KR101809074B1 - 탄소섬유 부직포 및 이의 제조 방법 그리고 이를 이용한 탄소섬유 면상발열체 - Google Patents

탄소섬유 부직포 및 이의 제조 방법 그리고 이를 이용한 탄소섬유 면상발열체 Download PDF

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Abstract

탄소섬유 부직포 및 이의 제조 방법 그리고 이를 이용한 탄소섬유 면상발열체가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 부직포는, 복수의 탄소섬유; 및 상기 복수의 탄소섬유를 분산시키고, 상기 복수의 탄소섬유를 결합시키는 증점제를 포함하며, 상기 증점제의 함량이 10~65wt%이다.

Description

탄소섬유 부직포 및 이의 제조 방법 그리고 이를 이용한 탄소섬유 면상발열체{CARBON FIBER NON WOVEN FABRIC AND MANUFACTURING METHOD THEREOF AND CARBON FIBER PLANE HEATING ELEMEMT USING IT}
본 발명은 탄소섬유 부직포 및 이의 제조 방법 그리고 이를 이용한 탄소섬유 면상발열체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 증점제로 탄소섬유를 분산시키고, 결합시켜 낮은 저항 및 높은 인장 강도를 가질 수 있는 탄소섬유 부직포 및 이의 제조 방법 그리고 이를 이용한 탄소섬유 면상발열체에 관한 것이다.
최근 탄소(carbon)가 가지는 자체 저항을 이용한 면상발열체의 개발이 활발하게 진행 중에 있다. 일반적인 면상발열체는 통전 시 발생하는 방사열을 이용하는 것으로 발열 공간내 공기가 오염되지 않아 위생적이며, 온도조절이 용이하고, 소음이 없고, 인체에 유익한 원적외선이 방출되는 장점 등이 있어, 아파트나 팬션 등의 주거용 난방 소재로부터, 상업용, 농업용 및 각종 산업용 난방 소재에 이르기 까지 광범위하게 사용되고 있다. 이러한 면상발열체의 열원으로는 알루미늄 등의 금속 발열체, 탄소재료를 이용한 비금속 발열체로 분류할 수 있다.
종래의 면상발열체의 경우, 카본분말을 반죽(paste) 형태로 절연필름 상에 도포하는 것과 같이, 카본 등의 일정 저항을 갖고 있는 도전성 물질을 소정 패턴으로 절연체에 도포하고, 이에 전류를 인가하여 발열하는 면상발열체가 있으나, 이러한 면상발열체는 발열온도가 균일하지 않고, 고온에서 사용하기 어려운 문제점이 있었다. 또한, 카본선이나 니크롬선 등의 저항선을 섬유와 함께 직조한 직물 형태의 면상발열체가 있으나, 발연선 단락 시 전체가 발열되지 않는 단점이 있다. 그리고, 탄소재료 중 PVA(폴리비닐알콜)와 탄소 파우더를 이용하는 면상 발열체의 경우, PVA 등의 코팅 두께 균일성이 문제되어, 전력 밀도 차에 따른 발열 효율 및 제품의 불량의 요인이 되기도 한다.
이에, 새로운 탄소섬유 부직포를 이용하는 면상발열체의 연구 개발이 많이 이루어지고 있다. 이러한 탄소섬유 부직포로 저융점 섬유와 탄소섬유 복합 부직포(대한민국 공개특허 2008-0030411호), 펄프와 탄소섬유 복합 부직포(대한민국 공개특허 2002-0005166호), 전도성 폴리머 코팅 탄소섬유 부직포(US 2007/0028767) 등을 들 수 있다. 그러나, 기존 고분자나 부도체 섬유와 펄프를 결합제로 이용한 탄소섬유 부직포는 상기 전도성 폴리머 코팅 탄소섬유 부직포에 비해 전도성 및 발열 성능이 떨어지고, 상기 전도성 폴리머 코팅 탄소섬유 부직포는 면저항이 작아 발열 성능 등이 우수하나 제조 비용이 높은 문제가 있다.
대한민국 공개특허 2002-0005166호 (2002.01.17. 공개) 대한민국 공개특허 2008-0030411호 (2008.04.04. 공개) 미국 공개특허 US 2007/0028767 (2007.02.08. 공개) 일본 공개특허 특개2014-105148호 (2014.06.09. 공개)
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 화장품 등에 사용되는 증점제를 이용하여 탄소섬유를 분산시킨 후에 결합시킴으로써, 증점제를 분산제 겸 결합제로 사용하여 탄소섬유의 뭉침을 막고, 탄소섬유를 결합시켜 탄소섬유 부직포가 낮은 면저항을 가지도록 해준다. 본 발명은 효과면에서 저비용으로 고전도성, 고발열성 등을 가질 수 있는 탄소섬유 부직포 및 이의 제조 방법 그리고 이를 이용한 탄소섬유 면상발열체를 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 부직포는, 복수의 탄소섬유; 및 상기 복수의 탄소섬유를 분산시키고, 상기 복수의 탄소섬유를 결합시키는 증점제를 포함하며, 상기 증점제의 함량이 10~65wt%이다.
