KR102206914B1 - 저전압 열선용 탄소섬유 제조 방법 및 저전압 열선용 탄소섬유 - Google Patents

저전압 열선용 탄소섬유 제조 방법 및 저전압 열선용 탄소섬유 Download PDF

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박형기
양승민
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Abstract

본 발명은 저전압 열선용으로 사용되도록 저항이 낮추어진 저전압 열선용 탄소섬유 제조 방법 및 저전압 열선용 탄소섬유에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예는 열선용 탄소섬유의 경계면에 무전해 도금층의 입계를 형성하기 위한 열처리 조건을 수립하는 단계; 및 상기 열처리 조건에 의해 상기 열선용 탄소섬유를 열처리하여 상기 열선용 탄소섬유의 경계면에 무전해 도금층을 형성하는 단계;;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 저전압 열선용 탄소섬유 제조 방법을 제공한다

Description

저전압 열선용 탄소섬유 제조 방법 및 저전압 열선용 탄소섬유{Method for manufacturing carbon fiber for Low voltage heating cable and carbon fiber for Low voltage heating cable}
본 발명은 탄소섬유에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 저전압 열선용으로 사용되도록 저항이 낮추어진 저전압 열선용 탄소섬유 제조 방법 및 저전압 열선용 탄소섬유에 관한 것이다.
일반적으로 발열케이블은 자동차의 후면 유리, 사이드 미러, 시트 또는 조향 핸들의 습기 제거 또는 보온을 위한 발열, 발열매트, 온돌침대, 바닥의 난방을 위한 발열, 지붕 비닐 하우스의 제설을 위한 발열 또는 각종 배관과 탱크의 동결방지, 도로 면의 결로 방지 등에 사용되고 있는 것으로 그 사용 용도가 점점 더 많아지는 추세이다.
종래기술의 경우 발열케이블로 니크롬 선이 사용되었으나, 근래에 들어서는 열선의 두께 및 수명 개선을 위해 점차 탄소섬유가 적용되고 있다. 일반적인 탄소섬유 발열 케이블은 여러 가닥의 단일 탄소섬유를 꼬아서 탄소섬유 발열도체를 형성한 후 외부를 절연체로 감싸는 구조를 갖는다.
일반적인 탄소섬유의 전기저항은 22 Ω/m로 저전압용 열선으로 활용하기 위해서 저가의 도금공정을 통해 전기저항을 낮추는 공정이 필수적이며, 전자파 차폐를 위해서 대한민국 등록특허 제10-1197723호 등에 개시된 바와 같은 Ni 무전해 도금을 최종적으로 수행한 제품 또는 대한민국 공개특허 제10-2016-0118849호의 탄소섬유와 도전체를 합사하여 저항을 조절한 저항 조절식 탄소섬유 발열선 등이 출시되고 있다.
하지만, 상용으로 판매되고 있는 도금된 탄소섬유의 경우 전기저항이 0.1 Ω/m 이하로 12V, 24V용 열선으로 사용하기에 저항이 너무 낮아 쇼트의 위험성이 높은 문제점이 있다.
이에 따라, 12V의 경우 0.3 Ω/m, 24V의 경우 0.6 Ω/m 정도의 전기저항이 필요하며, 사용되는 길이에 따라 전기저항 값을 유동적으로 맞춰주는 기술이 필요하다.
대한민국 등록특허 제10-1197723호 대한민국 공개특허 제10-2016-0118849호
따라서 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 산화가 발생하지 않는 불활성 분위기에서 열처리를 통해 무전해 도금층의 입계를 생성시켜 전기 저항 값이 증가된 탄소섬유를 제조할 수 있도록 하는 저전압 열선용 탄소섬유 제조 방법 및 저전압 열선용 탄소섬유를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 열선용 탄소섬유의 경계면에 무전해 도금층의 입계를 형성하기 위한 열처리 조건을 수립하는 단계; 및 상기 열처리 조건에 의해 상기 열선용 탄소섬유를 열처리하여 상기 열선용 탄소섬유의 경계면에 무전해 도금층을 형성하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 저전압 열선용 탄소섬유 제조 방법을 제공한다.
상기 열처리 조건은, 상기 무전해 도금층의 입계가 1 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위로 형성되도록 열처리를 위한 분위기 가스, 승온 속도, 열처리 온도 및 시간을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 분위기 가스는, N2 또는 H2 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 분위기 가스는, 0. 5 내지 1.5 atm, 공급량은 0.5 SLM 내지 1.5 SLM(0 ℃ 에서 l/min)인 것을 특징으로 한다.
상기 승온 속도는 8 ℃/min 내지 10 ℃/min 범위인 것을 특징으로 한다.
상기 열처리 온도는 상기 무전해 도금층의 입계의 크기의 균질화에 따라 300 ℃ 내지 600 ℃ 범위 내에서 설정되는 것을 특징으로 한다.
상기 열처리 시간은 30 분 이하인 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예는, 열선용 탄소섬유; 및 상기 열선용 탄소섬유의 경계면에 형성되는 입계가 조절된 무전해 도금층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 저전압 열선용 탄소섬유를 제공한다.
상기 열선용 탄소섬유는, Ni 도금된 탄소섬유인 것을 특징으로 한다.
