KR101802235B1 - Electric mat using a metal-free carbon nanotube heating elements - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전기매트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속선을 사용하지 않고 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), PLA, PBT, PBAT 등 고분자를 혼합하여 압출한 발열체를 사용하는 무금속 탄소나노튜브 발열체를 사용하는 전기매트에 관한 것이다.The present invention relates to an electric mat, and more particularly, to a non-metallic carbon nanotube heating element using a heating element obtained by mixing a polymer such as multi-walled carbon nanotube (MWCNT), PLA, PBT or PBAT without using a metal wire To an electric mat to be used.
전기매트는 난방기구의 일종으로서 겨울철에 일반 가정에서 많이 사용하는 기구이다.Electric mats are a type of heating appliance that is widely used in homes in winter.
상기와 같은 전기매트에는 통상적으로 금속선을 발열체로 사용하여 열을 발생시키는 방법을 택하고 있으며, 이때 전원으로는 가정용 교류전원을 직접 사용하여 왔다.In such an electric mat, a metal wire is usually used as a heating element to generate heat. In this case, a household AC power source has been directly used as a power source.
위와 같이 금속선을 발열체로 하고 전기를 교류로 하여 전기매트를 사용하는 경우, 에너지 효율이 좋지 않음은 물론 교류를 직접사용하는데 따른 누전의 위험과 전자파 발생에 따른 인체에 해를 미칠 수 있는 문제점이 있어 왔다.When the electric wire is used as the heating element and the electric wire is used as the heating element as described above, the electric mats are not good in energy efficiency, and there is a risk of short circuit due to direct use of AC and harmful to human body due to generation of electromagnetic waves come.
따라서, 에너지효율을 높이고 전자파발생을 최소화시키며 누전의 위험을 줄일 수 있는 발열체를 사용한 전기매트의 필요성의 대두되었다.Therefore, the necessity of the electric mat using the heating element which can increase the energy efficiency, minimize the generation of the electromagnetic wave, and reduce the risk of short circuit has been raised.
상기와 같은 필요성에 의해 사용되는 것이 탄소섬유나 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)로서, 이러산 탄소섬유 또는 탄소나노튜브를 발열체의 재료로 사용하는 다양한 기술들이 개발되어 왔다.As a carbon fiber or a carbon nanotube (CNT), which is used in accordance with the above-mentioned necessity, various techniques using a carbon fiber or a carbon nanotube as a material of a heating element have been developed.
예를 들어, 공개특허 제 2002-0033509호에서는 탄소섬유와 인피섬유(靭皮纖維)를 포함하는 펄프와 혼초한 탄소섬유 혼초시트 발열체를 공개하고 있고, 등록특허 제 10-1455379호에서는 탄소나노튜브, 분산제, 수지바인더 및 적외선과 자외선 흡수물질을 포함하는 탄소나노튜브 광 발열 기능성 제품과 이의 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 침장류 제품을 개시하고 있다.For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-0033509 discloses a heating element for a carbon fiber hybrid sheet, which is mixed with a pulp containing carbon fiber and bast fiber. In Japanese Patent No. 10-1455379, , A dispersant, a resin binder, and a UV light absorbing material, a method of manufacturing the same, and a bedding product manufactured using the same.
또 다른 등록특허 제 10-1543058호에서는 전기전도도 및 분산도가 우수하여 자동차용 배터리 표면에 적층되는 개질된 탄소나노튜브를 포함하는 면상발열시트를 개시하고 있고, 공개특허 제 10-2016-0026245호에서는 탄소나노튜브를 포함하는 발열층의 제조방법을 공개하고 있으며, 등록특허 제 10-1488898호에서는 탄소나노튜브, 바인더, 용매 및 분산제와 글라스프린트를 포함하는 탄소나노튜브를 이용한 투명 발열기판 및 이의 제작방법을 개시하고 있다.In addition, Japanese Patent Application No. 10-1543058 discloses an area heating sheet comprising modified carbon nanotubes having excellent electrical conductivity and dispersibility and being laminated on the surface of an automobile battery. Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-2016-0026245 Discloses a method of manufacturing a heat generating layer including carbon nanotubes, and Japanese Patent Application No. 10-1488898 discloses a method of manufacturing a transparent heat generating substrate using carbon nanotubes, a binder, a solvent and a carbon nanotube including a dispersing agent and a glass print, And a manufacturing method thereof.
