KR100642622B1 - 탄소나노튜브를 이용한 면상발열체 및 그 제조방법 - Google Patents

탄소나노튜브를 이용한 면상발열체 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브(Carbon Nanotubes)를 첨가하여 전기 및 열전도성을 증대시킨 탄소나노튜브를 이용한 면상발열체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 제조방법은 고분자 수지기재에 대한 일정한 질량비로 평균 길이가 수십 내지 수백 ㎛에 이르는 탄소나노튜브를 고분자 수지기재에 혼합,분산하여 발열부를 성형하는 제1공정과; 상기 제1공정에서 혼합,분산처리된 발열부에 전기저항이 1~10Ω의 범위로하여 쉬트형상의 전극부를 형성하는 제2공정과; 상기 전극부에 전도도가 높은 절연부를 부착하는 제3공정으로 이루어지는 것이다.
탄소나노튜브, 면상발열체

Description

탄소나노튜브를 이용한 면상발열체 및 그 제조방법 {Resin-basd Caron Nanotube Hybrid Materials with High Thermal Conductivity}
도 1은 본 발명의 제조공정을 예시한 공정도
도 2는 탄소나노튜브가 메트릭스에 분산된 모습을 나타낸 사시도
도 3은 탄소나노튜브를 발열부로 이용한 면상 발열체를 나타낸 것으로서,
(a)는 정면도이고, (b)는 평면도이다.
도 4는 탄소나노튜브를 이용한 다른 실시예의 면상 발열체를 나타낸 것으로,
(a)는 정면도이고, (b)는 평면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100…발열부 200…전극부 300…절연부
본 발명은 탄소나노튜브(Carbon Nanotubes)를 첨가하여 전기 및 열전도성을 증대시킨 탄소나노튜브를 이용한 면상발열체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 열전도성을 갖는 복합재료 조성물들은 대부분 열전도도가 높은 물질을(금, 은, 구리, 알루미늄, 철, 흑연분말, AIN 등)수지 등의 기재상에 균일하게 분포시킴으로써 열전도성을 갖게되는 것이다.
이의 선행기술로서 US특허 제6,372,337호에 제안되어 있는 바와 같이, 기지물질인 오일 100중량에 대하여 평균입자직경이 0.5㎛ ~ 5㎛의 금속분말을 500 ~ 1,200중량%을 혼합하여 열전도 그리스를 제조한다.
또한 미국특허 제4,544,696호(Shaheen)(수지내에 칼슘, 알루미늄 및 금,구리 또는 은); 제4,544,696호(Streusand), 제4,584,336호(Pate) 및 제4,588,768호(Streusand)(산화알루미늄 또는 산화아연을 가지는 규소 질화물 함유-유기폴리실옥산); 제5,011,870호(Paterson)(알루미늄 질화물 및 폴리유기실리콘 수지 매트릭스내의 규소금속 및 붕소질화물); 및 제5,352,731호(Nakano)(산화알루미늄 함유 실리콘 고무)를 참조한다.
미국특허 제5,430,085호(Acevedo)는 300㎛ 내지 325㎛ 범위의 입자크기를 가지는 전도성 입자 80중량%, 75~80㎛ 범위의 입자크기를 가지는 전도성 입자 10중량%, 및 0.020 내지 0.025인치 범위의 길이를 가지는 전도성 섬유 10중량%을 포함하는 충전제와 혼합된 실리콘과 같은 수지를 포함하는 열 및 전기전도성 코크(caulk)가 기재되어있다.
미국특허 제4,604,424호(Cole)에는 폴리디유기실옥산,경화제,백금함유-히드로실화(hydrosilation)촉매, 및 산화아연 및 산화마그네슘 충전제를 함유하는데 이 충전제의 입자크기는 실질적으로 모든 충전제 입자가 325메쉬 스크린을 통과하는 정도의 크기이고, 이 충전제의 평균 입자크기는 10㎛보다 작은 열전도성 실리콘 탄성체를 기재하고있다.
충전제는 각각 충전제 중량에 대해 50~90중량%의 산화아연(ZnO2),10~50중량%의 산화마그네슘(MgO)으로 이루어 진다.
다른 충전제(40중량%까지)들은 산화알루미늄(Al2O3),산화 제2철 및 카본 블랙을 포함한다.
경화된 탄성체들은 단독충전제로서 산화알루미늄을 함유하는 조성물보다 더 많은 정도까지 연마재료에 의한 침식을 견디어 낸다고 알려져 있다.
그럼에도 불구하고 현재까지 이러한 전단 혼합(shear mixing)은 분산되는 수지 전체에 걸쳐서 열전도성을 증가시키려는 의도로서 전도성 충전제의 입자크기 및 기하학적 형태를 분쇄하는데 사용되어 왔다.
상기의 다양한 혼용 및 가공기법의 개선은 전기, 전자 및 의료,환경등의 산업분야에서 상업적으로 다양하게 응용할수 있으며, 저전압 구동하에서의 고효율의 열전도성을 갖는 수지-기재 조성물은 여전히 개발대상이 되고있다.
따라서 조성물의 기계적 성질 또는 경화된 반응 생성물의 기계적 성질 모두를 손상하지 않으면서 보다 우수한 전도 특성을 가지는 열전도성을 갖는 면상발열체의 필요성이 존재한다.
본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점과 과거로부터 요청되어 온 기술적 과제를 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명은 소량의 높은 전기 전도성 및 열전도성을 지닌 탄소나노튜브를 수지, 페인트 및 접착제등 다양한 기재에 첨가하여 성형이 쉬우며, 온도 균일성이 우수한 높은 열전도성을 갖는 탄소나노튜브를 이용한 면상발열체 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.
상기의 목적을 달성하기위한 본 발명의 제조방법은 고분자 수지기재에 대한 일정한 질량비로 평균 길이가 수십 내지 수백 ㎛에 이르는 탄소나노튜브를 혼합,분산하여 발열부를 성형하는 제1공정과; 상기 제1공정에서 혼합,분산처리된 발열부에 전기저항이 1~105Ω㎝의 범위로하여 쉬트형상의 전극부를 형성하는 제2공정과; 상기 발열부에 전도도가 높은 절연부를 부착하는 제3공정으로 이루어지는 것이다.
