KR20070015667A - 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체 및 그 제조방법 - Google Patents

탄소섬유 부직포 매트 면상발열체 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

발열 효율이 우수할 뿐만 아니라, 간단한 공정으로 제조할 수 있는 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체 및 그 제조방법이 개시된다. 상기 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체는, 수지가 전이, 함침된 시트 형태의 탄소섬유 부직포 매트, 상기 수지가 전이, 함침된 탄소섬유 부직포 매트의 양 끝단에 삽입되어 있는 전극, 상기 수지가 전이, 함침된 탄소섬유 부직포 매트의 위아래 양면에 접착되어 있는 시트 형태의 절연필름으로 구성된다.
탄소섬유 부직포 매트, 면상발열체, 발열온도, 고온, 전기 안정도, 열경화성 수지, 절연필름

Description

탄소섬유 부직포 매트 면상발열체 및 그 제조방법{Plane heater made of carbon fiber non-woven mat, and manufacturing method of the same}
도 1은 본 발명에 따른 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체의 적층구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체의 제조과정을 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체의 제조장치를 개략적으로 나타낸 도면.
본 발명은 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체(plane heater) 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발열 효율이 우수할 뿐만 아니라, 간단한 공정으로 제조할 수 있는 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 탄소(carbon)가 가지는 자체 저항을 이용한 면상발열체의 개발이 활발하게 진행 중에 있는데, 이러한 탄소 면상발열체는 온도조절이 용이하고, 공기가 오염되지 않아 위생적이며, 소음이 없고, 인체에 유익한 원적외선이 방출되는 장점이 있어, 아파트나 팬션 등의 주거용 난방재로부터, 상업용, 농업용 및 각종 산업용 난방재에 이르기 까지 광범위하게 사용되고 있다. 종래의 면상발열체로는, 카본분말을 반죽(paste) 형태로 절연필름 상에 도포하는 것과 같이, 카본 등의 일정 저항을 갖고 있는 도전성물질을 소정의 패턴으로 절연체에 도포하고, 이에 전류를 인가하여 발열하는 면상발열체가 있으나, 이러한 면상발열체는 발열온도가 균일하지 않고, 고온에서 사용하기 어렵다는 문제점이 있다. 상기 문제점을 보완하기 위한 종래의 면상발열체로는, 카본선이나 니크롬선 등의 저항선을 섬유와 함께 직조한 직물 형태의 면상발열체(대한민국 실용신안공보 제20-0226764호), 및 탄소섬유 단섬유를 펄프와 혼합하여 제조한 발열지 형태의 면상발열체(대한민국 특허공보 제10-0337609, 미국 특허 제3,367,851호 및 제3,839,134호, 일본국 특공소 제 62-281293호) 등이 알려져 있으며, 상기 면상발열체는 발열온도가 균일하고 고온에서 사용할 수 있다는 장점이 있으나, 많은 제작공정이 필요하고, 제조비용이 높은 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 발열온도가 균일하고, 고온에서도 사용할 수 있으 며, 간단한 공정으로 제조할 수 있는 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 층간 분리가 없고, 기포가 차지 않아 전기 안정도가 우수한 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 수지가 전이, 함침된 시트 형태의 탄소섬유 부직포 매트, 상기 수지가 전이, 함침된 탄소섬유 부직포 매트의 양 끝단에 삽입되어 있는 전극, 상기 수지가 전이, 함침된 탄소섬유 부직포 매트의 위아래 양면에 접착되어 있는 시트 형태의 절연필름을 포함하는 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체를 제공한다. 본 발명은 또한 탄소섬유 부직포 매트 일면의 양 끝단에 전극을 접착하는 단계; 및 상기 전극이 접착된 탄소섬유 부직포 매트의 위아래 양면에, 수지가 도포된 절연필름을, 수지가 부직포 매트와 대면하도록 압착하고, 가열하여 수지를 탄소섬유 부직포 매트에 전이 및 함침 시키는 단계를 포함하는 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체의 제조방법을 제공한다. 여기서, 상기 수지가 전이, 함침 및 접착된 탄소섬유 부직포 매트를 가열하여 수지를 경화시키는 단계를 수행하면 더욱 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체(4)의 적층구조를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소섬유 부직포 면상발열체(4)는, 수지(3b)가 전이, 함침된 시트 형태의 탄소섬유 부직포 매트(1'), 상기 수지가 전이, 함침된 탄소섬유 부직포 매트(1')의 양 끝단에 삽입되어 있는 전극(2), 상기 수지가 전이, 함침된 탄소섬유 부직포 매트(1')의 위아래 양면에 접착되어 있는 시트 형태의 절연필름(3a)을 포함한다.
