KR101128033B1 - 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 난방필름에 사용되는 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조 방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조 방법에 있어서, 상기 방법은 내열 및 절연성과 일정한 규격을 갖는 얇은 면상의 PET 필름을 준비하는 제1 단계와; 상기 PET 필름 위의 가장자리에 표면가공 처리된 금속전극을 설치한 후 절연 접착하기 위해 에스테르계 화합물이 함유된 변성우레탄계 접착제와 TDI계 경화제의 배합 구성비가 80:20~90:10%인 접착제를 제조하여 도포하는 제2 단계와; 상기 접착제로 접착된 금속전극 위에 금속전극의 경계부분에서 발생되는 균열을 방지하기 위해 상기 PET 필름 전체에 에스테르계 부직포를 설치하는 제3 단계와; 상기 제3 단계 후, 금속전극과 에스테르계 부직포간에 접착력을 강화시켜 전도특성을 좋게 하기 위해 도전성 조절을 위한 카본나노튜브 1~5%, 카본블랙 10~30%, 그라파이트 0~15% 배합 구성비를 갖는 안료와, 상기 에스테르계 부직포와의 부착을 위해 에스테르계 바인더 15~40%, 바인더의 용해 및 비점조절을 위한 에스테르계 용제 20~60%, 상기 안료의 분산을 위한 분산제 3~6%, CNT발열잉크의 기포 제거를 위한 소포제 0.1~0.6%, 인쇄도막의 평활성 조절을 위해 레벨링제 0.1~0.6%, 상기 안료의 침강방지를 위한 침강방지제 0.1~0.6%, 건조 시 각 용제 간의 휘발속도 제어를 위한 등비조절제 0~1.0%의 배합 구성비를 갖는 CNT발열잉크와 TDI계 경화제의 배합 구성비가 90:10~95:5%인 전도성 고분자 조성물을 제조하여 에스테르계 부직포 위에 도포시켜 건조 도막을 형성하는 제4 단계와; 상기 건조 도막 위에 상기 제1 단계의 PET 필름을 합지하기 위해 상기 제2 단계의 접착제를 도포하는 제5 단계와; 상기 제5 단계의 도포된 접착제 위에, 상기 제1 단계의 PET 필름을 부착하는 제6 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 탄소발열체를 구성하는 금속 전극과 플라스틱(PET) 필름 및 금속 전극과 발열소재(탄소혼합물)간의 접착력을 크게 향상시켜 전체적으로 제품의 안정성과 내구성을 높여 제품의 수명을 연장시킬 수 있는 독특한 효과가 있다.

Description

전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조 방법{Method for Manufacturing PET Film Carbon Heating Element of the Whole Surface Spread Type}

본 발명은 건축물 난방용 필름타입 탄소발열체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소발열체를 구성하는 금속전극과 플라스틱 필름 및 금속전극과 발열소재인 탄소혼합물 또는 탄소발열잉크간의 접착력을 향상시켜 전체적으로 제품의 안정성과 내구성을 높여 제품의 수명을 연장시키도록 한 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조 방법에 관한 것이다.

최근, 탄소의 성질을 이용한 다양한 형태의 탄소발열체 제품들이 출시되고 있다. 이러한 발열체는 외부에서 에너지가 가해지면 입자들이 매우 빠른 속도로 에너지가 끊어질 때까지 무수히 진동을 발생시켜 입자끼리 충돌을 하게 되는데 이 때 그 충돌로 인해 열을 발생시키는 원리이다.

그 중에서도 PET(Polyethylene terephthalate)라는 플라스틱 필름에 줄무늬 형태의 탄소혼합물 또는 탄소발열잉크를 도포한 스트라이프 타입(Stripe Type) 제품과 필름 전체 면에 탄소를 도포한 풀 커버리지 타입(Full Coverage Type)이라는 제품이 주를 이루고 있다.

이들 기존 제품들은 외부의 에너지원으로 전기를 사용하고 있으며, 탄소의 형태로는 흑연(Graphite)과 카본블랙(Carbon black)을 주원료로 하는 발열잉크를 사용한 필름탄소발열체이다.

전면도포 방식의 필름탄소발열체 제조 방식은 크게 두 종류가 있으며, 압출코팅 방식(Extrusion Coating Type)과 그라비아 인쇄 방식(Gravure Printing Type)이 있다.

압출코팅 방식이란 T-DIE 라는 설비를 이용해 PE(Polyethylene)를 녹여서 플라스틱 시트(Plastic Sheet)를 만들고 그 위에 구리전극 배선과 탄소 도포를 하여 발열체를 만드는 방식이고, 그라비아 인쇄 방식이란 PET 필름에 직접 접착제를 사용하여 구리전극 배선을 하고 인쇄 롤을 이용하여 역시 PET 필름에 직접 탄소를 인쇄방식으로 도포하여 발열체를 만드는 방식을 말한다.

