KR20100090621A - 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물 및 이를 이용한 발열 조향핸들 - Google Patents

탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물 및 이를 이용한 발열 조향핸들 Download PDF

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Abstract

본 발명은, a) 탄소나노튜브가 분산된 탄소나노튜브 분산용액을 제조하는 단계; b) 상기 a) 단계의 탄소나노튜브 분산용액을 산처리하는 단계; c) 상기 b) 단계의 탄소나노튜브 분산용액을 중화처리하는 단계; 및 d) 상기 c) 단계의 탄소나노튜브 분산용액과 금속입자를 포함하는 금속용액을 혼합하여, 탄소나노튜브 표면에 금속입자를 결합시키는 단계를 포함하는 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물 및 이로 형성된 탄소나노튜브 발열코팅층을 포함하는 발열 조향핸들을 제공한다.
탄소나노튜브, 발열, 조향핸들

Description

탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물 및 이를 이용한 발열 조향핸들{carbon nanotube-metal particle complex composition and steering wheel with heating element using the same}
본 발명은, 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물 및 이로 형성된 탄소나노튜브 발열코팅층을 포함하는 발열 조향핸들에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 조향핸들(steering wheel)은 조향기어와 연결된 조향축의 한쪽 선단부에 장착되어, 조향핸들의 회전량이 조향축을 통해 조향기어에 전달됨으로써 휠을 회동시킬 수 있도록 되어 있고, 상기 조향핸들은 보통 운전자의 그립감을 향상시키기 위해 가벼운 재질의 P.V.C나 우레탄 등으로 만들어진다.
이러한 조향핸들은 겨울철에 장시간 차량을 노상에 주차하는 경우 조향핸들이 주변의 차가운 공기에 의하여 냉각되어 조향핸들을 잡으면 손이 시려, 온풍기를 작동시켜 온도를 상승시키거나 가죽이나 천으로 된 휠커버의 보온효과에 의해 차가움을 줄였다. 그러나 온풍기를 사용할 경우 온도상승까지 운전자가 장시간 기다려야 하고 휠커버의 경우에는 보온효과가 미흡한 문제점이 있으므로 조향핸들에 열선부재(발열체)를 내장하고 온도조절수단에 의해 조향핸들의 온도를 조절하는 발열 조향핸들이 개시되어 있다.
종래 발열 조향핸들은 다양한 구조가 개시되어 있으나, 도1에 일부를 도시한 바와 같이, 코어(10)의 외측부에 성형된 합성수지부(20)를 열선패드(30)로 감싸고, 필요에 따라 상기 열선패드(30)를 가죽이나 천으로 된 휠커버(40)로 감싼 구조로 되어 있으며, 상기 열선패드(30)는 열선(31: 발열체)이 배선되고 온도 조절기(32)에 의해 온도가 조절되는 발열수단으로 되어 있다. 상기 열선(31)은 일반적으로 니크롬선 등의 금속 발열체나 PTC(positive temperature coefficiency) 세라믹 발열체 등으로 되어 있다.
그런데, 종래 발열 조향핸들은 열선패드를 제작하여 감싸는 공정 등으로 인해 제조공정이 복잡하고, 패드로 인해 그립(grip)감이 저하하며(너무 푹신함), 목재나 금속 등의 무늬 전사층은 수압전사 공법(전사필름을 물에 녹여 물의 유연한 성질을 이용하여 물체에 무늬를 전사하는 공법)으로 형성되므로 열선패드를 부착하는 조향핸들에는 목재나 금속 등의 무늬 전사층을 형성할 수가 없으며, 열선패드의 온도를 조절하는 온도조절기가 반드시 필요하다는 등의 문제점이 있었다.
또한, 종래 발열 조향핸들은 촉각에 민감한 손에 직접적으로 닿는 것으로 저항값이 지속적으로 변화하는 물질이나 부성 저항 값이 변화하여 온도가 급격하게 상승하거나 급격하게 떨어지는 것을 최소화하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 투명 탄소나노튜브(CNT)를 발열체로 발열 조향핸들에 적용해 볼 수 있다.
여기서, 탄소나노튜브는 분산이 중요하며, 또한 탄소나노튜브와 탄소나노튜브 사이의 접촉저항을 줄이는데 많은 연구가 이루어지고 있다. 탄소나노튜브와 탄 소나노튜브 사이의 접촉저항을 줄이게 되면 전기전도도가 낮아질 뿐만 아니라 투명 전극 물질로도 사용이 가능하므로 이에 대해 아래 같이 제안된 바 있다.