또한, 상기 증점제의 분산 및 결합에 의해 상기 탄소섬유 부직포가 면저항 5Ω/sq 이하, 전기전도도 2 S/cm 이상, 인장강도 2 MPa 이상일 수 있다.
그리고, 상기 증점제는, 쟁탄검(Xtanthan gum), 카르복실메틸 셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose) 또는 카보머(Carbomer) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 부직포의 제조 방법은, 증류수에 증점제 및 탄소섬유 촙이 투입되는 단계; 상기 증점제 및 탄소섬유 촙이 투입된 혼합용액을 교반시키는 단계; 상기 탄소섬유 촙이 상기 증점제에 의해 탄소섬유들로 분산되는 단계; 상기 탄소섬유들이 분산된 분산용액을 진공 여과시켜 탄소섬유들을 필터링하는 단계; 및 상기 필터링 후에 잔류하고 있는 증점제에 의해 상기 탄소섬유들이 결합되는 단계를 포함한다.
또한, 상기 증점제의 분산 및 결합에 의해, 면저항 5Ω/sq 이하, 전기전도도 2 S/cm 이상, 인장강도 2 MPa 이상인 탄소섬유 부직포가 형성될 수 있다.
또한, 상기 투입되는 단계는, 쟁탄검(Xtanthan gum), 카르복실메틸 셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose) 또는 카보머(Carbomer) 중 적어도 하나가 상기 증점제로 투입되는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 투입되는 단계는, 상기 탄소섬유 촙 100 중량부 대비 상기 탄소섬유 촙이 200 내지 4300 중량부 투입되는 단계를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 탄소섬유 부직포가 건조되는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 면상발열체는, 상기 제조 방법으로 제조된 탄소섬유 부직포를 소정 크기로 재단하여 형성되는 사각형의 탄소섬유 시트; 상기 탄소섬유 시트의 평행한 두 변에 위치하는 한 쌍의 금속 전극; 및 상기 탄소섬유 시트의 적어도 일면에 부착되는 절연 시트를 포함한다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따르면, 증점제를 이용하여 탄소섬유를 결합시켜 형성되는 탄소섬유 부직포가 낮은 저항 및 높은 인장 강도를 가질 수 있다.
또한, 저비용으로 고전도성, 고발열성 등을 가질 수 있는 탄소섬유 부직포를 제작할 수 있다.
그리고, 저비용으로 고전도성, 고발열성 등을 가질 수 있는 탄소섬유 부직포를 이용한 탄소섬유 면상발열체를 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 부직포의 구성 개념도이다.
도 2는 탄소섬유 부직포의 증점제 함량에 따른 면저항 및 인장강도 그래프이다.
도 3은 탄소섬유 부직포의 증점제 함량에 따른 전기전도도 및 인장강도 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 부직포의 제조 방법의 블록 순서도이다.
도 5는 탄소섬유 촙의 길이 및 증점제 함량에 따른 면저항 그래프와, 상기 그래프에서 증점제 함량이 30wt%인 경우에 탄소섬유 촙의 길이 및 면저항 관계를 도시한 그래프이다.
도 6은 탄소섬유 부직포의 증점제 함량에 따른 탄소섬유 부직포의 사진을 도시한 도면이다.
도 7은 탄소섬유 부직포의 증점제 함량에 따른 탄소섬유 부직포의 전자현미경(SEM) 사진을 도시한 도면이다.
도 8은 탄소섬유 부직포의 증점제 함량별 발열 효율을 도시한 그래프이다.
도 9a는 탄소섬유 부직포의 증점제 함량별 평면 발열 이미지이며, 도 9b는 탄소섬유 부직포의 증점제 함량별 3차원 발열 이미지이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 면상발열체의 구성 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "이루어지다(made of)"는 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 부직포의 구성 개념도이다. 또한, 도 2는 탄소섬유 부직포의 증점제 함량에 따른 면저항 및 인장강도 그래프이다. 그리고, 도 3은 탄소섬유 부직포의 증점제 함량에 따른 전기전도도 및 인장강도 그래프이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 부직포(10)는 복수의 탄소섬유(11) 및 상기 복수의 탄소섬유(11)를 분산시키고, 상기 복수의 탄소섬유(11)를 결합시키는 증점제(12)를 포함하며, 상기 증점제(12)의 함량이 10~65wt%인 것을 특징으로 한다. 여기에서, 이러한 증점제(12)를 이용하여 탄소섬유를 분산 및 결합시켜 형성되는 탄소섬유 부직포(10)는 면저항 5Ω/sq 이하, 전기전도도 2 S/cm 이상, 인장강도 2 MPa 이상일 수 있다.