먼저 압출코팅 방식은 발열체의 밑면에 부착되는 구리전극의 접착력은 우수하나 구리 윗면의 탄소혼합물 또는 탄소발열잉크와 구리의 접착력은 문제가 있다. 즉, 구리전극과 탄소혼합물 또는 탄소발열잉크가 강하게 접착이 되어 있는 것이 아니고 탄소혼합물 또는 탄소발열잉크가 구리전극 위에 얹혀 진 상태에서 발열체의 윗부분을 구성하는 필름에 눌려있는 형태로 되어 있어 구리전극과 탄소혼합물 또는 탄소발열잉크 간의 박리 현상이 상대적으로 쉽게 발생될 가능성이 있다는 것이다. 이는 전원 인가 시 박리된 부분에 구리전극의 과열로 인해 구리전극의 아래위쪽으로 PE 필름층이 타버리거나 스파크(Spark)가 발생하는 원인이 된다. 또한 압출코팅 방식은 주사용 원료인 PE 자체가 내열도 면에서 80℃ 정도로 PET에 비해 현저히 낮아 발열체 사용 중 부주의로 인해 80℃ 이상의 과열이 되면 PE 재질이 녹아 필름층이 벌어지는 현상이 발생될 수 있다. 따라서 압출코팅 방식의 전면도포 필름탄소발열체는 구리전극과 발열소재와의 접착력 약화로 인한 발열체의 화재의 위험성과 내열도에 취약한 문제점을 안고 있다.

또한 그라비아 인쇄 방식은 구리를 둘러싼 부위의 접착력이 다소 약한 문제와 부가적으로 현재 사용되고 있는 전도성 소재인 흑연 및 카본블랙 계열은 입자 사이즈가 크고 불균일한 문제로 탄소혼합물 또는 탄소발열잉크 도포면의 평탄도가 떨어지는 문제점이 있다.

한편, 현재 업계에서 채택하고 있는 전술한 압출코팅 방식과 그라비아 인쇄 방식의 문제점은 다음과 같다.

먼저 구리전극을 PET 필름에 부착시키기 위해서 전도성을 띠는 탄소혼합물 또는 탄소발열잉크와 아크릴이나 우레탄 계열의 접착제를 혼합하여 사용하는데, 여기에 혼합되는 전도성 탄소혼합물 또는 탄소발열잉크는 아무런 이론적인 의미가 없을 뿐만 아니라 오히려 접착력을 약화시키는 문제가 있다. 그럼에도 불구하고 기존 업계에서는 이를 적용하는 이유는 구리전극이 PET 필름에 투영되어 배선 상태가 제품 밖으로 나타나 보이는 것을 방지하기 위함과 동시에 구리전극 위로 도포되는 발열용 탄소혼합물 또는 탄소발열잉크와의 결합력이 좋아질 것이라는 막연한 기대심리 때문이다. 또한 생산 공정 중 필름이 롤링(Rolling)될 때 구리전극 부착용 접착제가 도포된 필름표면 반대편의 표면에 접착제가 달라붙지 않도록 하기 위해 부직포를 구리전극 부착과 동시에 구리전극 부착용 접착제의 도포면에 붙이게 되는데, 이 때 구리전극 부착용 접착제가 부직포 표면으로 배어 나오지 못하도록 하기 위해 전도성 탄소화합물을 접착제에 혼합한 것인데 이는 최초 개발자부터 내려온 오랜 관행에 대해 아직 아무런 이론적이나 실험적으로 개선을 하고자 하는 시도가 없었기 때문에 그대로 적용되고 있는 방식일 뿐, 실제로는 구리전극과 구리전극을 둘러싼 구조물 간의 접착력을 약화시킬 뿐만 아니라 위의 내용과 같은 기대효과는 없는 방식이다. 이로 인해 그라비아 인쇄 방식의 전면도포 필름탄소발열체 또한 구리전극의 접착력에 문제를 안고 있으며, 이는 압출코팅 방식과 마찬가지로 구리전극과 구리전극 아래위의 구조물 간의 박리현상의 원인이 되어 전원 인가 시 박리된 공간의 구리전극의 과열로 인해 구리전극 아래위 PET 필름이 타버리는 문제와 스파크가 발생하는 원인으로 작용하고 있다.

또한 현재 압출코팅 방식과 그라비아 인쇄 방식이 공통적으로 안고 있는 가장 주된 문제점은, 구리전극과 구리전극 위에 도포되어 있는 탄소혼합물 또는 탄소발열잉크와의 계면에서 발생하는 접촉저항의 불안전성이다. 이들 방식에서 사용 중인 발열소재인 탄소혼합물 또는 탄소발열잉크는 전도성을 부여하는 원재료로 흑연과 카본블랙이 주로 사용되는데 이들 카본 계열의 소재만으로는 발열은 할 수 있으나 구리전극에 접착을 시킬 수가 없어 여기에 유기재료인 바인더(Binder)를 일정량 혼합하여 접착력을 띄게 하는데 이 때 흑연과 카본블랙 계열의 입자 사이즈가 너무 커서 구리전극과 접촉하는 표면적이 작고 바인더(Binder)와의 결합력이 약해 카본을 구리전극에 부착시키는 상태가 매우 불안정하게 되는 문제가 있다. 이는 결국 구리전극과 카본간의 박리 현상이 발생하는 원인이 되고 구리전극에 전원 공급 시 구리전극의 국부 과열로 이어져 구리전극 주위가 타버리는 문제가 발생하게 된다. 이는 제품 생산 초기에는 문제가 없어 보이지만 일 년 정도 사용하게 되면 불안정한 접착상태로 있는 구리전극과 카본과의 계면이 벌어지는 현상이 발생하게 된다.

