KR101160853B1 - 면상발열체 시트 제조장치 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

면상발열체 시트 제조장치 및 그의 제조방법에 대한 발명이 개시된다. 개시된 면상발열체 시트 제조장치는 건조된 테프론 및 카본 혼합분말을 공급하는 공급부재; 상기 공급부재에서 공급된 테프론 및 카본 혼합분말을 이송하는 이송부재; 상기 이송부재에서 이송된 테프론 및 카본 혼합분말을 투입하고, 후속공정으로 안정적으로 공급하는 유동화베드 호퍼; 및 상기 유동화베드 호퍼에서 이송된 상기 테프론 및 카본 혼합분말을 열간 압연하여 시트로 가공하는 핫 롤링부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 면상발열체 시트 제조장치 및 그의 제조방법은, 테플론 분말, 카본 분말 및 물의 혼합물을 건조한 후 유동화 베드 호퍼에서 유지하다가 수평으로 놓인 다수의 핫 롤러들 사이에 투입하여 시트 형태로 성형을 하므로 내부 조성이 균일하고, 시트가 얇게 가공되면서 쉽게 찢어지지 않으므로 면상발열체 시트의 특성을 개선하는 효과를 갖는다.
Figure R1020090127165
카본, 테플론, 핫 롤러, 임펠러, 균일, 시트

Description

면상발열체 시트 제조장치 및 그의 제조방법{MANUFACTURING APPARATUS OF PLATE HEATING SHEET MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 면상발열체 시트 제조장치 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 테플론 분말, 카본 분말 및 물의 혼합물을 건조한 후 유동화 베드 호퍼에서 유지하다가 수평으로 놓인 다수의 핫 롤러들 사이에 투입하여 시트 형태로 성형을 하므로 면상발열체 시트의 특성을 개선하는 면상발열체 시트 제조장치 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 면상발열체는 전기통전에 의해 발열되고 온도조절이 용이하며 그 동작중에 유해가스나 소음의 발생이 없기 때문에 가정용으로는 히팅매트, 히팅패드, 매트리스, 이불, 레저용이나 방한용 발열의류 등에 이용되고 있고, 산업용으로는 건물의 난방또는 가열장치, 농수산물의 건조장치, 도로나 주차장의 결빙 방지장치 등에 이용되는 등 폭넓게 활용되고 있다.
선행기술로서는 일본 공개특허 2005-0146081이 있으나 여러 가지 불소수지들 을 모재로 사용하고 여기에 카본 나노 튜브 (CNT)를 혼입하여 성형한 후 트윈 스크류 압출기에서 성형을 하는 것을 제안하였다. 다양한 불소수지와 이에 맞는 계면활성제 그리고 카본 나노 튜브의 처리법에 대하여 기술하였다. 그러나 내열도가 높고 성형이 어려운 PTFE-카본 혼합체에 대한 자세한 언급이 없었다.
또한, 일본 공개 특허 2002-363314에서는 절연성 불소수지 필름을 소지로서 사용하고 여기에 가교가 덜 된 불소수지와 도전성 탄소 혼합물을 소결하여 붙이는 방법을 제안하였다. 그렇지만 이 방법은 코팅층을 형성하는 것으로서 역시 내구성에 문제가 있었다.
그 외의 면상 발열체로서 등록이 되어 있는 특허들, 즉 KR 2002-0033509 와 KR 2006-0003931에서는 일반 직물에 코팅을 하는 형태로서 테플론의 성형이 가능한 온도에서는 산화되는 재질들이기 때문에 내열도가 보장되고 균질한 특성의 재료를 만드는 것은 불가능하였다.
이와 같이, 종래의 테프론과 카본을 이용하여 면상발열체를 제조하는 방법을 정리하여 보면, 1)코팅 및 히팅(Coating and heating)하여 제조하는 방법, 2)고온 압출(Hot extrusion)하여 제조하는 방법과, 3)냉간압연 및 소결(Cold rolling and sintering)하여 제조하는 방법과, 4)냉간 압연 및 열간 압연(Cold rolling and hot rolling)하여 제조하는 방법과, 5)열간 압연(hot rolling)하여 제조하는 방법 등을 주로 이용할 수 있었다.
이와 같이 1)코팅 및 히팅하여 제조하는 방법의 경우, 면직물 혹은 유리섬유에 주로 시도하였으나, 유리섬유직물에는 성형이 되지 않고, 면직물에는 성형 또는 성형이 되나 온도를 충분히 높일 수 없어서, 250℃ 이하에서 짧은 시간 동안 가열하므로 문제를 해결하여 결과적으로 양산은 할 수 있었으나 내열도 감소로 인해 품질 저하 되는 문제점을 지녔다.
면직물에는 코팅이 가능하나 내열도 감소로 인해 품질저하되는 문제점을 지녔다.
그리고, 2)고온 압출하여 제조하는 방법은 카본을 소정량 함유하고, 일정 온도에서 압출하는 조성물이 흐름성이 없고 장비의 입구(Die)를 통해 배출되지 못하므로 양산이 어려운 문제점이 있었다.
그리고, 3)냉간압연 및 소결하여 제조하는 방법은 회전수가 다른 롤러에서 성형한 시트를 300℃에서 소성하는 조건으로 제조하였으나, 양산은 가능하지만, 기계적 강도가 낮고 내부 결함이 많이 존재하였다.
