KR102191104B1 - 블랙 아이스 방지를 위한 발열체 시공방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고분자 및 탄소나노튜브를 기반으로 제조되며, 적절한 두께와 폭을 가지고 있는 발열체로, 도로 또는 활주로의 진행방향으로 수직으로 매설되되, 발열체 전면에서 발생된 열이 도로 또는 활주로의 지표면까지 전달되어 눈, 서리 또는 블랙 아이스 등을 녹일 수 있는 발열체 및 이의 시공방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 고분자 및 탄소소재를 기반으로 한 복합소재를 크기, 온도, 저항 등의 다양한 조건에 맞도록 맞춤 제조된 발열체를 도로 또는 활주로 등에 시공되는 블랙 아이스 방지를 위한 발열체 및 이의 시공방법에 관한 것이다.
동절기 자동차나 통행로 등 노면의 동결은 교통, 인사사고의 원인이 되고 있는 것은 주지의 사실이다.
특히, 최근 항공기나 자동차등 수송 장치의 발전 및 물류의 이동이 급속도로 늘어남에 이동로의 결빙으로 인한 사고가 빈번하게 나고 있으며 대형사고로 이어 지고 있다.
특히, 국내외로 발생되고 있는 블랙 아이스로 인한 연쇄충돌사고는 도로 결빙에 대한 위험을 경고하고 있다.
블랙 아이스는 운전자의 눈에 잘 보이지 않는 형태로 도로 또는 활주로 등에 결빙되는 특징으로 인하여 교통사고가 유발되는 것이다.
이러한 문제를 해결하기 위한 노력으로 도로에 전기발열선을 매설하는 방식, 지열을 이용하는 방식 또는 제설제 살포 방식 등을 이용하여 제설 작업이 이루어지고 있다.
상기 도로에 전기발열선을 매설하는 방식은 도로포장의 바탕을 이루는 층 위에 전기발열선을 배치한 후에 덧씌우기 포장하는 공법으로, 발열선의 열을 이용하여 눈을 녹이는 방법이다.
위의 전기발열선을 매설하는 방식은 시공이 간편한 장점이 있으나, 도로에 시공될 경우 차량에 의해 발열선이 쉽게 끊어지는 문제점이 있다.
상기 지열을 이용하는 방식은 지하수를 데워서 도로포장 속에 매설된 배관에 순환시키는 공법으로, 약 30℃로 데워진 지하수를 이용하여 눈을 녹이는 방법이다.
위의 지열을 이용하는 방식은 친환경적인 장점이 있으나, 장시간의 예열시간이 필요하고 지하수 공급이 어려운 산악지역 등 취약지역에는 시공이 불가능한 문제점이 있다.
상기 제설제 살포 방식은 염수 또는 염화칼슘 등을 도로표면에 분사하는 공법으로, 제설제를 이용하여 눈을 녹이는 방법이다.
위의 제설제 살포 방식은 강설 시에 빠르게 대처가 가능한 장점이 있으나, 수질이 오염되거나 차량 또는 도로시설 구조물의 부식과 수명이 단축되는 문제점이 있다.
또한, 위와 같은 방식들은 유지와 수리를 위해 막대한 비용이 수반되고 있는 실정이다.
또한, 전기발연선 또는 지열 방식은 예측되는 결빙 환경과 발연선이나 지열을 이용하여 지표면이 발열되는 시간의 차이가 크거나, 발열 스위치가 동작되지 않는 경우가 발생될 수 있다.
다음은 도로 제설 기술에 관한 배경기술 문헌으로, 등록특허공보 제10-1421069호(이하, 문헌 1), 등록특허공보 제10-1640019호(이하, 문헌 2), 등록특허공보 제10-0923663호(이하, 문헌 3) 및 등록특허공보 제10-1026272호(이하, 문헌 4)가 있다.
문헌 1은 열선이 삽입된 열선보호관이 건물 입구, 고속도로, 지하주차장, 터널 등에 매설되어 열선보호관으로부터 열선의 일 측을 잡아 당겨 인출이 가능한 열선을 이용한 도로결빙 방지 시스템에 관한 것이다.
문헌 1의 시스템은 열선보호관 내에 열선이 포함되는 구조로 형성되어 열선이 파손되는 것을 방지하고 있으나, 열선보호관에 의해 콘크리트나 아스콘 등의 표면에 간접적으로 열이 전달되어 열효율이 저하될 수 있다.
문헌 2는 기초포장의 매설 홈에 내측에 열선이 삽입 고정되는 탄발고정부와 지지클립부 및 단열을 위한 중공형 비드 분말이 혼합된 1차 수지층이 매설 홈에 충전되되, 열확산을 위한 금속 분말이 혼합된 2차 수지층이 기초포장 상면에 도포되는 미끄럼방지용 도로 결빙 방지 시스템에 관한 것이다.
문헌 2의 시스템은 열선을 이용함에 따라 장시간의 예열시간이 필요하여 빠르게 눈을 녹이기가 어렵고, 막대한 전력량을 소모하여 시스템 유지를 위해 과다한 비용이 소모될 수 있다.
문헌 3은 포장 도로 표면에 소정의 깊이를 형성하는 홈과 홈에 대응하는 외형을 갖는 수용 부재, 수용 부재 바닥부에 배치되어 열을 발생시키는 발열부재와 발열부재의 상부에 배치되는 열전도층, 홈을 메우는 보호층, 온도와 적설감지유닛 및 발열부재를 제어하는 컨트롤 유닛을 포함하는 포장도로의 제설장치 및 그의 설치방법에 관한 것이다.