이상과 같은 기존의 전면도포 필름탄소발열체 제조 방식의 문제점들은 자칫 화재로 번질 위험을 내포하고 있으며, 제품 수명이 짧아지는 원인이 되고 있어, 본 발명에서는 구조적으로 이러한 문제의 원인들을 제거하는데 초점을 맞추었으며, PET라는 플라스틱 필름을 기본 틀로 하는 전면도포 방식의 필름탄소발열체를 기반으로 하되, 구리 전극을 둘러싼 부위와 구리 전극의 접착력만 크게 향상시켜도 이러한 위험요인 대부분이 제거된다는 데 착안하여 그 접착력을 향상시킬 수 있는 최적의 방법을 제안하는데 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 보다 상세하게는, 탄소발열체를 구성하는 금속전극과 플라스틱(PET) 필름 및 금속 전극과 발열소재인 탄소혼합물 또는 탄소발열잉크간의 접착력을 향상시켜 전체적으로 제품의 안정성과 내구성을 높여 제품의 수명을 연장시키도록 한 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조 방법에 있어서, 상기 방법은 내열 및 절연성과 일정한 규격을 갖는 얇은 면상의 PET 필름을 준비하는 제1 단계와; 상기 PET 필름 위의 가장자리에 표면가공 처리된 금속전극을 설치한 후 절연 접착하기 위해 에스테르계 화합물이 함유된 변성우레탄계 접착제와 TDI계 경화제의 배합 구성비가 80:20~90:10%인 접착제를 제조하여 도포하는 제2 단계와; 상기 접착제로 접착된 금속전극 위에 금속전극의 경계부분에서 발생되는 균열을 방지하기 위해 상기 PET 필름 전체에 에스테르계 부직포를 설치하는 제3 단계와; 상기 제3 단계 후, 금속전극과 에스테르계 부직포간에 접착력을 강화시켜 전도특성을 좋게 하기 위해 도전성 조절을 위한 카본나노튜브 1~5%, 카본블랙 10~30%, 그라파이트 0~15% 배합 구성비를 갖는 안료와, 상기 에스테르계 부직포와의 부착을 위해 에스테르계 바인더 15~40%, 바인더의 용해 및 비점조절을 위한 에스테르계 용제 20~60%, 상기 안료의 분산을 위한 분산제 3~6%, CNT발열잉크의 기포 제거를 위한 소포제 0.1~0.6%, 인쇄도막의 평활성 조절을 위해 레벨링제 0.1~0.6%, 상기 안료의 침강방지를 위한 침강방지제 0.1~0.6%, 건조 시 각 용제 간의 휘발속도 제어를 위한 등비조절제 0~1.0%의 배합 구성비를 갖는 CNT발열잉크와 TDI계 경화제의 배합 구성비가 90:10~95:5%인 전도성 고분자 조성물을 제조하여 에스테르계 부직포 위에 도포시켜 건조 도막을 형성하는 제4 단계와; 상기 건조도막 위에 상기 제1 단계의 PET 필름을 합지하기 위해 상기 제2 단계의 접착제를 도포하는 제5 단계와; 상기 제5 단계의 도포된 접착제 위에, 상기 제1 단계의 PET 필름을 부착하는 제6 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 금속전극을 구리(Cu)로 사용할 경우, 산화 방지를 위해 Ni, Ag, Sn, Zn 중에서 어느 하나를 선택하여 도금박막 처리하되, 상기 도금된 구리(Cu) 전극의 상부표면은 CNT발열잉크와 하부표면은 PET필름과 접착력을 극대화시키기 위해 상ㆍ하부표면을 매트(Matt) 처리되는 것을 더 포함한다.

바람직하게는, 상기 CNT발열잉크의 제조 공정은, 최적의 안료 분산을 얻기 위하여 계획된 배합 단계와; 상기 안료 입자의 표면에 흡착되어 있는 공기 또는 이물질이 수지로 치환되는 침윤과 상기 안료 입자의 집합체 및 응집체를 기계적인 분리에 의한 일차 입자의 상태로까지 풀어 놓는 분쇄 및 상기 분쇄된 안료 입자가 액상 전색제로 이동하여 각 입자가 안정적으로 분리되는 과정을 갖는 분산 단계와; 상기 제조된 배합 분산물에 유기용제와 바인드를 첨가하여 균일한 CNT발열잉크를 제조하기 위한 조정 단계를 갖는 것을 더 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조 방법은 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

1) 사용된 PET와 부직포는 폴리에스테르계 화합물로서 기재(Substrate)와 상용성이 좋은 동일계열 화합물인 접착제와 CNT발열잉크를 적용함으로써, 금속전극과 접착력을 강화시켜 전기적인 안전성을 확보하여 화재 위험 가능성을 최소화할 수가 있다.

2) 기존 우레탄계 접착제보다 에스테르계 함유 변성우레탄 접착제와 TDI계 경화제가 혼합된 조성물을 적용함으로써, PET와 금속전극 및 PET와 부직포간 그리고 CNT발열잉크 도막과 PET간의 접착력을 강화시켜 줌으로써, 전기적인 안정성을 보다 더 강화할 수가 있다.

3) 나노 사이즈의 CNT가 분산된 발열잉크를 사용함으로써, 기존의 입자 사이즈가 큰 카본블랙 및 그라파이트계 발열잉크에 비해 금속전극과의 접촉저항을 최소화시켜 전도특성이 증가하고 부직포, 발열잉크, 금속전극 간의 접착력을 보다 더 강화시킬 수가 있다.

