KR101948578B1 - 초극세 발열사 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 초극세 발열사 제조 방법은, 합금 금속의 필라멘트를 포함하는 초극세 발열사를 준비하는 단계; 상기 초극세 발열사를 폴리머 용액으로 코팅하는 전처리 단계; 및 상기 전처리된 초극세 발열사에 나노 코팅층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 초극세 발열사는, 합금 금속의 필라멘트를 포함하는 초극세 발열사; 상기 초극세 발열사 상에 형성된 전처리 코팅층; 및 상기 전처리 코팅층 상에 형성된 나노 코팅층을 포함할 수 있다.

Description

초극세 발열사 및 이의 제조 방법{THERMAL ACID GENERATOR AND THERMOSETTING RESIN COMPRISING THE SAME}

본 발명의 다양한 실시예는 초극세 발열사 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 자세하게는 낮은 전기 저항을 구현할 수 있고 직류 전원의 사용이 가능하며 발열 효율이 매우 우수한 초극세 발열사 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 발열 제품 중 전기요, 전기매트, 온열 의류, 또는 온열 생활잡화 제품의 내부에는 발열체가 설치된다. 이러한 발열체 중 직경이 마이크로 단위인 초극세 발열사의 경우, 최적화된 생산 스팩이 전기 저항 7 Ω/m 내지 22 Ω/m, 필라멘트 가닥수가 300 가닥 내지 1,100 가닥, 절연체를 포함한 굵기가 직경 0.5 mm 내지 1.0 mm로 매우 적어 인체에서 느낄 수 있는 이질감이 전혀 없어 온열 의류 또는 온열 생활잡화의 발열체로 적용되고 있다.

그러나, 이러한 초극세 발열사의 경우 전기 저항이 높아 온도 저하 방지책으로써, 직렬 연결 방식이 아닌 병렬 연결로 사용되고 있다. 전기매트와 같이 큰 면적의 온열이 필요할 때, 수 많은 병렬 연결로 인해 큰 폭의 원가 상승과 병렬 연결로 인한 전기 전선의 단자수가 많아져 발열사와 전선 간의 단자 불량 요인이 빈번하게 발생된다.

한편, 이러한 문제점은 초극세 발열사의 고유저항이 고정되어 일어나는 문제점으로 필라멘트의 가닥수를 많이 하여 낮은 저항을 구현함으로써 해결할 수 있다. 그러나, 낮은 전기 저항(0.5 Ω/m 내지 2 Ω/m)을 구현하기 위해서는 3,000 내지 5,000 가닥의 많은 필라멘트 가닥수를 필요로 하고, 절연체 포함 직경이 3.0 mm 내지 5.0 mm까지 굵기가 굵어져 인체에 이질감을 증폭시킨다. 또한, 많은 필라멘트 가닥수로 인해 큰 폭의 원가 상승을 가져와 일반적인 온열 전기 매트류, 온열 의류, 및 온열 생활 잡화 제품에는 적용하기 어렵다.

또 다른 방법으로는 발열사와 타재질의 낮은 저항선(니크롬 와이어, 텅스텐 와이어 등)을 서로 결합한 커버링(covering)으로 모든 제품군에 병렬 연결이 아닌 직렬 연결로 연결할 수 있다. 그러나, 타재질의 낮은 저항선과 결합한 커버링 제품의 경우 타재질이 단선으로 구성되어 있어 굽힘성과 굴곡성이 떨어져 단락이 쉽게 일어나 화재 발생의 위험이 있다.

본 발명은, 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로 필라멘트의 가닥수를 늘리지 않으면서도 낮은 전기 저항을 구현할 수 있는 초극세 발열사 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명의 초극세 발열사 제조 방법은, 합금 금속의 필라멘트를 포함하는 초극세 발열사를 준비하는 단계; 상기 초극세 발열사를 폴리머 용액으로 코팅하는 전처리 단계; 및 상기 전처리된 초극세 발열사에 나노 코팅층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 초극세 발열사는, 합금 금속의 필라멘트를 포함하는 초극세 발열사; 상기 초극세 발열사 상에 형성된 전처리 코팅층; 및 상기 전처리 코팅층 상에 형성된 나노 코팅층을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 초극세 발열사의 경우 필라멘트 가닥수를 늘리지 않으면서도 작은 전기 저항을 구현할 수 있어 이를 이용한 발열 제품을 얇고 가볍게 할 수 있고, 우수한 발열 효율을 확보할 수 있다. 또한, 교류 전원이 아닌 직류 전원을 이용할 수 있어 전기 매트와 같은 넓은 면적의 온열이 필요한 제품에도 용이하게 적용할 수 있다. 또한, 단자 불량이 적어 사용 시 안전하고 인체에 건강하게 사용 가능한 발열 제품을 만들 수 있다.

