KR102111962B1 - 피치계 하이브리드 탄소섬유 종이 및 이를 이용한 탄소발열체 - Google Patents

피치계 하이브리드 탄소섬유 종이 및 이를 이용한 탄소발열체 Download PDF

Info

Publication number
KR102111962B1
KR102111962B1 KR1020180155356A KR20180155356A KR102111962B1 KR 102111962 B1 KR102111962 B1 KR 102111962B1 KR 1020180155356 A KR1020180155356 A KR 1020180155356A KR 20180155356 A KR20180155356 A KR 20180155356A KR 102111962 B1 KR102111962 B1 KR 102111962B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
carbon fiber
carbon
paper
plated
metal
Prior art date
Application number
KR1020180155356A
Other languages
English (en)
Inventor
서민강
양재연
Original Assignee
재단법인 한국탄소융합기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 재단법인 한국탄소융합기술원 filed Critical 재단법인 한국탄소융합기술원
Priority to KR1020180155356A priority Critical patent/KR102111962B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102111962B1 publication Critical patent/KR102111962B1/ko

Links

Images

Classifications

    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • D01F9/14—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments
    • D01F9/145—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from pitch or distillation residues
    • D01F9/155—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from pitch or distillation residues from petroleum pitch
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D01—NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01F—CHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08—Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • D01F9/14—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments
    • D01F9/20—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products
    • D01F9/21—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products from macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D01F9/22—Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof by decomposition of organic filaments from polyaddition, polycondensation or polymerisation products from macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds from polyacrylonitriles
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H13/00—Pulp or paper, comprising synthetic cellulose or non-cellulose fibres or web-forming material
    • D21H13/10—Organic non-cellulose fibres
    • D21H13/12—Organic non-cellulose fibres from macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D21H13/16—Polyalkenylalcohols; Polyalkenylethers; Polyalkenylesters
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H13/00—Pulp or paper, comprising synthetic cellulose or non-cellulose fibres or web-forming material
    • D21H13/36—Inorganic fibres or flakes
    • D21H13/46—Non-siliceous fibres, e.g. from metal oxides
    • D21H13/50—Carbon fibres
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H17/00—Non-fibrous material added to the pulp, characterised by its constitution; Paper-impregnating material characterised by its constitution
    • D21H17/20—Macromolecular organic compounds
    • D21H17/33—Synthetic macromolecular compounds
    • D21H17/34—Synthetic macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • D21H17/36—Polyalkenyalcohols; Polyalkenylethers; Polyalkenylesters
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H25/00—After-treatment of paper not provided for in groups D21H17/00 - D21H23/00
    • D21H25/005—Mechanical treatment
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H25/00—After-treatment of paper not provided for in groups D21H17/00 - D21H23/00
    • D21H25/04—Physical treatment, e.g. heating, irradiating
    • D21H25/06—Physical treatment, e.g. heating, irradiating of impregnated or coated paper
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H05B3/14—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/20—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Paper (AREA)
  • Resistance Heating (AREA)

Abstract

본 발명은 피치계 탄소섬유와 도금된 PAN계 탄소단섬유를 포함하는 것으로 전기적 및 열적특성이 개선된 피치계 하이브리드 탄소섬유 종이 및 이를 이용한 탄소발열체를 제공한다. 본 발명은 탄소섬유 70 ~ 90 중량% 및 금속 도금된 탄소 단섬유 10 ~ 30 중량%를 포함하는 하이브리드 탄소섬유를 제공한다.

