KR20100093643A - 탄소나노튜브 발열시트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 그라비아 인쇄에 의한 면상발열체에 관한 것으로, 이축으로 연신된 투명 PET나 OPS 필름 사이에 지그재그 형상으로 배열된 은 페이스트를 형성시킨 후, 발열이 우수한 CNT 잉크를 면상으로 코팅함으로써, 단시간에 온도를 올려주고 단절이나 화재로부터 안전하며 소비 전력이 적은 면상발열체를 제공한다.

탄소나노튜브, 발열시트

Description

탄소나노튜브 발열시트{Heating sheet using carbon nano tube}

본 발명은 CNT(Carbon Nano Tube) 용액을 그라비아 인쇄로 코팅한 고분자 면상 발열시트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 그라비아 인쇄에 의한 면상발열체로서, 이축으로 연신된 투명 PET나 OPS 필름 사이에 지그재그 형상으로 배열된 은 페이스트를 형성시킨 후, 발열이 우수한 CNT 잉크를 면상으로 코팅함으로써, 단시간에 온도를 올려주고 단절이나 화재로부터 안전하며 소비 전력이 적은 면상 발열시트에 관한 것이다.

일반적인 자동차 시트는 얇은 전기도선을 이용하여 순간적인 고전류로 온도를 올려주고, 온도센서나 바이메탈을 통해 전류를 끊었다 흘렸다 하는 방식으로 일정온도를 유지시켜 준다. 그러나, 상기의 제품은 단선에 의한 제품의 작동 중단이나 전기도선을 중심으로 고열이 발생하므로 주변으로 노출되는 열손실이 발생되며, 전선 배열을 수작업으로 실시하기에 제품별 발열 균일도가 떨어지는 문제점이 있었다.

자동차에 사용되는 면상발열체는 12Volt로 제작되어야 하는데, 기존 카본 페이스트로 제작할 경우, 국부적인 온도 상승을 방지하기 위해 그물형상으로 만들어 야 하고, 전극으로 사용되는 은 페이스트도 거리에 따른 저항 변화와 카본 페이스트와 은 페이스트간의 단선 발생으로 4개 이상의 도선을 사용하게 되고, 이는 결국 제품 크기의 제약을 발생시킨다. 따라서 기존 제품은 12Volt에서 250㎜×300㎜ 이상의 면상발열체를 제작하기 어렵고, 불균일한 온도 상승에 따른 발열 내구성이 떨어지는 문제점을 지니고 있다.

도 1은 종래 열선 발열체의 가열 메커니즘을 나타낸 도면으로, 피가열체와 발열선의 접촉면이 국부적이므로 피가열체에 대한 열전달 효율이 저하되고 최고온도로의 승온시간도 느리다.

도 4는 일반 카본의 전기적 네트워크 구조도로서, 일반 카본은 바인더 안에서 카본과 금속을 일부 혼합시켜 입자간의 접촉이 되어야 전기가 통하게 되며, 이로 인해 입자간의 단락이 발생할 경우 단락이 되지 않는 특정 부위에 전기가 집중되어 고열이 발생되게 되고 누적된 에너지에 의해 단락이 된다.

일반 전도성 카본을 이용한 저항 페이스트는 카본의 특성인 음(-)의 온도저항 계수를 가지므로 반복적인 사용으로 인한 저항수치의 저하로 신뢰성 확보가 어렵다. 또한, 금속성 물질은 양(+)의 온도저항 계수를 가지므로 반복적인 사용으로 인한 저항수치의 상승으로 신뢰성 확보가 어렵다.

대한민국 실용신안 등록 제207322호에는 경사로 배열되며 직조되는 면사 또는 천연섬유와, 면사 또는 천연섬유와 동일방향으로 배치되며 일정간격으로 이격되도록 배치되며 직조되는 동선과, 면사 또는 천연 섬유상에 탄소 코팅되며 위사로 직조되는 발열사로 직조되고 상하면에 폴리우레탄 코팅층을 형성한 발열판체 상에 는 일정 온도범위에서 온/오프되도록 부착된 온도센서로 이루어지고, 동선의 단자는 차량용 전원에 접속되는 접속단자를 구비한 것을 특징으로 하는 발열기능을 갖는 자동차시트가 개시되어 있다.