문헌 3의 제설 장치는 발열부재가 홈의 하단에 형성되어 있어 홈 최하단에서 상단으로 갈수록 온도가 일정하게 유지되지 못하고 최하단에서 가장 높은 열이 발생되고 그로 인해 포장 도로 내부의 아스팔트가 녹을 수 있다.
문헌 4는 탄소나노튜브 및 카본블랙 혼합물과 실리콘 수지의 복합 구조로 이루어지되, 사전 성형물로 제조되는 탄소나노튜브 혼합물을 함유한 열전달물질을 이용한 제설용 발열체의 시공방법에 관한 것이다.
문헌 4의 발열체는 열을 공급하기 위해 내측 하부에 하나 또는 복수개의 전열선이 내장된 구조이며, 접속단자로 암, 수 잭이 결합된 삽입형 커넥터를 사용하고 있어 잦은 누전사고가 발생될 수 있다.
<배경기술 문헌>
(문헌 1) 등록특허공보 제10-1421069호
(문헌 2) 등록특허공보 제10-1640019호
(문헌 3) 등록특허공보 제10-0923663호
(문헌 4) 등록특허공보 제10-1026272호
본 발명은 상기 배경기술의 문제점을 해결하고, 도로에 매설되어 동절기 동결되는 도로의 눈, 블랙 아이스를 방지할 수 있는 발열체의 크기와 성능 및 시공방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 발열체는 예열 시간 없이 즉각적으로 반응하여 도로의 표면에 쌓인 눈이나 블랙 아이스를 녹임으로써, 교통사고를 방지하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 발열체의 열에 의해 도로 아스팔트나 콘크리트의 물성이 변하거나, 파손되지 않는 것을 목적으로 한다.
나아가, 본 발명은 도로에 발열체를 쉽게 시공할 수 있고, 전력 소모를 절감하여 투입 및 운영비용을 절감하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 띠형으로 형성되되, 고분자 레진 또는 실리콘 75~98중량%, 탄소나노튜브 1~25중량% 및 전도성 필러 0~2중량% 포함되어 제조된 발열체로서, 두께는 0.3~10mm를 가지며, 폭은 5~25mm를 가지고, 길이는 1~100m의 형태를 가지되 발열체의 양끝 단에만 전선이 연결되며 지표면 또는 도로와 수직으로 종 또는 횡 방향으로 매설되는 것을 특징으로 한다.
상기 전도성 필러는 금속, 금속 산화물, 카본 블랙(carbon black), 그래파이트(graphite), 풀러렌(fullerene), 그래핀(graphene) 또는 탄소 마이크로 코일(carbon micro coil) 중 어느 하나 이상이 포함되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 도로빙판방지를 위한 발열체 시공방법은 띠형으로 형성되되, 고분자 레진 또는 실리콘 75~98중량%, 탄소나노튜브 1~25중량% 및 전도성 필러 0~2중량% 포함되어 제조된 발열체로서, 두께는 0.3~10mm를 가지며, 폭은 5~25mm를 가지고, 길이는 1~100m의 형태를 가지되 발열체의 양끝 단에만 전선이 연결되며 지표면 또는 도로와 수직으로 종 또는 횡 방향으로 매설되는 것을 특징으로 한다.
창호제습, 수도관 또는 가스관 해빙, 결빙방지, 주택바닥 온돌, 건설부분 히터에 사용되기 위한 발열체는 띠형으로 형성되되, 고분자 레진 또는 실리콘 75~98중량%, 탄소나노튜브 1~25중량% 및 전도성 필러 0~2중량% 포함되어 제조된 발열체로서, 두께는 0.3~10mm를 가지며, 폭은 5~25mm를 가지고, 길이는 1~100m의 형태를 가지되 발열체의 양끝 단에만 전선이 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발열체 시공방법은 도로에 홈(10)이 형성되는 단계(S110), 홈(10)에 발열체(100)가 수직으로 삽입되는 단계(S120), 발열체들(100)이 전원부에 연결되는 단계(S130) 및 보호층(15)이 형성되는 단계(S140)가 포함되는 것을 특징으로 한다.
상기 홈(10)에 발열체(100)가 수직으로 삽입되는 단계(S120)는 발열 도로의 시작 부분과 끝 부분에 위치한 발열체(100)에 전선(110)이 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 발열체 시공방법에 연속하여 형성되는 발열체들(100)이 연결되는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 발열체는 도로에 매설되어, 예열 시간 없이 발열되어 도로의 표면에 열을 즉각적으로 전달하여 도로에 쌓인 눈, 서리나 블랙 아이스를 녹임으로 교통사고를 방지하여 물적, 인적 피해를 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명은 150℃ 전후 높은 온도의 발열원을 갖는 발열체와 달리, 발열체 전면에 적정 온도로 발열되어 열에 의해 도로 아스팔트나 콘크리트의 물성이 변하지 않고, 파손되지 않는 효과가 있다.
나아가, 본 발명은 도로에 발열체를 종 또는 횡 방향으로 쉽게 시공할 수 있고, 전력 소모를 절감하여 투입 및 운영비용이 절감될 수 있다.
특히, 본 발명의 발열체는 도로가 닳거나 파손됨에 따라 전선이 노출로 인한 화재가 발생되지 않는 효과가 있다.
