KR102126395B1 - 면상발열체용 코팅 조성물 및 이로부터 제조된 면상 발열체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 면상발열체용 코팅 조성물 및 이로부터 제조된 면상 발열체에 관한 것이며, 보다 상세하게는 부분 과열 문제를 방지하여 우수한 온도 균일도 및 발열량을 발현할 수 있는 면상 발열체를 제조할 수 있는 면상 발열체용 코팅 조성물에 관한 것이다.

Description

면상발열체용 코팅 조성물 및 이로부터 제조된 면상 발열체{coating composition for plane heater and plane heater prepared therefrom}
본 발명은 면상발열체용 코팅 조성물 및 이로부터 제조된 면상 발열체에 관한 것이며, 보다 상세하게는 우수한 온도 균일도 및 발열량을 발현할 수 있는 면상 발열체를 제조하기에 용이한 면상발열체용 코팅 조성물에 관한 것이다.
최근 들어 차량의 보급이 가속화됨에 따라 타이어의 수요가 증가하고 있으며, 그에 따른 폐타이어의 양도 증가하고 있다. 이에 따라 폐타이어를 사용 할 수 있는 방안이 연구되고 있으며 보도블럭·재생타이어·재생고무·인공어초·각종 구조물의 완충제 등 재활용 제품들이 제품화되고 있는 실정이나 그 적용범위가 제한적이고, 재활용을 위한 제품 성형 공정에서 폐기물 및 공해가 발생할 뿐만 아니라 이들 제품의 폐기시 폐기물에 의한 환경 오염의 문제가 남아 있다.
한편, 고분자 면상발열체에 사용되는 전도성 저항체로는 탄소계의 입자와 섬유가 사용되고 있으며 탄소계 입자로는 전도성 카본블랙이 가장 많이 사용되고 있다. 이와 같은 카본블랙을 폴리에틸렌 등의 고분자에 혼련/성형하여 면상발열체를 제조할 수 있다. 그러나 이러한 카본블랙은 가격이 비싼 단점이 있기 때문에 소형이며 고부가가치인 부품 이외에는 사용하기가 곤란한 실정이다. 건물의 벽 또는 바닥면의 난방용으로 사용되는 발열체의 경우에는 대형 시편이 사용되므로 저가의 제품이 사용되어야 경제성을 맞출 수 있다. 이러한 경우에 고가의 카본블랙이 사용하는 것은 바람직하지 못할 뿐만 아니라, 저가의 휠러를 사용할지라도 고분자 용액 내 분산이 어렵기 때문에 부분 과열의 문제가 발생할 수 있다.
이에 따라 저가의 전도성 저항체를 고분자 용액 내 분산시켜 면상 발열체의 부분 과열 문제를 방지할 수 있는 방법이 필요하다.
대한민국 등록특허 제10-0522820호
본 발명은 상술한 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 전도성 저항체의 응집을 방지할 수 있는 면상 발열체용 코팅조성물을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 면상 발열체용 코팅조성물로부터 제조된, 우수한 온도 균일도 및 발열량을 발현할 수 있는 면상 발열체를 제공하는데 다른 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 고분자 수지, 용매 및 1~20㎛의 평균 입자 직경(d0.5)을 갖는 카본 블랙 분말을 포함하는 면상 발열체용 코팅조성물을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 카본 블랙 분말은 전체 조성물의 중량을 기준으로 18~32중량%로 포함될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 고분자 수지는 페놀 수지일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 용매는 에탄올, 메탄올 및 헥산 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 고분자 수지와 용매는 1:0.5~1.5의 중량비율로 포함될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 카본 블랙 분말은 폐타이어 분말을 비활성기체 분위기 및 900~1500℃에서 0.5~3시간 동안 탄화하여 수득될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 카본 블랙 분말은 전체 조성물의 중량을 기준으로 23~27중량%로 포함될 수 있다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 코팅조성물로을 기판의 적어도 일면 상에 처리한 후 상기 코팅조성물 내 포함된 용매를 제거하여 제조되는 면상 발열체를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면 본 발명의 일 실시예에 따른 면상 발열체는 하기 조건 (ㄱ) 및 조건 (ㄴ)을 만족할 수 있다.
