KR102234861B1 - 사출성형용 발열소재 및 사출성형 발열체의 제조방법 - Google Patents

사출성형용 발열소재 및 사출성형 발열체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 열가소성 수지로 이루어진 매트릭스; 탄소나노튜브; 카본블랙; 및 탄소섬유;를 포함하고, 상기 탄소나노튜브는 사출성형 후 상기 매트릭스 중에서 3차원 네트워크 구조를 형성하고, 상기 카본블랙은 상기 네트워크 구조 내부에 고정되는, 사출성형용 발열소재를 제공한다.

Description

사출성형용 발열소재 및 사출성형 발열체의 제조방법{HEATING MATERIAL FOR INJECTION MOLDING AND METHOD FOR MANUFACTURING OF HEATING ELEMENT BY INJECTION MOLDING}
본 발명은 발열소재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사출성형 가능한 발열소재에 관한 것이다.
최근 급격히 발전한 전기자동차 등의 친환경자동차는 열을 발생시키는 내연기관을 불포함하여 차량 내 전기를 이용한 별도의 난방수단이 필요하다. 특히, 친환경자동차에서는 배터리 등의 한계로 인하여 전체적인 연비 효율이 보다 중요하고, 그에 따라 저소비전력으로 발열이 가능한 발열소재에 대한 필요성이 증대되고 있다.
내연기관을 이용한 자동차에서도 차량용 시트, 스티어링 휠 등에 전기를 이용한 발열수단을 구비하고 있으며, 이러한 발열수단으로 금속 선이나 면상발열체를 활용하고 있다. 그러나, 금속 선을 사용한 발열수단은 소비전력이 높고, 면상발열체는 안정성이 부족한 단점이 있다.
탄소는 자체적인 저항에 의해 전기에너지를 열에너지를 바꿀 수 있는 물질로, 카본블랙, 탄소나노튜브, 탄소섬유 등이 대표적인 발열가능한 탄소소재에 해당한다. 이러한 탄소소재는 금속 대비 저소비전력으로 구동이 가능한 장점이 있다. 그에 따라, 카본블랙 또는 탄소나노튜브를 잉크화 또는 페이스트화하여 필름 상에 코팅하고, 이러한 코팅된 제품으로 전극을 구성하여 면상발열체를 제조한 기술이 알려진 바 있다. 또한, 상대적으로 직경이 큰 탄소섬유는 섬유 자체를 연결하여 발열체로 사용하는 기술이 시도된 바 있다. 그러나, 잉크화 또는 페이스트화된 탄소소재를 코팅한 면상발열체는 압력을 가하거나 원하는 형상의 제조를 위해 접거나 꺾는 등의 변형을 가하면 전극이 단락되는 문제점이 발생한다. 또한, 탄소섬유를 연결하여 제조한 발열체도 동일한 문제점을 가진다. 따라서, 이들은 복잡한 구조의 성형물 표면에 적용이 어렵다.
따라서, 차량용 시트 또는 스티어링 휠 외에도 도어 암레스트, 콘솔 등과 같이 복잡한 형상을 가지고, 인체가 직접 접촉하는 구성에도 적용 가능한 발열소재의 개발이 필요하다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 사출성형 가능한 발열소재를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 열가소성 수지; 탄소나노튜브, 카본블랙, 및 탄소섬유를 포함하고, 사출성형 이후, 상기 열가소성 수지는 매트릭스를 형성하고, 상기 탄소나노튜브는 적어도 일부가 상기 매트릭스 중에서 3차원 네트워크 구조를 형성하고, 상기 카본블랙은 적어도 일부가 상기 네트워크 구조 내부에 고정되는 사출성형용 발열소재를 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 열가소성 수지가 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 공중합체, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리메타크릴산메틸 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브는 평균 외경이 8~50nm이고 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상인 복수의 탄소나노튜브로 이루어진 탄소나노튜브 복합체일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브 집합체의 평균 다발 직경(bundle diameter)이 1~10㎛이고, 평균 다발 길이(bundle length)가 10~100㎛일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브의 함량은 0.1~5중량%일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 카본블랙의 함량은 0.1~10중량%일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 탄소섬유의 함량은 0.1~30중량%일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 발열소재는 표면저항이 101~105Ω/sq일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면은, (a) 