더욱이, 본 발명과 같이 띠형으로 형성되되, 전선이 양 끝단에만 사용되는 발열체는 창호나 가스관, 수도관의 히터나 결빙방지 건설자재 벽 또는 바닥 히터 등으로 다양하게 활용될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 발열체가 도로에 시공되는 예시도이고,
도 2는 본 발명에 따른 발열체가 도로에 시공되는 정면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 발열체와 일반적으로 사용되는 열선 사용에 따른 비교도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따라 제조된 발열체를 촬영한 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 발열체 사시도이다.
도 7은 발열체들이 전원부에 연결되는 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따른 발열체가 도로에 시공되는 시공방법을 나타낸 흐름도이다.
도 9는 본 발명에 따른 발열체들이 도로에 연속하여 연결되는 개략도이다.
<부호의 설명>
1 : 도로10 : 홈
15 : 보호층
100 : 발열체110 : 전선
도 2는 본 발명에 따른 발열체가 도로에 시공되는 정면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 발열체와 일반적으로 사용되는 열선 사용에 따른 비교도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따라 제조된 발열체를 촬영한 사진이다.
도 6은 본 발명에 따른 발열체 사시도이다.
도 7은 발열체들이 전원부에 연결되는 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따른 발열체가 도로에 시공되는 시공방법을 나타낸 흐름도이다.
도 9는 본 발명에 따른 발열체들이 도로에 연속하여 연결되는 개략도이다.
<부호의 설명>
1 : 도로10 : 홈
15 : 보호층
100 : 발열체110 : 전선
이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 목적, 특징, 장점은 이하의 실시예들을 통해 쉽게 이해될 것이다.
본 발명은 여기에서 개시되는 실시예들에 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수 있다. 여기에서 개시되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 제공되는 것이고, 본 발명의 기술적 사상 및 기술적 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
따라서 이하의 실시예들에 의하여 본 발명이 제한되어서는 안 되며, 본 발명의 기술적 사상 및 기술적 범위에 포함되는 모든 변환이 포함되는 것으로 이해되어야 한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
나아가, 본 발명은 창호의 습기제거나 건축자재의 히팅 소재 등의 히팅이 필요한 기술 분야에 적용될 수도 있으며, 통상의 지식을 가진 사람이라면 청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
본 발명은 다양한 변환이 가해질 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명한다. 도면들에서 요소의 크기 또는 요소들 사이의 상대적인 크기는 본 발명에 대한 명확한 이해를 위해서 다소 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 도면들에 도시된 요소의 형상이 제조 공정상의 변이 등에 의해서 다소 변경될 수 있다.
따라서 본 명세서에서 개시된 실시예들은 특별한 언급이 없는 한 도면에 도시된 형상으로 한정되어서는 안 되며, 어느 정도의 변형을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 즉, 본 발명의 다양한 양상들, 특징들, 실시예들 또는 구현예들은 단독으로 또는 다양한 조합들로 사용될 수 있다.
본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 청구범위에 의해서 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 하고, 본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한 통상의 기술을 가진 사람에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
<실시예 1>
도로 지면에 쌓인 눈, 서리 또는 블랙 아이스로 인해 유발되는 교통사고를 방지하기 위해 도로, 활주로 또는 경사로 등에 시공되는 발열체(100)가 제조될 수 있다.
상기 발열체(100)는 띠형으로 형성될 수 있다.
상기 띠형은 폭 또는 넓이가 좁고, 길이가 길며, 일정 두께를 갖는 형상을 의미하나, 시공되는 도로, 활주로 또는 경사로에 형성된 홈(10)의 형태에 따라 변동될 수 있기에 이에 한정되지 않는다.
상기 발열체(100)는 고분자 레진 또는 실리콘 75~98중량%, 탄소나노튜브 1~25중량% 및 전도성 필러 0~2중량%가 포함될 수 있다.
바람직하게는 고분자 레진 또는 실리콘 75~95중량%, 탄소나노튜브 5~23중량% 및 전도성 필러 0~2중량%가 포함될 수 있고, 더 바람직하게는 고분자 레진 또는 실리콘 78~90중량%, 탄소나노튜브 10~20중량% 및 전도성 필러 0~2중량%가 포함될 수 있으나, 발열체에 요구되는 발열 온도, 크기 등에 따라 함량비율이 변동될 수 있기에 이에 한정되지 않는다.
이때, 발열체(100)에 고분자 레진 또는 실리콘을 사용함으로써, 도로나 활주로 등에 적용하였을 때, 차량이나 항공기의 하중에 의해 도로 또는 활주로가 파손되어도 발열체(100)의 손상을 최소화할 수 있다.
만일, 발열체(100)에 고분자 레진 또는 실리콘이 75중량% 미만으로 사용될 경우 발열체(100)가 띠형으로 형성되기 어려울 수 있고, 98중량% 초과로 사용될 경우 도로 또는 활주로에 적용할 수 있는 발열 온도를 재현하기 어려울 수 있다.
상기 고분자 레진은 폴리프로필렌(PP, Polypropylene), 폴리에틸렌(PE, Polyethylene), 폴리아미드(PA, Polyamide), 폴리카보네이트(PC, Polycarbonate), 내충격성 폴리스틸렌(HIPS, High Impact Polystyrene), 열가소성 폴리우레탄(TPU, Thermoplastic Polyurethane), ABS 수지(Acrylonitrile Butadiene Styrene resin), 에폭시 수지(epoxy resin), 아크릴 수지(acrylic resin) 또는 우레탄 수지(urethane resin) 중 어느 하나 이상이 포함될 수 있다.
