KR100694649B1 - 정제 탄소와 물유리를 포함하는 발열체 조성물 - Google Patents

Abstract

본원 발명으로 니크롬선을 대체하는 탄소박막의 발열체를 만드는 코팅액(탄소콜로이드용액)를 제조하여 산업의 다양한 분야에 적용할 대체 물질을 개발하여 제공하고자 하는 목적을 갖는다.

본원은 탄소박막의 농도와 두께를 조절하여 발열체의 전기저항(0.05 ~ 10 Ω/㎠)을 조절하고 석영유리판, 석영유리관, 세라믹타일, 금속판 등을 원하는 모양과 크기로 성형하여 그 내부 발열부의 일측에 본원의 탄소콜로이드용액을 코팅시켜 에 발열판을 얻고 가정용 원적외선 히터, 원적외선 조리기구, 전기 오븐, 농업용 건조기, 산업용 건조기, 산업용 전기로 등 다양한 용도로 적용이 가능하다.

또한 본원의 발열체는 원적외선 방출효과로 에너지 절감 효과를 얻을 수 있으며 탄소 박막에 전류가 흐르는 원리를 통해 전자파를 획기적으로 줄일 수 있다.

즉, 본원은 각종 고온이나 온열이 필요한 난방용, 급탕용, 건조용, 식품조리용, 기기에서 사용될 수 있는 발열물질에 있어서, 탄소분말을 물유리에 혼합시켜 콜로이드 탄소용액으로 만들고 이를 코팅하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 도전성 탄소박막 발열물질에 관한 것이다.

발열물질, 콜로이드 탄소용액, 물유리,

Description

정제 탄소와 물유리를 포함하는 발열체 조성물{The Manufacture of Pyrogen including Refined-Carbon and Liquid-Glass}

도 1 : 석영유리관에 본원의 발열물질을 코팅한 실시예.

도 2 : 건축스레트에 본원의 발열물질을 코팅한 실시예.

도 3 : 금속판에 본원의 발열물질을 코팅한 실시예.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

10 : 온도조절기 20 : 전기콘센트

100 : 석영유리 발열체 110 : 석영유리관

120 : 탄소박막 130 : 동판

140 : 전극 150 : 절연지지대

200 : 평 스레트 발열체 210 : 평 스레트

220 : 탄소박막 230 : 동판

240 : 전극 250 : 원적외선 방사체

300 : 금속판 발열체 310 : 금속철판

320 : 탄소박막 330 : 동판

340 : 전극 350 : 불소수지 절연재

본 발명은 정제 탄소와 물유리를 포함하는 발열체 조성물에 관한 것으로 본 원의 발열체 조성물은 난방용, 급탕용, 건조용, 식품조리용, 각종 온열이 필요한 기기 등에서 사용될 수 있는 발열물질에 관한 것이다.

종래의 발열체는 니크롬선이나 칸탈(Kanthal)선 등의 금속선을 전기도선 으로 코일형상으로 감아 사용한 것이거나, 이들을 금속관 혹은 석영관, 세라믹관 등에 내장한 것, 또 상기 관형 상체에 코디라이트(cordierite), 점토, 유리 혹은 산화니켈, 산화철 등의 원적외선 고복사재료를 피복한 것, 혹은 전기저항체를 세라믹소결체에 내장시킨 세라믹히터 등의 구성을 갖고 있었다.

난방용, 급탕용, 고온건조용, 식품조리용, 각종 온열이 필요한 기기에서는 상기 발열체에 의해 직접 가열하거나, 또는 발열체에 팬으로부터 강제적으로 공기를 보내서 온풍을 발생시키거나, 발열체의 뒤쪽에 반사판을 설치해서 복사가열을 행하는 등의 열전도, 대류, 복사로, 발열체에 의해 피가열물의 가열을 행하고 있다.

이와 같은 종래의 발열체에는 여러가지 문제점을 갖고 있었는바, 예를들면 전기스토브에 의해 난방할 경우 발열체는 실내의 공기를 가열하는 동시에, 실내에 감돌고 있는 담배연기나 실내의 악취 등도 함께 가열하게 되며, 일반적으로 악취물 질은 온도가 높을수록 인간의 코에는 강하게 느껴지는 법이며, 또 실내에 한번 흡착한 악취성분도 가열됨으 인해 다시 기화해서 실내분위기에 감돌게 되어 실내 공기를 더욱 혼탁하게 만드는 문제점을 갖는다.