4) 부직포와 친화성이 좋은 에스테르계 바인더 및 유기용제가 적용된 나노 사이즈의 CNT발열잉크를 도포하여 부직포의 미세 조직까지 흡수 및 흡착되고 부직포 아래에 위치한 금속전극에 침착됨으로써, 발열잉크 도막과 부직포와 금속 전극 간의 접착력이 기존 탄소계 발열잉크 보다 강화되어 발열특성이 안정적이다.

5) 발열체의 장기간 사용에 따라 발열온도와 물리적 충격으로 인한 발열체 구조상 각 레이어(Layer)간의 접착력 약화에 따른 전기적 발열의 위험성과 화재의 위험성을 동시에 극복할 수가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조 방법에 대한 기본적인 구성을 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조 방법에 대한 제1 플로워 챠트를 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조 방법에 대한 제2 플로워 챠트를 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조방법에 대한 제3 플로워 챠트를 나타낸 도면

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

먼저, 면상발열체는 30년 전 미국에서 최초개발 되었으나 나노기술 및 페이스트 제조기술이 떨어져 활용되지 못하고 현대에 이르러 Flexwatt社의 Heat Tape가 활성화 되고 있는 추세이다. 면상 발열체는 기본적으로 전극을 실버(Ag), 구리(Cu) 등을 이용하고 발열부를 카본 페이스트, 카본섬유 등을 이용한다. 이 발열체를 구성하는 탄소는 재질 특성상 얇은 면 위에 구성되고 이를 "면상발열체"라 표현한다.

다시 말해서, 전기저항을 갖는 탄소저항체의 발열부위를 매개로 전기에너지를 열에너지로 변환시켜 주는 면상(面狀)의 형태를 가진 발열체로서, 얇은 면상의 전도성 발열체 위에 금속전극을 양끝에 설치한 후 절연재로 절연 처리하여 면 발열을 하는 것을 특징으로 하는 기술로 만들어진 신개념의 발열체로 난방시스템의 새로운 발열소재이기도 하다.

카본면상발열제품은 기존의 열선의 전기적인 문제점을 해결하고 안전성과 내구성이 획기적으로 개선된 제품으로서 수명이 반영구적이고 난방비가 절감되어 매우 경제적이다.

면상발열체의 종류에는 탄소계 발열체는 탄소와 사용하는 소재에 따라 탄소펄프발열지, 탄소섬유사 직조발열체, 카본코튼발열체와 발열체의 사용 목적과 절연 소재 에 따라서 에폭시히터, 우레탄히터, PET히터로 구분된다.

도 1 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조방법에 대한 기술적 특징을 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조방법에 있어서 기본적인 기술적 구성은, PET(Polyethylene Terephthalate) 필름(1, 1'), 에스테르(Ester)계 화합물이 함유된 변성우레탄계 접착제(2, 2'), TDI(Toluene Diisocianate)계 경화제(3, 3'), 금속전극(4, 4'), 에스테르(Ester)계 부직포(5), CNT(Carbon Nano Tube)발열잉크(6)로 이루어져 있다.

본 발명의 실시예에 따른 상기 PET(Polyethylene Terephthalate) 필름(1, 1')은, 내열 및 절연성을 갖는 얇은 면상의 PET 필름 수단으로서 일정한 규격을 갖는다. PET는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene Terephtalate)로서 플라스틱 성형 재료의 하나이다. 유리섬유로 강화한 PET성형재료는 열경화성 수지에 비길 만큼 물성이 좋아 전자 부품, 자동차 전장 부품, 열기구 등에 사용되고 비강화 성형재료는 Blow 성형용으로 많이 사용되고 있다. 또한 PET의 무독성, 무취, 투명도 등이 높아 현재 식품 용기로 많이 이용되고 있다.

한편, 공지된 PET의 물성 및 특성을 살펴보면, 비강화 PET는 우수한 기계적 및 전기적 특성, 내약품성 등을 갖는 반면 충격강도 및 내열성에서 취약하고, 성형하기에 어려운 점이 있다. 그러나 유리섬유강화 PET는 기계적 강도나 치수 정밀도가 향상되는 것과 동시에 유리 섬유 강화에 의하여 내열성이 비약적으로 향상되어, 열변형 온도는 약 240℃로서 상당히 높다. 강화 PET 본래의 내열성을 얻기 위하여 중요한 점은 성형품을 충분히 결정화시키는 것이다. 이 방법으로 종래부터 PET가 결정화하는 금형온도(130~140℃)에서 고온성형 또는 성형 후에 가열 냉각이 이루어졌다. 그러나 최근 들어 기술혁신의 결과 70℃전후의 금형 온도라도 결정이 이루어져 성형 후 가열냉각이 불필요한 타입인 저온 금형상품 등이 개발되어 시장에서 호평을 받고 있다. 그러나 저온금형 방법은 PET의 재질 변화에 의한 원가상승, 저온형 온도 성형에 의한 성형품 표면특성의 저하 등의 단점이 있어서 고온금형 방법도 병행하여 사용되고 있다. 특성을 보면 내열성은 용융점 265℃, 열변형은 온도 240℃, 연속 내열은 150℃이다. 일반 PET 제품의 전기적 특성은 다른 폴리에스터들과 같지만 특수 PET 제품은 전기적 아크에 강하고, 크랙 발생에 강하다. 내약품성, 치수안정성 및 내후성이 좋고 스트레스 크랙성이 우수하다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조방법에 있어 상기 에스테르(Ester)계 화합물이 함유된 변성우레탄계 접착제(2, 2')는, 금속전극(4, 4'), CNT발열잉크(6)가 도포되는 기재(Substrate)인 에스테르계 부직포(5)를 PET 필름(1, 1') 상에 접착 고정시키기 위한 접착제 수단으로서, 주제와 경화제로 구분된 2액혼합형으로 탄력성, 내열성, 내한성, 내화학성이 우수하고 사용되는 용도는 다양한 성격의 플라스틱 접착, 합성고무 및 변성고무, 에스테르계 부직포, 금속 등에 고루 적용 가능하다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조방법에 있어 상기 TDI(Toluene Diisocianate)계 경화제(3, 3')는, 난방용 필름타입 탄소발열체의 비정상 작동, 즉 집열(혹은 축열)에 의한 과열을 방지하기 위한 수단으로서, TDA(toluene d-amin)에 포스겐가스를 합성해서 만든다.