바람직하게는 폴리프로필렌(PP), 폴리아미드(PA), 열가소성 폴리우레탄(TPU), ABS 수지, 에폭시 수지, 아크릴 수지 또는 우레탄 수지 중 어느 하나 이상이 포함될 수 있으나, 발열체에 요구되는 발열 온도, 크기 등에 따라 변동될 수 있기에 이에 특별히 한정되지 않는다.
상기 탄소나노튜브는 단독으로 선행 분산처리 된 단일벽 탄소나노튜브 또는 다중벽 탄소나노튜브 중 하나 이상이 사용될 수 있고, 바람직하게는 다중벽 탄소나노튜브가 사용될 수 있다.
이때, 탄소나노튜브 분산 방식은 탄소나노튜브 분산 처리 과정 중에 발생되는 저항과 탄소나노튜브 소요량을 최소화하고, 발열체(100)의 전도성이 입체적으로 고르게 나타내기 위해서 건식 분산으로 수행되는 것이 바람직하다.
상기 건식 분산은 분체만 단독으로 있는 상태에서 분산장치에 분산을 수행하는 방식으로, 분산액을 코팅하는 방식으로 분체를 액상에 넣어서 압력 또는 진동, 전기적 충격을 가하여 분산을 수행한 후에 다시 건조시키는 습식 분산과 반대되는 개념이다.
만일, 선행 분산처리 되지 않은 탄소나노튜브를 사용하게 되면, 응집되려는 탄소나노튜브 고유의 성질에 의해 불균일한 전기적 특성이 나타날 수 있다.
이에, 발열체(100)에 분산 처리된 탄소나노튜브를 사용하여 균일한 전기적 특성을 나타내게 되어, 균일한 발열을 나타낼 수 있다. 이는 분산 처리된 탄소나노튜브가 고분자 내에서 그물망처럼 네트워크를 형성하기 때문이다.
그러나 탄소나노튜브는 분산 처리 된 것과 분산 처리 되지 않은 것, 건식 분산이나 액상 분산으로 특별히 제한되지 않는다.
만일, 발열체(100)에 탄소나노튜브가 1중량% 미만으로 사용될 경우 도로 또는 활주로에 적용할 수 있는 발열 온도를 재현하기 어려울 수 있고, 25중량% 초과로 사용될 경우 눈, 서리나 블랙 아이스 등을 녹이는 최적 온도 이상으로 발열하게 되어 아스팔트나 콘크리트의 물성이 변하거나 파손될 수 있다.
상기 다중벽 탄소나노튜브는 직경이 30nm 이하의 크기를 사용할 수 있고, 바람직하게는 10~30nm의 크기를 사용할 수 있으나, 발열체에 요구되는 발열 온도, 크기 등에 따라 크기가 변동될 수 있기에, 이에 한정되지 않는다.
또한, 다중벽 탄소나노튜브는 직경 1 기준으로 종횡비가 1 대 1,000이하인 것을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
상기 발열체(100)는 고분자 레진 또는 실리콘에 탄소나노튜브가 균일하게 혼합되기 위해, 탄소나노튜브 이외의 기타 전도성 필러가 2중량% 이내가 포함될 수 있고, 바람직하게는 0~2중량%가 포함될 수 있으나, 사용되는 전도성 필러의 종류에 따라 함량 비율이 변동될 수 있기에 이에 한정되지 않는다.
상기 탄소나노튜브 이외의 기타 전도성 필러는 금속, 금속 산화물, 카본 블랙(carbon black), 그래파이트(graphite), 풀러렌(fullerene), 그래핀(graphene) 또는 탄소 마이크로 코일(carbon micro coil) 중 어느 하나 이상이 사용될 수 있다.
바람직하게는 카본 블랙, 그래파이트, 풀러렌, 그래핀 또는 탄소 마이크로 코일 중 어느 하나 이상이 사용될 수 있고, 더 바람직하게는 카본 블랙 또는 그래파이트가 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
본 발명에서 고분자 레진 또는 실리콘과, 탄소나노튜브 및 기타 전도성 필러가 혼합된 것을 마스터 배치라 할 수 있다.
상기 마스터 배치는 롤링 되며, 띠형으로 형성된 발열체(100)로 제조될 수 있다.
상기 발열체(100)는 고분자 레진 또는 실리콘에 탄소나노튜브 및 전도성 필러가 균일하게 분산되어 혼합됨에 따라, 도 3에서와 같이 발열체(100) 전면에서 열이 발생되어 별도의 예열시간 없이도 즉각적으로 발열이 가능한 장점이 있다.
또한, 발열체(100)에 구멍이나 손상이 발생되어도 전자가 손상 부위를 피하여 흐르게 됨으로써, 발열 기능이 저하되거나 화재가 발생되지 않는 효과가 있다.
반면, 일반적으로 사용되는 발열체나 열선은 손상이 발생된 부분의 발열체나 열선의 전면과 함께 전선과 컨트롤 시스템을 재배치해야하는 복잡한 후속 조치로 인해 많은 비용이 발생될 수 있다.
본 발명의 발열체(100)는 위와 같은 특징을 가지고 있어 다수개의 발열체들(100)이 맞닿도록 배치되면 전자가 흐르기에 손상된 해당 부분의 발열체(100)만을 교체할 수 있어 수리 시공이 간편한 장점이 있다.
또한, 일반적으로 사용되는 발열체 또는 열선은 도 3에서와 같이, 도로 또는 활주로의 50~100mm 깊이로 매설됨에 따라 지표면까지 열을 전달하기 위해 발열원에서 150℃ 전후의 높은 온도로 인해 발열체 또는 열선 주변의 아스팔트나 콘크리트의 물성이 변형되거나, 손상되는 문제가 있다.
