KR20120127904A - 발열 복합체, 및 이를 포함하는 가열장치와 정착장치 - Google Patents

Abstract

발열 복합체, 및 이를 포함하는 가열장치와 정착장치가 제시된다. 상기 발열 복합체는 탄소나노튜브와 산화철이 하이브리드화된 복합 입자를 포함함으로써, 산화철 나노입자 간의 뭉침 현상과 탄소나노튜브 간의 뭉침 현상을 방지하여 국부 발열을 감소시킬 수 있으며, 균일한 발열 효과 및 내열 안정성을 향상시킬 수 있다.

Description

발열 복합체, 및 이를 포함하는 가열장치와 정착장치{Heating composite, and heating apparatus and fusing apparatus including the same}

발열 복합체, 및 이를 포함하는 가열장치와 정착장치가 제시된다.

레이저 프린터, 복사기 등과 같은 인쇄장치에 있어서, 미세한 고체 분말인 토너를 종이 위에 옮겨 화상을 표시하는 인쇄 방식은 미세 분말을 잉크처럼 분사하는 것이 불가능하기 때문에 상대적으로 복잡한 일련의 인쇄 과정을 거치게 되는데, 크게 대전, 노광, 현상, 전사 및 정착과정을 통하여 원하는 화상을 용지에 인쇄하여 출력한다.

인쇄 과정에서 정착과정은 정전기적인 인력으로 용지에 전사된 토너 입자를 열과 압력을 가하여 고착시키는 과정으로, 통상 대향하는 한 쌍의 롤러, 즉 가압롤러와 히트롤러로 이루어지는 정착장치에 의해 수행된다. 이때 정착과정에서 열을 발생시키기 위하여 소모되는 전력소모량은 전체 전력소모량의 대부분을 차지한다.

정착기 표면이 정착에 필요한 온도에 빠르게 도달할수록 첫 인쇄가 이루어지는 시간(First Print Out Time, FPOT)은 짧아지는 효과가 있다. 그러나, 일반적인 프린터 정착기의 경우 상온에서 해당 정착 온도까지 올려서 인쇄를 시작하기에는 상당한 시간이 소요되기 때문에 토어의 종류에 따라 150 내지 180 ℃의 온도로 예열을 하고 있으며, 이는 프린터 유휴시에도 전력소모의 원인이 된다. 따라서, 정착기가 상온에서 정착온도까지 빠르게 승온시켜 인쇄 속도를 향상시키고, 이를 통하여 소비 전력을 낮출 수 있는 정착 시스템이 요구된다.

최근에는, 정착 과정에서의 전력 소모를 낮추기 위하여 저항 발열체를 이용하여 직접적으로 히트롤러를 가열하는 방법이 시도되고 있다. 그 중 저항 발열체의 전기 저항을 제어하는 방법의 하나로 탄소나노튜브를 매트릭스 폴리머 중에 분산시키는 방법이 제안되고 있다. 그러나, 저항 발열체의 내열성을 향상시키기 위하여 금속산화물 등의 무기물 필러를 동시에 투입할 경우, 무기물 필러 간의 뭉침 현상과 탄소나노튜브 간의 뭉침 현상이 존재하여 이들 물질들을 균일하게 분산시키기 어렵고, 불균일한 분산으로 인하여 국부 발열이 발생하여 저항 발열체의 물성을 저하시킨다는 문제가 있다.

본 발명의 한 측면은 국부발열을 감소시키고 균일한 발열 특성 및 내열 안정성을 향상시킬 수 있는 발열 복합체를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 측면은 상기 발열 복합체를 채용한 가열장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 측면은 상기 가열장치를 채용한 인쇄장치용 정착장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 한 측면에 따르면,

매트릭스 폴리머; 및

상기 매트릭스 폴리머 내에 분포된, 제1 탄소나노튜브와 제1 산화철이 하이드리드화된 복합 입자;를 포함하는 발열 복합체가 제공된다.

상기 제1 산화철은 Fe₃O₄, Fe₂O₃ 및 FeO로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 복합 입자는 제1 탄소나노튜브의 적어도 일단이 제1 산화철과 결합하고 있는 형태를 가질 수 있다. 상기 복합 입자는 예를 들어, 제1 탄소나노튜브가 제1 산화철을 촉매로 하여 이를 기반으로 성장하여 얻을 수 있다. 이 경우 제1 산화철은 평균 입경이 예를 들어 1nm 내지 100mm의 범위 내에서 선택될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 복합 입자는 상기 제1 산화철 표면에 복수의 제1 탄소나노튜브가 방사형으로 성장하여 결합하고 있을 수 있다.

