KR102627932B1 - 면상발열체의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 면상발열체를 포함하는 스마트팜용 히터 - Google Patents
면상발열체의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 면상발열체를 포함하는 스마트팜용 히터 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 면상발열체의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 면상발열체를 포함하는 스마트팜용 히터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 카비톨아세테이트 용매에 첨가하고 분산제를 첨가한 후 초음파 처리를 통해 분산액을 제조하는 단계(S10); 혼합 바인더를 카비톨아세테이트 용매에 첨가한 후 교반을 통해 바인더 용액을 제조하는 단계(S20); 상기 분산액의 특정 시간 동안 측정된 제1평균분산도값과 제1설정값과의 차이를 연산하여 상기 제1평균분산도값이 제1설정값보다 크면 혼합모드임을 판단하는 단계(S30); 상기 혼합모드로 판단되는 S30단계 이후에, 상기 분산액 및 바인더 용액을 혼합하여 교반하고 혼련하여 발열 페이스트 조성물을 제조하는 단계(S40);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 스마트팜용 히터에 적용될 면상발열체의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 면상발열체를 포함하는 스마트팜용 히터에 관한 것이다.
스마트팜이란 작물 생육정보와 환경정보 등에 대한 데이터를 기반으로 작물, 가축의 생육환경을 점검하고 적기 처방을 함으로써 노동력, 에너지, 양분 등을 종전보다 덜 투입하고도 농산물의 생산성과 품질 제고가 가능한 농업을 의미한다. 이를 위하여 생육 환경 유지 관리시스템 등에 의하여 온실·축사의 온도, CO2 수준 등 생육조건을 설정하고, 온습도, 일사량, CO2, 생육환경 등을 자동으로 수집해 환경정보를 모니터링한다.
종래의 스마트팜의 경우 온도 조절목적용으로 난방기기를 사용하는데 보일러나 온풍기를 가동하여 내부 온도를 높이는 방법으로 난방을 한다. 즉, 고체(석탄, 연탄 등), 액체(기름) 및 기체(가스) 연료 등과 같은 매설 자원을 이용하여 열을 발생하여 난방을 하는 경우와 전기를 통해 히터나 온풍기를 가동하여 난방을 하는 것이 일반적이다.
그러나 종래의 스마트팜의 경우에는 유지보수에 대한 비용이 높고 재배 작물에 대한 원가가 높아짐에 따라 생산품에 대한 가격경쟁력이 낮아지는 문제점이 있으며, 고체 및 액체연료의 경우 연소시 발생하는 유해물질을 외부로 배출하도록 하는 추가시설이 더 필요하며, 전기의 경우에는 관리는 용이하나 전기료가 많이 들게 되므로 효율성이 떨어지는 문제가 있다. 특히, 상기와 같은 난방은 그 발열이 국소부위에서 발생하게 되므로 시설하우스 전체에 온기를 공급하기 위해서는 별도의 공조시설이 필요하고 단시간내 전부분에 온도를 골고루 유지하기 어려우며, 이로 인해 하우스 내 생육온도가 다른 작물을 재배하는 것이 곤란하게 된다. 따라서 기존 난방기기와 대비하여 전력효율이 높고 온도조절 및 유지가 용이하며, 설치시 하우스 내 구역별로 설정온도를 달리하여 다수의 작물을 키울 수 있고, 작물에 대해 근접 설치하여 별도의 공조기기 설치 없이도 온도유지가 용이한 스마트팜용 히터에 적용될 면상발열체의 개발의 필요성이 요청되고 있다.
한편, 종래 기술로서, 300℃ 가량의 온도에서도 내열성을 가지는 탄소나노튜브를 포함하는 면상 발열체 페이스트 조성물과 관련하여 등록특허 제2049266호는 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 포함하는 전도성 입자; 에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합된 혼합 바인더; 유기 용매; 및 분산제를 포함하는 면상 발열체 페이스트 조성물에 대하여 개시하고 있다.
그러나, 스마트팜의 경우 온습도, 일사량, CO2, 생육환경 등 작물 생육정보와 환경정보 등에 대한 데이터를 기반으로 작물을 재배하는 것이므로 고온 다습한 재배환경이 요구되는 작물의 재배시 스마트팜 내에서 형성된 고온 다습한 재배환경으로 인하여 종래의 면상발열체는 면상발열 필름의 박리 등으로 인하여 접착성이 저하될 수 있다.
이에, 본 발명자들은 스마트팜용 히터에 적용될 면상발열체의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 면상발열체를 포함하는 스마트팜용 히터에 대하여 연구하던 중, 고온 다습한 재배환경하의 스마트팜용 히터에 적용될 면상발열체의 박리강도 등 내습성, 도막경도 및 접착성을 개선함으로써 본 발명을 완성하였다.