Description

피치계 하이브리드 탄소섬유 종이 및 이를 이용한 탄소발열체 {Pitch-based Hybrid Carbon Fiber Paper and Carbon Heating Element Using the same}
본 발명은 피치계 하이브리드 탄소섬유 종이 및 이를 이용한 탄소발열체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 피치계 탄소섬유와 도금된 PAN계 탄소 단섬유(Chopped carbon fibers)를 포함하는 것으로 전기적 및 열적특성이 개선된 피치계 하이브리드 탄소섬유 종이 및 이를 이용한 탄소발열체에 관한 것이다.
일반적으로 전기 발열체는 소정 크기의 저항을 갖는 도체에 전류가 흐를 때에 발생하는 열을 이용하여 가열 또는 보온 등을 위한 열에너지를 제공하는 것으로서, 온도조절이 용이하고, 오염물의 배출이 없어 위생적이며, 작동에 따른 소음이 발생하지 않는 장점이 있다.
기존의 전기발열체의 경우 전류가 통과하는 도선만 발열할 수 있어 일정한 온도유지를 위하여 도선의 온도는 설정된 온도보다 높게 유지되는 경우가 많았으며, 이에 따른 사용자의 화상 및 에너지 낭비가 있어왔다.
이를 개선하기 위하여 최근에는 면상발열체에 관한 연구가 활발히 수행되고 있다. 면상발열체는 일반적으로 도체로 제작된 섬유를 직조하거나 부직포 형상으로 배치하여 양측면에 도선을 연결하는 것으로 기존의 전기발열체의 1차원적인 발열이 아니라 2차원 평면상에 발명을 수행하고 있다.
이러한 면상발열체는 니크롬, 동니켈합금, 알루미늄등의 금속 발열체와, 탄소소재를 이용한 비금속 발열체로 분류할 수 있으며, 탄소소재를 발열원으로 하는 발열체는 섬유나 필름의 표면에 침전이나 인쇄방식으로 탄소소재를 코팅하거나, 탄소섬유를 일정한 간격의 위사, 도전사를 일정한 간격의 경사로 하여 제직하여 제조하고 있다.
탄소소재를 발열원으로 하는 발열체는 공기오염과 소음이 없고 위생적이며 인체에 유익한 원적외선을 방출하여, 온열치료, 건강사우나, 의류, 침구류, 건설난방재, 결빙 적설 방지의 도로용, 농수산물 건조용, 양돈 양계축사용, 화학공장이나 가스운반선의 파이프 보온용 테이프등과 차세대 주거용 난방재로 널리 이용되고 있다.
다만 탄소소재를 이용한 발열체의 경우 기존의 금속 발열체에 비하여 도선 접촉부에 발열이 높아 높은 온도구배를 가지는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위하여 다수개의 도선을 접촉시키거나 금속도선과 혼합 직조하여 온도구배를 완화하고 있지만 탄소섬유 자체의 특성을 개량하기에는 한계가 있어 이를 개량하기 위한 연구가 필요한 실정이다.
(0001) 대한민국 등록특허공보 제10-1028843호 (0002) 대한민국 등록특허공보 제10-1013069호
전술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 피치계 탄소섬유와 도금된 PAN계 탄소단섬유를 포함하는 것으로 전기적 및 열적특성이 개선된 피치계 하이브리드 탄소섬유 종이 및 이를 이용한 탄소발열체를 제공하고자 한다.
상술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 탄소섬유 70 ~ 90 중량% 및 금속 도금된 탄소섬유 10 ~ 30 중량%를 포함하는 하이브리드 탄소섬유를 제공한다.
상기 탄소섬유는 피치계 탄소섬유이며, 상기 금속 도금된 탄소섬유는 PAN계 탄소섬유일 수 있다.
상기 금속 도금된 탄소섬유는 니켈, 크롬, 구리, 철, 은, 알루미늄 및 주석에서 선택되는 1종 이상의 금속이 도금될 수 있다.
상기 탄소섬유는 길이 3 ~ 12 mm, 두께 7.0 ~ 8.0 ㎛이며, 상기 금속 도금된 탄소섬유는 길이 3 ~ 12 mm, 두께 7.6 ~ 8.0 ㎛일 수 있다.
상기 금속 도금된 탄소섬유는 두께 7.3 ~ 7.7 ㎛의 탄소섬유에 금속이 0.25 ~ 0.30 ㎛의 두께로 도금될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 하이브리드 탄소섬유를 포함하는 전도성 탄소종이를 제공한다.
상기 전도성 탄소종이는 면저항이 8.70×100 ~ 1.98 ×101 Ω/sq, 전기전도도가 1.42 ×100 ~ 2.63×100 S/cm 및 열전도도가 0.67 ~ 1.04 W/mK일 수 있다.
본 발명은 또한 (a) 용매에 분산제, 바인더를 혼합하여 혼합수용액을 제조하는 단계; (b) 상기 혼합수용액에 탄소섬유 및 금속 도금된 탄소섬유를 혼합 및 분산시켜 탄소섬유용액을 제조하는 단계; (c) 상기 탄소섬유용액을 습식 제지공법을 이용하여 탄소섬유 초지를 제조하는 단계; (d) 상기 탄소섬유 초지를 가열압착기를 이용하여 가열 및 압착하여 전도성 탄소종이를 제조하는 단계를 포함하는 상기 전도성 탄소종이 제조방법을 제공한다.
상기 용매는 증류수, 에탄올, 메탄올 또는 아세트산일 수 있다.