또한, 4)냉간 압연 및 고온 압연하여 제조하는 방법은 회전수가 다른 롤러에서 성형한 그린시트를 고온에서 핫 롤링하는 조건으로 제조하였으나, 핫 롤링시 시트의 구겨짐이 심하여 연속적인 시트의 제작이 어려움이 있었으며, 이를 해결하기 위하여 핫 롤러들의 정밀한 간격 조절을 하지만, 생산수율이 감소로 인해 만족스러운 결과를 얻지 못하였다.
그리고, 5)열간 압연하여 제조하는 방법은 회전수가 동일한 수평형 핫 롤러에서 고온 성형하는 경우, 롤러 윗부분에서의 소결된 굵은 입자들의 성장으로 인해 시트 성형이 불가능하였다.
따라서, 이를 개선할 필요성이 대두 되었다.
본 발명은 상기와 같은 필요성에 의해 창출된 것으로서, 테플론 분말, 카본 분말 및 물의 혼합물을 건조한 후 유동화 베드 호퍼에서 유지하다가 수평으로 놓인 다수의 핫 롤러들 사이에 투입하여 시트 형태로 성형을 하므로 면상발열체 시트의 특성을 개선하는 면상발열체 시트 제조장치 및 그의 제조방법을 제공하는 것이 목적이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체 시트 제조장치는, 건조된 테프론 및 카본 혼합분말을 공급하는 공급부재; 상기 공급부재에서 공급된 테프론 및 카본 혼합분말을 이송하는 이송부재; 상기 이송부재에서 이송된 테프론 및 카본 혼합분말을 투입하고, 후속공정으로 안정적으로 공급하는 유동화베드 호퍼; 및 상기 유동화베드 호퍼에서 이송된 상기 테프론 및 카본 혼합분말을 열간 압연하여 시트로 가공하는 핫 롤링부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공급부재는 상기 테프론 및 카본 혼합분말을 하부로 공급하는 호퍼인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이송부재는 상기 공급부재의 하부에 위치하고, 회전 가능하게 설 치되는 한 쌍의 이송롤러; 상기 이송롤러에 감겨져서 상기 테프론 및 카본 혼합분말을 이송하는 이송벨트; 및 상기 이송롤러에 연결되어 구동력을 제공하는 동력발생부재를 포함하는 벨트 컨베이어인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유동화베드 호퍼의 출구 바닥에는 상기 테프론 및 카본 혼합분말이 뭉치거나 입자로 성장하는 것을 방지하고, 수분을 제거하기 위해 혼합분말을 부유하거나 유동하게 하는 뭉침방지부재가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 뭉침방지부재는 임펠러로서, 회전속도가 100~2000rpm인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 핫 롤링부재는 상기 유동화베드 호퍼의 출구 하부에 위치하여 상기 테프론 및 카본 혼합분말을 테플론 입자의 유리 점 즉 유리전이온도(glass transition temperature)이하의 온도로 압연하여 시트를 기공하는 제1,제2압연롤러; 및 상기 제2압연롤러에서 배출되는 시트의 이방성 및 표면저항을 개선하기 위해 테플론 입자의 유리점 이상의 온도로 압연하는 제3압연롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1,제2압연롤러에서 가해지는 온도범위는 150~250℃이고, 상기 제3압연롤러에서 가해지는 온도범위는 250~400℃인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 핫 롤링부재는 상기 유동화베드 호퍼의 출구 하부에 위치하여 상기 테프론 및 카본 혼합분말을 테플론 입자의 유리점 이하의 온도로 압연하여 시트를 기공하는 제1,제2압연롤러; 및 상기 제2압연롤러에서 배출되는 시트의 이방성 및 표면저항을 개선하기 위해 테플론 입자의 유리점 이상의 온도로 열처리하는 열 매체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1,제2압연롤러에서 가해지는 온도범위는 150~250℃이고, 상기 열매체에서 형성되는 열처리 온도범위는 250~400℃이며, 상기 열매체는 전기로 또는 가열시스템인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 카본은 전기전도성을 갖는 카본 블랙, 카본 나노 튜브 및 흑연분말 중 적어도 어느 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체 시트 제조방법은, 테프론 분말, 물, 분산제, 카본 분말을 준비하는 원료준비단계; 상기 테프론 분말, 물, 분산제, 카본 분말을 혼합하여 테프론 및 카본 혼합물로 만드는 원료혼합단계; 상기 테프론 및 카본 혼합물을 건조하여 테프론 및 카본 혼합분말로 만드는 건조단계; 건조된 상기 테프론 및 카본 혼합분말을 공급부재에서 이송부재를 거쳐 유동화베드 호퍼로 투입하는 공급단계; 및 상기 유동화베드 호퍼에 투입된 상기 테프론 및 카본 혼합분말을 하부로 공급하고 압연하여 필름 형태의 시트를 가공하는 핫 롤링단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 원료혼합단계에서 상기 테프론 및 카본 혼합물은, 상기 테프론 30~58중량부, 상기 물 15~25중량부, 상기 분산제 0.002~1중량부 및 상기 카본 분말 2~50중량부를 포함하여 혼합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 원료혼합단계는 상기 테프론 분말 입자를 분산제와 물을 혼합한 수용액에 분산시켜 테프론 분산액을 만드는 1차 혼합단계; 및 상기 테프론 분산액에 상기 카본 분말을 혼합하여 테프론 및 카본 혼합물을 만드는 2차 혼합단계를 포 