KR100907802B1 - 탄소필라멘트를 이용한 발열체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소필라멘트 섬유를 이용한 발열체와 이를 사용한 매트, 이불, 방석등의 생활용품에 관한 것이다. 종래에는 전기요, 전기매트를 제작할때 니크롬선과 같은 금속선을 사용하였는데 금속선은 전력소모가 클 뿐 아니라 전자기파를 발생하는단점이 있었다. 본 발명은 금속선대신에 탄소필라멘트 섬유를 이용하되 발열에 적합한 탄소필라멘트 섬유를 제조하였으며 탄소필라멘트 섬유의 피복에 친환경소재를 넣음으로써 발열체의 발열 뿐 아니라 원적외선, 음이온이 방출될 수 있도록 하였다.

Description

탄소필라멘트를 이용한 발열체{CARBON HEATING ELEMENT AND METHOD OF PRODUCING THEREOF}

본 발명은 탄소섬유를 이용한 발열체에 관한 것이다.

본 발명은 탄소섬유를 이용하여 전자파가 없고 원적외선과 음이온을 방출하고 탈취효과를 주는 열선을 제공하는 것에 관한 것이다.

열선으로 사용되는 발열체는 선형으로 형성된 것으로서 얇은 면상의 전도성 발열체위에 금속 전극을 양끝에 설치한 후 절연처리하여 면전체에서 발열하게 되는 면상발열체와 대비된다. 발열체는 전기에너지를 열에너지로 바꾸어 그 열을 외부로 복사하여 에너지를 전달하는 물체로서 가전제품, 산업분야 일반에 걸쳐 널리 이용되고 있다.

종래에는 전기요, 전기방석에 사용되는 열선은 구리선, 니크롬선등을 사용하였다. 그런데 이러한 구리선, 니크롬선은 많은 열을 발생시키지만 열효율이 좋지않아 전기료가 많이 상승할 뿐 아니라 전기요 등에 사용되었을 때 전기요를 잘 못 접게 되거나 여러 번 접었다 폈다 하게 될 경우에 열선이 마모되어 끊어 지게 되는 경우가 발생할 수 있으며 누전이 되어 화재가 발생하는 경우도 있었다.

또한 니크롬선은 발열선의 어느 한 부분이라도 끊어지면 전기가 통하지 않게 되고 사용함에 따라 산화반응에 의해 니크롬선이 가늘어지게 되어 온도제어가 어렵게 되는 단점이 있었다. 또한 니크롬선은 전자파를 방출하게 되는데 전자파는 생체에서 열작용, 비열작용, 자극작용으로 피해를 준다. 열작용이란 조직세포의 온도를 순식간에 비정상적으로 상승시켜 기능이상을 일으키거나 파괴하는 것이며 비열작용이란 세포 내 대사와 관련된 이온물질에 이상을 일으키고 종양세포의 억제를 하게 되는 멜라토닌의 분비이상을 초래하여 심하면 각종암을 발생하게 하는 것을 의미한다. 그런데 현재 많이 사용되는 전기담요, 전기장판등은 금속선을 많이 사용하기 때문에 이러한 전자파의 영향에서 자유로울 수가 없다.

상기한 바와 같은 단점을 개선하기 위하여 안출된 것으로서 전기요에 사용하였을때 접어놔도 기능에 아무런 이상이 없을 뿐 아니라 전력효율이 우수하며 원적외선, 음이온을 방출하여 건강에 좋은 발열체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 탄소필라멘트를 이용한 발열체를 제조하는 방법을 제공하는데,

폴리아크릴로니트릴, 피치, 이들이 혼합물로부터 선택되는 발열체원료에 고전압을 가하여 분사시켜 나노필라멘트형태로 만드는 방사단계와;

상기 방사단계 이후에 상기 발열체 원료를 공기하에서 섭씨 200도내지 섭씨 300도의 온도에서 가열하여 상기 발열체원료를 사다리형 고분자 구조로 만드는 안정화단계와;

상기 안정화단계 이후에 불활성 분위기에서 섭씨 1200도내지 2500도의 온도로 30분내지 90분간 가열하는 탄화단계와

상기 탄화단계이후에 섭씨 2500도내지 3500도의 온도로 60분내지 70분간 가열하는 흑연화단계;를 포함할 수 있다.

상기 흑연화단계를 거친 발열체원료에 피복을 입히는 피복단계로서, 피복원료 100중량부에 대하여 숯가루 분말 5내지 15중량부를 혼합하여 압출시킴으로서 만들어진 피복을 입히는 것일 수 있다.

게르마늄, 황토, 토르말린, 피톤치트 중 어느 하나 이상의 물질이 상기 피복원료 100중량부에 대하여 1내지 5중량부 더 혼합되는 것일 수 있다.

상기 안정화단계 사이에 상기 발열체원료를 롤러사이에 통과시켜 가늘고 곧게 펴주는 연신과정을 더 포함하는 것일 수 있다.

