KR20090033138A

KR20090033138A - 면가열원

Info

Publication number: KR20090033138A
Application number: KR1020080094915A
Authority: KR
Inventors: 창홍 류우; 천 펑; 펑 류우; 카이리 쟝; 양 워이; 딩 왕; 카이 류우; 서우싼 판
Original assignee: 칭화 유니버시티; 혼하이 프리시젼 인더스트리 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2009-04-01
Also published as: ES2386584T3; EP2043406B1; EP2043406A3; EP2043406A2

Abstract

본 발명은 적어도 2개의 전극과 가열수단을 구비하고, 상기 적어도 2개의 전극이 간격을 두고 상기 가열수단에 전기적으로 접속되는 면가열원에 있어서, 상기 가열수단이 탄소나노튜브구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 면가열원을 제공한다.

Description

면가열원 {PLANAR HEATING SOURCE}

본 발명은 면가열원에 관한 것으로, 특히 탄소나노튜브에 의한 면가열원에에 관한 것이다.

1991년 탄소나노튜브(Carbon Nanotube, CNT)가 일본의 과학자 스미오 이이지마(Sumio Iijima)에 의해 발견된 이래, 탄소나노튜브를 비롯한 나노재료 및 그 재료들의 독특한 구조와 성질이 많은 사람들의 주목을 받고 있다.

근래, 탄소나노튜브 및 나노재료에 대한 부단한 연구에 따라, 응용 영역이 부단히 넓어지고 있다. 예를 들면, 탄소나노튜브가 가지고 있는 독특한 전자기학, 광학, 역학(mechanics) 및 화학 등의 특성에 의해, 장방출원(field emission source), 센서, 신형 광학재료 및 연강자성(soft ferromagnetic) 재료 등 영역에 널리 응용되고 있다. 또한, 탄소나노튜브의 우수한 도전성, 열안정성 및 흑체복사(black body radiation)에 접근하는 발광성능에 의해, 가열원으로도 사용할 수 있다.

종래 기술의 탄소나노튜브를 이용한 가열원에 있어서는, 탄소나노튜브 어레이(array)에서 탄소나노튜브실을 뽑아내고, 상기 탄소나노튜브실을 전극인 두 도선에 감아서 필라멘트(filament)를 형성한다. 상기 두 전극에 전압을 인가하면, 상기 필라멘트인 탄소나노튜브선이 발광한다. 이러한 탄소나노튜브 가열원은, 종래의 금속 필라멘트에 비해 소비되는 전기 에네지가 적고, 또한 육각형 벌집모양인 원통형의 구조로 인해 비교적 높은 온도에서도 안정성이 뛰어나다. 그러나, 이러한 탄소나노튜브 가열원은, 선상(線狀) 가열원이기 때문에, 면가열원으로서는 이용할 수 없다.

종래의 면가열원에서는, 일반적으로 텅스텐(tungsten)선을 사용하였다. 상기 텅스텐은, 강도가 높고, 고온에 견딜 수 있는 이점을 가지고 있다. 상기 텅스텐에 전압을 인가하면, 백열온도에 달하여 열복사를 한다. 이러한 면가열원은, 일반적으로 석영유리쉘(shell), 텅스텐 필라멘트, 지지링, 실링(sealing)부 및 램프홀더로 구성되고, 그 내부에는 소정량의 비활성 기체가 주입되어 있다.

그 중 상기 텅스텐 필라멘트는 직선형 나선(螺旋)모양으로서, 그 양단은 각기 상기 지지링에 연결되고, 상기 지지링은 각각 상기 실링부에 연결되어 있다. 상기 지지링은 상기 텅스텐 필라멘트를 지지하고, 상기 실링부는 상기 텅스텐 필라멘트에 통전(通電)하는 것을 확보하는 동시에 상기 비활성 기체가 누출되는 것을 방지할 수 있다.

상기 면가열원을 제조하기 위해서는, 복수개의 나선형 텅스텐 필라멘트가 균일하게 배열된 발광면이나 텅스텐을 시트형상으로 가공한 발광면이 필요하게 된다. 따라서, 종래의 면가열원에는 다음과 같은 결점이 있다.

첫째로, 텅스텐은 회색체 복사(gray body radiation)를 하기 때문에, 텅스텐 필라멘트의 승온(昇溫)이 느리고, 열복사효율이 낮으며, 열복사의 전파거리가 짧다.

둘째로, 종래의 면가열원은 열복사 및 빛의 복사가 균일하지 않다.

셋째로, 텅스텐은 강도가 크기 때문에, 가공이 어렵고, 또한 이러한 가공은 비활성 기체 분위기에서 진행해야 한다.

본 발명의 주요한 목적은, 면적이 크고, 열복사 및 빛의 복사가 균일하며, 또한 용이하게 제조할 수 있은 면가열원을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 면가열원은, 제1전극, 제2전극 및 가열수단을 구비한다. 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에는 일정한 간격이 형성되어 있다. 상기 가열수단은 탄소나노튜브구조로 되어 있다. 상기 탄소나노튜브구조는, 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 설치되어, 상기 제1전극 및 상기 제2전극과 전기적으로 접속되어 있다.

본 발명에 따른 면가열원은, 지지체를 추가로 구비한다. 이 지지체 위에는 상기 탄소나노튜브구조를 설치한다.

본 발명에 따른 면가열원은, 반사층과 절연보호층을 추가로 구비한다. 상기 반사층은 상기 탄소나노튜브구조와 상기 지지체 사이 혹은 반대측의 지지체 표면에 설치할 수 있다. 상기 절연보호층은 상기 탄소나노튜브구조 및 상기 적어도 2개의 전극을 피복하도록 설치할 수 있다.

본 발명에 따른 면가열원은 다음과 같은 이점이 있다.

첫째로, 탄소나노튜브는 이상적인 흑체이기 때문에, 우수한 도전성 및 열안정성을 가지고 있고, 열복사효율이 높을뿐만 아니라 열복사 전파거리도 길다.

둘째로, 탄소나노튜브의 표면적이 크기 때문에, 큰 면적의 탄소나노튜브막을 용이하게 제작할 수 있고, 또 이러한 탄소나노튜브막을 면가열원에 사용할 때, 균일한 열복사 및 광복사를 실현할 수 있다.

셋째로, 상기 면가열원은 열용량(heat capacity)이 작기 때문에, 승온속도가 빠르고, 열적 히스테리시스(thermal tsteresis)가 작으며, 열교환속도가 빠르다.