상기 분산제는 폴리옥시에틸렌 옥틸페닐에테르, 모노스테아린산 소르비탄, 또는 폴리소르베이트일 수 있다.
상기 바인더는 수계바인더인 폴리비닐 알코올, 카르복시메틸 셀룰로오스, 폴리우레탄, 폴리카보네이트 또는 수용성 페놀수지, 에폭시일 수 있다.
상기 (d) 가열압착기를 이용하여 전도성 탄소종이를 제조하는 단계는 80 ~ 100℃의 온도 및 0.1 ~ 2 MPa의 압력으로 수행될 수 있다.
본 발명은 또한 상기 전도성 탄소종이를 포함하는 탄소발열체를 제공한다.
본 발명에 의한 하이브리드 탄소섬유는 피치계 탄소섬유와 도금된 PAN계 탄소단섬유를 포함함에 따라, 높은 전기전도성 및 열전도성을 가짐과 더불어 기계적 물성이 우수한 PAN계 탄소섬유를 함유하고 있어 피치계 탄소섬유의 낮은 기계적 물성을 보완할 수 있으므로 전도성 탄소종이 및 상기 전도성 탄소종이를 이용하여 제조되는 면상발열체에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 전도성 탄소종이 제조방법을 간략히 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 전도성 탄소종이의 확대도를 간략히 도시한 것이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 의한 전도성 탄소종이의 인가 전압하 (10 V) 발열특성을 간략히 도시한 것이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 탄소섬유 70 ~ 90 중량% 및 금속 도금된 탄소 단섬유 10 ~ 30 중량%를 포함하는 하이브리드 탄소섬유에 관한 것이다.
상기 탄소섬유는 본 발명에 의한 탄소섬유 종이의 베이스가 되는 물질로 바람직하게는 피치계 탄소섬유가 사용될 수 있다.
상기 피치계 탄소섬유는 피치 용액을 용융방사(melt spinning), 전기방사(electrospinning) 또는 용융분사(melt-blown)하여 제조할 수 있으며, 시중에 판매되는 촙(chop) 형태의 탄소섬유를 사용하는 것도 무방하다.
피치의 구조자체가 탄소섬유의 구조인 그라파이트(graphite)와 유사하므로 생산 시 에너지 소비가 적고 전기저항이 낮은 특징이 있다. 즉, 피치계 탄소섬유는 낮은 탄화온도와 짧은 탄화시간으로도 원하는 물성을 가진 탄소섬유의 제조가 가능할 수 있다.
한편, "피치"라 함은 복잡한 방향족(芳香族) 탄화 수소분자를 주체로 하며, 상온에서는 흑색의 고체이며, 보통은 부잔유(釜殘油)의 총칭이지만 탄소 원료에서는 합성되는 것도 포함할 수 있다.
상기 탄소섬유는 길이는 3 ~ 12 mm, 두께 7.0 ~ 8.0 ㎛인 탄소섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 길이가 3 mm미만인 경우 탄소섬유사이의 접촉점이 많아져 전기 저항이 늘어날 수 있으며 길이가 12 mm을 초과하는 경우에는 습식공정에 의한 탄소종이 제조시 응집되어 불량이 발생할 수 있다. 또한 상기 탄소섬유의 두께가 두께 7.0 ㎛미만인 경우 전기 저항치가 증가할 수 있으며, 두께가 8.0 ㎛이상인 경우 제조되는 탄소종이의 탄성이 줄어들게 되어 면상발열체로 사용이 어렵다.
상기 금속 도금된 탄소 단섬유는 상기 탄소섬유와 혼합되어 탄소섬유의 전기 및 열전도성을 높여줌과 동시에 기계적 물성을 보충하는 역할을 수행할 수 있다. 상기 탄소섬유에 도금되는 금속은 열 및 전기 전도도가 우수한 금속이라면 제한없이 사용 가능하지만, 니켈, 크롬, 구리, 철, 은, 알루미늄 및 주석에서 선택되는 1종 이상의 금속을 도금하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 니켈을 도금하여 사용할 수 있다.
또한 상기 금속 도금된 탄소 단섬유의 경우 상기 탄소섬유 특히 피치계 탄소섬유에 비하여 높은 물성을 가져야 하기 때문에 높은 기계적 물성을 가지는 PAN계 탄소섬유를 사용하는 것이 바람직하다.
PAN계 탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴을 이용하여 제조되는 탄소섬유로서, 피치계 탄소섬유에 비하여 낮은 이론적 탄소함량에도 불구하고 높은 실제 탄소수율을 보임에 따라 고성능의 탄소섬유로 사용될 수 있다. 또한 석유부산물을 이용하여 주로 제조되는 피치에 비하여 고가의 폴리아크릴로니트릴을 이용하여 제조되므로 피치계 탄소섬유에 비하여 제조비용이 많이 필요하지만, 높은 기계적 성질을 가지고 있으므로 금속 도금된 탄소 단섬유로 사용하는 것이 바람직하다.
상기 금속 도금된 탄소 단섬유는 길이 3 mm ~ 12 mm, 두께 7.6 ~ 8.0 ㎛일 수 있다. 상기 금속 도금된 탄소 단섬유의 길이가 3mm 미만인 경우 열 및 전기 전도도가 떨어짐과 동시에 기계적 물성 향상치가 떨어질 수 있으며, 길이가 12 mm를 초과하는 경우에는 제조비용이 많아지게 되어 경쟁력이 떨어질 수 있다 또한 두께가 7.6 ㎛ 미만인 경우에는 제조비용이 높아짐과 동시에 도금된 금속 내부의 탄소섬유 두께가 얇아짐에 따라 기계적 물성의 상승효과가 떨어질 수 있으며, 두께가 8.0 ㎛을 초과하는 경우에는 도금된 탄소 단섬유 사이에 응집이 발생하여 불량이 발생할 수 있다.
