１０よりも小さい広さで印刷される。銀ペースト電極間の間隔及び広さによって電流の流れを調節し、炭素ナノチューブの発熱温度上昇時間及び維持時間を決定することができる。

炭素ナノチューブ発熱層３０は、炭素ナノチューブインクで印刷して乾燥した層であって、炭素ナノチューブインクは、アクリルなどのバインダー、分散剤及び安定剤で構成される粘性を有するグラビア印刷用インクであって、グラビア印刷を行ってパターンを形成する。

炭素ナノチューブとしては、透明性を要求する発熱体を作る場合、単一壁炭素ナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）や薄い多重壁炭素ナノチューブ（Ｔｈｉｎ ＭＷＣＮＴ）を使用し、不透明であってもよい場合はＭＷＣＮＴを使用する。炭素ナノチューブに金属をドーピングすることによって正特性サーミスタ（ＰＴＣ）性質を具現することができ、電流の流れ性も良くなる。炭素ナノチューブの濃度及びコーティング厚さを調節し、発熱体の飽和温度を決定することができる。

銅薄膜層４０は、炭素ナノチューブ発熱層３０の両側面に銅薄膜を合紙した層である。電気伝導性の良い銅銅箔を使用することによって、電流の流れをより円滑にすることができる。銅を使用しなくてもさほど問題は生じないが、銅箔を使用する場合、既存の面状発熱体で発生する不均一な温度分布を解決することができる。また、銅薄膜層４０の銅部位と電極層２０の銀ペーストとの間の接触抵抗を最小化するために伝導性粘着剤を使用することもできるが、これは、銅薄膜層４０の破損による銅薄膜層４０と電極層２０との断絶を予防するために使用する。

フィルム層５０は、電極層２０及び炭素ナノチューブ発熱層３０などを保護する層であって、基材フィルム層１０と同一のフィルムを使用して熱合紙を行う。

粘着剤層６０には、アクリル系、ウレタン系、エポキシ系粘着剤などを使用することができる。

保護材層７０は、粘着剤層６０を保護する層であって、保護フィルムや保護紙を合紙する。

図７は、本発明の第２の実施態様に係る炭素ナノチューブ発熱シートの断面図であって、この炭素ナノチューブ発熱シートは、上側から基材フィルム層１０、電極層２０、炭素ナノチューブ発熱層３０、銅薄膜層４０、フィルム層５０、粘着剤層６０及び断熱材層８０で構成される。

基材フィルム層１０、電極層２０、炭素ナノチューブ発熱層３０、銅薄膜層４０、フィルム層５０及び粘着剤層６０は、図６の炭素ナノチューブ発熱シートの場合と同一であって、保護材層７０の代わりに断熱材層８０が積層された構造である。

断熱材層８０は、下部から熱が漏れることを防止するための層であって、ポリウレタン（ＰＵ）、発泡性ポリスチレン（ＥＰＳ）、発泡性ポリプロピレン（ＥＰＰ）などの断熱材を使用することができる。

図８は、本発明に係る炭素ナノチューブ発熱シートの平面図で、炭素ナノチューブ発熱層３０がジグザグ状に広い面積を有して印刷されるので、発熱面積が広くなり、これによってエネルギー伝達効率が増加する。図８に示した電極層２０、炭素ナノチューブ発熱層３０及び銅薄膜層４０のパターンは、例示的なものであって、多様に変更可能である。

１０：基材フィルム層、２０：電極層、３０：炭素ナノチューブ発熱層、４０：銅薄膜層、５０：フィルム層、６０：粘着剤層、７０：保護材層、８０：断熱材層

Claims (7)

1. 酸処理により形成された末端官能基に金属イオンが化学的に結合された炭素ナノチューブで構成されるＰＴＣ特性の発熱層を含む自動車用発熱シート。
2. 上側から基材フィルム層、電極層、炭素ナノチューブ発熱層、フィルム層、粘着剤層及び保護材層を含む、請求項１に記載の自動車用発熱シート。
3. 上側から基材フィルム層、電極層、炭素ナノチューブ発熱層、フィルム層、粘着剤層及び断熱材層を含む、請求項１に記載の自動車用発熱シート。
4. 金属は銀であることを特徴とする、請求項１に記載の自動車用発熱シート。
5. 炭素ナノチューブ発熱層の両側面に銅薄膜層が形成されたことを特徴とする、請求項２又は３に記載の自動車用発熱シート。
6. 銅薄膜層と電極層との間に伝導性粘着剤が使用されたことを特徴とする、請求項５に記載の自動車用発熱シート。
7. 基材フィルム層とフィルム層は二軸延伸フィルムであることを特徴とする、請求項２又は３に記載の自動車用発熱シート。