그러나, 상기의 종래기술들은 본 발명이 추구하는 목적과 그 사상이 전혀 다른 발명이다.However, the above-described prior arts are completely different from the object pursued by the present invention.
본 발명은 종래의 기술들과는 달리 금속성분을 사용하지 않고, 다중벽 나노튜브, PLA, PBT 및 PBAT를 합성하여 제조되는 전선 형태의 발열체를 사용하여 전자파가 적게 발생되고, 누전의 위험이 없으며 에너지 효율이 높은 무금속 탄소나노튜브 발열체를 사용하는 전기매트를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention uses a heating element of a wire type manufactured by synthesizing multi-walled nanotubes, PLA, PBT and PBAT without using a metal component unlike the conventional techniques, and generates less electromagnetic waves, And an object of the present invention is to provide an electric mat using the high metal-free carbon nanotube heating element.
본 발명은 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여,In order to accomplish the object of the present invention as described above,
무금속 발열체를 사용하는 전기매트로서, 매트 내부에 병렬로 배치되는 발열체; 상기 병렬로 배치되는 발열체를 연결하는 전선; 상기 매트 내부에 설치되어 온도를 감지하는 온도센서 및 전류차단용 퓨즈; 상기 전선, 온도센서 및 온도퓨즈와 연결되는 온도조절기; 및 상기 온도조절기와 연결되어 교류를 직류로 전환하는 외부어댑터;를 포함하며, 상기 발열체는, 중량으로 다중벽 나노튜브 12~15%, PLA 10~14%, PBT 61~73%, 및 PBAT 5~10%를 함유하는 무금속 탄소나노튜브 발열체를 사용하는 전기매트를 제공한다.An electric mat using a metal-free heating element, comprising: a heating element arranged in parallel inside a mat; A wire connecting the heating elements disposed in parallel; A temperature sensor installed inside the mat for sensing the temperature and a fuse for breaking current; A temperature controller connected to the electric wire, the temperature sensor and the thermal fuse; And an external adapter connected to the temperature controller to convert an alternating current into a direct current, wherein the heating body comprises 12 to 15% of multi-walled nanotubes, 10 to 14% of PLA, 61 to 73% of PBT, and PBAT To 10% by weight of a metal-free carbon nanotube heating element.
또한, 상기 발열체의 두께는 3.5~4.5mm임이 바람직하다. The thickness of the heating element is preferably 3.5 to 4.5 mm.
또한, 상기 매트의 원단은 2~5mm인 것이 4겹으로 되어 있음이 바람직하다.It is also preferable that the raw material of the mat is 4 to 2 mm in thickness.
본 발명에 따른 무금속 탄소나노튜브 발열체를 사용하는 전기매트는 금속 성분을 사용하지 않으므로 무게가 가벼워 사용 및 관리가 용이하고 습기나 물속에서도 부식 염려가 없어서 내구성이 향상되며, 교류를 직류로 변환하여 사용하므로 감전 및 누전의 위험을 낮추고 전자파를 줄일 수 있으며 원적외선을 방출하여 인체 건강에 도움이 됨은 물론 화재의 위험을 방지하고 열효율이 높아 에너지 소비를 감소시킬 수 있는 효과를 기대하게 된다.Since the electric mats using the metal-free carbon nanotube heating element according to the present invention do not use metal components, they are easy to use and manage because they are light in weight and have no fear of corrosion even in the case of moisture or water. Thus, durability is improved, It can reduce the risk of electric shock and short circuit, reduce electromagnetic waves, and radiate far infrared rays to help human health, as well as to prevent the danger of fire and to have an effect of reducing energy consumption because of high thermal efficiency.
도 1은 본 발명의 전기매트 내부도.
도 2는 본 발명의 전기매트의 발열체와 전선의 접착도.1 is an interior view of the electric mat of the present invention.
Fig. 2 is an adhesion diagram of a heating element and an electric wire of the electric mat of the present invention. Fig.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 하기의 설명은 본 발명의 이해와 실시를 돕기 위한 것이지 본 발명을 이에 한정하는 것은 아니다. 당업자들은 이하의 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 내에서 다양한 변형이나 수정이 있을 수 있음을 이해할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. The following description is provided to assist the understanding and implementation of the present invention, but the present invention is not limited thereto. It will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit of the invention as set forth in the following claims.
