KR100639790B1 - 비저항이 조절된 저온 발열 탄소재의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소재의 탄화를 위한 열처리시 유지온도 및 유지시간의 조절을 통해 탄소재의 비저항을 조절하는 방법 및 비저항이 조절되고 저온으로 발열하는 탄소재에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 피치를 활용하여 제조한 다공성 탄화성형체를 추가적인 공정없이 단지 탄화공정에서의 열처리 온도와 시간을 조절하는 것에 의해 비저항값이 0.01~500Ω· cm이며, 500℃ 이하로 발열하는 탄소재의 제조가 가능하다. 기존의 탄소재나 흑연재 등의 경우 500℃ 이상의 고온에서 발열하여 공기 중에서 산화하는 문제점이 있었으며, 비저항이 10^-3 Ω· cm 정도로 매우 낮아 고출력의 전압, 전류조절기가 없으면 220볼트의 전기 환경에서 단락 현상이 발생하여 사용이 불가능하였다. 그러나, 본 발명에서와 같이 비저항이 0.01~500Ω· cm로 조절된 탄소재는 220볼트의 전기 환경에서 고출력의 전압, 전류조절기 없이 간편하게 사용이 가능함은 물론, 500℃ 이하로 발열하는 이점이 있다. 따라서, 생활용 라디에이터 등에 저온 발열체로서 유용하게 사용할 수 있다.

탄소재, 비저항, 발열체, 탄화

Description

비저항이 조절된 저온 발열 탄소재의 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF THE CARBON MATERIAL GENERATING LOW TEMPERATURE OF WHICH SPECIFIC RESISTANCE IS REGULATED}

도 1은 본 발명의 다공성 탄화성형체의 열처리시 사용한 장치의 모식도.

도 2는 본 발명의 다공성 탄화성형체의 열처리시 유지온도에 따른 탄소재의 비저항값 변화를 나타낸 그래프.

도 3은 본 발명의 다공성 탄화성형체의 열처리시 유지시간에 따른 탄소재의 비저항값 변화를 나타낸 그래프.

도 4는 본 발명의 다공성 탄화성형체의 열처리시 가스압력에 따른 압축강도의 변화를 나타낸 그래프.

도 5는 본 발명의 방법에 따라 비저항이 조절된 탄소재의 기공 형상을 전자현미경으로 관찰한 사진.

도 6은 본 발명의 방법에 따라 비저항이 조절된 탄소재의 시간에 따른 발열온도 변화를 나타낸 그래프.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

101: 로 102: 고압레귤레이터

103: 질소 가스 104: 주입구

105: 배출구 106: 압력게이지

107: 시편

110: 진공펌프 111: PID 온도 조절기

본 발명은 탄소재의 비저항을 조절하는 방법 및 비저항이 조절된 탄소재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소재의 탄화를 위한 열처리시 유지온도 및 유지시간의 조절을 통해 탄소재의 비저항을 조절하는 방법 및 이러한 방법에 의해 비저항이 조절된 탄소재에 관한 것이다.

탄소재(Carbon material)는 비흑연질 탄소로 구성된 물질로서 육방정계의 결정구조를 갖고 있으며, c축 방향으로는 반데르발스(van der Waals) 결합, 그에 수직한 면상에는 공유결합을 하고 있어서 큰 이방성(anisotropy)을 나타내는 성질을 갖고 있다. 이러한 탄소재는 발열효율이 높기 때문에 발열체로 주로 이용되고 있다.

기존의 탄소 발열체는 1100~1500℃에서 탄화시키거나 또는 3000℃ 이하에서 흑연화하여 제조된 탄소재를 주로 사용하였는데, 이러한 탄소재는 1000℃ 이상의 열을 발생하여 피가열체를 가열한다는 특징이 있다. 그러나, 탄소재는 500℃ 이상 의 온도부터 공기 중의 산소와 반응하여 CO₂로 산화되는 문제점을 갖고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 탄소재 표면을 세라믹이나 유리로 피복하여 탄소재를 산소로부터 차단하는 방법이 개발되었다. 이러한 피복 방법에서는 피복재와 탄소재 표면을 완전히 밀착시킴으로써, 산소를 차단하고 내부 탄소재의 산화에 의한 소모를 방지하고 있다. 그러나, 피복재와 탄소재의 팽창률이 다르기 때문에 계속 반복하여 사용하는 경우, 피막재가 박리되어 피복 효과가 상실된다는 문제점이 있다. 또한, 탄화규소, 질화규소 등을 이용한 화학증착법에 의한 코팅과 마그네시아, 알루미나 및 산화크롬 등의 플라스마 용사 방법이 개발되었으나, 이러한 코팅 방법에서는 1300℃ 이상의 고온 처리가 추가적으로 요구되고, 피코팅체의 전체 표면을 피착하기 위해서는 여러번 반복 코팅해야 하는 문제점이 있었다.