상기 금속 도금된 탄소 단섬유는 두께 7.3 ~ 7.7 ㎛의 탄소섬유에 금속이 0.25 ~ 0.30 ㎛의 두께로 도금될 수 있다. 상기 금속도금의 두께가 7.3 ㎛미만인 경우 전기 및 열전도도의 향상이 떨어질 수 있으며, 7.7 ㎛를 초과하는 두께로 도금되는 경우에는 두꺼운 도금층으로 인하여 탄소섬유의 특성이 나타나지 않게되어 기계적 물성향상이 떨어질 수 있다.
본 발명은 또한 상기 하이브리드 탄소섬유를 포함하는 전도성 탄소종이를 제공한다. 상기 하이브리드 탄소섬유의 경우 기존의 피치계 탄소섬유에 비하여 높은 열 및 전기 전도도를 가짐과 동시에 기계적 물성이 우수하므로 전도성 탄소종이의 제조에 사용할 수 있다. 이때 상기 하이브리드 탄소섬유는 바인더와 혼합되어 전도성 탄소종이로 제작되는 것이 바람직하다.
상기 전도성 탄소종이는 면저항이 8.70×100 ~ 1.98 ×101 Ω/sq, 전기전도도가 1.42 ×100 ~ 2.63×100 S/cm 및 열전도도가 0.67 ~ 1.04 W/mK일 수 있다.
본 발명은 또한 (a) 용매에 분산제, 바인더를 혼합하여 혼합수용액을 제조하는 단계; (b) 상기 혼합수용액에 탄소섬유 및 금속 도금된 탄소 단섬유를 혼합 및 분산시켜 탄소섬유용액을 제조하는 단계; (c) 상기 탄소섬유용액을 습식 제지공법을 이용하여 탄소섬유 초지를 제조하는 단계; (d) 상기 탄소섬유 초지를 가열압착기를 이용하여 가열 및 압착하여 전도성 탄소종이를 제조하는 단계를 포함하는 상기 전도성 탄소종이 제조방법에 관한 것이다.
상기 (a) 단계는 용매에 분산제, 바인더를 혼합하여 혼합수용액을 제조하는 단계로 극성용매를 사용하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 증류수, 에탄올, 메탄올 또는 아세트산, 가장 바람직하게는 증류수을 사용할 수 있다.
상기 분산제는 상기 용매내에서 상기 하이브리드 탄소섬유의 분산을 도와 응집이 나타나지 않고 균일한 전도성 탄소종이를 형성하기 위하여 사용되는 것으로, 비이온성 계면활성제로서 분산, 침투, 유화 등에 우수한 효과를 나타내는 폴리옥시에틸렌 옥틸페닐에테르 (Triton X-100), 모노스테아린산 소르비탄 (Span 20 / 60 / 80), 또는 폴리소르베이트 (Tween 40 / 60)를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 바인더는 상기 하이브리드 탄소섬유와 혼합되어 탄소섬유를 고정하는 물질로, 상기 바인더는 수계바인더인 폴리비닐 알코올, 카르복시메틸 셀룰로오스, 폴리우레탄, 폴리카보네이트 또는 수용성 페놀수지, 에폭시를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 (b) 단계는 상기 혼합수용액에 탄소섬유 및 금속 도금된 탄소 단섬유를 혼합 및 분산시켜 탄소섬유용액을 제조하는 단계로 상기 혼합수용액에 탄소섬유 및 금속 도금된 탄소 단섬유를 첨가한 다음, 믹서를 이용하여 혼합 및 분산시키는 것이 바람직하다. 이때 사용되는 믹서는 상기 하이브리드 탄소섬유를 상기 혼합수용액에 균일하게 혼합 및 분산시킬 수 있는 것이라면 제한없이 사용 가능하지만, 바람직하게는 초음파믹서 또는 회전식 믹서를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 (c)단계는 상기 탄소섬유용액을 습식 제지공법을 이용하여 탄소섬유 초지를 제조하는 단계로, 상기 탄소섬유용액을 다공성 망의 상부에 공급하여 탄소섬유와 용매를 분리하는 단계이다. 이때 사용되는 방법은 전통 한지의 제조방법과 동일하게 다공성 망의 상부에 적량의 탄소섬유 용액을 공급한 다음, 용액과 분리된 탄소섬유를 다공성 망과 동시에 분리하고 건조할 수 있으며, 또는 상기 탄소섬유용액이 채워진 수조에 상기 다공성 망을 침지한 다음, 상승시켜 다공성 망 위에 탄소섬유를 걸러내는 방식으로도 제조할 수 있다.
상기와 같이 다공성 망의 상부에 탄소섬유 초지가 분리된 다음에는 일정시간 건조하고 상기 탄소섬유 초지와 다공성 망을 분리하는 것이 바람직하다. 이때 상기와 같은 건조단계에서 탄소섬유와 같이 분리된 바인더가 반응하여 탄소섬유를 고정하게 되며, 분리된 탄소섬유 초지를 2 ~ 100층으로 적층하여 보관하는 것이 바람직하다.
상기 (d)단계는 상기 탄소섬유 초지를 가열압착기를 이용하여 가열 및 압착하여 전도성 탄소종이를 제조하는 단계로, 상기와 같이 제조된 탄소종이 초지를 2 ~ 5층씩 가열 압착하는 것도 가능하지만, 제조공정상 정확한 평량에 대한 탄소섬유 초지는 1장씩 가열, 압착하여 전도성 탄소종이를 제조하는 것이 바람직하다.
