KR102424690B1 - 고전도성 복합형 카본시트 제조방법, 이에 따라 제조된 고전도성 복합형 카본시트 및 이를 포함하는 고전도성 복합형 카본시트 면상발열체 - Google Patents

고전도성 복합형 카본시트 제조방법, 이에 따라 제조된 고전도성 복합형 카본시트 및 이를 포함하는 고전도성 복합형 카본시트 면상발열체 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 탄소섬유로 길이가 서로 다른 촙 파이버(chopped carbon fiber), 특히 3mm, 6mm, 12 mm 3가지 종류의 촙 파이버를 배합한다. 탄소섬유 분산용액 속, 3mm 및 6mm의 촙 파이버는 탄소섬유의 분산도를 향상시키고, 6mm 및 12mm의 촙 파이버는 촙 파이버 간의 연결성을 향상시킨다. 이렇게 탄소섬유의 분산도 및 연결성이 좋아지면, 고전도성 복합형 카본시트 면상발열체 전체에서 균일하게 발열될 수 있다. 이로 인해, 전도성 및 발열 성능이 좋은 고전도성 복합형 카본시트 및 고전도성 복합형 카본시트 면상발열체를 제조할 수 있다.

Description

고전도성 복합형 카본시트 제조방법, 이에 따라 제조된 고전도성 복합형 카본시트 및 이를 포함하는 고전도성 복합형 카본시트 면상발열체{Method for Manufacturing Highly Conductive Composite Carbon Fiber Sheet, Highly Conductive Composite Carbon Fiber Sheet Manufactured Thereby, And Highly Conductive Composite Carbon Fiber Planar Heating Element Including The Same}
본 발명은 고전도성 복합형 카본시트 제조방법, 이에 따라 제조된 고전도성 복합형 카본시트 및 이를 포함하는 고전도성 복합형 카본시트 면상발열체에 관한 것이다.
일반적으로, 발열시트는 전기저항을 갖는 발열체를 매개로 하여 전기에너지를 열에너지로 변화시켜 열을 발산하는 것으로, 발열 공간 내 공기가 오염되지 않아 위생적이며, 온도조절이 용이하고, 소음이 없는 등의 장점이 있어 다양한 분야에 적용된다.
종래의 경우 발열시트는 니크롬선 및 구리선을 이용한 선상발열체가 사용되었으나 이러한 선상발열체는 발열면적 전체에 걸쳐 일정한 열을 제공하지 못하는 문제가 있으므로 이를 해결하기 위해 면상발열체가 개발되었다. 최근에는 카본(Carbon)이 가지는 자체 저항을 이용한 면상발열체의 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
종래 카본을 이용한 카본분말을 반죽(paste) 형태로 절연필름 상에 도포 도포하여 제조된 면상발열체가 있다. 이러한 면상발열체는 발열온도가 균일하지 않고, 고온에서 사용하기 어려운 단점이 있다.
또는, PVA(폴리비닐알콜)와 탄소 파우더로 제조된 면상발열체도 있는데, 이러한 면상발열체는 PVA의 코팅 두께에 따라, 발열효율이 일정하지 않은 단점이 있다.
근래에는 탄소섬유 부직포를 이용하는 면상발열체도 개발되고 있는데, 탄소섬유 부직포로 저융점 섬유와 탄소섬유 복합 부직포, 펄프와 탄소섬유 복합 부직포, 전도성 폴리머 코팅 탄소섬유 부직포 등을 들 수 있다. 그러나, 기존 고분자나 부도체 섬유와 펄프를 결합제로 이용한 탄소섬유 부직포는 전도성 폴리머 코팅 탄소섬유 부직포에 비해 전도성 및 발열 성능이 떨어지고, 전도성 폴리머 코팅 탄소섬유 부직포는 면 저항이 작아 발열 성능 등이 우수하나 제조비용이 높은 문제가 있다.