한국 특허출원 10-2008-0112799호에서는 접촉저항을 줄여주기 위한 방법으로 CNT-금속 나노입자 혼성물을 만들어 플라스틱 기판에 박막을 제조하는 것을 주 목적으로 하고 있다. 상기 혼성물은 금속 전구체를 탄소나노튜브 표면에 흡착시켜 탄소나노튜브 박막의 전체저항을 감소시키는 것으로 나타나 있다. 또한 열처리를 통해 은나노 입자들이 흡착된 일부의 표면에서 클러스터(Cluster)로 성장하는 메커니즘(Mechanism)을 이용하는 것으로 기재되어 있다. 이렇게 형성된 탄소나노튜브-금속나노입자 혼성물의 경우 저항값은 감소시킬 수 있지만, 은나노 입자들이 안정적인 월(Wall)구조를 이루고 있는 탄소나노튜브(CNT)에 균일하게 흡착되기 어려워 특정 부위별로 측정값이 불균일한 결과를 야기시킨다.
상기 탄소나노튜브를 발열체로 이용하기 위해서 상기 흡착법으로 형성된 탄소나노튜브-금속 나노입자 혼성물을 사용할 경우, 3차원 굴곡을 가진 플라스틱 (Plastic) 핸들 면에 코팅(Coating)시 균일한 발열 특성을 내지 못하고, 파워(Power)의 연속된 온-오프(On-Off)에 따라 저항값이 변화되는 것을 확인할 수 있다.
발열 핸들은 촉각에 민감한 손에 직접적으로 닿는 것으로 저항값이 지속적으로 변화하는 물질이나 부성 저항 값이 변화하여 온도가 급격하게 상승하거나 급격하게 떨어지는 것을 최소화해야 한다.
탄소나노튜브를 단독으로 분산시켜 발열 핸들 위에 코팅할 경우 높은 접촉저 항에 의해 발열 핸들에서 요구하는 발열량을 맞추기 어렵고, 나노 금속을 단독으로 분산시켜 발열 핸들 위에 코팅할 경우 낮은 저항 계수에 의해 초기 발열이 일어난다.
탄소나노튜브를 사용하지 않고 카본을 사용할 경우 온도에 의한 저항값의 변화가 커서 정밀한 온도 컨트롤(Control)이 필요한 발열 핸들 용도에는 적합하지 않다.
지속적인 온도 상승에 의해 저항값이 상승한다. 저항값의 지속적인 상승은 전류 흐름의 감소를 가져와 결국 단락에 이르게 되는데, 이를 방지하기 위한 방법이 탄소를 적절하게 사용하여 상호보완적인 특성을 구현시키는 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은, 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 제조공정이 간단하고 그립감이 양호하며 무늬 전사층을 형성할 수 있으며 온도조절기가 반드시 필요하지 않으며 열전달효율이 우수하고 집열현상이 방지되는 발열 조향핸들을 제공하는 것이다.
또한, 탄소나노튜브 분산용액에 화학적으로 금속 나노 입자를 붙여 전기 전도도가 지속적이고 전면에 균일하게 형성되는 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물 및 이를 사용함에 따라 전기적으로 저항값이 변하지 않는 발열 조향핸들을 제공하는 것이다.
또한, 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물에 바인더를 혼합하여 1액형의 용액을 만들고, 이를 3D 구조의 플라스틱 (Plastic) 핸들 표면에 균일하게 분산 코팅함으로써 플라스틱 핸들과의 부착력에 의해 정밀한 온도 범위에서 발열 특성을 가지며, 160℃ 이하의 온도 변화에서 저항값이 변하지 않는 발열 조향핸들을 제공하는 것이다.
본 발명은, a) 탄소나노튜브가 분산된 탄소나노튜브 분산용액을 제조하는 단계; b) 상기 a) 단계의 탄소나노튜브 분산용액을 산처리하는 단계; c) 상기 b) 단계의 탄소나노튜브 분산용액을 중화처리하는 단계; 및 d) 상기 c) 단계의 탄소나노튜브 분산용액과 금속입자를 포함하는 금속용액을 혼합하여, 탄소나노튜브 표면에 금속입자를 결합시키는 단계를 포함하는 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물을 제공한다.
본 발명은, 조향핸들의 강성을 유지하는 코어와, 상기 코어의 외측부에 형성된 합성수지부과, 상기 합성수지부의 외측면에, 상기 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물이 코팅형성된 탄소나노튜브 발열코팅층과, 상기 탄소나노튜브 발열코팅층에 전기적으로 연결되어 발열을 유도하는 전극을 포함하는 발열 조향핸들을 제공한다.
