KR200352347Y1

KR200352347Y1 - 흑연전극설을 함유하는 ｐｔｃ 조성물질

Info

Publication number: KR200352347Y1
Application number: KR20-2004-0007163U
Authority: KR
Inventors: 정문우
Original assignee: 정문우
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2004-06-04

Abstract

본 고안은 흑연전극설을 이용한 PTC 조성물질에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 흑연전극설과 실리카샌드를 제어온도에 합당한 비율로 함유하고, 이 혼합물의 적당한 질량 비율로 접합물질인 페놀 수지를 함유하는 PTC 조성물질을 제공한다. 이와 같이 제조된 본 고안의 PTC 가열소자는 고유저항, 접촉저항 및 열팽창계수가 큰 흑연을 함유한 복합무기물질을 이용하여 자기온도조절 작용에 의해 일정한 온도를 공급할 수 있고, 과열이나 과전압에 대한 자동보호작용이 가능하며, 저항값이 주변온도와 풍량에 따라 자동조절되는 가변저항방식의 가열 소자로서, 안전하며 효율적인 난방용 소재로 다양한 분야에 이용가능하다.

Description

흑연전극설을 함유하는 ＰＴＣ 조성물질{POSITIVE TEMPERATURE COEFFICIENT(PTC) COMPOSITION COMPRISING ELECTRO GRAPHITE POWDER}

본 고안은 흑연전극설을 이용한 PTC(Positive Temperature Coefficient) 조성물질에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 흑연전극설과 실리카샌드를 제어온도에 합당한 비율로 함유하고, 이 혼합물의 적당한 질량 비율로 접합물질인 페놀 수지를 함유하는 PTC 조성물질에 관한 것이다.

PTC 가열소자는 일반적으로 퓨즈(fuse)와는 달리 반복사용이 가능한 소자로서 폴리 스위치(Poly Switch)라고도 불리우며, 정온도 계수저항 특성을 가진 저항 소자를 말한다. PTC저항소자는 특정온도에 도달하여 그 저항치가 급격하게 증가하는 특성을 활용한 저항소자로서, PTC저항소자를 회로에 연결하면 회로에 흐르는 전류의 증가에 따라서 PTC 저항소자의 온도가 증가하게 되고, 전류가 한계치 이상 증가하면 PTC 저항소자의 온도가 특정 온도에 도달하게 되어 저항이 급격하게 증가함으로써 전류의 흐름을 차단하게 된다. 이러한, 특성은 전자기기에 과전류가 흐르는 것을 차단하여 기기를 보호하는 용도로써 널리 사용되고 있다.

일반적으로 PTC라고 하면 티탄산바륨(BaTiO₃)계 세라믹을 이용한 PTC와 폴리머(Polymer)를 이용한 PTC가 일반적으로 알려져 있다. 세라믹계 PTC 소자에서는 그 세라믹 본래의 성질에 의해 정상시의 고유 저항치에 하한이 있는 점, 고전압, 대전류에 대한 내구성이 한계가 있는 점 등의 단점이 있고, 또한 가공이 어렵다는 점의 이유로 제한적이다.

따라서 폴리머계 PTC 소자의 수요가 급속하게 증가하고 있다. 폴리머계 PTC를 사용하면 저저항에서 대전류 용량의 용도에서부터 고전압용까지 여러 가지 회로의 보호 소자의 제조가 가능하고 종래의 세라믹계 소자에서는 커버할 수 없었던 영역에서 과전류, 과열보호에 효과적이다. 폴리머계 PTC는 티탄산바륨계 세라믹 PTC 서미스트(Thermister)와 비교해 역사는 적지만 역으로 말하면 그 응용면에서는 아직 가능성이 많다고 할 수 있어 그 개발이 앞으로의 과제이며, 앞으로 발전가능성이 큰 소자이다. 하지만, 폴리머계 PTC는 사용온도 범위가 낮고, 열전달 속도가 느리며, 납땜 후 저항치가 상승하여 저항 안정성이 낮다는 단점을 갖고 있다.

따라서, 본 고안은 전술한 종래의 PTC 가열소자의 단점을 극복하기 위한 것으로서, 저항범위와 사용온도 범위가 광범위하고, 사용가능한 전류 범위도 커서 다양한 용도에서 안정적이고 효율적인 자동온도저절이 가능한 가열소자를 공급하기 위한 자기전류 제어저항발열물질을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 고안의 일 구체예에 따른 블락 형태의 흑연설 PTC 가열소자를 도시한 것이다.

