KR101260175B1 - 발열체용 전도성 조성물 및 이를 포함하는 면상발열체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 모노머, 바인더, 산화제 및 용매를 포함하는 발열체용 전도성 조성물을 제공한다. 또한, 본 발명은 기재, 발열체용 전도성 조성물을 포함하는 상기 기재상에 형성된 발열층 및 상기 발열층 상에 형성된 전극층을 포함하는 면상 발열체를 제공한다.
본 발명에 따른 발열체용 전도성 조성물은 전류변화에 의해 온도 조절이 가능하고, 고분자 특성상 부분 단락이 발생하여도 연결되어 있는 접촉점이 많아 쇼트나 화재의 위험성이 없다. 또한, 본 발명에 따른 면상발열체는 반복적인 사용에도 저항수치의 변화가 없어서 신뢰성 확보가 용이하며, 끊어지지 않는 전기적 네트워크 효과로 집열 현상에 의한 단락을 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 발열체용 전도성 조성물은 전류변화에 의해 온도 조절이 가능하고, 고분자 특성상 부분 단락이 발생하여도 연결되어 있는 접촉점이 많아 쇼트나 화재의 위험성이 없다. 또한, 본 발명에 따른 면상발열체는 반복적인 사용에도 저항수치의 변화가 없어서 신뢰성 확보가 용이하며, 끊어지지 않는 전기적 네트워크 효과로 집열 현상에 의한 단락을 방지할 수 있다.
Description
본 발명은 발열체용 전도성 조성물 및 이를 포함하는 면상발열체에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 이축연신된 PET 또는 Polyimide 필름에 전도성 고분자 용액을 면상으로 코팅함으로써 단절이나 화재로부터 안전하며 소비전력이 적은 면상발열체를 제공한다.
에너지 자원의 고갈에 따라 세계 각국은 에너지 절약 부분에 많은 투자를 하고 있다. 이러한 흐름에 맞춰 최근 부각되고 있는 면상발열체는 일반적으로 사용하고 있는 전기발열체보다 20~40%의 전력을 감소하는 제품으로 전기 에너지 절약 및 경제적 파급효과가 클 것으로 예상된다.
일반적으로 면상발열체는 전기통전에 의해 발생하는 복사열을 이용하고 있어 온도조절이 용이하고, 공기를 오염시키지 않아 위생과 소음 면에서 장점이 있어 히팅 매트나 패드 등의 침구류에 이용되고 있다. 또한 주택의 바닥 난방, 사무실 및 작업장 등의 산업용 난방, 도장 건조 등 각종 산업장의 가열장치, 비닐하우스나 축사, 농업용 설비, 자동차용 백밀러, 주차장의 동결방지장치, 레저용 방한용 장비, 가전제품 등 폭넓게 이용되고 있다.
한편, 최근 자동차가 점차 고급화됨에 따라 다양한 자동차 시트용 발열체가 생산, 사용되고 있다. 자동차 시트용 발열체는 전기에너지를 열에너지로 변환하여 자동차 시트를 가열해 주는 기구이다.
일반적인 자동차 시트는 얇은 전기도선을 이용하여 순간적인 고전류로 온도를 올려주고, 온도센서나 바이메탈을 통해 전류를 끊었다 흘렸다 하는 방식으로 일정 온도를 유지시켜 준다. 그러나, 상기의 제품은 단선에 의한 제품의 작동 중단이나 전기도선을 중심으로 고열이 발생하므로 주변으로 노출되는 열손실이 발생되는 문제점이 있었다.
통상적으로 면상발열체는 철, 니켈, 크롬, 백금 등의 금속 박판을 에칭한 금속 발열체와 탄화규소, 지르코니아, 탄소 등의 비금속 발열체 등이 주류를 이루고 있었다. 그러나 이들은 열과 내구성이 약하고 제작이 어려운 문제점이 지적되어 왔다. 이에 따라, 최근에는 열과 내구성이 강하고, 열전도도가 좋으며, 열팽창계수가 낮고 가벼운 특징이 있는 카본블랙이 많이 이용되고 있다. 또한, 카본블랙을 이용한 방법은 제작이 쉽고 가격이 저렴하여 면상발열체 연구에 많이 사용되고 있다.