본 발명에 의한 발열 조향핸들에 의하면, 분산액을 스프레이하여 발열코팅층을 형성하므로 제조공정이 간단하고, 발열코팅층의 그립감이 양호하며, 발열코팅층의 외측에 목재나 금속 등의 무늬 전사층을 형성할 수 있으며, 온도조절기가 반드시 필요하지 않으며, 발열코팅층의 열전달효율이 우수하고 집열현상을 방지할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 탄소나노튜브 분산용액에 화학적으로 금속 나노 입자를 붙여 전기 전도도가 지속적이고 전면에 균일하게 형성되는 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물 및 이를 사용함에 따라 전기적으로 저항값이 변하지 않는 발열 조향핸들이 제공된다.
또한, 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물에 바인더를 혼합하여 1액형의 용액을 만들고, 이를 3D 구조의 플라스틱 (Plastic) 핸들 표면에 균일하게 분산 코팅함으로써 플라스틱 핸들과의 부착력에 의해 정밀한 온도 범위에서 발열 특성을 가지며, 160℃ 이하의 온도 변화에서 저항값이 변하지 않는 발열 조향핸들이 제공된 다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물은, a) 탄소나노튜브가 분산된 탄소나노튜브 분산용액을 제조하는 단계; b) 상기 a) 단계의 탄소나노튜브 분산용액을 산처리하는 단계; c) 상기 b) 단계의 탄소나노튜브 분산용액을 중화처리하는 단계; 및 d) 상기 c) 단계의 탄소나노튜브 분산용액과 금속입자를 포함하는 금속용액을 혼합하여, 탄소나노튜브 표면에 금속입자를 결합시키는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 a) 단계의 탄소나노튜브는, MWNT(multi wall nanotube); TWNT(Thin wall nanotube); 및 SWNT(single wall nanotube) 중에서 선택된 1종 이상일 수 잇다.
상기 a) 단계에서 분산용액은, 상기 탄소나노튜브를 용매에 분산시켜 제조할 수 있다.
상기 b) 단계에서는, 질산, 황산, 염산, 및 과염소산 중에서 선택된 1종 이상을 첨가하여 산처리할 수 있다.
상기 c) 단계에서는, 수산화나트륨 수용액, 수산화칼륨 수용액 및 수산화 암모늄 수용액 중에서 선택된 1종 이상을 첨가하여 중화처리할 수 있다.
일반적으로 탄소나노튜브에 산처리를 하게 되면 카르복실기가 랜덤하게 발생되는데, 동시에 pH가 낮아져 산성화를 띄게 된다. 이를 여과하여 사용할 경우, 산의 공격을 받은 탄소나노튜브 분자 구조에 무수한 디펙티드(Defected)들이 존재하 기 때문에 전기 전도성이 나빠지는 특징이 있다. 이를 해결하기 위해 본 발명에서는 중화처리를 실시하여 pH를 6이상으로 환원시킨다. 바람직하게는 pH가 7이 되는 것이 좋다.
산처리 후 탄소나노튜브만 여과하여 사용한다고 하여도 주변에 산성 이온이 미량 존재하게 되므로 금속나노입자를 첨가하게 될 경우 잔여물에 의해 쉽게 산화될 수 있다. 순수한 금속 나노입자를 수득하여 상기 산 처리된 탄소나노튜브에 혼합하여 제조하는 것으로 되어 있어서 pH를 고려하지 않은 상태에서 금속나노입자를 탄소나노튜브와 혼합하게 될 경우, 쿨롱의 힘에 의해 금속나노입자가 물리 흡착을 하기 전에 잔여 산성 이온에 의해 산화될 여지가 있다.
따라서, 본 발명에서는, 카르복실기가 도입된 탄소나노튜브에 금속입자를 화학적으로 붙이기 위해서는 금속입자가 산성 이온의 공격을 받지 않게 하기 위해 중화처리를 한 후, 탄소나노튜브의 안정화 및 금속입자가 화학적으로 결합하는 과정에서 산성 이온이 반응에 참여하지 않게 만들어 주는 것이다.
상기 c) 단계에서는, 상기 b) 단계의 탄소나노튜브 분산용액과 수산화나트륨 수용액, 수산화칼륨 수용액 및 수산화 암모늄 수용액 중에서 선택된 1종 이상을 초음파를 이용하여 혼합할 수 있다.
상기 d) 단계에서 금속입자를 포함하는 금속용액은, 용매; TOAB, 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene), N-메틸피롤리돈(NMP: N-methlypyrrolidone) 및 N,N-디메틸포름아미드(DMF: N,N-dimethylformamide) 중에서 선택된 1종 이상에 포름알데히드(formaldehyde) 또는 아세트알데히드(acetaldehyde)를 혼합한 용액; 및 Ag, Pt, Pd, Au, Cu, Ni, Al, Ag/Cu, Ag/Ni의 염 중 중에서 선택된 1종 이상의 금속염을 포함할 수 있다.