도 2는 본 고안에 따른 흑연전극설을 함유하는 PTC 가열소자의 온도변화에 따른 열팽창특성을 도시한 그래프이다.

도 3은 비교군으로 인조흑연의 고유 열팽창 특성을 실리카, 마그네시아와 비교하여 도시한 그래프이다.

도 4는 본 고안에 따른 시간 경과에 따른 전류의 변화를 도시한 그래프이다.

본 고안은 일 양태로서 흑연전극설과 실리카샌드를 발열체의 표면 제어온도에 합당한 비율로 함유하고, 이 혼합물의 적당한 질량 비율로 접합물질인 페놀 수지를 함유하는 PCT 조성물질을 제공한다.

일 구체예에 있어서, 본 고안에 따른 PCT 조성물질은 사용온도 범위가 약 40~400℃가 되도록 하기 위하여 흑연(graphite)과 실리카샌드(중간입자의 모래) 및 접합물질의 혼합으로 이루어진다. 이때, 흑연 분말과 실리카샌드의 혼합비율은 질량비를 기준으로 하여 약 100:500~700으로 혼합된다. 그리고, 상기 혼합된 흑연과 실리카샌드가 예를 들어 건축물의 벽면체 등에 도포되었을 때, 접합력을 유지하면서 상기 모래와 함께 흑염을 부(-)의 특성에서 정(+)의 특성을 전환시킬 수 있도록 하기 위하여 접합물질의 혼합비는 상기 흑연과 실리카샌드가 배합된 총 질량에 대하여 약 18~30%의 비율로 혼합되게 된다.

여기서, 실리카샌드를 혼합하는 이유는 약 400~600℃ 이상의 온도에서 정(+)의 특성을 갖는 흑연을 저온(약40~400℃)에서도 정(+)의 특성을 갖도록 하기 위한것이다.

일 구체예에 있어서, 상기 발열체의 표면 제어온도에 합당한 흑연전극설과 실리카샌드의 혼합 비율은 표면 제어온도가 약 40 내지 400℃인 경우 약 100:500~700 이다. 또한 이 때 페놀 수지의 함량은 흑연적극설과 실리카샌드 전체 질량의 약 18 내지 30%인 것이 좋다. 특정 구체예에 있어서, 표면 제어온도가 250℃인 경우에 흑연전극설과 실리카샌드의 혼합 비율은 1:5이고, 페놀 수지의 함량은 흑연전극설과 실리카샌드 전체 질량의 25%인 것이 바람직하다.

다른 일 구체예에 있어서, 표면 제어온도를 250℃ 보다 높이고자 하는 경우에는 흑연에 대한 실리카샌드와 페놀 수지의 배합비율을 하향조절하고, 표면 제어온도를 250℃ 보다 낮추고자 하는 경우에는 흑연에 대한 실리카샌드와 페놀 수지의 배합비율을 상향조절하면 된다. 상기 하향조절 및 상향 조절시 배합비율을 흑연대비 실리카샌드를 25% 비율로 가감조절하며, 페놀 수지는 2%의 비율로 가감조절하는 것이 바람직하다.

또 다른 구체예에 있어서, 상기 조성 물질의 밀도를 조정하기 위해 첨가되는 메틸알코올의 함량은 조성물 전체 질량의 50 내지 80%에 해당하는 양이고, 이 메틸알코올은 후속 성형 단계에서 증발 제거된다.

다른 구체예에 있어서, 성형은 조성물질의 전기적 저항에 따라 단면적 대비 세로의 길이가 일정한 주물틀에 조성물질을 주입하여 실시한다. 성형 형태는 사용되는 장소, 구조 및 면적에 따라 크기 및 형태 조절이 강능하며, 표면에 탑재되는 황토, 원목, 옥돌 등에 따라서, 그 효과를 배가할 수 있다. 건축물의 바닥, 천정,벽체 등의 고정형과 파티션이나 온풍기, 다리미, 헤어드라이어 등의 이동형에 모두 사용 가능하다.

다른 구체예에 있어서, 조성 물질의 경화처리는 열경화처리인 것이 좋고, 경화시 온도는 280 내지 350℃로 속성경화하는 것이 바람직하며, 경화물의 표면 온도가 150℃ 내지 180℃가 되면 경화가 완료된다.