(ㄱ) 발열량 1300W/m2 이상
(ㄴ) 온도 균일도 90% 이상
본 발명에 따른 면상 발열체용 코팅조성물은 저가의 전도성 저항체를 사용하기 때문에 가격 경쟁력이 우수하며, 발열량이 우수하고, 부분 발열이 방지 또는 최소화된 면상 발열체를 제조할 수 있으므로, 가정 난방용 바닥재, 난방용 카시트 등 다양한 분야에서 널리 응용될 수 있다.
도 1은 준비예1에서 제조된 카본 블랙 분말의 입도 분석 결과를 도시한 그래프이다.
도 2는 준비예1에서 탄화 공정을 수행하기 전 폐타이어 분말의 입도 분석 결과를 도시한 그래프이다.
종래의 면상 발열체에 사용되던 카본 블랙은 가격 경쟁력이 낮고, 고분자 용액 내 분산이 어렵기 때문에 면상 발열체가 부분적으로 과열되어 성능이 저하되는 문제가 있다. 이에 따라 저가의 전도성 저항체를 고분자 용액 내 분산시켜 면상 발열체의 부분 과열 문제를 방지할 수 있는 방법이 필요하다.
본 발명은 면상발열체용 부분 과열 문제를 방지 또는 최소화할 수 있고 우수한 온도 균일도 및 발열량을 발현할 수 있는 면상 발열체를 제조할 수 있는 면상 발열체용 코팅 조성물을 제공하고자 한다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명에 있어서, 온도 균일도가 100%에 가까울수록 균일한 온도 분포를 갖는 것으로 판단할 수 있다.
먼저, 본 발명의 면상 발열체용 코팅조성물에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 면상 발열체용 코팅조성물은 1~20㎛의 평균 입자 직경(d0.5) 을 갖는 카본 블랙 분말 고분자 수지 및 용매를 포함한다.
상기 카본 블랙 분말은 면상 발열체 내에서 입자간 전기전도를 통해 열을 발생시키는 전도성 저항체의 역할을 한다. 본 발명은 면상 발열체의 부분 발열을 방지하여 온도 균일도를 향상시키고, 우수한 발열량을 발현하기 위해서 면상 발열체 내에서 카본 블랙 분말이 응집되지 않고, 카본 블랙 분말의 입자들간의 가교 역할 기능 및 전기전도 능력을 향상시키기 위하여 평균 입자 직경(d0.5)이 1~20㎛인 카본 블랙 분말을 사용한다.
상기 카본 블랙 분말의 평균 입도가 1㎛ 미만일 경우, 카본 블랙 분말끼리 응집하여 코팅 조성물 내 분산이 어려울 수 있고, 면상발열체 제조시 응집된 카본 블랙 분말에 의하여 부분 발열이 발생하는 등의 문제가 있을 수 있고, 20㎛를 초과할 경우, 카본 블랙 분말의 입자들간의 전기 전도 약화 및 면상발열체의 발열량이 저하될 수 있는 등 본 발명의 목적을 달성하기에 어려울 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 카본 블랙 분말의 평균 입자 직경(d0.5)은 바람직하게는 5~20㎛, 더욱 바람직하게는 10~18㎛일 수 있다.
만일 상기 카본 블랙 분말의 평균 입자 직경(d0.5)이 5~20㎛일 경우, 카본 블랙 분말들 간의 응집을 더욱 최소화할 수 있고, 이에 따라 제조되는 면상발열체의 발열량 및 온도 균일도가 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 카본 블랙 분말의 평균 입자 직경(d0.5)이 10~18㎛일 경우, 카본 블랙 분말들 간의 응집을 보다 더 최소화할 수 있음과 동시에 카본 블랙 분말들 간의 전기 전도성이 더욱 우수하여 제조되는 면상발열체의 발열량 및 온도 균일도가 보다 더 향상될 수 있다.
상기 카본 블랙 분말은 폐타이어 분말을 탄화하여 수득될 수 있으며, 상세하게는 비활성기체 분위기 및 900~1500℃에서 0.5~3시간 동안 탄화될 수 있다. 상기 폐타이어 분말은 폐타이어를 미분쇄하여 수득될 수 있으며, 1mm 이하, 바람직하게는 0.3mm 이하의 평균 입도를 갖는 폐타이어 분말을 탄화시키는 것이 1~20㎛의 평균 입도를 갖는 카본 블랙 분말을 제조하기에 바람직할 수 있다.