상기 금속염의 구체적인 예로는 AgCl, AgI, AgBr, AgNO3, AgCN 및 KAg(CN)2 등이 있으나 이에 한정되는 것이 아니며, 상기 금속염은 HNO3 수용액에 녹인 후 NH3을 소량 첨가하여 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 d) 단계에서 탄소나노튜브 표면에 금속입자는 Ag, Pt, Pd, Au, Cu, Ni, Al, Ag/Cu, Ag/Ni 및 Cu/Ni 중 선택된 1종 이상일 수 있다. 또한, 탄소나노튜브 표면에 금속입자는 직경 10 내지 300 ㎚인 것이 바람직하다.
상기 d) 단계의 용액을 MEK, MIBK, 아세톤(acetone), 시클로헥사논(cyclohexanone), 케톤계 용액, 부톡시에틸아세테이트(butoxyethyl acetate), 부틸카비톨아세테이트(BCA: butyl cabitol acetate) 및 아세테이트계 용액 중 선택된 1종 이상에 분산시켜 분산용액을 제조하는 단계; 및 상기 분산용액과 바인더를 혼합시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 바인더로는 폴리 우레탄 수지(Poly Urethane resin) 폴리 에스테르 수지(Poly ester resin) 및 아크릴 수지(Acryl resin) 중 선택된 1종 이상일 수 있다.
실시예 1
MWNT(multi wall nanotube) 2mg을 100ml 증류수와 글라스 비이커에 넣고 Microfluidizer(M-110S)를 이용해 15,000psi 압력에서 물리적인 분산을 실시하여 CNT 분산용액을 얻었다. 그리고, 황산과 질산을 3:1로 혼합한 수용액을 1시간 동안 Sonicator(ULH-700)으로 초음파 믹싱하였다.
다음으로 NaOH 수용액으로 중화를 시킨 후, DMF수용액상의 TOAB와 톨루엔 10ml, 아세트알데히드 1 ml에 혼합한 후, 질산 수용액에 0.1 g의 AgCl을 첨가한 후, 진한 NH3를 천천히 첨가하여 RX를 포함한 혼합 용액을 준비시킨 후, 상기 RX를 포함하는 혼합 용액을 NaOH가 포함된 MWNT에 혼합하여 80℃, 3시간 동안 믹싱을 실시하여 치환반응(Phase Transfer Reaction)을 시켜 CNT 표면에 Ag 입자가 석출되면서 결합되게 하였다. 상기 반응시킨 용액을 알루미늄 막(anodisc, 200nm)에 여과장치를 이용해 필터링하여 MEK 용액에 분산시킨 후, 바인더(LG화학 EXP-7)를 첨가하여 혼합시켜 본 발명에 따른 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물을 제조하였다(도 9참조).
비교예 1
MWNT(multi wall nanotube) 2mg을 100ml 증류수와 글라스 비이커에 넣고 Microfluidizer(M-110S)를 이용해 15,000psi 압력에서 물리적인 분산을 실시하여 CNT 분산용액을 얻었다. 여기에 NMP (n-methylpyrrolidone) 10ml를 넣고, 10시간 동안 Sonicator(ULH-700)으로 초음파 믹싱하였다.
이를 알루미늄 막(anodisc, 200nm)에 여과장치를 통과시켜 필터링 한 후, 준비된 은 전구체 용액(질산은 5 g과 부틸아민 4.5 ml를 톨루엔 60ml에 혼합하여 제조)을 이어서 통과시켜 필터링하여 CNT-금속 나노 입자 혼성물을 제조하였다.
이를 120℃ 이하에서 2시간 동안 열처리 한 후, 이를 MEK 용액에 분산시킨 후, 바인더(LG화학 EXP-7)를 첨가하여 혼합시켜 CNT-금속 나노입자 혼합물 용액을 제조하였다.
비교예 2
MWNT(multi wall nanotube) 2mg을 100ml MEK로 글라스 비이커에 넣고 Microfluidizer(M-110S)를 이용해 15,000psi 압력에서 물리적인 분산을 실시하여 CNT 분산액을 얻은 후, 바인더(LG화학 EXP-7)를 첨가하여 용액을 제조하였다.
실험예 1
실시예 1 및 비교예 1~2의 용액을 3D 형상을 가진 플라스틱 핸들(Urethane)표면에 균일하게 스프레이 코팅하였다. 이를 우레탄(Urethane )핸들의 Dereadation변형 온도를 고려하여 100℃이하에서 2시간 건조한 후, 핸들의 3Point(도 10 및 도 11 참조)에 걸쳐 표면저항측정기(MCP-HT450)으로 2회 반복 측정하고 결과를 표 1에 나타내었다.