함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 1차 혼합단계에서, 상기 테프론 분산액의 상기 테프론 입자의 크기는 10 ~ 1000 나노미터(nm) 범위인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 건조단계에서 상기 테프론 및 카본 혼합분말을 저온으로 건조하되, 저온 건조하기 위한 온도범위는 -50 ~ 150℃인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공급단계에서, 상기 유동화베드 호퍼의 출구 바닥에는 상기 테프론 및 카본 혼합분말이 뭉치거나 입자로 성장하는 것을 방지하고, 수분을 제거하기 위해 혼합분말을 부유하거나 유동하게 하는 뭉침방지부재가 더 구비되고, 상기 뭉침방지부재는 회전속도가 100~2000rpm인 임펠러인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 핫 롤링단계에서, 상기 테프론 및 카본 혼합분말을 테플론 입자의 유리점 이하인 150~250℃의 온도범위에서 제1,제2압연롤러를 이용하여 상기 시트를 가공하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 핫 롤링단계 후에 상기 시트의 이방성 및 표면저항을 개선하기 위해 압연 또는 열처리하여 가공하는 이차 가공단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이차 가공단계는 시트의 이방성 및 표면저항을 개선하기 위해 테플론 입자의 유리점 이상인 250~400℃의 온도범위로 가공하기 위해서 제3압연롤러로 압연하거나 열매체로 열처리하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 건조단계 후에 상기 테프론 및 카본 혼합분말을 더욱더 잘게 분쇄하는 분쇄 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 카본은 전기전도성을 갖는 카본 블랙, 카본 나노 튜브 및 흑연분말 중 적어도 어느 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 면상발열체 시트 제조장치 및 그의 제조방법은, 테플론 분말, 카본 분말 및 물의 혼합물을 건조한 후 유동화 베드 호퍼에서 유지하다가 수평으로 놓인 다수의 핫 롤러들 사이에 투입하여 시트 형태로 성형을 하므로 내부 조성이 균일하고, 시트가 얇게 가공되면서 쉽게 찢어지지 않으므로 면상발열체 시트의 특성을 개선하는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 면상발열체 시트 제조장치 및 그의 제조방법은, 유동화베드 호퍼 내에 뭉침방지부재인 임펠러를 설치하여 테프론 및 카본 혼합분말에서 수분을 완전하게 제거한 상태에서 분말 상태로 유체화하여 후속공정으로 공급하므로 품질이 양호하고 연속적인 필름 형태의 시트를 얻을 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 면상발열체 시트 제조장치를 설명하도록 한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체 시트 제조장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체 시트 제조장치의 사시도이며, 도 3의 본 발명의 다른 실시예에 따른 면상발열체 시트 제조장치의 구성도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체 시트 제조장치의 구성은, 공급부재(10), 이송부재(20), 유동화베드 호퍼(30) 및 핫 롤링부재(40)(140)를 포함하여 이루어진다.
공급부재(10)는 건조된 테프론 및 카본 혼합분말을 공급하는 구성으로서, 테프론 및 카본 혼합분말을 하부로 공급하는 호퍼(hopper)인 것인 것이 바람직하다.
공급부재(10)인 호퍼는 하부에 위치한 출구 구멍을 통하여 테프론 및 카본 혼합분말을 공급한다.
이송부재(20)는 공급부재(10)에서 공급된 테프론 및 카본 혼합분말을 이송한다.
이송부재(20)는 공급부재(10)의 하부에 위치하고, 회전 가능하게 설치되는 한 쌍의 이송롤러(22), 이송롤러(22)에 감겨져서 테프론 및 카본 혼합분말을 이송하는 이송벨트(24) 및 이송롤러(22)에 연결되어 구동력을 제공하는 동력발생부재(26)를 포함하는 벨트 컨베이어인 것이 바람직하다.
이송부재(20)인 벨트 컨베이어는 공급받은 테프론 및 카본 혼합분말을 정량속도로 이송하는 것이 바람직하다.
유동화베드 호퍼(30)는 이송부재(20)에서 이송된 테프론 및 카본 혼합분말을 투입하고, 후속공정으로 안정적으로 공급한다.
한편, 유동화베드 호퍼(30)의 출구 바닥에는 테프론 및 카본 혼합분말이 뭉치거나 입자로 성장하는 것을 방지하고, 수분을 제거하기 위해 혼합분말을 부유하거나 유동하게 하는 뭉침방지부재(32)가 더 구비된다.
유동화베드 호퍼(30) 내에 있는 테프론 및 카본 혼합분말은 건조를 한다 하더라도 저온 건조를 하기 때문에 약간의 수분이 함유되어 있으며 이것이 핫 롤링부재(40)에 닿을 때 수분이 가스화되면서 폭발적으로 방출되어 작업을 해치는 경우가 많다.
따라서, 유동화 베드 호퍼(30) 내에서 임펠러를 이용하여 테프론 및 카본 혼합분말이 부유하도록 유동화(유체화)하게 하면, 분말이 골고루 섞여져 잔류 수분을 완전히 제거할 수 있어서 에너지를 절약할 뿐만 아니라 작업의 안정성도 기할 수가 있다.
뭉침방지부재(32)는 임펠러로서, 회전속도가 100~2000rpm인 것이 바람직하다. 가장 바람직한 회전 속도는 500 ~ 1500 rpm이다. 물론, 뭉침방지부재(32)인 임펠러의 회전속도를 반드시 제한하는 것은 아니다.