탄소나노튜브 0.1~5중량%, 카본블랙 0.1~10중량%, 탄소섬유 0.1~30중량% 및 잔량의 열가소성 수지를 혼합하는 단계; 및 (b) 상기 발열소재를 사출성형하여 발열체를 제조하는 단계;를 포함하는, 사출성형 발열체의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전도성이 우수하고 사출성형이 가능한 사출성형용 발열소재를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 발열시험 결과를 나타낸 것이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 시편의 CNT 함량에 따른 발열량의 관계를 나타낸 것이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 시편의 두께에 따른 발열량을 나타낸 것이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 시편의 길이에 따른 발열량을 나타낸 것이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 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"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 수치적 값의 범위가 기재되었을 때, 이의 구체적인 범위가 달리 기술되지 않는 한 그 값은 유효 숫자에 대한 화학에서의 표준규칙에 따라 제공된 유효 숫자의 정밀도를 갖는다. 예를 들어, 10은 5.0 내지 14.9의 범위를 포함하며, 숫자 10.0은 9.50 내지 10.49의 범위를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 명세서에서 "면상발열체"는 금속선 또는 탄소섬유선을 이용한 선상발열체와 달리, 면 전체에서 고르게 발열하는 발열체를 의미한다.
본 발명의 일 측면에 따른 사출성형용 발열소재는, 열가소성 수지, 탄소나노튜브, 카본블랙, 및 탄소섬유를 포함하고, 사출성형 이후, 상기 열가소성 수지는 매트릭스를 형성하고, 상기 탄소나노튜브는 적어도 일부가 상기 매트릭스 중에서 3차원 망상(network)구조를 형성하고, 상기 카본블랙은 적어도 일부가 상기 네트워크 구조 내부에 고정될 수 있다.
성형품 표면에 잉크화 또는 페이스트화된 발열소재를 코팅하거나, 금속 또는 탄소섬유를 연결하여 제조한 종래의 발열체와 달리, 본 발명의 일 측면에 따른 발열소재는 사출물 자체의 발열이 가능하여 종래 대비 복잡한 형상의 발열체를 보다 다양한 환경에 적용할 수 있다.
상기 발열소재는 혼련물, 마스터배치 또는 사출성형물(발열체)을 의미할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어, "매트릭스"는 2종 이상의 성분으로 구성된 물질 중에서 연속상을 구성하는 성분을 의미한다. 즉, 상기 발열소재는 사출성형 이후 상기 열가소성 수지가 연속상으로 존재하고, 그 내부에서 탄소나노튜브, 카본블랙 및 탄소섬유가 각각 불연속상으로 존재할 수 있다.
상기 열가소성 수지가 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 공중합체, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리메타크릴산메틸 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 상기 열가소성 수지가 2 이상의 혼합물이면 그 중 적어도 하나가 매트릭스를 형성할 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 전도성이 미약한 열가소성 수지에 전도성을 부여하기 위한 물질로, 상기 탄소나노튜브가 사출성형품의 표면저항을 감소시킴으로써 전도성 및 그에 따른 발열특성을 향상시킬 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 적어도 일부가 상기 매트릭스 중에서 상호 접촉하여 전도성 네트워크 구조를 형성할 수 있고, 이러한 네트워크 구조가 견고하게 형성될수록 기계적 물성, 마모 특성, 전도성이 향상될 수 있다. 상기 네트워크 구조는 전기 및 열 전도성을 향상시켜 저소비전력으로 우수한 발열 특성을 구현할 수 있다.
구체적으로, 개개의 상기 탄소나노튜브가 상기 매트릭스 중에 분산되고, 상호 연결됨으로써 연속적인 3차원 네트워크 구조를 형성할 수 있고, 이에 따라 우수한 발열 특성을 나타낼 수 있다.
상기 탄소나노튜브를 합성하는 방법은 전기방전법(Arc-discharge), 열분해법(Pyrolysis), 레이저 증착법(Laser vaporization), 플라즈마 화학기상증착법(Plasma chemical vapor deposition), 열화학 기상증착법(Thermal chemical vapor deposition) 등이 있으나, 합성 방법에 제한 없이 제조된 모든 탄소나노튜브를 사용할 수 있다.