따라서 본 발명의 목적은 스마트팜용 히터에 적용될 면상발열체의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 면상발열체를 포함하는 스마트팜용 히터를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 고온 다습한 재배환경에서 스마트팜용 히터에 적용될 면상발열체의 내습성, 도막경도 및 접착성이 개선된 면상발열체의 제조 방법 및 이에 의하여 제조된 면상발열체를 포함하는 스마트팜용 히터를 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체의 제조 방법은 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 카비톨아세테이트 용매에 첨가하고 분산제를 첨가한 후 초음파 처리를 통해 분산액을 제조하는 단계(S10); 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 수지 및 페놀계 수지를 포함하는 혼합 바인더를 카비톨아세테이트 용매에 첨가한 후 교반을 통해 바인더 용액을 제조하는 단계(S20); 상기 분산액의 특정 시간 동안 측정된 제1평균분산도값과 제1설정값과의 차이를 연산하여 상기 제1평균분산도값이 제1설정값보다 크면 혼합모드임을 판단하는 단계(S30); 상기 혼합모드로 판단되는 S30단계 이후에, 상기 분산액 및 바인더 용액을 교반하고 혼련하여 발열 페이스트 조성물을 제조하는 단계(S40); 상기 발열 페이스트 조성물을 기판상에 스크린 인쇄 또는 그라비아 인쇄로 인쇄하는 단계(S50); 상기 기판상에 인쇄된 발열 페이스트 조성물을 건조하여 경화시켜 면상 필름을 제조하는 단계(S60); 및 상기 제조된 면상 필름에 전도성 물질을 인쇄하여 접속 전극을 형성함으로써 면상발열체를 형성하는 단계(S70)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체의 제조 방법에 있어서, 상기 S40단계는, 상기 분산액 및 바인더 용액을 혼합한 혼합용액을 교반하고 혼련 후 특정 시간 동안 측정된 제2평균분산도값과 제2설정값과의 차이를 연산하여 상기 제2평균분산도값이 제2설정값 미만인 경우에 고분자 수지의 가중치 비율에 따라 상기 혼합용액에 추가하는 단계;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 고분자 수지의 가중치는 스마트팜에서 재배될 작물의 재배 특성에 대응하여 부여된 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 고분자 수지의 가중치는 상기 고분자 수지의 내습성, 내열성, 도막경도 및 접착성으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택된 항목에 대하여 스마트팜에서 재배될 작물의 재배 특성에 대응하여 부여될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체의 제조 방법에 있어서, 상기 스마트팜에서 재배될 작물의 재배 특성은 상기 스마트팜에서 재배 가능한 불특정 다수의 작물들 각각에 대한 재배환경 및 재배방법이 포함된 재배정보를 저장 및 관리하는 작물별 재배정보 관리 데이터베이스로부터 수집한 상기 재배될 작물의 적정 재배온도 및 적정 재배습도일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체의 제조 방법에 있어서, 상기 고분자 수지는 카프로락탄 폴리디올 및 시클로올레핀 공중합체를 1:1의 중량비로 혼합한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체를 구비하는 스마트팜용 히터의 제조방법은 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 카비톨아세테이트 용매에 첨가하고 분산제를 첨가한 후 초음파 처리를 통해 분산액을 제조하는 단계(S10); 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 수지 및 페놀계 수지를 포함하는 혼합 바인더를 카비톨아세테이트 용매에 첨가한 후 교반을 통해 바인더 용액을 제조하는 단계(S20); 상기 분산액의 특정 시간 동안 측정된 제1평균분산도값과 제1설정값과의 차이를 연산하여 상기 제1평균분산도값이 제1설정값보다 크면 혼합모드임을 판단하는 단계(S30); 상기 혼합모드로 판단되는 S30단계 이후에, 상기 분산액 및 바인더 용액을 교반하고 혼련하여 발열 페이스트 조성물을 제조하는 단계(S40); 상기 발열 페이스트 조성물을 기판상에 스크린 인쇄 또는 그라비아 인쇄로 인쇄하는 단계(S50); 상기 기판상에 인쇄된 발열 페이스트 조성물을 건조하여 경화시켜 면상 필름을 제조하는 단계(S60); 상기 제조된 면상 필름에 전도성 물질을 인쇄하여 접속 전극을 형성함으로써 면상발열체를 형성하는 단계(S70); 상기 면상발열체를 하우징 프레임에 고정하는 단계(S80); 및 스마트팜 내에 설치된 환경센서에서 전달받은 온도 및 습도 데이터와 상기 면상발열체의 구동을 위한 데이터를 수집 저장하고 상기 면상발열체의 제어를 위한 제어 정보를 산출하고 시스템의 구동을 관리 제어하는 마이크로 콘트롤러 유닛(MCU)을 구비하여 상기 면상발열체에 전력을 공급하여 구동을 명령하는 히터 구동부를 상기 하우징 프레임의 일측에 배치하는 단계(S90)를 포함한다.