유동화베드 호퍼(30)의 온도는 150 ℃이하로 유지하는 것이 바람직하다.
뭉침방지부재(32)인 임펠러의 구동력은 미도시되어 있지만, 임펠러의 중심부분에 형성된 축에 연결된 구동모터 또는 기타 동력부재를 이용하여 구동하도록 구성한다. 이러한 구성은 일반적이므로 상세한 설명을 생략한다.
그리고, 뭉침방지부재(32)는 유동화베드 호퍼(30)의 내부에 설치되어 테프론 및 카본 혼합분말을 안정적으로 공급할 수 있는 장치이면 어떠한 장치를 적용하여도 무방하다.
핫 롤링부재(40)(140)는 유동화베드 호퍼(30)에서 이송된 상기 테프론 및 카본 혼합분말을 열간 압연하여 시트(1)로 가공한다.
우선, 도 1 및 도 2를 참조하여, 일 실시예에 따른 면상발열체 시트 제조장치의 핫 롤링부재(40)의 구성은 제1,제2압연롤러(42)(44) 및 제3압연롤러(46)를 포함한다.
제1,제2압연롤러(42)(44)는 유동화베드 호퍼(30)의 출구 하부에 위치하여 테프론 및 카본 혼합분말을 테플론 입자의 유리점이하의 온도로 압연하여 시트(19)를 가공한다.
제1,제2압연롤러(42)(44)에서 가해지는 온도범위는 150~250℃인 것이 바람직하다.
테플론의 유리점은 300±50℃ 범위를 갖는 것으로 알려져 있다.
이때, 제1,제2압연롤러(42)(44)에서 가해지는 온도가 250℃이하인 이유는 제1,제2압연롤러(42)(44) 안으로 투입된 테프론 및 카본 혼합분말은 롤러안의 고온과 고압에 의해 소결반응이 일어나게 된다. 입경이 작은 테플론 입자들의 높은 반응성으로 인해 순간적으로 분말 입자들이 결합되면서 성형이 되며 카본, 바람직하게는 카본 블랙의 기공사이로 섬유조직처럼 뚫고, 꿰는 역할을 하여 견고한 판상으로 성형되는 것이다.
만일, 제1,제2압연롤러(42)(44)로 핫 롤링하기 전에 높은 온도에서 오래 머무르면 테플론 입자들끼리만 소결되게 되어 카본과의 결합력이 감소하게 된다. 아울러 미세한 결함들의 다량으로 발생하여 실용적인 제품을 얻을 수가 없다.
즉, 효과적인 성형은 짧은 순간의 고온과 고압에서 이루어져야 한다는 것이다. 제1,제2압연롤러(42)(44) 사이에서 압연 성형된 시트(1)는 분말의 퍼짐에 의해 성형된 것이기 때문에 완전히 균일하지 않으며 이는 적외선 온도계로 각 부위의 온도를 측정하거나 표면 저항 측정기로 각 부위들을 측정할 때 불균질한 특성으로 나타낼 수 있다.
이와 같이, 250℃ 이하의 온도에서는 비교적 핫 롤링시 테플론 및 카본 분말이 롤링 전에 미리 소결된다는 문제가 없으며 분말의 자체 소결도 일어나지 않는다. 그러면서도 롤러들 사이에 들어가서 압력을 받게 되면 입자들이 서로 붙게 되며 시트(1)로 성형이 된다. 즉, 이때, 가장 적합한 온도는 150 ~ 250℃ 사이의 온도 범위인 것이기 때문이다.
그리고, 제3압연롤러(46)는 제2압연롤러(44)에서 배출되는 시트(1)의 이방성 및 표면저항을 개선하기 위해 테플론 입자의 유리점 이상의 온도로 2차 압연한다.
제3압연롤러(46)에서 가해지는 온도범위는 250~400℃인 것이 바람직하다.
이때, 제3압연롤러(46)에서 가해지는 온도범위가 250~400℃이유는 1치 압연된 시트(1)는 이방성이 지나치게 강하고, 표면저항도 높아서 원하는 목적을 달성하기 어렵기 때문이다. 이방성은 쉬트의 롤링 방향과 축 방향에서의 특성차이를 말하는 것인데, 롤링방향으로는 강도가 높으나 그와는 수직인 축 방향으로는 매우 약하 다.
이 이방성은 성형 온도가 높을수록 줄어드는 현상인데 테플론의 유리 전이점이 300±50℃ 범위에 있으므로 적어도 250℃ 이상의 온도에서 유지해 주어야 한다. 만약, 미분말의 테플론인 경우, 약간 낮은 온도 즉 250 ~ 275℃ 범위에서도 액체의 거동을 보일 수 있으나 입자들이 성장하면서 곧 높은 온도로 전이하기 때문에 그때는 300℃이상의 온도가 필요하기 때문이다.
즉, 이러한 문제 때문에, 제1,제2압연롤러(42)(44) 사이에서 압연 성형된 시트(1)를 테플론의 유리점 이하의 온도(150 ~ 250℃)에서 1차 가공한 후, 제3압연롤러(46)를 이용하여 시트(1)를 테플론의 유리점 이상의 온도(250 ~ 400℃)에서 2차 가공하는 것이다. 이렇게 최종적으로 얻어진 시트(1)는 이방성이 사라지고 도전율도 상승하게 된다.