 1회 2회 평균면저항(Ω/sq)
A B C A B C
실시예 1 15.8 15.7 15.8 15.9 15.6 15.8 15.8
비교예 1 17.4 14.7 16.5 16.3 15.9 18.2 16.5
비교예 2 106 이상 106 이상 106 이상 106 이상 106 이상 106 이상 106 이상
이와 같이, 탄소나노튜브만 단독으로 사용할 경우(비교예 2) 106이상으로 면저항 값이 높게 나타나 발열 핸들로써 구현하기 불리하였고, CNT-금속 나노입자 혼합물의 경우(비교예 1)는 Ag의 분산 정도가 균일하지 않아 측정에 따른 값의 흔들림이 큰 것을 확인할 수 있었다. 즉, 발열 소재로 사용하기 위해서는 CNT-금속 나노입자 합성물 상태로 이용해야 표면의 균일한 저항 값을 갖게 되는 것이다.
실험예 2
본 발명에 따른 실시예 1을 통해 만들어진 핸들에 가죽을 입혀 완제품을 형성시킨 후(도 11 참조), IT6720 Power Supply를 이용해 DC12Volt를 인가하여 온도 상승 테스트를 실시하였다. 비교예 1을 가죽을 입혀 완제품을 형성시켜 봤으나, IT6720 Power Supply를 이용해 DC12Volt를 인가해봤으나 2min만에 온도가 상승 후 단락이 되어 작동되지 않았다. 또한 비교예2는 DC 12volt에서는 전류가 흐르지 않았다.
실험예 3
본 발명에 따른 실시예 1을 통해 만들어지 핸들에 가죽을 입혀 완제품을 형성시킨 후, -20 ℃의 저온 챔버에서 6 hr 동안 방치하여 냉각시켰다. 이 후 제품을 25 ℃의 상온에 꺼내어 IT6720 Power Supply를 이용해 DC12Volt를 인가하여 열전대(thermocouple)로 핸들 표면의 온도 변화를 측정하였다. 도 12의 내구성 테스트 결과와 같이 1 분만에 25 ℃ 이상의 온도로 상승하여 핸들 표면으로부터 온열이 느껴지시 시작하여, 5 분이 지난 시점에 약 35 ℃에 도달하게 된다. 15 분 이내에 40 ℃에 도달해야 하는 히팅 핸들 규격(ES56110-05)을 만족하였고, 핸들의 일정한 온도를 유지시켜주는 PID 콘트롤러를 제거한 상태에서의 장기 안정성 테스트 결과 50~53 ℃를 유지하면서 화재나 가죽표면의 변형이 일어나지 않았다.
이와 같이 본 발명에 있어서, 탄소나노튜브에 금속 나노 입자가 균일하게 편제되어 있고, 분산 용액 제조 시 금속 나노 입자가 떨어져 나가지 않게 하기 위해 치환 반응을 이용한 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물을 제조할 수 있었다.
이러한 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물을 만들게 되면 탄소나노튜브의 고유 특성인 탄소-탄소의 공유결합 구조와 이로 인한 전류 이동의 특성상 고유저항이 없어져 동선의 1000배 정도인 전류 밀도를 얻을 뿐만 아니라 탄소나노튜브에 결합된 금속 나노 입자의 전하 전달 통로에 의해 접촉저항을 줄여주는 특성을 동시에 얻을 수 있다.
본 발명을 통해 탄소나노튜브 입자 하나하나에 금속입자가 균일하게 편제되어야 하는 특성과 금속 나노입자가 탄소나노튜브에 강한 화학적 결합이 되어 바인더를 혼합한 코팅용액에서 탄소나노튜브와 금속 나노입자간의 분리 현상이 발생하지 않고, 또한 3D의 플라스틱 핸들 형상에 균일하게 코팅된 탄소나노튜브-금속입자 합성물이 강하게 바인딩(Binding)되어 시간이 지남에 따라 부성저항이 발생된다거나 금속 나노입자가 분리되어 접촉저항을 야기시키는 것을 방지할 수 있으며, 단순히 전기 전도도를 낮추기 위함보다 요구하는 발열 핸들의 발열 요구 범위 내에서 일정하고 균일하게 유지되는 것이 가능하다.
한편, 본 발명에 따른 발열 조향핸들은, 조향핸들의 강성을 유지하는 코어와, 상기 코어의 외측부에 형성된 합성수지부과, 상기 합성수지부의 외측면에, 본 발명에 따른 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물이 코팅형성된 탄소나노튜브 발열코팅층과, 상기 탄소나노튜브 발열코팅층에 전기적으로 연결되어 발열을 유도하는 전극을 포함한다.
본 발명의 탄소나노튜브 발열코팅층은 탄소나노튜브 입자와 금속 입자가 화학적으로 결합된 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물에 의해 코팅되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 탄소나노튜브 발열코팅층의 외측에는 커버가 감싸져 있을 수 있다.