또한, 상기 탄소나노튜브는 벽의 개수에 따라 단일벽 탄소나노튜브(Single wall carbon nanotube), 이중벽 탄소나노튜브(Double wall carbon nanotube), 다중벽 탄소나노튜브(Multi wall carbon nanotube), 절두된 원뿔형의 그래핀(truncated graphene)이 다수 적층된 중공관 형태의 탄소나노섬유(cup-stacked carbon nanofiber) 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 바람직하게는, 제조의 용이성 및 경제성이 우수한 다중벽 탄소나노튜브일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 탄소나노튜브는 평균 외경이 8~50㎚이고, 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상, 바람직하게는, 40~90%일 수 있다. 상기 외경은 탄소나노튜브의 벽을 이루는 그래파이트 층이 포함된 탄소나노튜브 횡단면의 직경을 의미하고, 상기 내경은 그래파이트 층이 제외된 중공 횡단면의 직경을 의미한다.
이 때, 상기 탄소나노튜브 단일 가닥의 평균 외경이 8㎚ 미만이거나 50㎚ 초과이면 이들이 응집되어 형성된 탄소나노튜브 집합체의 평균 다발 직경이 후술할 범위로 조절되지 않으므로, 상기와 같은 외경의 범위를 가지는 탄소나노튜브를 사용하는 것이 바람직하다. 본 명세서에서 사용된 용어 "다발(bundle)"은, 복수의 탄소나노튜브가 나란하게 배열되거나 상호 엉킨 상태의 번들 혹은 로프 형태를 지칭하는 것으로, 이와 달리 복수의 탄소나노튜브가 일정한 형상을 이루지 않고 존재하는 경우 "비번들형"이라 지칭하기도 한다.
또한, 탄소나노튜브는 탄소 함량이 높을수록 촉매와 같은 불순물이 적어 우수한 전도성을 구현할 수 있으므로, 상기 탄소나노튜브의 탄소 순도가 95% 이상, 바람직하게는, 95~98%, 더 바람직하게는, 95~97%일 수 있다.
상기 탄소나노튜브의 탄소 순도가 95% 미만이면 탄소나노튜브의 구조적 결함이 유발되어 결정성이 저하될 수 있고, 탄소나노튜브가 외부 자극에 의해 쉽게 절단, 파괴될 수 있다.
한편, 상기와 같은 단일 가닥 탄소나노튜브가 다발 형태로 응집되어 형성된 탄소나노튜브 집합체의 평균 다발 직경이 1~10㎛, 바람직하게는, 1~5㎛, 더 바람직하게는, 2~4㎛일 수 있고, 평균 다발 길이가 10~100㎛, 바람직하게는, 20~60㎛, 더 바람직하게는, 25~55㎛일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 집합체의 평균 다발 직경이 1㎛ 미만이거나 평균 다발 길이가 100㎛ 초과이면 분산성이 저하되어 상기 발열소재의 부위별 전도성이 불균일해질 수 있고, 평균 다발 직경이 10㎛ 초과이거나 평균 다발 길이가 10㎛ 미만이면 네트워크 구조가 불안정해지면서 전도성이 저하될 수 있다.
상기 탄소나노튜브의 함량은 0.1중량% 이상, 0.5중량% 이상, 1중량% 이상 또는 1.5중량% 이상이고, 5중량% 이하, 4.5중량% 이하, 4중량% 이하 또는 3.5중량% 이하일 수 있다. 상기 탄소나노튜브의 함량이 상기 범위를 벗어나면 발열체의 제조에 필요한 수준의 표면저항을 구현하기 어렵거나, 사출성형성이 불량할 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 직선형의 물질이므로 상기 3차원 네트워크 구조는 내부에 간극이 존재할 수 있고, 이러한 간극에 상기 카본블랙이 위치하여 발열소재의 전도성을 더욱 향상시킬 수 있다.
상기 카본블랙은 상기 발열소재에 전기 및 열 전도성을 부여함과 동시에 열가소성 수지와 결합하여 상기 발열소재의 기계적 물성을 경제적으로 보강할 수 있다.