본 고안의 PTC 조절물질을 구성하는 흑연전극설의 물성에 대하여 살펴보면, 흑연전극설의 겉보기 밀도는 1.5 내지 1.6g/㎤이고, 겉보기 기공율은 20 내지 30%이며, 휨강도는 19.6㎬이고, 흼탄성율은 4.9 내지 11.7㎬, 전기저항은 5 내지 12μΩm, 열전도율은 104.5 내지 242.4W/mk, 열팽창계수는 1 내지 3.5×10^-6/℃인 것이다. 또한, 흑연의 저항률은 8.0(Ω.m)로서, 구리의 1.7241×10^-8(Ω.m)에 비해 월등히 큰 바, 종래의 구리를 이용한 PTC 보다 본 고안의 흑연을 이용한 복합무기물 PTC의 열성 저항률이 월등함은 자명한 것이다.

이와 같은 흑연전극설을 이용한 본 고안의 PTC 가열소자는 주변온도에 따라 저항값이 반응 하여 추우면 발열량이 높아지고, 내부온도가 상승하면 다시 발열량이 적어지는 경제적이고 효율적인 센서방식의 무기물질 전열소자이다. 이러한 자동온도조절작용에 따라 과열이나 과전압에 대한 자동보호작용을 나타내고, 또한 공기중의 산소와 산화반응을 일으키지 않으며, 대기오염의 원인이 되는 산화가스를 발생시키지도 않는다는 특징을 갖고 있다.

본 고안에 따른 흑연전극설 PTC 소자의 작동원리는 이론적으로 한정하려는것은 아니지만, 이 가열소자가 일정 온도(250 내지 300℃)로 상승하면, 서서히 저항이 커지고 열팽창에 의해 전류가 초기전류 이하로 줄어들게 되어 발열체의 표면온도가 일정하게 유지되는 것이다.

이와 같은 본 고안의 흑연전극설 PTC 가열소자의 장점은 다음과 같다.

(1) 바이오(BIO)적 기능 - 원적외선 발생, 음이온 발생, 탈취제거, 습기제거, 무전자파, 수맥없음

(2) 전기적 기능 - 자기 전류 제어, 누전 흡수, 자기온도제어, 0.03 내지 0.12 정도의 낮은 전력밀도(보통 와트 밀도는 0.5W/㎤ 내지 25W/㎤)

(3) 전자적 기능 - 전자파 차폐 기능

(4) 구성 소재로서의 기능 - 장소, 구조 및 면적에 따른 크기 조절 기능, 표면에 황토, 원목, 옥돌 등에 따라 그 효과를 배가할 수 있음. 고정형(바닥, 천장, 벽체등), 이동형(파티션, 온풍기등)모두 가능

(5) 시공의 편리성 - 난방을 위한 부대 자이가 전혀 필요없으며, 특별한 건축지식이나 전기적 지식없이 시방서에 따라 누구나 설치 가능

(6) 제품의 안전성 - 표면온도 40 내지 250℃ 정도의 낮은 온도에 의한 설치면적 대비 효율증대

(7) 제품의 내구성 - 무기물질로 구성되어 있어 건축수명과 함께 함

(8) 제품의 효율성 - 자연대류시 원적외선 복사(방사)방식을 이용하기 때문에 열효율을 최대로 하고, 공간난방의 시간을 최소화할 수 있음

(9) 에너지절감 - 난방을 위한 화석연료(석유, 가스 등)를 사용하지 않으며,내연기관의 열효율은 30 내지 40% 정도이고 전극설 PTC의 열효율은 약 90% 정도로 단위면적당 보일러 대비 효율이 월등함.

실시예 1

흑연전극설을 함유하는 PTC 가열소자 1의 제조

흑연전극설 100과 실리카샌드(모래-중간입자) 500 비율에 전체질량의 25%에 해당하는 페놀 수지를 혼합하였다. 이 혼합물의 경화시 밀도 조정을 위해 메틸알코올을 혼합물 총 질량의 50%의 양으로 첨가한 뒤 교반하였다. 충분히 교반한 혼합물을 가로 80mm x 세로 380mm x 높이 10mm의 주물틀에 넣고 280℃의 온도로 가열하여 성형 경화시켰다. 그 결과 온풍기용 가열소자에 이용가능한 블락 형태의 PTC 가열소자를 수득하였다(도 1).