상기 커버는 가죽, 천 및 PU(폴리 우레탄) 중에서 선택된 그 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 탄소나노튜브 발열코팅층의 외측에는 수압전사 공법에 의한 전사층이 형성되어 있을 수 있다.
상기 전사층 외측에는 외부코팅층이 형성되어 있을 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도2는 본 발명이 적용된 발열 조향핸들을 나타내는 평면도(스포크에는 커버가 제거된 상태)이고, 도3은 도2에서 화살표 A-A선에 따른 단면도이다. 도시한 바와 같이, 본 발명이 적용된 발열 조향핸들(100)은, 강이나 경합금으로 된 코어(110)의 외측부에 합성수지부(120)가 형성되고, 상기 합성수지부(120)의 외측면에 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물이 코팅형성된 탄소나노튜브 발열코팅층(130)이 형성되며, 상기 탄소나노튜브 발열코팅층(130)의 외측에는 커버(140)가 감싸진 구조이다.
상기 코어(110)는 림(111)과 스포크(112)로 되어 있으며, 원형단면, ㄷ단면이나 Ｈ단면 등 다양한 단면형태로 되어 있을 수 있다.
상기 합성수지부(120)는 PU(폴리 우레탄), EPS(팽창 폴리스틸렌) 또는 EPP(팽창 폴리프로필렌)를 원료로 사용화여 포옴(Foam: expanded plastic)화 되어 형성되거나, ABS 등의 합성수지를 사용하여 사출성형하여 형성된다.
상기 탄소나노튜브 발열코팅층(130)은 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물을 상기 합성수지부(120)에 스프레이하여 코팅되는 층인데, 상기 탄소나노튜브(CNT)에 은(Ag)입자와 같은 금속입자가 화학적으로 결합된 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물을 스프레이하여 코팅하는 것이 특히 바람직하다.
상기 탄소나노튜브 발열코팅층(130)의 단위면적당 코팅 질량은 3~ 15g/㎡으로 하는 것이 바람직하다.
상기 탄소나노튜브 발열코팅층(130)에 전기적으로 연결되어 발열을 유도하는 전극(131)을 형성하는데, 상기 전극(131)에는 필요에 따라 온도조절기(132)가 연결될 수도 있으나, 탄소나노튜브(CNT) 자체가 가지고 있는 고유특성(전하량 통제)으로 온도제어가 가능하므로 별도의 온도조절기(132)를 설치하지 않을 수도 있다. 상기 온도조절기(132)에는 전원 커넥터(133)가 연결된다.
탄소나노튜브(CNT)는 수 내지 수 백 마이크로미터(㎛)의 직경과 길이를 가진 비등방성의 소재이다. 탄소나노튜브에서 하나의 탄소원자는 3개의 다른 탄소원자와 결합되어 육각형의 벌집무늬를 이루고 있다. 평평한 종이 위에 이러한 벌집무늬를 그린 다음 종이를 둥글게 말면 나노튜브 구조가 된다. 즉 나노튜브 하나는 속이 빈 튜브 혹은 실린더와 같은 모양을 갖고 있다. 이것을 나노튜브라고 부르는 이유는 그 튜브의 직경이 보통 1나노미터(10억분의 1미터) 정도로 작기 때문이다. 종이에 벌집무늬를 그리고 둥글게 말면 나노튜브가 되는데 이때 종이를 어느 각도로 말 것인가에 따라서 탄소나노튜브는 금속과 같은 전기적 도체(Armchair)가 되기도 하고 반도체(ZigZag 구조)가 되기도 한다.
상기 커버(140)는 가죽이나 천 또는 PU(폴리 우레탄)으로 된 마감재로서, 상기 가죽이나 천은 탄소나노튜브 발열코팅층(130)을 감싸아 재봉 등에 의해 결합되고, 상기 PU(폴리 우레탄)는 탄소나노튜브 발열코팅층(130)을 감싸도록 도포 등에 의해 결합된다.
탄소나노튜브를 이용한 발열체에 대한 일반적인 공지기술은 한국특허등록 제0749886호 등에 개시되어 있으므로, 탄소나노튜브 발열코팅층의 형성에 대한 자세한 설명은 생략한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 의한 발열 조향핸들은, 도5의 공정 도면과 도6의 플로우 차트에 나타낸 바와 같이, 코어(110)의 외측에 합성수지부(120)를 성형한 후(S1), 상기 합성수지부(120)의 외측에, 탄소나노튜브 표면에 금속입자가 화학적으로 결합된 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물인 분산액(Lq)을 스프레이하여 탄소나노튜브 발열코팅층(130)을 형성한 다음(S2), 상기 탄소나노튜브 발열코팅층(130)에 전극(131)을 형성하고(S3), 필요에 따라 온도조절기(132)를 설치한 다음, 상기 탄소나노튜브 발열코팅층(130)의 외측에 커버(140)을 감싸 결합하여 완성하게 된다.