한편, 2차 가공은 반드시 제3압연롤러(46)를 이용하지 않아도 가능하다. 이러한 가공방법을 도 3에 도시된 다른 실시예에 따른 면상발열체 시트 제조장치의 핫 롤링부재(140)에 의해 수행하는 상태를 살펴본다.
도 3을 참조하면, 다른 실시예에 따른 면상발열체 시트 제조장치의 핫 롤링부재(140)의 구성은 제1,제2압연롤러(142)(144) 및 열매체(146)를 포함한다.
제1,제2압연롤러(142)(144)는 유동화베드 호퍼(30)의 출구 하부에 위치하여 상기 테프론 및 카본 혼합분말을 테플론 입자의 유리점 이하의 온도로 압연하여 시트(19)를 1차 가공한다. 제1,제2압연롤러(142)(144)에서 가해지는 온도범위는 150 ~ 250℃이다.
이러한 구성은 일 실시예에 따른 제1,제2압연롤러(42)(44)의 구성 및 효과와 동일하므로 앞에서 이루어진 설명으로 대체한다.
열매체(146)는 제2압연롤러(144)에서 배출되는 시트(1)의 이방성 및 표면저항을 개선하기 위해 테플론 입자의 유리점 이상의 온도로 열처리하여 2차 가공한다.
열매체(146)에서 형성되는 열처리 온도범위는 250~400℃이다.
열매체(146)는 전기로 또는 가열시스템을 적용하는 것이 바람직하다. 물론, 열을 가할 수 있는 구성이라면 어떠한 구성이라도 적용하는 것이 가능하다.
그리고, 배출되는 시트(1)는 권취기(50)에서 감아주도록 한다.
한편, 시트(1)의 원료로 사용되는 카본은 전기전도성을 갖는 카본 블랙, 카본 나노 튜브 및 흑연분말 중 적어도 어느 하나 이상 포함하는 것이 바람직하다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체 시트 제조방법을 살펴보도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 원료를 혼합하여 테프론 및 카본 혼합분말로 만드는 과정을 보인 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체 시트 제조방법을 도식화한 순서도 이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체 시트 제조방법의 구성은, 원료준비단계(S10), 원료혼합단계(S20), 건조단계(S30), 공급단계(S40) 및 핫 롤링단계(S50)를 포함하여 이루어진다.
원료준비단계(S10)는 테프론 분말, 물, 분산제, 카본 분말을 준비하는 단계이다.
원료혼합단계(S20)는 테프론 분말, 물, 분산제, 카본 분말을 혼합하여 테프론 및 카본 혼합물로 만드는 단계이다.
원료혼합단계(S20)에서 테프론 및 카본 혼합물은, 테프론 30~58중량부, 물 15~25중량부, 분산제 0.002~1중량부 및 카본 분말 2~50중량부를 포함하여 혼합되는 것이 바람직하다.
한편, 원료혼합단계(S20)는 테프론 분말 입자를 분산제와 물을 혼합한 수용액에 분산시켜 테프론 분산액을 만드는 1차 혼합단계(S22) 및 테프론 분산액에 카본 분말을 혼합하여 테프론 및 카본 혼합물을 만드는 2차 혼합단계(S24)를 포함한다.
1차 혼합단계(S22)에서, 테프론 분산액의 테프론 입자의 크기는 10 ~ 1000 나노미터(nm) 범위를 갖는 것이 바람직하며, 작은 입자들이 더 바람직한 이유는 큰 표면적으로 인해 반응성이 높고 카본 블랙의 빈 공간으로 잘 침투할 수 있는 성질을 갖는다.
분산제는 인산 암모늄(燐酸, ammonium phosphate)인 것을 특징으로 한다. 인산암모늄은 인에 암모늄을 반응시킨 화합물이다.
카본 분말은 전기전도성을 갖는 조성으로서, 카본 블랙, 카본 나노 튜브 및 흑연분말 중 적어도 어느 하나 이상 포함하는 것을 사용하도록 한다.
여기서 카본 블랙을 적용하는 것이 가장 바람직하고, 카본 블랙은 아세틸렌 블랙과 같은 비표면적이 크고 전기 전도성이 높은 종류들을 준비한다. 본 발명에서 선택한 카본 블랙은 900 ~1400 m2/g의 매우 큰 비표면적을 갖고 있으며, 전기 도전성이 높은 조성원료이다.
카본이 도전성을 나타내기 위해서는 카본 함량이 최소 중량비로 4중량부(중량%) 이상이 되어야 하며 최대 50중량부까지도 혼입을 할 수 있으나 전기 전도성은 20중량부 이상에선 뚜렷한 증가가 없이 기계적 특성만 저하하게 되므로 실용적인 조성범위는 4-20중량부의 카본 함량이다.
먼저, 도 4의 첫 번째 그림을 참조하면, 원료혼합단계(S20)에서, 테프론 및 카본 혼합물을 만들기 위한 혼합은 무중력 혼합기나 니더를 사용하여 충분히 교반을 해 주면 각각의 테플론 입자들이 용액 상태에서 분산제의 도움을 받아 카본 블랙의 빈 공간 속으로 침투하면서 박혀있게 되는데 나중에 성형시 이 입자들이 서로 연결되면서 카본과 단단한 고리를 형성하게 된다.
건조단계(S30)는 테프론 및 카본 혼합물을 건조하여 테프론 및 카본 혼합분말로 만드는 단계이다.