먼저, 도 1은 본 발명의 무금속 탄소나노튜브 발열체를 사용하는 전기매트(100)의 내부도를 나타낸 것으로서, 부직포 등의 원단(10) 상에 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT), PLA, PBT 및 PBAT로 만들어진 탄소나노튜브 발열체(20)를 병렬로 배치한 다음, 각 상기 발열체(20)를 전선(70)으로 연결한다.1 is an internal view of an electric mattress 100 using a metal-free carbon nanotube heating element of the present invention. The metal martensitic carbon nanotube (MWCNT), PLA, PBT And the carbon
상기에서, 병렬로 연결된 발열체(20)와 전선(70)과의 연결은 도 2에 나타낸 바와 같이 인서트사출접착(80)한다.In the above, the connection between the
또한, 상기 원단(10) 상에 병렬로 배치된 발열체(20) 사이에는 2개 이상의 온도센서(40)를 부착시켜 사용 시 매트(100)의 온도를 감지하게 하고, 하나 이상의 온도퓨즈(30)를 부착시켜 과부하 시의 전류를 차단하게 한다.Two or
상기에서 발열체(20)를 연결하는 전선(70) 및 온도센서(40)와 온도퓨즈(30)를 연결하는 전선(70)은 통상의 온도조절기(50)와 연결되고, 상기 온도조절기(50)는 외부의 어댑터(60)를 통하여 에너지원(도시되지 않음)과 연결되게 된다.The
상기와 같이 원단(10)에 발열체(20), 온도퓨즈(30), 온도센서(40) 등을 전선(70)으로 연결하여 마감하면 그 상면을 또 다른 원단으로 감싼 다음 상, 하면에 표면원단을 놓고 재봉 등의 방법으로 마감하면 본 발명의 전기매트(100)가 완성된다.When the
상기와 같은 본 발명의 전기매트(100)는 온도센서(40)의 신호를 받아서 설정된 온도에 맞추어 전류를 공급 또는 중단시키게 되고, 또한 온도가 과열된 경우에는 온도퓨즈(30)가 작동하여 전류를 차단하게 되므로 과열에 의한 화재 등의 위험을 미연에 방지할 수 있게 되고, 가정용 콘센트에서 인출되는 220V의 교류를 어댑터(60)에서 직류로 변환하여 온도조절기(50)를 통해 전선(70)으로 발열체(20)에 공급하는 형식이므로 감전의 위험이 없고 열효율은 증가하게 된다.The electric mat 100 according to the present invention receives or receives a signal from the
이하에서는 본 발명에서 사용하는 다중벽 탄소나노튜브를 사용하는 탄소나노튜브 발열체(20)에 대하여 설명한다.Hereinafter, a carbon
상기 본 발명에서 사용하는 탄소나노튜브 발열체(20)는 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Walled CNT, MWCNT)와 PLA(Poly Lactic Acid), PBT(Polybutylene Terephthalate) 및 PBAT(Polybutylene Adipate-co-terephthalate)를 몰딩 컴파운드로 만든 후 이를 압출하여 약 3.5~4.0mm 두께의 굵기로 발열선이 되게 만든 것이다.The carbon
바람직하게는 MWCNT 12~15wt%, PLA 10~14wt%, PBT 61~73wt%, 그리고 PBAT 5~10wt%를 몰딩 컴파운드로 만든 후 이를 압출하여 만든다.Preferably, 12 to 15 wt% of MWCNT, 10 to 14 wt% of PLA, 61 to 73 wt% of PBT, and 5 to 10 wt% of PBAT are molded into a molding compound and then extruded.
상기와 같이 만들어진 발열선이 두께 3.75mm, 길이 1000mm일 때 발열선 1개 당 DC 12V를 넣으면 0.24A가 흐르게 되었고, 발열선 자체의 온도는 45℃가 되었다.When the heating wire made as described above was 3.75 mm in thickness and 1000 mm in length, 0.24 A was flowed when DC 12 V was applied per heating wire, and the temperature of the heating wire itself was 45 ° C.
상기와 같은 조건으로 도 1과 같이 구성하고 단열원단(10)을 상, 하로 덮었을 때는 온실효과로 인하여 55~60℃가 되었다.1 under the same conditions as described above. When the insulating
상기와 같은 탄소나노튜브로 만들어지는 발열체(20)인 발열선은 열용량이 작기 때문에 열을 품고 있지 않고 외부로 90% 이상을 방출하는 특성을 갖고 있어서, 금속발열체에 비해 온화하고 따뜻한 특성을 갖고 있고 열을 방출하는 양이 많기 때문에 결과적으로 매트 내부로 골고루 열을 전달시키게 되는 장점을 가지게 되어, 본 발명에서 사용하는 것이다.Since the
상기에서의 발열체에 대한 물성은 하기 표 1에 나타내었다. The physical properties of the heating element in the above are shown in Table 1 below.