한편 도4에 단면으로 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예로서, 코어(110)의 외측에 합성수지부(120)를 형성하고, 상기 합성수지부(120)의 외측면에 탄소나노튜브 발열코팅층(130)을 형성하며, 상기 탄소나노튜브 발열코팅층(130)의 외측에 목재나 금속 등의 무늬 전사층(150)을 형성하고, 상기 전사층(150)의 외측에는 외부코팅층(160)을 추가로 형성할 수도 있다. 상기 목재나 금속 등의 무늬 전사층(150)은 공지의 수압전사 공법으로 형성하고, 상기 외부코팅층(160)은 공지의 다양한 재질과 다양한 공법으로 코팅할 수 있다.
종래 발열 조향핸들에 적용된 열선 발열체는 피가열체와 발열선의 접촉면이 국부적이므로 피가열체에 대한 열전달효율이 저하되고 최고온도에 도달하는 승온시간이 느리지만, 본 발명의 발열 조향핸들에 적용된 탄소나노튜브 발열체는 피가열체와 발열층의 접촉면이 전면적이므로 피가열체에 대한 열전달효율이 우수하고 최고온도에 도달하는 승온시간이 빠르다.
그리고, 도7의 (a) 및 도8의 (a)에 나타낸 바와 같은 일반 탄소 발열체(플로렌, 비결정 카본, 그레파이트)는 카본의 특성인 음(-)의 온도저항계수를 가지므로 반복적인 사용으로 인한 저항수치의 저하로 신뢰성 확보가 어렵고, 또한 종래 금속성 물질의 발열체는 양(+)의 온도저항 계수를 가지므로 반복적인 사용으로 인한 저항수치의 상승으로 신뢰성 확보가 어렵지만, 도7의 (b) 및 도8의 (b)에 나타낸 바와 같은 탄소나노튜브(CNT)는 분자구조상 구형이 아닌 선상 구조이므로 단락이 발생하는 부분이 적어 저항수치에 보다 안정적이며, 특히 탄소나노튜브 표면에 금속입자가 화학적으로 결합된 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물로 이루어진 발열체는 PTC(positive temperature coefficiency)의 성질을 보유하게 되어 온도저항계수가 거의 0에 가까우며 반복적인 사용에도 저항수치의 변화가 없이 신뢰성 확보가 용이한데, 이는 단순히 음(-)의 온도저항계수를 갖는 카본과 양(+)의 온도저항계수를 갖는 금속의 혼합으로만 보정이 되는 것이 아니라 탄소나노튜브(CNT) 표면에 화학적 결합을 이용한 금속 입자 등의 전도체의 결합으로 상기와 같은 특성이 구현된다.
그리고, 도8의 (a)에 전기적 네트워크 모델로 나타낸 바와 같이 일반 카본은 바인더 안에서 카본과 카본입자가 접촉이 되어야 전기가 통하게 되며 이로 인해 코팅 적용시 특정 부위에 카본입자들이 뭉칠 가능성이 있어서 특정부위에 열이 많이 발생하게 된다. 이에 반해 도8의 (b)에 전기적 네트워크 모델로 나타낸 바와 같이 탄소나노튜브(CNT)는 입자들이 붙어있지 않고 어느 정도 이격 거리가 있어도 전기가 통하는 전기적 네트워크 현상을 구현하므로 일반 카본의 함량에 비해 매우 적은 함량으로도 동등 이상의 성능을 구현함으로 특정 부위에 탄소나노튜브(CNT)입자가 뭉칠 가능성을 배제하게 되어 집열현상이 없이 균일한 발열분포를 갖게 된다.
이와 같은 본 발명의 발열 조향핸들은, 종래 발열 조향핸들에서 열선패드를 부착하던 공정을, 탄소나노튜브(CNT)와 금속입자 등의 전도체를 스프레이하는 공정으로 대치하여, 제조비용을 종래에 비해 현저히 절감할 수 있고 목재나 금속 등의 무늬 전사층을 형성할 수 있으며 그립감을 양호하게 할 수 있고 자유로운 형상 및 저항설계가 가능하며 종래에 비해 현저히 에너지 절감을 이룰 수 있으며 탄소나노튜브(CNT)물질의 특성(전하량 통제)상 별도의 온도조절기가 반드시 필요하지 않게 된다.
도1은 종래 발열 조향핸들의 구성도이다.
도2는 본 발명이 적용된 발열 조향핸들의 평면도이다.
도3은 도2에서 화살표 A-A선에 따른 단면도이다.
도4는 발명의 다른 실시예에 의한 발열 조향핸들의 단면도이다.
도5는 본 발명이 적용된 발열 조향핸들의 제조 공정도이다.