카본블랙 분말을 분산시킨 발열체가 우수한 발열특성을 나타내기 위해서는 고분자 발열시트 내에서 카본블랙 분말들 간의 연속적인 접촉이 이루어져 높은 전기 전도성이 확보되어야 한다. 그러나 카본블랙의 분산 시 입자형상의 카본블랙 분말 간에 접촉이 어렵기 때문에 전기 전도성이 떨어지고, 저온에서 고온까지 온도 조절이 용이하지 못하며, 온도 상승속도가 느린 문제점이 있다. 또한, 전기 전도성을 높이기 위해서는 많은 양의 카본블랙을 분산시켜야 하는 데, 많은 양의 카본블랙을 균일하게 분산시키기는 용이하지 않다. 아울러, 많은 양의 카본블랙 페이스트를 제조한다고 할지라도 이를 소재로 한 면상발열체는 유연성이 부족하여 접거나 구부리는 경우 부서지거나 크랙(crack)현상이 발생되어 전기 전도성에 치명적인 문제가 발생할 수 있다.
따라서 기존 면상발열체의 여러 문제점을 해소하기 위한 면상 발열체에 대한 개발 필요성이 대두되고 있다.
이에, 본 발명은 기존 면상발열체의 여러 문제점을 해소하기 위하여 전류변화에 의해 온도조절이 가능하고, 쇼트나 화재의 위험성이 없는 발열체용 전도성 조성물 및 이를 이용한 면상발열체를 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 모노머; 바인더; 산화제; 및 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 발열체용 전도성 조성물을 제공한다. 본 발명의 일 구현예로, 상기 모노머는 피롤(pyrrole), 3,4-에틸렌다이옥시시오펜(3,4-ethylenedioxythiophene, EDOT) 및 이들의 유도체로부터 선택된다. 본 발명의 다른 구현예로, 상기 바인더는 폴리비닐피롤리돈 또는 폴리비닐아세테이트이다. 본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 산화제는 철(Ⅲ) p-톨루엔설포네이트 헥사하이드레이트(Iron(Ⅲ) p-toluenesulfonate hexahydrate, FTS) 또는 암모늄퍼설포네이트(ammoniumpersulfonate)이다. 본 발명의 또 다른 구현예로, 상기 용매는 에탄올 또는 부탄올이다.
또한, 본 발명은 기재; 발열체용 전도성 조성물을 포함하는 상기 기재상에 형성된 발열층; 및 상기 발열층 상에 형성된 전극층을 포함하는 면상 발열체를 제공한다. 본 발명의 일 구현예로, 상기 기재는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 또는 폴리이미드(Polyimide, PI)이다.
본 발명에 따른 발열체용 전도성 조성물은 전류변화에 의해 온도 조절이 가능하고, 고분자 특성상 부분 단락이 발생하여도 연결되어 있는 접촉점이 많아 쇼트나 화재의 위험성이 없다. 또한, 본 발명에 따른 면상발열체는 반복적인 사용에도 저항수치의 변화가 없어서 신뢰성 확보가 용이하며, 끊어지지 않는 전기적 네트워크 효과로 집열 현상에 의한 단락을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 면상 발열체의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 면상 발열체의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 면상 발열체의 단면도이다.
본 발명에 따른 전도성 조성물은 모노머; 바인더; 산화제; 및 용매를 포함한다. 좀더 구체적으로, 상기 모노머는 피롤(pyrrole), 3,4-에틸렌다이옥시시오펜(3,4-ethylenedioxythiophene, EDOT) 및 이들의 유도체로부터 선택될 수 있다.
상기 바인더는 전도성 조성물 간의 결합력 및 면상 발열체의 기재에 대한 부착력을 제공하기 위한 것으로, 이는 액상 및 분말 상을 포함한다. 이러한 바인더는 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐아세테이드 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 산화제는 철(Ⅲ) p-톨루엔설포네이트 헥사하이드레이트(Iron(Ⅲ) p-toluenesulfonate hexahydrate, FTS) 또는 암모늄 퍼설포네이트(ammoniumpersulfonate)를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 용매는 메틸알콜, 에틸알콜, 이소프로필알콜, 에탄올, 부탄올 등의 알콜류, 벤젠, 크실렌, 텍사놀, 에틸렌글리콜, 부틸카비톨, 에틸셀로솔브, 글리세롤, 및 디메틸술폭시드 등으로부터 선택된 단독 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이러한 유기용매 대신에 수성(물)을 용제로 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 발열체용 전도성 조성물은 액상, 페이스트상 및 분말상을 포함하며, 바람직하게는 면상발열체의 제조 공정에서 유리한 페이스트상이다.