상기 수지가 전이, 함침되는 탄소섬유 부직포 매트로는, 통상적으로 시판되는 탄소섬유 부직포 매트를 광범위하게 사용할 수 있고, 바람직하게는 탄소섬유 단섬유를 바인더 수지와 함께 건식, 습식 또는 공기분사식 섬유분산법 등의 방법으로 랜덤하게 분산시켜 페이퍼 상으로 제조한 탄소섬유 부직포 매트를 사용할 수 있다. 상기 탄소섬유 부직포 매트의 두께는 0.001~0.5mm인 것이 바람직하고, 0.001 ~ 0.15mm이면 더욱 바람직하며, 단위 면적당 무게는 0.1~500g/m2인 것이 바람직하고, 0.1~80g/m2이면 더욱 바람직하다. 상기 부직포 매트가 너무 얇거나, 단위 면적당 무게가 너무 작으면 발열 효과를 충분히 얻을 수 없고, 부직포 매트의 두께가 너무 두껍거나 단위 면적당 무게가 너무 크면 특별한 이익이 없이 경제적으로 바람직하지 못하다. 상기 부직포 매트의 제조에 사용되는 탄소섬유 단섬유의 길이는, 소재의 특성에 따라, 0.1~1000mm인 것이 바람직하고, 1~50mm이면 더욱 바람직하다. 상기 탄소섬유 단섬유의 길이가 0.1mm 미만이면 발열효율이 저하될 수 있고, 1000mm 를 초과하면 부직포 제작이 어려울 뿐만 아니라, 균일성이 저하될 우려가 있다.
상기 바인더 수지는 탄소섬유 부직포 매트의 길이 방향 및 폭 방향의 강도를 향상시키고, 탄소섬유 단섬유들의 배열상태를 안정시키는 역할을 하는 것으로서, 통상적으로 사용하는 바인더 수지를 사용할 수 있고, 비한정적으로는 폴리스티렌수지, 폴리아크릴레이트수지, 폴리에스테르수지, 폴리비닐알콜수지 또는 에폭시 수지를 예시할 수 있으며, 바람직하게는 가교 폴리에스테르(cross-linked polyester)수지를 사용할 수 있다.
상기 탄소섬유 부직포 매트(1')에 전이, 함침되는 수지(3b, 3b')는, 탄소섬유 부직포 면상발열체(4)에 기포가 차지 않게 하여 전기 안정도를 향상시키고, 탄소섬유 부직포 매트와 절연필름(3a)을 접착시키는 역할을 하는 것으로서, 이러한 역할을 하는 열가소성수지 및 열경화성수지를 광범위하게 사용할 수 있고, 예를 들면 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르수지, 페놀 수지, 멜라민수지, 시아네이트에스테르 수지(cyanate ester resin), 폴리이미드 수지 등의 열경화성수지 및 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌 수지, 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 수지, 폴리아마이드 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리우레탄 수지 등의 열가소성수지를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 상기 수지(3b, 3b')의 함량은 최종 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체(4)에 대하여 2 ~ 70 중량%인 것이 바람직하다. 수지(3b, 3b')의 함량이 2 중량% 미만이면 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체 (4)에 기포가 차고, 접착이 불안정하여 전기 안정도가 저하될 염려가 있고, 70 중량%를 초과하면 면상발열체(4)의 열효율이 저하될 염려가 있다.