또한 종래의 난방용, 급탕용, 고온건조용, 식품조리용, 각종 온열이 필요한 기기에서는 니크롬선이나 칸탈(Kanthal)선 등의 금속선을 전기도선 으로 코일형상으로 감아 사용한 것이어서 전기저항이 크므로 인해서 동일한 발열량을 얻기 위해 상대적으로 전기소모량을 많이 차지하는 문제점을 갖고 있었다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 니크롬선이나 칸탈(Kanthal)선 등의 금속선을 전기도선 으로 코일형상으로 감아 사용하지 않는 간단한 구성이면서 전기저항을 적게하여 궁극적으로 적은량의 전기 사용량으로 많은 발열량을 얻을 수 있는 난방용, 급탕용, 건조용, 식품조리용, 각종 온열이 필요한 기기 등에서 사용될 수 있는 발열물질을 제공하고자 하는 과제와 목적을 갖는다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본원은 도전성 탄소박막을 제공할 수 있는 탄소분말을 물유리에 혼합시켜 콜로이드탄소용액으로 만들고 이를 발열물질로 이용하여 적은량의 전기 사용량으로 많은 발열량을 얻을 수 있는 난방용, 급탕용, 건조용, 식품조리용, 각종 고온이나 온열이 필요한 기기 등에서 사용될 수 있는 발열물질을 제공하고자 하는 기술사상의 것이다.

본원에서 핵심원료로 사용하는 흑연(그래파이트)은 석묵이라고도 하며 화학성분은 C로서 이미 공지의 물질이다.

흑연은 순수한 탄소로 이루어지며 다이아몬드와 동질이상(同質異像)의 것으로 굳기 1 이하, 비중 1.9∼2.3으로 연하며 지방 모양의 감촉이 있고, 흑색으로 불투명하고 금속광택을 가지며, 전기의 양도체(良導體)이며, 도가니·전기로·아크 등의 전극 등에 사용되며, 그 산지로는 스리랑카, 마다가스카르, 북한, 멕시코의 소노라, 온타리오, 시베리아 서부 및 미국 뉴욕에서 광범위하게 채광되고 있으며, 한국에서는 옥천, 문경, 상주, 보은, 개천, 강계, 초산, 창선 등에서 생산된다.

흑연은 에드워드 G.애치슨에 의해 카버런덤(carborundum)의 고온처리 실험을 하는 도중 우연히 처음으로 합성하게 된 것으로 그는 약 4,150℃에서 카버런덤 내의 규소가 그래파이트 형태의 탄소를 남긴 채 증발하는 것을 발견했으며 1896년 애치슨은 그래파이트 제조의 특허를 인정받았고, 1897년 상업용 제품을 생산하기 시작하였다.

또한 본원에서 주재료로 사용하는 물유리는 이산화규소와 알칼리를 융해해서 얻은 규산알칼리염(鹽)을 진한 수용액으로 한 공지의 물질로, 물유리는 무색에서 백색이나 회백색에 이르는 다양한 색을 가지며 유리와 비슷하지만 물에 용해되어 시럽 상태의 액체를 형성하는 수정처럼 생긴 덩어리로서 규산나트륨, 가용유리라고도 한다.

물유리 용액은 강알칼리성을 나타내는바, 알칼리는 대체로 Na₂ 성분에 기인하는바(경우에 따라서는 K₂O), 물유리의 조성(組成)은 Na₂O ·nSiO₂(n＝2∼4) 외에 소량의 Fe₂O₃로 되어 있고, 수분은 10∼30%이다. 규사(珪砂)와 소다회(灰)의 혼합물을 1,300∼1,500℃에서 용융해서 생긴 것을 저압증기솥에서 처리하면 물유리를 얻을 수 있다.

물유리는 공기 속에서는 이산화탄소를 흡수해서 겔 모양의 규산이 석출되므로, 강한 접착력을 나타내고, 또 물유리에서 수분을 증발시키거나, 또는 물유리 무수물과 소량의 물을 가열하면 합수(合水) 물유리가 생기며 접착제·접합제·내화(耐火)시멘트 등의 원료로 이용되기도 한다.

본원에서는 흑연을 고순도로 정제하여 탄소분말을 얻고 이를 물유리에 혼합시켜 콜로이드상 탄소용액을 얻고 이를 발열체 매질로 이용하고자 하는 기술사상의 것이다.