본 발명은 상기 제조방법에 따라 제조되는 면상발열체를 구비하는 스마트팜용 히터를 제공한다.
본 발명은 스마트팜용 히터에 적용될 면상발열체의 접착성을 개선하기 위하여 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 포함하는 분산액의 최적의 분산도를 연산하여 면상 발열체를 제조함으로써 고온 다습한 재배환경하의 스마트팜용 히터에 적용될 면상발열체의 접착성이 개선된 면상발열체 및 이를 포함하는 스마트팜용 히터를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 전도성 입자를 포함하는 분산액 및 바인더 용액을 혼합한 혼합용액에 내습성 및 도막경도 개선을 위한 고분자 수지를 추가하여 면상발열체를 제조함으로써 고온 다습한 재배환경하의 스마트팜용 히터에 적용될 면상발열체의 내습성 및 도막경도가 개선되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 면상 발열체는 저전압 저전력 구동이 가능하고 300℃ 이상의 고내열성을 갖으므로 스마트팜에 사용되는 기존 난방기기와 대비하여 전력효율이 높고 스마트팜 내 구역별로 설정온도를 달리하여 다수의 작물을 키울 수 있고, 작물에 대해 근접 설치가 가능하므로 별도의 공조기기 설치 없이도 온도유지가 용이한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체의 제조 공정의 순서도이다.
도 2는 공지된 일반적인 스마트팜의 개념도이다.
도 3은 종래의 스마트팜용 열풍형태의 난방기기(a)와 본 발명의 스마트팜용걸이형 히터(b)를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트팜용 히터의 모식도이다.
도 2는 공지된 일반적인 스마트팜의 개념도이다.
도 3은 종래의 스마트팜용 열풍형태의 난방기기(a)와 본 발명의 스마트팜용걸이형 히터(b)를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트팜용 히터의 모식도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 바람직한 실시예를 상세하게 설명하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체의 제조 방법은 분산액을 제조하는 단계(S10), 바인더 용액을 제조하는 단계(S20), 혼합모드임을 판단하는 단계(S30), 발열 페이스트 조성물을 제조하는 단계(S40), 발열 페이스트 조성물을 인쇄하는 단계(S50), 경화시키는 단계(S60) 및 면상발열체를 형성하는 단계(S70)를 포함한다.
분산액을 제조하는 단계(S10)는 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 포함하는 전도성 입자를 카비톨아세테이트 용매에 첨가하고 분산제를 첨가한 후 초음파 처리를 통해 분산액을 제조하는 단계이다.
탄소나노튜브 입자는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 또는 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 예컨대 상기 탄소나노튜브 입자는 다중벽 탄소나노튜브(multi wall carbon nanotube)일 수 있다. 상기 탄소나노튜브 입자가 다중벽 탄소나노튜브일 때, 직경은 5nm 내지 20nm일 수 있고, 길이는 3㎛ 내지 40㎛일 수 있다.
그라파이트 입자는 상용되는 그라파이트 입자를 이용할 수 있으며, 직경은 1㎛ 내지 25㎛일 수 있다. 그라파이트 입자는 판상 형태의 배열로 인해 높은 전도성을 가지며 화학적으로도 안정한 물질이다.
카비톨 아세테이트(Carbitol acetate)는 상기 전도성 입자를 분산시키기 위한 것이다.
분산을 위한 공정은 통상적으로 사용되는 다양한 방법들이 적용될 수 있으며, 예를 들면 초음파처리(Ultra-sonication), 롤밀(Roll mill), 비드밀(Bead mill) 또는 볼밀(Ball mill) 과정을 통해 이루어질 수 있다.
분산제는 상기 분산을 보다 원활하게 하기 위한 것으로, BYK류(불포화 폴리카르복실릭산 폴리머)와 같이 당업계에서 이용되는 통상의 분산제, Triton X-100과 같은 양쪽성 계면활성제, SDS 등과 같은 이온성 계면활성제를 이용할 수 있다.
탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 포함하는 전도성 입자의 분산과정은 면상 발열 페이스트 조성물의 면저항, 접착성 및 내습성 등 물성에 큰 영향을 미친다.
바인더 용액을 제조하는 단계(S20)는 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 수지 및 페놀계 수지를 포함하는 혼합 바인더를 카비톨아세테이트 용매에 첨가한 후 교반을 통해 바인더 용액을 제조하는 단계이다.