이때 상기 가열압착은 80 ~ 100℃의 온도 및 0.1 ~ 2 MPa의 압력에서 수행되는 것이 바람직하다. 가열 압착시 온도 및 압력이 상기 범위 미만인 경우 탄소종이의 밀도가 떨어져 종이형상으로 제조되지 않을 수 있으며, 상기 범위를 초과하여 가열압착 하는 경우 적층된 탄소종이가 접착되는 불량이 발생하거나, 고밀도로 인하여 탄소종이의 탄성이 떨어지게 된다.
본 발명은 또한 상기 전도성 탄소종이를 포함하는 탄소발열체를 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고 도면에 제시된 어떤 특징들은 설명의 용이함을 위해 확대 또는 축소 또는 단순화된 것이고, 도면 및 그 구성요소들이 반드시 적절한 비율로 도시되어 있지는 않다. 그러나 당업자라면 이러한 상세 사항들을 쉽게 이해할 것이다.
실시예
수계 바인더를 증류수 대비 5 wt.% 첨가하여 혼합한 후, 바인더가 첨가된 혼합용액에 분산제를 1 wt.% 첨가하여 바인더혼합수용액을 제조하고 피치계 탄소섬유와 니켈 도금된 PAN계 탄소 단섬유를 중량비를 달리하여 혼합 및 분산하였다. 분산된 탄소섬유는 습식제지공법으로 초지하고, 가열압착기 (Hot-press)를 이용하여 100 ℃에서 1 MPa로 2시간 동안 가열/압착하여 전도성 탄소종이를 제조하였다. 이때 각 실시예 및 비교예의 탄소섬유 비율을 하기의 표 1과 같다.
피치계 탄소섬유
(wt. %)		 니켈도금 PAN 탄소섬유
(wt. %)
실시예1 90 10
실시예2 80 20
실시예3 70 30
비교예1 100 0
실험예
상기 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1에서 제조된 탄소종이를 이용하여 물성을 측정하고 그 결과를 하기의 표 2에 기재하였다.
밀도
(g/㎤)		 두께
(㎛)		 면저항
(Ω/sq)		 전기전도도
(S/cm)		 열전도도
(W/mK)
실시예1 0.14 450 1.54×101 1.42×100 0.84
실시예2 0.14 450 8.70×100 1.75×100 1.04
실시예3 0.15 450 1.52×101 2.63×100 0.9
비교예1 0.13 450 1.98×101 2.36×100 0.67
표 2에 나타난 바와 같이 니켈도금된 PAN계 탄소 단섬유를 사용하는 경우 면저항이 줄드는 것을 확인할 수 있었으며, 또한 전기전도도 및 열전도도가 상승하는 것을 확인할 수 있었다.
상기 실시예 및 비교예에서 제조된 탄소종이를 이용하여 각각에 1, 2, 3, 4, 5, 그리고 최대 10 V 전압 하에서 발열특성을 측정 및 소비되는 전력을 계산하여 그 결과를 하기의 표 3에 기재하였다.
전압
(V) 		전류
(A) 		전력
(W) 		인가 전압하 탄소종이 발열온도 (℃)
실시예1 1 0.066 0.066 20.04
2 0.132 0.264 22.69
3 0.2 0.6 26.91
4 0.268 1.072 32.12
5 0.337 1.685 39.60
6 0.426 2.556 48.60
7 0.519 3.633 62.21
8 0.621 4.968 74.67
9 0.758 6.822 91.00
10 0.907 9.07 109.94
실시예2 1 0.129 0.129 21.01
2 0.259 0.518 24.65
3 0.386 1.158 29.80
4 0.505 2.02 39.00
5 0.653 3.265 50.20
6 0.829 4.974 65.46
7 1.057 7.399 85.21
8 1.318 10.544 106.67
9 1.546 13.914 123.62
10 1.713 17.13 147.78
실시예3 1 0.08 0.08 20.50
2 0.162 0.324 23.66
3 0.246 0.738 28.57
4 0.339 1.356 36.54
5 0.445 2.225 46.54
6 0.564 3.384 58.07
7 0.738 5.166 76.32
8 1.005 8.04 97.66
9 1.335 12.015 124.40
10 1.546 15.46 138.33
비교예1 1 0.044 0.044 19.28
2 0.087 0.174 21.32
3 0.131 0.393 24.57
4 0.176 0.704 28.70
5 0.222 1.11 33.43
6 0.269 1.614 40.05
7 0.324 2.268 48.74
8 0.381 3.048 59.68
9 0.438 3.942 69.05
10 0.503 5.03 80.15
표 3에 나타난 바와 같이 니켈도금된 PAN계 탄소 단섬유를 사용하는 경우 인가 전압 하에서 표면 발열 온도가 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 또한, 니켈도금된 PAN계 탄소 단섬유의 중량비가 증가할수록 발열특성이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (13)