넷째로, 상기 면가열원으로 피가열체를 가열할 때, 피가열체의 승온속도가 빠르고, 가열이 균일하며, 가열효율이 높다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 면가열원, 그 제조방법 및 피가열체의 가열방법을 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 면가열원(10)의 사시도이고, 도 2는 도 1의 II - II선에 따른 면가열원(10)의 단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 면가열원(10)은, 지지체(18)와, 반사층(17), 탄소나노튜브구조(16), 제1전극(12), 제2전극(14) 및, 절연보호층(15)을 구비하고 있다. 상기 반사층(17)은, 상기 지지체(18)의 표면에 설치되어 있다. 상기 탄소나노튜브구조(16)는, 상기 반사층(17)의 표면에 설치되어 있다. 상기 탄소나노튜브구조(16)는 가열수단으로서 이용된다. 상기 제1전극(12) 및 상기 제2전극(14)은, 상기 가열수단 즉 탄소나노튜브구조(16)에 전기적으로 접속된다. 본 실시예에 있어서는, 상기 제1전극(12) 및 상기 제2전극(14)이 상기 탄소나노튜브구조(16)의 표면에 일정한 간격을 두고 설치되어 상기 탄소나노튜브구조(16)와 전기적으로 접속함으로써, 상기 탄소나노튜브구조(16)에 전류가 흐른다. 상기 절연보호층(15)은, 상기 탄소나노튜브구조(16)의 표면 및 그 표면에 설치되어 있는 상기 제1전극(12)과 상기 제2전극(14)을 피복함으로써, 상기 탄소나노튜브구조(16)의 표면에 외계의 다른 물질이 부착되는 것을 방지한다. 상기 지지체(18)의 형상은 특별히 한정되지 않지만, 그 한쪽 표면이 상기 탄소나노튜브구조(16) 혹은 반사층(17)을 지지하도록 되어 있다. 상기 지지체(18)는 형상이 판모양인 것이 바람직하고, 그 재질로서는 세라믹, 유리, 수지 및 석영 등의 경질(硬質)재료를 사용한다. 또한, 플라스틱 혹은 유연성 섬유등의 유연성(柔軟性) 재료를 상기 지지체(18)의 재료로서 사용할 수도 있다. 상기 지지체(18)를 유연성 재료로 제작하는 경우에는, 면가열원(10)의 수요에 근거하여 임의로 굴곡시킬 수 있다. 상술한 지지체(18)의 크기를 한정하지 않고 실사용 시의 수요에 따라 개변할 수 있다. 본 실시예에 있어서는, 지지체(18)의 재료로서 세라믹을 사용한다. 또한, 탄소나노튜브구조(16) 자체가 일정한 자기 지지성과 안정성을 가지는 경우에는, 면가열원(10)에 있어서 지지체(18)를 생략할 수도 있다.

상기 반사층(17)은, 상기 탄소나노튜브구조(16)가 발산하는 열 에네지를 반사하는 한편 가열방향을 제어한다. 이러한 면가열원(10)은 단면(單面) 가열에 사용되고, 가열효율을 가일층 향상시킬 수 있다. 상기 반사층(17)의 재료로서는, 금 속산화물, 금속염 혹은 세라믹 등의 백색 절연재료를 사용한다. 본 실시예에 있어서는, 반사층(17)의 재료로서 산화알루미늄(Al₂O₃)을 사용하고, 그 두께는 100㎛∼0.5㎜로 하고 있다. 상기 반사층(17)은, 스퍼터링(sputtering)법 혹은 기타 방법에 의해, 지지체(18)의 표면에 형성된다. 상기 표면은, 탄소나노튜브구조(16)와 가까운 측의 지지체(18) 표면 혹은 반대편의 지지체(18) 표면을 가리킨다. 또한, 다른 실시예에서는, 상기 반사층(17)을 설치하지 않아도 좋다. 즉, 상기 반사층(17)을 생략하고, 상기 지지체(18)의 표면에 상기 탄소나노튜브구조(16)를 직접 설치할 수도 있다. 이러한 경우, 상기 면가열원(10)의 가열방향은 한정되지 않는다. 이러한 면가열원(10)은 쌍면(雙面) 가열에 사용할 수 있다.

다른 실시예에서는, 상기 절연보호층(15)을 설치하지 않아도 좋다. 상기 절연보호층(15)의 재료로서는, 고무, 수지 등의 절연재료를 사용할 수 있다. 상기 절연보호층(15)의 두께는 한정되지 않고, 실제의 상황에 따라 결정할 수 있다. 상기 절연보호층(15)은, 상기 제1전극(12), 상기 제2전극(14) 및 상기 탄소나노튜브구조(16)를 피복하고, 상기 면가열원(10)을 절연상태로 사용하여 외계의 다른 물질이 상기 탄소나노튜브구조(16)에 부착되는 것을 방지한다. 본 실시예에 있어서는, 상기 절연보호층(15)의 재료로서 고무를 사용하고, 그 두께를 0.5㎜∼2㎜로 하고 있다.

상기 탄소나노튜브구조(16)는, 균일하게 분포된 복수개의 탄소나노튜브를 함유하고, 상기 탄소나노튜브들은, 반 데르 발스(Van der Waals)의 힘에 의해 긴밀히 연결되며, 무질서하게 혹은 질서정연하게 배열되어 있다. 상기 탄소나노튜브구조(16)가 무질서하게 배열된 복수개의 탄소나노튜브를 함유하는 경우에는, 탄소나노튜브들이 서로 뒤엉킨 상태로 배열되거나 등방적(isotropic)으로 배열된다. 상기 탄소나노튜브구조(16)가 질서정연하게 배열된 복수개의 탄소나노튜브를 함유하는 경우에는, 탄소나노튜브들은 동일한 방향을 따라 배열되거나 동일하지 않은 방향을 따라 우선방위(preferred orientation)로 배열된다. 상기 탄소나노튜브구조(16)는, 적어도 1층의 탄소나노튜브막 및/혹은 적어도 하나의 탄소나노튜브 선상구조를 함유한다. 상기 탄소나노튜브구조(16)가 탄소나노튜브막(CNT film)과 탄소나노튜브 선상구조를 동시에 함유하는 경우에는, 탄소나노튜브 선상구조는 상기 탄소나노튜브막의 표면 혹은 탄소나노튜브막들 사이에 평행으로 혹은 교차하여 분포된다.

상기 탄소나노튜브막은 복수개의 균일하게 분포된 탄소나노튜브를 함유한다. 상기 탄소나노튜브들은 질서정연하게 혹은 무질서하게 배열되고, 서로 반 데르 발스의 힘에 의해 연결된다. 상기 탄소나노튜브막은, 면모구조(wadding)막, 프레스(press)막 혹은 드로잉(drawing)막이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브의 면모구조막의 전자현미경 사진이다. 상기 면모구조막은, 무질서하면서 균일하게 분포된 복수개의 탄소나노튜브를 함유하고, 상기 탄소나노튜브들은 등방적으로 배열되어 있다. 상기 탄소나노튜브들은 반 데르 발스의 힘에 의해 서로 흡인하여 서로 뒤엉켜 있다. 이로 인해, 상기 면모구조막은 우수한 유연성을 갖는 바, 어떠한 형상으로 접어도 파열되 지 않는다. 또한, 상기 면모구조막 자체가 자기 지지능력을 가지고 있기 때문에, 면가열원(10)에 있어서 지지체(18)를 생략할 수도 있다. 이때, 상기 면모구조막의 두께는 1㎛∼2㎜이다.

상기 프레스막은, 균일하게 분포된 복수개의 탄소나노튜브를 함유한다. 상기 탄소나노튜브들은, 동일한 방향을 따라 배열되거나 혹은 동일하지 않은 방향을 따라 우선방위로 배열되어 있다. 상기 프레스막에 있어서, 탄소나노튜브와 상기 프레스막의 표면이 일정한 각(α)을 이룬다. 이 각(α)의 범위는, 0도보다 크거나 같고 15도보다 작거나 같다(즉, 0도≤α≤15도). 바람직한 것은, 상기 탄소나노튜브와 상기 프레스막의 표면이 평행하다는 점이다.