만일, 일반적으로 사용되는 발열체 또는 열선을 지표면에 가깝게 시공하더라도 높은 온도의 발열원에 의해 아스팔트나 콘크리트가 불균일해지고 그로 인해 전선이나 열선이 단선될 수 있다.
한편, 발명의 발열체(100)는 위에서 설명된 일반적인 발열체 또는 열선 사용에 따른 문제점을 개선하기 위해, 도 3에서와 같이 발열체(100) 전면에 아스팔트나 콘크리트의 물성이 변형 또는 손상되지 않으면서도 도로, 활주로 또는 경사로에 쌓인 눈, 서리, 블랙 아이스 등을 녹일 수 있는 적정 온도(예를 들면, 80℃ 이하)를 제공할 수 있다.
<실시예 2>
상기 실시예 1의 마스터 배치를 이용하여 발열체(100)가 제조될 수 있다.
상기 발열체(100)는 도 1, 도 4 및 도 5에서와 같이, 길이(c)가 한정되지 않으며, 필요에 따라 임의로 절단하여 사용될 수 있다.
또한, 발열체(100)는 두께(a) 대 폭(b)의 길이비율이 1 대 0.5~200으로 형성될 수 있으나, 시공되고자 하는 도로 또는 활주로 등에 따라 길이비율이 변동될 수 있기에 이에 한정되지 않는다.
바람직하게, 상기 발열체(100)는 두께(a)가 0.3~10mm이며, 폭(b)이 5~25mm이고, 길이(c)가 1~100m로 제조될 수 있으나, 시공되고자 하는 도로 또는 활주로 등에 따라 변동될 수 있기에, 특별히 이에 한정되지 않는다.
<실시예 3>
상기 실시예의 발열체(100)에 전선(110)이 포함될 수 있다.
상기 전선(110)은 전류를 공급하여 발열체에 열이 발생되기 위해 도 6에서와 같이 발열체(100) 길이방향 양 끝단에 형성될 수 있다.
이때, 다수의 발열체들(100)이 도 9와 같이, 도로 또는 활주로에 연속으로 시공될 때, 도로 또는 활주로의 시작 부분에 위치한 발열체(100)의 시작 부위와 끝 부분에 위치한 발열체(100)의 끝 부위에 전선(110)이 형성되며, 발열체(100) 양 끝단 이외에는 전선(110)이 형성되지 않는 것이 특징이다.
이는 전선 없이 중간 부분에 발열체들(100)이 위치하여도 상기 발열체(100) 내에 포함된 탄소나노튜브와 전도성 필러에 의해 연속되는 발열체들(100)을 통해 전류가 흐르게 되어 발열체의 전면에서 열이 발생되는 것이다.
상기 전선(110)은 한 가닥 또는 수십 가닥의 철, 구리, 니켈, 알루미늄, 은, 금, 백금 등 중에서 선택된 단일 금속 또는 합금으로 이루어진 금속선이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 두 가닥 이상으로 된 금속 전선이 함침 될 수 있다. 더 바람직하게는 10개 이상의 가닥이 함침 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
<실시예 4>
상기 실시예의 발열체(100)를 도 8에서와 같이, 도로 또는 활주로에 수직으로 매립될 수 있다.
먼저, 도로 또는 활주로에 홈(10)이 형성되는 단계(S110)가 수행될 수 있다.
이때, 컷팅기를 이용하여 도 1 및 도 2에서와 같이 도로 또는 활주로에 수직 방형으로 일정 깊이를 갖는 홈(10)이 형성될 수 있다.
홈(10)은 깊이 65~70mm이고, 너비 2~10mm이며, 도로 또는 활주로 진행 방향으로 형성될 수 있으나, 사용되는 발열체의 크기에 따라 변동될 수 있기에, 이에 한정되지 않는다.
또한, 도로 또는 활주로에 다수개의 홈(10)이 형성될 경우, 홈들(10)간의 간격은 15~250mm로 형성될 수 있으나, 도로 또는 활주로의 너비에 따라 이에 한정되지 않고, 변동될 수 있다.
상기 컷팅기는 공지의 것을 사용하였다.
다음으로, 홈(10)에 발열체(100)가 수직으로 삽입되는 단계(S120)가 수행된다.
여기서, 발열체(100)는 띠형으로 형성됨에 따라, 홈(10)에 발열체(100)가 수직으로 삽입될 수 있다.
이때, 다수개의 발열체(100)가 홈(10)에 삽입될 경우 상기 실시예 3에서와 같이 도로 또는 활주로의 시작 부분과 끝 부분에 위치한 발열체(100)에 전선(110)이 연결되어 도 7과 같이, 전선(110)이 전원부(control box)에 연결되어 시공될 수 있다(S130).
이후, 보호층(15)이 형성되는 단계(S140)가 수행될 수 있다.
홈(10)에 삽입된 발열체(100)가 도로 또는 활주로에 매립되기 위해, 도 2에서와 같이 홈(10) 상단 즉, 발열체(100)가 노출되어 보이는 틈에 아스팔트 또는 콘크리트를 이용하여 보호층(15)이 형성될 수 있다.
위의 방법으로 시공된 도로 또는 활주로는 발열체(100) 전면에 발열이 발생되어 지표면에 열이 전달되는 시간이 수십 분에서 수 시간 소요되는 일반적인 발열체나 열선보다 짧은 시간만으로 눈, 서리, 블랙 아이스를 녹임으로써, 빙판사고를 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 도로 또는 활주로에 발열체(100)가 매립되는 공법은 도로 전면 또는 일부분에 시공이 가능한 장점이 있다.