상기 무전해 도금층의 입계는 1 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 무전해 도금층은, Ni 도금 탄소섬유를 H2 분위기에서 열처리하여 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 무전해 도금층은, Ni 도금 탄소섬유를 N2 분위기에서 열처리하여 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 저전압 열성용 탄소섬유는 저항값이 0.3 Ω/m 이상인 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 저전압 열선용 탄소섬유 제조 방법의 처리과정을 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예 H2 분위기의 열처리에 의해 무전해 도금층이 형성된 저전압 열선용 탄소섬유의 SEM 사진.
도 3은 본 발명의 일 실시예 N2 분위기의 열처리에 의해 형성된 무전해 도금층이 형성된 저전압 열선용 탄소섬유의 SEM 사진.
이하에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 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 명세서에서, "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 발명의 일 실시예의 금속 표면 색상 구현 방법은 열선용 탄소섬유의 경계면에 무전해 도금층의 입계를 형성하기 위한 열처리 조건을 수립하는 단계; 및 상기 열처리 조건에 의해 상기 열선용 탄소섬유를 열처리하여 상기 열선용 탄소섬유의 경계면에 무전해 도금층을 형성하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 열처리 조건은, 상기 무전해 도금층의 입계가 1 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위로 형성되도록 열처리를 위한 분위기 가스, 승온 속도, 열처리 온도 및 시간을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 분위기 가스는, N2 또는 H2 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 분위기 가스는, 0. 5 내지 1.5 atm, 공급량은 0.5 SLM 내지 1.5 SLM(0 ℃ 에서 l/min)인 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 분위기 가스 조건은 1 atm, 1 SLM인 것이 바람직하다.
상기 승온 속도는 8 ℃/min 내지 10 ℃/min 범위인 것을 특징으로 한다.
상기 열처리 온도는 상기 무전해 도금층의 입계의 크기의 균질화에 따라 300 ℃ 내지 600 ℃ 범위 내에서 설정되는 것을 특징으로 한다.
상기 열처리 시간은 30 분 이하인 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예의 저전압 열선용 탄소섬유는, 열선용 탄소섬유; 및 상기 열선용 탄소섬유의 경계면에 형성되는 입계가 조절된 무전해 도금층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 열선용 탄소섬유는 Ni 도금 탄소섬유인 것을 특징으로 한다.
상기 무전해 도금층의 입계는 1 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위를 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 무전해 도금층은, Ni 도금 탄소섬유를 H2 분위기에서 열처리하여 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 무전해 도금층은, Ni 도금 탄소섬유를 N2 분위기에서 열처리하여 형성된 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 저전압 열선용 탄소섬유 제조 방법의 처리과정을 나타내는 도면이다.
도 1과 같이, 본 발명의 일 실시예의 저전압 열선용 탄소섬유 제조 방법은, 먼저, 열선용 탄소섬유를 열처리로 내에 준비하는 단계(S10)를 수행한다. 이때, 상기 열선용 탄소섬유는 Ni 도금된 탄소섬유일 수 있다.
다음으로, 무전해 도금층의 입계 형성을 위한 열처리 조건을 수립하는 단계(S20)를 수행한다.
이때, 수립되는 열처리 조건은 상기 열처리 조건은, 상기 무전해 도금층의 입계가 1 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위로 형성되도록 열처리를 위한 분위기 가스, 승온 속도, 열처리 온도 및 시간을 포함할 수 있으며, 구체적인 각각의 조건은 다음과 같다.
상기 열처리 조건 중 상기 분위기 가스 조건의 분위기 가스는, N2 또는 H2 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 분위기 가스 조건은 상기 분위기 가스를 0. 5 내지 1.5 atm의 압력으로 0.5 SLM 내지 1.5 SLM(0 ℃ 에서 l/min)로 공급하는 조건을 포함할 수 있다.
상기 승온 속도 조건은 목표 온도까지의 승온을 8 ℃/min 내지 10 ℃/min 범위로 수행하는 조건일 수 있다.
상기 열처리 온도 조건은 상기 무전해 도금층의 입계의 크기의 균질화에 따라 300 ℃ 내지 600 ℃ 범위의 열처리 온도로 열처리를 수행하는 조건일 수 있다.
상기 열처리 시간 조건은 열처리의 수행 시간이 30 분 이하로 설정되는 것일 수 있다.
상술한 바와 같이 열처리 조건이 수립된 후에는, 열처리 로 내부에 열처리 조건에 포함되는 분위기 가스를 주입하여 무전해 도금층 형성 분위기를 조성하는 단계(S30)를 수행한다.