만일, 상기 폐타이어 분말을 대기 분위기에서 탄화시킬 경우, 수득되는 카본 블랙 분말에 불순물(애쉬(ash))이 포함될 수 있기 때문에 비활성 기체분위기에서 상기 폐타이어 분말을 탄화시키는 것이 바람직하며, 상기 비활성 기체분위기는 일예로, 질소 분위기일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 상기 폐타이어 분말의 탄화 과정에 있어서, 900℃ 미만의 온도에서 탄화시킬 경우, 폐타이어 분말이 완전히 탄화되지 않을 수 있고, 1500℃를 초과하는 온도에서 탄화시킬 경우, 탄화공정 시 투입되는 에너지에 대한 비용이 과도하게 증가하는 등의 우려가 있을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅조성물은 전체 조성물의 중량을 기준으로 18~32중량%의 카본 블랙 분말을 포함할 수 있다.
만일, 상기 카본 블랙 분말이 전체 조성물의 중량을 기준으로 18중량% 미만으로 포함될 경우, 면상 발열체 제조시 발열량 및 온도 균일도가 목적하는 수준으로 발현되지 않을 수 있고, 32중량%를 초과하여 포함될 경우, 제조되는 면상 발열체의 온도균일도는 우수할 수 있으나, 발열량이 현저히 감소하는 문제점이 발생할 수 있고, 코팅액 제조가 어려우며, 카본 블랙 분말이 잘 분산되지 않을 수 있고, 면상 발열체 제조시 부분 발열에 의하여 면상 발열체의 손상을 야기하는 등 본 발명의 목적을 달성하기에 어려울 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 코팅조성물은 전체 조성물의 중량을 기준으로 23~27중량%의 카본 블랙 분말을 포함할 수 있다. 만일, 상기 카본 블랙 분말의 함량 조건을 만족할 경우, 제조되는 면상발열체의 발열량 및 온도균일도가 더욱 우수할 수 있다.
본 발명에 따른 코팅조성물에 있어서, 고분자 수지는 카본 블랙 분말을 포함하는 면상발열체를 목적하는 형상으로 제조하기 위해 바인더로서 사용되며, 상기 고분자 수지는 당업계에서 통상적으로 면상발열체의 바인더로 사용되는 고분자 수지를 사용할 수 있으며, 일예로 폴리에스테르(Polyester), 에폭시(Epoxy), 에폭시 아크릴레이트(Epoxy acrylate), 헥사메틸렌 디이소시아네이트(Hexamethylene diisocyanate), 폴리비닐 아세탈(Polyvinyl acetal) 및 페놀계 수지(Phenol resin) 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있으며, 바람직하게는 노볼락계 페놀 수지일 수 있다. 고분자 수지로 페놀 수지를 사용할 경우, 면상발열체의 고온 발열시 장기 안정성이 우수할 수 있다.
본 발명에 따른 코팅조성물에 있어서, 용매는 카본 블랙 분말 및 고분자 수지를 분산시키기 위한 것이며, 상기 용매는 당업계에서 통상적으로 사용되는 유기 용매를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 고분자 수지에 대한 가용성이 있고, 면상발열체 제조시 휘발되기 용이한 용매를 사용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅조성물에 있어서, 상기 용매는 에탄올, 메탄올 및 헥산 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있으며, 바람직하게는 에탄올일 수 있다.
한편, 카본 블랙 분말 및 고분자 수지의 분산을 위한 공정은 당업계에서 통상적으로 사용되는 방법을 사용할 수 있으며, 일예로 초음파처리(Ultra-sonication), 롤밀(Roll mill), 비드밀(Bead mill) 또는 볼밀(Ball mill)을 사용할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
또한, 본 발명에 따른 코팅조성물은 카본 블랙 분말 및 고분자 수지의 분산을 원활하게 하기 위하여 분산제를 더 포함할 수 있다. 상기 분산제는 당업계에서 통상적으로 사용되는 분산제를 사용할 수 있으며, 일예로 BYK류 분산제, Triton X-100, 도데실 황산 나트륨(Sodium dodecyl sulfate)일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 코팅조성물에 있어서, 카본 블랙 분말의 분산도를 향상시키기 위해서는 상기 고분자 수지와 용매는 1:0.5~1.5의 중량비율로 혼합될 수 있다.