프레스 방식이 동일하지 않기 때문에, 상기 프레스막의 탄소나노튜브들의 배열도 동일하지 않다. 구체적으로는, 탄소나노튜브들은 등방적으로 배열될 수 있고, 또한 동일하지 않은 방향을 따라 프레스할 경우, 탄소나노튜브들은 동일하지 않은 방향을 따라 우선방위로 배열될 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브가 고정된 방향을 따라 우선방위로 배열된 프레스막의 전자현미경 사진이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브가 동일하지 않은 방향을 따라 우선방위로 배열된 프레스막의 전자현미경 사진이다. 상기 프레스막 중의 일부분의 탄소나노튜브들이 서로 교첩(交疊)되어 있다. 상기 탄소나노튜브들은 반 데르 발스의 힘에 의해 서로 흡인하여 긴밀히 연결된다. 이로 인해, 상기 프레스막은 우수한 유연성을 갖는 바, 어떠한 형상으로 접어도 파열되지 않는다. 또한, 상기 프레스막 자체가 자기 지지능력을 가지고 있기 때문에, 면가열원(10)에 있어서 지지체(18)를 생략할 수도 있다. 이때, 상기 프레스막의 두께는 1㎛∼2㎜이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 드로잉막의 전자현미경 사진이다. 상기 드로잉막은, 드로잉방향을 따라 우선방위로 배열된 복수개의 탄소나노튜브를 함유한다. 상기 탄소나노튜브들은, 끝과 끝이 연속적으로 연결되어 있다. 상기 탄소나노튜브들은 균일하게 분포되고 드로잉막의 표면에 평행으로 된다. 상기 탄소나노튜브들은 반 데르 발스의 힘에 의해 연결된다. 한 방면에서 탄소나노튜브의 끝과 끝이 반 데르 발스의 힘에 의해 연결되고, 다른 한 방면에서 서로 평행으로 되는 탄소나노튜브들 사이도 반 데르 발스의 힘에 의해 연결된다. 상기 드로잉막의 두께는 0.5㎚∼100㎚이다.

탄소나노튜브구조(16)는, 서로 중첩되는 적어도 2개의 탄소나노튜브막을 함유할 수도 있다. 또한, 탄소나노튜브구조(16)는, 탄소나노튜브막들을 중첩하여 형성할 수 있기 때문에, 그 두께를 한정하지 않고, 실제의 수요에 따라 임의의 두께로 할 수 있다. 탄소나노튜브구조(16)가 복수층의 드로잉막을 함유하는 경우, 서로 인접하는 드로잉막 중의 탄소나노튜브들의 배열방향이 일정한 각(β)을 이룬다. 이 각(β)의 범위는, 0도보다 크거나 같고 90도보다 작거나 같다(즉, 0도≤β≤90도).

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 묶음형태(束) 탄소나노튜브 선상구조의 사시도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 나선형(螺旋) 탄소나노튜브 선상구조의 사시도이다. 탄소나노튜브 선상구조(160)는, 적어도 하나의 탄소나노튜브선(161) 을 함유한다. 바람직한 상기 탄소나노튜브 선상구조(160)는, 복수개의 탄소나노튜브선(161)이 평행상태로 묶음을 이루는 묶음형태 탄소나노튜브 선상구조(160) 혹은 복수개의 탄소나노튜브선(161)이 타래모양을 이루는 나선형 탄소나노튜브 선상구조(160)이다. 상기 탄소나노튜브 선상구조(160)의 직경은 20㎛∼2㎜이고, 그 크기는 상기 탄소나노튜브선(161)의 개수와 직경에 의해 결정된다. 즉, 상기 탄소나노튜브선(161)의 개수가 많고 직경이 클수록 상기 탄소나노튜브 선상구조(160)의 직경은 커지고, 상기 탄소나노튜브선(161)의 개수가 적고 직경이 작을수록 상기 탄소나노튜브 선상구조(160)의 직경은 작아진다. 상기 탄소나노튜브 선상구조(160)의 길이는 상기탄소나노튜브선(161)의 길이에 의해 결정된다.

도 9는 묶음형태 탄소나노튜브선(161)의 전자현미경 사진이고, 도 10은 나선형 탄소나노튜브선(161)의 전자현미경 사진이다. 상기 탄소나노튜브선(161)은, 탄소나노튜브들의 끝과 끝이 연속적으로 연결되어 형성된 묶음형태구조 혹은 나선형구조이다. 상기 탄소나노튜브선(161)은, 자체의 축방향을 따라 우선방위로 배열한 복수개의 탄소나노튜브를 함유한다. 묶음형태 탄소나노튜브선(161)은, 유기용제로 탄소나노튜브막을 처리하여 얻거나, 폭이 비교적 좁은 탄소나노튜브 어레이를 직접 뽑아서 얻을 수 있다. 상기 탄소나노튜브선(161) 중의 탄소나노튜브들은, 탄소나노튜브선(161)의 축방향에 있어서 서로 평행으로 배열되어 있다. 상기 나선형 탄소나노튜브선(161)은, 상기 묶음형태 탄소나노튜브선(161)을 기계적 외력으로 비틀어 형성할 수 있다. 상기 나선형 탄소나노튜브선(161) 중의 탄소나노튜브들은, 탄소나노튜브선의 축방향을 따라 나선형으로 배열되어 있다. 상기 탄소나노튜브 선(161)의 직경은 1㎛∼100㎛이고, 길이는 50㎜∼100㎜이다.

상기 탄소나노구조(16)가 하나의 탄소나노튜브 선상구조(160)를 함유하는 경우, 상기 탄소나노튜브 선상구조(160)가 나선형으로 배열되거나 완곡하게 뒤엉켜 배열된 상기 탄소나노튜브구조(16)를 형성한다.

상기 탄소나노구조(16)가 복수개의 탄소나노튜브 선상구조(160)를 함유하는 경우, 상기 복수개의 탄소나노튜브 선상구조(160)가 간격을 두고 혹은 간격없이 평행으로 배열되거나 서로 교차하여 배열되어 상기 탄소나노튜브구조(16)를 형성한다.

본 실시예에 있어서, 상기 탄소나노튜브구조(16)는, 100층의 드로잉막을 함유하는 바, 상기 탄소나노튜브구조(16)의 길이는 5㎝이고, 폭은 3㎝이며, 두께는 30㎛이다.

상술한 탄소나노튜브는, 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브 및 다중벽 탄소나노튜브 중의 1종류 혹은 몇 종류의 조합이다. 단일벽 탄소나노튜브의 직경은 0.5㎚∼50㎚이고, 이중벽 탄소나노튜브의 직경은 1.0㎚∼50㎚이며, 다중벽 탄소나노튜브의 직경은 1.5㎚∼50㎚이다. 상기 탄소나노튜브의 길이는 50㎚∼10㎜이다. 또한, 상기 탄소나노튜브의 길이는 200㎛∼900㎛로 하는 것이 더 바람직하다.

상술한 전극의 재료에 대해서는 한정하지 않는다. 예를 들면, 전극의 재료로서 구리, 몰리브덴 혹은 흑연 등을 사용할 수 있다. 또, 상술한 제1전극과 제2전극 중에 있어서, 적어도 하나의 전극의 구조가 탄소나노튜브 선상구조 혹은 적어도 한층의 드로잉막구조로 될 수 있다. 상기 제1전극(12)과 상기 제2전극(14)을, 상기 탄소나노튜브구조(16)의 동일한 표면에 설치할 수도 있고, 또는 동일하지 않은 표면에 설치할 수도 있다. 상기 제1전극(12)과 상기 제2전극(14) 사이에 일정한 간격을 형성한다. 상기 일정한 간격은, 상기 탄소나노튜브구조(16)를 상술한 면가열원(10)에 사용할 때, 상기 제1전극(12)과 상기 제2전극(14) 사이에 일정한 저항치를 발생시켜 이들이 서로 단락되는 것을 방지한다. 상기 탄소나노튜브구조(16) 자체가 우수한 부착성을 가지고 있기 때문에, 상기 제1전극(12) 및 제2전극(14)은 상기 탄소나노튜브구조(16)에 직접 전기적으로 접속될 수 있다.