도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 코팅된 초극세 발열사 제조 방법의 공정 흐름도이다.

이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 실시예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예에 따른 코팅된 초극세 발열사는 합금 금속의 필라멘트를 포함하는 초극세 발열사; 초극세 발열사 상에 형성된 전처리 코팅층; 및 전처리 코팅층 상에 형성된 나노 코팅층을 포함할 수 있다.

합금 금속의 필라멘트는 니켈(Ni) 12 중량% 내지 15 중량%, 크롬(Cr) 16 중량% 내지 18 중량% 및 몰리브덴(Mo) 2.0 중량% 내지 3.0 중량%를 포함할 수 있다. 초극세 발열사는 직경 1 ㎛ 내지 30 ㎛ 굵기의 필라멘트들이 합사하여 이루어질 수 있다.

전처리 코팅층은 초극세 발열사 상에 코팅되어 형성될 수 있다. 전처리 코팅층은 폴리카보실란(polycarbosilane)을 포함할 수 있다. 전처리 코팅층은 초극세 발열사의 표면을 무기계 표면으로 전환하여 후속 공정으로 형성되는 나노 코팅층으로 인한 열부식 및 갈바닉 부식을 억제할 수 있다. 또한, 나노 코팅층 형성 시 필라멘트의 부식을 방지하고 은(Ag) 나노를 균일하게 코팅할 수 있으며 필라멘트와 나노 코팅층 사이에 접착력을 부여할 수 있다.

나노 코팅층은 전처리 코팅층 상에 코팅되어 형성될 수 있다. 나노 코팅층은 50 nm 이하의 직경을 가지는 은(Ag) 나노가 20 ppm 내지 5,000 ppm 농도로 포함될 수 있다. 나노 코팅층의 나노 입자의 성장 방향은 나노 코팅층 내부에서 코팅층 표면으로 향할 수 있다. 이러한 나노 코팅층을 통해 필라멘트 가닥수를 늘리지 않으면서도 작은 전기 저항을 구현할 수 있다.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 코팅된 초극세 발열사 제조 방법을 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 코팅된 초극세 발열사 제조 방법의 공정 흐름도이다.

도 1을 참고하면, 초극세 발열사를 준비하는 단계(S100)에서는 합금 금속의 필라멘트로 이루어진 초극세 발열사를 준비할 수 있다. 초극세 발열사는 얇고 부드러운 전기 발열체로 활용될 수 있고 전기전도성, 내열성 및 고강도의 성질을 가지고 있어 정전기를 방지할 수 있다. 이러한 초극세 발열사는 직경 1 ㎛ 내지 30 ㎛ 굵기의 필라멘트들이 합사하여 이루어질 수 있다.

필라멘트는 특수 합금을 가공하여 제조될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 필라멘트는 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 구리(Cu), 철(Fe), 알루미나(Al), 망간(Mn), 실리콘(Si), 카본(C), 텅스텐(W) 및 티타늄(Ti) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 철(Fe)을 베이스로 하여, 니켈(Ni) 12 중량% 내지 15 중량%, 크롬(Cr) 16 중량% 내지 18 중량%, 몰리브덴(Mo) 2.0 중량% 내지 3.0 중량%, 망간(Mn) 2.0 중량% 이하, 실리콘(Si) 1.0 중량% 이하, 및 카본(C) 0.03 중량% 이하를 포함할 수 있다. 이러한 필라멘트의 조성은 저탄소(Low Carbon) 합금 조성으로 특히, 고온열에서 발생하는 강재의 구성 성분 중 탄소(C)와 산소(O₂)의 반응으로 탈탄(decarbonization)이 일어나 표면의 굳기와 내식성이 약해짐으로써 필라멘트의 일정한 저항수치, 굴절, 굽힘에 취약해지는 것을 방지할 수 있다.

상기와 같은 문제점을 방지하는 합금조성임. 이러한 조성의 합금을 절삭법, 인발법 또는 용융법 등을 통해 미크론 수준의 직경을 가진 필라멘트 얀(Yarn)을 추출할 수 있다. 바람직하게는, 인발법을 이용하여 균일한 직경의 필라멘트 얀을 추출할 수 있다. 균일한 필라멘트 얀의 직경을 통해 보다 정확한 저항 수치를 확보할 수 있고, 온도 편차를 줄여 균일한 온도 스펙을 구현할 수 있다. 인발법으로 추출된 필라멘트 얀은 통상 100 내지 1,000 가닥의 다발을 서로 합사하여 요구하는 저항치를 구할 수 있다. 필라멘트 얀은 일반 저항선인 단선 니크롬선보다 연성이 높아 반복적인 굴절, 굽힘에도 단선이 잘 되지 않아 굴절부위의 쇼트 또는 단선 사고가 잘 일어나지 않는다.