미국 공개특허(제2007/0028767호) 대한민국 공개특허(제10-2016-0003469호)
본 발명의 목적은, 종래 면상발열체가 가진 불균일한 발열의 단점을 해결하기 위한, 고전도성 복합형 카본시트 제조방법, 이에 따라 제조된 고전도성 복합형 카본시트 및 이를 포함하는 고전도성 복합형 카본시트 면상발열체를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 고전도성 복합형 카본시트 제조방법은,
수용액 전체 중량에 대하여 분산제의 함량을 평균 0.2 내지 1 중량% 범위에서 조절하여 분산용액을 만드는 제1단계;
상기 분산용액 전체 중량에 대하여 바인더의 함량을 평균 0.01 내지 0.03 중량% 범위에서 조절하여, 상기 분산용액에 바인더가 분산된 바인더 분산용액을 만들고,
상기 분산용액에 서로 길이가 다른 촙 파이버(chopped carbon fiber) 형태의 탄소섬유를 상기 분산용액 전체 중량에 대하여 탄소섬유의 함량 평균 0.01 내지 0.03 중량% 범위에서 각각 넣어, 서로 길이가 다른 촙 파이버가 각각 포함된 복수 개의 탄소섬유 분산용액들을 만드는 제2단계;
상기 복수 개의 탄소섬유 분산용액들과, 상기 바인더 분산용액을 서로 혼합하여 혼합용액을 만드는 제3단계;
상기 혼합용액에 포함된 탄소섬유를 필터링하여, 탄소섬유 웹을 형성하는 제4단계; 및
상기 탄소섬유 웹을 건조하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적은 고전도성 복합형 카본시트 제조방법으로 제조된 고전도성 복합형 카본시트에 의해 달성된다.
또한, 상기 목적은 고전도성 복합형 카본시트를 포함하는 고전도성 복합형 카본시트 면상발열체에 의해 달성된다.
본 발명은, 탄소섬유로 길이가 서로 다른 촙 파이버(chopped carbon fiber), 특히 3mm, 6mm, 12 mm 3가지 종류의 촙 파이버를 배합한다. 탄소섬유 분산용액 속, 3mm 및 6mm의 촙 파이버는 탄소섬유의 분산도를 향상시키고, 6mm 및 12mm의 촙 파이버는 촙 파이버 간의 연결성을 향상시킨다. 이렇게 탄소섬유의 분산도 및 연결성이 좋아지면, 고전도성 복합형 카본시트 면상발열체 전체에서 균일하게 발열될 수 있다. 이로 인해, 전도성 및 발열 성능이 좋은 고전도성 복합형 카본시트 및 고전도성 복합형 카본시트 면상발열체를 제조할 수 있다.
본 발명은, 바인더가 분산용액에 분산된 바인더 분산용액과, 서로 길이가 다른 촙 파이버(chopped carbon fiber) 형태의 탄소섬유를 각각 넣어 서로 길이가 다른 촙 파이버가 각각 포함된 복수 개의 탄소섬유 분산용액들을 각각 만든 후, 이들을 서로 혼합하여 카본시트를 만든다. 이로 인해, 카본시트의 물성(탄소섬유 분산도, 카본시트 밀도, 카본시트 질량, 카본시트 기본중량, 카본시트 두께, 카본시트 표면저항, 카본시트 표면발열온도, 원적외선 방사율 등)을 따로 조절할 수 있어, 보다 세밀하게 카본시트의 물성을 조정할 수 있다.
본 발명은, 하부케이스, 필터망, 필터부직포, 상부케이스, 실리콘가스켓으로 구성된 카본시트 제조장치를 사용하여 혼합용액에 포함된 탄소섬유를 필터링하여 카본시트를 제조한다. 이로 인해, 종래처럼 탄소섬유종리를 만들기 위해 혼합조, 성형기, 건조기와 같은 다수의 장치가 필요 없어, 카본시트를 저렴하게 만들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고전도성 복합형 카본시트 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고전도성 복합형 카본시트 제조방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 도 2에 도시된 카본시트 제조장치를 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 카본시트 제조장치의 분해 사시도이다.
도 5는 도 2에 도시된 카본시트 제조장치로, 카본시트가 제조되는 상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 (a) 12mm 촙 파이버로 구성된 탄소섬유가 혼합용액에 분산된 상태, (b) 3mm 촙 파이버로 구성된 탄소섬유가 혼합용액에 분산된 상태, (c) 6mm 촙 파이버로 구성된 탄소섬유가 혼합용액에 분사된 상태, (d) 12mm, 3mm, 6mm 촙 파이버가 배합된 탄소섬유가 혼합용액에 분산된 상태를 각각 나타낸 도면이다.