다시 말해서 본 발명의 실시예에 따른 상기 TDI(Toluene Diisocianate)계 경화제(3, 3')는, 접착제(2, 2')와 CNT발열잉크(6)간의 내열성 증가로 인한 난방용 필름타입 탄소발열체의 열적 손상을 미연에 방지하기 위함이다.

여기서 본 발명의 실시예에 따른 상기 TDI(Toluene Diisocianate)계 경화제(3, 3')는, 에스테르계 화합물이 함유된 변성우레탄 접착제(2, 2')와 배합시켜 사용되는데 이때 배합구성비는 80:20~90:10%이고, 또한 CNT발열잉크(6)와 배합시킬 때는 그 배합구성비가 90:10~95:5%이다. 이와 같은 배합 구성비를 갖는 독특한 특징은 하기에서 상세하게 설명된다.

본 발명의 실시예에 따른 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조방법에 있어 상기 금속전극(4, 4')은, 난방용 필름타입 탄소발열체의 발열을 위해 전원이 인가되는 전극 수단으로서, 상기 금속전극(4, 4')은 사전에 표면가공 처리되고 에스테르계 화합물이 함유된 변성우레탄계 접착제(2, 2')와 TDI(Toluene Diisocianate)계 경화제(3, 3')가 배합된 접착제에 의해 PET 필름(1, 1') 위의 가장자리에 설치한 후 절연 접착된다.

여기서 본 발명의 실시예에 따른 상기 금속 전극(4, 4')의 상ㆍ하부면은, PET 필름(1, 1') 위의 가장자리에 설치된 후 절연 접착하기 전에 표면가공 처리되며 구체적인 설명은 후술된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조방법에 있어 상기 에스테르계 부직포(5)는, 금속전극(4, 4')의 경계부분에서 발생되는 크랙(혹은 균열)을 방지하기 위한 수단으로서, 부직포 사용 없이 에스테르계 화합물이 함유된 변성우레탄계 접착제(2, 2')와 TDI(Toluene Diisocianate)계 경화제(3, 3') 상에 CNT(Carbon Nano Tube)발열잉크(6)를 도포할 경우 금속전극(4, 4') 위에 금속전극의 경계부분에서 크랙 발생으로 인해 전원 인가 및 난방용 필름타입 탄소발열체 발열 시 스파크(Spark) 발생 등 화재의 위험성을 초래하게 된다.

결과적으로 부직포는 CNT(Carbon Nano Tube)발열잉크(6) 건조 도막을 안정적으로 유지해 주는 지지체 역할을 하게 된다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 에스테르계 부직포(5)는 고가의 은 전극(Ag Paste)을 사용하지 않고서도 AC 1000V 인가 테스트에서 스파크 등 화재의 위험성이 전혀 없는 점에 비추어볼 때 경제성과 안정성을 동시에 충족시킬 수 있는 특징이 있다할 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조방법에 있어 상기 CNT(Carbon Nano Tube)발열잉크(6)는, 금속전극(4, 4')과 에스테르계 부직포(5)간의 접착력을 강화시켜 난방용 필름타입 탄소발열체의 전도특성을 좋게 한다. 즉 CNT발열잉크(6)의 건조 도막을 안정적으로 유지시켜 줌으로써, 에스테르계 부직포(5)와 함께 지지체 역할을 하기 위한 본 발명의 핵심적인 기술 수단이다.

여기서 본 발명의 실시예에 따른 CNT발열잉크는, CNT발열잉크와 TDI계 경화제의 배합 구성비가 90:10~95:5%인 특별히 제조된 전도성 고분자 조성물을 난방용 필름타입 탄소발열체에 적용함으로써, 난방용 필름타입 탄소발열체의 장시간 사용에도 내구성이 뛰어나고, 분자구조상 부분 단락이 발생하여도 연결되어 있는 접촉점이 많아 스파크나 화재의 위험성이 전혀 없으며, 입자들이 붙어있지 않고 어느 정도 이격 거리가 발생하여도 섬유 구조와 유사하여 전기가 잘 통하는 네트워크 현상을 유지함으로써, 일반 카본의 함량에 비해 매우 작은 함량으로도 동등 이상의 성능을 구현하고 전기적으로 안정성도 충분히 확보되어 있다는 점이다.