상기 수지가 전이, 함침된 탄소섬유 부직포 매트(1')의 양 끝단에 삽입되는 전극(2)은, 탄소섬유 부직포 매트(1') 일면의 양 끝단에 위치하여, 면상발열체(4)를 발열시키기 위한 통전의 역할을 하는 것으로서, 이러한 역할을 수행할 수 있는 전극을 광범위하게 사용할 수 있고, 비한정적으로는 선(wire) 또는 박막(foil) 형태의 철, 구리, 알루미늄 또는 납 등의 금속전극을 예시할 수 있으며, 바람직하게는 내구성, 전기전도성, 연성 및 전성이 우수한 박막 형태의 구리전극을 사용할 수 있다.
상기 탄소섬유 부직포 매트(1')에 접착된 수지의 위아래 양면에 접착되어 있는 절연필름(3a)은, 상기 전극을 통해 흐르는 전기와 외부를 차단하는 역할을 하는 것으로서, 이러한 역할을 하는 절연필름(3a)을 내열특성에 따라 선택적으로 사용할 수 있고, 비한정적으로는 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름, 폴리부틸렌테레프탈레이트 필름, 폴리에틸렌나프탈레이트 필름 또는 폴리이미드 필름을 예시할 수 있으며, 바람직하게는, 면상발열체 제조 공정 중의 장력에 견딜 수 있고, 탄소섬유 부직포 매트에 접착된 수지와의 결합력이 우수한 절연필름(3a)을 사용할 수 있다. 결합력이 약한 경우에는, 절연필름(3a)에 적절한 표면처리를 하여 이를 향상시킬 수 있으며, 예를 들어, 에폭시 수지와 폴리프 로필렌 필름을 접착하는 경우, 폴리프로필렌 필름의 한쪽 면을 코로나 처리를 통하여 결합력을 향상시킬 수 있다. 상기 절연필름(3a)의 두께는 0.005 ~1 mm인 것이 바람직하다. 절연필름(3a)의 두께가 0.005mm 미만이면 장력이 저하되어 면상발열체의 제조 공정시 파손될 염려가 있고, 1mm를 초과하면 면상발열체의 발열 효율이 저하될 염려가 있다.
이하, 도 2 및 3을 참조하여, 본 발명에 따른 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체(4)의 제조방법을 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명에 따른 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체의 제조과정을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체(4)의 제조 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
먼저, 도 2에 나타낸 바와 같이, 탄소섬유 부직포 매트(1) 일면의 양 끝단에 전극(2)을 접착한다. 상기 접착단계는 바람직하게는 도전성 접착제를 사용하여 수행할 수 있다. 다음으로, 상기 전극(2)이 접착된 탄소섬유 부직포 매트(1)의 위아래 양면에, 수지(3b)가 도포된 절연필름(3a)을, 수지(3b)가 부직포 매트(1)와 대면하도록 압착하고, 가열하여 수지의 일부를 탄소섬유 부직포 매트(1)에 전이 및 함침시켜 탄소섬유 부직포 매트(1') 와 절연필름(3a)을 접착시킨다. 상기 압착 가열단계는 도 3에 나타낸 바와 같은 장치로 수행할 수 있다. 먼저 탄소섬유 부직포 매트 공급롤(11)에 감겨져 있는, 전극(2)이 접착된 탄소섬유 부직포 매트(1)를 작업 대와 평행하게 당기면서 제1 압착 가열 롤(13)에 공급한다. 