<실시예 5>
상기 실시예 4의 발열체(100) 시공방법에 연속하여 형성되는 발열체들(100)이 연결되는 단계(S125)가 시공되고자 하는 면적이나 용도에 따라 더 수행될 수 있다.
연속하여 형성되는 발열체들(100)이 연결되는 단계(S125)는 홈(10)에 발열체(100)가 수직으로 삽입되는 단계(S120)가 진행된 후에 수행될 수 있다.
이때, 도로 또는 활주로에 홈(10)이 형성되는 단계(S110), 홈(10)에 발열체(100)가 수직으로 삽입되는 단계(S120), 발열체들(100)이 전원부에 연결되는 단계(S130) 및 보호층(15)이 형성되는 단계(S140)는 상기 실시예 4와 동일하게 수행될 수 있다.
상기 연속하여 형성되는 발열체들(100)이 연결되는 단계(S125)는 도 9 및 앞에서 설명한 실시예 3과 같이, 임의의 길이로 절단되어 시공됨에 따라 도로 또는 활주로의 길이보다 발열체(100)의 길이가 짧게 형성될 경우, 다수의 발열체들(100)이 도로 또는 활주로의 시작 부분에 위치한 발열체(100)의 시작 부위와 끝 부분에 위치한 발열체(100)의 끝 부위에 전선(110)이 형성되며, 발열체(100) 양 끝단 이외에는 전선(110)이 형성되지 않는다.
이는 전선 없이 중간 부분에 발열체들(100)이 위치하여도 상기 발열체(100) 내에 포함된 탄소나노튜브와 전도성 필러에 의해 연속되는 발열체들(100)을 통해 전류가 흐르게 되어 발열체(100)의 전면에서 열이 발생되는 것이 본 발명의 특징 중 하나이다.
한편, 일반적인 발열체는 길이 방향으로 한 쌍의 전선이 연결되어 있어 도로가 닳거나 파손될 경우, 전선이 도로에 노출되어 차량에 의해 전선에 흠집이 발생되거나, 절단됨에 따라 발열이 되지 않고, 화재가 발생될 수 있다.
또한, 일반적인 발열체는 도로 일부절단 수리를 할 경우나 전선에 흠집이나 절단되면, 도로에 매설된 발열체 전부를 교체해야하는 번거로움이 있다.
반면, 본 발명의 발열체(100)는 위에서 설명한 바와 같이, 양 끝단 이외에는 전선(110)이 형성되지 않아 수리하고자 하는 부분에 위치한 발열체(100)만을 전선 없이 발열체끼리 압착하여 연결하면 제 기능을 하기 때문에 수리가 간편하고, 그에 따른 비용과 시간이 절감되는 큰 장점이 있다.
<시험예 1>
상기 실시예에서 사용되는 탄소나노튜브 분산 처리 전, 후에 따른 물성 변화를 확인하였다.
다음 표 1은 탄소나노튜브 분산 처리 전, 후에 따른 표면 저항률을 비교한 결과이다.
| 분산 전의 표면 저항률(Ω/sq) | 분산 후의 표면 저항률(Ω/sq) |
| 1.0E+06 | 1.0E+02 |
| 1.0E+07 | 1.0E+03 |
| 1.0E+04 | 1.0E+00 |
일반적으로 탄소나노튜브는 반데르발스 힘에 의하여 여러 가닥이 뭉쳐진 다발형 탄소나노튜브 형태로 정렬되어 있다. 이러한 다발형 탄소나노튜브를 고분자 레진 또는 실리콘에 혼입하게 되면, 한쪽으로만 뭉치게 되어 불균일한 물성 변화가 나타날 수 있다.
즉, 표 1에서와 같이 분산 전의 탄소나노튜브의 표면 저항률이 1.0E+04 내지 1.0E+07Ω/sq을 나타내고 있다.
반면, 분산 후의 탄소나노튜브의 표면 저항률이 1.0E+00 내지 1.0E+03Ω/sq을 나타내고 있다. 이를 통해 탄소나노튜브는 분산함에 따라 표면 저항률이 낮아짐을 알 수 있다.
또한, 표면 저항률이 낮다는 의미는 전기전도성이 높아짐을 유추할 수 있다.
즉, 탄소나노튜브가 분산 전보다 분산 후에 표면 저항률이 낮아짐을 통해, 탄소나노튜브가 분산될 경우 분산 전보다 전기전도성이 높아짐을 예측할 수 있다.
또한, 탄소나노튜브는 분산 시에 동일 함량으로 전기전도성이 100~10,000배 향상되는 효과가 있다. 즉, 분산된 탄소나노튜브는 요구되는 전기전도성에 맞게 소량을 사용하여 구현이 가능함으로써, 제조 단가가 낮아지는 장점이 있다.
<시험예 2>
상기 실시예에 따른 발열체(100)의 폭 크기에 따른 온도를 확인하였다.
상기 발열체(100)는 실리콘 95중량% 및 분산 처리 된 탄소나노튜브 5중량%가 포함된 마스터 배치가 사용되었다.
또한, 발열체(100)는 띠형으로 형성되되, 두께(a) 2.5mm, 길이(c) 1m로 동일한 조건이면서 폭(b)이 각각 100, 200, 300, 500mm로 제조되었다.
이때, 발열체(100)에 가해지는 전압은 220V로 모두 동일한 조건에서 10분 후의 온도, 저항, 전류 및 소비전력을 측정하였다.