실시예 2

실시예 1에 따라 제조된 흑연전극설 PCT 가열소자의 성능

실시예 1에서 수득한 흑연전극설 PTC에 자연대류 조건하에 0.75A 내지 1.5A의 전류를 인가시 저항 범위는 100mΩ내지 300mΩ으로 나타났고,약 12분이 경과한 후 표면 온도가 250℃에 도달되어 유지되었다(도 2). 그 후 표면 온도의 자동제어능을 확인하기 위하여 시간 경과에 따른 전류 변화를 측정한 결과 도 4에 도시한 바와 같이 약 21분째 0.7A까지 감소 후 전류가 재인가되었다. 이러한 전류의 재인가는 약 30분 경에 다시 단락되면서 안정된 표면온도 자동제어 능력을 확인할 수 있었다. 비교군으로 인조흑연(그래파이트), 실리카, 마그네시아의 온도변화에 따른 고유 열팽창특성을 도 3에 제시하였다.

이러한 본 고안에 따른 흑연전극성 PTC 가열소자를 온풍기에 사용시 각각 3개 및 8개 이용하여 조립한 조립체의 발열 특성을 강제대류하에 측정하였다. 그 결과는 하기 표 1에 제시하였다.

표 1

구분	3개 조립	8개 조립
입력전압	V(단상)	220	220
정격용량	KWh	0.5	1.4
총발열량	Kcal/h	1045¹⁾	2561²⁾
표면온도	℃	250	250
발열표면적	m²	0.20	0.66
크기	mm	70x370x80	190x370x80
¹⁾1.5㎥/min x 60min x △40℃ x 0.24kcal/㎥℃ x 1.21kg/㎥²⁾3㎥/min x 60min x △49℃ x 0.24kcal/㎥℃ x 1.21kg/㎥

또한 흑연전극설 PTC를 이용한 전기온풍기의 성능을 입증하기 위하여 비교군으로 삼성전자 냉온풍기용 가열 유닛(heating unit)을 납품하는 동우기연(주)의 제품을 사용하여 성능을 비교하였다. 그 결과, 난방능력은 비교군과 비슷하지만 소비전력과 제품수명면에서 성능이 우수하였고, 더욱이 본 고안에 따른 제품은 원적외선 방사로 인한 신진대사 촉진 기능 및 탈취효과도 제공할 수 있다(표 2).

표 2

분류	흑연전극설PTC/전기온풍기	종래PTC/전기온풍기¹⁾
사용전압(단상)	220V	220V
소비전력	1.1Kw	3Kw
난방능력	2,404²⁾kcal/h	2580kcal/h
제품수명	5년 이상	3년 정도
제품효능	원적외선 방사/신진대사 촉진탈취효과
¹⁾삼성전가 냉온풍기용 가열 유닛을 납품하는 동우기연(주)의 제품임.²⁾4.6㎥/min x 60min x △30℃ x 0.24kcal/㎥℃ x 1.21kg/㎥

실시예 3

흑연전극설을 함유하는 PTC 가열소자 2의 제조

흑연전극설 100과 실리카샌드(모래-중간입자) 500 비율에 전체질량의 18%에 해당하는 페놀 수지를 혼합하였다. 이 혼합물의 경화시 밀도 조정을 위해 메틸알코올을 혼합물 총 질량의 50%의 양으로 첨가한 뒤 교반하였다. 충분히 교반한 혼합물을 가로 80mm x 세로 380mm x 높이 10mm의 주물틀에 넣고 280℃의 온도로 가열하여 성형 경화시켰다. 그 결과 히터용 가열소자에 이용가능한 블락 형태의 PTC 가열소자를 수득하였다.

이 히터용 가열소자에 전류를 인가하여 운전가동 1시간 후 열효율을 측정하였다. 그 결과 열효율이 다음과 같은 측정조건하에 84.4%인 것으로 산출되었다:

입력 전압 220V,

입력 전류 17.2A,

풍량(체적 유량) 0.0457 ㎥/s,

풍량(질량 유량) : 0.0457 ㎥/s x 1.1774kg/㎥ x 3600s/hr - 194kg/hr,

공기 입구 온도 : 15.4℃

공기 출구 온도 : 74.4℃

입력열량 : 전력량(P) = 전압(V) x 전류(I)

220V x 17.2A = 3784W = 3784kW = 3254kcal/hr.