한편, 이러한 발열사에 내열성 및 내전압이 강한 실리콘, PVC 또는 테프론 등이 코팅될 수 있고, 이를 통해 발열사의 외피에 절연성과 신축성을 부여할 수 있다.

다음으로, 폴리머 용액으로 코팅하는 전처리 단계(S200)에서는, 초극세 발열사를 폴리머 용액으로 코팅할 수 있다. 폴리머 용액은 예를 들면, 테트라히드로퓨레인(tetrahydrofurane) 용제 100 중량 % 기준으로 폴리카보실란(polycarbosilane)을 0.5 중량 % 내지 10 중량 % 혼합하여 제조될 수 있다. 폴리카보실란이 중량 0.5% 미만으로 혼합될 경우, 초극세 발열사 표면에 나노 코팅층이 불균일하게 코팅되어 낮은 저항수치를 구현 하기 어려울 수 있다. 또한, 폴리카보실란이 중량 10%를 초과하여 혼합될 경우, 나노 코팅층이 과량으로 코팅되어 표면 마모가 발생될 수 있고, 불균일한 저항으로 인해 원하는 저항수치를 구현 하기 어려울 수 있다.

이러한 폴리머 용액에 초극세 발열사를 침지(dipping)하여 코팅할 수 있다. 한편, 침지 코팅 후 80 ℃ 내지 100 ℃의 건조로(dry oven)에서 40 분 내지 80 분 동안 건조할 수 있다. 또한 건조 이후 다시 400 ℃의 소성로(furnace)에서 4시간 이상 소성할 수 있다. 본 발명에서는 폴리머 용액으로 코팅하는 전처리 단계(S200)를 통해 발열사의 표면을 무기계 표면으로 전환하여 후속 공정으로 형성되는 나노 코팅층으로 인한 열부식 및 갈바닉 부식을 억제할 수 있다. 또한, 나노 코팅층 형성 시 필라멘트의 부식을 방지하고 은(Ag) 나노를 균일하게 코팅할 수 있으며 필라멘트와 나노 코팅층 사이에 접착력을 부여할 수 있다.

다음으로, 나노 코팅층을 형성하는 단계(S300)에서는, 전처리된 초극세 발열사를 나노 용액으로 코팅할 수 있다. 이때, 나노 용액은 50 nm 이하의 직경을 가지는 은(Ag) 나노를 20 ppm 내지 5,000 ppm 농도로 포함할 수 있다. 50 nm 이하의 직경을 가지는 은 나노는 표면적이 크기 때문에 코팅 공정을 원활하게 진행할 수 있다. 또한, 이러한 은 나노를 20 ppm 내지 5,000 ppm의 농도로 포함함으로써, 나노 용액의 융점이 크게 저하되고 코팅 공정을 원활하게 진행할 수 있다.

이러한 나노 용액에, 전처리된 초극세 발열사를 침지(dipping)하여 코팅할 수 있다. 한편, 침지 코팅 후 80 ℃ 내지 100 ℃의 건조로(dry oven)에서 40 분 내지 80 분 동안 건조할 수 있다.

한편, 나노 코팅층을 형성하는 단계(S300) 이후에, 80 ℃ 내지 100 ℃의 습식 건조로에서 6 시간 이상 동안 건조한 후, 400 ℃의 소성로(furnace)에서 4시간 이상 소성할 수 있다. 추가적인 습식 건조 및 소성 공정을 통해, 나노 입자의 성장 방향이 나노 코팅층 내부에서 코팅층 표면으로 향할 수 있다. 즉, 나노 입자가 코팅층 표면 위로 부상할 수 있다. 따라서, 나노 코팅층과 필라멘트 사이의 내부 응력 발생을 현저히 감소시킬 수 있고, 결합력을 증대시킬 수 있다. 또한, 나노 입자가 코팅층 내부가 아닌 코팅층 표면 위에 존재하게 되어 표면 활성이 증가될 수 있다.

실시예에 따른 초극세 발열사의 경우 필라멘트 가닥수를 늘리지 않으면서도 작은 전기 저항을 구현할 수 있어 이를 이용한 발열 제품을 얇고 가볍게 할 수 있고, 우수한 발열 효율을 확보할 수 있다. 또한, 교류 전원이 아닌 직류 전원을 이용할 수 있어 전기 매트와 같은 넓은 면적의 온열이 필요한 제품에도 용이하게 적용할 수 있다. 또한, 단자 불량이 적어 사용 시 안전하고 인체에 건강하게 사용 가능한 발열 제품을 만들 수 있다.