상술한 지지체(18)의 재료로서 경질재료 혹은 유연성 재료를 사용할 수 있다. 유연성 재료로서는 플라스틱, 고무 혹은 직물 등이 있고, 경질재료로서는 세라믹, 유리, 수지 혹은 석영 등이 있다. 상기 지지체(18)는 상기 탄소나노튜브구조(16)을 지지하는데 사용된다. 상기 지지체(18)의 크기는 특별히 한정되지 않고 실사용 시의 수요에 따라 개변할 수 있다. 본 실시예에 있어서, 지지체(18)는 세라믹판이다. 상술한 면가열원(10)의 지지체(18)는 설치하지 않아도 좋다. 상기 탄소나노튜브구조(16)에 있어서, 우수한 도전성을 갖는 탄소나노튜브막을 서로 교첩하였기 때문에, 상기 탄소나노튜브구조(16) 자체가 자기 지지능력 및 안정성을 가진다. 이러한 경우, 상술한 면가열원(10)에 있어서, 지지체(18)를 생략할 수도 있다.

또한, 상기 제1전극(12) 및 제2전극(14)은 도전성 점착제에 의해 상기 탄소나노튜브구조(16)에 전기적으로 접속할 수 있다. 상기 도전성 점착제는, 상기 제1전극(12) 및 상기 제2전극(14)을 상기 탄소나노튜브구조(16)에 전기적으로 접속시 킬뿐만 아니라, 상기 탄소나노튜브구조(16) 표면에 고정시킬 수도 있다. 본 실시예에 있어서는, 도전성 점착제로서 은페이스트(silver paste)를 사용한다.

또한, 상기 제1전극(12) 및 제2전극(14)과 상기 탄소나노튜브구조(16)와의 전기적인 접속은 도전성 점착제에 의한 접속에 한정되지 않고, 기타 방법에 의해 상기 제1전극(12) 및 제2전극(14)과 상기 탄소나노튜브구조(16)를 전기적으로 접속하는 것도 본 발명의 보호범위에 속한다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 면가열원의 제조방법에 대해 상세히 설명한다.

도 11은 본 발명에 따른 면가열원(10)의 제조방법을 설명하는 흐름도이다.

본 발명의 면가열원(10)의 제조방법에 있어서는, 탄소나노튜브구조(16)를 제조하는 공정과, 제1전극(12) 및 제2전극(14)을 제공하고, 상기 제1전극(12) 및 제2전극(14)을 각각 상기 탄소나노튜브구조(16)에 전기적으로 접속하는 공정을 포함한다.

면가열원(10)의 구체적인 제조방법은 다음과 같다.

공정1: 우선, 탄소나노튜브구조를 제조한다.

상기 탄소나노튜브구조는, 균일하게 분포된 복수개의 탄소나노튜브를 함유한다. 탄소나노튜브구조에는, 드로잉막, 탄소나노튜브 선상구조, 프레스막 혹은 면모구조막 등이 함유된다.

탄소나노튜브구조가 동일하지 않음에 따라 그 제조방법도 동일하지 않다. 그 제조방법에는 드로잉법, 프레스법, 면모화(綿毛化)법 등이 있다. 이하, 상술한 몇가지 탄소나노튜브구조의 제조방법에 대해 각각 설명한다.

(A) 드로잉막을 사용한 탄소나노튜브구조의 제조방법

(1) 우선, 탄소나노튜브 어레이가 형성되어 있는 기재를 제공한다. 상기 어레이는 초순배(超順排, superaligned aArray) 탄소나노튜브 어레이이다. 상기 탄소나노튜브 어레이는, 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD)에 의해 형성된다. 그 공정은 다음과 같다.

(a) 충분히 평탄한 기재를 제공한다. 상기 기재로서는, P타입 실리콘 웨이퍼(silicon wafer), 혹은 N타입 실리콘 웨이퍼, 혹은 표면에 산화층이 형성되어 있는 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있다. 본 실시예에서는, 기재로서 4인치의 실리콘 웨이퍼를 사용한다.

(b) 상기 기재의 표면에 균일한 촉진제(catalyst)층을 형성한다. 상기 촉진제층의 재료로서는, 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 혹은 상기 금속의 임의의 조합의 합금 중의 어느 한가지를 사용할 수 있다.

(c) 상기 촉진제층이 형성되어 있는 기재에 대하여, 700∼900℃(섭씨도)의 공기 중에서 약 30∼90분동안 어닐(Anneal: 풀림)처리를 진행한다.

(d) 상기 어닐처리를 한 기재를 보호기체가 있는 반응로에 넣고, 500∼740℃까지 가열한다. 그 후, 탄소소스(Carbon Source)가스를 반응로에 주입한 후, 약 5∼30분동안 반응시켜, 상술한 기재에 탄소나노튜브를 성장시켜 탄소나노튜브 어레이를 얻는다. 상기 탄소나노튜브 어레이는, 서로 평행이고 상기 기재에 수직으로 성장한 복수개의 탄소나노튜브로 형성된 순수한 탄소나노튜브 어레이이다. 즉, 상 술한 성장조건의 제어에 의해, 성장한 탄소나노튜브 어레이 중에 다른 물질(무정형 탄소 혹은 촉진제의 금속과립)이 거의 존재하지 않는다.

상술한 탄소나노튜브 어레이는, 단일벽 탄소나노튜브 어레이, 이중벽 탄소나노튜브 어레이 및 다중벽 탄소나노튜브 어레이 중의 1종류이다. 상기 탄소나노튜브의 직경은 1㎚∼50㎚이고, 길이는 50㎛보다 크다. 본 실시예에 있어서, 탄소나노튜브의 길이는 100㎛∼900㎛이다.

상술한 탄소소스가스로서는 화학적 성질이 비교적 활발한 에틸렌(C₂H₄), 메탄(CH₄), 아세틸렌(C₂H₂) 등을 사용할 수 있고, 상술한 보호기체로서는 질소 혹은 비활성 기체를 사용할 수 있다. 본 실시예에 있어서는, 탄소소스가스로서 아세틸렌을 사용하고, 보호기체로서 아르곤가스를 사용하고 있다.

상술한 탄소나노튜브 어레이의 성장방법은, 상기 화학기상증착법에 한정되지 않고, 흑연전극 아크증착법(arc ㅇDeposition), 레이저 증착법(laser evaporation) 등에 의해서도 탄소나노튜브 어레이를 성장시킬 수 있다.

(2) 다음에, 드로잉 공구로 상술한 탄소나노튜브 어레이에서 적어도 하나의 드로잉막을 취출(取出)한다.

상기 드로잉막은 초순배 탄소나노튜브 어레이에서 직접 취출한다. 상기 드로잉막의 구체적인 제조방법은 다음과 같다.

(a) 드로잉 공구로 상술한 초순배 탄소나노튜브 어레이에서 일부분의 탄소나노튜브를 선택한다. 본 실시예에 있어서는, 일정한 폭을 가지는 접착용 테이프를 상기 탄소나노튜브 어레이에 접착하여 일정한 폭의 탄소나노튜브를 선택한다.

(b) 상기 초순배 탄소나노튜브 어레이의 성장방향에 거의 수직으로 되는 방향을 따라 일정한 속도로 드로잉하여, 연속적인 탄소나노튜브의 드로잉막을 얻는다.