도 7은 12mm 촙 파이버, 3mm 촙 파이버, 6mm 촙 파이버가 배합된 카본시트가 고온에서도 균일한 면상발열의 특성을 나타내는 모습을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전도성 복합형 카본시트 제조방법을 설명한다. 도 2를 기본적으로 참조한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전도성 복합형 카본시트 제조방법은,
수용액 전체 중량에 대하여 분산제의 함량을 평균 0.2 내지 1 중량% 범위에서 조절하여 분산용액을 만드는 제1단계(S11);
상기 분산용액 전체 중량에 대하여 바인더의 함량을 평균 0.01 내지 0.03 중량% 범위에서 조절하여, 상기 분산용액에 바인더가 분산된 바인더 분산용액을 만들고,
상기 분산용액에 서로 길이가 다른 촙 파이버(chopped carbon fiber) 형태의 탄소섬유를 상기 분산용액 전체 중량에 대하여 탄소섬유의 함량 평균 0.01 내지 0.03 중량% 범위에서 각각 넣어, 서로 길이가 다른 촙 파이버가 각각 포함된 복수 개의 탄소섬유 분산용액들을 만드는 제2단계(S12);
상기 복수 개의 탄소섬유 분산용액들과, 상기 바인더 분산용액을 서로 혼합하여 혼합용액을 만드는 제3단계(S13);
상기 혼합용액에 포함된 탄소섬유를 필터링하여, 탄소섬유 웹을 형성하는 제4단계(S14); 및
상기 탄소섬유 웹을 건조하는 제5단계(S15)로 구성된다.
이하, 제1단계(S11)를 설명한다.
[분산용액 제조]
분산제를 함유함으로써, 분산용액(100)의 점도를 증가시킬 수 있고, 증가된 점도로 인하여 탄소섬유의 분산성이 증가될 수 있다. 이로 인해, 탄소섬유 분산용액(300)에서 탄소섬유 간 뭉침 현상이 현저히 줄여 필터링을 통해 탄소섬유 웹을 만들 때, 탄소섬유 개별 존재량이 높아져 면 저항을 감소시킬 수 있다.
분산제는, 구아검(Guar gum), 아라비아 검(Arabic gum), 잔탄검(Xtanthan gum), 메틸 셀룰로오스(Metyl cellulose, MC), 카르복실메틸 셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose, CMC) 및 하이드록시에틸 셀룰로오스(Hydroxyethyl cellulose, HEC))로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다. 본 실시예에서는 카르복실메틸 셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose, CMC)이 사용된다.
분산제의 함량은 분산용액(100)의 전체 중량에 대하여 평균 0.2 내지 1 중량% 범위에서 조절된다.
분산제 함량이 분산용액(100) 전체 중량에 대하여 0.1 중량% 미만일 경우, 탄소섬유의 유동성이 떨어질 수 있으며, 용액의 교반 또는 이동시 탄소섬유의 절단이 발생할 수 있다. 뿐만 아니라, 분산제가 소정함량 미만인 경우, 제조되는 카본시트의 인장강도 또한 감소될 수 있다. 반면, 분산제 함량이 분산용액(100) 전체 중량에 대하여 1 중량% 를 초과하는 경우, 인장강도(tensile strength)는 증가될 수 있으나, 면 저항도 함께 증가하기 때문에 바람직하지 않다. 따라서, 분산제의 함량은 분산용액(100)의 전체 중량에 대하여 평균 0.2 내지 1 중량% 범위에서 조절되어야 한다.
이하, 제2단계(S12)를 설명한다.
[바인더 분산용액 제조]
바인더는 탄소섬유가 탄소섬유 웹을 형성할 때, 탄소섬유간의 결합 및 부착력을 부여한다.
바인더는, 셀룰로오스(cellulose), 폴리비닐알콜(PVA), 셀룰로오스 나노섬유(CNF) 및 셀룰로오스 나노결정(Cellulose nanocrystal, CNC)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다. 본 실시예에서는 폴리비닐알콜(PVA)이 사용된다.
바인더 함량은 분산용액(100) 전체 중량에 대하여 평균 0.001 내지 0.03 중량% 범위에서 조절된다.
바인더 함량이 분산용액(100) 전체 중량에 대하여, 0.001 중량% 미만일 경우, 탄소섬유간의 연결성 및 부착력 등이 저하되어 제조되는 카본시트의 형태 안정성이 떨어질 수 있다. 반면, 바인더 함량이 분산용액(100) 전체 중량에 대하여, 0.03 중량% 를 초과하는 경우, 탄소섬유 간 뭉침 현상 등이 발생할 수 있다. 따라서, 바인더 함량은 분산용액(100) 전체 중량에 대하여 평균 0.001 내지 0.03 중량% 범위에서 조절되어야 한다.
[탄소섬유 분산용액들 제조]
탄소섬유(CF)로 PAN계(폴리아크릴로니트릴계), 피치계, 레이온계 탄소섬유가 사용될 수 있다.
탄소섬유는 촙 파이버(chopped carbon fiber) 형태로 사용된다. 촙 파이버는 탄소섬유를 적당한 길이로 자른 것이다. 탄소섬유 자체로도 저항가열이 되지만, 촙 파이버는 수많은 접촉점을 만들어냄으로써, 보다 낮은 전압에서 카본시트를 발열하게 만든다.
탄소섬유는 도전성, 강도, 분산성 등을 고려하여, 2~15mm 범위의 서로 다른 길이의 촙 파이버로 구성된다. 바람직하게는, 길이가 12mm, 3mm, 6mm인 3종류의 촙 파이버로 구성된다.
탄소섬유의 길이가 길어지면 도전성, 강도 등이 향상된다. 그러나, 탄소섬유의 섬유 길이가 너무 길어지면 탄소섬유의 분산성이 떨어질 수 있다. 반면, 섬유 길이가 너무 짧으면 탄소섬유 간 연결성이 저하된다.
따라서, 본 발명은, 길이가 12mm, 3mm, 6mm인 3종류의 촙 파이버가 혼합하여, 탄소섬유의 분산성을 높이면서 탄소섬유 간 연결성 또한 좋게하여, 도전성, 강도 등이 향상된 카본시트를 만든다.
길이가 12mm, 3mm, 6mm인 3종류의 촙 파이버가 혼합된 카본시트를 만들기 위해서, 복수 개의 탄소섬유 분산용액(300)들은 분산용액(100)에 12mm 촙 파이버가 분산된 12mm 탄소섬유 분산용액(310)과, 분산용액(100)에 3mm 촙 파이버가 분산된 3mm 탄소섬유 분산용액(320)과, 분산용액(100)에 6mm 촙 파이버가 분산된 6mm 탄소섬유 분산용액(330)으로 만들어진다.
이하, 제3단계(S13)를 설명한다.
[혼합용액 제조]
통상적인 교반기에 의해 처리될 수 있으며, 블레이드믹서, 리본 혼합기, 스크류 혼합기 등 다양한 교반기가 사용될 수 있다.
제3단계는,
상기 12mm 탄소섬유 분산용액(310)과 상기 3mm 탄소섬유 분산용액(320)을 혼합하는 단계;
상기 12mm 탄소섬유 분산용액(310)과 상기 3mm 탄소섬유 분산용액(320)을 혼합한 혼합용액(M)에 6mm 탄소섬유 분산용액(330)을 혼합하는 단계; 및
상기 12mm 탄소섬유 분산용액(310), 상기 3mm 탄소섬유 분산용액(320), 상기 6mm 탄소섬유 분산용액(330)이 혼합된 혼합용액(M)과 상기 바인더 분산용액(200)을 혼합하는 단계로 구성된다.
가장 긴 12mm 촙 파이버와 가장 짧은 3mm 촙 파이버를 먼저 혼합하여 12mm 촙 파이버가 교차된 공간 사이사이에 3mm 촙 파이버가 위치시켜 분산도를 높이고, 마지막에 6mm 촙 파이버를 혼합하여 12mm 촙 파이버와 3mm 촙 파이버 간의 연결성을 향상시킨다.
이하, 제4단계(S14)를 설명한다.
혼합용액(M)을 진공 여과시켜 탄소섬유를 필터링하여 탄소섬유 웹을 형성한다. 이러한 탄소섬유 웹은 카본시트 제조장치(1)에 의해 제조된다.
카본시트 제조장치(1)에 혼합용액(M)을 천천히 부어주어 탄소섬유를 필터링한다. 탄소섬유의 필터링 후, 탄소섬유는 필터링 후에 잔류하는 분산제 및 바인더에 의해 서로 결합될 수 있다. 이때, 탄소섬유 자체적으로 서로 연결되는 것과 분산제 및 바인더에 의해 결합되므로, 탄소섬유 웹의 인장강도가 증가될 수 있다.
[카본시트 제조장치]
도 3 내지 도 5를 참조하면, 카본시트 제조장치(1)는, 하부케이스(10), 필터망(20), 필터부직포(30), 상부케이스(40), 실리콘가스켓(50)으로 구성된다.
하부케이스(10)는 상부가 뚫려 있다. 하부케이스(10)의 바닥면에는 지지대(10a)들이 수직방향으로 설치된다. 지지대(10a)는 필터망(20)을 받친다. 하부케이스(10)의 측면에는 공기흡입펌프(VP)와 튜브(T)로 연결되는 흡입구(10b)들이 구비된다. 하부케이스(10)의 내부에는 탄소섬유(CF)가 걸러진 혼합용액(M)이 떨어지는 공간이 형성된다.
하부케이스(10)의 바닥면 근처 측면에는 탄소섬유(CF)가 걸러진 혼합용액(M)이 배출되는 배출구(10c)들이 구비된다. 배출구(10c)들에는 밸브(V)가 설치된다. 밸브(V)는 폐용액 수집기(미도시)와 연결된다.
필터망(20)은 알루미늄, 스테인레스 강과 같은 금속으로 만들어진다. 필터망(20)의 구멍 크기는 1~3mm이다. 필터망(20) 구멍의 크기가 1mm 미만이면 혼합용액(M)이 신속하게 필터망(20)을 빠져나가기 힘들고, 구멍의 크기가 3mm를 초과하면, 카본시트 상에 필터망(20)의 격자자국이 생긴다. 따라서, 필터망(20) 구멍의 크기는 1~3mm가 바람직하다.
필터부직포(30)는 Polyethylene 복합 섬유 또는 PE-Polypropylene (PP) 복함섬유로 만들어진다.
상부케이스(40)는 상부와 하부가 뚫려 있다. 상부케이스(40)는 필터망(20)과 필터부직포(30)가 개재된 상태로, 하부케이스(10) 위에 놓인다. 이 상태에서, 혼합용액(M)이 상부케이스(40)의 내부로 부어진다. 상부케이스(40)를 들어서, 하부케이스(10) 위에 올려놓게 쉽게, 상부케이스(40)의 측면에는 손잡이(41)가 설치된다. 도 5에서는 도면의 복잡함을 피하기 위해 도시를 생략한다.
실리콘가스켓(50)은 필터망(20)의 테두리를 따라 설치된다. 실리콘가스켓(50)은 상부케이스(40)가 하부케이스(10) 위에 놓였을 때, 상부케이스(40)와 하부케이스(10)가 접촉되는 면 사이 틈을 없앤다. 이로 인해, 공기흡입펌프(VP)가 흡입구(10b)를 통해 하부케이스(10) 내부의 공기를 새지 않고 빨아들일 수 있어, 혼합용액(M)을 신속하게 하부케이스(10) 내부로 떨어뜨릴 수 있다.
[카본시트 제조장치를 이용한 카본시트 제조방법]
도 5에 도시된 바와 같이, 혼합용액(M)을 상부케이스(40) 안으로 붓는다.
혼합용액(M)에 포함된 탄소섬유는 필터부직포(30)에 걸러져 남는다. 필터부직포(30)에 걸러져 남은 탄소섬유는 탄소섬유 웹(CP)을 형성한다.
탄소섬유가 걸러진 혼합용액(M)은 필터부직포(30)와 필터망(20)을 거쳐, 하부케이스(10)의 바닥으로 떨어진다. 이 과정에서, 공기흡입펌프(VP)가 흡입구(10b)에 흡입력을 작용시킨다. 그러면, 하부케이스(10) 내부의 공기가 흡입구(10b)로 빨려 들어가면서, 혼합용액(M)이 떨어지는 속도가 증가된다. 이로 인해, 탄소섬유 웹을 제조하는 시간을 단축시킬 수 있다.
탄소섬유가 걸러진 혼합용액(M)은 하부케이스(10)의 바닥으로 떨어진 후, 배출구(10c)와 밸브(V)를 통해 폐용액 수집기(미도시)로 모아진다.
이하, 제5단계(S15)를 설명한다.
수분이 남아 있는 탄소섬유 웹(CP)을, 자연 건조 또는, 가열 건조, 열풍 건조 등으로 건조시킨다.
상술한 제1단계(S11) 내지 제5단계(S15)를 거쳐, 고전도성 복합형 카본시트가 만들어진다. 이러한 고전도성 복합형 카본시트는 탄소섬유산업, 종이산업, 발열체산업, 건설업 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.