이와 같이 탄소재 표면을 코팅 또는 피복함으로써 고온 발열로 인한 탄소재의 산화를 방지하는 방법들은 피막재가 박리되는 문제점과 탄소재 제조시 피복 또는 코팅 과정을 추가해야 하는 등의 번거로움이 있다. 따라서, 이러한 문제점들을 해결하면서 보다 간단한 공정을 통해 탄소재의 산화를 방지하기 위한 방법이 요구되고 있는 실정이나, 이에 대한 기술은 아직까지 확립되어 있지 않았다.

한편, 일반적으로 사용되고 있는 탄소재의 비저항은 10^-3Ω· cm 정도로 매우 낮아 220볼트의 사용 조건하에서는 단락 현상이 일어나, 발열체로 사용시 고출력의 전압, 전류조절기의 보조 장비가 반드시 필요하다는 단점이 있다. 따라서, 부대 장비에 의한 비용이 발생하여 경제적이지 못하고 설치가 매우 곤란하였다. 이러한 보조 장비 없이 220볼트의 전기 환경에서 단락 현상이 일어나지 않게 하기 위해서는, 비저항값이 대략 0.01~500Ω· cm의 범위이어야 하는데, 아직까지 이러한 비저항값을 갖는 탄소재 및 이러한 범위로 탄소재의 비저항값을 조절하는 방법에 대해서는 알려진 바가 없다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 비저항값이 조절되어 220볼트의 전기 환경에서도 단락 현상이 없어 부대 장비 없이도 간편하게 발열체로서 사용될 수 있으며, 발열시 공기 중에서의 산화가 방지되는 탄소재를 얻기 위한 방법을 제공하는 것이다.

본 발명자는 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 연구를 거듭하던 중, 탄소재의 제조공정 중 탄화공정에서 열처리 온도, 열처리 시간을 조절하는 방법을 통해 탄소재의 비저항을 조절하는 방법을 개발하였고, 이와 같이 비저항이 조절된 탄소재가 220볼트에서 부대 장비 없이 간편하게 사용될 수 있음은 물론, 이러한 비저항 조절 방법을 통해 제조된 탄소재가 500℃ 이하로 저온 발열되기 때문에 보다 간편한 공정을 통하여 공기 중에서 산화되지 않고 사용될 수 있음을 확인함으 로써 본 발명을 완성하였다.

본 발명은 탄소재 원료로 이루어진 다공성 탄화성형체를 불활성 분위기 하에서 750~1000℃의 온도로 30분~3시간 동안 열처리하여 탄화시키는 것을 특징으로 하는 탄소재의 비저항 조절 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 비저항이 0.01~500Ω· cm이고, 실온~500℃로 발열하는 것을 특징으로 하는 탄소재를 제공한다.

본 명세서에서 '탄소재 원료'란 석탄 또는 석유 피치를 이용하여 제조된 재료를 의미한다. 또한, '다공성 탄화성형체'란 탄소재 원료를 가열 가압하여 기공이 형성된 것을 의미한다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

일반적으로 이용되고 있는 탄소재의 제조공정은 1) 석탄 또는 석유 피치를 연화시켜 탄소재 원료를 제조하는 공정, 2) 탄소재 원료를 배합, 혼련, 가압성형하여 성형체를 제조하는 공정, 3) 성형체를 1100~1500℃에서 탄화시키는 공정, 4) 탄화된 성형체를 2500~3000℃에서 흑연화하여 최종 탄소재로 제조하는 공정으로 이루어진다.

본 발명에서는 이러한 일반적인 탄소재 제조공정 중, 탄화공정에서 열처리 온도와 시간을 조절함으로써 탄소재의 비저항을 조절하였다는 점에 특징이 있다. 또한, 새로운 공정의 추가 없이 단지 탄화공정에서의 열처리에 의해 비저항을 조절 함으로써 탄소재가 500℃ 이하로 발열하게 하여, 보다 간단한 방법을 통하여 공기 중에서 산화되지 않고 사용될 수 있다는 점에 특징이 있다. 즉, 본 발명은 탄소재 원료로 이루어진 다공성 탄화성형체를 불활성 분위기 하에서 750~1000℃의 온도로 30분~3시간 동안 열처리하여 탄화시켜 탄소재의 비저항을 조절하는 방법을 제공함에 특징이 있다.