대한민국 실용신안 등록 제300692호에는 스크린 인쇄에 의한 통상의 면상발열체에 있어서, 판상의 합성수지재로 형성된 바닥판 상면에 다단으로 상호 엇갈리는 배치구조의 다수개 사다리형상으로 형성된 카본 페이스트와, 카본 페이스트의 외주면 일측 부분 혹은 외주면 전면에 도포되어 음전극과 양전극이 엇갈리도록 서로 교호하게 형성되어 전극을 전달하는 다수개의 실버 페이스트가 상호 연결 결합되고, 카본 페이스트와 실버 페이스트 상면에 소정의 두께와 너비의 얇은 층으로 덧 씌어져 코팅 경화된 절연성을 가진 합성수지재와, 점착과 접착성분으로 도포된 마감판이 적층 장착되어 구성됨을 특징으로 하는 인쇄스크린 인쇄에 의한 면상발열체가 개시되어 있다.

대한민국 특허 등록 제644089호에는 자동차 시트 및 등받이 내부에 설치되고 발열선이 내장된 자동차용 시트 및 등받이에 있어서, 시트 히터 쿠션 및 시트 히터 백으로 구성되고, 각각은 일정한 형태를 가진 내열성 부재에 평면으로 설치된 발열선으로 구성되며, 발열선 각각은 체중에 의한 끊어짐 방지를 위하여 연결 잭으로 결합되고, 시트 히터 쿠션 발열선의 다른 일측에 결합되어 발열선의 온도가 올라가면 저항값이 내려가는 네가티브 특성을 지닌 NTC(Negative Temperature Coefficient)가 구비되며, NTC 일측에 ECU(Electronic Control Unit)가 결합되고, ECU 일측 및 NTC 다른 일측에 결합되는 가변저항다단조절기가 구비되며, NTC 및 가 변저항다단조절기의 저항값에 의하여 연속적으로 전원이 ON-OFF가 되는 것이 특징인 발열선이 내장된 자동차 시트 등받이용 부재가 개시되어 있다.

종래기술들에서는 발열체로서 열선, 카본 등을 이용하였으며, 탄소나노튜브를 발열체로 적용한 예는 없었다.

본 발명의 목적은 탄소나노튜브를 발열체로 적용한 탄소나노튜브 발열시트를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 탄소나노튜브로 구성되는 발열층을 포함하는 발열시트를 제공한다.

본 발명에서는 탄소나노튜브(CNT: Carbon Nano Tube) 용액을 이용한 면상발열체를 적용함으로써, 기존의 카본 페이스트에서 발생된 온도상승에 따른 저항 증가로 판상의 합성수지재의 형상변화와 국부적인 저항변화로 화재가 발생되는 문제를 해결하고자 하였고, 자동차용 발열 원단으로 사용하기 위해 별도의 과전류 방지 장치인 ECU와 같은 부품 없이 CNT 소재의 PTC(Position Temperature Coefficient) 효과를 이용해 초기 온도상승 후 균형적인 온도가 유지되게 만들었다. 또한, 이축으로 연신된 PET나 OPS를 사용하여 필름 발열시 원단이 수축되거나 팽창되는 것을 방지시켜 저항 변화가 생기지 않게 하는 것이 특징이다.

본 발명에서는 자동차 용도로 사용되는 12 Volt에서 목표온도에 빠르게 도달한 후, 바이메탈과 같은 온도 조절기가 없어도 PTC 성질에 의해 균일한 온도를 유지하는 CNT 용액을 이용하였다. CNT는 기존 판상형 구조인 카본페이스트와는 달리, 긴 머리카락 구조를 뛰고 있어서 머리카락 구조의 수평 방향으로 전기가 잘 통하는 물질이다. 또한, 머리카락 한올 한올이 서로 뒤엉켜 연결된 구조로 전기가 통하게 되는 원리이므로 구부러진 상태에서도 저항변화가 크게 발생되지 않는다. 자동차용 시트 히터로 사용할 경우, 엉덩이 마찰이나 중력에 의해 히터가 구부려지게 되는데, 기존 제품에는 저항변화가 가장 큰 문제였으나, 본 발명 제품은 저항변화가 생기지 않는 특징이 있다.

본 발명에서는 전극층을 형성하는 은 페이스트 위에 CNT를 인쇄하여 별도의 산화방지층이 필요 없게 된다. 은 페이스트는 산화력이 뛰어난 특징이 있어서, 기존 제품은 스크린 인쇄 후 코팅 경화된 절연성 합성수지를 도포해야 했다.