또한 이와 동시에 수지도포-절연필름 공급롤(12, 12')에 감겨져 있는, 수지가 도포된 절연필름(3)을 각각 상기 탄소섬유 부직포 매트(1)의 위방향과 아래방향으로 평행하게 당기면서 제1 압착 가열 롤(13)로 공급한다. 이때 수지가 도포된 절연필름(3)은, 수지(3b)가 탄소섬유 부직포 매트(1)와 대면하도록 공급되어야 한다. 상기 탄소섬유 부직포 매트(1) 및 수지가 도포된 절연필름(3)의 공급 속도는, 공급이 원활하게 되는 한도 내에서, 0.1 ~ 30m/min인 것이 바람직하고, 0.1 ~ 10m/min이면 더욱 바람직하다. 공급 속도가 0.1m/min 미만이면 공정효율이 낮고, 30m/min을 초과하면 탄소섬유 부직포 매트 및 절연필름이 찢어질 염려가 있다. 상기 압착 가열 롤(13,13')의 가열온도 및 압력은 30 ~ 400℃ 및 선압력 0.1~10kg/cm인 범위 내이며, 일반적으로 수지(3b, 3b')가 고점도일수록 고온 및 고압인 것이 바람직하다. 가열온도가 30℃ 미만이면 수지의 흐름성이 작아져 함침이 부족할 염려가 있고, 400℃를 초과하면 수지가 열분해 될 우려가 있으며, 선압력이 0.1kg/cm 미만이면 필름의 압착력이 부족하여 접착력이 저하될 수 있고, 10kg/cm을 초과하면 과도한 압력으로 필름이 변형될 염려가 있다. 제1 압착 가열 단계 동안, 절연필름(3a)에 도포되어 있던 수지(3b)는, 아직 경화하지 않은 상태로, 일부 수지(3b')가 탄소섬유 부직포 매트(1) 속으로 전이 및 함침되고, 잔부 수지(3b)는 상기 수지가 전이, 함침된 탄소섬유 부직포 매트(1')의 표면 및 절연필름(3a) 표면과 접착하게 된다.
다음으로, 상기 수지가 전이, 함침 및 접착된 탄소섬유 부직포 매트(1')를 가열하여 수지(3b, 3b')를 경화시킨다. 사용된 수지가 열가소성 수지라면 본 단계는 생략이 가능하다. 수지가 열경화성 수지라면, 상기 가열단계는 외기가 통제되어 있는 가열 챔버(heating chamber) 또는 외기에 노출되어 있는 직렬 가열 히터를 사용하여 수행할 수 있고, 바람직하게는 도 3에 나타낸 바와 같이 가열 챔버(14)에서 수행할 수 있다. 가열단계의 공정조건은 조건에 따라 정해지며, 가열온도 100~250℃, 가열구간 길이 1~10m인 범위 내에서, 수지(3b, 3b')의 완전한 경화에 필요한 탄소섬유 부직포 매트의 머무름 시간을 고려하여, 탄소섬유 부직포 매트의 공급속도를 정하여 수행할 수 있다. 상기 가열 단계 동안, 탄소섬유 부직포 매트(1)에 전이, 함침 및 접착된 수지(3b, 3b')는 열경화하면서, 면상발열체(4)를 구성하는 모든 구성물이 일체화 된다.
또한, 도 3에 나타낸 바와 같은 일실시예로서, 상기 가열된 탄소섬유 부직포 매트를 제2 압착 가열하는 단계를 더욱 포함할 수 있다. 상기 제2 압착 가열 단계는 상기 가열된 탄소섬유 부직포 매트를 작업대와 평행하게 당기면서 제2 압착 가열 롤(13')에 통과시켜 수행할 수 있다. 상기 제2 가열 압착 단계의 공정조건은 상기 제1 압착 가열 단계와 동일한 범위 내에서 수행할 수 있다. 상기 제2 압착 가열 단계 동안, 수지(3b, 3b')가 탄소섬유 부직포 매트(1)에 전이, 함침, 접착되는 정도 및 경화도는 증가하게 된다. 다음으로, 상기 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체(4)를 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체 권취롤(15)에 권취한다.
