KR200216184Y1 - 전도성 접합제와 일체화된 탄소섬유를 이용한 전기 발열체 - Google Patents

Abstract

본 고안은 전도성 접합제와 일체화된 탄소섬유를 이용한 전기발열체에 관한 것으로서, 특히 탄소섬유표면에 전도성 접합제를 도포하여 금속 박막에 접합시킨 후 절연 처리하여 완성된 전열체에 의해 전열판에 공급된 전기 에너지의 복사열은 원적외선으로 변환하여 방열 면적이 증가될 수 있도록 구성하였다.

따라서 이상과 같이 발열체는 탄소섬유를 사용하고, 전원이 흐르면 금속 박막이 접히는 부분에 전자가 도체로 이동하려는 힘과 탄소 섬유와 접합제에 혼합된 제올라이트에 형성된 미세공극의 내부에서 변화되는 열을 이용하여 발열하고 이를 금속 박막에 열전도하여 전반적으로 고르게 발열되게 하여 에너지의 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

Description

전도성 접합제와 일체화된 탄소섬유를 이용한 전기 발열체{An electronic pyrogen using carbon fiber unified with conductive adhesives}

본 고안은 전도성 접합제와 일체화된 탄소섬유를 이용한 전기 발열체에 관한 것으로서, 특히 탄소섬유 표면에 전도성 접합제를 도포하여 금속 박막에 접합시킨 후 절연 처리하여 완성된 전열체와 일체로 형성된 전열판에 공급된 전기 에너지의 복사열은 원적외선으로 변환하여 방열면적이 증가되는 전도성 접합제에 관한 것이다.

일반적으로 탄소섬유(carbon fiber)는 주로 흑연구조를 가진 탄소로 이루어진 섬유로 탄성과 강도가 크기 때문에 흔히 철보다 강하고, 알루미늄보다 가볍다.

상기의 탄소섬유는 그 원료에 따라 폴리아크릴로니트릴(PAN)계, 피치계, 레이온계로 분류되나 그 중 PAN계와 레이온계가 거의 대부분을 차지한다.

그리고, PAN계 탄소섬유는 PAN을 비활성 기체하에서 1,000℃ - 2,000℃ 이상의 온도에서 소성하여 만든다.

상기 피치계의 경우는 석탄에서 나오는 피치를 섬유화한 뒤 PAN계와 거의 같은 공정을 거쳐서 완성된다.

상기 피치계는 PAN 계열과 비교해 값이 싸기 때문에 고온단열재나 보강재로 널리 이용되고 있다.

종래 전기매트에 이용되는 열을 내는 방법은 물체(발열체)가 가지는 고유한 특성을 이용하여 발열체에 전기를 통하게 하여 전하의 충돌을 활용하는 것으로, 이러한 발열체로는 탄소와 결정구조가 비슷한 카본 섬유나 카본 분말이 널리 이용되었다.

한편, 상기 발열체를 사용함에 있어서는 먼저 전원선인 동선을 양측에 구비하고 양측의 전원선 사이에 카본 섬유나 카본 분말을 구비하여 전원선에 전류를 인가하면 카본 섬유나 카본 분말에서 발생하는 저항치에 의하여 발열이 되었다.

이 경우 카본 섬유나 카본 분말이 면상 발열체에 고르게 분포되어 있어 발열체가 전반적으로 따뜻하며 전력소모가 적다는 장점이 있으나, 저항에 의하여 카본 섬유에서 열이 발생할 때 저항값이 일정하지 않게 되어 국부적인 과열현상이 발생하며, 저항에 의한 발열시 카본이 소진되어 수명이 짧아진다는 단점이 있다.

또한, 상기와 같은 발열체로 보온매트를 구성하여 사용시에는 지표면에서 방출되는 복사열과 같은 효과로 인하여 주위 공기의 온도를 높여 온도상승을 유발함으로써, 공기의 내부 순환이 일어나지 않게 되는 정체된 상태를 만들어 대기오염이 발생하는 문제점이 있었다.

그리고 상기의 단점을 일부 보완한 내용으로 출원된 실용신안등록출원제1999-33366호의 '반도체 섬유를 발열체로 이용한 전기매트의 면상 발열체'가 있다.

이는 카본 섬유에 반도체 소자를 피복시킨 반도체 섬유를 형성한 후 이러한 반도체 섬유를 소정의 간격으로 배열하고, 상기 반도체 섬유와는 수직방향으로 금속 박판을 구비하여 일측의 전원선으로부터 전력을 통전하였을 때 전원의 입력으로부터 자유전자가 반도체 섬유에 형성된 전공자(charge carrier)를 채우게 되고, 전공자에 채워진 자유전자가 도체인 금속 박판으로 자유전자가 탈피하려는 에너지의 변환에 따라서 발열되도록 하므로서 금속 박판과 반도체 섬유가 접하는 부분에 발열이 발생되도록 하고 이러한 발열은 금속 박판을 통하여 열전도되도록하므로 면상 발열체가 전반적으로 고르게 발열되도록 하고 국부적으로 과열현상이 발생되는 것을 방지하도록 하며, 발열체의 소비전력의 효율을 높이도록 하는 반도체 섬유를 발열체로 이용한 면상 발열체를 제공하고자 하는 것이다.