다음 표 2는 발열체(100)의 폭 크기에 따른 온도, 저항, 전류 및 소비전력을 측정한 결과이다.
| 폭(b)(mm) | 100 | 200 | 300 | 500 |
| 온도(℃) | 80 | 100 | 140 | 150 |
| 저항(Ω) | 300 | 133 | 65 | 34 |
| 전류(A) | 0.9 | 1.57 | 3.95 | 7.7 |
| 소비전력(W) | 150 | 360 | 860 | 1,600 |
상기 표 2를 통해, 분산 처리 된 탄소나노튜브 함량, 발열체(100)의 두께(a), 길이(c), 전압이 동일한 조건에서 폭(b)의 크기가 증가함에 따라 온도가 상승함을 확인하였다. 또한, 발열체(100) 폭(b)의 크기가 증가함에 따라 전류와 소비전력도 함께 증가하고, 저항이 감소함을 확인하였다.
이를 통해 발열체(100)의 폭(b) 크기가 증가하게 되면, 온도가 상승함을 예측할 수 있다.
위의 조건으로 제조된 발열체(100)의 온도가 80~150℃를 나타내고 있어 도로 또는 활주로에 적용할 경우 콘크리트 또는 아스팔트의 물성이 변할 수 있다.
따라서 발열체(100)는 상기와 동일한 조건이되, 폭(b)이 100mm 미만으로 형성될 경우 80℃ 미만의 온도로 나타날 수 있음을 예측할 수 있다.
<시험예 3>
상기 실시예에 따른 발열체(100)의 폭 또는 길이에 따른 온도를 확인하였다.
상기 발열체(100)는 실리콘 95중량% 및 분산 처리 된 탄소나노튜브 5중량%가 포함된 마스터 배치가 사용되었다.
발열체(100)에 가해지는 전압은 220V로 모두 동일한 조건에서 10분 후 및 20분 후의 온도, 저항, 전류 및 소비전력을 측정하였다.
다음 표 3은 두께(a) 2.5mm, 길이(c) 1.5m로 동일한 조건이면서 폭(b)이 각각 300, 500mm로 제조되되, 띠형으로 형성되는 발열체(100)의 온도, 저항, 전류 및 소비전력을 측정한 결과이다.
| 폭(b)(mm) | 300 | 500 |
| 10분 후 온도(℃) | 70 | 80 |
| 20분 후 온도(℃) | 110 | 120 |
| 저항(Ω) | 67 | 32 |
| 전류(A) | 3.64 | 8.1 |
| 소비전력(W) | 768 | 1,750 |
상기 표 2를 통해, 분산 처리 된 탄소나노튜브 함량, 발열체(100)의 두께(a), 길이(c), 전압이 동일한 조건에서 폭(b)의 크기가 증가함에 따라 온도가 상승함을 확인하였다.
상기 표 1과 표 2를 비교하면, 발열체(100)의 폭(b)이 동일하되, 길이(c)가 증가하게 되면, 온도가 감소함을 확인할 수 있다.
다음 표 4는 두께(a) 2.5mm, 폭(b) 300mm로 동일한 조건이면서 길이(c)가 각각 1.5, 2m로 제조되되, 띠형으로 형성되는 발열체(100)의 온도, 저항, 전류 및 소비전력을 측정한 결과이다.
| 길이(c)(m) | 1.5 | 2 |
| 10분 후 온도(℃) | 70 | 60 |
| 20분 후 온도(℃) | 110 | 80 |
| 저항(Ω) | 67 | 82.6 |
| 전류(A) | 3.64 | 2.93 |
| 소비전력(W) | 768 | 632 |
상기 표 4를 통해, 분산 처리 된 탄소나노튜브 함량, 발열체(100)의 두께(a), 폭(b), 전압이 동일한 조건에서 길이(c)의 크기가 증가함에 따라 온도가 감소함을 확인하였다.
<시험예 4>
상기 실시예에 따른 발열체(100)의 폭과 길이를 각각 다르게 한 후, 온도를 확인하였다.
상기 발열체(100)는 실리콘 90중량% 및 분산 처리 된 탄소나노튜브 10중량%가 포함된 마스터 배치가 사용되었다.
이때, 발열체(100)에 가해지는 전압은 220V로 모두 동일한 조건에서 10분 후와 20분 후의 온도, 저항 및 소비전력을 측정하였다.
또한, 발열체(100)는 띠형으로 형성되되, 두께(a) 0.5mm로 동일한 조건이면서 폭(b)이 각각 20, 50, 65mm이고, 길이(c)가 각각 3, 5m로 제조되었다.
다음 표 5는 위의 조건으로 제조된 발열체(100)의 온도, 저항 및 소비전력을 측정한 결과이다.
| 폭(b)(mm) | 20 | 50 | 65 | |||
| 길이(c)(m) | 3 | 5 | 3 | 5 | 3 | 5 |
| 10분 후 온도(℃) | 40 | 28 | 48 | 33 | 45 | 25 |
| 20분 후 온도(℃) | 45 | 35 | 55 | 40 | 50 | 30 |
| 전류(A) | 0.27 | 0.15 | 0.6 | 0.38 | 0.8 | 0.45 |
| 소비전력(W) | 60 | 33 | 134 | 83 | 174 | 100 |
상기 표 5를 통해, 분산 처리 된 탄소나노튜브 함량, 발열체(100)의 두께(a), 폭(b), 전압이 동일한 조건에서 길이(c)의 크기가 증가함에 따라 온도가 감소함을 확인할 수 있다.