또한, 탄소필라멘트 발열체로서, 상기 발열체는 복수개의 탄소섬유가닥으로 형성된 발열부와상기 발열부를 감싸는 피복으로서, 상기 피복에는 숯가루, 게르마늄, 황토, 토르말린, 피톤치트 중 어느 하나 이상이 포함되는 것일 수 있다.

상기한 바와 같은 구성에 의하여 적외선, 음이온이 방출되면서도 열효율이 좋고 접거나 펴도 마모가 적은 발열체를 제공하는 효과를 갖는다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 도1은 본 발명에 따른 발열체를 제조하는 방법을 도시하는 순서도이다. 본 발명에 따른 탄소섬유를 이용한 발열체는 발열을 일으키는 탄소섬유 부분과 피복부분으로 크게 나뉘어진다.

탄소섬유는 원료가 되는 폴리아크릴로니트릴(PAN)과 피치 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 원료를 고전압을 가하여 분사시켜 나노필라멘트 형태로 만들어주는 방사단계를 거치게 된다.

상기 원료를 섭씨 200 내지 300도의 온도로 공기하에서 가열하게 되는 안정화단계를 거치게 된다. 이때 PAN의 선형고분자구조가 사다리형 고분자 구조로 변하 게 된다. 이때 연신(延伸)과정을 거치도록 하는데 롤러사이에 PAN 출발물질을 통과시키도록 하여 가늘고 곧게 펴주게 된다. 안정화 공정 동안에 H2O,CO2,HCN등이 방출되어 중량손실이 발생하게 되어 탄소함량이 줄어들게 된다.

안정화 단계 이후에는 탄화공정을 거치게 되는데 고순도의 질소로 차있는 불활성 분위기에서 섭씨 1200도 내지 2500도의 온도로 30에서 90분간 가열하여 나노 탄화섬유를 얻게 된다. 원료물질을 섭씨 200도까지 가열하게 되면 트리구조의 분자가 고리구조를 형성하면서 까맣게 변하게 되는데 다시 더 가열하게 되면 방향족 고리구조를 가진 고분자로 변환되었다가 흑연구조를 가진 탄소필라멘트로 변하게 된다. 탄화공정을 거친 탄소섬유는 거의 탄소로만 이루어져 있으며 처음 공정시작시의 약 50%정도로 중량이 줄어들게 된다.

탄화공정 이후에는 섭씨 2500도 내지 섭씨 3500도의 온도로 다시 60내지 70분간 가열하는 흑연화공정을 거치면서 나노 탄소필라멘트를 생산하게 된다. 흑연화공정에서는 중량의 감소는 일어나지 않지만 탄소필라멘트의 섬유축 방향으로 결정배향이 증가하는 등의 구조적 변화만이 일어나 최종 탄소필라멘트의 역학적 특성이 개선된다. 이때 흑연화공정의 온도와 시간을 줄이기 위하여 붕소화합물과 같은 촉매를 사용할 수 있다.

한가닥의 발열체를 형성하기 위해서는 약 3000가닥의 탄소필라멘트를 모아서 피복으로 감싸게 된다.

이렇게 제조된 탄소섬유는 거의 반영구적인 수명을 가지게 되어 내구성이 매우 강하며 강도, 탄성이 매우 뛰어나게 된다. 또한 섭씨 500~600도에서 강도, 탄성율의 저하가 다른 강재보다 적으며 전자파의 피해는 거의 완전히 제거된다. 또한 열팽창계수가 낮아 고온에서도 팽창하지 않으며 높은 안정성을 가지며 중량또한 낮게 된다. 또한 화학적으로도 안정하여 외부물질과 반응하는 일이 적다.

상기 탄화공정에 의하여 제조된 탄소섬유에 피복을 입히게 되는데 피복은 완전절연체로 구성하는 것이 아니라 그 원료물질에 숯가루를 일정비율 섞어서 제조하게 된다.

보통의 탄소 섬유도 열을 받게 되면 원적외선이나 음이온을 방출하게 되지만 탄소섬유에서 발생하게 되는 원적외선과 음이온은 절연체로 이루어진 피복에 막혀 방사되지 못하기 때문에 실상 아무런 효과를 내지 못하게 된다. 그러나 본 발명은 피복에 숯가루를 포함시킴으로써 탄소 섬유로부터 발생되는 열에 의하여 피복이 가열되면서 피복에 내재된 숯가루에 의하여 원적외선과 음이온을 발생시키게 된다. 숯의 원료가 되는 탄소는 도전성이긴 하지만 가루 형태로 피복에 입힌것이기 때문에 숯분자와 분자사이에는 전기가 통하지 않기 때문에 외부로 누전이 일어나지는 않는다. 다만 내부의 탄소필라멘트에서 발생하는 열이 외부로 방출되면서 숯가루에서 원적외선과 음이온을 발생시키게 된다.