  1. 탄소섬유 70 ~ 90 중량% 및 금속 도금된 탄소 단섬유 10 ~ 30 중량%를 포함하는 하이브리드 탄소섬유.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유는 피치계 탄소섬유이며, 상기 금속 도금된 탄소 단섬유는 PAN계 탄소섬유인 것을 특징으로 하는 하이브리드 탄소섬유.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속 도금된 탄소 단섬유는 니켈, 크롬, 구리, 철, 은, 알루미늄 및 주석에서 선택되는 1종 이상의 금속이 도금된 것을 특징으로 하는 하이브리드 탄소섬유.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유는 길이 3 ~ 12 mm, 두께 7.0 ~ 8.0 ㎛이며, 상기 금속 도금된 탄소 단섬유는 길이 3 ~ 12 mm, 두께 7.6 ~ 8.0 ㎛인 것을 특징으로 하는 하이브리드 탄소섬유.

  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 도금된 탄소 단섬유는 두께 7.3 ~ 7.7 ㎛의 탄소섬유에 금속이 0.25 ~ 0.30 ㎛의 두께로 도금된 것을 특징으로 하는 하이브리드 탄소섬유.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 하이브리드 탄소섬유를 포함하는 전도성 탄소종이.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전도성 탄소종이는 면저항이 8.70×100 ~ 1.98 ×101 Ω/sq, 전기전도도가 1.42 ×100 ~ 2.63×100 S/cm 및 열전도도가 0.67 ~1.04 W/mK인 것을 특징으로 하는 전도성 탄소종이.
  8. (a) 용매에 분산제, 바인더를 혼합하여 혼합수용액을 제조하는 단계;
    (b) 상기 혼합수용액에 탄소섬유 및 금속 도금된 탄소 단섬유를 혼합 및 분산시켜 탄소섬유용액을 제조하는 단계;
    (c) 상기 탄소섬유용액을 습식 제지공법을 이용하여 탄소섬유 초지를 제조하는 단계; 및
    (d) 상기 탄소섬유 초지를 가열압착기를 이용하여 가열 및 압착하여 전도성 탄소종이를 제조하는 단계;
    를 포함하는 제6항의 전도성 탄소종이 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 용매는 증류수, 에탄올, 메탄올 또는 아세트산인 것을 특징으로 하는 전도성 탄소종이 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 분산제는 폴리옥시에틸렌 옥틸페닐에테르, 모노스테아린산 소르비탄, 또는 폴리소르베이트인 것을 특징으로 하는 전도성 탄소종이 제조방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 바인더는 수계바인더인 폴리비닐 알코올, 카르복시메틸 셀룰로오스, 폴리우레탄, 폴리카보네이트 또는 수용성 페놀수지, 에폭시인 것을 특징으로 하는 전도성 탄소종이 제조방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 (d) 가열압착기를 이용하여 전도성 탄소종이를 제조하는 단계는 80 ~ 100 ℃의 온도 및 0.1 ~ 2 MPa의 압력으로 수행되는 것을 특징으로 하는 전도성 탄소종이 제조방법.
  13. 제 6항의 전도성 탄소종이를 포함하는 탄소발열체.
KR1020180155356A 2018-12-05 2018-12-05 피치계 하이브리드 탄소섬유 종이 및 이를 이용한 탄소발열체 KR102111962B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180155356A KR102111962B1 (ko) 2018-12-05 2018-12-05 피치계 하이브리드 탄소섬유 종이 및 이를 이용한 탄소발열체