상기 표에서 확인할 수 있듯이 본 발명에서 사용하는 복합소재는 일반 PP 소재와는 달리 물성이 월등히 뛰어남을 알 수 있다.As can be seen from the above table, the composite material used in the present invention is superior in physical properties to general PP materials.
하기 표 2는 통상의 면상 발열체와 본 발명의 발열체 특성을 비교한 것으로 안정성과 경제성에서 본 발명의 발열체가 우수함을 알 수 있다.Table 2 below compares the characteristics of a conventional surface heating element with that of the present invention. It can be seen that the heating element of the present invention is superior in stability and economy.
건조→전원연결Film (yarn) → Coating →
Dry → Power connection
하기 표 3은 본 발명에서 사용하는 발열체의 전자파 차폐 특성을 시험한 결과로서 매트용으로 사용하기 적합함을 알 수 있다.The following Table 3 shows the results of testing the electromagnetic wave shielding properties of the heating element used in the present invention, and it is understood that it is suitable for use as a mat.
하기 표 4는 본 발명에서 사용하는 발열체의 발열실험 결과이다. 조건은 실내온도 20℃ 이고, 발열체인 발열사 지름은 3.75mm인 단사를 사용하였다.Table 4 below shows the results of heating experiments of the heating elements used in the present invention. The condition was a room temperature of 20 ° C and a heating yarn diameter of 3.75 mm.
상기 표 4에서 확인할 수 있듯이 본 발명에서 사용하는 발열체는 우수한 에너지 효율을 갖고 있어서 전기매트를 사용하기에 최적의 것으로 판단되었다.As can be seen from Table 4, the heating element used in the present invention has excellent energy efficiency, and thus it was judged to be optimum to use the electric mat.
하기 표 5는 본 발명에서 사용하는 발열체의 탈취율 시점 결과 표이다. 시험조건은, KFIA-F1-1004 시험법으로 행하였으며, 시험가스는 암모니아를 사용하였고, 가스농도 측정은 가스검지관을 사용하였다.Table 5 below shows the result of the deodorization rate of the heating element used in the present invention. Test conditions were KFIA-F1-1004 test method, ammonia was used as test gas, and gas detection tube was used for gas concentration measurement.
(분)Elapsed time
(minute)
(ppm)Blank concentration
(ppm)
(ppm)Sample concentration
(ppm)
(%)Deodorization rate
(%)
탈취시험
Deodorization test
상기 표 5에서 확인할 수 있듯이, 본 발명에서 사용하는 무금속 발열체는 탈취효과가 있어서 인체에 직접 접할 수 있는 전기매트용으로 사용하기에 적합함을 알 수 있다.As can be seen in Table 5, the metal-free heating element used in the present invention has a deodorizing effect and is suitable for use as an electric mat for direct contact with a human body.
하기 표 6은 본 발명에서 사용하는 발열체에 대한 방사율과 방사에너지에 대한 시험결과표이다.Table 6 below shows test results of the emissivity and radiant energy for the heating element used in the present invention.
시험은 KFIA-F1-1005 시험방법으로 60℃에서 행하였으며, FT-1R 스펙트로메터를 이용한 블랙 바디 대비 측정 결과이다.The test was carried out at 60 ° C using the KFIA-F1-1005 test method, and the results were compared with black body using FT-1R spectrometer.
(5~20㎛)Emissivity
(5 to 20 占 퐉)
(W/㎡ㆍ㎛, 60℃)Radiant energy
(W / m2 占 퐉, 60 占 폚)
상기 표에서도 확인할 수 있듯이 본 발명에서 사용하는 발열체는 전기매트용으로 유용하게 사용할 수 있어서 이를 이용한 본 발명의 전기매트는 인체에 유익한 에너지를 발산하게 된다.As can be seen from the above table, the heating element used in the present invention is useful for an electric mat, so that the electric mat of the present invention dissipates energy useful for the human body.