카본블랙은 전도성 및 강성은 우수하지만 긁힘 또는 마찰에 의해 탄소 입자가 쉽게 이탈되는 특성을 갖기 때문에, 전도성 필러로서 카본블랙을 단독으로 사용하거나 과량으로 사용하면 발열소재의 성형성이 저하될 수 있다.
따라서, 카본블랙을 탄소나노튜브와 함께 사용하면 카본블랙의 함량을 낮출 수 있어 발열소재의 성형성이 저하되는 것을 방지하는 동시에, 탄소나노튜브에 의해 매트릭스 중에서 형성된 네트워크 구조 내부로 카본블랙이 적어도 일부가 삽입되어 고정됨에 따라 최종적으로 사출성형된 발열체가 균일한 전도성을 나타낼 수 있기 때문에 우수한 전도성 및 발열 특성도 확보할 수 있다.
또한, 상기 카본블랙 중 적어도 일부가 상기 네트워크 구조 내부에 고정되면 마모로 인하여 탄소 분진(carbon dust)이 발생하여 제품 표면에 오염이 발생하는 문제점이 개선될 수 있다.
상기 카본블랙의 함량은 0.1중량% 이상, 0.5중량% 이상, 1중량% 이상, 1.5중량% 이상, 2중량% 이상, 2.5중량% 이상, 3중량% 이상 또는 3.5중량% 이상이고, 10중량% 이하, 9.5중량% 이하, 9중량% 이하, 8.5중량% 이하, 8중량% 이하, 7.5중량% 이하, 7중량% 이하 또는 6.5중량% 이하일 수 있다. 상기 카본블랙의 함량이 상기 범위를 벗어나면 발열체의 강도 또는 발열성이 부족하거나, 사출성형성이 불량할 수 있다.
상기 탄소섬유는 상기 탄소나노튜브가 형성한 2 이상의 3차원 네트워크 구조와 접촉하여 상호 연결시킬 수 있고, 상기 발열소재에 탄성을 부여하여 사출성형 시 가공성을 개선할 수 있다.
상기 탄소섬유는 유기물질의 열분해에 의하여 제조되는 직경 5~15㎛의 섬유일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 탄소섬유는 장섬유(long fiber), 단섬유(chopped strand), 매트(mat) 또는 직물(fabric)의 형태를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 탄소섬유는 최종제품의 용도에 따라 PAN계 탄소섬유 또는 Pitch계 탄소섬유를 사용할 수 있다.
상기 탄소섬유의 함량은 0.1중량% 이상, 1중량% 이상, 2중량% 이상, 3중량% 이상, 4중량% 이상, 5중량% 이상, 6중량% 이상, 7중량% 이상, 8중량% 이상, 9중량% 이상 또는 10중량% 이상이고, 30중량% 이하, 29중량% 이하, 28중량% 이하, 27중량% 이하, 26중량% 이하, 25중량% 이하, 24중량% 이하, 23중량% 이하, 22중량% 이하, 21중량% 이하 또는 20중량% 이하일 수 있다. 상기 탄소섬유의 함량이 상기 범위를 벗어나면 사출성형성이 불량하거나, 발열체의 강도 또는 전도특성이 불량할 수 있다.
상기 발열소재는 표면저항이 101Ω/sq 이상 101.5Ω/sq 이상 또는 102Ω/sq 이상이고, 105Ω/sq 이하, 104.5Ω/sq 이하 또는 104Ω/sq 이하일 수 있다. 상기 발열소재의 표면저항이 상기 범위를 벗어나면 발열 특성이 불량하거나, 발열에 과도한 전력이 소비될 수 있다. 예를 들어, 전도성 필러로 카본블랙만을 투입하면 표면저항 105Ω/sq 이하가 구현되지 않거나, 사출성형성이 불량할 수 있다. 반면, 상기 발열소재는 상기 탄소나노튜브, 상기 카본블랙 및 상기 탄소섬유가 상호보완하여 사출성형성을 유지함과 동시에 목적하는 표면저항 특성을 구현할 수 있다.
상기 발열소재에 포함된 탄소나노튜브, 카본블랙 및 탄소섬유의 함량을 변경하여 발열소재의 충격강도, 인장강도, 굴곡강도 등의 기계적 물성을 조절하거나, 전기전도도를 변경하여 최대 승온온도 및 승온속도를 조절할 수 있다.