본 발명에 따른 발열체용 전도성 조성물은 전류변화에 의해 온도 조절이 가능하고, 고분자 특성상 부분 단락이 발생하여도 연결되어 있는 접촉점이 많아 쇼트나 화재의 위험성이 없다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 발열체용 전도성 조성물은 전원 인가에 따른 전류에 의해 열을 발생시키는 발열체의 재료로 유용하게 사용된다. 본 발명에 따른 발열체용 전도성 조성물은 판상의 시트나 입체적 형상을 가지는 성형체의 발열체로 제조될 수 있으며, 바람직하게는 이하에서 설명되는 본 발명에 따른 면상발열체의 발열층으로 적용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체의 평면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 면상발열체는 기재(1), 상기 기재상에 형성된 발열층(2) 및 상기 발열층에 형성된 전극층(3)을 포함한다. 이때, 상기 발열층(2)은 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 발열체용 전도성 조성물을 포함한다. 바람직하게는, 상기 발열층(2)은 본 발명에 따른 발열체용 전도성 조성물이 코팅되어 건조되어 형성된다.
발열층의 전기적 특성은 바인더, 모노머, 산화제의 혼합비율로 조절하였으며, 두께는 함량 및 코팅 조건으로 조절될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따는 면상발열체는
모노머, 바인더, 산화제 및 용매를 혼합하여 발열체용 전도성 조성물을 제조하는 단계(제1단계);
상기 제1단계에서 제조된 발열체용 전도성 조성물을 상기 기재(1)에 도포시키는 단계(제2단계); 및
상기 도포 단계 후에 전극층(3)을 형성시키는 전극층형성단계(제3단계)를 포함하는 단계를 통하여 제조될 수 있다.
상기 기재(1)는 유연성을 갖는 것으로서, 합성수지 필름, 섬유시트 또는 종이로부터 선택될 수 있다. 이때, 상기 합성수지 필름은 이에 한정되지는 않으나, 양방향으로 연신된(이축연신) PE(폴리에틸렌), PP(폴리프로필렌), PS(폴리스티렌), PC(폴리카보네이트), PA(폴리아미드), PET(폴리에틸렌테레프탈레이트), PU(폴리우레탄) 및 PI(폴리이미드)로부터 선택될 수 있고, PET 필름 또는 PI 필름이 바람직하다. 상기 PET 필름 또는 PI 필름의 두께는 180 ㎛ 이하이고, 이축 연신 PET나 PI 필름을 기재로 사용하여 160℃까지 발열되는 제품의 용도로 사용할 수 있다. 또한, 상기 섬유시트는 천연섬유나 합성섬유로부터 제조된 직포 및 부직포를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명체 따른 발열체 전도성 조성물을 기재(1) 상에 도포함에 있어서, 스크린 프린팅방식, 롤, 그라비아, 나이프, 분사, 침지코팅방식등을 이용하여 기재(1) 상에 균일하게 코팅할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
또한, 상기 전극층(3)은 알루미늄, 은, 금, 철, 백금, 및 구리 등으로 이루어진 군에서 선택된 단일 금속 또는 합금으로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 은이 사용될 수 있다. 전극층(3)은 발열층(2)의 양 옆에 일정폭으로 인쇄되고, 전극 간의 전류의 흐름을 조절하여 발열층(2)의 발열 온도를 상승 유지되는 것을 결정할 수 있다.
본 발명에 따른 면상발열체는 반복적인 사용에도 저항수치의 변화가 없어서 신뢰성 확보가 용이하며, 끊어지지 않는 전기적 네트워크 효과로 집열 현상에 의한 단락을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
[
실시예
]
실시예
1. 발열체용 전도성 조성물 제조
Matrix polymer로서 poly(vinylpyrrolidone)(PVP)를 사용하였고, 용매로 1-butanol을 이용하였으며, 단량체로 3,4-ethylenedioxythiophene(EDOT)을 사용하였고, 산화제이면서 도판트인 Ferric p-toluenesulfonate(FTS)를 사용하였으며, 지연제로서 pyridine을 사용하였다. 보다 구체적으로,
1) 용매 1-butanol에 단량체의 10%의 PVP를 녹인 후, pyridine 과 EDOT을 몰비 1:1 로 추가하여 용액 1을 제조하였다.