상술한 드로잉과정 중에서, 당기는 힘의 작용 하에 상기 초순배 탄소나노튜브 어레이 중의 일부분의 탄소나노튜브가 당기는 힘의 방향을 따라 상술한 기재에서 점진적으로 탈리된다. 이 때, 탈리되는 일부분의 탄소나노튜브의 끝단이 반 데르 발스의 힘의 작용에 의해 기타 탄소나노튜브의 끝단과 연결되어 연속적인 막, 즉 드로잉막을 형성한다. 이 드로잉막은, 복수개의 탄소나노튜브를 함유하고, 이들 탄소나노튜브는 끝단과 끝단이 연속적으로 연결되어 당기는 방향을 따라 일정한 방향으로 배열[정향배열(定向配列)이라고도 한다]되어 있다. 상기 드로잉막의 폭은 상기 초순배 탄소나노튜브 어레이 사이즈(직경/폭)와 관련되고, 상기 드로잉막의 두께는 상기 초순배 탄소나노튜브 어레이의 높이와 관련된다.

(3) 최후로, 상기 드로잉막을 사용하여 탄소나노튜브구조를 제조한다.

드로잉막을 직접 탄소나노튜브구조로서 사용할 수도 있다. 또한, 적어도 2개의 드로잉막을 중첩하여 다층 탄소나노튜브구조를 얻을 수도 있다. 상기 다층 탄소나노튜브구조의 중첩되는 막의 층수는 한정되지 않고, 서로 인접하는 두 층의 드로잉막 중의 탄소나노튜브의 배열방향은 일정한 각(β)을 이룬다. 이 각(β)의 범위는, 0도보다 크거나 같고 90도보다 작거나 같다(즉, 0도≤β≤90도).

본 발명의 탄소나노튜브구조의 제조방법에 있어서, 탄소나노튜브구조를 유기 용제로 처리하는 공정을 추가로 함유할 수도 있다. 상기 유기용제는 휘발성 유기용제이다. 예를 들면, 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 아세톤(acetone), 이염화에탄(dichloroethane) 및 클로로포름(chloroform) 중의 1종류 혹은 몇 종류의 혼합이다. 본 실시예에 있어서는, 유기용제로서 에탄올을 사용한다.

상기 탄소나노튜브구조를 유기용제로 처리하는 공정은, 적하관(dropping tube)으로 상기 유기용제를 상기 탄소나노튜브구조의 표면에 적하(滴下)시켜 상기 탄소나노튜브구조를 전면적으로 침투(浸透)시키거나, 혹은 상기 탄소나노튜브구조를 유기용제가 담겨 있는 용기에 투입하여 침투시키는 것이다. 유기용제처리 후의 탄소나노튜브구조에 있어서는, 휘발성 유기용제의 표면장력(surface tension)의 작용 하에, 상기 드로잉막 중의 일부분의 탄소나노튜브를 한데 모아서 탄소나노튜브 묶음(Carbon Nanotube strings)을 형성한다. 이로 인하여, 탄소나노튜브구조는 표면체적비(표면/체적)가 작고, 점착성이 없으며, 또 우수한 기계적 강도와 인성(靭性, toughness)을 가진다.

(B) 탄소나노튜브 선상구조를 이용한 탄소나노튜브구조의 제조방법

(1) 우선, 적어도 하나의 탄소나노튜브선을 제조한다.

탄소나노튜브 선상구조는, 적어도 하나의 탄소나노튜브선을 함유한다. 상기 탄소나노튜브선은, 끝단과 끝단이 서로 연결되고 탄소나노튜브선의 축방향(길이방향)을 따라 우선방위로 배열되는 복수개의 탄소나노튜브를 함유한다. 더욱 구체적으로는, 탄소나노튜브선은 탄소나노튜브선의 축방향(길이방향)을 따라 평행으로 배열(도 9)되거나 나선형으로 배열(도 10)되는 탄소나노튜브를 함유한다. 상기 탄소 나노튜브선의 제조방법은 다음과 같다.

상술한 초순배 탄소나노튜브 어레이에서 드로잉 공구로 일정한 폭의 복수개의 탄소나노튜브를 선택한 후, 상기 초순배 탄소나노튜브 어레이로부터 드로잉하여 드로잉막을 형성한다. 그 후, 상기 드로잉막을 유지용제로 처리하여 탄소나노튜브선을 형성한다.

또한, 상술한 탄소나노튜브선의 제조방법은, 기계적 외력으로 상기 탄소나노튜브선 혹은 상기 드로잉막을 비틀어서 나선형 탄소나노튜브선을 형성하는 공정을 추가로 포함할 수 있다.

(2) 다음에, 상기 탄소나노튜브선으로 탄소나노튜브 선상구조를 제조한다.

복수개의 탄소나노튜브선을 평행으로 긴밀하게 설치하여 묶음형태의 탄소나노튜브 선상구조를 형성한다. 또한, 기계적 외력으로 상기 묶음형태의 탄소나노튜브 선상구조를 비틀어서 나선형 탄소나노튜브 선상구조를 형성할 수도 있다.

(C) 프레스막을 사용한 탄소나노튜브구조의 제조방법

(1) 우선, 탄소나노튜브 어레이가 형성되어 있는 기재를 제공한다. 상기 어레이는 탄소나노튜브가 일정한 방향으로 배열된 탄소나노튜브 어레이이다.

상기 탄소나노튜브 어레이는 초순배 탄소나노튜브 어레이인 것이 바람직하다. 상기 탄소나노튜브 어레이의 제조방법은 상술한 제조방법과 같다.

(2) 다음에, 프레스(press)장치로 상기 탄소나노튜브 어레이를 프레스하여 프레스막을 형성한다.

상기 프레스막의 구체적인 제조공정은 다음과 같다.

프레스장치로 상기 탄소나노튜브 어레이에 일정한 압력을 가한다. 상기 압력을 가하는 과정에 있어서, 상기 탄소나노튜브 어레이는 상기 압력의 작용 하에 상기 탄소나노튜브 어레이가 성장하는 기재로부터 분리되어 복수개의 탄소나노튜브로 되고 자기 지지구조를 가지는 프레스막을 형성한다. 상기 복수개의 탄소나노튜브는, 상기 프레스막의 표면에 기본적으로 평행으로 된다.

프레스장치로서는 표면이 매끈한 압력헤드(pressure head)를 사용할 수 있다. 프레스막 중의 탄소나노튜브의 배열방식은, 상기 압력헤드의 형상과 상기 압력헤드의 프레스방향에 의해 결정된다. 구체적으로는, 평면 압력헤드를 사용하여 탄소나노튜브 어레이가 성장되어 있는 기재에 수직한 방향으로 프레스하면, 복수개의 탄소나노튜브가 등방적으로 배열되어 있는 프레스막을 얻을 수 있다.

또, 롤러 압력헤드를 사용하여 어떤 고정된 방향을 따라 프레스하면, 복수개의 탄소나노튜브가 상술한 고정된 방향을 따라 일정한 방향으로 배열되어 있는 프레스막을 얻을 수 있다.

또, 롤러 압력헤드를 사용하여 동일하지 않은 방향을 따라 프레스하면, 복수개의 탄소나노튜브가 상술한 동일하지 않은 방향을 따라 일정한 방향으로 배열되어 있는 프레스막을 얻을 수 있다.