본 개시의 다른 일 측면에 따른 사출성형 발열체의 제조방법은, (a) 탄소나노튜브 0.1~5중량%, 카본블랙 0.1~10중량%, 탄소섬유 0.1~30중량% 및 잔량의 열가소성 수지를 혼합하는 단계; 및 (b) 상기 발열소재를 사출성형하여 발열체를 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제조방법에서 상기 열가소성 수지, 상기 탄소나노튜브, 상기 카본블랙 및 상기 탄소섬유의 함량 및 특성에 대한 것은 전술한 것과 동일할 수 있다.
상기 발열체는 사출성형으로 한 번에 제조되므로 별도의 성형 공정에서 전극이 단락되는 문제점을 해결할 수 있고, 또한 복잡한 구조의 발열체를 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 상기 발열체는 동일한 용도의 금속 발열체 대비 비중이 약 43% 낮아 자동차 등에 적용 시 우수한 연비효율을 구현할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 관하여 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이하의 실험 결과는 상기 실시예 중 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.
실시예 및 비교예
탄소계 필러를 트윈스크류 압출기의 사이드피더(Side Feeder)에 투입하고, 고분자 수지를 메인 호퍼(Main Hopper)에 투입한 후, 용융 혼련하여 사출성형용 발열소재를 제조하였다. 상기 발열소재를 사출기로 사출하여 시트형 시편을 수득하였다. 각 시편의 제조에 사용된 원료 및 조성을 표 1에 나타내었다.
-탄소나노튜브(CNT): 금호석유화학 社 K-Nanos-210T, 300T
-탄소섬유(CF): 촙 탄소섬유(chopped carbon fiber)
-카본블랙(CB): AC-80
-아이조드 충격강도: ASTM D256에 규정한 방법에 따라 1/8인치 두께에서 측정하였다.
-표면저항: SIMCO JAPAN 社의 TRUSTAT를 이용하여 크기가 100×100×3(mm)인 시트형 시편의 표면저항을 측정하였다.
-도달온도: 크기가 12.63×127.48×3.14(mm)인 시트형 시편 양 끝단에 전기를 인가할 수 있는 구리 테이프를 부착하고, DC 12V를 인가하여 4분 후의 시편 온도를 측정하였다. 상기 도달온도 측정방법의 일 예시를 도 1에 나타내었다.
- 고분자
종류		 CNT
함량
(wt.%)		 CF
함량
(wt.%)		 CB
함량
(wt.%)		 아이조드 충격강도 표면저항
(log Ω/sq.)		 전류
(A)		 도달온도
(ºC)		 비고
실시예 1 PBT 1 15 5 8.3 3.4 0.39 60 -
실시예 2 PBT 2 15 5 5.6 2.8 1.18 118 -
실시예 3 PBT 3 15 5 3.5 2.7 1.90 135 -
실시예 4 PP/Talc(20%) 3 15 5 3.8 2.6 1.91 121 -
실시예 5 ABS 3 15 5 2.5 2.5 0.8 90 -
실시예 6 PA6 3 15 5 3 2.7 0.9 120 -
비교예 1 PBT 0 0 0 3 13 - - -
비교예 2 PBT 6 0 0 1 3.0 0.9 80 뒤틀림
가공불량
비교예 3 PBT 10 0 0 - - - - 깨짐
비교예 4 PBT 0 15 0 5.2 8.0 0.02 27 -
비교예 5 PBT 0 20 0 6 3.6 0.1 36 -
비교예 6 PBT 0 25 0 9 3.1 0.25 49 -
비교예 7 PBT 0 30 0 10 3.0 0.42 62 -
비교예 8 PBT 0 0 10 4.5 4.5 0.1 38 뒤틀림
가공불량
비교예 9 PBT 0 0 20 - - - - 깨짐
비교예 10 PBT 0 15 5 8.6 4.2 0.14 40 -
비교예 11 PBT 0 15 10 10 4.0 0.16 43 -
비교예 12 PBT 3 0 5 1.9 2.9 0.81 78 뒤틀림
가공불량
비교예 13 PBT 6 15 5 - - - - 깨짐
상기 표 1을 참고하면, PBT로 제조된 비교예 1의 시편은 표면저항이 과도하게 높은 절연체로서 전기에너지를 통한 발열이 불가능하였다.