탄소나노튜브는 탄소 6개로 이루어진 육각형들이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있는 신소재로서, 형태는 탄소 6개로 이루어진 육각형 모양이 서로 연결되어 관 모양을 이루고 있다. 관의 지름이 수 내지 수십 나노미터에 불과하여 탄소나노튜브라고 일컬어지게 되었다. 전기 전도도가 구리와 비슷하고, 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같으며, 강도는 철강보다 100배나 뛰어나다. 탄소섬유는 1%만 변형시켜도 끊어지는 반면 탄소나노튜브는 15%가 변형되어도 견딜 수 있다.

본 발명에서 탄소나노튜브로는 금속을 도핑한 탄소나노튜브를 사용할 수 있다. 금속-탄소나노튜브를 적용한 페이스트는 온도 저항계수가 거의 0에 가까우며, 반복적인 사용에도 저항수치의 변화가 없어서 신뢰성 확보가 용이하다. 탄소나노튜브에 금속을 도핑함으로써 정특성 서미스터(PTC) 성질을 구현할 수 있으며, 전류 흐름성도 좋아진다.

본 발명에서 탄소나노튜브의 도핑에 사용되는 금속은 은, 구리 등을 사용할 수 있으며, 전기전도도 및 전극과의 상용성 측면에서 은이 바람직하다.

본 발명의 제1실시 태양에 따른 발열시트는 위로부터 기재필름층, 전극층, 탄소나노튜브 발열층, 필름층, 점착제층, 보호재층으로 구성된다.

본 발명의 제2실시 태양에 따른 발열시트는 위로부터 기재필름층, 전극층, 탄소나노튜브 발열층, 필름층, 점착제층, 단열재층으로 구성된다.

본 발명에서 탄소나노튜브 발열층의 양측면에 구리 박막층이 형성되는 것이 바람직하다. 전기 전도성이 좋은 구리 동박을 사용하여 전류흐름을 보다 원활하게 시킬 수 있다. 구리 동박을 사용할 경우 기존 면상발열체에서 발생하는 불균일한 온도 분포를 해결할 수 있다.

본 발명에서 구리 박막층과 전극층 사이에는 전도성 점착제가 사용될 수 있다. 전도성 점착제를 사용하여 구리 박막층과 전극층간의 접촉저항을 최소화시킬 수 있으며, 이에 따라 구리 박막의 파손에 의해 구리 박막층과 전극층의 단절을 예방할 수 있다.

본 발명에서 기재필름층과 필름층은 난연 처방된 필름을 사용하여 난연 3급 이상의 난연성을 부여할 수 있다.

본 발명의 탄소나노튜브 발열시트는 자동차 사이드 거울, 시트 히터, 시트 방석, 전기 장판 등의 다양한 용도로 사용될 수 있다.

본 발명의 탄소나노튜브 발열시트는 발열면적이 넓어서 피가열체에 대한 열전달 효율이 우수하고 최고온도로의 승온시간도 빠르며, 머리카락 구조로 되어 서 로 엉켜 있는 구조라서 장기간 사용에 따른 내구성이 뛰어나고, 분자구조상 부분 단락이 발생하여도 연결되어 있는 접촉점이 많아 쇼트나 화재의 위험성이 없으며, 입자들이 붙어있지 않고 어느 정도 이격 거리가 발생하여도 섬유상 구조와 유사하여 전기가 통하는 전기적 네트 워크 현상을 유지함으로써 일반 카본의 함량에 비해 매우 적은 함량으로도 동등 이상의 성능을 구현하고 전기적 안정성도 보유하게 된다. 또한, 탄소나노튜브에 금속을 도핑할 경우 온도 저항계수가 거의 0에 가깝고 반복적인 사용에도 저항수치의 변화가 없어서 신뢰성 확보가 용이하며, 끊어지지 않는 전기적 네트워크 효과로 집열 현상에 의한 단락을 방지할 수 있고, 정특성 서미스터 성질을 구현할 수 있다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 2는 탄소나노튜브 발열체의 가열 메커니즘을 나타낸 도면으로, 도 1과는 대조적으로, 피가열체와 발열층의 접촉면이 전면이므로 피가열체에 대한 열전달 효율이 우수하고 최고온도로의 승온시간도 빠르다.