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180155356A KR102111962B1 (ko) 2018-12-05 2018-12-05 피치계 하이브리드 탄소섬유 종이 및 이를 이용한 탄소발열체

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102111962B1 true KR102111962B1 (ko) 2020-05-18

Family

ID=70912742

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180155356A KR102111962B1 (ko) 2018-12-05 2018-12-05 피치계 하이브리드 탄소섬유 종이 및 이를 이용한 탄소발열체

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102111962B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210153304A1 (en) * 2017-08-07 2021-05-20 Mozu Co., Ltd. Far-infrared ray radiation sheet, floor heating system, and dome type heating device
KR102336149B1 (ko) 2020-08-05 2021-12-08 재단법인 한국탄소산업진흥원 블록형 발열체 특성 분석 장치
KR20220008575A (ko) 2020-07-14 2022-01-21 재단법인 한국탄소산업진흥원 면상발열체 발열 특성 분석 장치

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11117185A (ja) * 1997-10-09 1999-04-27 Oishi Corporation:Kk 印刷用シートおよび印刷物
JP2002129003A (ja) * 2000-10-26 2002-05-09 Teijin Chem Ltd 電磁波遮蔽性樹脂組成物
KR101013069B1 (ko) 2008-11-28 2011-02-14 주식회사 용산 탄소섬유 발열직조체, 이를 구비한 발열조끼 및 발열침구
KR101028843B1 (ko) 2008-09-24 2011-04-12 안봉락 탄소섬유 면상발열체 및 그 제조방법
KR101809074B1 (ko) * 2017-04-20 2017-12-14 재단법인 한국탄소융합기술원 탄소섬유 부직포 및 이의 제조 방법 그리고 이를 이용한 탄소섬유 면상발열체
KR20180023830A (ko) * 2016-08-25 2018-03-07 국일제지 주식회사 피치계 탄소섬유와 수분산 바인더 첨가를 통한 습식 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법 및 이에 따라 제조된 연료전지 가스확산층용 탄소종이