혼합 바인더는 면상 발열체 페이스트 조성물이 300℃ 가량의 온도 범위에서도 내열성을 가질 수 있도록 하는 기능을 하는 것으로, 에폭시 아크릴레이트(Epocy acrylate) 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트(Hexamethylene diisocyanate), 폴리비닐 아세탈(Polyvinyl acetal) 및 페놀계 수지(Phenol resin)가 혼합된 형태를 갖는다.
예컨대 상기 혼합 바인더는 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합된 형태일 수 있고, 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합된 형태일 수도 있다.
여기에서 페놀계 수지는 폐놀 및 페놀 유도체를 포함하는 페놀계 화합물을 의미한다. 예컨대 상기 페놀 유도체는 p-크레졸(p-Cresol), o-구아야콜(o-Guaiacol), 크레오졸(Creosol), 카테콜(Catechol), 3-메톡시-1,2-벤젠디올(3-methoxy-1,2-Benzenediol), 호모카테콜(Homocatechol), 비닐구아야콜(Vinylguaiacol), 시링콜(Syringol), 이소-유제놀(Iso-eugenol), 메톡시 유제놀(Methoxyeugenol), o-크레졸(o-Cresol), 3-메틸-1,2-벤젠디올 (3-methyl-1,2-Benzenediol), (z)-2-메톡시-4-(1-프로페닐)-페놀((z)-2-methoxy-4-(1-propenyl)-Phenol), 2,6-디에톡시-4-(2-프로페닐)-페놀(2,6-dimethoxy-4-(2-propenyl)-Phenol), 3,4-디메톡시-페놀(3,4-dimethoxyPhenol), 4-에틸-1,3-벤젠디올(4-ethyl-1,3-Benzenediol), 레졸 페놀(Resole phenol), 4-메틸-1,2-벤젠디올(4-methyl-1,2-Benzenediol), 1,2,4-벤젠트리올(1,2,4-Benzenetriol), 2-메톡시-6-메틸페놀(2-Methoxy-6-methylphenol), 2-메톡시-4-비닐페놀(2-Methoxy-4-vinylphenol) 또는 4-에틸-2-메톡시-페놀(4-ethyl-2-methoxy-Phenol) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 혼합 바인더의 혼합 비율은 에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 폴리비닐 아세탈 수지 10 내지 150 중량부, 페놀계 수지 10 내지 500 중량부의 비율일 수 있으며, 바람직하게는, 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 수지 및 페놀계 수지가 1:1:1의 중량비일 수 있다.
카비톨 아세테이트(Carbitol acetate)는 혼합 바인더를 분산시키기 위하여 사용된다.
혼합모드임을 판단하는 단계(S30)는 상기 분산액의 특정 시간 동안 측정된 제1평균분산도값과 제1설정값과의 차이를 연산하여 상기 제1평균분산도값이 제1설정값보다 크면 혼합모드임을 판단하는 단계이다.
고온 다습한 재배환경이 요구되는 작물의 재배시 스마트팜은 고온 다습한 재배환경이 되도록 운영되고, 이러한 고온 다습한 재배환경으로 인하여 종래의 면상발열체는 접착성이 저하될 수 있다. 따라서 고온 다습한 재배환경에서도 면상발열체의 장시간 사용시 내습성 및 접착성이 유지되는 것이 필요하다. 즉, 종래의 경우 전도성 입자 및 수지를 포함하는 바인더의 불균일한 분산상태 또는 적정하지 않은 분산상태에서 면상발열체가 제조되어 발열성이나 접착성 등 면상발열체의 물성에 좋지 않은 영향을 미치는 경우가 많았으나, 본 발명은 분산도를 측정하여 최적의 분산상태에서 전도성 입자 및 혼합 바인더가 혼합될 수 있다.
이를 위하여, 본 발명은 상기 분산액의 특정 시간 동안 측정된 제1평균분산도값과 제1설정값과의 차이를 연산하여 상기 제1평균분산도값이 제1설정값보다 크면 혼합모드임을 판단한다.
상기 혼합모드 판단은 별도로 구비되는 제어장치에 의하여 수행될 수 있다. 제어장치는 온도, 습도, 점도, 수량 등의 측정을 위한 각종 측정센서와 장치 동작 등의 알고리즘 제어를 위한 제어기기를 구비한다. 제어장치는 각종 측정센서로부터 입력되는 온도, 습도, 점도, 수량, 시간 정보 등을 바탕으로 전자밸브 등의 제어기기를 제어하게 된다.