이러한 공정에 의해 탄소나노튜브가 혼합된 고분자 수지기재로 성형된 발열부와; 상기 발열부의 표면에 넓은 면적을 지닌 전극부와; 상기 발열부가 외부와의 접촉에 의한 누전이 발생되는 것을 방지하기 위한 절연부로 구성된 면상발열체를 얻게 되는 것이다.
이하 본 발명의 전체적인 구성 및 이로부터 얻게되는 특유의 효과 등에 대하여 첨부도면을 이용하여 상세히 설명하면 하기와 같다.
본 발명자들은 소량의 탄소나노튜브(110)의 첨가에 의해 발열부(100)의 전기 전도성이 현저하게 증가하는 현상을 이용하여 본 발명의 면상 발열체를 제작하기에 이른 것이다.
즉 종래의 도전성이 있는 탄소 특히 흑연,카본블랙 및 활성탄소/섬유등을 고분자 수지류에 분산시킬경우 50중량% 이상 과량의 탄소입자를 첨가하여야만 원하는 저항과 발열효과를 얻을수 있으며, 이로 인해 성형의 어려움과 함께 기계적 강도가 감소하게 되지만 본 발명에 사용되는 탄소나노튜브는 수지 기재 대비 10중량% 이하의 소량의 첨가만으로도 수지 조성물이 충분한 전기 및 열전도성을 가지게 되며, 또한 소량 첨가에 의한 우수한 가공 및 성형성과 함께 기계적 강도 또한 저하되지 않는다.
일반적으로 탄소나노튜브는 대체로 수 내지 수십㎛이며, 그 길이가 수십 내지 수백 ㎛에 이를 정도로 비등방정의 구조를 갖는다.
이러한 구조적 특성에 따라 역학적으로도 견고하며(철의 100배정도)화학적인 안정도도 뛰어나며 또한 전기저항이 10-1 ~ 10-4 정도로 반도체적 성질을 가짐에 따라 열전도도 1,800~6,000W/mK로 우수하며, 속이비어있는 중공(中空)특성으로 일반적인 탄소소재인 흑연이나 탄소섬유등에 비해 낮은 밀도를 가진다.
또한 직경에 대한 길이비(L/R)가 높아 (100~10000)고분자 수지내에 분산시 소량의 첨가로 서로 그물망 구조(Network Structure)를 이루어 단락 및 단선에 의한 절연이 발생하지 않으며 충분한 열 및 전기전도성을 갖는다.
이러한 특성을 갖는 탄소나노튜브(110)로 이용한 본 발명의 제조공정은 하기 와 같다.
즉 고분자 수지기재(120)에 대한 일정한 질량비로 평균 길이가 수십 내지 수백 ㎛에 이르는 탄소나노튜브를 혼합,분산하여 발열부(100)를 성형하는 제1공정(10)과; 상기 제1공정에서 혼합,분산처리되어 전기저항이 1~105Ω㎝의 범위로 하여 쉬트형상의 전극부(200)를 성형하는 제2공정(20)과; 상기 발열부(100)에 전도도가 높은 전열부(300)를 부착하는 제3공정(30)으로 이루어지는 것이다.
이러한 공정에 의해 제조된 본 발명의 면상발열체는 도면에 예시된 바와같이, 탄소나노튜브(110)가 혼합된 고분자 수지기재(120)로 성형된 발열부(100)와, 상기 발열부(100)의 표면에 넓은 면적을 지닌 전극부(200)와, 상기 발열부(100)가 외부와의 접촉에 의한 누전이 발생되는 것을 방지하기위한 절연부(300)로 구성되는 것이다.
본 발명의 제조방법에 대하여 하기 실시예에서 상세히 설명되고 있으나, 본 발명의 범주가 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
탄소나노튜브(110)는 금속촉매 및 기체의 탄화수소를 열분해하여 얻었으며, 그 길이가 수십 내지 수백㎛이며, 이의 직경은 20 ~ 50nm이다.
탄소나노튜브와 폴리에스테르가 섞여있는 복합체의 중량을 100으로 하였을때, 탄소나노튜브의 양을 0.5, 폴리에스테르를 99.5로 하여 분산,혼합하였다.
[실시예 2]
사용된 탄소나노튜브(110)는 실시예 1과 동일하다.
탄소나노튜브와 폴리에스테르가 섞여있는 복합체의 중량을 100으로 하였을때, 탄소나노튜브의 양을 1,폴리에스테르를 99로 하여 분산,혼합하였다.
[실시예 3]
사용된 탄소나노튜브(110)는 실시예 1과 동일하다.
탄소나노튜브와 폴리에스테르가 섞여있는 복합체의 중량을 100으로 하였을때, 탄소나노튜브의 양을 3, 폴리에스테르를 97로하여 분산, 혼합하였다.
[실시예 4]
사용된 탄소나노튜브(110)는 실시예 1과 동일하다.
탄소나노튜브와 폴리에스테르가 섞여있는 복합체의 중량을 100으로 하였을때, 탄소나노튜브의 양을 5, 폴리에스테르를 95로 하여 분산, 혼합하였다.
[실시예 5]
사용된 탄소나노튜브(110)는 실시예 1과 동일하다.
탄소나노튜브와 폴리에스테르가 섞여있는 복합체의 중량을 100으로 하였을때,탄소나노튜브의 양을 10, 폴리에스테르를 90으로 하여 분산, 혼합하였다.
[실시예 6]
사용된 탄소나노튜브(110)는 실시예 1과 동일하다.
탄소나노튜브와 폴리에스테르가 섞여있는 복합체의 중량을 100으로 하였을때,탄소나노튜브의 양을 20, 폴리에스테르를 80으로 하여 분산,혼합하였다.
[비교예]
상기 실시예와 비교하여 탄소나노튜브를 첨가하지않고 폴리에스테르 수지기재만을 100중량%로 하여 면상 발열체를 제조하였다.
[표 1] 실시예에 따른 전기 저항치
전기저항값(Ω㎝)
비교예 2×108이상(측정불가)
실시예1 5×105
실시예2 1×104
실시예3 2×103
실시예4 8×102
실시예5 2×102
실시예6 10
측정은 HP2000 multmeter로 2point로 하였으며, 샘플을 길이가 2cm 폭이 1cm로 하였음.
본 발명에 속한 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 이상의 내용을 바탕으로 본 발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형이 가능한 것이며, 이러한 을용 및 변형은 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면 탄소나노튜브를 이용한 면상 발열체는 기존의 발열체에 비해 상당히 소량으로도 높은 전기전도성을 나타내는 면상발열체를 얻을수있다.
또 이로인해 어떤 모양으로도 제조가 가능하며 성형이 우수하며, 또한 기계적인 물성을 저하시키지 않게되는 것이다.
또 탄소나노튜브는 다른 재료보다 열전도성이 1,800~6,000W/mk로 매우 높아 이로 이루어진 면상 발열체의 경우 탄소나노튜브의 소량첨가로 저전압 구동하에서도 우수한 열전도성을 나타내므로 경제적이며 그 공정이 간단하여 상업화가 용이하게되는 것이다.