증점제(12)는 탄소섬유 부직포(10)에서 탄소섬유(11)를 결합시키는 결합제로 작용하므로, 탄소섬유 부직포(10)에서 증점제(12)의 함량이 증가할수록 인장강도(tensile strength)가 증가될 수 있으나, 이와 동시에 탄소섬유 부직포(10)의 면저항도 증가되며, 반대로 증점제(12)의 함량이 감소할수록 탄소섬유 부직포(10)의 면저항이 감소될 수 있으나, 이와 동시에 탄소섬유 부직포(10)의 인장강도(tensile strength)가 감소될 수 있다. 이에, 탄소섬유 부직포(10)를 탄소섬유 면상발열체 등으로 사용하기 위해, 적절한 인장강도와 면저항이 요구되며, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 부직포(10)는 증점제(12)의 함량이 10~65wt%인 것이 바람직하다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 탄소섬유 부직포(10)에서 증점제(12)의 함량 증가에 따라 인장강도가 증가하다가 59.4wt%에서 피크(peak)를 이루고, 이후 증점제(12)의 함량이 증가하더라도 인장강도가 감소함을 알 수 있다. 또한, 탄소섬유 부직포(10)에서 증점제(12)의 함량 증가에 따라 면저항은 증가하고, 전기전도도는 감소함을 알 수 있으며, 면저항과 전기전도도는 역의 상관 관계를 가지고 있다. 이때, 도 2에서 파란색 그래프가 면저항이며, 검은색 그래프가 인장강도이고, 도 3에서 파란색 그래프가 전기전도도이며, 검은색 그래프가 인장강도이다.
여기에서, 인장강도, 면저항, 전기전도도를 측정한 증점제(12)의 함량은 각각 5.7wt%, 12.2wt%, 15.0wt%, 22.1wt%, 29.2wt%, 40.9wt%, 59.4wt%, 70.2wt%, 75.5wt%, 77.3wt%이다. 증점제(12)의 함량에 따른 인장강도 등의 구체적인 값은 아래의 표 1과 같다.
증점제함량(wt%) 인장강도(MPa) 면저항(ohm/sq) 전기전도도(S/cm)
5.7 0.47 1.2 11.90
12.2 1.26 2.3 5.40
15.0 1.78 2.3 5.48
22.1 2.39 2.4 4.79
29.2 3.07 3.4 3.23
40.9 8.22 3.8 2.66
59.4 17.47 3.8 2.49
70.2 8.67 5.9 1.41
75.5 6.73 6.1 1.31
77.3 5.62 7.1 1.08
탄소섬유 부직포(10)를 이용하여 발열체를 구현할 경우, 인장강도 및 전기전도도는 높을수록 유리하고, 면저항은 낮을수록 유리하다. 특히, 고효율의 균일 발열을 위해 탄소섬유 부직포(10) 면저항이 5 Ω/sq 이하인 것이 바람직하다.
다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 면저항은 증점제(12)의 함량이 59.4wt%까지 완만히 증가하다, 이후 급격히 증가하고 있다. 또한, 전기전도도는 증점제(12)의 함량이 12.2wt%까지 급격히 감소하다, 증점제(12)의 함량이 12.2부터 완만히 감소하고 있다. 그리고, 인장강도는 증점제(12)의 함량이 29.2wt%까지 완만히 증가하다 59.4wt%까지 급격히 증가하여 피크를 이룬 후, 77.3wt%까지 급격히 감소하고 있다.
탄소섬유 부직포(10) 면저항이 5 Ω/sq 이하가 되도록 증점제 함량 65wt% 이하가 바람직하며, 탄소섬유 부직포(10)의 손상 등을 방지하고, 전기전도를 위해 증점제 함량 10wt% 이상이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 인장강도 2 MPa 이상 및 전기전도도 2 S/cm 이상이 되도록 탄소섬유 부직포(10)의 증점제(12)의 함량이 20~60 wt%일 수 있다. 예를 들어, 탄소섬유 부직포(10)에서 증점제(12)의 함량 조건에 따라 면저항 5 Ω/sq 이하, 전기전도도 2 S/cm 이상, 인장강도 2 MPa 이상일 수 있다.