또한 반복적인 사용에도 저항수치의 변화가 없어서 신뢰성 확보가 용이하며, 끊어지지 않는 전기적인 네트워크 효과로 집열(혹은 축열) 현상에 의한 단락을 충분히 방지할 수 있게 된다.

이하, 도 2, 도 3 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조 방법에 대해 상세하게 설명한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방법은, 먼저 내열 및 절연성과 일정한 규격을 갖는 얇은 면상의 PET(Polyethylene Terephthalate) 필름(1, 1')을 준비하는 제1 단계(S1)를 갖는다.

다음은 상기 PET 필름(1, 1') 위의 가장자리에 표면가공 처리된 금속전극(4, 4')을 설치한 후 절연 접착하기 위해 에스테르(Ester)계 화합물이 함유된 변성우레탄계 접착제(2, 2')와 TDI계 경화제(3, 3')의 배합 구성비가 80:20~90:10%인 접착제를 제조하여 도포하는 제2 단계(S2)를 갖는다.

여기서 본 발명의 실시예에 따른 상기 에스테르계 화합물이 함유된 변성우레탄계 접착제(2, 2')와 TDI(Toluene Diisocianate)계 경화제(3, 3')를 80:20~90:10% 배합 구성비로 제조하여 PET 필름(1, 1') 상에 도포하는 이유는, 난방용 필름타입 탄소발열체 내부 전원공급용 금속전극(4, 4') 및 CNT(Carbon Nano Tube)발열잉크(6)가 도포되는 기재(Substrate)인 에스테르(Ester)계 부직포(5)를 PET 필름(1, 1') 상에 단단하게 접착 고정시킬 뿐만 아니라 난방용 필름타입 탄소발열체가 비정상적으로 작동, 즉 집열(혹은 축열)에 의해 80~120℃로 과열될 경우 금속전극(4, 4')과 에스테르계 부직포(5)가 접착제에 의해 얇은 판 형태로 서로 접착 고정되어 하나의 층을 이루지 못하고 얇은 조각으로 갈라지는 디-라미네이션(De-lamination) 현상을 방지할 수 있도록 독특한 배합구성비를 갖는 내열성이 우수한 접착제를 제조하기 위함이다.

다음은 상기 제2 단계의 접착제로 접착된 금속전극(4, 4') 위에 금속전극의 경계부분에서 발생되는 균열을 방지하기 위해 상기 PET 필름(1, 1') 전체에 에스테르계 부직포(5)를 설치하는 제3 단계(S3)를 갖는다.

여기서 본 발명의 실시예에 따른 상기 에스테르계 부직포(5)를 설치하는 이유는, 접착제로 절연된 금속전극(4, 4') 위에 에스테르계 부직포(5)를 사용하지 않고 CNT(Carbon Nano Tube)발열잉크(6)를 직접 도포할 경우 크랙(혹은 균열)이 발생되어 전원인가 및 난방용 필름타입 탄소발열체 발열 시 스파크 발생 등의 예상치 못할 큰 화재의 위험성을 초래하게 된다. 결과적으로 에스테르계 부직포(5)는 CNT발열잉크(6)의 건조 도막을 안정적으로 유지해주는 지지체 역할을 하게 된다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조 방법에 의한 난방용 필름타입 탄소발열체를 전기적인 필드 테스트에서 확인해 본 결과 고가의 은 전극(Ag Paste)을 사용하지 않고서도 AC 1000V 인가 시 스파크 등 화재의 위험성이 전혀 발생하지 않아 경제성과 안정성을 동시에 충족시킬 수 있는 독특한 특징이 있다고 할 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 금속전극(4, 4')을 구리(Cu)로 사용할 경우, 산화 방지를 위해 Ni, Ag, Sn, Zn 중에서 어느 하나를 선택하여 도금박막 처리하되, 상기 도금된 구리(Cu) 전극의 상부표면은 CNT발열잉크(6)와, 하부표면은 PET 필름(1, 1')과의 접착력을 극대화시키기 위해 상ㆍ하부표면을 매트(Matt, 4a, 4b) 처리하는 것을 더 포함한다.

여기서 상기 매트(Matt) 처리란, 본 발명의 실시예에 따른 금속전극(4, 4')의 상ㆍ하부표면에 다양한 형태의 나젤러(Nodular) 결정성(結節性)을 갖는 표면 러프니스(Roughness) 혹은 금속전극의 표면적을 증가시키는 것을 말한다.

다음은 상기 제3 단계 후, 금속전극(4, 4')과 에스테르계 부직포(5)간에 접착력을 강화시켜 전도특성을 좋게 하기 위해 CNT발열잉크(6)와 TDI계 경화제(3, 3')의 배합 구성비가 90:10~95:5%인 전도성 고분자 조성물을 제조하여 에스테르계 부직포(5) 위에 도포시켜 건조 도막을 형성하는 제4 단계(S4)를 갖는다.