도 3은 탄소나노튜브의 도핑과정을 나타낸 도면으로, 탄소나노튜브와 금속 원자의 화학적 결합 특성을 나타낸 것이다. 탄소나노튜브를 산으로 처리하면 도 3의 첫 번째 도면처럼 탄소나노튜브의 말단에 기능기가 형성되며, 여기에 금속을 코팅하면 도 3의 두 번째 도면처럼 탄소나노튜브의 말단 기능기에 금속이온이 화학적으로 결합된다. 도 3의 세 번째 도면은 금속-도핑된 탄소나노튜브 분말의 모식도이다.

금속-탄소나노튜브를 적용한 페이스트는 온도 저항계수가 거의 0에 가까우며, 반복적인 사용에도 저항수치의 변화가 없어서 신뢰성 확보가 용이하다. 이는 단순히 음의 온도저항계수를 갖는 카본과 양의 온도저항계수를 갖는 금속의 혼합으로만 보정이 되는 것이 아니라, 탄소나노튜브 표면에 화학적 결합을 이용한 금속입자의 결합으로 상기와 같은 특성이 구현되는 것이다.

도 5는 탄소나노튜브의 전기적 네트워크 구조도로서, 탄소나노튜브에 금속을 도핑할 경우 끊어지지 않는 전기적 네트워크 효과로, 도 4에서와 같이 일반 카본을 사용했을 때 나타나는 반복되는 집열 현상에 의한 단락을 방지할 수 있다. 탄소나노튜브는 입자들이 붙어있지 않고 어느 정도 이격 거리가 발생하여도 섬유상 구조와 유사하여 전기가 통하는 전기적 네트 워크 현상을 유지함으로써, 일반 카본의 함량에 비해 매우 적은 함량으로도 동등 이상의 성능을 구현하고 전기적 안정성도 보유하게 된다.

탄소나노튜브는 머리카락 구조로 되어 서로 엉켜 있는 구조라서 장기간 사용에 따른 내구성이 뛰어나며, 분자구조상 부분 단락이 발생하여도 연결되어 있는 접촉점(Contact Point)이 많아 쇼트나 화재의 위험성이 없다.

도 6은 본 발명의 제1실시 태양에 따른 탄소나노튜브 발열시트의 단면도로서, 이 탄소나노튜브 발열시트는 위로부터 기재필름층(10), 전극층(20), 탄소나노튜브 발열층(30), 구리 박막층(40), 필름층(50), 점착제층(60), 보호재층(70)으로 구성된다.

기재필름층(10)은 전극층(20)의 인쇄 기재로서, 양방향으로 연신된(이축연 신) 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름 또는 오리엔티드 폴리스티렌(OPS) 필름을 사용할 수 있으며, 두께는 100 ㎛ 이하이다. 이축 연신 PET나 이축 연신 OPS를 기재로 사용하여 160℃까지 발열되는 제품의 용도로 사용할 수 있고, 또한 기재필름층(10)에 난연 처방을 별도로 하여 난연 3급도 확보하여 사용할 수 있다.

전극층(20)은 은 페이스트를 패턴 인쇄한 층으로, 기재필름층(10)보다 적은 넓이로 인쇄된다. 은 페이스트 전극 간의 간격, 넓이에 따라서 전류의 흐름을 조절하여 탄소나노튜브의 발열 온도 상승시간과 유지되는 시간을 결정할 수 있다.

탄소나노튜브 발열층(30)은 탄소나노튜브 잉크로 인쇄하고 건조한 층으로, 탄소나노튜브 잉크는 아크릴 등의 바인더, 분산제, 안정제로 구성되는 점성을 갖는 그라비아 인쇄용 잉크이며, 그라비아 인쇄를 하여 패턴을 형성한다.

탄소나노튜브로는 투명성을 요구하는 발열체를 만들 경우 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT)나 얇은 다중벽 탄소나노튜브(Thin MWCNT) 이용하고, 불투명해도 될 경우 MWCNT를 사용한다. 탄소나노튜브에 금속을 도핑함으로써 정특성 서미스터(PTC) 성질을 구현할 수 있고 전류 흐름성도 좋아진다. 탄소나노튜브의 농도, 코팅 두께를 조절하여 발열체의 포화온도(Saturated Temperature)를 결정할 수 있다.