도6은 본 발명의 적용된 발열 조향핸들의 제조 플로우 차트이다.
도7의 (a)는 일반 탄소나노튜브 발열체의 입자모델이다.
도7의 (b)는 탄소나노튜브(CNT)와 은(Ag)입자 또는 금속입자 등의 전도체로 이루어진 발열체의 입자모델이다.
도8의 (a)는 일반 카본의 전기적 네트워크 모델이다.
도8의 (b)는 탄소나노튜브(CNT)의 전기적 네트워크 모델이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1의 과정을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1~2의 용액이 코팅될 발열 조향 핸들의 사진이다.
도 11은 도 10의 핸들에 가죽을 입힌 완제품의 사진이다.
도 12는 본 발명에 따른 실시예 1의 내구성 테스트 결과이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110 : 코어 120 : 합성수지부
130 : 탄소나노튜브 발열코팅층 131 : 전극
140 : 커버 150 : 전사층
160 : 외부 코팅층

Claims (14)

  1. a) 탄소나노튜브가 분산된 탄소나노튜브 분산용액을 제조하는 단계;
    b) 상기 a) 단계의 탄소나노튜브 분산용액을 산처리하는 단계;
    c) 상기 b) 단계의 탄소나노튜브 분산용액을 중화처리하는 단계; 및
    d) 상기 c) 단계의 탄소나노튜브 분산용액과 금속입자를 포함하는 금속용액을 혼합하여, 탄소나노튜브 표면에 금속입자를 결합시키는 단계를 포함하는 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 a) 단계의 탄소나노튜브는, MWNT(multi wall nanotube); TWNT(Thin wall nanotube); 및 SWNT(single wall nanotube) 중에서 선택된 1종 이상인 것인 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 a) 단계에서 분산용액은, 상기 탄소나노튜브를 용매에 분산시켜 제조한 것인 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 b) 단계에서는, 질산, 황산, 염산, 및 과염소산 중에서 선택된 1종 이상을 첨가하여 산처리하는 것인 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 c) 단계에서는, 수산화나트륨 수용액, 수산화칼륨 수용액 및 수산화 암모늄 수용액 중에서 선택된 1종 이상을 첨가하여 중화처리하는 것인 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 c) 단계에서는, 상기 b) 단계의 탄소나노튜브 분산용액과 수산화나트륨 수용액, 수산화칼륨 수용액 및 수산화 암모늄 수용액 중에서 선택된 1종 이상을 초음파를 이용하여 혼합하는 것인 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 d) 단계에서 금속입자를 포함하는 금속용액은, 용매; TOAB, 1,2-디클로로벤젠(1,2-dichlorobenzene), N-메틸피롤리돈(NMP: N-methlypyrrolidone) 및 N,N-디메틸포름아미드(DMF: N,N-dimethylformamide) 중에서 선택된 1종에 포름알데히드(formaldehyde) 또는 아세트알데히드(acetaldehyde)를 혼합한 용액; 및 Ag, Pt, Pd, Au, Cu, Ni, Al, Ag/Cu, Ag/Ni의 염 중 중에서 선택된 1종 이상의 금속염을 혼합하여 제조한 것인 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 d) 단계에서 탄소나노튜브 표면에 금속입자는 Ag, Pt, Pd, Au, Cu, Ni, Al, Ag/Cu, Ag/Ni 및 Cu/Ni 중 선택된 1종 이상인 것인 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 d) 단계의 용액을 MEK, MIBK, 아세톤(acetone), 시클로헥사논(cyclohexanone), 케톤계 용액, 부톡시에틸아세테이트(butoxyethyl acetate), 부틸카비톨아세테이트(BCA: butyl cabitol acetate) 및 아세테이트계 용액 중 선택된 1종 이상에 분산시켜 분산용액을 제조하는 단계; 및
    상기 분산용액과 바인더를 혼합시키는 단계를 더 포함하는 것인 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물.
  10. 조향핸들의 강성을 유지하는 코어와,
    상기 코어의 외측부에 형성된 합성수지부와,
    상기 합성수지부의 외측면에, 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 따른 탄소나노튜브-금속입자 복합 조성물이 코팅형성된 탄소나노튜브 발열코팅층과,
    상기 탄소나노튜브 발열코팅층에 전기적으로 연결되어 발열을 유도하는 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 발열 조향핸들.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 발열코팅층의 외측에는 커버가 감싸져 있는 것을 특징으로 하는 발열 조향핸들.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 커버는 가죽, 천 및 PU(폴리 우레탄) 중에서 선택된 그 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 발열 조향핸들.
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 발열코팅층의 외측에는 수압전사 공법에 의한 전사층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발열 조향핸들.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 전사층 외측에는 외부코팅층이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발열 조향핸들.
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