건조단계(S30)에서 테프론 및 카본 혼합분말을 저온으로 건조하되, 저온 건조하기 위한 온도범위는 -50 ~ 150℃이다.
도 4의 두 번째 그림을 참조하면, 테프론 및 카본 혼합분말을 건조해서 물기를 제거하면 카본과 테플론 입자들이 서로 엉겨붙은 분말이 되는데, 이때, 비교적 저온에서 건조하는 것이 바람직하다.
바람직하게는 건조 온도는 200℃ 이하면 되지만 150℃ 이상에서는 테플론 입자들이 서로 반응하여 고분자화 되기 때문에 추후 열간 가공을 할 때 결함이 많은 약한 조직으로 성형 될 가능성이 높다. 이를 방지하기 위해서는 150℃ 이하에서 장시간 건조하여 건조 분말을 만드는 것이 바람직하다.
이렇게 만들어진 분말은 여전히 높은 표면에너지를 갖으므로 높은 온도에서 빠른 속도로 반응하고 우수한 결합력과 치밀함을 보이게 된다. 따라서 건조할 때는 가능하면 상온에서 건조하거나 동결 건조, 진공 건조방법이 더 좋은 결과를 보인다.
공급단계(S40)는 건조된 상기 테프론 및 카본 혼합분말을 공급부재(10)에서 이송부재(20)를 거쳐 유동화베드 호퍼(30)로 투입한다.
공급단계(S40)에서, 유동화베드 호퍼(30)의 출구 바닥에는 테프론 및 카본 혼합분말이 뭉치거나 입자로 성장하는 것을 방지하고, 수분을 제거하기 위해 혼합분말을 부유하거나 유동하게 하는 뭉침방지부재(32)가 더 구비된다.
뭉침방지부재(32)는 회전속도가 100~2000rpm인 임펠러이다.
도 4의 세 번째 그림을 참조하면, 핫 롤링단계(S50)는 유동화베드 호퍼(30)에 투입된 테프론 및 카본 혼합분말을 하부로 공급하여 압연하므로 얇은 필름 형태의 시트(1)를 가공한다.
핫 롤링단계(S50)에서, 테프론 및 카본 혼합분말을 테플론 입자의 유리점 이하인 150~250℃의 온도범위에서 서로 접하여 회전하는 제1,제2압연롤러(142)(144)를 이용하여 시트(19)를 가공한다.
핫 롤링단계(S50) 후에 시트(1)의 이방성 및 표면저항을 개선하기 위해 압연 또는 열처리하여 가공하는 이차 가공단계(S60)를 더 포함한다.
이차 가공단계(S60)는 시트(1)의 이방성 및 표면저항을 개선하기 위해 테플론 입자의 유리점 이상인 250~400℃의 온도범위로 가공하기 위해서 제3압연롤러(46)로 압연하거나 열매체(146)로 열처리하는 것이 바람직하다.
건조단계(S30) 후에 테프론 및 카본 혼합분말을 더욱더 잘게 분쇄하는 분쇄 단계(S35)를 더 포함한다.
그리고, 이차 가공단계(S60) 후에는 이차 가공된 시트(1)를 사용하기 편리한 크기로 재단하는 재단단계(S70)를 더 구비할 수 있다.
본 발명의 면상발열체 시트 제조방법에서, 공급단계(S40), 핫 롤링단계(S50) 및 이차 가공단계(S60)에서, 테프론 및 카본 혼합분말이 시트(1)로 가공될 때, 조성의 변화에 대해서는 이미 면상발열체 시트 제조장치에서 상세하게 설명하였으므로 여기서는 상세한 설명을 생략한다.
이하, 상기한 본 발명의 면상발열체 시트 제조장치 및 그의 제조방법을 이용하여 테프론 및 카본 혼합분말을 시트(1)로 제조하는 공정에서, 카본 함량, 건조 온도, 1차 핫 롤링온도, 2차 핫 롤링 또는 열처리 온도, 두께 등을 설정하여 가공된 시트(1)를 제조하여 비저항과 온도계수를 측정하는 실험을 아래에서 실시한다.
이 실험은 하나의 일례로서 보이는 것이므로 본 발명의 권리를 한정하지는 않는다.
[실험 예]
[표 1] 제조 조건에 따른 물성 변화
실험번호 카본
중량%		 건조온도℃ 핫롤링 온도℃ 2차 열처리 ℃ 두께(mm) 비저항(Ω m)
평균치±40%편차		 온도계수(/K)
1 2 100 250 0.01 ~ 0.1 >1,000
2 3 100 250 0.02 ~ 0.15 >1,000
3 4 100 250 0.05 ~0.2 0.2 1 x10-4
4 5 100 275 0.02 ~ 0.2 0.03 1 x10-4
5 5 100 150 0.05 ~ 0.3 0.9 1 x10-4
6 5 100 150 300 (전기로) 0.05 ~ 0.3 0.05 1 x10-4
7 5 150 150 275 (핫 롤링) 0.01 ~ 0.2 0.03 1 x10-4
8 5 150 150 350 (핫롤링) 0.01 ~ 0.2 0.03 1 x10-4
9 5 150 250 0.05 ~ 0.3 0.65 1 x10-4
10 10 150 250 0.1 ~ 0.5 0.015 -1 x10-3
11 15 150 300 0.1 ~ 0.5 4.0 x10-3 -2 x10-3
12 20 150 320 0.1 ~ 1.0 3.9 x10-3 -5 x10-3
13 40 150 330 0.5 ~ 2.0 0.26 -7.2 x10-3
표 1에는 각 제조 조건에 따른 특성을 보여주고 있다.