한편, 전기 저항 7 Ω/m, 필라멘트 가닥수가 1,100 가닥의 초극세 발열사(비교예)와 이러한 초극세 발열사에 본 발명의 제조 방법에 따라 코팅 처리된 초극세 발열사(실시예)의 전기 저항 및 단위 면적 당 직렬/병렬 개수를 비교하면 다음과 같다.

	비교예	실시예	차이
전기 저항 (Ω/m)	7.0	0.5	-6.5
단위면적 당 직/병렬 개수(m2/pcs)	8	1	-7.0

즉, 표 1을 참고하면, 폴리카보실란으로 전처리 후 나노 코팅층을 형성한 실시예의 경우 전기 저항이 비교예에 비해 현저히 낮아짐을 확인할 수 있다. 또한, 단위면적 당 직/병렬 개수에 있어서도 나노 코팅층을 형성하지 않은 비교예에 비해 현저히 적음을 확인할 수 있다.

또한, 필라멘트 가닥수에 따른 비교예 및 실시예의 전기 저항을 비교하면 다음과 같다.

필라멘트 가닥수	비교예(Ω/m)	실시예(Ω/m)	차이(Ω/m)
300	22.0	2.0	-20
825	14.0	1.0	-13.0
1100	7.0	0.5	-6.5

표 2를 참고하면, 폴리카보실란으로 전처리 후 나노 코팅층을 형성한 실시예의 경우 모든 필라멘트 가닥수에서 비교예에 비해 전기 저항이 현저히 낮아짐을 확인할 수 있었다.

상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

1. 니켈(Ni) 12 중량% 내지 15 중량%, 크롬(Cr) 16 중량% 내지 18 중량% 및 몰리브덴(Mo) 2.0 중량% 내지 3.0 중량%를 포함하는 합금 금속의 직경 1 ㎛ 내지 30 ㎛ 굵기의 필라멘트를 300 내지 1,000 가닥수로 포함하는 초극세 발열사를 준비하는 단계;
   상기 초극세 발열사를 폴리머 용액으로 코팅하는 전처리 단계; 및
   상기 전처리된 초극세 발열사에 나노 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는 1 m 당 0.5 Ω 내지 2 Ω 의 전기 저항을 갖는 코팅된 초극세 발열사 제조 방법.
   
   
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 폴리머 용액은 폴리카보실란(polycarbosilane)을 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅된 초극세 발열사 제조 방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 전처리 단계에서는,
   상기 폴리머 용액으로 코팅 후 80 ℃ 내지 100 ℃에서 40 분 내지 80 분 동안 건조하고, 4 시간 이상 소성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅된 초극세 발열사 제조 방법.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 나노 코팅층을 형성하는 단계에서는 50 nm 이하의 직경을 가지는 은(Ag) 나노를 20 ppm 내지 5,000 ppm 농도로 포함하는 나노 용액으로 코팅하는 것을 특징으로 하는 코팅된 초극세 발열사 제조 방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 나노 코팅층을 형성하는 단계에서는,
   상기 나노 용액으로 코팅 후 80 ℃ 내지 100 ℃에서 40 분 내지 80 분 동안 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅된 초극세 발열사 제조 방법.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 나노 코팅층을 형성하는 단계 이후,
   80 ℃ 내지 100 ℃에서 6 시간 이상 건조하고, 4 시간 이상 소성하는 습식 건조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅된 초극세 발열사 제조 방법.
   
8. 니켈(Ni) 12 중량% 내지 15 중량%, 크롬(Cr) 16 중량% 내지 18 중량% 및 몰리브덴(Mo) 2.0 중량% 내지 3.0 중량%를 포함하는 합금 금속의 직경 1 ㎛ 내지 30 ㎛ 굵기의 필라멘트를 300 내지 1,000 가닥수로 포함하는 초극세 발열사;
   상기 초극세 발열사 상에 형성된 전처리 코팅층; 및
   상기 전처리 코팅층 상에 형성된 나노 코팅층을 포함하는 1 m 당 0.5 내지 2 의 전기 저항을 갖는 코팅된 초극세 발열사.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 전처리 코팅층은 폴리카보실란(polycarbosilane)을 포함하는 것을 특징으로 하는 코팅된 초극세 발열사.
   
10. 제8항에 있어서,
    상기 나노 코팅층은 50 nm 이하의 직경을 가지는 은(Ag) 나노가 20 ppm 내지 5,000 ppm 농도로 포함되는 것을 특징으로 하는 코팅된 초극세 발열사.

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