이때 제1설정값은 상기 분산액의 과거의 분산도 측정값을 근거로 설정하되, 면상발열체의 물성 특성에 따라서 값을 설정할 수 있다.
분산도는 공지의 분산도 측정방법을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 도전성 입자 및 고분자 수지를 포함하는 복합액에 양극과 음극을 삽입하고 순환전압전류(CV)를 측정하여 얻어지는 전압-전류 그래프로 도전성 입자의 분산도를 평가하는 방법을 통하여 분산도를 측정할 수 있다(등록특허 10-1656464, 복합재료 내의 도전성 입자의 분산도 평가 방법 참조).
발열 페이스트 조성물을 제조하는 단계(S40)는 상기 혼합모드로 판단되는 S30단계 이후에, 상기 분산액 및 바인더 용액을 교반하고 혼련하여 발열 페이스트 조성물을 제조하는 단계이다.
상기와 같이 구성되는 발열 페이스트 조성물에 있어서, 발열 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 입자는 0.5 내지 7 중량부, 그라파이트 입자는 2 내지 25 중량부, 카비톨아세테이트 용매는 38 내지 92 중량부, 혼합 바인더는 5 내지 25 중량부, 분산제는 0.5 내지 5 중량부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 S40단계는, 상기 분산액 및 바인더 용액을 혼합한 혼합용액에 가중치가 부여된 고분자 수지의 우선순위에 따라 설정된 함량의 고분자 수지를 상기 혼합용액에 추가 후 특정 시간 동안 교반하고 혼련 후 상기 특정 시간 동안 측정된 제2평균분산도값과 제2설정값과의 차이를 연산하여 상기 제2평균분산도값이 제2설정값보다 크면 인쇄모드임을 판단하는 단계(S42)를 포함한다.
여기서, 상기 고분자 수지의 가중치는 스마트팜에서 재배될 작물의 재배 특성에 대응하여 부여된 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 고분자 수지의 가중치는 상기 고분자 수지의 내습성, 내열성, 도막경도 및 접착성으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택된 항목에 대하여 스마트팜에서 재배될 작물의 재배 특성에 대응하여부여될 수 있다.
상기 스마트팜에서 재배될 작물의 재배 특성은 상기 스마트팜에서 재배 가능한 불특정 다수의 작물들 각각에 대한 재배환경 및 재배방법이 포함된 재배정보를 저장 및 관리하는 작물별 재배정보 관리 데이터베이스로부터 수집한 상기 재배될 작물의 적정 재배온도 및 적정 재배습도일 수 있다.
예를 들어, 상기 재배될 작물이 고온 다습한 재배환경 특성을 가지고 있을때, 상기 작물의 적정 재배온도에 대응하여 고분자수지의 내열성 정도에 따라 가중치를 부여하고, 상기 작물의 적정 재배습도에 대응하여 고분자수지의 내습성, 도막경도 정도에 따라 각각 가중치를 부여할 수 있다.
또한, 고분자수지의 내습성, 내열성, 도막경도 및 접착성으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택된 항목에 대하여 부여된 가중치의 합계에 의하여 각각의 고분자수지의 우선순위를 정한 후, 상기 분산액 및 바인더 용액을 혼합한 혼합용액에 설정된 함량의 고분자 수지를 상기 혼합용액에 추가할 수 있다.
이때, 상기 설정된 함량은 가중치의 합계에 따라서 각각의 고분자수지의 투입함량 비율에 근거하여 함량을 설정할 수 있다. 예를 들어, 제1고분자수지의 가중치의 합계가 3이고, 제2고분자수지의 가중치의 합계가 2일 경우, 제1고분자수지와 제2고분자수지를 3:2의 중량비율로 혼합 후 상기 혼합용액에 추가할 수 있다.
이와 같이, 스마트팜에서 재배될 작물의 재배 특성은 재배될 작물에 따라서 고온 다습한 재배특성에 적합하거나 고온 또는 다습한 재배특성에 적합할 수 있으므로, 이러한 재배될 작물의 재배 특성에 대응하여 최적의 물성을 가진 고분자수지에 가중치를 부여함으로써 스마트팜에서 재배될 작물의 재배 특성에 부합하는 스마트팜용 히터에 적용될 면상발열체를 제조할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 구현예로서, 고온 다습한 재배환경에서 내습성 및 도막경도가 개선된 면상발열체를 제조하기 위하여 상기 분산액 및 바인더 용액을 혼합한 혼합용액에 카프로락탄 폴리디올 및 시클로올레핀 공중합체를 1:1의 중량비로 혼합한 고분자 수지를 추가할 수 있다.