피복은 피복의 원료(PVC등)가 되는 유체상태의 피복재 100중량부에 대하여 숯가루 5내지 15중량부를 혼합한 뒤 압출 성형하게 된다. 숯가루가 15중량부를 넘게 되는 경우에는 탄소의 도전성 때문에 누전이 될 가능성이 있기 때문에 15중량부를 넘지않도록 한다.

또한, 누전의 가능성을 방지하고 원적외선과 음이온을 방출할 수 있도록 하기 위하여 별도의 부도체를 넣도록 할 수 있다. 즉, 게르마늄분말, 황토분말등의 원적외선 발생물질을 첨가할 수 있다. 그러나 숯가루 외에 첨가되는 기타의 부도체는 피복재 100중량부에 대하여 1내지5중량부를 넘지 않도록 한다. 숯가루 이외의 부도체가 그 이상 첨가되는 경우 피복재의 기계적인 특성에 영향을 줄 가능성이 있으며 잘 갈라지거나 깨지는 문제가 생길 수 있다.

기존의 친환경 웰빙제품으로 소개되는 제품들은 게르마늄, 황토, 숯가루등의 원적외선 방사 물질이 제품의 외부에 외장되지만 상온에서 원적외선, 음이온의 방사효과는 높은 온도일때와 비교하여 상당히 떨어진다. 그러나 본 발명에 의한 발열체는 발열체의 발열물질로 원적외선 방사물질을 사용하였을 뿐 아니라 발열체의 피복에 원적외선, 음이온 발생물질을 사용하였으며 상기 물질에의 열전달이 직접적이기 때문에 원적외선, 음이온 발생양이 단순히 외장되어 있는 경우와 비교하여 매우 뛰어나다.

이렇게 만들어진 발열체를 원단의 내부에 장착하여 전기요 등을 만들게 된다. 요의 원단으로는 코오롱 ATB-100(ANTI BACTERIA 100V)과 같은 원단이 항균에 우수하다. 항균원단으로 요,매트 등을 만듦으로써 냄새가 없도록 할 뿐 아니라 발열체로부터 발생되는 원적외선, 음이온의 영향으로 쾌적하게 사용이 가능하다. 이렇게 제조된 전기요는 두번 세번접더라도 안쪽의 탄소필라멘트가 끊어지지 않아 누전, 단선의 위험이 없으며 방수처리하는 경우 세탁까지 가능하게 된다.

2,3인용의 전기요의 경우 그 크기는 약 2000mm*1500mm 정도가 되는데 좌우분리온도조절을 한다고 하더라도 220V 전원에서 약 80와트정도의 소비전력을 보이게 된다. 이 소비전력은 기존의 전기요가 160~180와트 정도 인것에 대비한다면 약 50%이상의 전력절감효과가 있다. 특히 옥돌매트와 같은 제품은 면상발열체를 쓰는데 그 두께가 약 30mm 까지 되어 두꺼울 뿐 아니라 소비전력은 360와트에 이를 정도로 전력소모가 심하다.

또한 본 발명에 의한 것은 몇번을 접더라도 문제가 없으며 손세탁까지 가능 하지만 기존의 전기장판이나 전기담요, 옥돌매트는 손세탁이 불가능하다. 또한 기존의 전기요는 전자파가 발생하지만 본 발명에 의한 전기요는 기존 전기요의 10%미만에 불과하다. 전자파의 발생은 기존의 전기요가 니크롬선, 구리선 같은 금속발열체를 사용하지만 본 발명은 탄소필라멘트를 사용하는 것에서 차이가 발생한다.

도1은 본 발명에 따른 탄소발열체의 제조공정을 도시하는 도면

Claims (5)

1. 탄소필라멘트를 이용한 발열체를 제조하는 방법으로서,

   폴리아크릴로니트릴, 피치, 이들이 혼합물로부터 선택되는 발열체원료에 고전압을 가하여 분사시켜 나노필라멘트형태로 만드는 방사단계와;

   상기 방사단계 이후에 상기 발열체 원료를 공기하에서 섭씨 200도내지 섭씨 300도의 온도에서 가열하여 상기 발열체원료를 사다리형 고분자 구조로 만드는 안정화단계와;

   상기 안정화단계 이후에 불활성 분위기에서 섭씨 1200도내지 2500도의 온도로 30분내지 90분간 가열하는 탄화단계와

   상기 탄화단계이후에 섭씨 2500도내지 3500도의 온도로 60분내지 70분간 가열하는 흑연화단계;와

   상기 흑연화단계를 거친 발열체원료에 피복을 입히는 피복단계로서, 피복원료 100중량부에 대하여 숯가루 분말 5내지 15중량부를 혼합하여 압출시킴으로서 만들어진 피복을 입히며, 게르마늄, 황토, 토르말린, 피톤치트 중 어느 하나 이상의 물질이 상기 피복원료 100중량부에 대하여 1내지 5중량부 더 혼합하여 제조된 피복을 입히는 피복단계를 포함하는,

   탄소필라멘트를 이용한 발열체를 제조하는 방법.
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