본 발명에 따른 탄소재 비저항 조절 방법에서, 열처리 온도는 750~1000℃인 것이 바람직한데, 열처리 온도가 750℃ 미만이면 비저항값이 너무 높아 발열되지 않고, 열처리 온도가 1000℃를 초과하면 비저항값이 너무 낮아 220볼트의 전기 환경에서 고출력의 전압, 전류조절기가 없으면 단락 현상이 일어난다는 문제점이 있기 때문이다. 또한, 열처리 시간은 30분~3시간이 바람직한데, 열처리 시간이 30분 미만이면 탄소재의 조직이 불균일해 질 수 있고, 3 시간을 초과하게 되면 탄소재의 조직이 과도하게 발달하여 비저항값이 너무 낮아 질 수 있으며 비경제적인 문제점이 있기 때문이다.

또한, 본 발명에서와 같이 열처리하여 비저항을 조절할 때, 다공성 탄화성형체가 산화되지 않도록 불활성 분위기를 유지하는 것이 중요하다. 이러한 불활성 분위기는 질소 가스, 아르곤 가스 및 헬륨 가스로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 도 1의 구성으로 이루어진 장치의 로(101)에 주입하여 조성된다. 이와 같이, 로 내부에 가스를 주입하면 불활성 분위기가 조성되고, 동시에 로 내부 압력이 조절되는데, 이러한 가스 압력은 탄소재의 결정 형성에도 영향을 미쳐 탄소재의 압축 강도를 조절하게 된다. 로 내부의 압력은 1~3kgf/mm²가 되도록 가스를 주입하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 2kgf/mm²가 되도록 주입하는 것이 보다 바람직하다. 상기에서 가스 압력이 1kgf/mm² 미만이면 탄소재의 압축강도 증진에 효율적이지 못하고, 3kgf/mm²를 초과하게 되면 과도한 압력으로 인하여 로 내부에 무리가 생겨 압축강도 증진에 기여를 하지 못하기 때문에, 상기 범위의 압력으로 조절하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 열처리 온도와 시간을 조절하여 제조된 탄소재는 기공의 형상에 손상이 없으면서, 비저항값이 0.01~500Ω· cm이고, 실온~500℃로 저온 발열하며, 5~6.5MPa의 압축강도를 갖고 있다는 특징이 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1] 탄소재의 비저항 조절을 위한 열처리 조건 확립

석탄 피치를 공지된 방법으로 처리한 탄소재 원료를 이용하여 200~500㎛ 크기의 기공을 갖는 다공성 탄화성형체로 제조한 후, 지름 50mm, 두께 30mm의 디스크 형상으로 가공한 시편(107)을 도 1에 도시된 것과 같은 장치의 로(101)에 장입하였 다. 이때, 로에 질소 가스(N₂)(103)를 주입하여 열처리 동안에 다공성 탄화성형체의 산화가 방지되도록 하였다. 질소 가스는 30분간 주입구(104)를 통해 로 내부로 주입하였고, 주입된 질소가 배출구(105)로 배출되도록 유지하였다. 30분 후 주입구와 배출구를 닫고, 배출구에 진공펌프(110)를 연결한 후, 배출구를 열어 주입된 질소가스가 완전히 로 내부에서 제거되도록 하였다. 이때, 진공은 10^-2Pa까지 유지하였다. 진공도가 10^-2Pa에 도달하면 배출구를 닫고 주입구를 열어 질소 가스를 다시 주입되도록 하여 질소가 채워지도록 하였다. 이러한 과정을 3회 반복하여 내부에 공기가 최대한 남아있지 않도록 하였다.

이후, 탄화공정에서 5℃/분의 승온속도로 1000℃ 까지 가열하면서 시편이 탄화되도록 하였다. 로의 온도는 PID 온도 조절기(111)를 이용하여 ±0.5℃ 오차 범위 내에서 제어하였다. 열처리 공정이 끝나면 20℃까지 자연 냉각되도록 하였고, 냉각된 후 로 내부에 조성된 압력은 배출구를 조금 열어 30분간 질소 가스가 배출되도록 하여 해제하였다. 이와 같이 열처리를 하면서 시편의 온도변화에 따른 비저항값을 측정하였으며, 그 결과를 도 2에 나타내었다.

도 2에 의하면, 탄화시 열처리 온도범위가 750~1000℃일때 시편의 비저항값이 0.01~500Ω· cm 범위에 있음을 확인할 수 있었다. 이는, 방향족 화합물로 구성된 탄소재가 열처리에 의해 가교현상과 중합 및 축합반응이 일어나 방향성을 띠며 재배열이 일어난 결과라고 판단되며, 이러한 배열은 가열온도 850~950℃까지 급격하게 일어나 비저항값의 변화가 큰 폭으로 낮아졌다.