탄소나노튜브 어레이에 대해 상술한 동일하지 않은 방식으로 프레스하면, 탄소나노튜브들이 압력의 작용 하에 기울어지고 또 서로 인접하는 탄소나노튜브들이 반 데르 발스의 힘의 흡인에 의해 서로 연결되는 프레스막을 얻을 수 있다. 상기 프레스막은, 상술한 복수개의 탄소나노튜브들에 의해 형성되는 자기 지지구조를 가 진다. 상기 프레스막 중의 복수개의 탄소나노튜브들은 프레스막의 표면과 일정한 각(α)을 이룬다. 그 각(α)의 범위는 0도보다 크거나 같고 15도보다 작거나 같다(즉 0도≤α≤15도). 프레스하는 방식의 동일하지 않음에 근거하여, 프레스막 중의 탄소나노튜브들은 어떤 고정된 방향(도 7) 혹은 동일하지 않은 방향(도 8)을 따라 우선방위로 배열된다. 또한, 탄소나노튜브 어레이는, 프레스하는 압력의 작용 하에 상기 탄소나노튜브 어레이가 성장하는 기재로부터 탈리된다. 이로 인하여, 상기 프레스막을 상기 기재로부터 용이하게 분리할 수 있다.

이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 탄소나노튜브 어레이의 기우는 정도(경사각)가 프레스하는 압력에 의해 결정된다는 것을 알 수 있다. 예를 들면, 압력이 크면 클수록 경사각이 크다. 또, 프레스막의 두께는 탄소나노튜브 어레이의 높이 및 프레스하는 압력에 의해 결정된다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, 탄소나노튜브 어레이의 높이가 크고 프레스하는 압력이 작을수록 프레스막의 두께는 두꺼워지고, 탄소나노튜브 어레이의 높이가 작고 프레스하는 압력이 클수록 프레스막의 두께는 얇아진다. 또, 프레스막의 폭은 탄소나노튜브 어레이가 성장하는 기재 사이즈에 의해 결정되고, 길이는 실제의 수요에 의해 결정될 수 있다는 것도 알 수 있을 것이다. 본 실시예에 있어서의 프레스막의 두께는 1㎛∼2㎜이다.

프레스막은 동일한 방향 혹은 동일하지 않은 방향을 따라 우선방위로 배열된 복수개의 탄소나노튜브를 함유한다. 상기 탄소나노튜브들은 반 데르 발스의 힘에 의해 서로 흡인되기 때문에, 상기 프레스막은 우수한 인성을 가진다. 상기 프레스막 중의 탄소나노튜브들은, 균일하게 분포되고 규칙적으로 배열되었다.

프레스막이 일정한 두께를 가지고 있기 때문에, 상기 프레스막을 직접 탄소나노튜브구조로 사용할 수 있다. 상기 프레스막의 두께는, 탄소나노튜브 어레이의 높이 및 프레스하는 압력에 의해 결정된다.

(D) 면모구조막을 사용한 탄소나노튜브구조의 제조방법

(1) 탄소나노튜브 원료를 제공한다.

상기 탄소나노튜브 원료는, 화학기상증착법, 흑연전극 아크증착법, 레이저 증착법 등의 방법에 의해 제조되는 탄소나노튜브일 수 있다.

본 실시예에 있어서, 탄소나노튜브 원료로서는, 탄소나노튜브 어레이가 일정한 방향으로 배열되어 있는 기재로부터 나이프(knife) 혹은 기타 도구로 긁어낸 것이다. 상기 탄소나노튜브 원료 중의 탄소나노튜브의 길이는 100㎛보다 큰 것이 바람직하다.

(2) 다음에, 상술한 탄소나노튜브 원료를 1종의 용제 중에 넣고 면모화처리를 실시하여 면모상 탄소나노튜브를 얻는다. 그 후, 상기 면모상 탄소나노튜브를 상기 용제로부터 분리하고, 정형처리(모양내기)를 실시하여 면모구조막을 형성한다.

상술한 용제로서는, 물 혹은 휘발성 유기용제를 사용할 수 있다. 면모화처리로는 초음파 분산처리 혹은 고강도 교반처리 등이 있다. 바람직한 것은, 초음파 분산처리를 약 10분∼30분 진행하는 것이다. 상기 탄소나노튜브가 매우 큰 비표면적(specific surface area)을 가지기 때문에, 상기 서로 뒤엉킨 탄소나노튜브들 사이에 비교적 큰 반 데르 발스의 힘이 존재한다. 상술한 면모화처리에 있어서, 상 기 탄소나노튜브 원료 중의 탄소나노튜브들이 용제 중에서 완전히 분산되지 않고 반 데르 발스의 힘에 의해 흡인되고 뒤엉켜서 망상(網狀)구조를 이룬다.

상술한 면모상 탄소나노튜브의 분리에 있어서, 상기 면모상 탄소나노튜브를 함유하는 용제를 여과용 깔대기(漏斗)에 부은 후, 일정한 시간을 정치(靜置)하고 건조시켜 상기 용제로부터 면모상 탄소나노튜브를 분리한다.

상술한 정형처리에 있어서, 상기 면모상 탄소나노튜브를 용기 내에 재치하고, 소망하는 형상에 근거하여 상기 면모상 탄소나노튜브를 고루 펼쳐 놓고, 상기 고루 펼쳐진 면모상 탄소나노튜브에 일정한 압력을 가한 후, 상기 면모상 탄소나노튜브 중에 잔류되어 있는 용제를 건조시켜 면모구조막을 얻는다. 상술한 건조에는, 가열에 의한 건조 혹은 용제의 자연적 휘발에 의한 건조가 포함된다.

본 발명에 따른 면모구조막의 두께 및 면밀도는, 면모상 탄소나노튜브의 펼쳐진 면적에 의해 결정된다. 즉, 면모상 탄소나노튜브의 펼쳐진 면적이 크면 클수록 두께 및 면밀도는 작아진다. 본 실시예에 있어서의 면모구조막의 두께는 1㎛∼2㎜이다.

또한, 상기 면모상 탄소나노튜브에 대한 분리처리와 정형처리는, 직접 감압여과(흡인여과)에 의해 실현될 수 있다. 구체적인 공정은 다음과 같다.

(a) 우선, 미세공 여과막 및 감압여과용 깔대기를 제공한다.

(b) 다음에, 상기 면모상 탄소나노튜브를 함유하는 용제를, 상기 미세공 여과막을 통하여 상기 감압여과용 깔대기내에 부어 넣는다.

(c) 최후로, 감압하고 건조하여 면모구조막을 얻는다.

상기 미세공 여과막은, 한쪽 면이 매끈하고 공경이 0.22㎛인 여과막이다. 상술한 감압여과에 있어서, 감압여과 자신이 비교적 큰 대기압을 제공한다. 여과 중에 있어서, 상기 비교적 큰 대기압이 면모상 탄소나노튜브에 작용 하기 때문에, 탄소나노튜브의 분포가 균일한 면모구조막을 직접 얻을 수 있다. 또한, 상기 미세공 여과막의 한쪽 면이 매끈하기 때문에, 상기 면모구조막이 상기 미세공 여과막으로부터 용이하게 탈리될 수 있다.

상기 면모구조막에는 서로 뒤엉킨 복수개의 탄소나노튜브를 함유한다. 상기 탄소나노튜브들이 반 데르 발스의 힘에 의해 서로 흡인하고 또 뒤엉켜 망상구조를 이루기 때문에, 상기 면모구조막은 우수한 인성을 가진다. 상기 면모구조막 중의 탄소나노튜브들은 등방성을 가지고 분포가 균일하며 무질서하게 배열되었다.

상술한 면모구조막이 일정한 두께를 가지기 때문에 직접 탄소나노튜브구조로 사용할 수 있고, 그 두께는 상기 면모상 탄소나노튜브의 펼쳐진 면적 및 감압여과에 있어서의 압력에 의해 결정된다.

공정2: 제1전극 및 제2전극을 제공하고, 상기 제1전극 및 상기 제2전극을 각기 상술한 탄소나노튜브구조에 전기적으로 접속하여 면가열원을 얻는다.