실험번호 1,2에서 나타난 바와 같이, 카본 2중량%(중량부)와 3중량% 까지는 비저항이 측정범위를 벗어나므로 전기 전도성이 충분하지 않은 것으로 나타난다.
실험번호 3 내지 13에서 나타난 바와 같이, 카본 4중량% 부터는 도전성을 충분하게 보이고 있다.
그리고, 실험번호 5,6,7,8,9,10은 모두 카본 5중량%를 이루는 상태에서, 실험번호 5,6,7은 건조 온도가 100℃이고, 실험번호 8,9,10은 건조 온도가 150℃인 상태를 보여 주고 있다, 여기에서, 건조 온도(2차 열처리 단계 포함)가 높으면 성형 전에 미리 반응이 일어나서 핫 롤링시 매우 높은 온도가 요구되며 조직 또한 결 함이 많아서 도전율이 감소하는 상태를 나타내고 있다.
두께는 카본 함량이 높을수록 두껍게 성형이 되는 경향이 있으며 얇게 성형되도록 롤러간의 간격을 지나치게 좁히면 잘게 찢어진 형태로 밖에 성형이 되지 않는다.
온도 계수(temperature coefficient)는 실험번호 1 내지 9에 나타난 바와 같이, 카본 함량이 적으면 PTC(positive temperature coefficient)를 보이고, 실험번호 10 내지 13에 나타난 바와 같이, 카본 함량(10중량% 이상)이 많으면 NTC(negative temperature coefficient)를 보인다.
이것은 조성에 따라서 전기전도성의 다양한 효과를 기대할 수 있게 한다. 즉 NTC를 갖는 시트(1)는 긴 직렬연결 발열체나 높은 전압 예를 들어 교류 110 혹은 220V를 사용할 때 적합하고, PTC를 갖는 시트(1)는 직류전원과 병렬로 연결된 여러 개의 발열체를 동시에 사용하는 시스템에서 적합하다.
본 발명에 따른 면상발열체 시트 제조장치 및 그의 제조방법은, 테플론 분말, 카본 분말 및 물의 혼합물을 건조한 후 유동화 베드 호퍼(30)에서 유지하다가 수평으로 놓인 다수의 핫 롤러들 사이에 투입하여 시트 형태로 성형을 하므로 내부 조성이 균일하고, 시트(1)가 얇게 가공되면서 쉽게 찢어지지 않으므로 면상발열체 시트의 특성을 개선하는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 면상발열체 시트 제조장치 및 그의 제조방법은, 유동화베드 호퍼(30) 내에 뭉침방지부재(32)인 임펠러를 설치하여 테프론 및 카본 혼합분말에서 수분을 완전하게 제거한 상태에서 분말 상태로 유체화하여 후속공정으로 공급하므로 품질이 양호하고 연속적인 필름 형태의 시트(1)를 얻을 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체 시트 제조장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체 시트 제조장치의 사시도.
도 3의 본 발명의 다른 실시예에 따른 면상발열체 시트 제조장치의 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 원료를 혼합하여 테프론 및 카본 혼합분말로 만드는 과정을 보인 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체 시트 제조방법을 도식화한 순서도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 공급부재 20 : 이송부재
22 : 이송롤러 24 : 이송벨트
26 : 동력발생부재 30 : 유동화베드 호퍼
32 : 뭉침방지부재 40,140 : 핫 롤링부재
42,142 : 제1압연롤러 44,144 : 제2압연롤러
46 : 제3압연롤러 146 : 열매체

Claims (21)

  1. 건조된 테프론 및 카본 혼합분말을 공급하는 공급부재;
    상기 공급부재에서 공급된 테프론 및 카본 혼합분말을 이송하는 이송부재;
    상기 이송부재에서 이송된 테프론 및 카본 혼합분말을 투입하고, 후속공정으로 안정적으로 공급하는 유동화베드 호퍼; 및
    상기 유동화베드 호퍼에서 이송된 상기 테프론 및 카본 혼합분말을 열간 압연하여 시트로 가공하는 핫 롤링부재를 포함하고,
    상기 유동화베드 호퍼의 출구 바닥에는 상기 테프론 및 카본 혼합분말이 뭉치거나 입자로 성장하는 것을 방지하고, 수분을 제거하기 위해 혼합분말을 부유하거나 유동하게 하는 뭉침방지부재가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 면상발열체 시트 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공급부재는 상기 테프론 및 카본 혼합분말을 하부로 공급하는 호퍼인 것을 특징으로 하는 면상발열체 시트 제조장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 이송부재는
    상기 공급부재의 하부에 위치하고, 회전 가능하게 설치되는 한 쌍의 이송롤러;
    상기 이송롤러에 감겨져서 상기 테프론 및 카본 혼합분말을 이송하는 이송벨 트; 및
    상기 이송롤러에 연결되어 구동력을 제공하는 동력발생부재를 포함하는 벨트 컨베이어인 것을 특징으로 하는 면상발열체 시트 제조장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 뭉침방지부재는 임펠러로서, 회전속도가 100~2000rpm인 것을 특징으로 하는 면상발열체 시트 제조장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 핫 롤링부재는
    상기 유동화베드 호퍼의 출구 하부에 위치하여 상기 테프론 및 카본 혼합분말을 테플론 입자의 유리점 이하의 온도로 압연하여 시트를 기공하는 제1,제2압연 롤러; 및
    상기 제2압연롤러에서 배출되는 시트의 이방성 및 표면저항을 개선하기 위해 테플론 입자의 유리점 이상의 온도로 압연하는 제3압연롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 면상발열체 시트 제조장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1,제2압연롤러에서 가해지는 온도범위는 150~250℃이고,
    상기 제3압연롤러에서 가해지는 온도범위는 250~400℃인 것을 특징으로 하는 면상발열체 시트 제조장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 핫 롤링부재는
    상기 유동화베드 호퍼의 출구 하부에 위치하여 상기 테프론 및 카본 혼합분말을 테플론 입자의 유리점 이하의 온도로 압연하여 시트를 기공하는 제1,제2압연롤러; 및
    상기 제2압연롤러에서 배출되는 시트의 이방성 및 표면저항을 개선하기 위해 테플론 입자의 유리점 이상의 온도로 열처리하는 열매체를 포함하는 것을 특징으로 하는 면상발열체 시트 제조장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1,제2압연롤러에서 가해지는 온도범위는 150~250℃이고,
    상기 열매체에서 형성되는 열처리 온도범위는 250~400℃이며,
    상기 열매체는 전기로 또는 가열시스템인 것을 특징으로 하는 면상발열체 시트 제조장치.
