KR100756053B1 - 면상 발열체용 탄소섬유의 제조법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 팬(PAN ; polyacrylonitrile)계 산화섬유(Oxy-PAN, 이하 옥시팬이라 한다.) 또는 피치(Pitch)계 산화섬유를 중온에서 탄화시켜 부분적으로 탄화된 팬(PAN)계 탄소섬유 또는 피치(Pitch)계 탄소섬유를 제조한 후 상기 탄소섬유로 이루어진 부직포 또는 직물을 제조하는 것과 상기 제조된 부분탄화 탄소섬유 또는 부분탄화 탄소섬유로 이루어진 부직포 또는 직물 위에 금속전극을 양 말단에 설치한 후, 절연재를 상기 부직포 또는 직물의 상하에 적층하여 열 압착시켜 제조된 면상발열체 및 제조방법에 관한 것이다.
면상발열체, 옥시팬, 부분 탄화, 탄소섬유

Description

면상 발열체용 탄소섬유의 제조법{Manufacturing method of carbon fiber for sheet heater}
도 1은 본 발명의 실시예 7, 실시예 8 및 실시예 9에서의 발열온도를 측정하여 비교한 그래프이다.
본 발명은 팬(PAN ; polyacrylonitrile)계 산화섬유(Oxy-PAN, 이하 ‘옥시팬’이라 한다.) 또는 피치(Pitch)계 산화섬유를 중온에서 탄화시켜 부분적으로 탄화된 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유 또는 부분탄화 피치(Pitch)계 탄소섬유를 제조한 후 상기 제조된 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유로 이루어진 부직포 또는 직물을 제조하는 것과 상기 제조된 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유 또는 상기 제조된 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유로 이루어진 부직포 또는 직물을 사용하여 제조된 면상발열체 및 제조방법에 관한 것이다.
또한 본 발명은 상기 제조된 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유 및 상기 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유로 이루어진 부직포 또는 직물의 양 말단에 금속전극을 설치한 후, 절연재를 상하로 적층하여 열 압착시켜 제조된 면상발열체 및 제조방법 에 관한 것이다.
기존의 면상 발열체의 제조방법은 대부분 탄소섬유를 이용하는 것으로, 이 제조방법은 탄소섬유를 균일하게 도포시킬 수 없는 문제가 있어 최종적으로 제조된 면상발열체의 온도분포편차가 크다는 문제점을 가지고 있다. 또한, 탄소섬유는 매우 고가이므로 제조원가를 상승시키는 주요원인으로 작용하고, 핫 프레스(hot press) 성형시 압력에 의하여 카본섬유가 이동되거나 뒤틀리는 문제점이 빈번하게 발생하여 온도편차를 유발시키는 문제점을 가지고 있으며, 또한 상기와 같이 전기를 통하는 기존의 탄소섬유는 깨지거나 부러지는 성질을 가지고 있으므로 적용분야에 제한되는 문제점을 가지고 있었다.
다른 제조방법으로 일반 열가소성 고분자를 바인더(binder)로 하여 카본분말과 혼합하여 전도성잉크를 제조하는 것으로, 널리 사용되지는 않지만, 발열지에 도포하는 방식이 실크스크린 인쇄방식이므로 코팅면적에 한계가 있고, 누르는 힘에 의해 코팅되는 방식이므로 힘과 스퀴지의 날 각도를 항상 일정하게 해주지 않으면 코팅두께가 달라지는 문제점을 가져 온도편차가 심해지는 원인이 되었다.
또 다른 제조 방법으로는 유기계 바인더를 이용하는 것으로, 이는 내열성이 취약하여 내구성이 떨어지므로 화재 시 위험 요소로 작용하는 문제가 발생하였다.
본 발명의 목적은 팬(PAN)계 또는 피치(Pitch)계 탄소섬유를 중온에서 탄화시켜 부분적으로 탄화된 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유 또는 상기 제조된 면상발 열체용 부분탄화 탄소섬유로 이루어진 부직포 또는 직물로 제조된 면상 발열체 및 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 팬(PAN)계 산화섬유 또는 피치(Pitch)계 산화섬유를 불활성 분위기에서 700 내지 900℃로 초기중량대비 55 내지 65%의 수율로 수득되기 위해 중온탄화시켜 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유의 제조방법 및 상기 제조된 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유를 함유한 면상발열체에 관한 것이다.