여기서 본 발명의 실시예에 따른 상기 제4 단계의 CNT(Carbon Nano Tube)발열잉크(6)는 에스테르계 부직포(5) 조직에 침투가 용이하고 에스테르계 부직포(5)와 친화성(혹은 상용성)이 좋은 나노사이즈(Nano Size) 전도성 입자와 바인더, 유기용제 및 첨가제 성분으로 구성되어 있으므로 흡수율이 매우 높다는 것이다. 또한 CNT발열잉크(6)와 TDI계 경화제(3, 3')의 배합 구성비가 90:10~95:5%인 독특하게 조성된 전도성 고분자 조성물에 의하여 PET 필름(1, 1')과 합지 시 저항변화율을 최소화하고 CNT발열잉크(6)의 건조 도막과 금속전극(4, 4') 및 에스테르계 부직포(5)와의 접착력을 크게 향상시킬 수 있는 독특한 특징이 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 CNT발열잉크는, 도전성 조절을 위해 카본나노튜브 1~5%, 카본블랙 10~30%, 그라파이트 0~15% 배합 구성비를 갖는 안료와, 상기 에스테르계 부직포와의 부착을 위해 에스테르계 바인더 15~40%, 바인더의 용해 및 비점조절을 위한 에스테르계 용제 20~60%, 상기 안료의 분산을 위한 분산제 3~6%, 상기 CNT발열잉크(6)의 기포 제거를 위한 소포제 0.1~0.6%, 인쇄도막의 평활성 조절을 위해 레벨링제 0.1~0.6%, 상기 안료의 침강방지를 위한 침강방지제 0.1~0.6%, 건조 시 각 용제 간의 휘발속도 제어를 위한 등비조절제 0~1.0%의 배합 구성비를 갖는 것을 더 포함한다.

여기서 상기 CNT(Carbon Nano Tube)발열잉크(6)는 난방용 필름타입 탄소발열체의 설계제작에 따라 최적의 배합 구성비를 갖도록 조절되는 것으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 CNT(Carbon Nano Tube)발열잉크의 제조 공정은, 먼저, 최적의 안료 분산을 얻기 위하여 계획된 배합(혹은 Mill Base 조성) 단계를 갖는다.

또한, 상기 안료 입자의 표면에 흡착되어 있는 공기(Gas) 또는 이물질이 수지로 치환되는 침윤(Wetting)과 상기 안료 입자의 집합체(Flocculation) 및 응집체(Agglomeration)를 기계적인 분쇄든가 분리에 의해 일차 입자의 상태로까지 풀어 놓는 분쇄(Disruption) 및 상기 분쇄된 안료 입자가 액상 전색제(Vehicle)로 이동하여 각 입자가 안정적으로 분리(Separation)되는 과정을 갖는 분산(Dispersion) 단계를 갖는다.

여기서 액상 전색제(Vehicle)란 도료 속에서 안료를 분산시키는 액체상의 성분으로 천연수지, 합성수지, 섬유소, 전분, 동식물유, 카세인 용매 등이 사용된다.

그리고 분산에 적용되는 공정설비는 Mill Base 조성물의 점도에 따라 비드밀(Bead Mill, 저점도) 또는 3롤밀(3 Roll Mill, 고점도)을 사용한다.

또한, 상기 제조된 배합(혹은 Mill Base 조성) 분산물에 유기용제(EA 또는 BCA), 바인드(Bind) 및 기타 첨가제를 첨가하여 균일한 CNT발열잉크를 제조하는 조정(Let Down) 단계를 더 포함한다.

여기서 상기 조정 단계는 난방필름 생산 시 그라비아 인쇄조건(점도, 건조온도) 및 건조 도막의 조건들(저항, 기재(Substrate) 및 금속전극과의 접착력)을 맞추는 공정이다. 따라서 본 발명의 CNT발열잉크(6)의 조성(혹은 제조) 공정에서는 최종적으로 품질검사를 거치는 단계를 포함한다.

다음은 상기 제4 단계의 상기 건조 도막 위에 상기 제1 단계의 PET 필름을 합지하기 위해 상기 제2 단계의 접착제를 도포하는 제5 단계(S5)를 갖는다.

마지막으로, 상기 제5 단계의 도포된 접착제 위에, 상기 제1 단계의 PET(Polyethylene Terephthalate) 필름을 부착하는 제6 단계(S6)를 포함한다.

여기서 상기 제5 단계 및 제6 단계를 포함하는 것은, 난방용 필름타입 탄소발열체에 사용되는 금속전극(4, 4')을 안정적으로 접착 고정시키고 절연시켜 화재, 누전, 감전 등의 전기적인 안정성 확보는 물론 난방용 필름타입 탄소발열체의 전도특성을 크게 향상시켜 난방필름 계통의 제품 품질을 좋게 하기 위함이다.

이와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조 방법에 대한 작용을 상세하게 설명한다.