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11117185A (ja) * 1997-10-09 1999-04-27 Oishi Corporation:Kk 印刷用シートおよび印刷物
JP2002129003A (ja) * 2000-10-26 2002-05-09 Teijin Chem Ltd 電磁波遮蔽性樹脂組成物
KR101028843B1 (ko) 2008-09-24 2011-04-12 안봉락 탄소섬유 면상발열체 및 그 제조방법
KR101013069B1 (ko) 2008-11-28 2011-02-14 주식회사 용산 탄소섬유 발열직조체, 이를 구비한 발열조끼 및 발열침구
KR20180023830A (ko) * 2016-08-25 2018-03-07 국일제지 주식회사 피치계 탄소섬유와 수분산 바인더 첨가를 통한 습식 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법 및 이에 따라 제조된 연료전지 가스확산층용 탄소종이
KR101809074B1 (ko) * 2017-04-20 2017-12-14 재단법인 한국탄소융합기술원 탄소섬유 부직포 및 이의 제조 방법 그리고 이를 이용한 탄소섬유 면상발열체

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20210153304A1 (en) * 2017-08-07 2021-05-20 Mozu Co., Ltd. Far-infrared ray radiation sheet, floor heating system, and dome type heating device
KR20220008575A (ko) 2020-07-14 2022-01-21 재단법인 한국탄소산업진흥원 면상발열체 발열 특성 분석 장치
KR102336149B1 (ko) 2020-08-05 2021-12-08 재단법인 한국탄소산업진흥원 블록형 발열체 특성 분석 장치

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102111962B1 (ko) 피치계 하이브리드 탄소섬유 종이 및 이를 이용한 탄소발열체
CN1989641B (zh) 气体扩散基材
KR102169124B1 (ko) 흑연화 탄소 기재 및 이를 채용한 기체확산층
CA2424948C (en) Carbon fiber electrode substrate for electrochemical cells
US10249886B2 (en) Fuel-cell gas diffusion layer, and method of producing same
JP6819570B2 (ja) ガス拡散電極およびその製造方法
KR101832014B1 (ko) 도전 시트 및 그 제조 방법
TWI705610B (zh) 多孔質碳電極基材、其製造方法、氣體擴散層、及燃料電池用膜-電極接合體
KR101809074B1 (ko) 탄소섬유 부직포 및 이의 제조 방법 그리고 이를 이용한 탄소섬유 면상발열체
US10411269B2 (en) Gas diffusion electrode substrate, and membrane electrode assembly and fuel cell provided therewith
CN104584292A (zh) 燃料电池用气体扩散电极基材
KR100756053B1 (ko) 면상 발열체용 탄소섬유의 제조법
JP6330282B2 (ja) 燃料電池用ガス拡散電極基材およびその製造方法
KR20180023830A (ko) 피치계 탄소섬유와 수분산 바인더 첨가를 통한 습식 연료전지 가스확산층용 탄소종이의 제조방법 및 이에 따라 제조된 연료전지 가스확산층용 탄소종이
CN102456886A (zh) 一种提高燃料电池中气体扩散层弯曲强度的方法
KR20180014548A (ko) 전도성 부직포 및 그 제조방법
KR102135515B1 (ko) 금속도금 탄소섬유가 첨가된 탄소섬유 부직포 제조방법
CN101150891B (zh) 纳米碳素晶体材料及其制备电热板的方法
JP6798316B2 (ja) 炭素シート、ガス拡散電極基材、巻回体、および燃料電池
KR102361220B1 (ko) 고전도성 탄소섬유 종이의 제조방법, 이에 따라 제조된 탄소섬유 종이 및 탄소섬유 종이를 포함하는 탄소섬유 면상발열체
JP2007012440A (ja) 燃料電池用多孔質炭素材、炭素繊維強化ブラスチック製熱伝導性部材及びこれらの製造方法
JP2017171550A (ja) 導電性多孔質基材、ガス拡散電極、および、燃料電池
KR102259398B1 (ko) 연료전지용 가스확산층용 탄소 종이의 제조방법
KR101574098B1 (ko) 한지 면상발열체 및 그 제조방법
KR102119412B1 (ko) 저전력 고효율 피치계 탄소섬유기반 탄소종이 및 이의 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant