KR102587551B1 - 로프형 SiC 섬유 발열체 및 이를 이용한 건조기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로프형 SiC 섬유 발열체 및 이를 이용한 건조기에 관한 것으로, 구체적으로는 SiC 섬유를 둘 이상으로 합사한 뒤 꼬아서 로프형으로 발열체를 형성함으로써 균일한 온도로 발열이 가능한 로프형 SiC 섬유 발열체 및 이를 이용한 건조기에 관한 것이다.
본 발명은 복수의 SiC 섬유를 일정 길이로 절단하여 로프형으로 꼬아서 형성하고, 양단에 전극이 고정되는 것을 특징으로 한다.

Description

로프형 SiC 섬유 발열체 및 이를 이용한 건조기{Rope type SiC fiber heating element and dryer using the same}

본 발명은 로프형 SiC 섬유 발열체 및 이를 이용한 건조기에 관한 것으로, 구체적으로는 SiC 섬유를 둘 이상으로 합사한 뒤 꼬아서 로프형으로 발열체를 형성함으로써 균일한 온도로 발열이 가능한 로프형 SiC 섬유 발열체 및 이를 이용한 건조기에 관한 것이다.

SiC섬유(실리콘 카바이드 섬유)는 대표적인 초고온 세라믹스 섬유강화 복합재의 강화소재로 고온고압의 열악한 환경에서 고강도, 고인성, 내식성 및 고신뢰도의 구조적 특성을 유지하는 소재이다. 특히 장섬유강화 복합소재는 입자성, 바늘 형태의 결정성 강화 등 여타의 복합소재에 비해 가장 큰 인성증진 효과를 나타내기 때문에 우주항공, 방위산업, 원자력 등 고신뢰도가 요구되는 극한환경용 산업분야의 필수 소재이다. 최근에는 복합재의 소재로써 뿐만 아니라 국방산업, 자동차 및 우주항공 산업 등에 그 응용이 확대되고 있다.

또한, 요오드가 도핑된 나노구조 SiC섬유는 마이크로파에 활성화되어 공기 중 1400℃까지 급속 가열이 가능하고, 발열된 열은 복사(radiation)특성이 좋아 매우 경제적이기 때문에 최근에 SiC 섬유를 발열체로 사용한 발열 시스템이 주목을 받고 있다.

SiC 섬유는 통상 폴리카보실란으로 알려진 프리세라믹 폴리머를 용융방사(MELT SPINNING, MELT BLOWING) 또는 전기방사(ELECTRO SPINNING) 방법을 이용하여 섬유상(폴리카보실란 섬유)으로 만든 후 이를 다시 열처리하여 유기(폴리머)섬유로부터 무기(세라믹)섬유로 전환시켜 제조할 수 있다.

그러나 폴리카보실란의 용융점이 통상 150~300℃이지만, 폴리카보실란 섬유를 방사 후 바로 열처리하면 상기 용융온도 범위에서 섬유상을 유지하지 못하고 녹아버리게 된다. 이러한 현상을 막고 열처리 중 섬유상을 유지하여 최종 SiC 섬유를 얻기 위해 소위 가교(CROSS-LINK)를 통해 섬유의 표면에 존재하는 폴리머 분자들 간을 결합시키면 가교된 표면부의 용융점은 내부보다 높아져 폴리머의 열분해가 일어나는 온도 즉 400℃ 이상이 되기 때문에 열처리 과정에서 녹지 않고 온전히 섬유상을 유지하며 최종에는 SiC 섬유로 만들어지게 된다.

이러한 공정을 안정화(CURING) 또는 불융화(INFUSIBLIZATION) 공정이라고 하는데, 기존에 다양한 안정화 방법이 제안되었다. 이 중 통상적으로 사용되는 방법은 열산화 안정화(THERMAL OXIDATION CURING) 방법과 전자빔 안정화(E-BEAM CURING) 방법이 대표적이다. 전자의 경우 방사하여 얻은 폴리카보실란 섬유를 150~250℃의 산화 분위기(통상 200℃의 공기 분위기)에서 장시간 유지하면 대기 중의 산소가 섬유표면에 존재하는 폴리머 분자의 결합 중 약한 결합이 Si-H 결합과 기타 Si-CH3 결합을 끊고 Si-O-Si 결합을 형성하게 되는데, 이 과정에서 각 분자 간의 가교가 일어나게 된다. 이 방법은 가장 대표적인 안정화 방법으로 일본의 NICALON계 CERAMIC GRADE 섬유와 TYRANNO 섬유 등이 산화안정화 방법을 사용하고 있다.

이처럼 SiC 섬유는 폴리카보실란(polycarbosilane)을 건식 또는 습식 방사하여 섬유상으로 만든 후, 폴리카보실란 섬유를 불융화 및 고온 열처리함으로써 제조된다. 이러한 섬유화 과정에 따라 섬유 직경, 단면 형태, 섬유 형태를 다양하게 변화시킬 수 있다. 또한, 불융화 및 열처리 공정을 제어함으로써, SiC 섬유의 결정 구조를 비정질, 반결정질 또는 완전결정질 등으로 변화시킬 수 있다.

대한민국 등록특허공보 10-1209110호에는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해SiC 섬유 제조방법과 관련하여 폴리카보실란을 방사하여 폴리카보실란 섬유를 제조하는 단계, 상기 폴리카보실란 섬유를 할라이드계 기체를 이용한 기체훈증법으로 안정화 시키는 단계 및 상기 안정화된 폴리카보실란 섬유를 열처리하는 소성 단계를 포함하는 SiC의 제조방법이 개시되어 있다.

또한, 발열체로 제조된 SiC섬유를 사용한 종래기술의 경우 예를 들어 대한민국 공개특허공보 10-2017-0087380호에는 규소 또는 이산화규소, 또는 이들의 혼합물로부터 선택된 어느 한 승화 원료와 탄소섬유를 진공 또는 불활성 가스 분위기 및 고온 상태에 배치하여, 승화 원료의 승화로 기체 침투반응(Gas Infiltration Reaction)에 의해 탄소섬유로부터 제조되고, 마이크로웨이브를 가하여 발열하는 탄화규소 섬유 발열체에 대해 개시되어 있다.

그러나, 이러한 종래의 SiC섬유를 발열체로 사용한 경우는 제조된 SiC섬유 발열체에 발열을 하기 위해 전류를 인가하거나, 마이크로웨이브를 조사함에 따라, 장기간 사용할 경우 SiC섬유가 산화되거나, 형태가 변형되어 발열효과가 떨어지는 문제점이 있고, SiC 섬유를 대면적 난방이나, 발열하고자 하는 목적에 맞게 다양한 형태로 제작하는데 어려움이 있을 뿐만 아니라 SiC 섬유를 발열체로 제작한다고 하더라도, 발열체의 모양이나 규격이 불균일하여 이를 적용하여 용도에 맞게 발열구조를 제작하기가 곤란한 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-1209110호 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0087380호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 그 목적은 SiC 섬유를 둘 이상으로 합사한 뒤 꼬아서 로프형으로 발열체를 형성함으로써 균일한 온도로 발열이 가능한 로프형 SiC 섬유 발열체 및 이를 이용한 건조기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 복수의 SiC 섬유를 일정 길이로 절단하여 로프형으로 꼬아서 형성하고, 양단에 전극이 고정되고, 상기 SiC 섬유는 7합사로 제작되고, 1400℃에서 2시간 동안 열처리된 후, 1400℃에서 2시간 동안 재열처리되고, 상기 전극은 몰리브덴으로 형성되고, 상기 전극이 상기 SiC섬유의 둘레를 감싸되, 상기 전극과 SiC 섬유 간에 은(Ag) 페이스트가 도포되어 100℃에서 8시간 건조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 일면은, 상기 로프형 SiC 섬유 발열체; 하부에 상기 로프형 SiC 섬유 발열체가 배치되고, 상부 및 전후좌우 면에 단열재가 개재되는 하우징; 및 상기 로프형 SiC 섬유 발열체의 온도 및 가열시간을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 있어서, 상기 단열재는 세라크울로 구성되는 것을 특징으로 한다.

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본 발명의 로프형 SiC 섬유 발열체 및 이를 이용한 건조기에 의하면, 균일한 온도로 발열을 할 수 있어 발열효율이 높아지는 효과가 있다.

또한, SiC 섬유 발열체 구조물에 전기를 인가하여 발열 효과가 우수한 발열시스템을 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 발열용도에 따라 다양한 형태로 SiC 섬유 발열체 구조물을 제작하여 발열시스템에 적용할 수 있으므로 발열시스템의 사용분야를 넓힐 수 있다.

도 1은 본 발명의 로프형 SiC 섬유 발열체의 현미경 이미지를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1과 같이 제작된 로프형 SiC 섬유 발열체의 합사수와 길이에 따른 저항값을 나타낸 도면이다.
도 3은 로프형 SiC 섬유 발열체의 열처리 전후의 저항값 변화를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 열처리 후 재열처리한 로프형 SiC 섬유 발열체의 길이에 따른 저항 변화를 나타낸 도면이다.
도 5는 열처리된 로프형 SiC 섬유 발열체의 합사수에 따른 저항변화를 나타낸 도면이다.
도 6 내지 도 8은 로프형 SiC 섬유의 단부에 전극을 형성하여 발열체로 형성하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10은 로프형 SiC 섬유 발열체를 이용한 건조기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11 내지 도 17은 로프형 SiC 섬유 발열체를 이용한 건조기의 다양한 성능 테스트 결과를 나타낸 시험성적표이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 이하의 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 본 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1구성 요소는 제2구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2구성 요소는 제1구성 요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명의 로프형 SiC 섬유 발열체 및 이를 이용한 건조기를 상세히 설명한다.

우선 로프형 SiC 섬유 발열체에 대하여 살펴보기로 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 로프형 SiC 섬유 발열체는 복수의 SiC 섬유를 일정 길이로 절단하여 로프형으로 꼬아서 형성하고, 양단에 전극이 고정되는 형태로 구성된다. 상기 SiC 섬유는 둘 이상의 SiC 섬유를 합사하여 형성된다.

상기와 같이 제작된 SiC 섬유를 다양한 합사 수에 따라 제작된 로프형 SiC 섬유 발열체의 저항을 측정하면, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 로프 발열체의 길이가 짧고 합사 수가 커질수록 저항이 크게 감소하는 것을 알 수 있다.

한편, SiC 섬유는 1300℃~1500℃에서 일정시간 가열하여 열처리하는 것이 바람직하며, 가장 이상적인 로프형 SiC 섬유를 형성하기 위해서는 1400℃에서 2시간 동안 열처리하면 낮은 저항값을 갖게 되어 급속 발열이 용이하게 된다. 도 3에 도시된 바와 같이 로프형 SiC 섬유 발열체는 고온에서 열처리 후 저항이 크게 줄어드는 것을 확인할 수 있고, 특히, 1400℃에서 2시간 동안 열처리 후, 길이 350mm의 SiC 섬유 로프형 발열체는 100kΩ이하의 저항값을 가지는 것을 알 수 있다.

한편, 경우에 따라 로프형 SiC 섬유는 재열처리를 할 수 있다. 이는 발열체의 사용 용도 및 발열까지의 시간을 조절하기 위한 것이다. 그 결과 도 4에 도시된 바와 같이 1400℃에서 2시간동안 열처리된 SiC 섬유 로프형 발열체는 저항 발열체로 사용하기 위한 10kΩ 이하의 매우 낮은 저항값을 가진다는 것을 알 수 있다.

한편, 상기와 같이 열처리된 로프형 SiC 섬유는 합사된 수에 따라 저항값이 달라질 수 있다. 따라서 도 5에 도시된 바와 같이 로프형 SiC 섬유를 전원 공급기에 연결하여 저항발열테스트를 실시하였고, 그 결과 로프형 SiC 섬유는 23.03초만에 1536.5℃까지 급속 발열되는 것을 알 수 있다. 따라서 줄당 7합사 이상으로 제작하게 되면 더 빠른 속도로 발열할 수 있게 되는 것이다.

한편, 상기 전극의 소재는 몰리브덴, 텅스텐, 니켈 또는 구리합금 중 어느 하나의 소재로 형성될 수 있다. 이 중 가장 이상적인 열전달 및 전도성을 달성하기 위해서는 몰리브덴을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 몰리브덴의 특징은 비중이 10.22, 융점과 비등점이 각각 2610℃, 5560℃로 매우 높아 텅스텐, 탄탈륨 및 나이오븀과 함께 대표적인 고융점 내열금속으로 분류되며 열전도율이 좋고 열팽창률이 낮은 특징이 있다. 이와 같은 몰리브덴 소재의 특징을 살려 발열체 로프형 SiC 섬유에 적용한다면 로프형 SiC 섬유 발열체를 구성할 수 있게 되는 것이다.

일예로 몰리브덴 전극은 도 6에 도시된 바와 같이 로프형 SiC 섬유 둘레를 모두 감쌀 수 있도록 구성하며, 로프형 SiC 섬유와 전극 간에는 전도성을 높이기 위한 페이스트를 도포하게 된다. 전도성 페이스트는 통상적으로 사용되는 금속 분말의 종류에는 전기 전도도가 높은 금, 은, 백금, 팔라듐, 구리 등이 있다.
금, 은, 백금, 팔라듐은 내식성이 높고 전기를 잘 통하는 장점이 있으나 매우 고가인 단점이 있으며, 구리는 저렴하고 전기를 잘 통하는 장점이 있으나, 내식성이 낮아 공기 중의 습기에 의하여 분말 입자의 표면이 쉽게 산화층으로 바뀌어 분말끼리 닿아도 전기가 잘 통하지 않게 되는 단점이 있다. 본 발명에서는 상기한 구리의 단점을 보완하고 금, 백금, 팔라듐보다 비교적 가격이 저렴한 은 페이스트를 사용하여 발열체의 전도성을 높이게 되는 것이다. 따라서 도 7에 도시된 바와 같이 로프형 SiC 섬유 발열체의 전극 접합 부위에 전도성 Ag 페이스트를 추가로 도포하여 발열체와 전극 사이 빈틈을 메꾸고 발열체의 전도 효율을 증대시키게 된다. 상온 전극용 Ag 페이스트를 발열체 전극 부위에 균일하게 도포 후 100℃ 온도에서 8시간 건조하면 도 8에 도시된 바와 같이 로프형 SiC 섬유 발열체를 구성하게 되는 것이다.

이하, 상기와 같이 구성되는 로프형 SiC 섬유 발열체를 이용한 건조기에 대하여 살펴보기로 한다.

본 발명 로프형 SiC 섬유 발열체를 이용한 건조기는 하부에 로프형 SiC 섬유 발열체(100)가 배치되고, 상부 및 전후좌우 면에 단열재가 개재되는 하우징 및 상기 로프형 SiC 섬유 발열체의 온도 및 가열시간을 제어하는 제어부로 구성된다. 상기 단열재는 하우징의 전후좌우면 모두에 구성되며, 전면부는 건조기의 도어로 구성된다. 또한, 로프형 SiC 섬유 발열체(100)는 건조기 내부의 어퍼 플레이트(110)의 하부에 구성되여 로프형 SiC 섬유 발열체(100)를 통해 발열되는 열은 어퍼 플레이트(110)를 거쳐 건조기 내부의 피건조물을 건조시키게 된다. 여기서 건조기의 하부에는 공기 유입구(130)가 형성되고, 상부에는 열풍 배출구(120)가 구성된다. 따라서 공기 유입구(130) 및 열풍 배출구(120)를 통해 건조기가 가동되는 동안에는 지속적인 공기 순환이 가능한 것이다.

한편, 상기 단열재는 세라크울로 구성되는 것이 바람직하며, 발열체에서 분출하는 열기가 외부로 유출되지 않고 하우징 내부에 머물 수 있도록 하우징 주위를 단열재로 감싸서 에너지효율 향상시키게 된다.

이와 같이 구성되는 로프형 SiC 섬유 발열체를 이용한 건조기의 시제품을 제작하여 물성평가를 진행하였다.

로프형 SiC섬유 발열체 발열 성능 테스트로, 완성된 발열체 모듈의 발열테스트를 진행하였으며, DC Power Supply 장비를 이용하여 소비전류 및 소비전압을 측정하였다. 그 결과 발열 모듈의 발열형태는 양호하여 발열체가 전체적으로 발열될 때 소비전류는 약 160V, 전압은 0.9A로 소비전력은 144W 수준인 것을 확인할 수 있다.

또한, 로프형 발열 모듈 발열 온도 측정하였다. 열화상 카메라를 이용하여 발열체의 발열 온도를 측정한 결과, 최고온도는 1,500℃ 이상의 온도가 측정되었지만, 발열체 끝단의 일부분만 최고점을 찍었고 평균적인 온도분포는 1,400℃ 중·후반의 온도가 측정되었다. 따라서 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이 건조기 운용 동안 균일한 발열을 하고 있다는 것을 확인할 수 있다.

이상에서 설명된 본 발명의 로프형 SiC 섬유 발열체 및 이를 이용한 건조기의 실시예는 예시적인 것에 불과하며, 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 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 로프형 SiC 섬유 발열체
110 : 어퍼 플레이트
120 : 열풍 배출구
130 : 공기 유입구

Claims (6)

1. 복수의 SiC 섬유를 일정 길이로 절단하여 로프형으로 꼬아서 형성하고, 양단에 전극이 고정되고,
   상기 SiC 섬유는,
   7합사로 제작되고, 1400℃에서 2시간 동안 열처리된 후, 1400℃에서 2시간 동안 재열처리되고,
   상기 전극은,
   몰리브덴으로 형성되고,
   상기 전극이 상기 SiC섬유의 둘레를 감싸되,
   상기 전극과 SiC 섬유 간에 은(Ag) 페이스트가 도포되어 100℃에서 8시간 건조되는 것을 특징으로 하는 로프형 SiC 섬유 발열체.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항의 로프형 SiC 섬유 발열체;
   하부에 상기 로프형 SiC 섬유 발열체가 배치되고, 상부 및 전후좌우 면에 단열재가 개재되는 하우징; 및
   상기 로프형 SiC 섬유 발열체의 온도 및 가열시간을 제어하는 제어부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 로프형 SiC 섬유 발열체를 이용한 건조기.
   
6. 제5 항에 있어서,
   상기 단열재는 세라크울로 구성되는 것을 특징으로 하는 로프형 SiC 섬유 발열체를 이용한 건조기.