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
[실시예] 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체의 제조
먼저, 탄소섬유 단섬유(RK carbon사 제품, 인장탄성도: 24톤, 단섬유 길이: 12cm) 및 가교 폴리에스테르수지인 바인더 수지로 제조된 탄소섬유 부직포 매트(Technical Fiber Products사, OPTIMA 203, 단위면적당 무게=17g/cm2)의 일면에, 도전성 접착제가 한 면에 코팅되어 있는 구리 박막(Resin Coated Copper: RCC)을 두께 0.05mm, 폭 1cm로 잘라 연속적으로 접착하였다. 다음으로, 상기 탄소섬유 부직포 매트를 제1 압착가열롤로 공급하면서, 이와 동시에 에폭시 수지(㈜SK케미칼, SKR-K25)가 도포된 폴리에틸렌테레프탈레이트 절연필름(㈜SKC, Skyrol PET, 두께:0.075mm)을 각각 상기 탄소섬유 부직포 매트의 위 및 아래에서 제1 압착가열롤로 공급하였다. 상기 에폭시 수지의 함량은 전체 탄소섬유 부직포 면상발열체에 대하여 15중량%가 되도록 사용하였다. 상기 탄소섬유 부직포 매트 및 절연필름의 공급 속도는 1m/min, 제1 압착 가열 온도 및 압력은, 100℃ 및 선압력 5kg/cm이었다. 이와 같이, 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트 절연필름이 접착된 탄소섬유 부직포 매트를 가열챔버 내에서 가열하였다. 상기 가열온도 및 가열구간길이는 150℃ 및 5m로 하였다. 상기 가열된 탄소섬유 부직포 매트를 가열온도 및 압력을 120℃ 및 선압력 3kg/cm로 하여 제 2 압착가열 롤에 통과시킨 후, 지름 30cm의 권취롤로 유연하게 감았다.
상기 실시예에 의하여 제조된 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체는 기포가 거의 차지 않아 전기안정도가 우수하고, 발열온도가 균일하며, 고온에서도 사용할 수 있고, 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체의 절연필름과 탄소섬유 부직포 매트간의 층간 분리 가 없었다.
본 발명에 따른 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체 및 그 제조방법은, 발열온도가 균일하고, 고온에서도 사용할 수 있으며, 많은 공정이 필요하지 않아 제작이 간단하다는 장점이 있고, 또한 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체의 절연필름과 탄소섬유 부직포 매트간의 층간 분리가 없고, 기포가 차지 않아 전기 안정도가 우수하다는 장점이 있다.

Claims (8)

  1. 수지가 전이, 함침된 시트 형태의 탄소섬유 부직포 매트;
    상기 수지가 전이, 함침된 탄소섬유 부직포 매트의 양 끝단에 삽입되어 있는 전극; 및
    상기 수지가 전이, 함침된 탄소섬유 부직포 매트의 위아래 양면에 접착되어 있는 시트 형태의 절연필름을 포함하는 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 탄소섬유 부직포 매트는 탄소섬유 단섬유를 바인더 수지와 함께 건식, 습식 또는 공기분사식 섬유분산법으로 랜덤하게 분산시켜 페이퍼 상으로 제조한 것인 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 탄소섬유 단섬유의 길이는 0.1~1000mm이고, 탄소섬유 부직포 매트의 두께는 0.001~0.5mm이며, 탄소섬유 부직포 매트의 단위 면적당 무게는 0.1~500g/m2인 것인 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 바인더 수지는 폴리스티렌수지, 폴리아크릴레이트수지, 폴리에스테르수지, 폴리비닐알콜수지, 에폭시 수지 및 이들의 혼합물로 구성되는 군으로부터 선택되는 바인더 수지인 것인 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 수지는 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지, 페놀 수지, 멜라민 수지, 시아네이트에스테르 수지, 폴리이미드수지, 폴리프로필렌 수지, 폴리에틸렌 수지, 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 수지, 폴리아마이드 수지, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지, 폴리우레탄 수지 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 전극은 전선 또는 박막 형태의 철, 구리, 납 또는 알루미늄의 전극인 것인 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 절연필름은 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름, 폴리부틸렌테레프탈레이트 필름, 폴리에틸렌나프탈레이트 필름 및 폴리이미드 필름으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체.
  8. 탄소섬유 부직포 매트 일면의 양 끝단에 전극을 접착하는 단계; 및
    상기 전극이 접착된 탄소섬유 부직포 매트의 위아래 양면에, 수지가 도포된 절연필름을, 수지가 부직포 매트와 대면하도록 압착하고, 가열하여 수지를 탄소섬유 부직포 매트에 전이 및 함침시키는 단계를 포함하는 탄소섬유 부직포 매트 면상발열체의 제조방법.
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