탄소계 필러로 CNT 6중량%를 단독 투입하여 제조한 비교예 2는 발열은 가능하였으나, 흐름성 및 강도가 불량하여 사출 가공성이 나쁘고, 사출물의 휨 현상이 발생하였다. 또한, CNT를 10중량% 투입한 비교예 3은 사출성형 시 깨짐이 발생하여 시편을 제조할 수 없었다.
탄소계 필러로 CF를 투입하여 제조한 비교예 4내지 7은 필러의 함량 대비 발열특성이 열등하고, 일부 영역이 과도하게 가열되는 국부적 가열 현상이 발생하였다.
탄소계 필러로 CB를 10중량% 투입하여 제조한 비교예 8은 흐름성이 불량하여 사출가공성이 나쁘고, 사출물의 휨 현상이 발생하였다. 또한, CB를 20중량% 투입한 비교예 9는 사출성형 시 깨짐이 발생하여 시편을 제조할 수 없었다.
탄소계 필러로 CF 및 CB를 투입하여 제조한 비교예 10 및 11은 면상발열체에 필요한 수준의 표면저항을 구현할 수 없어 발열특성이 열등하였다.
CNT 3중량% 및 CB 5중량%를 투입하여 제조한 비교예 12은 CNT 네트워크 구조가 형성되어 CB를 고정시켜 표면저항 및 발열특성은 우수하였으나, 흐름성 및 강도가 불량하여 사출 가공성이 나쁘고, 사출물의 휨 현상이 발생하였다. 또한, CNT 6중량%, CF 15중량% 및 CB 5중량%를 투입한 비교예 13은 사출성형 시 깨짐이 발생하여 시편을 제조할 수 없었다.
PBT에 CF 15중량%, CB 5중량%를 투입하고, CNT의 함량을 달리하여 도달온도를 측정한 후 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2를 참고하면, CNT 함량이 1중량% 이상인 영역에서 CNT의 네트워크 구조가 형성되어 필러의 투입량 대비 도달온도가 급격히 높아졌음을 확인할 수 있다.
시편의 두께 및 길이에 따른 발열특성을 확인하기 위하여 상기 실시예 5와 동일한 조성으로 두께가 1.6mm, 3.2mm, 6.4mm인 시편과 길이가 40mm, 86mm, 127mm인 시편을 제조하였다. 두께 및 길이에 따른 발열시험 결과를 각각 도 3 및 4에 나타내었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

  1. 열가소성 수지, 탄소나노튜브, 카본블랙, 및 탄소섬유를 포함하고,
    사출성형 이후,
    상기 열가소성 수지는 매트릭스를 형성하고,
    상기 탄소나노튜브는 적어도 일부가 상기 매트릭스 중에서 3차원 네트워크 구조를 형성하고,
    상기 카본블랙은 적어도 일부가 상기 네트워크 구조 내부에 고정되고,
    상기 탄소나노튜브의 함량은 1.5~5중량%이고,
    상기 카본블랙의 함량은 0.1~9.5중량%이고,
    상기 탄소섬유의 함량은 0.1~30중량%인, 사출성형용 발열소재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지가 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌, 폴리에틸렌 공중합체, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에테르에테르케톤, 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리메타크릴산메틸 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 하나인, 사출성형용 발열소재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 평균 외경이 8~50nm이고 평균 내경이 상기 평균 외경의 40% 이상인 복수의 탄소나노튜브로 이루어진 탄소나노튜브 집합체인, 사출성형용 발열소재.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 집합체의 평균 다발 직경(bundle diameter)이 1~10㎛이고, 평균 다발 길이(bundle length)가 10~100㎛인, 사출성형용 발열소재.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 발열소재는 표면저항이 101~105Ω/sq인, 사출성형용 발열소재.
  9. (a) 탄소나노튜브 1.5~5중량%, 카본블랙 0.1~9.5중량%, 탄소섬유 0.1~30중량% 및 잔량의 열가소성 수지를 혼합하는 단계; 및
    (b) 상기 (a) 단계에서 혼합된 발열소재를 사출성형하여 발열체를 제조하는 단계;를 포함하는, 사출성형 발열체의 제조방법.
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