카프로락탄 폴리디올은 종래 반도체 칩 부착용 접착제 조성물로 사용되어 접착제 조성물의 점도를 개선하고 인쇄회로기판에 도포 후 B-스테이지화 공정을 장시간하지 수행하지 않도록 하여 반도체 칩 부착 시 작업성을 향상시키며, 접착제 조성물이 고무와 같은 플렉시블한 특성을 나타내도록 하여 접착제층에서 발생되는 크랙 또는 박리현상의 원인이 되는 높은 인장강도 및 탄성 모듈러스을 낮추어 반도체 소자의 신뢰도를 향상시킨다(등록특허 10-1279972 참조).
시클로올레핀 공중합체는 기판을 필름 등의 지지체에 고정하기 위한 접착제로 사용되어 높은 내열성을 갖는 접착제 제조에 사용된다(등록특허 10-1345086 참조). 시클로올레핀 공중합체는 노르보르넨과 에틸렌을 65:35의 중량비로 하여 메탈로센 촉매를 사용하여 공중합함으로써 제조할 수 있다.
그러나, 전술한 선행기술들은 카프로락탄 폴리디올 및 시클로올레핀 공중합체의 접착 특성에 대하여는 기재하고 있으나, 고온 다습 환경하에서 내습성 및 접착성을 개선시키는 구성에 대하여는 기재하고 있지 않다. 본 발명의 실시예에 따르면, 본 발명의 상기 분산액 및 바인더 용액을 혼합한 혼합용액에 카프로락탄 폴리디올 및 시클로올레핀 공중합체를 포함하는 고분자 수지를 상기 혼합용액에 추가함으로써 고온 다습한 재배환경하의 스마트팜에 적용될 면상발열체의 접착성 및 내습성이 향상되는 우수한 효과가 있다.
발열 페이스트 조성물을 인쇄하는 단계(S50)는 발열 페이스트 조성물을 기판상에 스크린 인쇄 또는 그라비아 인쇄로 인쇄하는 단계이다.
상기 기판은 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리이미드, 셀룰로스 에스테르, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리술폰, 폴리에스테르술폰, 폴리비닐리덴플로라이드, 유리, 세라믹, SUS, 구리 또는 알루미늄 기판 등이 사용될 수 있으며, 상기 나열된 것들로 한정되는 것은 아니다. 상기 기판은 발열체의 응용 분야나 사용온도에 따라 적절히 선택될 수 있으며, 바람직하게는 절연성능(3kv) 및 고온(350℃) 성능이 우수한 폴리이미드가 선택될 수 있다.
여기서, 상기 S50단계는, 상기 인쇄모드로 판단되는 S42단계 이후에, 상기 발열 페이스트 조성물을 기판상에 스크린 인쇄 또는 그라비아 인쇄로 인쇄할 수 있다.
경화시키는 단계(S60)는 상기 면상 필름을 건조하여 경화시키는 단계이다. 상기 기판 상에 면상 발열체 페이스트 조성물을 스크린 인쇄 또는 그라비아 인쇄를 통해 원하는 패턴으로 인쇄 후 건조 및 경화를 하여 면상 필름을 제조한다.
면상발열체를 형성하는 단계(S70)는 상기 제조된 면상 필름에 전도성 물질을 인쇄하여 접속 전극을 형성함으로써 면상발열체를 형성하는 단계이다. 면상 필름의 상부에 은 페이스트 또는 도전성 페이스트를 인쇄하고 건조 및 경화시킴으로써 전극을 형성함으로써 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트팜용 히터의 모식도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체를 구비하는 스마트팜용 히터의 제조방법은, 상기 면상발열체의 제조 방법에, 상기 면상발열체(10)를 하우징 프레임(20)에 고정하는 단계(S80); 및 스마트팜 내에 설치된 환경센서에서 전달받은 온도 및 습도 데이터와 상기 면상발열체(10)의 구동을 위한 데이터를 수집 저장하고 상기 면상발열체(10)의 제어를 위한 제어 정보를 산출하고 시스템의 구동을 관리 제어하는 마이크로 콘트롤러 유닛(MCU)을 구비하여 상기 면상발열체에 전력을 공급하여 구동을 명령하는 히터 구동부를 상기 하우징 프레임(20)의 일측에 배치하는 단계(S90)를 더 포함한다.