상기 고분자 수지와 용매가 1:0.5 미만의 중량비율로 혼합될 경우, 고분자 용액의 점도가 증가하여 카본 블랙 분말이 분산되기 어려울 수 있고, 얇은 두께의 코팅층으로 제조하기 어렵고, 제조되더라도 카본 블랙 분말의 분산도가 낮을 수 있으며, 이에 따라 면상발열체의 부분 발열 문제가 있을 수 있다. 또한 상기 고분자 수지와 용매가 1:1.5의 중량비율을 초과할 경우, 코팅 조성물의 낮은 점도로 인하여 목적하는 두께의 면상발열체를 제조하기 어려울 수 있고, 코팅층을 형성한 후에도 피코팅면과의 접착력이 약화될 수 있는 등 본 발명의 목적을 달성하기에 어려울 수 있다.
다음으로, 본 발명의 면상 발열체에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 면상 발열체는 본 발명의 일 실시예에 따른 코팅조성물을 기판의 적어도 일면 상에 처리한 후 용매를 휘발시켜 제조된다. 상기 코팅조성물을 기판 상에 처리하는 방법으로는 당업계에서 통상적으로 사용하는 공지된 코팅 방법을 사용할 수 있으며, 일예로 스핀코팅, 바코팅, 스크린 프린팅, 그라비아 프린팅 또는 콤마코팅일 수 있으며, 바람직하게는 스크린 프린팅일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 코팅조성물을 처리한 후, 상기 코팅조성물에 포함된 용매를 휘발시켜 면상발열체를 제조할 수 있으며, 상기 면상발열체는 전원을 인가하여 발열체로 사용될 수 있다.
상기 기판은 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리이미드, 셀룰로스 에스테르, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리술폰, 폴리에스테르술폰, 폴리비닐리덴플로라이드, 유리, 유리섬유(매트), 세라믹, SUS, 구리 또는 알루미늄 기판 중에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 기판은 발열체의 응용 분야나 사용온도에 따라 적절히 선택될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 면상 발열체는 하기 조건 (ㄱ) 및 조건 (ㄴ)을 만족할 수 있다.
(ㄱ) 발열량 1300W/m2 이상
(ㄴ) 온도 균일도 90% 이상
상기 조건 (ㄱ) 및 조건 (ㄴ)을 만족하는 면상 발열체는 부분 발열이 최소화 또는 방지되고, 우수한 발열량을 발현할 수 있으며, 면상 발열체 내 카본 블랙 분말이 응집되지 않고, 분산이 잘되어 있음을 알 수 있다.
<준비예1>
폐타이어를 미분쇄하여 137㎛의 평균 입자 직경을 갖는 폐타이어 분말을 제조한 후, 상기 폐타이어 분말을 질소분위기 및 1000℃에서 탄화하여 15.7㎛의 평균 입도를 갖는 카본 블랙 분말을 제조하였다.
<실시예1>
준비예1로부터 제조된 카본 블랙 분말, 에탄올 및 노볼락계 페놀 수지를 혼합하여 코팅조성물을 제조하였다. 상기 카본 블랙 분말, 에탄올 및 노볼락계 페놀 수지는 전체 코팅 조성물의 중량을 기준으로 20, 45 및 45중량%로 포함되도록 혼합하였다.
<실시예2>
실시예1과 동일하게 실시하되, 전체 코팅 조성물의 중량을 기준으로 25중량%의 카본 블랙 분말을 포함하는 코팅 조성물을 제조하였다.
<실시예3>
실시예1과 동일하게 실시하되, 전체 코팅 조성물의 중량을 기준으로 30중량%의 카본 블랙 분말을 포함하는 코팅 조성물을 제조하였다.
<비교예1>
실시예1과 동일하게 실시하되, 전체 코팅 조성물의 중량을 기준으로 10중량%의 카본 블랙 분말을 포함하는 코팅 조성물을 제조하였다.
<비교예2>
실시예1과 동일하게 실시하되, 전체 코팅 조성물의 중량을 기준으로 15중량%의 카본 블랙 분말을 포함하는 코팅 조성물을 제조하였다.
<비교예3>
실시예1과 동일하게 실시하되, 전체 코팅 조성물의 중량을 기준으로 35중량%의 카본 블랙 분말을 포함하는 코팅 조성물을 제조하였다.
<실험예1>
준비예1에서 제조된 카본 블랙 분말 및 탄화 공정을 수행하기 전 폐타이어 분말의 입도를 입도 분석기(Makvern mastersizer 2000)를 통해 분석하였으며, 입도 분석 결과를 도 1 및 도 2에 도시하였다.
도 1을 참조하면, 준비예1에서 제조된 카본 블랙 분말의 평균 입자 직경(d0.5)은 15.735 ㎛이었다.