본 발명에 사용되는 탄소섬유 원료로는 단섬유 또는 장섬유 형태의 팬( PAN ; Polyacrylonitrile)계 산화섬유(Oxy-PAN, 이하 옥시팬이라 한다.) 와 피치(Pitch)계 산화섬유를 사용한다. 상기 팬(PAN)계 산화섬유 또는 피치(Pitch)계 산화섬유는 탄화시 용융 또는 변형되는 것을 방지하며 강도를 증가시키기 위해 안정화공정을 거친 산화섬유이고, 이를 원료로 하여 제조된 탄소섬유는 우수한 기계적 성질과 도전성, 내열성, 화학적 안정성 및 윤활성을 나타내 여러 용도에 폭넓게 이용되는 복합재료의 강화섬유로서 경량, 고강도 및 고강성 등의 특징을 가져 여러 용도로 사용되고 있다.
상기의 팬(PAN)계 산화섬유 또는 피치(Pitch)계 산화섬유를 불활성 분위기에서 700 내지 900℃로 초기중량대비 55 내지 65%의 수율로 수득하기 위해 중온탄화시켜 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유 또는 부분탄화 피치(Pitch)계 탄소섬유를 수득 하며, 상기 수득된 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유 또는 부분탄화 피치(Pitch)계 탄소섬유를 이하 ‘면상발열체용 부분탄화 탄소섬유’라 한다. 상기 중온탄화공정은 1 내지 3℃/min의 승온속도로 열처리되어 진다.
본 발명에 따른 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유를 제조하는 중온탄화 공정의 열처리 온도를 조절함으로서 AC전압 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유와 DC전압 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유를 제조할 수 있다.
상기 중온탄화 공정의 열처리 온도를 700 내지 800℃로 초기중량대비 60 내지 65%의 수율로 수득하기 위해 중온탄화시켜 AC전압 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유가 제조되고, 상기 중온탄화 공정의 열처리 온도를 800 내지 900℃로 초기중량대비 55 내지 60%의 수율로 수득하기 위해 중온탄화시켜 DC전압 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유가 제조된다.
상기의 중온탄화 공정을 거친 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유 및 상기 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유로 이루어진 직물 또는 부직포의 저항을 저항측정기(휴렛팩커드, HP34401A)를 사용하여 측정하였고, 일정 지점을 설정한 후 적외선 온도측정기(일본 SATO, SK-8700II)로 발열온도를 측정하였다.
상기 700 내지 800℃로 초기중량대비 60 내지 65%의 수율로 수득하기 위해 중온탄화시킨 AC전압 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유 및 상기 AC전압 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유로 이루어진 직물 또는 부직포는 30 내지 1000Ω/㎡의 저항값을 가지며, AC220V의 전압을 인가할 시 100 내지 1000(watt/㎡)의 소비전력을 나타내며, 30 내지 120℃의 발열온도를 나타냈고, 상기 800 내지 900℃로 초기중량대비 55 내지 60%의 수율로 수득하기 위해 중온탄화시킨 DC전압 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유 및 상기 DC전압 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유로 이루어진 직물 또는 부직포는 5 내지 25Ω/㎡의 저항값을 가지며, 50 내지 120℃의 발열온도를 나타냈다.
상기 중온탄화 공정의 열처리 온도는 700 내지 900℃의 중온으로 일반적인 탄소섬유의 탄화온도 1000 내지 1500℃보다 낮은 중온이다. 일반 탄화온도로 열처리 하였을 경우 완전히 탄화된 탄소섬유는 깨지기 쉬운 성질을 나타내며 발열체로서 사용하기에 저항값이 낮아 사용에 제한적이었으며, 일반 PAN계 산화섬유(옥시팬)의 경우에는 함유되어 있는 질소, 수소와 산소의 함유량이 40% 이상으로 전기를 통하기 어려웠으나, 본 발명에 따른 중온탄화 공정을 거친 상기의 부분탄화 탄소섬유는 산화과정간 도입된 서로 다른 관능기들이 중온탄화 공정을 통하여 결합 해리 에너지에 따라 다른온도에서 해리되면서 탄소간의 축합 및 중합반응이 발생하여 탄소성분의 비율이 상대적으로 증가되어 전기를 잘 통하게 되며, 깨지거나 부러지는 성질이 약해져 여러 분야에 대한 도전성 섬유로 사용될 수 있다.