탄소섬유(11)는 PAN계(폴리아크릴로니트릴계), 피치계, 레이온계뿐만 아니라, 섬유상을 가진 고탄소함유 소재를 사용할 수 있다. 이러한 탄소섬유(11)는 1차원적으로 신장된 구조를 가질 수 있으며, 탄소섬유(11)의 섬유 길이에 특별한 제한이 없음은 물론이다. 탄소섬유(11)의 섬유 길이가 길어지면 도전성, 강도 등이 향상되는데 반해, 탄소섬유(11)의 섬유 길이가 지나치게 길면 탄소섬유(11)의 분산성이 떨어질 수 있다. 또한, 섬유 길이가 너무 짧은 경우에는 섬유간 결합력이 저하되어 형태 안정성이 떨어질 수 있다. 그러므로, 적절한 길이의 탄소섬유(11)를 사용해야 하며, 평균 섬유 길이는 사용될 탄소섬유(11)의 종류와 섬유 직경에 따라 다를 수 있다. 또한, 탄소섬유(11)의 섬유 직경이 지나치게 크면 공극의 크기가 너무 커질 수 있고, 섬유 직경이 너무 작으면 가공성이 떨어져 증점제(12)에 의한 결합이 어려울 수 있으므로, 평균 섬유 직경이 적절한 탄소섬유(11)를 사용할 수 있다. 예를 들어, 탄소섬유(11)의 섬유 길이는 2~12mm, 섬유 직경은 1~100μm 일 수 있다.
증점제(12)는 수산기 또는 카르복실기를 구비하는 수용성 증점제를 사용할 수 있다. 수산기 또는 카르복실기를 갖는 수용성 증점제로는, 그 분자 구조 중에 수산기 또는 카르복실기를 갖고, 또한, 수용성 증점제로서 사용될 수 있는 화합물이면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 수용성 증점제는 쟁탄검(Xtanthan gum), 카르복실메틸 셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose), 카보머(Carbomer) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 쟁탄검(Xtanthan gum), 카르복실메틸 셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose), 카보머(Carbomer) 등의 수용성 증점제들은 사이드 -OH기를 가진 고분자이며, 1wt% 수화물에서 점도 100cps 이상을 나타내는 고분자이어서 적당히 점성을 갖게 할 수 있어 작업성을 양호하게 할 수 있다.
이러한 수용성 증점제를 사용할 경우, 전도성 폴리머 대비 저렴하게 제작이 가능하며, PVA나 기존 고분자 대비 저저항으로 만들 수 있어서 전자파 차폐 효율이 우수하고, 입력 전압 대비 발열 성능이 우수하다. 또한, 일반적인 전도성 폴리머나 수용성 폴리머 대비 쟁탄검(Xtanthan gum), 카르복실메틸 셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose), 카보머(Carbomer) 등의 수용성 증점제들을 사용하여 동일량으로 점도를 10배 이상 증가 시킬수 있으며 증가된 점도로 인하여 탄소섬유(11)의 분산성이 좋아진다. 분산성이 좋다는 것은 탄소섬유 분산 용액에서 탄소섬유 간 뭉침 현상이 현저히 줄여 필터링을 통해 부직포를 만들었을 시 탄소섬유 개별 존재량이 높아 면저항을 감소시킬 수 있다는 것이다.
즉, 쟁탄검(Xtanthan gum), 카르복실메틸 셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose), 카보머(Carbomer) 등의 수용성 증점제들은 분산 기능 및 결합 기능이 우수하여 분산제 및 결합제의 역할을 수행하며, 탄소섬유 부직포(10)의 전도성과 전자파 차폐 성능, 발열 성능이 향상될 수 있다. 구체적으로, 쟁탄검(Xtanthan gum), 카르복실메틸 셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose), 카보머(Carbomer)를 바인더(12)로 사용하면 탄소섬유 부직포(10)의 잔류 폴리머량을 크게 감소시킬 수 있어 부직포(10)의 전기전도성을 올리고, 면저항을 감소시킬 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 부직포(10)는 전자파 차폐재, 면상 발열체, 섬유강화 복합체 등에 사용될 수 있다. 예를 들어, 탄소섬유 부직포(10)의 적어도 일면의 양 측부에 금속전극(미도시)을 부착하고, 상기 금속전극을 통해 상기 탄소섬유 부직포(10)에 전력을 공급하여 면상 발열체로 사용할 수 있고, 면상 발열체를 여러 제품에 적용할 수 있다. 일례로, 발열 조끼, 발열 방석, 발열 담요 등에 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 부직포(10)를 사용한 면상 발열체를 적용할 수 있다.