구리 박막층(40)은 탄소나노튜브 발열층(30)의 양 측면에 구리 박막을 합지한 층이다. 전기 전도성이 좋은 구리 동박을 사용하여 전류흐름을 보다 원활하게 시킬 수 있다. 구리를 사용하지 않아도 큰 문제는 없지만, 구리 동박을 사용할 경우 기존 면상발열체에서 발생하는 불균일한 온도 분포를 해결할 수 있다. 또한, 구리 박막층(40)의 구리 부위와 전극층(20)의 은 페이스트간의 접촉저항을 최소화시 키기 위해 전도성 점착제를 사용할 수도 있는데, 이는 구리 박막층(40)의 파손에 의해 구리 박막층(40)과 전극층(20)의 단절을 예방하기 위함이다.

필름층(50)은 전극층(20)과 탄소나노튜브 발열층(30) 등을 보호하는 층으로, 기재필름층(10)과 동일한 필름을 사용하여 열 합지한다.

점착제층(60)은 아크릴계, 우레탄계, 에폭시계 점착제 등을 사용할 수 있다.

보호재층(70)은 점착제층(60)을 보호하는 층으로, 보호필름이나 보호종이를 합지한다.

도 7은 본 발명의 제2실시 태양에 따른 탄소나노튜브 발열시트의 단면도로서, 이 탄소나노튜브 발열시트는 위로부터 기재필름층(10), 전극층(20), 탄소나노튜브 발열층(30), 구리 박막층(40), 필름층(50), 점착제층(60), 단열재층(80)으로 구성된다.

기재필름층(10), 전극층(20), 탄소나노튜브 발열층(30), 구리 박막층(40), 필름층(50), 점착제층(60)은 도 6의 탄소나노튜브 발열시트와 동일하며, 보호재층(70) 대신 단열재층(80)이 적층된 구조이다.

단열재층(80)은 하부로 열이 누출되는 것을 방지하기 위한 층으로, 폴리우레탄(PU), 발포성 폴리스티렌(EPS), 발포성 폴리프로필렌(EPP) 등의 단열재를 사용할 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 발열시트의 평면도로서, 탄소나노튜브 발열층(30)이 지그재그 형태로 넓은 면적을 가지고 인쇄되므로 발열되는 면적이 넓어지며, 이에 따라 에너지 전달 효율이 증가된다. 도 8에 도시된 전극층(20), 탄소 나노튜브 발열층(30), 구리 박막층(40)의 패턴은 예시적인 것으로 다양하게 변경할 수 있다.

도 1은 종래 열선 발열체의 가열 메커니즘을 나타낸 도면이다.

도 2는 탄소나노튜브 발열체의 가열 메커니즘을 나타낸 도면이다.

도 3은 탄소나노튜브의 도핑과정을 나타낸 도면이다.

도 4는 일반 카본의 전기적 네트워크 구조도이다.

도 5는 탄소나노튜브의 전기적 네트워크 구조도이다.

도 6은 본 발명의 제1실시 태양에 따른 탄소나노튜브 발열시트의 단면도이다.

도 7은 본 발명의 제2실시 태양에 따른 탄소나노튜브 발열시트의 단면도이다.

도 8은 본 발명에 따른 탄소나노튜브 발열시트의 평면도이다.

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

10: 기재필름층

20: 전극층

30: 탄소나노튜브 발열층

40: 구리 박막층

50: 필름층

60: 점착제층

70: 보호재층

80: 단열재층

Claims (8)

1. 탄소나노튜브로 구성되는 발열층을 포함하는 발열시트.
2. 제1항에 있어서, 위로부터 기재필름층, 전극층, 탄소나노튜브 발열층, 필름층, 점착제층, 보호재층을 포함하는 발열시트.
3. 제1항에 있어서, 위로부터 기재필름층, 전극층, 탄소나노튜브 발열층, 필름층, 점착제층, 단열재층을 포함하는 발열시트.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소나노튜브가 금속을 도핑한 탄소나노튜브인 것을 특징으로 하는 발열시트.
5. 제4항에 있어서, 금속이 은인 것을 특징으로 하는 발열시트.
6. 제2항 또는 제3항에 있어서, 탄소나노튜브 발열층의 양측면에 구리 박막층이 형성된 것을 특징으로 하는 발열시트.
7. 제6항에 있어서, 구리 박막층과 전극층 사이에 전도성 점착제가 사용된 것을 특징으로 하는 발열시트.
8. 제2항 또는 제3항에 있어서, 기재필름층과 필름층이 이축 연신 필름인 것을 특징으로 하는 발열시트.

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