반면 도 2에 도시된 바와 같이, 탄화 공정을 수행하기 전 폐타이어 분말의 평균 입자 직경(d0.5)은 137.919 ㎛로 상기 카본 블랙 분말보다 현저히 높은 평균 입자 직경을 갖는 것으로 확인되었다.
<실험예2>
실시예1~4 및 비교예1~2에 따른 코팅 조성물로부터 하기 표 1과 같이 면상발열체를 제조하였으며, 제조된 면상 발열체의 물성을 평가하였다.
구체적으로 코팅 조성물을 유리 기판 상에 스크린 프린팅 방법을 통해 처리한 후, 오븐에서 60~150℃로 2시간 동안 건조하여 가로 2cm×세로 2cm 크기의 면상발열체를 제조하였다.
제조된 면상발열체의 발열량을 측정하기 위해 교류 전압기에 접촉 후 전류를 흑려 주었으며, 이때 측정된 전압값을 측정하여 소모 전력을 구하였다. 계산된 소모 전력은 면상 발열체의 면적(4cm2)으로 나누어 발열량을 계산하여 하기 표 1에 기재하였다.
또한, 제조된 면상발열체의 온도 균일도 측정을 위해 IR 화상카메라를 이용하였으며, 상기 발열량이 측정되었을 때의 온도분포를 측정하여 하기 표 1에 기재하였다
비교예1 비교예2 실시예1 실시예2 실시예3 비교예3
중량% 카본블랙분말 10 15 20 25 30 35
페놀
수지		 45 42.5 40 37.5 35 32.5
에탄올 45 42.5 40 37.5 35 32.5
발열량(W/cm2) 433.1 988.4 1523 2730.5 1934.3 1093.4
온도균일도(%) 5 30 95 97 100 100
상기 표 1을 참조하면, 카본 블랙 분말을 10, 15중량%로 포함하는 비교예1, 비교예2에 따른 코팅조성물로부터 제조된 면상발열체는 온도 분포가 매우 불균일한 것을 확인할 수 있으며, 발열량 또한 1000 W/cm2이하로 매우 낮은 수치를 나타내었다.
반면, 카본 블랙 분말을 20중량%로 포함하는 실시예1에 따른 코팅조성물로부터 제조된 면상발열체는 온도균일도가 90%이상으로 온도 분포가 상대적으로 균일하였으며, 발열량 또한 현저히 향상된 것을 확인할 수 있다. 또한, 카본 블랙 분말을 25중량%로 포함할 경우, 온도 분포가 더욱 균일해지고, 발열량이 가장 우수한 것을 확인할 수 있다. 한편, 비교예3과 같이 카본 블랙 분말을 일정 수준을 초과하여 포함할 경우, 온도 분포는 균일할 수 있으나, 발열량이 현저히 저하되는 것을 확인할 수 있다.
결과적으로 카본 블랙 분말을 적절한 함량으로 포함하는 것이 온도 분포 및 발열량을 동시에 향상시킬 수 있는 것으로 판단된다.

Claims (9)

  1. 고분자 수지, 용매 및 10~18㎛의 평균 입자 직경(d0.5)을 갖는 카본 블랙 분말을 전체 조성물의 중량을 기준으로 18~32 중량%로 포함하는 면상 발열체용 코팅조성물.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 수지는 페놀 수지인 면상 발열체용 코팅조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 용매는 에탄올, 메탄올 및 헥산 중에서 선택된 적어도 어느 하나인 면상 발열체용 코팅조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 수지와 용매는 1:0.5~1.5의 중량비율로 포함되는 면상 발열체용 코팅조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 카본 블랙 분말은 폐타이어 분말을 비활성기체 분위기 및 900~1500℃에서 0.5~3시간 동안 탄화하여 수득되는 면상 발열체용 코팅조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 카본 블랙 분말은 전체 조성물의 중량을 기준으로 23~27중량%로 포함되는 면상 발열체용 코팅조성물.
  8. 제1항 및 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 코팅조성물을 기판의 적어도 일면 상에 처리한 후 상기 코팅조성물 내 포함된 용매를 제거하여 제조된 면상 발열체.
  9. 제8항에 있어서,
    하기 조건 (ㄱ) 및 조건 (ㄴ)을 만족하는 면상 발열체:
    (ㄱ) 발열량 1300W/m2 이상
    (ㄴ) 온도 균일도 90% 이상
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