또한, 비저항값의 변화가 급격했던 온도인 850℃와 900℃에서 각각 유지시간을 변화시키면서 유지시간 변화에 따른 시편의 비저항값을 측정하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3에 의하면, 비저항값을 조절하는 시간은 30분~3시간이 가장 적절함을 확인할 수 있었다. 열처리 유지시간은 3시간을 기점으로 최저 비저항값을 나타내었는데, 이는 3시간 동안 재배열이 완료되었기 때문이며, 더 이상 유지시간이 길어져도 비저항값의 변화는 없었다. 전반적으로 열처리시 온도를 30분~3시간으로 유지했을 때 시편의 비저항값이 0.01~500Ω· cm 범위에 있음을 확인할 수 있었다.

[실시예 2] 가스압에 따른 탄소재의 압축강도 변화 측정

900℃에서 3시간 동안 열처리하기 전, 로 내부의 압력이 1~3kgf/mm²가 되도록 질소 가스를 강제 주입하였고, 가스압의 변화에 따른 시편의 압축강도값을 공지된 방법을 이용하여 측정하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.

도 4에 의하면, 가스압을 1~3kgf/mm² 로 변화시킴에 따라 시편의 압축강도값은 5~6.5 MPa 범위로 조절되었다. 즉, 본 발명의 방법에 따라 비저항값이 조절된 탄소재가 압축강도값도 우수함을 확인하였다.

[실시예 3] 탄소재의 형상 및 발열온도 측정

탄화공정에서 900℃, 2kgf/mm²의 가스압 하에서 3시간 동안 열처리 하여 비저 항값이 354Ω· cm로 조절된 탄소재를 대상으로 기공의 형상 변형 유무와 발열온도를 측정하였다. 탄소재의 형상은 전자현미경(SEM, AKASHI, WB-6)으로 관찰하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다. 또한, 본 제조공정을 통해 제조한 탄소재를 220볼트에서 시간에 따른 발열온도를 측정하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.

도 5에 의하면, 열처리에 의해 비저항이 조절되는 것에 의해 탄소재의 기공형상이 변형되지 않았고, 기공의 크기나 균일성이 온전히 보전되었음을 확인할 수 있었다.

또한, 도 6에 의하면, 10분 만에 최대 487℃까지 발열되고, 시간이 지나도 500℃ 이상으로는 발열되지 않았다. 즉, 본 발명의 탄소재가 220볼트에서 단락 현상 없이, 500℃ 이하로 발열되는 저온 발열체로서 활용될 수 있음을 확인할 수 있었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 피치를 활용하여 제조한 다공성 탄화성형체를 추가적인 공정없이 단지 탄화공정에서의 열처리 온도와 시간을 조절하는 것에 의해 비저항값이 0.01~500Ω· cm이며, 500℃ 이하로 발열하는 탄소재의 제조가 가능하다. 기존의 탄소재나 흑연재 등의 경우 500℃ 이상의 고온에서 발열하여 공기 중에서 산화하는 문제점이 있었으며, 비저항이 10^-3 Ω· cm 정도로 매우 낮아 고출력의 전압, 전류조절기가 없으면 220볼트의 전기 환경에서 단락 현 상이 발생하여 사용이 불가능하였다. 그러나, 본 발명에서와 같이 비저항이 0.01~500Ω· cm로 조절된 탄소재는 220볼트의 전기 환경에서 고출력의 전압, 전류조절기 없이 간편하게 사용이 가능함은 물론, 500℃ 이하로 발열하는 이점이 있다. 따라서, 생활용 라디에이터 등에 저온 발열체로서 유용하게 사용할 수 있다.

Claims (7)

1. 탄소재 원료로 이루어진 다공성 탄화성형체를 불활성 분위기 하에서 750~1000℃의 온도로 30분~3시간 동안 열처리하여 탄화시키는 단계를 포함하는 비저항이 조절된 저온 발열 탄소재의 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   불활성 분위기는 질소 가스, 아르곤 가스 및 헬륨 가스로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 이용하여 조성되는 것을 특징으로 하는

   비저항이 조절된 저온 발열 탄소재의 제조 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   열처리시 1~3kgf/mm²의 압력으로 유지하는 것을 특징으로 하는

   비저항이 조절된 저온 발열 탄소재의 제조 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   수득된 탄소재의 비저항이 0.01~500Ω· cm인 것을 특징으로 하는

   비저항이 조절된 저온 발열 탄소재의 제조 방법.
5. 제 1항에 있어서,

   수득된 탄소재는 실온~500℃로 발열하는 것을 특징으로 하는

   비저항이 조절된 저온 발열 탄소재의 제조 방법.
6. 삭제
7. 삭제

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