그러나 상기에서 사용되는 카본섬유는 저항이 불균일하여 국부적으로 과열 현상이 발생하는 단점이 있고, 또한 반도체 섬유를 상기와 같이 금속 박판에 접합하여 일정한 간격을 가지면서 배열되도록 구성하여 상기 배열이 변화되지 않도록 라미레이팅등의 수단으로 코팅하였으나 이는 반도체 섬유가 상기 금속박판에 견고히 접합되는 못하는 문제점이 있다.

본 고안은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 탄소 섬유와 금속 박막을 절연체와 접합제로 적절히 조합을하여 하나의 전도성 접합제를 형성하여 원적선이 방출되도록 구성하고, 상기 전열판에 공급된 복사열을 원적외선의 전기에너지로 변환 시켜 방열면적이 증가되는 전기발열체를 제공하는데 본 고안의 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 절연제의 경우는 부직포, PVC, PE, PP, 운모등 내열온도에 따라 선택하는 수단과, 접합제는 전도성을 지니는 탄소분말, 제올라이트, 유기용매, 수지를 용도별로 적합하게 혼합하여 탄소 섬유의 표면에 입히는 수단과, 금속 박막은 열전도체를 이용하며 알루미늄, 구리, 탄소강, 철강재로 형성하는 수단과, 상기 3중 절연층은 절연체, 공기층, 절연체의 순으로 구성하는 수단을 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 본 고안의 요부인 전열판의 구성도

도 2는 본 고안의 요부인 전열체의 평면도

도 3은 본 고안의 또 다른 형태 전열판의 구조를 도시한 확대 단면도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10. 절연제 11. 접합제

12. 탄소 섬유 13. 금속 박막

14. 3중 절연 층 15. 단자부

16. 전원조절장치 17. 탄소 분말층

18. 제올라이트 19. 공기 단열층

20. 전열체 21. 전열판

이하, 첨부된 도면과 관련하여 본 고안의 실시례에 의해 이루어진 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 고안의 요부인 절연판의 구성도이며, 도 2는 본 고안의 요부인 전열체의 평면도이고, 도 3은 본 고안의 또 다른 형태의 전열판 구조를 도시한 확대 단면도이다.

본 고안의 구성을 도 1과 도 2, 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저 도 1과 같이 전열체(20)를 3중 절연층(14)으로 형성한 후 접합제(11)를 피복시킨 탄소섬유(12)와 금속 박막(13)을 일체로 부착하여 상기 3중 절연층(14)의 표면에 일직선 방향으로 소정의 간격을 두고 배열한 후 상기 접합제(11)의 표면에 절연제(10)를 부착하고, 전원의 입, 출력이 가능하도록 단자부(15)를 형성하며, 상기 접합제(11)는 전도성을 유지하기 위하여 제올라이트, 탄소분말, 유기용매, 수지를 혼합하여 구성한 것이다.

그리고 절연제(10)는 부직포, PVC, PP, PE, 운모 등으로 구성하여 내열온도에 따라 선택하여 사용 할 수 있다.

또한 상기 탄소섬유(12)는 폴리아크릴니트릴(PAN)을 1,200℃ - 1,500℃의 열처리 공정에서 발생된 비활성기체를 소성하여 형성한다.

상기에서 형성된 섬유의 가닥수에 따라 전기 저항이 다르게 되므로 사용용도 및 온도에 따라 선택적으로 사용할 수 있다.

한편, 금속 박막(13)은 열전도체로 사용되고, 알루미늄, 구리, 탄소강, 철강등으로 상기 금속 박막(13)을 구성한다.

상기 3중 절연층(14)은 절연제, 공기층, 절연제의 순으로 구성하고, 상기 공기층은 단열을 목적으로 하고, 그 외의 층은 전기적 절연을 목적으로 한다.

도 2는 본 고안의 요부인 전열체의 평면도로써, 단자부(15)를 직렬연결, 병렬연결, 직 ·병렬 조합 연결을 하도록 구성한다.

그리고 금속 박막(13)의 크기는 30 미크론 두께의 30 ×30mm 크기를 이용하였고, 상기 금속 박막(13)의 세로폭은 약 2mm로 구성하여 절연체(10)에 부착한다.

상기에서 온도조절장치(16)는 전류 조절, 전압 조절, 온도 조절을 할 수 있도록 구성한다.

이와 같이 구성된 본 고안의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기의 금속 박막(13)은 절연제(10)의 표면에 직선방향으로 배열하고, 상기 금속 박막(13)의 상부에는 탄소 섬유(12)를 길이방향으로 형성하여 전열판(21)의 상부 단자부(15)와 하부 단자부(15)에 연결한, 후 상기 금속 박막(13)의 표면에 배열된 탄소 섬유(12)를 접합제(11)에 의해 고정시킨다.