본 발명의 실시예에서는, 난방필름용으로 사용 가능한 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조 방법에 관한 것으로, PET 필름을 준비하는 제1 단계(S1)와, 상기 제1 단계의 PET 필름 위에 난방필름의 비정상작동, 즉 집열(혹은 축열)에 의한 80~120℃ 과열로 인한 금속전극과 에스테르계 부직포간의 디-라미네이션(De-Lamination)을 방지하기 위하여 금속전극을 PET 필름 위의 가장자리에 설치한 후 에스테르계 화합물이 함유된 변성우레탄계 접착제와 TDI계 경화제를 80:20~90:10% 구성비로 배합시킨 접착제를 도포하는 제2 단계(S2)와, 상기 금속전극 위에 금속전극의 경계부분에서 발생되는 균열을 방지하기 위해 에스테르계 부직포를 접착 고정시키는 제3 단계(S3)와, 상기 금속전극과 에스테르계 부직포간에 접착력을 강화시켜 전도특성을 향상시키도록 하는 CNT(Carbon Nano Tube)발열잉크와 TDI(Toluene Diisocianate)계 경화제를 90:10~95:5% 구성비로 배합시킨 전도성 고분자 조성물을 에스테르계 부직포 위에 도포시켜 건조 도막을 형성하는 제4 단계(S4)와, 상기 건조 도막 위에 제1 단계의 PET 필름을 합지하기 위해 상기 제2 단계의 접착제를 도포하는 제5 단계(S5) 및 상기 제5 단계의 도포된 접착제 위에, 상기 제1 단계의 PET(Polyethylene Terephthalate) 필름을 부착하는 제6 단계(S6)를 포함함으로써, 탄소발열체를 구성하는 금속전극과 플라스틱(PET) 필름 및 금속전극과 발열소재(탄소혼합물)간의 접착력을 크게 향상시켜 전체적으로 제품의 안정성과 내구성을 높여 제품의 수명을 연장시킬 수 있는 독특한 특징이 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1, 1' : PET(Polyethylene Terephthalate) 필름
2, 2' : 에스테르(Ester)계 화합물이 함유된 변성우레탄계 접착제
3, 3' : TDI(Toluene Diisocianate)계 경화제
4, 4' : 금속 전극
4a, 4b : 매트(Matt) 처리
5 : 에스테르(Ester)계 부직포
6 : CNT(Carbon Nano Tube)발열잉크

Claims (4)

1. 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조 방법에 있어서,
   상기 방법은 내열 및 절연성과 일정한 규격을 갖는 얇은 면상의 PET 필름을 준비하는 제1 단계와;
   상기 PET 필름 위의 가장자리에 표면가공 처리된 금속전극을 설치한 후 절연 접착하기 위해 에스테르계 화합물이 함유된 변성우레탄계 접착제와 TDI계 경화제의 배합 구성비가 80:20~90:10%인 접착제를 제조하여 도포하는 제2 단계와;
   상기 접착제로 접착된 금속전극 위에 금속전극의 경계부분에서 발생되는 균열을 방지하기 위해 상기 PET 필름 전체에 에스테르계 부직포를 설치하는 제3 단계와;
   상기 제3 단계 후, 금속전극과 에스테르계 부직포간에 접착력을 강화시켜 전도특성을 좋게 하기 위해 도전성 조절을 위한 카본나노튜브 1~5%, 카본블랙 10~30%, 그라파이트 0~15% 배합 구성비를 갖는 안료와, 상기 에스테르계 부직포와의 부착을 위해 에스테르계 바인더 15~40%, 바인더의 용해 및 비점조절을 위한 에스테르계 용제 20~60%, 상기 안료의 분산을 위한 분산제 3~6%, CNT발열잉크의 기포 제거를 위한 소포제 0.1~0.6%, 인쇄도막의 평활성 조절을 위해 레벨링제 0.1~0.6%, 상기 안료의 침강방지를 위한 침강방지제 0.1~0.6%, 건조 시 각 용제 간의 휘발속도 제어를 위한 등비조절제 0~1.0%의 배합 구성비를 갖는 CNT발열잉크와 TDI계 경화제의 배합 구성비가 90:10~95:5%인 전도성 고분자 조성물을 제조하여 에스테르계 부직포 위에 도포시켜 건조 도막을 형성하는 제4 단계와;
   상기 건조 도막 위에 상기 제1 단계의 PET 필름을 합지하기 위해 상기 제2 단계의 접착제를 도포하는 제5 단계와;
   상기 제5 단계의 도포된 접착제 위에, 상기 제1 단계의 PET 필름을 부착하는 제6 단계를 포함하는 것을
   특징으로 하는 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조 방법.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 금속전극을 구리(Cu)로 사용할 경우, 산화 방지를 위해 Ni, Ag, Sn, Zn 중에서 어느 하나를 선택하여 도금박막 처리하되, 상기 도금된 구리(Cu)전극의 상부표면은 CNT발열잉크와 하부표면은 PET필름과 접착력을 극대화시키기 위해 상ㆍ하부표면을 매트(Matt) 처리하는 것을 더 포함하여
   특징으로 하는 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조 방법.
   
3. 삭제
4. 제1 항에 있어서,
   상기 CNT발열잉크의 제조 공정은, 최적의 안료 분산을 얻기 위하여 계획된 배합 단계와;
   상기 안료 입자의 표면에 흡착되어 있는 공기 또는 이물질이 수지로 치환되는 침윤과 상기 안료 입자의 집합체 및 응집체를 기계적인 분리에 의한 일차 입자의 상태로까지 풀어 놓는 분쇄 및 상기 분쇄된 안료 입자가 액상 전색제로 이동하여 각 입자가 안정적으로 분리되는 과정을 갖는 분산 단계와;
   상기 제조된 배합 분산물에 유기용제와 바인드를 첨가하여 균일한 CNT발열잉크를 제조하기 위한 조정 단계를 갖는 것을 더 포함하여
   특징으로 하는 전면도포 방식의 플라스틱필름 탄소발열체 제조 방법.

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