다음으로, 수립된 열처리 조건의 승온 속도, 열처리 온도 및 시간에 따라 열선용 탄소섬유를 열처리하여 상기 열선용 탄소섬유의 경계면에 무전해 도금층을 형성하는 단계(S40)를 수행하는 것에 의해, 열선용 탄소섬유의 표면에 원하는 저항값을 발생시키는 두께 및 밀도를 무전해 도금층을 형성하여 열선용 탄소섬유의 저항값을 증가시킨다.
이와 같이 제조된 저전압 열선용 탄소섬유는 0.3 Ω/m 또는 0.6 Ω/m 정도의 증가된 저항값을 가지도록 저항이 조절되는 것에 의해 12 V 또는 24 V 등의 저전압 발열용 열선으로 사용될 수 있게 된다.
상술한 본 발명의 일 실시예의 저전압 열선용 탄소섬유 제조 방법에 의해, 본 발명의 다른 실시예는
상술한 본 발명의 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예는, 열선용 탄소섬유(10, 도 2 및 도 3 참조) 및 상기 열선용 탄소섬유의 경계면에 형성되는 입계가 조절된 무전해 도금층(20, 30, 도 2 및 도 3 참조)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 저전압 열선용 탄소섬유(1, 도 2 및 도 3 참조)를 제공한다.
이때, 상기 열선용 탄소섬유(10)는, Ni 도금된 탄소섬유일 수 있다.
그리고 상기 무전해 도금층의 입계는 1 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위를 가질 수 있다.
또한, 상기 무전해 도금층은, Ni 도금 탄소섬유를 H2 또는 N2 분위기에서 열처리하여 형성된 것일 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예 H2 분위기의 열처리에 의해 H2 분위기 열처리 무전해 도금층(20)이 형성된 저전압 열선용 탄소섬유(1)의 SEM 사진이다.
구체적으로, 도 2는 Ni 도금된 열선용 탄소섬유(10)를 열처리로 내에 준비한 후, 내부에 H2 가스를 주입하여 0. 5 내지 1.5 atm의 압력으로 0.5 SLM 내지 1.5 SLM(0 ℃ 에서 l/min)로 공급하여 H2 분위기를 조성한 후, 서로 다른 열처리 온도 및 시간을 가지는 열처리 조건을 적용하여 열처리를 수행하여 제조된 저전압 열선용 탄소섬유(1)의 SEM 사진 및 측정된 저항값을 나타낸다.
도 2에서 도 2의 (a)는 열처리를 수행하지 않은 Ni 도금 탄소섬유(10)의 SEM 사진으로서, 저항값은 1 Ω/m으로 측정되었다.
도 2의 (b)는 Ni 도금 탄소섬유(10)를 H2 분위기 하에서 300 ℃에서 10 분간 열처리를 수행하여 H2 분위기 열처리 무전해 도금층(20)이 형성된 저전압 열선용 탄소섬유(1)의 SEM 사진으로서, 저항값은 1.5 Ω/m로 측정되었다.
도 2의 (c)는 Ni 도금 탄소섬유(10)를 H2 분위기 하에서 400 ℃에서 10 분간 열처리를 수행하여 H2 분위기 열처리 무전해 도금층(20)이 형성된 저전압 열선용 탄소섬유(1)의 SEM 사진으로서, 저항값은 2.2 Ω/m로 측정되었다.
도 2의 (d)는 Ni 도금 탄소섬유(10)를 H2 분위기 하에서 600 ℃에서 10 분간 열처리를 수행하여 H2 분위기 열처리 무전해 도금층(20)이 형성된 저전압 열선용 탄소섬유(1)의 SEM 사진으로서, 저항값은 4 Ω/m로 측정되었다.
도 3은 본 발명의 일 실시예 N2 분위기의 열처리에 의해 형성된 무전해 도금층이 형성된 저전압 열선용 탄소섬유의 SEM 사진이다.
도 3에서 도 3의 (a)는 열처리를 수행하지 않은 Ni 도금 탄소섬유(10)의 SEM 사진으로서, 저항값은 1 Ω/m으로 측정되었다.
도 3의 (b)는 Ni 도금 탄소섬유(10)를 N2 분위기 하에서 300 ℃에서 10 분간 열처리를 수행하여 N2 분위기 열처리 무전해 도금층(20)이 형성된 저전압 열선용 탄소섬유(1)의 SEM 사진으로서, 저항값은 1.2 Ω/m로 측정되었다.
도 3의 (c)는 Ni 도금 탄소섬유(10)를 H2 분위기 하에서 400 ℃에서 10 분간 열처리를 수행하여 N2 분위기 열처리 무전해 도금층(20)이 형성된 저전압 열선용 탄소섬유(1)의 SEM 사진으로서, 저항값은 1.7 Ω/m로 측정되었다.
도 3의 (d)는 Ni 도금 탄소섬유(10)를 H2 분위기 하에서 600 ℃에서 10 분간 열처리를 수행하여 N2 분위기 열처리 무전해 도금층(20)이 형성된 저전압 열선용 탄소섬유(1)의 SEM 사진으로서, 저항값은 5 Ω/m로 측정되었다.
도 2 및 도 3에서 생성된 무전해 도금층(20, 30)은 모두 5 ㎛ 이하로 형성되었다. 그러나 열처리 온도를 높게 하는 경우 무전해 도금층(20, 30)의 입계의 크기가 균질화 되며 입계 밀도가 증가되어 전기 저항이 높아졌다. 이는 무전해 도금층(20, 30)의 입계들은 전자의 이동을 방해하는 결함으로 작용하는데, 온도가 증가할수록 입계의 크기가 균질화되고, 입계의 밀도가 증가되어 전자의 이동을 더욱 방해하게 되어 전기 저항을 증가시킨 결과이다.
본 발명은 상술한 바와 같이, Ni 도금 탄소섬유인 열선용 탄소섬유(10)에 무전해 도금층 형성을 위한 열처리 조건을 목표로 하는 사용 탄소섬유(10)의 사용 길이 및 저항값에 대응하여 유동적으로 수립할 수 있도록 하는 것에 의해, 저전압(12, 24V) 열선용 탄소섬유를 재현성을 가지고 제조할 수 있도록 한다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1, 2: 저전압 열선용 탄소섬유
10: Ni 도금 탄소섬유
20: H2 분위기 열처리 무전해 도금층
30: N2 분위기 열처리에 의해 생성된 무전해 도금층