Claims (4)

  1. 고분자 수지기재에 대한 일정한 질량비로 평균 길이가 수십 내지 수백 ㎛에 이르는 탄소나노튜브를 혼합,분산하여 발열부를 성형하는 제1공정과; 상기 제1공정에서 혼합,분산처리된 발열부의 전기저항이 1~105Ω㎝의 범위로하여 쉬트형상의 전극부를 형성하는 제2공정과; 상기 발열부에 전도도가 높은 절연부를 부착하는 제3공정으로 제조되는 탄소나노튜브를 이용한 면상발열체의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수지기재내에 첨가되는 탄소나노튜브는 단층벽,이중벽 및 다층벽으로 성형되는것을 특징으로하는 탄소나노튜브를 이용한 면상 발열체의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 고분자 수지 기재와의 혼합비율이 전체중량의 0.5% 내지 20중량%인것을 특징으로하는 탄소나노튜브를 이용한 면상 발열체의 제조방법.
  4. 탄소나노튜브가 혼합된 고분자 수지기재로 성형되는 발열부(100)와; 상기 발열부(100)의 표면에 넓은 면적을 지닌 전극부(200)와; 상기 발열부(100)가 외부와의 접촉에 의한 누전이 발생되는 것을 방지하기위한 절연부(300)로 구성된 것을 특 징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 면상발열체.
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