반대로 분산 처리 된 탄소나노튜브 함량, 발열체(100)의 두께(a), 길이(c), 전압이 동일한 조건에서 폭(b)이 증가함에 따라 온도가 증가하였다가 다시 감소함을 확인하였다.
보다 자세하게 설명하면, 두께(a) 0.5mm, 길이(c) 3m일 때, 폭(b)이 20, 50mm이면 온도가 상승하였지만, 65mm이면 온도가 감소함을 보였다.
또한, 두께(a) 0.5mm, 길이(c) 5m일 때, 폭(b)이 20, 50mm이면 온도가 상승하였지만, 65mm이면 온도가 감소함을 보였다.
위의 조건을 두께(a) 대 길이(c)의 길이비율로 변환하면 1 대 6,000 내지 10,000에 해당됨을 확인할 수 있다.
즉, 발열체(100)는 두께(a) 대 길이(c)의 길이비율이 1 대 6,000 이상이 되면 다시 온도가 낮아짐을 예상할 수 있다.
<시험예 5>
상기 실시예에 따른 발열체(100)의 각각의 조건을 달리한 후, 온도를 확인하였다.
이때, 발열체(100)에 가해지는 전압은 220V로 모두 동일한 조건에서 10분 후와 20분 후의 온도, 저항 및 소비전력을 측정하였다.
상기 발열체(100)는 분산 처리된 탄소나노튜브가 각각 5, 13, 15중량%이며, 나머지는 실리콘이 포함된 마스터 배치가 사용되었다.
또한, 두께(a)를 각각 1, 2.5, 5mm로 설정하고, 폭(b)이 각각 65, 100mm로 설정되며, 길이(c)가 각각 3, 5, 10, 19, 20m로 설정되되, 띠형으로 발열체(100)를 제조하였다.
다음 표 6은 위의 조건에 따라 제조된 발열체(100)의 온도, 저항 및 소비전력을 측정한 결과이다.
| 탄소나노튜브(중량%) | 5 | 13 | 15 | ||||
| 두께(a)(mm) | 2.5 | 1 | 5 | 5 | |||
| 폭(b)(mm) | 100 | 65 | 65 | ||||
| 길이(c)(m) | 3 | 5 | 5 | 19 | 5 | 10 | 20 |
| 10분 후 온도(℃) | 65 | 50 | 45 | 22 | 100 | 45 | 45 |
| 20분 후 온도(℃) | 80 | 65 | 55 | 30 | 120 | 55 | 55 |
| 저항(Ω) | 182 | 236 | 213 | 440 | 60 | 122 | 130 |
| 소비전력(W) | 268 | 200 | 235 | 110 | 1,000 | 430 | 1,900 |
상기 시험예 2 내지 시험예 5를 살펴보면, 도로 또는 활주로의 홈에 삽입되는 발열체(100)는 상기 표 6의 결과를 토대로 도출하면, 분산 처리 된 탄소나노튜브가 15±4.5중량% 포함되고, 두께(a) 5±1.5mm로 제조되는 것이 좋다.
즉, 분산 처리 된 탄소나노튜브가 15±4.5중량% 포함되고, 두께(a) 5±1.5mm로 제조된 발열체(100)는 도로 또는 활주로의 홈에 매립되어도 지표면을 초기에 승온 시키고, 아스팔트 또는 콘크리트에 손상이 발생되지 않는 40~60℃의 온도로 유지될 수 있음을 도출하였다.
본 발명은 블랙 아이스 방지를 위한 발열체 및 이의 시공방법에 관한 것으로 고분자 및 탄소나노튜브를 기반으로 한 발열체를 도로, 활주로 또는 경사로 등에 시공하여 눈, 서리 또는 블랙 아이스 때문에 발생할 수 있는 사고를 미연에 방지할 수 있는 산업상 이용가능한 발명이다.
Claims (4)
- 삭제
- 도로에 홈(10)이 종 또는 횡 방향으로 형성되는 단계(S110);
홈(10)에 발열체(100)가 수직으로 삽입되는 단계(S120);
연속하여 형성되는 발열체들(100)이 연결되는 단계(S125);
도로의 시작 부분과 끝 부분에 위치한 발열체(100)의 끝 부위에 전선(110)이 연결되며, 전선(110)이 전원부에 연결되는 단계(S130); 및
홈(10) 상단에 아스팔트 또는 콘크리트를 이용하여 보호층(15)이 형성되는 단계(S140);가 포함되며,
발열체(100)는 띠형으로 형성되되, 고분자 레진 또는 실리콘 78 내지 90중량%, 건식 분산 처리 된 탄소나노튜브 10 내지 20중량% 및 전도성 필러 0 내지 2중량% 포함되고, 두께는 0.3 내지 10mm를 가지며, 폭은 5 내지 25mm를 가지고, 길이는 1 내지 100m의 형태를 가지고,
전도성 필러는 그래파이트(graphite), 풀러렌(fullerene), 그래핀(graphene) 또는 탄소 마이크로 코일(carbon micro coil) 중 어느 하나 이상이 포함되고,
발열체(100)는 예열시간 없이 전면이 발열되어 도로에 쌓인 눈, 서리 또는 블랙 아이스를 녹이며, 도로의 아스팔트 또는 콘크리트의 물성이 변하지 않으며,
도로의 시작과 끝 부분을 제외한 부분에 위치한 발열체(100)는 전선(110)이 없어도 발열체(100)끼리 압착하여 연결되는 것을 특징으로 하는, 발열체 시공방법. - 삭제
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