이러한 금속전극은 구리, 알루미늄, 은, 니켈, 주석 등을 포함하는 금속 또는 이들의 합금으로 이루어지질 수 있고, 금속전극의 모양은 리본 또는 선 형상일 수 있다. 예를 들어, 금속전극으로 선 형상의 구리 와이어나, 은도금 구리와이어 등을 사용할 수 있다. 또한, 금속전극으로 두께 3~100μm 정도의 구리리본 등을 사용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 부직포의 제조 방법의 블록 순서도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 부직포의 제조 방법은, 증류수에 증점제 및 탄소섬유 촙이 투입되며(S10), 상기 증점제 및 탄소섬유 촙이 투입된 혼합용액을 교반시키고(S20), 상기 탄소섬유 촙이 상기 증점제에 의해 탄소섬유들로 분산되고(S30), 상기 탄소섬유들이 분산된 분산용액을 진공 여과시켜 탄소섬유들을 필터링하고(S40), 상기 필터링 후에 잔류하고 있는 증점제에 의해 상기 탄소섬유들이 결합된다(S50). 여기에서, 증점제를 이용하여 탄소섬유를 분산 및 결합시켜 형성되는 탄소섬유 부직포는 면저항 5Ω/sq 이하, 전기전도도 2 S/cm 이상, 인장강도 2 MPa 이상일 수 있다.
증점제를 투입하는 경우(S10), 쟁탄검(Xtanthan gum), 카르복실메틸 셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose) 또는 카보머(Carbomer) 중 적어도 하나가 증점제로 투입될 수 있다. 이러한 수용성 증점제는 탄소섬유 촙(chop)의 분산성을 향상시킬 수 있고, 전기전도도가 우수한 탄소섬유 부직포를 얻을 수 있다.
탄소섬유 촙을 투입하는 경우(S10), 소정 길이의 탄소섬유 촙을 투입할 수 있다. 탄소섬유 자체로도 저항가열이 되지만, 탄소섬유 촙은 수많은 접촉점을 구성함으로써 보다 낮은 전압에서도 발열이 가능하다. 일반적으로, 탄소섬유 촙은 탄소섬유를 적당한 길이로 자른 것으로, 도전성, 강도, 분산성 등을 고려하여 길이가 2~12mm인 탄소섬유 촙을 사용할 수 있다. 탄소섬유의 섬유 길이가 길어지면 도전성, 강도 등이 향상되는데 반해, 탄소섬유의 섬유 길이가 지나치게 길면 탄소섬유의 분산성이 떨어질 수 있다. 또한, 탄소섬유 촙을 투입 시, 면저항이 낮고, 전기전도도 및 인장강도가 우수한 탄소섬유 부직포를 얻기 위해 상기 탄소섬유 촙 100 중량부 대비 상기 증점제를 200 내지 4300 중량부 투입할 수 있다.
혼합용액을 교반시켜 분산시키는 경우(S20, S30), 일반적인 교반기에 의해 처리되며, 블레이드믹서, 리본 혼합기, 스크류 혼합기 등 다양한 교반기가 사용될 수 있음은 당업자에게 자명하다 할 것이다. 탄소섬유 촙의 분산으로 개별적인 탄소섬유들로 나뉘어질 수 있다.
탄소섬유들을 필터링하는 경우(S40), 일반적인 진공 필터 장치에 교반에 의해 탄소섬유 촙이 분산된 수용액을 천천히 부어주어 탄소섬유를 필터링할 수 있다.
탄소섬유들이 결합되는 경우(S50), 탄소섬유의 필터링 후에, 탄소섬유가 필터링 후에 잔류하고 있는 쟁탄검에 의해 결합됨으로써 이루어진다. 이때, 탄소섬유 자체적으로 서로 연결되는 것과 함께 잔류 증점제에 의해 탄소섬유가 결합되므로, 탄소섬유 부직포의 인장강도가 증가할 수 있다.
탄소섬유 부직포가 수용액의 교반, 진공 여과 등을 거쳐 형성되므로, 수분이 남은 탄소섬유 부직포를 건조하게 된다. 자연 건조할 수 있으나, 소정 온도에서 소정 시간 동안 수분이 남은 탄소섬유를 건조기 등의 장치를 이용하여 가열 건조하거나 열풍 등을 이용한 건조를 할 수 있다. 예를 들어, 탄소섬유 부직포를 섭씨 120도 정도의 공간에 약 30분 동안 두어 건조할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 부직포의 제조 방법에 의해 제조된 탄소섬유 부직포의 구체적인 특성을 살펴 보도록 한다.