그리고 상기 금속 박막(13)을 발열시키고자 단자부(15)에 교류전원을 인가시키면 입력단과 직접적인 연결을 갖는 양단의 단자부에는 전기가 흐르게 되고, 이와 동시에 상기 금속 박막(13)에 놓여진 탄소 섬유(12)도 전기의 흐름에 따라 발열되면서 전기가 흐르게 되고, 이때에 탄소 섬유(12)에 단자부(15)를 형성하지 않은 금속 박막(13)에는 전하의 이동이 차단된다.

따라서, 본 고안은 종래의 콘덴서 방전과는 상이하게, 단자부(15)를 연결하지 않은 금속박막(13)부분으로 이동하는 자유전자로 인하여 발열현상을 일으키는 것으로서, 이때 전하는 탄소 섬유(12)를 따라서 이동하게 되고, 전원이 연결되지 않은 금속 박막(13)부분은 전자가 도체로 이동하려는 힘과 탄소 섬유(12)에서 탈피되는 힘의 차이가 에너지로 바뀌는 현상이 일어남에 따라 발열하게 되는 것으로서, 상기 탄소 섬유(12)가 금속 박막(13)에 접촉된 면에서 많은 양의 전자가 방출한다.

이때, 상기 접합제(11)를 형성하고 있는 제올라이트(18)의 미세 공극으로 에너지파가 통과할 때 주파수 변형에 따른 원적외선이 일정 방향에서 원거리로 방출되고, 상기 탄소 섬유(12)의 탄소 분말은 주위의 공기분자를 열에너지로 변화시켜 전달하여 공기분자의 이온화를 발생시키고, 상기 이온화된 공기는 대기중으로 방출된다.

또한, 상기 탄소 섬유(12)를 금속 박막(13)에 고정시킬 수 있도록 제올라이트(18) 및 탄소 분말을 혼합함에 있어서는 수지와 유기용매를 첨가함으로써 상기 금속 박막(13)과 탄소 섬유(12)의 분리 이탈에 따른 노이즈 현상을 억제할 수 있게 한다.

그리고, 본 고안의 다른 실시예로서 첨부된 도 3에 도시된 바와 같이 금속 박막에 탄소 섬유(12)를 배열한 상태에서 서로 마주보도록 상부와 하부에는 절연제(10)를 형성하고, 상기 하부의 절연제(10)에는 공기 단열층(19)과 또 다른 절연제(10)를 구성하고, 상기 상부의 절연제(10) 층에는 탄소 분말층(17)과 제올라이트(18)로 형성하여 전기를 흐르게 하기 때문에 일반 열선의 방열체적에 비하여 500% 이상의 방열체적이 발생되므로 에너지를 30% 이상 절감할 수 있는 특징이 있다.

또한 상기 접합제(11)에 혼합된 제올라이트(18)의 분자체에 존재하는 미세공극으로 에너지파가 통과 할 때 주파수 변형에 따른 원적외선 방출의 효과와 함께 상기 에너지 파가 공극 내부에서 충돌 및 반사의 과정을 거쳐 일정 방향에서 원거리로 방출된다.

따라서, 동일한 전기에너지를 사용하여 종래와 같은 복사열에 의한 태양열과 동일한 빛파장의 원적외선을 방출하는 특징이 있다.

그리고, 전열판내에서 수분이 발생할 경우 이 수분은 상기 제올라이트(18)의 분자체 흡수 작용으로 인해 전열판내에서 흡수되게 함으로써 물에 의한 누전 현상을 방지하는 특징이 있다.

이와 같이 본 고안에 의한 발열체는 탄소 섬유를 사용하고, 전원이 흐르면 금속 박막이 접히는 부분에 전자가 도체로 이동하려는 힘과 탄소 섬유의 접합제에 혼합된 제올라이트에 형성된 미세공극의 내부에서 변차되는 열을 이용하여 발열하고 이를 금속 박막에 열전도하여 전반적으로 고르게 발열되게 하여 에너지의 효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 전도성 접합제를 갖는 탄소섬유에 있어서,

   상기 접합제를 피복시킨 탄소섬유와 금속 박막을 일체로 부착하여 절연층의 표면에 일직선 방향으로 소정의 간격으로 배치한 후, 상기 접합제의 표면에 또 다른 절연제층을 형성하여 전원의 입, 출력이 가능하도록 단자부를 형성하고, 상기 접합제는 전도성을 유지하기 위하여 제올라이트, 탄소분말, 유기용매, 수지를 혼합하여 구성함을 특징으로 한, 전도성 접합제와 일체화된 탄소섬유를 이용한 전기발열체
2. 제 1항에 있어서,

   상기 금속 박막의 표면에 부착된 탄소 섬유의 분리, 이탈에 따른 노이즈 현상을 방지하기 위하여 상기 전도성 접합제를 도포하여 접합되도록 구성함을 특징으로 한, 전도성 접합제와 일체화된 탄소섬유를 이용한 전기발열체