2) Ethanol base의 40% FTS 용액에 고체 FTS를 녹여 45% FTS 용액 2를 제조하였다.
3) 용액 1과 용액 2를 잘 섞음으로써 전도성 조성물을 제조하였다.
4) 용액 1과 용액 2의 혼합비율을 1:2, 1:3으로 조정하여 EDOT(1)과 EDOT(2)를 제조하였다.
실시예
2. 면상 발열체의 발열 특성 실험
2-1. 전류변화에 따른 발열 온도 변화
실시예 1에서 제조된 전도성 조성물을 기재에 코팅하고, 전극을 제작하여 면상발열체를 제조하였다. 상기 전극에 AC 전력을 가하고 전류 변화에 대한 발열 온도 변화를 측정하였고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
EDOT(1)이 EDOT(2)에 비해서 전도도가 높아, 전류 변화에 따른 온도 변화폭이 적어져 온도 조절이 더 미세하게 될 수 있었다.
| 전류(A) | ||||
| 모노머 | 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 |
| 피롤 | 24 | 37 | 65 | - |
| EDOT(1) | 22 | 28 | 42 | 65 |
| EDOT(2) | 25 | 44 | 72 | - |
2-2.
회수별
발열 온도 변화
실시예 1에서 제조된 전도성 조성물을 기재에 코팅하고, 전극을 제작하여 면상발열체를 제조하였다. 전류 0.2A를 인가한 회수별 온도 변화를 측정하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
EDOT(1)이 EDOT(2)에 비해서 전류를 인가한 회수가 증가하여도 온도 변화폭이 상대적으로 적은 것을 확인하였다. 또한 면상발열체가 전류 인가 회수가 증가하여도 온도변화가 거의 없는 안정성을 가지는 것을 알 수 있었다.
| 회수 | ||||
| 모노머 | 1 | 10 | 20 | 30 |
| 피롤 | 37 | 39 | 36 | 38 |
| EDOT(1) | 28 | 27 | 29 | 28 |
| EDOT(2) | 44 | 47 | 41 | 43 |
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예 및 실험예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Claims (7)
- 부탄올을 용매로 하여 바인더를 녹인 후, 지연제와 전도성 고분자 모노머를 몰비 1:1로 추가한 용액 1; 및 에탄올을 용매로 하여 산화제가 45%가 되도록 용해한 용액 2를 포함하는 액상의 발열체용 전도성 조성물로서,
상기 바인더는 폴리비닐피롤리돈이고, 상기 지연제는 pyridine이며, 상기 전도성 고분자 모노머는 3,4-에틸렌다이옥시시오펜(3,4-ethylenedioxythiophene, EDOT)이고, 상기 산화제는 철(Ⅲ) p-톨루엔설포네이트 헥사하이드레이트(Iron(Ⅲ) p-toluenesulfonate hexahydrate, FTS)인 것을 특징으로 하는, 조성물.
- 제 1 항에 있어서,
상기 용액 1 및 용액 2는 1:2 또는 1:3의 혼합비율로 포함되는 것을 특징으로 하는, 조성물.
- 제 1 항에 있어서,
상기 용액 2는 에탄올 용매를 base로 한 40% FTS 용액에 고체 FTS를 녹여 45% FTS 용액이 되도록 제조하는 것을 특징으로 하는, 조성물.
- 삭제
- 삭제
- 1) 제 1항의 용액 1 및 용액 2의 혼합비율을 1:2 또는 1:3으로 조정하여 액상의 발열체용 전도성 조성물을 제조하는 단계;
2) 상기 1)단계에서 제조된 조성물을 기재에 도포시켜 발열층을 형성하는 단계; 및
3) 상기 2)단계에서 형성된 발열층에 전극층을 형성시키는 단계를 포함하는,액상의 발열체용 전도성 조성물을 이용한 면상 발열체의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 단계 2)의 기재는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 또는 폴리이미드(Polyimide, PI)인 것을 특징으로 하는, 방법.
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