상기 중온탄화 공정을 거쳐 제조된 면상 발열체용 부분탄화 탄소섬유는 단섬유 또는 장섬유로 이루어져 있거나 상기 단섬유 또는 장섬유로부터 제조된 부직포 또는 직물로 이루어져 있다.
상기 단섬유 또는 장섬유로 이루어진 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유는 꼬임을 가해 실로 변환시킨 후 부직포나 직물로 제조되거나 일반 팬(PAN)계 탄소섬유 또는 피치(Pitch)계 탄소섬유를 부직포 또는 직물로 제조한 후 상기와 같은 중온탄 화 공정을 거칠 수도 있다.
상기 단섬유 또는 장섬유의 부분탄화 탄소섬유를 사용하여 제조된 부직포는 상기 단섬유 또는 장섬유의 부분탄화 탄소섬유와 내화섬유를 혼합하여 카딩기로 한 가닥씩 분리하여 평행이 되게 한 후 이것을 모아서 슬라이버(sliver)로 만들어, 상기 슬라이버를 1방향의 부직포 형태로 배열 한 후 열접착하여 제조되고, 상기 단섬유 또는 장섬유의 부분탄화 탄소섬유를 사용하여 제조된 직물은 부분탄화 탄소섬유와 내화섬유를 혼합하여 카딩기로 한 가닥씩 분리하여 가지런히 평행이 되게 한 후 이것을 모아서 슬라이버(sliver)로 만들어, 상기 슬라이버에 꼬임을 주어 실을 방적하여 직조함으로서 제조된다.
또한 단섬유 또는 장섬유로 이루어진 상기의 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유 또는 상기 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유로 제조된 부직포 또는 직물은 사용 시 마모되면서 산화될 수 있기 때문에 상기 단섬유 또는 장섬유로 이루어진 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유 및 상기 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유로 제조된 부직포 또는 직물의 표면을 효과적으로 보호하며, 상기 부직포와 직물로 제조된 면상발열체의 제품보호 및 감전을 막으면서 전기적인 절연과 방수가 이루어지도록 상기 단섬유 또는 장섬유로 이루어진 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유 및 상기 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유로 제조된 부직포 또는 직물의 표면을 코팅재를 사용하여 절연코팅한다.
상기 코팅재로는 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리스티렌, 폴리아미드, 폴리 카보네이트, 폴리우레탄, 아크릴, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)에서 선택되는 1종 이상을 사용하며 폴리에틸렌 테레프탈레이트로 코팅할 시 표면이 단단해지나, 유연성을 보강하기 위해서는 폴리우레탄을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 면상발열체는 중온탄화공정을 거쳐 제조된 상기 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유 및 상기 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유로 제조된 부직포 또는 직물의 양 말단에 전극부를 평행하게 설치한 후, 절연재를 상하로 2, 4 및 6장씩 적층하여 열 압착시켜 제조되며, 상기 제조된 면상발열체의 전극부를 통해 전압을 걸어주면 열이 발생하게 된다.
그러나 발열체의 특성상 전압의 온오프(on/off) 반복 시, 구조적으로 전극과 접하고 있는 부분의 탄소들이 스트레스를 더 많이 받아, 전극과 접하고 있는 부분에 열화, 단락, 아크가 심하게 발생하여 저항이 상승되는 문제점이 있다.
상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 은, 구리, 알루미늄으로부터 선택되어지는 전도성이 높은 분말을 페이스트 형태로 전극부와 부분탄화 탄소섬유 및 부분탄화 탄소섬유로 이루어진 부직포 또는 직물과의 접촉부에 인쇄하여 줌으로서 아크 발생 및 탄소 열화를 방지할 수 있다.
전극부는 부분탄화 탄소섬유 및 부분탄화 탄소섬유로 이루어진 부직포 또는 직물의 탄소발열체의 양 말단에 위치하며, 전기전도도가 우수하고 저항이 적으면서 유연하고 강도가 크고 경제적인 구리테이프(폭 10mm)를 상기 부분탄화 탄소섬유 및 부분탄화 탄소섬유로 이루어진 부직포 또는 직물에 붙여 전극 처리를 한다.
또한 구리, 니켈, 스텐레스 등의 금속사를 사용하여, 부분탄화 탄소섬유와 함께 직조하여 전극부를 제조할 수 있으며, 부분탄화 탄소섬유와 금속섬유가 단면적이 넓은 상태로 접합되기 때문에 금속완충층이 존재할 필요가 없다.
상기 절연재로는 에폭시 함침 유리섬유(prepreg)((주)DooSan electromaterials사의 "GLASS EPOXY LAMINATE")를 사용하며, 구리전극이 양 말단에 설치되어있는 상기의 부분탄화 탄소섬유 또는 부분탄화 탄소섬유로 이루어진 부직포 또는 직물보다 여유있게 재단한 후 구리전극이 양 말단에 설치되어있는 상기의 부분탄화 탄소섬유 또는 부분탄화 탄소섬유로 이루어진 부직포 또는 직물의 상하로 원하는 두께에 따라 2장, 4장, 6장 등 여러 장을 적층하여 핫 프레스(hot press)로 2시간에 걸쳐 3 내지 8 Kg/㎡의 압력과 상온에서 180℃까지의 온도로 서서히 상승시켜 열 압착한 후 급냉하여 면상 발열체를 제조한다.
[제조예 1] AC 전압 면상발열체용 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유
질소 분위기의 전기 탄화로에서 7cm 길이의 산화된 폴리아크릴로니트릴(Oxy-PAN) 섬유(일본 Teijin 주식회사) 1250 g을 500 ℃에서 30 분 동안 열처리 한 후 800 ℃에서 1시간 동안 중온 탄화시켜 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유 800 g을 얻었다.
얻어진 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유 1cm에 실버페이스트를 칠한 후 실버페이스트 전극위에서 저항측정기(휴렛팩커드, HP34401A)로 저항을 측정하였고, 전압 을 220V로 고정하여 소비전력을 측정하였으며, 일정 지점을 설정한 후 적외선 온도측정기(일본 SATO, SK-8700II)로 발열온도를 측정하였다. 상기 제조된 부분탄화 PAN계 탄소섬유는 0.8 ㏀/㎡의 저항과 850 (watt/㎡)의 소비전력을 나타내며 75 ℃의 발열온도를 나타냈다.
[제조예 2] AC 전압 면상발열체용 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유로 이루어진 부직포의 제조
상기 제조예 1에서 제조된 7cm 길이의 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유 500g과 내화섬유(Low Melting 섬유)인 아라미드 섬유 500g을 혼합기에서 혼합하여 카딩기로 한 가닥씩 분리하여 가지런히 평행이 되게 한 후 이것을 모아서 슬라이버(sliver)로 만들었으며, 상기 슬라이버를 1방향의 부직포 형태로 배열 한 후 150℃로 열접착하여 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유로 이루어진 부직포를 제조하였다. 상기 제조된 부직포는 폭 1000mm, 길이 60m, 두께 40 gsm, 중량 55g/㎡의 부직포 롤 형태(Roll type)으로 제조되었고, 220V의 전압을 가하였을 때 120Ω의 저항이 측정되었고 80℃의 발열온도를 나타냈다.
[제조예 3] AC 전압 면상발열체용 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유로 이루어진 직물의 제조
상기 제조예 1에서 제조된 7cm 길이의 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유 500g과 내화섬유(Low Melting 섬유)인 아라미드 섬유 500g을 혼합기에서 혼합하여 카딩기 로 한 가닥씩 분리하여 가지런히 평행이 되게 한 후 이것을 모아서 슬라이버(sliver)로 만들었으며, 상기 슬라이버에 꼬임을 주어 30수의 얇은 실을 방적하여 직조하여 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유로 이루어진 직물을 제조하였다. 상기 제조된 직물은 폭 350mm, 길이 1000mm, 중량 450g/㎡의 직물 롤 형태(Roll type)로, 220V의 전압을 가하였을 때 500(Watt/㎡)의 소비전력을 나타내며 90Ω의 저항이 측정되었고 70℃의 발열온도를 나타냈다.