증류수 2400ml에 쟁탄검을 투입하고, 수용액에 탄소섬유 촙을 1g 투입하였다. 이때, 각각 길이가 2mm, 3mm, 6mm, 9mm, 12mm, 15mm인 탄소섬유 촙을 투입하였으며, 쟁탄검은 1.2g, 2.4g, 3.6g, 4.8g, 9.6g, 19.2g, 28.8g, 43.2g, 57.6g, 72g을 각각 투입하였다. 여기에서, 쟁탄검을 1.0g 미만으로 투입한 경우, 탄소섬유 촙의 분산이 고르지 못하여 탄소섬유 부직포가 형성되지 않았다. 쟁탄검은 탄소섬유 부직포가 높은 전기전도도를 갖도록 적게 사용하는 것이 바람직하나, 탄소섬유 부직포를 형성하기 위해 적정량이 필요하며, 그 최소량이 필요함을 알 수 있다.
도 5는 탄소섬유 촙의 길이 및 증점제 함량에 따른 면저항 그래프와, 상기 그래프에서 증점제 함량이 30wt%인 경우에 탄소섬유 촙의 길이 및 면저항 관계를 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 6mm 탄소섬유 촙을 사용한 경우, 탄소섬유 부직포가 전체적으로 가장 낮은 면저항을 보이며, 15mm 탄소섬유 촙을 사용한 경우에는 면저항이 가장 높음을 알 수 있다. 또한, 2mm, 12mm 탄소섬유 촙을 사용한 경우, 15mm 탄소섬유 촙에 비해 면저항이 낮은 것을 알 수 있다. 이는 2mm 탄소섬유 촙을 사용한 경우, 분산성은 좋으나 접촉 저항이 증가하기 때문이며, 12mm, 15mm 탄소섬유 촙을 사용한 경우 분산성이 나빠 전기전도도가 감소하고, 면저항이 증가하기 때문이다. 다만, 3mm 탄소섬유 촙 및 9mm 탄소섬유 촙을 사용한 경우, 12mm 탄소섬유 촙에 비해 전체적으로 면저항이 낮은 것을 알 수 있다.
특히, 면저항이 5 ohm/sq 이하인 탄소섬유 부직포를 제조하기 위해 사용되는 탄소섬유 촙의 길이는 3~9mm 정도가 적당함을 알 수 있다. 가장 바람직하게는, 6mm 정도 탄소섬유 촙의 길이를 사용하여 탄소섬유 부직포를 제작하는 것이다.
도 6은 탄소섬유 부직포의 증점제 함량에 따른 탄소섬유 부직포의 사진을 도시한 도면이다. 또한, 도 7은 탄소섬유 부직포의 증점제 함량에 따른 탄소섬유 부직포의 전자현미경(SEM) 사진을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 분산제 및 결합제의 역할을 하는 증점제의 함량이 많을수록 탄소섬유의 분산성이 좋아짐을 확인할 수 있다. 이때, 5.7wt%, 22.1wt%, 40.8wt%, 59.4wt%는 탄소섬유 부직포의 쟁탄검 함량으로, 5.7wt%는 쟁탄검 투입량이 1.2g, 22.1wt%는 쟁탄검 투입량이 4.8g, 40.8wt%는 쟁탄검 투입량이 19.2g, 59.4wt%는 쟁탄검 투입량이 28.8g이며, 탄소섬유 촙의 길이는 6mm 이다.
도 7을 참조하면, 분산제 및 결합제의 역할을 하는 증점제의 투입량이 증가할수록 탄소섬유 부직포에 남아 있는 잔여량이 증가하여 인장강도의 증가에 영향을 미칠 수 있다. 이때, 12.2wt%, 15wt%, 22.1wt%, 29.2wt%, 40.8wt%, 59.4wt%는 탄소섬유 부직포의 쟁탄검 함량으로, 12.2wt%는 쟁탄검 투입량이 2.4g, 15wt%는 쟁탄검 투입량이 3.6g, 22.1wt%는 쟁탄검 투입량이 4.8g, 29.2wt%는 쟁탄검 투입량이 9.6g, 40.8wt%는 쟁탄검 투입량이 19.2g, 59.4wt%는 쟁탄검 투입량이 28.8g이며, 탄소섬유 촙의 길이는 6mm 이다.
도 8은 탄소섬유 부직포의 증점제 함량별 발열 효율을 도시한 그래프이다.