흑연을 정제하여 탄소분말을 얻는 방법은 여러가지가 변형되어 실시될 수 있을 것이나, 본원에서 고순도의 흑연을 얻기 위한 일 실시예의 정제과정으로 실시한 방법을 상세하게 설명하여 보면 아래와 같다.

[원료 준비공정 및 실시예 1]

먼저 미국 CABOT 사의 VULCAN XC72 의 카본블랙을 선정하여 2,800도에서 5~10분간 탄화하여 1차 분쇄를 실시하였다.

1차 분쇄 된 카본블랙을 케익 상태로 만들어 분쇄 전 200도에서 2시간 열처 리하여 전동 불밑에 3시간 동안 분쇄하였는바, 이때 진동밀의 진동수는 3,000회로 하고 볼밀의 볼 조립도는 10 미리 36 ㎏, 11 미리 11 ㎏, 12 미리 36 ㎏으로 합계 83 ㎏으로 하였으며, 진동폭은 3미리로 하고 흑연은 20리터를 넣고 함께 분쇄하였으며, 분쇄한 카본블랙을 체로 쳐서 60~70마이크론 분말로 정제탄소를 얻었다.(이하 “정제탄소 제조공정”으로 기술함).

크기가 110nm 미만의 카본(도전성탄소) 분말 정제탄소를 얻었다(이하 “정제탄소 제조공정”으로 기술함).

또 하나의 공정으로 증류수 76 ㎏, 이산화규소 18 ㎏, 산화칼륨 6 ㎏ 의 비율로 혼합시켜 물유리를 제조하였다(이하 “물유리 제조공정”으로 기술함).

위 기본공정에 다양한 조성의 원료 사용량으로 실험한 결과 본원에서 목적으로 하는 발열조성물을 제공하기 위하여, 물유리 100 중량부를 기준으로 하여 정제탄소를 15~40 중량부, 수성분산제(트리폴인산소다)를 0.3 ~ 1.0 중량부, 실리콘계 소포제를 0.2 ~ 1.0 중량부 비율로 섞어서 진동밑에 12 ~ 24시간 분쇄하여 크기가 100 ~ 150 nm 의 콜로이드 탄소 용액을 얻을 수 있었다.(이하 “탄소콜로이드 용액 제조공정”으로 기술함)

상기 콜로이드 탄소 용액을 이용하여 각종 난방용, 급탕용, 건조용, 식품조리용, 각종 온열이 필요한 기기 등에 탄소 용액을 코팅시키고, 탄소의 농도와 코팅박막을 조정함으로 인하여 전기저항 범위를 조절하여 다양한 용도에 적응시킬 수 있음을 아래의 실시예 2, 3으로 확인하였다.

[원료 사용공정 및 실시예 2]

상기에서 얻은 콜로이드 탄소 용액을 이용하여 통상적으로 200 ~ 500℃의 범위 내에서 고온 건조로에서 이용하는 발열체로의 사용가능성을 확인하고자 하였다.

도 1에 도시하고 있는 내용과 같이 석영유리관으로 내경이 20mm, 길이 200mm의 석영유리관(110) 내부에 “탄소콜로이드 용액 제조공정”에서 얻은 액을 코팅하여 탄소박막(120)을 형성하여 건조시킨 후, 그 양 끝에 0.1mm 정도의 얇은 동판(130)을 설치하고 동판 외부로 +, - 전극(140)을 갖는 접합부 외부로 절연지지대(150)를 부착하여 탄소박막 석영유리 발열체(100)를 완성하여 실험한 결과, 전기저항 150Ω, 500℃ 에서 안정적인 발열특성을 갖추고 있음을 확인할 수 있었다.

[원료 사용공정 및 실시예 3]

상기에서 얻은 콜로이드 탄소 용액을 이용하여 통상적으로 50 ~ 80℃의 범위 내에서 실내 온돌재로서 이용할수 있는 발열체(200)로의 사용가능성을 확인하고자 하였다.

도 2에 도시하고 있는 내용과 같이 세로 × 가로 × 높이가 900 mm ×1800 mm× 6mm 인 평스레트를 구입하여 그 중 가로 방향으로 0.3 mm 정도의 얇은 두께를 갖는 동테이프(230)를 양쭉으로 부착시키고 동테이프 사이에 “탄소콜로이드 용액 제조공정”에서 얻은 액을 부분적으로 코팅하여 탄소박막(220)을 형성하여 건조시킨 후, 양쪽 동테이프에 +, - 전극(240)각각을 연결시키고 그 상부로는 흑운모와 맥반석으로 이루어진 원적외선 방사물질(250)을 5 mm 정도의 두께로 부착하여 탄소박막이 코팅된 평스레트(200)를 완성하여 방사물질(250)상부에서 온도변화량을 측정하여 실험한 결과, 2분 이내에 50 ℃의 범위 내에서 안정적인 발열특성을 나타 내고 3분내에 80 ℃까지 이를 수 있음을 확인하고 또한 슬라이닥스를 이용하여 온도를 원하는 온도로 콘트롤할 수 있음도 확인하였다.

[원료 사용공정 및 실시예 4]

상기에서 얻은 콜로이드 탄소 용액을 이용하여 통상적으로 100 ~ 200℃의 범위 내에서 기능하는 밥통이나 식품조리용 발열체(300)로서 이용하는 사용가능성을 확인하고자 하였다.

도 3에 도시하고 있는 내용과 같이 가로 × 세로 × 높이가 300 mm× 300 mm× 2mm 인 철판(310)을 준비하고 그 상부에 절연재(350)로 불소수지를 코팅하였으며, 절연재 상부의 양 끝쪽으로 0.1mm 정도의 얇은 두께를 갖는 동판(330)을 부착시키고 동판과 동판사이에 “탄소콜로이드 용액 제조공정”에서 얻은 액을 코팅하여 탄소박막(320)을 형성하여 건조시킨 후, 양쪽 동판에 +, - 전극(340)각각을 연결시키고 그 상부에서 온도를 측정하였는바, 3분이내에 200 ℃의 온도로, 5분이내에 300℃의 온도에 이를 수 있음을 확인하고 슬라이닥스를 이용하거나, 탄소박막(320)을 형성하는 코팅액의 두께를 조절하여 원하는 온도로 콘트롤할 수 있음을 확인하고 발명을 완성하였다.

본원 발명으로 니크롬선을 대체하는 탄소박막의 발열체를 만드는 코팅액(탄소콜로이드용액)를 제조하여 산업의 다양한 분야에 적용할 대체 물질을 개발하여 제공하는 효과가 있다.

본원은 탄소박막의 농도와 두께를 조절하여 발열체의 전기저항(0.05 ~ 10 Ω/㎠)을 조절하고 석영유리판, 석영유리관, 각종 온돌이나 보온재, 금속판 등을 원하는 모양과 크기로 성형하여 그 내부 발열부의 일측에 본원의 탄소콜로이드용액을 코팅시켜 에 발열판을 얻고 가정용 원적외선 히터, 원적외선 조리기구, 전기 오븐, 농업용 건조기, 산업용 건조기, 산업용 전기로 등 다양한 용도로 적용이 가능하다.

또한 본원의 발열체는 원적외선 방출효과로 에너지 절감 효과를 얻을 수 있으며 탄소 박막에 전류가 흐르는 원리를 통해 전자파를 획기적으로 줄일 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

Claims (4)

1. 각종 고온이나 온열이 필요한 난방용, 급탕용, 건조용, 식품조리용, 기기에 코팅되어 사용될 수 있는 발열물질에 있어서,

   카본블랙을 선정하여 고온에서 탄화하여 1차 분쇄를 얻고, 1차 분쇄 된 카본블랙을 케익 상태로 만들어 분쇄 전 200도에서 2시간 열처리 후 분쇄하고 체로 쳐서 60~70마이크론 분말로 정제탄소를 얻는 단계;

   증류수와 이산화규소와 산화칼륨을 일정비율로 혼합시켜 물유리를 얻는 단계;

   물유리 100 중량부를 기준으로 하여 정제탄소를 15~40 중량부, 수성분산제를 0.3 ~ 1.0 중량부, 실리콘계 소포제를 0.2 ~ 1.0 중량부 비율로 섞어서 진동밑에 분쇄하여 콜로이드 탄소용액을 얻는 단계;

   를 통하여 제공되는 도전성 탄소박막 발열물질.
2. 석영유리관 내부에 제1항의 도전성 탄소박막 발열물질을 코팅하여 이루어진 탄소박막 석영유리 발열체.
3. 평판 스레트로 이루어진 소재 내부에 제1항의 도전성 탄소박막 발열물질을 코팅하여 이루어진 탄소박막 평판 스레트 발열체.
4. 금속재로 이루어진 소재 내부에 제1항의 도전성 탄소박막 발열물질을 코팅하여 이루어진 탄소박막 금속재 발열체.

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