[제조예 4-5] AC 전압 면상발열체용 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유로 이루어진 부직포 또는 직물의 코팅
상기 제조예 3과 4에서 제조된 부직포 또는 직물(크기 40cm x 30cm)의 상하를 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름(크기 42cm x 31cm)으로 핫 프레스를 사용하여 3Kg/㎡의 압력으로 상온에서 100℃까지 2시간에 걸쳐 서서히 상승시켜 열 접착하여 상기 부직포 또는 직물의 표면을 코팅하였다.
[제조예 6] AC 전압 면상발열체용 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유로 이루어진 부직포형태의 면상발열체의 제조
상기 제조된 AC 전압 면상발열체용 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유로 이루어진 부직포(0.6m x 0.8 m, 60gsm)의 양 말단에 실버페이스트를 인쇄한 후, 실버페이스트가 인쇄된 위로 구리테이프(폭 10mm)을 평행하게 부착하고 에폭시 함침 유리섬유(prepreg)((주)DooSan electromaterials사의 "GLASS EPOXY LAMINATE")를 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유로 이루어진 부직포보다 여유있게 0.8m x 1.0m로 재단하여 상기 부직포의 상하에 2 장씩 적층시키고 핫 프레스로 5Kg/㎡의 압력을 가하면서 상온에서 180℃까지 2시간에 걸쳐 서서히 상승시켜 열 압착 시킨 후, 급냉하여 부직포형태의 면상발열체를 제조하였으며, 제조된 부직포 형태의 면상발열체는 220V 전압을 걸어주었을 때 16Ω의 저항을 나타냈다.
[실시예 1] 탄화 온도에 따른 면상발열체용 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유로 이루어진 부직포형 및 직물형의 저항 측정
50mm x 100 mm의 크기의 옥시팬 섬유(Asahisansangyo Co.,Ltd)를 질소가스를 이용한 불활성 분위기를 형성시킨 배치(batch)형 전기 탄화로에서 500℃에서 30분간 유지시킨 후, 2℃/min의 승온 속도로 온도를 올려 부분탄화시킨 후 800℃에서 2시간동안 유지시켰으며 최종 온도에서 1시간동안 유지시켜 부분탄화된 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유을 제조하였다. 상기 온도에 따라 제조된 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유를 사용하여 상기 제조예 2-3의 방법으로 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유로 이루어진 부직포 및 직물을 제조한 후 저항을 측정하여 하기 표 1에 나타냈다. 저항 값의 측정은 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유로 이루어진 부직포 및 직물을 각각 30mm x 50mm의 크기로 제작한 후 포인트거리를 50mm로 하여 저항측정기(휴렛팩커드, HP34401A)로 측정하였다.
[표 1]
Figure 112005076796868-pat00001
팬(PAN)계 탄소섬유를 동일하게 3회씩 탄화를 시켜 각각 부직포 형과 직물 형을 제조하여 각각의 저항을 측정하였다. 상기 표 1에 나타난 바와 같이 향후 면상발열체로 제조하였을 때 700℃로 부분탄화된 팬(PAN)계 탄소섬유로 이루어진 부직포와 직물형의 경우에는 저항 값이 매우 높아 흐르는 전류의 양이 감소하여 발열도 감소하게 되나, 900℃로 부분 탄화된 팬(PAN)계 탄소섬유로 이루어진 부직포와 직물형의 경우에는 저항 값이 매우 낮아 흐르는 전류의 양이 증가되어 발열이 증가되었다. 그러나 너무 많은 발열은 기기에 무리를 주어 기기가 타버릴 수 있다. 상기 표 1로부터 알 수 있듯이 저항 값이 급격하게 감소되는 700 내지 800℃로 부분탄화된 PAN계 탄소섬유로 이루어진 부직포와 직물형의 경우가 면상발열체로서 가장 적절한 저항 값을 가지고 있음을 알 수 있다.
또한 상기 표 1로부터 부직포 형의 저항이 직물 형에 비하여 1.5 내지 4.5배 높게 나타났으며, 이는 부직포 형의 섬유길이가 직물 형에 비해 짧고 결합정도가 낮기 때문이다.
[실시예 2] 다양한 탄화온도로 탄화된 면상발열체용 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유로 이루어진 직물 형의 저항 측정
옥시팬 섬유를 600 내지 900℃의 다양한 온도로 동일하게 3회씩 탄화하여 면상발열체용 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유를 제조하여 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유로 이루어진 직물형의 저항을 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 측정하여 하기 표 2에 나타냈다. 또한 하기 표 2에는 탄화 전의 옥시팬 섬유의 무게와 탄화 후의 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유의 무게를 나타냈으며, 수율을 비교하였다.