도 8을 참조하면, 탄소섬유 부직포의 증점제 함량에 따라 발열 효율이 상이함을 알 수 있다. 전압을 3V, 5V, 7V, 9V, 12V 가할 경우, 탄소섬유 부직포의 시간에 따른 온도는 25~130℃ 범위에서 승온하며, 쟁탄검 함량이 59.4wt%인 경우에 시간에 따른 온도 상승이 상대적으로 일정함을 알 수 있다. 이를 통해, 탄소섬유 부직포의 쟁탄검 함량이 59.4wt%인 경우, 탄소섬유의 온도 변화를 일정하게 유지할 수 있고, 쟁탄검 함량을 59.4wt%를 기준으로 ±5 wt%의 마진을 주어 탄소섬유 부직포를 제조하여 안정적으로 동작할 수 있는 발열 탄소섬유 시트를 개발할 수 있다.
도 9a는 탄소섬유 부직포의 증점제 함량별 평면 발열 이미지이고, 도 9b는 탄소섬유 부직포의 증점제 함량별 3차원 발열 이미지이다.
도 9a 및 도 9b를 참조하면, 탄소섬유 부직포의 증점제 함량에 따라 발열 온도 및 발열의 균일도가 상이함을 알 수 있다. 발열 온도가 높고 고르게 나타나는 경우는 쟁탄검 함량이 59.4wt%인 것을 알 수 있다. 쟁탄검 함량이 5.7wt%, 12.2wt%, 15wt%, 22.1wt%, 29.2wt%, 70.2wt%인 경우에는 발연 온도가 상대적으로 낮을 뿐만 아니라, 탄소섬유 부직포에서 발열되는 부분이 상대적으로 균일하지 않은 것을 알 수 있다. 이를 통해, 탄소섬유 부직포의 쟁탄검 함량이 59.4wt%인 경우, 탄소섬유의 발열 효율을 높게 유지할 수 있고, 쟁탄검 함량을 59.4wt%를 기준으로 ±5 wt%의 마진을 주어 탄소섬유 부직포를 제조하여 고효율의 균일 발열 탄소섬유 시트를 개발할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 면상발열체의 구성 개념도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 면상발열체(100)는, 상술한 여러 실시예에 따른 탄소섬유 부직포를 소정 크기로 재단하여 형성되는 사각형의 탄소섬유 시트(110), 상기 탄소섬유 시트(110)의 평행한 두 변에 위치하는 한 쌍의 금속 전극(120), 및 상기 탄소섬유 시트(110)의 적어도 일면에 부착되는 절연 시트(130)를 포함한다.
탄소섬유 시트(110)는 발열부의 역할을 하며, 증점제가 탄소섬유를 분산시키고, 결합시키며, 그 함량이 10~65wt%인 탄소섬유 부직포(10)를 소정 크기로 재단한 것이다. 이러한 탄소섬유 부직포(10)는 면저항 5Ω/sq 이하, 전기전도도 2 S/cm 이상, 인장강도 2 MPa 이상인 것을 특징으로 한다. 이는 기존 탄소섬유 부직포들이 보여주던 특성보다 우월한 것으로 특히, 면저항이 낮고, 탄소섬유 시트 두께가 얇아져 단위면적당 인장강도는 증가하여 쉽게 찢어지지 않 특징을 가지고 있다. 예를 들어, 탄소섬유 시트(110)는 그 단면의 크기가 200mmX400mm 이상이며, 두께는 300um 이하일 수 있다.
금속전극(120)은 탄소섬유 시트(110)의 상면 또는 하면 중 어느 한 면의 양 측부에 부착될 수 있다. 이러한 금속전극(120)은 구리, 알루미늄, 은, 니켈, 주석 등을 포함하는 금속 또는 이들의 합금으로 이루어지질 수 있고, 금속전극(120)의 모양은 리본 또는 선 형상일 수 있다. 예를 들어, 금속전극(120)으로 선 형상의 구리 와이어나, 은도금 구리 와이어 등을 사용할 수 있다. 구체적으로, 금속전극(120)으로 폭 5~10mm, 두께 3~100μm 정도의 구리 리본 등을 사용할 수 있다.
여기에서, 탄소섬유 시트(110)는 열을 발산하는 발열체가 되며, 금속 전극(120)은 열을 발산하는 탄소섬유 시트에 전류를 전달한다. 즉, 탄소섬유 시트(110)가 발열부가 되고, 금속 전극(120)이 전극부가 된다.