이와 같이 본 발명은 상기 제조방법에 따라 면상발열체를 구비하는 스마트팜용 히터를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 본 발명은 스마트팜용 히터에 적용될 면상발열체의 접착성을 개선하기 위하여 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 포함하는 분산액의 최적의 분산도를 연산하여 면상 발열체를 제조함으로써 고온 다습한 재배환경하의 스마트팜용 히터에 적용될 면상발열체의 접착성이 개선된 면상발열체 및 이를 포함하는 스마트팜용 히터를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 면상 발열체는 저전압 저전력 구동이 가능하고 300℃ 이상의 고내열성을 갖으므로 스마트팜에 사용되는 기존 난방기기와 대비하여 전력효율이 높고 스마트팜 내 구역별로 설정온도를 달리하여 다수의 작물을 키울 수 있고, 작물에 대해 근접 설치가 가능하므로 별도의 공조기기 설치 없이도 온도유지가 용이한 장점이 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
1. 면상발열체 페이스트 조성물 제조
탄소나노튜브 3 중량부, 그래핀입자 2 중량부를 카비톨아세테이트 용매 41 중량부에 첨가하고 BYK 분산제를 첨가한 후, 60분간 초음파 처리를 통해 분산액을 제조하였다. 이후, 혼합 바인더 6 중량부를 카비톨아세테이트 용매 41 중량부에 첨가한 후 기계적 교반을 통해 바인더용액을 제조하였다. 상기 분산액 및 바인더 용액을 혼합한 혼합용액에 카프로락탄 폴리디올 및 시클로올레핀 공중합체를 1:1의 중량비로 혼합한 고분자 수지 2중량부를 추가 후 기계적 교반을 통해 1차 혼련한 후에 3-롤-밀 과정을 거쳐 2차 혼련함으로써 면상발열 페이스트 조성물을 제조하였다.
제조된 면상발열 페이스트 조성물을 10×10cm 크기로 폴리이미드 기판 위에 스크린 인쇄하고 경화한 후에, 상부 양단에는 은 페이스트 전극을 인쇄하고 경화하여 면상 발열체를 제조하였다.
2. 실험예
내습성(박리강도) 및 도막 경도 시험을 비교예들과 대비하여 시험을 하였다.
비교예 1은 실시예의 분산액 및 바인더 용액을 혼합한 혼합용액에 카프로락탄 폴리디올 2중량부를 추가 후 기계적 교반을 통해 1차 혼련한 후에 3-롤-밀 과정을 거쳐 2차 혼련함으로써 면상발열 페이스트 조성물을 제조한 것 이외에는 실시예와 동일하게 실시하였다. 비교예 2는 비교예 1의 카프로락탄 폴리디올 대신 시클로올레핀 공중합체만을 사용하였다. 비교예 3은 비교예 1의 카프로락탄 폴리디올 대신 접착제 성분으로 알려진 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체를 사용하였다.
2-1) 실시예와 비교예들의 접착 필름에 대한 내습성을 시험하였다. 측정방법은 ASTM D330을 따라 측정하였으며, 제작된 시편은 항온항습 장비를 이용하여 85℃, 85% RH 조건에서 250시간 동안 유지한 뒤 UTM(Universal Testing Machine)을 사용하여 박리 강도를 측정하였다.
2-2) 도막 경도(H)를 ASTM D3363의 기준에 따라 측정하였으며, 제작된 시편은 항온항습 장비를 이용하여 85℃, 85% RH 조건에서 250시간 동안 유지한 뒤 측정용 연필을 끼우고, 일정 하중(1Kg)을 가함으로써 측정하였다. 측정결과는 9H ~ 1H, F, HB, 1B ~ 6B로 나타내었으며, 9H의 경우 최고로 단단한 것이며, 6B의 경우 가장 약한 경도를 나타낸다.
| 구분 | 실시예 | 비교예1 | 비교예2 | 비교예3 |
| 박리강도(N/cm) | 15.6 | 10.4 | 10.7 | 11.7 |
| 도막경도(H) | 5H | 2H | 2H | 3H |
표 1의 결과에 나타난 바와 같이, 고온 다습한 환경하에서 실시예의 박리강도가 가장 우수한 것으로 나타났으며(비교예 3 대비 박리강도 33% 증가), 비교예 3의 경우 박리강도는 양호하나 도막경도가 좋지 않은 것으로 나타났다는 점에서, 실시예가 내습성(박리강도) 및 도막경도에서 더 우수한 것으로 확인되었다.