Claims (13)

  1. 열선용 Ni 도금된 탄소섬유의 경계면에 무전해 도금층의 입계를 형성하여 전기저항을 증가시키기 위한 열처리 조건을 수립하는 단계; 및
    상기 열처리 조건에 의해 상기 열선용 Ni 도금된 탄소섬유를 열처리하여 상기 열선용 Ni 도금된 탄소섬유의 경계면에 무전해 도금층의 입계가 1 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위로 형성되도록 수행하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하고,
    상기 열처리 조건은, 상기 무전해 도금층의 입계가 1 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위로 형성되도록 열처리를 위한 분위기 가스, 승온 속도, 열처리 온도 및 시간을 포함하는 것을 특징으로 하는 저전압 열선용 탄소섬유 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 분위기 가스는,
    N2 또는 H2 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 저전압 열선용 탄소섬유 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 분위기 가스는,
    0. 5 내지 1.5 atm, 공급량은 0.5 SLM 내지 1.5 SLM인 것을 특징으로 하는 저전압 열선용 탄소섬유 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 승온 속도는,
    8 ℃/min 내지 10 ℃/min 범위인 것을 특징으로 하는 저전압 열선용 탄소섬유 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 열처리 온도는,
    상기 무전해 도금층의 입계의 크기의 균질화에 따라 300 ℃ 내지 600 ℃ 범위 내에서 설정되는 것을 특징으로 하는 저전압 열선용 탄소섬유 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 열처리 시간은,
    30 분 이하인 것을 특징으로 하는 저전압 열선용 탄소섬유 제조 방법.
  8. 열선용 Ni 도금된 탄소섬유; 및
    상기 열선용 Ni 도금된 탄소섬유를 전기저항을 증가시키기 위한 열처리 조건에 따라 열처리하여 상기 열선용 Ni 도금된 탄소섬유의 경계면에 형성되는 입계가 조절된 무전해 도금층;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하고,
    상기 무전해 도금층의 입계는, 1 ㎛ 내지 5 ㎛ 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 저전압 열선용 탄소섬유.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서, 상기 무전해 도금층은,
    Ni 도금 탄소섬유를 H2 분위기에서 열처리하여 형성된 것을 특징으로 하는 저전압 열선용 탄소섬유.
  12. 제8항에 있어서, 상기 무전해 도금층은,
    Ni 도금 탄소섬유를 N2 분위기에서 열처리하여 형성된 것을 특징으로 하는 저전압 열선용 탄소섬유.
  13. 제8항에 있어서,
    저항값이 0.3 Ω/m 이상인 것을 특징으로 하는 저전압 열선용 탄소섬유.
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