출력열량 : Q=질량유량 x 비열 x 온도차

194kg/hr x 0.24kcal/kg℃x(74.4-15.4)℃ = 2747kcal/hr

* 열효율 : η= 출력열량/입력열량

[2747(kcal/hr) / 3254(kcal/hr)] x 100 = 84.4%

실시예 4

흑연전극설을 함유하는 PTC 가열소자 3의 제조

흑연전극설 100과 실리카샌드(모래-중간입자) 700 비율에 전체질량의 30%에 해당하는 페놀 수지를 혼합하였다. 이 혼합물의 경화시 밀도 조정을 위해 메틸알코올을 혼합물 총 질량의 50%의 양으로 첨가한 뒤 교반하였다. 충분히 교반한 혼합물을 폭 130cm x 길이 60cm x 두께 0.8cm의 주물틀에 넣고 280℃의 온도로 가열하여 성형 경화시켰다. 그 결과 블락 형태의 PTC 가열소자가 수득되었고, 자연대류하에 정격 입력전압 110V, 정격 용량 73Wh로 전류를 인가하여 실험한 결과 제어온도가 40℃이고 열량이 61kcal인 것으로 측정되었다.

전술한 바와 같은 다양한 흑연전극설 PTC의 성능을 종합하여 종래의 세라믹 PTC 및 폴리머 PTC와 비교하여 볼 때(표 3), 본 발명의 흑연전극설 PTC가 사용온도 범위, 사용전류범위, 가능한 외형 크기면에서 다양하고, 전류의 정특성 차이도 작아 다양한 이용분야에 안전하게 사용할 수 있는 가열소자임을 알 수 있었다.

표 3

흑연전극설 PTC와 세라믹 PTC와 폴리머 PTC의 차이점

항목	세라믹 PTC	폴리머 PTC	흑연전극설 PTC
저항범위	300mΩ 이하 불가	50mΩ까지 가능	80mΩ 내지 1000mΩ
사용온도범위	300℃ 사용 가능	90℃ 이상 불가	40℃ 내지 400℃
열전달 속도	빠르다	느리다	체적별가변
사용전류 범위	약 2A	약 10A	0.01A 내지 50A
외형 크기	작다	작다	다양
전기적 신뢰성	양호	보통	양호
가공성	어렵다	좋다	좋다
저항 안정성	납땜 후 저항치 안정	납땜후 저항치 상승	납땜 후 저항치 안정
전류의 정특성 차이	크다	크다	작다

이상과 같이 제조된 본 고안의 흑연전극설 PTC 가열소자는 일정 온도로 상승하면 저항이 커져서 열팽창에 의해 전류가 초기전류 이하로 줄어들어 발열체의 표면온도를 일정하게 유지시킬 수 있고, 표면전력밀도를 줄이고 발열표면적을 넓게 함으로써 복사(방사)열에 의한 피가열체의 열손실을 극소화할 수 있으며, 고유저항, 접촉저항 및 열팽창계수가 큰 흑연을 함유한 복합무기물질의 이용으로 체적당 발열온도를 균일하게 유지할 수 있고, 흑연에 의한 원적외선 방출량을 최대화하여 공명흡수작용을 통한 온도증폭작용을 제공할 수 있다. 또한, 종래의 합금 PTC는 정/부 구간의 폭이 큰반면(약 2배 이상), 본 고안에 따른 PTC의 정/부 구간 폭은 매우 작아 소모전력이 현저히 적으며, 이에 따라 합금 PTC의 수명은 2 내지 3년에 불과하나 본 고안에 따른 제품의 최소 수명은 5년 이상이다.

Claims

흑연전극설과 실리카샌드를 발열체의 표면 제어온도에 합당한 비율로 함유하고, 이 혼합물의 적당한 질량 비율로 접합물질인 페놀 수지를 함유하는 PTC 조성물질.
제1항에 있어서, 상기 발열체의 표면 제어온도에 합당한 흑연전극설과 실리카샌드의 혼합 비율은 표면 제어온도가 약 40 내지 400℃인 경우에 100: 500 내지 700의 비율이고, 이 때 페놀 수지의 함량은 흑연전극설과 실리카샌드 전체 질량의 약 18 내지 30%인 것이 특징인 PTC 조성물질.
제1항 또는 제2항에 있어서, 표면 제어온도가 250℃인 경우에는 흑연전극설과 실리카샌드의 혼합 비율이 100:500이고, 페놀 수지의 함량이 흑연전극설과 실리카샌드 전체 질량의 25%인 것이 특징인 PTC 조성물질.
제2항에 있어서, 표면 제어온도가 250℃ 보다 높은 경우에는 흑연전극설에 대한 실리카샌드와 페놀수지의 혼합 비율이 하향조절되는 것이 특징인 PTC 조성물질.
제2항에 있어서, 표면 제어온도가 250℃ 보다 낮은 경우에는 흑연전극설에대한 실리카샌드와 페놀수지의 혼합 비율이 상향조절되는 것이 특징인 PTC 조성물질.