한편, 이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
Claims (5)
- 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 카비톨아세테이트 용매에 첨가하고 분산제를 첨가한 후 초음파 처리를 통해 분산액을 제조하는 단계(S10);
에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 수지 및 페놀계 수지를 포함하는 혼합 바인더를 카비톨아세테이트 용매에 첨가한 후 교반을 통해 바인더 용액을 제조하는 단계(S20);
상기 분산액의 특정 시간 동안 측정된 제1평균분산도값과 제1설정값과의 차이를 연산하여 상기 제1평균분산도값이 제1설정값보다 크면 혼합모드임을 판단하는 단계(S30);
상기 혼합모드로 판단되는 S30단계 이후에, 상기 분산액 및 바인더 용액을 혼합하여 교반하고 혼련하여 발열 페이스트 조성물을 제조하는 단계(S40);
상기 발열 페이스트 조성물을 기판상에 스크린 인쇄 또는 그라비아 인쇄로 인쇄하는 단계(S50);
상기 기판상에 인쇄된 발열 페이스트 조성물을 건조하여 경화시켜 면상 필름을 제조하는 단계(S60); 및
상기 제조된 면상 필름에 전도성 물질을 인쇄하여 접속 전극을 형성함으로써 면상발열체를 형성하는 단계(S70);
를 포함하는 것인 면상발열체의 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 S40단계는,
상기 분산액 및 바인더 용액을 혼합한 혼합용액에 가중치가 부여된 고분자 수지의 우선순위에 따라 설정된 함량의 고분자 수지를 상기 혼합용액에 추가 후 교반하고 혼련 후 상기 특정 시간 동안 측정된 제2평균분산도값과 제2설정값과의 차이를 연산하여 상기 제2평균분산도값이 제2설정값보다 크면 인쇄모드임을 판단하는 단계(S42);를 포함하고,
상기 S50단계는,
상기 인쇄모드로 판단되는 S42단계 이후에, 상기 발열 페이스트 조성물을 기판상에 스크린 인쇄 또는 그라비아 인쇄로 인쇄하는 것을 특징으로 하며,
상기 고분자 수지의 가중치는 스마트팜에서 재배될 작물의 재배 특성에 대응하여 부여된 것을 특징으로 하는 면상발열체의 제조 방법.
- 제2항에 있어서,
상기 고분자 수지의 가중치는 상기 고분자 수지의 내습성, 내열성, 도막경도 및 접착성으로 이루어진 군으로부터 1종 이상 선택된 항목에 대하여 스마트팜에서 재배될 작물의 재배 특성에 대응하여 부여되고,
상기 스마트팜에서 재배될 작물의 재배 특성은 상기 스마트팜에서 재배 가능한 불특정 다수의 작물들 각각에 대한 재배환경 및 재배방법이 포함된 재배정보를 저장 및 관리하는 작물별 재배정보 관리 데이터베이스로부터 수집한 상기 재배될 작물의 적정 재배온도 및 적정 재배습도이며,
상기 고분자 수지는 카프로락탄 폴리디올 및 시클로올레핀 공중합체를 1:1의 중량비로 혼합한 것을 특징으로 하는 면상발열체의 제조 방법.
- 면상발열체를 구비하는 스마트팜용 히터의 제조방법에 있어서,
탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 카비톨아세테이트 용매에 첨가하고 분산제를 첨가한 후 초음파 처리를 통해 분산액을 제조하는 단계(S10);
에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 수지 및 페놀계 수지를 포함하는 혼합 바인더를 카비톨아세테이트 용매에 첨가한 후 교반을 통해 바인더 용액을 제조하는 단계(S20);
상기 분산액의 특정 시간 동안 측정된 제1평균분산도값과 제1설정값과의 차이를 연산하여 상기 제1평균분산도값이 제1설정값보다 크면 혼합모드임을 판단하는 단계(S30);
상기 혼합모드로 판단되는 S30단계 이후에, 상기 분산액 및 바인더 용액을 교반하고 혼련하여 발열 페이스트 조성물을 제조하는 단계(S40);
상기 발열 페이스트 조성물을 기판상에 스크린 인쇄 또는 그라비아 인쇄로 인쇄하는 단계(S50);
상기 기판상에 인쇄된 발열 페이스트 조성물을 건조하여 경화시켜 면상 필름을 제조하는 단계(S60);
상기 제조된 면상 필름에 전도성 물질을 인쇄하여 접속 전극을 형성함으로써 면상발열체를 형성하는 단계(S70);
상기 면상발열체를 하우징 프레임에 고정하는 단계(S80); 및
스마트팜 내에 설치된 환경센서에서 전달받은 온도 및 습도 데이터와 상기 면상발열체의 구동을 위한 데이터를 수집 저장하고 상기 면상발열체의 제어를 위한 제어 정보를 산출하고 시스템의 구동을 관리 제어하는 마이크로 콘트롤러 유닛(MCU)을 구비하여 상기 면상발열체에 전력을 공급하여 구동을 명령하는 히터 구동부를 상기 하우징 프레임의 일측에 배치하는 단계(S90);
를 포함하는 면상발열체를 구비하는 스마트팜용 히터의 제조방법.
- 제4항에 따라 제조되는 면상발열체를 구비하는 스마트팜용 히터.
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