[표 2]
Figure 112005076796868-pat00002
상기 표 2로부터 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유로 이루어진 직물형의 경우 옥시팬 섬유를 750 내지 770 ℃에서 탄화시켜 제조한 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유로 이루어진 직물을 이용하는 것이 면상발열체로서 적절한 저항인 275 내지 123Ω을 가지는 것을 알 수 있었다. 상기 표 2로부터 탄화 전 후의 무게 차이가 나타남을 알 수 있으며, 이는 옥시팬 섬유 내부에는 탄소이외에 수소, 산소 및 질소가 함유되어 있는데 상기와 같이 700 내지 900℃로 열처리를 하여 부분탄화 시킴으로서 탈수소화반응이 일어나 초기중량대비 35 내지 45%가 대기 중으로 방출되어 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유는 일반 탄소 섬유보다 상대적으로 많은 탄소함유량을 가지게 되었다. 또한 중온탄화 공정을 거침으로서 55 내지 65%의 수율을 가지는 것이 향후 면상발열체로 제작할 때 가장 적당한 저항값을 가지는 것을 알 수 있었으며, 55% 이하의 수율을 가지는 것은 저항이 너무 작아 높은 발열온도를 나타내는 문제점을 가지고 있으므로 면상발열체로 제작될 수 없다.
[실시예 3-6] DC전압 면상발열체용 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유로 이루어진 부직포와 직물의 저항과 발열온도 측정
DC전압 면상발열체를 제조하기 위하여 하기 표 3에 나타낸 800 내지 900℃의 탄화온도로 부분탄화된 팬(PAN)계 탄소섬유로 이루어진 부직포와 직물형의 저항값과 발열온도를 측정하여 하기 표 3에 나타냈다. DC 12V의 전압을 사용하였으며, 저항은 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유로 이루어진 부직포와 직물을 30mm x 50mm의 크기로 제작한 후 포인트거리를 50mm로 하여 저항측정기(휴렛팩커드, HP34401A)로 측정하였으며, 발열온도는 발열면적을 32등분하여 측정된 값의 평균값으로 온도편차는 ± 5℃ 이내였다.
[표 3]
Figure 112005076796868-pat00003
상기 표 3으로부터 알 수 있듯이 옥시팬 섬유를 탄화시키는 온도에 따라 부분탄화된 팬(PAN)계 탄소섬유를 이용하여 DC 전압 면상발열체용 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유로 이루어진 부직포 또는 직물을 제조할 수 있었다. 또한 탄화온도에 따라 5 내지 25Ω의 저항과 50 내지 120℃의 발열온도를 나타내므로, 상기 탄화온도를 조절함으로써 발열온도를 목적에 맞게 조절할 수 있음을 알 수 있었다.
[실시예 7-9] 전압에 따른 면상발열체의 발열온도
상기 제조예 6의 면상발열체를 30cm x 40cm 크기로 잘라 AC 20 내지 50V로 전압을 변화시키면서 10분동안 1분간격으로 15 포인트에 적외선 온도측정기(일본 SATO, SK-8700II)로 발열온도를 측정하여 그 평균값을 하기 표 4에 나타냈고 도 1에 그래프로 비교하였다.
[표 4]
Figure 112005076796868-pat00004
상기 표4와 도 1에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 면상발열체는 각 전압별로 최고 발열온도까지의 승온시간은 3 내지 6분으로 빠르며, 최고 발열온도는 실시예 7에서 20V의 전압을 인가하였을 시 32℃, 실시예 8에서 40V의 전압을 인가하였을 시 58℃, 실시예 9에서 50V의 전압을 인가하였을 시 73℃로 측정되었다.
따라서 상기 표 4로부터 본 발명에 따른 면상발열체의 전압을 변화시켜줌으로서 발열온도를 목적에 맞게 조절할 수 있으며 단 시간 내에 최고 발열온도가 되며 시간이 지난 후에도 발열온도가 그대로 유지되는 것을 알 수 있었다.