  10. 제 1항 내지 제 3 항, 제 5 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 카본은 전기전도성을 갖는 카본 블랙, 카본 나노 튜브 및 흑연분말 중 적어도 어느 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 면상발열체 시트 제조장치.
  11. 테프론 분말, 물, 분산제, 카본 분말을 준비하는 원료준비단계;
    상기 테프론 분말, 물, 분산제, 카본 분말을 혼합하여 테프론 및 카본 혼합물로 만드는 원료혼합단계;
    상기 테프론 및 카본 혼합물을 건조하여 테프론 및 카본 혼합분말로 만드는 건조단계;
    건조된 상기 테프론 및 카본 혼합분말을 공급부재에서 이송부재를 거쳐 유동화베드 호퍼로 투입하는 공급단계; 및
    상기 유동화베드 호퍼에 투입된 상기 테프론 및 카본 혼합분말을 하부로 공급하고 압연하여 필름 형태의 시트를 가공하는 핫 롤링단계를 포함하고,
    상기 원료혼합단계에서 상기 테프론 및 카본 혼합물은, 상기 테프론 30~58중량부, 상기 물 15~25중량부, 상기 분산제 0.002~1중량부 및 상기 카본 분말 2~50중량부를 포함하여 혼합되는 것을 특징으로 하는 면상발열체 시트 제조방법.
  12. 삭제
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 원료혼합단계는
    상기 테프론 분말 입자를 분산제와 물을 혼합한 수용액에 분산시켜 테프론 분산액을 만드는 1차 혼합단계; 및
    상기 테프론 분산액에 상기 카본 분말을 혼합하여 테프론 및 카본 혼합물을 만드는 2차 혼합단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 면상발열체 시트 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 1차 혼합단계에서, 상기 테프론 분산액의 상기 테프론 입자의 크기는 10 ~ 1000 나노미터(nm) 범위인 것을 특징으로 하는 면상발열체 시트 제조방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 건조단계에서 상기 테프론 및 카본 혼합분말을 저온으로 건조하되, 저온 건조하기 위한 온도범위는 -50 ~ 150℃인 것을 특징으로 하는 면상발열체 시트 제조방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 공급단계에서, 상기 유동화베드 호퍼의 출구 바닥에는 상기 테프론 및 카본 혼합분말이 뭉치거나 입자로 성장하는 것을 방지하고, 수분을 제거하기 위해 혼합분말을 부유하거나 유동하게 하는 뭉침방지부재가 더 구비되고,
    상기 뭉침방지부재는 회전속도가 100~2000rpm인 임펠러인 것을 특징으로 하는 면상발열체 시트 제조방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 핫 롤링단계에서, 상기 테프론 및 카본 혼합분말을 테플론 입자의 유리점 이하인 150~250℃의 온도범위에서 제1,제2압연롤러를 이용하여 상기 시트를 가 공하는 것을 특징으로 하는 면상발열체 시트 제조방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 핫 롤링단계 후에 상기 시트의 이방성 및 표면저항을 개선하기 위해 압연 또는 열처리하여 가공하는 이차 가공단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 면상발열체 시트 제조방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 이차 가공단계는 시트의 이방성 및 표면저항을 개선하기 위해 테플론 입자의 유리점 이상인 250~400℃의 온도범위로 가공하기 위해서 제3압연롤러로 압연하거나 열매체로 열처리하는 것을 특징으로 하는 면상발열체 시트 제조방법.
  20. 제 11 항에 있어서,
    상기 건조단계 후에 상기 테프론 및 카본 혼합분말을 더욱더 잘게 분쇄하는 분쇄 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 면상발열체 시트 제조방법.
  21. 제 11 항, 제 13항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 카본은 전기전도성을 갖는 카본 블랙, 카본 나노 튜브 및 흑연분말 중 적어도 어느 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 면상발열체 시트 제조방법.
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