절연 시트(130)는 탄소섬유 시트(110)의 적어도 일면에 적층되며, 절연층을 형성한다. 바람직하게는, 탄소섬유 시트(110)의 손상 방지와 전류 흐름을 방지 하기 위하여 탄소섬유 시트(110)의 양면에 모두 적층할 수 있으며, 수분 등의 침투에 의한 위험을 막기 위해 이중으로 구성될 수 있다. 절연 시트(130)는 부도체 필름 또는 천 등을 사용할 수 있다. 부도체 필름은 부직, 직조 등의 천 형태로 만든 것과 필름 형태가 쓰일 수 있다. 천 형태는 메쉬형 천, 부직포, 스폰지형 등을 사용할 수 있다. 이러한 절연 시트(130)는 동일한 크기 및 두께로 제작되어 탄소섬유 시트(110) 양면에 붙일 수도 있지만, 열의 발산을 한 쪽 방향으로 집중시키기 위하여 절연 시트(130) 2개의 두께를 다르게 구성할 수도 있다. 예를 들어, 열의 발산이 필요 없고 보온이 필요한 방향에는 1mm 정도의 절연 시트(130)를 배치하여 열의 발산을 막고, 열의 발산이 필요한 반대면에는 10~500μm의 절연 시트(130)를 배치하여 열전달을 원활히 할 수 있다.
상술한 탄소섬유 면상발열체(100)는 면저항이 낮고, 전기전도도가 높으므로 5V 정도의 저전압 구동이 가능하며, 이에 따라 과열 위험과 화재 위험을 낮추고, 휴대용 리튬이온전지를 이용한 휴대형으로의 제작이 가능하여 편의성을 크게 높일 수 있다. 이러한 탄소섬유 면상발열체(100)를 사용하여 두께가 얇으며, 저비용으로 고전도성, 고발열성의 발열방석, 발열담요, 발열매트, 차량용 발열 시트, 건축용 면산발열체 등을 제작할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 탄소섬유 부직포
11: 탄소섬유
12: 증점제
100: 탄소섬유 면상발열체
110: 탄소섬유 시트
120: 금속 전극
130: 절연 시트

Claims (9)

  1. 복수의 탄소섬유; 및
    상기 복수의 탄소섬유를 분산시키고, 상기 복수의 탄소섬유를 결합시키는 증점제를 포함하며,
    상기 증점제의 함량이 40.9~65wt%이며, 상기 증점제의 분산 및 결합에 의해 상기 탄소섬유 부직포가 인장강도 8 MPa 이상인, 탄소섬유 부직포.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 증점제의 분산 및 결합에 의해 상기 탄소섬유 부직포가 면저항 5Ω/sq 이하, 전기전도도 2 S/cm 이상인, 탄소섬유 부직포.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 증점제는,
    쟁탄검(Xtanthan gum), 카르복실메틸 셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose) 또는 카보머(Carbomer) 중 적어도 하나를 포함하는, 탄소섬유 부직포.
  4. 증류수에 증점제 및 탄소섬유 촙이 투입되며, 상기 탄소섬유 촙 100 중량부 대비 상기 증점제가 1920 내지 2880 중량부 투입되는 단계;
    상기 증점제 및 탄소섬유 촙이 투입된 혼합용액을 교반시키는 단계;
    상기 탄소섬유 촙이 상기 증점제에 의해 탄소섬유들로 분산되는 단계;
    상기 탄소섬유들이 분산된 분산용액을 진공 여과시켜 탄소섬유들을 필터링하는 단계; 및
    상기 필터링 후에 잔류하고 있는 증점제에 의해 상기 탄소섬유들이 결합되는 단계를 포함하며,
    상기 증점제의 분산 및 결합에 의해, 인장강도 8 MPa 이상인 탄소섬유 부직포가 형성되는, 탄소섬유 부직포의 제조 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 증점제의 분산 및 결합에 의해, 면저항 5Ω/sq 이하, 전기전도도 2 S/cm 이상인 탄소섬유 부직포가 형성되는, 탄소섬유 부직포의 제조 방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 투입되는 단계는,
    쟁탄검(Xtanthan gum), 카르복실메틸 셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose) 또는 카보머(Carbomer) 중 적어도 하나가 상기 증점제로 투입되는 단계를 포함하는, 탄소섬유 부직포의 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 탄소섬유 부직포가 건조되는 단계를 더 포함하는, 탄소섬유 부직포의 제조 방법.
  9. 제 4항 내지 제6항, 또는 제 8항 중 어느 한 항의 제조 방법으로 제조된 탄소섬유 부직포를 소정 크기로 재단하여 형성되는 사각형의 탄소섬유 시트;
    상기 탄소섬유 시트의 평행한 두 변에 위치하는 한 쌍의 금속 전극; 및상기 탄소섬유 시트의 적어도 일면에 부착되는 절연 시트를 포함하는, 탄소섬유 면상발열체.
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