상기 제1전극 및 상기 제2전극의 구조형식과 상기 제1전극 및 상기 제2전극이 상기 탄소나노튜브구조에 전기적으로 접속하는 방법에 대해서는 한정하지 않는다. 상기 제1전극 및 상기 제2전극을 도선에 의해 상기 탄소나노튜브구조에 전기적으로 접속할 수 있고, 또 상기 제1전극 및 상기 제2전극을 직접 상기 탄소나노튜 브구조의 표면에 설치하여 전기적으로 접속할 수도 있다.

상기 제1전극 및 상기 제2전극을 상기 탄소나노튜브구조의 동일한 표면에 설치할 수 있고, 또한 동일하지 않은 표면에 설치할 수도 있다. 그 중, 상기 제1전극과 제2전극을 그들 사이에 일정한 간격이 있도록 설치한다. 상기 간격은, 상기 탄소나노튜브구조를 상술한 면가열원에 사용할 때, 상기 제1전극과 제2전극 사이에 일정한 저항치를 발생시켜 그들이 서로 단락되는 것을 방지한다. 상기 탄소나노튜브구조 자체가 우수한 부착성을 가지고 있기 때문에, 상기 제1전극 및 상기 제2전극은 상기 탄소나노튜브구조에 직접 전기적으로 접속될 수 있다.

또한, 상기 제1전극 및 상기 제2전극은 도전성 점착제에 의해 상기 탄소나노튜브구조에 전기적으로 접속될 수 있다. 상기 도전성 점착제는, 상기 제1전극 및 상기 제2전극을 상기 탄소나노튜브구조에 전기적으로 접속시킬뿐만 아니라, 상기 탄소나노튜브구조의 표면에 고정시킨다. 본 실시예에 있어서, 도전성 점착제로서는 은페이스트를 사용한다.

또한, 상기 제1전극 및 상기 제2전극과 상기 탄소나노튜브구조와의 전기적인 접속은 도전성 점착제에 의한 접속에 한정되지 않고, 기타 방법으로 상기 제1전극 및 상기 제2전극을 상기 탄소나노튜브구조에 전기적으로 접속하는 것도 본 발명의 보호범위에 속한다.

본 발명에 따른 면가열원을 작동할 때, 상기 면가열원의 제1전극 및 제2전극을 도선을 통해 전원에 연결한다. 상기 전원의 전압이 상기 제1전극 및 상기 제2전극에 인가되면, 상기 탄소나노튜브구조는 즉시 일정한 파장범위의 전자기파를 복 사한다.

본 발명에 따른 면가열원에 있어서, 탄소나노튜브구조의 면적(길이×폭)이 일정한 경우, 전원의 전압크기의 조절 및 탄소나노튜브막의 층수에 의해 동일하지 않은 파장범위의 전자기파를 복사할 수 있다.

전원의 전압이 일정한 경우, 면가열원이 복사하는 전자기파의 파장은 탄소나노튜브구조의 탄소나노튜브막의 층수에 반비례한다. 즉, 전원의 전압이 일정한 경우, 탄소나노튜브막의 층수가 많으면 많을수록 면가열원이 복사하는 전자기파의 파장이 작아지고, 이때 상기 면가열원은 가시광을 발사하는 일반적인 열복사를 진행하는 반면; 탄소나노튜브막의 층수가 적으면 적을수록 면가열원이 복사하는 전자기파의 파장이 길어지고, 이 때 상기 면가열원은 적외선 열복사를 진행한다.

탄소나노튜브구조의 탄소나노튜브막의 층수가 일정한 경우, 면가열원이 복사하는 전자기파의 파장은 전원 전압의 크기에 반비례한다. 즉, 탄소나노튜브막의 층수가 일정한 경우, 전원 전압의 크기가 크면 클수록 면가열원이 복사하는 전자기파의 파장이 작아지고, 이때 상기 면가열원은 가시광을 발사하는 일반적인 열복사를 진행하는 반면; 전원 전압의 크기가 작으면 작을수록 면가열원이 복사하는 전자기파의 파장이 길어지고, 이 때 상기 면가열원은 적외선 열복사를 진행한다. 바람직한 것은, 탄소나노튜브구조 중의 서로 인접하는 탄소나노튜브막이 일정한 방향을 따라 교첩하는 것이다. 이러한 구조는, 가열이 비교적 안정하고, 균일한 가시광을 발사함과 동시에 안정한 열복사를 진행할 수 있다.

탄소나노튜브는 이상(理想)적인 흑체로서 우수한 도전성 및 열안정성을 가지 고 있고, 또 열복사효율도 높다. 탄소나노튜브의 표면적이 크기 때문에, 큰 면적의 탄소나노튜브막을 용이하게 제작할 수 있다.

본 발명에 따른 탄소나노튜브구조의 면적을 900㎠로 한다. 그 중 탄소나노튜브구조의 길이와 폭을 각각 30㎝로 하고, 100층의 탄소나노튜브막을 교첩하여 형성하는 것이 바람직하다. 상기 탄소나노튜브구조에 전기적으로 접속된 전극을 도선을 통하여 각각 전원에 연결하여 면가열원을 얻는다.

상기 면가열원을 산화성 가스 혹은 대기의 환경 중, 상기 면가열원에 인가하는 전압의 크기를 10V∼30V(볼트)내에서 조절하면, 상기 면가열원은 파장이 비교적 긴 전자기파를 복사한다. 이 때, 온도측정장치에 의해 측정된 상기 면가열원의 온도범위는 50∼500℃이다.

또한 흑체구조를 가지는 물체에 있어서, 200∼450℃의 범위내에서 육안으로 볼 수 없는 사선(적외선) 열복사를 진행한다. 또한, 이 때의 열복사가 제일 안정하고, 효율이 제일 높으며, 열복사에 의해 발생되는 열에네지가 제일 크다.

상기 탄소나노튜브구조로 발열부품을 제조할 수도 있고, 상기 발열부품을 전열히터(electric heaters), 적외선 치료장치(infrared therapy devices) 및 전기라디에이터(electric radiators) 등의 영역에도 응용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 면가열원을 진공장치 내에 장치한 후, 상기 면가열원에 인가하는 전압의 크기를 80∼150볼트내에서 조절하면, 상기 면가열은 파장이 비교적 작은 전자기파를 복사한다. 상기 전압의 크기가 커짐에 따라 면가열원은 연속적으로 붉은 색, 노란 색 등의 가시광선을 발사하고, 면가열원의 표면의 온도가 높아진다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 면가열원의 표면온도와 가열공률의 관계를 나타낸 도면이다. 측정장치로 측정한 결과, 면가열원의 가열공률이 36와트(W)일 때, 상기 면가열원의 표면온도가 370℃에 달한다. 이로부터 탄소나노튜브막이 우수한 전열(電熱) 교환효율을 가진다는 것을 알 수 있다. 상술한 측정에 사용한 측정장치로서는 각기 RAYTEK 적외선 측온장치(RAYTER RAYNER IPM)와 모듈이 AZ8859인 적외선 측온장치를 사용한다. 상기 면가열원에 인가하는 전압이 높을수록 상기 면가열원의 온도가 높아진다. 이 때, 상기 면가열원은 일반적인 열복사를 발생할 수 있다. 전압을 가일층 높이면 상기 면가열원은 육안으로 볼 수 없는 살균작용을 가지는 사선(자외선)을 발사한다.