실험예
[탄소섬유의 분산도]
도 6에 도시된 바와 같이, CF가 12mm 촙 파이버, 3mm 촙 파이버, 6mm 촙 파이버 단일로 구성된 경우(a, b, c)보다 3종류의 촙 파이버가 혼합된 경우(d) 탄소섬유의 분산도가 좋다. 특히 12mm 촙 파이버, 3mm 촙 파이버, 6mm 촙 파이버가 순서대로 혼합된 경우, 길이가 다른 촙 파이버들이 사이사이의 공간을 메우며 고르게 분산될 수 있다. 즉, 탄소섬유 분산용액 속, 3mm 및 6mm의 촙 파이버로 인해 탄소섬유의 분산도가 향상되고, 6mm 및 12mm의 촙 파이로 인해 촙 파이버 간의 연결성이 좋아진다. 탄소섬유의 분산도 및 연결성이 좋아지면 고전도성 복합형 카본시트 면상발열체 전체에서 균일하게 발열될 수 있다.
[카본시트의 표면저항]
아래 표 1에 도시된 바와 같이, CF가 12mm 촙 파이버, 3mm 촙 파이버, 6mm 촙 파이버 단일로 구성된 경우, 길이가 길수록 표면저항(Sheet Resistance)이 작아진다. 그러나, 12mm 촙 파이버, 3mm 촙 파이버, 6mm 촙 파이버가 배합된 경우, 표면저항이 촙 파이버 단일로 구성된 경우보다 더 작아진다. 표면저항이 작다는 것은 동일한 전류를 흘려보냈을 때 카본시트에 전체에서 골고루 열을 발생시킬 수 있다는 것을 의미한다. 이로 인해, 체감 온도는 올라간다.
[카본시트의 전기전도도]
아래 표 1에 도시된 바와 같이, CF가 12mm 촙 파이버, 3mm 촙 파이버, 6mm 촙 파이버 단일로 구성된 경우, 6mm 촙 파이버 단일로 구성된 경우가 전기전도도(Electrical Conductivity)가 가장 높다. 그러나, 12mm 촙 파이버, 3mm 촙 파이버, 6mm 촙 파이버가 배합된 경우, 전기전도도가 6mm 촙 파이버 단일로 구성된 경우보다 더 높은 것으로 나타났다.
[카본시트의 열전도도]
아래 표 1에 도시된 바와 같이, CF가 12mm 촙 파이버, 3mm 촙 파이버, 6mm 촙 파이버 단일로 구성된 경우, 12mm 촙 파이버 단일로 구성된 경우가 열전도도(Thermal Conductivity)가 가장 높다. 12mm 촙 파이버, 3mm 촙 파이버, 6mm 촙 파이버가 배합된 경우, 열전도도가 12mm 촙 파이버 단일로 구성된 경우보다는 낮지만, 3mm 촙 파이버, 6mm 촙 파이버 단일로 구성된 경우보다는 높은 것으로 나타났다.
Carbon Sheets
(n = 3~4 ) 		Sheet Resistance (Ω/sq) Electrical Conductivity
(S/cm) 		Thermal Conductivity (W/m·K)
3 mm CFs 2.35 ± 0.05 11.70 ± 0.60 1.22 ± 0.02
6 mm CFs 2.02 ± 0.09 14.10 ± 0.96 1.25 ± 0.01
12 mm CFs 1.95 ± 0.05 13.00 ± 0.90 1.30 ± 0.04
12/3/6 mm CFs 1.90 ± 0.04 14.60 ± 1.40 1.29 ± 0.02
[카본시트의 표면발열온도]
아래 표 2에 도시된 바와 같이, CF가 12mm 촙 파이버, 3mm 촙 파이버, 6mm 촙 파이버가 배합된 경우가, 12mm 촙 파이버, 3mm 촙 파이버, 6mm 촙 파이버 단일로 구성된 경우보다 최고발열온도(Max T), 평균발열온도(Ave T)가 대체로 높고, 전력밀도(Power density)가 높은 것으로 나타났다.