본 발명에 따라 제조된 부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유와 부분탄화 피치 (Pitch)계 탄소섬유 및 부분탄화 PAN(팬)계 탄소섬유로 이루어진 부직포 또는 직물 및 부분탄화 피치(Pitch)계 탄소섬유로 이루어진 부직포 또는 직물을 포함하는 면상 발열체는 면 발열을 함으로서 에너지를 절약하며, 탄소소재를 사용함으로서 전자파가 발생하지 않으며, 전압을 변화시켜줌으로서 발열온도를 목적에 맞게 조절할 수 있고, 원하는 온도까지의 상승시간이 5분 이내로 짧으며 무게가 가벼우며, 부분 손상이 발생하더라도 전체적인 발열에는 지장이 없고 제조 시 설정되어 있는 온도 이상으로는 온도가 상승하지 않아 화재 발생 위험이 없다. 또한 냄새, 소음, 연기가 없는 청정난방이 가능하며 휴대가 편리하고 유연성이 좋아 발열조끼, 방한화, 발열매트 등의 발열소재로 이용할 수 있다.

Claims (14)

  1. 팬(PAN)계 탄소섬유 또는 피치(Pitch)계 탄소섬유를 불활성 분위기에서 700 내지 900℃로 중온탄화시켜 초기중량대비 55 내지 65%의 수율로 수득하는 것을 특징으로 하는 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    팬(PAN)계 탄소섬유 또는 피치(Pitch)계 탄소섬유를 불활성 분위기에서 700 내지 800℃로 중온탄화시켜 초기중량대비 60 내지 65%의 수율로 수득하는 것을 특징으로 하는 AC전압 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유의 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    팬(PAN)계 탄소섬유 또는 피치(Pitch)계 탄소섬유를 불활성 분위기에서 800 내지 900℃로 중온탄화시켜 초기중량대비 55 내지 60%의 수율로 수득하는 것을 특징으로 하는 DC전압 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유의 제조방법.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 팬(PAN)계 탄소섬유 및 피치(Pitch)계 탄소섬유는 단섬유 또는 장섬유 형태이거나 상기 단섬유 또는 장섬유로부터 제조되는 부직포 또는 직물인 것을 특징으로 하는 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유의 제조방법.
  5. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    1 내지 3℃/min 의 승온 속도를 유지하는 것을 특징으로 하는 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유의 제조방법.
  6. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    팬(PAN)계 탄소섬유 및 피치(Pitch)계 탄소섬유의 단섬유 또는 장섬유를 중온탄화 후 내화섬유와 혼합되어 직물 또는 부직포로 제조한 후 코팅재로 코팅하는 것을 특징으로 하는 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 코팅재는 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리스티렌, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 아크릴, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 면상발열체용 부분탄화 탄소섬유의 제조방법.
  8. 제 2항 또는 제 3항의 어느 한 항에 따른 제조방법에 의하여 제조된 팬(PAN)계 탄소섬유 및 피치(Pitch)계 탄소섬유의 부분탄화 섬유 및 부직포 또는 직물을 함유하는 면상발열체.
  9. 제 8항에 있어서,
    0.2 내지 1.0㏀/㎡로 조절이 가능한 저항과 40 내지 120℃의 발열온도를 특징으로 하는 면상발열체.
  10. 제 8항에 있어서,
    부분탄화 팬(PAN)계 탄소섬유 및 피치(Pitch)계 탄소섬유의 단섬유 또는 장섬유와 내화섬유를 혼합하여 부직포 또는 직물로 제조한 것을 특징으로 하는 면상발열체.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 부직포 또는 직물의 양 말단에 금속 페이스트를 인쇄한 후 전극부를 형성한 후 절연재를 상하에 적층시켜 핫 프레스(hot press)로 열압착 시키는 것을 특징으로 하는 면상발열체.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 금속 페이스트는 은, 구리 또는 알루미늄으로부터 선택되는 전도성 분말인 것을 특징으로 하는 면상발열체.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 전극부는 구리테이프를 상기 부직포 또는 직물에 부착시키거나 구리, 니켈 및 스텐레스로부터 선택되는 금속사와 부분탄화 탄소섬유로 직조하여 제조되는 것을 특징으로 하는 면상발열체.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 절연재는 에폭시 함침 유리섬유인 것을 특징으로 하는 면상발열체.
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