또한, 상기 진공장치거나 비활성 기체 분위기의 장치 내에서 본 발명의 탄소나노튜브구조로 광학부품을 제조할 수 있다. 상기 광학부품은 광원, 표시장치 등의 영역에 사용될 수 있다. 또한, 탄소나노튜브막이 편광의 특성을 가지고 있기 때문에, 탄소나노튜브구조 중의 서로 인접하는 탄소나노튜브막이 이루는 각(β)이 0도일 경우, 상기 탄소나노튜브구조로 편광 광원을 제조할 수 있다. 편광 광원의 탄소나노튜브구조는 단층의 탄소나노튜브막인 것이 바람직하다.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 면가열원(20)으로 피가열체를 가열하는 모습을 나타낸 사시도이고, 도 14는 도 13의 XIII - XIII선에 따른 면가열원(20)의 단면도이다.

상기 면가열원(20)은, 제1전극(22)과, 제2전극(24) 및, 탄소나노튜브구 조(26)를 구비한다. 이들 제1전극(22)과 제2전극(24)은 상기 탄소나튜브구조(26)의 표면에 일정한 간격을 두고 설치되고, 또 각기 상기 탄소나노튜브구조(26)에 전기적으로 접속되어 있다. 상기 면가열원(20)의 제1전극(22) 및 제2전극(24)은 도선을 통해 전원에 연결된다. 상기 탄소나노튜브구조(26)는 면적이 900㎠이고 길이와 폭이 각각 30㎝인 탄소나노튜브막을 100층 교첩하여 형성되어 있다. 상기 면가열원(20)에 인가하는 전압은 15볼트이다. 이 때, 온도측정장치로 측정한 면가열원(20)의 표면의 온도는 300℃이다.

상기 면가열원(20)으로 피가열체(30)를 가열하는 방법은 다음과 같다.

(a) 가열하고자 하는 피가열체(30)을 제공한다. 상기 피가열체(30)는 표면을 가진다.

(b) 상기 면가열원(20)의 탄소나노튜브구조(26)를 상기 피가열체(30)의 표면에 근접하여 설치한다.

(c) 상기 면가열원(20)의 제1전극(22) 및 제2전극(24)에 전압을 인가하여 상기 피가열체(30)를 가열한다.

이상, 본 발명은 바람직한 실시예를 이용하여 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니고, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해해야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 면가열원의 사시도이다.

도 2는 도 1의 II - II선에 따른 면가열원의 단면도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브의 면모구조막의 전자현미경 사진이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브를 동일한 방향을 따라 배열한 프레스막의 전자현미경 사진이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브를 동일하지 않은 방향을 따라 배열한 프레스막의 전자현미경 사진이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 탄소나노튜브의 드로잉막의 전자현미경 사진이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 묶음형태 탄소나노튜브 선상구조의 사시도이다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 나선형 탄소나노튜브 선상구조의 사시도이다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 묶음형태 탄소나노튜브선의 전자현미경 사진이다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 나선형 탄소나노튜브선의 전자현미경 사진이다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 면가열원의 제조방법을 설명하는 흐름도이 다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 면가열원의 표면온도와 가열공률의 관계를 나타낸 도면이다.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 면가열원으로 피가열체를 가열하는 모습을 나타낸 사시도이다.

도 14는 도 13의 XIII - XIII선에 따른 면가열원의 단면도이다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

10 면가열원 12 제1전극

14 제2전극 15 절연보호층

16 탄소나노튜브구조 160 탄소나노튜브 선상구조

161 탄소나노튜브선 17 반사층

18 지지체 20 면가열원

22 제1전극 24 제2전극

26 탄소나노튜브구조 30 피가열체

Claims

적어도 2개의 전극과 가열수단을 구비하고, 상기 적어도 2개의 전극이 간격을 두고 상기 가열수단에 전기적으로 접속되는 면가열원에 있어서,

상기 가열수단이 탄소나노튜브구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 면가열원.
제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브구조는, 균일하게 분포된 복수개의 탄소나노튜브를 함유하고,

상기 탄소나노튜브들은, 질서정연하게 혹은 무질서하게 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 면가열원.
제1항에 있어서, 상기 탄소나노튜브구조는, 적어도 한층의 탄소나노튜브막, 적어도 1개의 탄소나노튜브 선상구조 혹은 상기 탄소나노튜브막과 탄소나노튜브 선상구조의 복합구조를 함유하는 것을 특징으로 하는 면가열원.
제3항에 있어서, 상기 탄소나노튜브막은, 균일하게 분포된 복수개의 탄소나 노튜브를 함유하고,

상기 탄소나노튜브들은, 질서정연하게 혹은 무질서하게 배열되고, 서로 반 데르 발스의 힘에 의해 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 면가열원.
제3항에 있어서, 상기 탄소나노튜브막은, 드로잉막, 면모구조막 혹은 프레스막인 것을 특징으로 하는 면가열원.
제5항에 있어서, 상기 드로잉막은, 복수개의 탄소나노튜브를 함유하고,

상기 복수개의 탄소나노튜브는, 끝과 끝이 서로 연결되고, 동일한 방향을 따라 우선방위로 배열되며, 서로 반 데르 발스의 힘에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 면가열원.
제6항에 있어서, 상기 드로잉막의 두께가 0.5㎚∼100㎚인 것을 특징으로 하는 면가열원.
제6항에 있어서, 상기 탄소나노튜브구조가 복수층의 드로잉막을 함유하고 상 기 복수층의 드로잉막들이 교첩하여 설치된 경우, 상기 서로 인접하는 드로잉막 중의 탄소나노튜브들의 배열방향이 이루는 각이 0∼90도인 것을 특징으로 하는 면가열원.
제5항에 있어서, 상기 면모구조막은, 서로 뒤엉킨 복수개의 탄소나노튜브를 함유하고,

상기 면모구조막의 두께가 1㎛∼2㎜인 것을 특징으로 하는 면가열원.
제5항에 있어서, 상기 프레스막은, 동일한 방향 혹은 동일하지 않은 방향을 따라 일정한 방향으로 배열되어 있는 복수개의 탄소나노튜브를 함유하고,

상기 프레스막의 두께가 1㎛∼2㎜인 것을 특징으로 하는 면가열원.
제3항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 선상구조는, 적어도 하나의 탄소나노튜브선을 함유하고,

상기 탄소나노튜브선 중의 탄소나노튜브들은, 끝과 끝이 서로 연결되고, 상기 탄소나노튜브선의 축방향을 따라 우선방위로 배열되는 것을 특징으로 하는 면가열원.
제11항에 있어서, 상기 탄소나노튜브 선상구조로서는, 복수개의 탄소나노튜브선으로 형성된 묶음형태의 탄소나노튜브 선상구조이거나, 복수개의 탄소나노튜브선으로 형성된 나선형의 탄소나노튜브 선상구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 면가열원.
제1항에 있어서, 상기 전극의 재료로서, 구리, 몰리브덴 혹은 흑연을 사용할 수 있고,

상기 전극중 적어도 1개의 전극구조는, 탄소나노튜브 선상구조 혹은 적어도 한층의 드로잉막으로 이루어질 수 있는 것을 특징으로 하는 면가열원.
제1항에 있어서, 상기 면가열원은, 지지체를 추가로 구비하되,

상기 지지체 위에 상기 탄소나노튜브구조를 설치하고,

상기 지지체의 재료로서는, 유연성 재료 혹은 경질재료인 것을 특징으로 하는 면가열원.
제14항에 있어서, 상기 면가열원은, 반사층과 절연보호층을 추가로 구비하되,

상기 반사층은, 상기 탄소나노튜브구조와 상기 지지체 사이의 지지체 표면 혹은 상대측의 지지체 표면에 설치될 수 있고,

상기 절연보호층은, 상기 탄소나노튜브구조 및 상기 적어도 2개의 전극을 피복하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 면가열원.