하기 표 7은 본 발명에서 사용하는 발열체의 음이온 발생 여부의 시험 결과표이다. 시험은 KFIA-F1-1042 방법으로 행하였으며, 시험편은 22.60g을 사용하였고, 전하입자와 측정장치를 이용하여 실내온도 25℃, 습도 50%, 대기 중 음이온수 108/cc 조건에서 시험하였으며 측정대상물에서 방출되는 음이온을 측정하여 단위 체적 당 이온수를 표시한 결과이다.Table 7 below is a test result table of whether or not an anion is generated in the heating element used in the present invention. The test was carried out using the KFIA-F1-1042 method. The test piece was 22.60 g. The test piece was measured at a room temperature of 25 ° C, a humidity of 50% and an anion number of 108 / cc in air using charged particles and a measuring device. And the number of ions per unit volume is displayed.
상기 표 7에서도 확인할 수 있듯이 본 발명은 음이온을 방출하는 발열체를 사용함으로서 인체에도 유익한 방석을 제공할 수 있게 된다.As can be seen in Table 7, the present invention can provide a cushion useful for the human body by using a heating element that emits negative ions.
또한 본 발명에서 사용하는 발열체인 발열사는 온도계수가 PTC(Positive Temperature Coefficient)를 갖고 있어서, 발열사 자체가 온도 자기제어기능이 있고, 저온(0~10℃) 시 발열 특성이 상승되며, 과열방지 및 절전 기능이 있는데 이는 온도가 상승하면 발열체가 팽창하고 나노탄소튜브의 접점점이 이격되어 전기전도성이 다운/업 되어 일정한 온도를 유지할 수 있으며, 과전압이나 과전류가 흐를 경우 자체 퓨즈기능을 갖고 있어서, 200℃ 이상 시에는 자체 단선되어 본 발명에서 유용하게 사용할 수 있다. In addition, the heating yarn, which is a heating element used in the present invention, has a temperature coefficient of PTC (Positive Temperature Coefficient), so that the heating yarn itself has a temperature self-controlling function and the heating characteristic is raised at low temperature (0 to 10 ° C) This is because when the temperature rises, the heating element expands, the contact points of the nano carbon tubes are separated, the electric conductivity can be down / up to maintain a constant temperature, and when the overvoltage or the overcurrent flows, It can be used by itself in the present invention.
10 : 전기매트. 20 : 발열체.
30 : 온도퓨즈. 40 : 온도센서.
50 : 온도조절기. 60 : 어댑터.
70 : 전선.10: Electric mat. 20: Heating element.
30: Thermal fuse. 40: Temperature sensor.
50: Temperature regulator. 60: Adapter.
70: Wires.
Claims (4)
매트 내부에 병렬로 배치되는 발열체;
상기 병렬로 배치되는 발열체를 연결하는 전선;
상기 매트 내부에 설치되어 온도를 감지하는 온도센서 및 전류차단용 퓨즈;
상기 전선, 온도센서 및 온도퓨즈와 연결되는 온도조절기; 및
상기 온도조절기와 연결되어 교류를 직류로 전환하는 외부어댑터;를 포함하며,
상기 발열체는, 중량으로
다중벽 탄소나노튜브 12~15%,
PLA 10~14%,
PBT 61~73%, 및
PBAT 5~10%를 함유하는 것을 특징으로 하는, 무금속 탄소나노튜브 발열체를 사용하는 전기매트.An electric mat using a metal-free heat generating element,
A heating element arranged in parallel inside the mat;
A wire connecting the heating elements disposed in parallel;
A temperature sensor installed inside the mat for sensing the temperature and a fuse for breaking current;
A temperature controller connected to the electric wire, the temperature sensor and the thermal fuse; And
And an external adapter connected to the temperature regulator to convert the alternating current into direct current,
The heating element has a weight
Multi-walled carbon nanotubes 12 to 15%
PLA 10-14%,
61 to 73% of PBT, and
Wherein the non-metal carbon nanotube heating element comprises 5 to 10% of PBAT.
상기 발열체의 두께는 3.5~4.5mm임을 특징으로 하는, 무금속 탄소나노튜브 발열체를 사용하는 전기매트.The method according to claim 1,
Wherein the thickness of the heating element is 3.5 to 4.5 mm.
상기 매트의 원단은 2~5mm인 것이 4겹으로 되어 있음을 특징으로 하는, 무금속 탄소나노튜브 발열체를 사용하는 전기매트.The method according to claim 1,
Wherein the raw material of the mat is 4 to 2 mm, and the raw material of the mat is 2 to 5 mm.
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