Carbon Sheets
(n = 4 )		 Maximum Temperature (℃) Average Temperature (℃) Power Density (W/m 2 )
3 mm CFs 81.77 ± 7.56 64.13 ± 3.98 965.0
6 mm CFs 88.13 ± 8.09 71.70 ± 7.43 1200.0
12 mm CFs 90.00 ± 4.01 73.40 ± 5.15 1285.0
12/3/6 mm CFs 96.60 ± 1.22 76.57 ± 3.83 1285.0
[카본시트 면상발열체]
도 7에 도시된 바와 같이, CF가 12mm 촙 파이버, 3mm 촙 파이버, 6mm 촙 파이버가 배합된 카본시트의 경우, 고온에서도 균일한 면상발열의 특성을 나타냈다. 또한 상기 면상발열체를 5분간 전기의 파워 on하고 5분간 파워를 off하는 사이클링을 수행하였을 때, 균일하고 안정된 발열 상승과 하강의 발열 사이클 결과를 나타냈다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 고전도성 복합형 카본시트 제조방법으로 제조된, 고전도성 복합형 카본시트를 포함하는 고전도성 복합형 카본시트 면상발열체를 설명한다.
상술한 제1단계(S11) 내지 제5단계(S15)로 제조된 고전도성 복합형 카본시트의 일면에 한 쌍의 금속전극을 평행하게 배치한다. 금속전극은 구리, 알루미늄, 은, 니켈, 주석 등을 포함하는 금속 또는 이들의 합금으로 이루어지질 수 있다. 금속전극은 리본 또는 선 형태일 수 있다. 금속전극이 배치된 카본시트의 일면에 절연시트를 덮어 부착한다. 그러면, 면상발열체(PH)가 만들어진다. 이 밖에 다양한 방법으로 면상발열체(PH)가 만들어질 수 있다.
금속 전극에 정격 전압을 인가하면, 면상발열체(PH)는 70~100 ℃ 로 발열된다. 이러한 면상발열체(PH)는 면 저항이 낮고, 100 x 100 mm 정도 크기의 카본시트 면상발열체의 경우에는 전기전도도가 높아 5V 정도의 저전압으로 충분히 구동가능하다.
이러한 면상발열체(PH)로, 발열방석, 발열담요, 발열매트, 차량용 발열시트, 발열타일 등 다양한 발열제품을 만들 수 있다.
1: 카본페이퍼 제조장치
10: 하부케이스 20: 필터망
30: 필터부직포 40: 상부케이스
50: 실리콘가스켓 100: 분산용액
200: 바인더 분산용액 300: 탄소섬유 분산용액
M: 혼합용액 V: 밸브
VP: 공기흡입펌프 PH: 면상발열체
CP: 탄소섬유 웹

Claims (4)

  1. 면상발열체용 고전도성 복합형 카본시트 제조방법에 있어서,
    수용액 전체 중량에 대하여 분산제의 함량을 평균 0.2 내지 1 중량% 범위에서 조절하여 분산용액을 만드는 제1단계;
    상기 분산용액에 바인더를 넣어 상기 바인더가 분산된 바인더 분산용액을 만들고,
    상기 분산용액에 서로 길이가 다른 촙 파이버 형태의 탄소섬유를 각각 넣어 복수 개의 탄소섬유 분산용액들을 만들되,
    상기 바인더의 함량을 상기 분산용액 전체 중량에 대하여 0.01 내지 0.03 중량% 범위에서 조절하고, 상기 탄소섬유의 함량을 상기 분산용액 전체 중량에 대하여 0.01 내지 0.03 중량% 범위에서 조절함으로써,
    상기 탄소섬유의 분산도, 상기 카본시트 질량, 상기 카본시트 기본중량, 상기 카본시트 두께, 상기 카본시트 표면저항, 상기 카본시트 표면발열온도를 조절하는 제2단계;
    상기 복수 개의 탄소섬유 분산용액들과, 상기 바인더 분산용액을 서로 혼합하여 혼합용액을 만드는 제3단계;
    상기 혼합용액을 진공 여과시켜 탄소섬유를 필터링하여, 탄소섬유 웹을 형성하는 제4단계; 및
    상기 탄소섬유 웹을 건조하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 면상발열체용 고전도성 복합형 카본시트 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 제2단계에서 상기 탄소섬유 분산용액들은,
    상기 분산용액에 12mm 촙 파이버가 분산된 12mm 탄소섬유 분산용액과, 상기 분산용액에 3mm 촙 파이버가 분산된 3mm 탄소섬유 분산용액과, 상기 분산용액에 6mm 촙 파이버가 분산된 6mm 탄소섬유 분산용액으로 구성된 것을 특징으로 하는 고전도성 복합형 카본시트 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 제조된 고전도성 복합형 카본시트.
  4. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 제조된 고전도성 복합형 카본시트를 포함하는 고전도성 복합형 카본시트 면상발열체.
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