제1 탄소나노튜브의 적어도 일단이 제1 산화철과 결합하고 형태의 복합 입자에서, 상기 제1 탄소나노튜브 상에 복수의 제2 산화철이 더 결합하고 있을 수 있다. 상기 제2 산화철은 평균 입경은 예를 들어 1 내지 50nm일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 복합입자는 제1 탄소나노튜브의 측면벽 상에 제1 산화철이 결합하고 있는 형태를 가질 수 있다. 이 경우는, 탄소나노튜브의 측면에 산화철 입자가 물리적 혹은 화학적으로 결합을 한 상태인 하이브리드 복합 입자로서, 이 경우의 제1 산화철의 평균입경은 특별히 중요하지는 않으나, 예를 들면 제1 탄소나노튜브의 측면벽 상에 결합된 제1 산화철의 평균 입경은 1nm 내지 50 nm일 수 있다.

상기 복합 입자에서 제1 탄소나노튜브는 길이가 10nm 내지 10 mm이고, 직경이 1nm 내지 50nm 일 수 있다. 또한, 상기 제1 탄소나노튜브의 종횡비는 100 내지 1,000,000일 수 있다.

상기 복합 입자에서 제1 산화철의 함량은, 제1 탄소나노튜브 100중량부를 기준으로 1 내지 10,000 중량부일 수 있다.

상기 복합입자의 함량은 매트릭스 폴리머 100 중량부에 대하여 1 내지 500 중량부일 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 발열 복합체는 제2 탄소나노튜브를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면,

기재; 및

상기 기재에 배치된 상기 발열 복합체;를 포함하는 가열장치가 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면,

상기 가열장치; 및

상기 가열장치에 대향하여 배치되는 가압장치;를 포함하는 인쇄장치용 정착장치가 제공된다.

상기 발열 복합체는 탄소나노튜브와 산화철이 하이브리드화된 복합 입자를 포함함으로써, 산화철 나노입자 간의 뭉침 현상과 탄소나노튜브 간의 뭉침 현상을 방지하여 국부 발열을 감소시킬 수 있으며, 균일한 발열 효과 및 내열 안정성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 탄소나노튜브와 무기물 필러를 각각 함유하는 저항 발열체에서 발생할 수 있는 국부 발열 현상을 개략적으로 보여주는 모식도이다.
도 2 내지 도 4는 일 실시예에 따른 발열 복합체에 사용될 수는 하이브리드화된 복합 입자의 형태들을 도시한 것이다.
도 5는 일 실시예에 따른 발열 복합체에서 제1 산화철로부터 방사형으로 성장한 제1 탄소나노튜브를 포함한 복합 입자와 제2 탄소나노튜브가 분산된 형태를 보여주는 모식도이다.
도 6은 제조예 1에서 제조한 하이브리드 복합 입자의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope: SEM) 사진이다.
도 7은 실시예 1에서 제조된 발열 복합체의 발열 특성을 측정한 결과이다.
도 8은 비교예 1에서 제조된 발열 복합체의 발열 특성을 측정한 결과이다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시 형태에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 일 구현예에 따른 발열 복합체는,

매트릭스 폴리머; 및

상기 매트릭스 폴리머 내에 분포된, 제1 탄소나노튜브와 제1 산화철이 하이드리드화된 복합 입자;를 포함한다.

기존 레이저 프린터의 정착장치가 내부에서 할로겐 램프 등에 의해 발생된 열이 표면으로 전달되는 기존 방식과는 달리, 상기 발열 복합체는 정착장치 표면에서 직접 발열할 수 있는 저항 발열체로서, 열전달에 의한 열손실을 최소화하고, 동시에 빠른 승온속도를 얻을 수 있다.

상기 발열 복합체는 매트릭스 폴리머 내에 제1 탄소나노튜브와 제1 산화철이 하이브리드화된 복합입자가 분포되어 있다. 상기 복합입자는 제1 탄소나노튜브와 제1 산화철이 다양한 방식으로 결합된 형태를 가질 수 있다. 이에 대해서는 후술하기로 한다. 상기 복합입자에서, 제1 산화철은 Fe₃O₄, Fe₂O₃ 및 FeO로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 또한, 상기 제1 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 다발형 탄소나노튜브 등 다양한 종류의 탄소나노튜브일 수 있으며, 이들이 단독으로 또는 2 이상 혼합된 형태로 제1 산화철과 하이브리드화될 수 있다.

알려진 바와 같이, 탄소나노튜브는(CNT)는 뛰어난 기계적 강도, 열전도성 및 화학적 안정성을 지니고 있는 우수한 나노소재이다. 탄소나노튜브는 단위부피당 열용량이 약 0.9 J/cm³?K 으로, 다른 전도성 필러 재료, 예컨대, 스테일레스 스틸의 경우 단위부피당 열용량이 약 3.6 J/cm³?K 인 것에 비하여 매우 낮고, 열전도도가 3,000 W/m?K 이상으로 매우 우수하기 때문에, 기존의 일반적인 전도성 필러 재료보다 승온 효율이 매우 우수하다.

그러나, 탄소나노튜브와 함께 저항 발열체의 내열성을 향상시키기 위한 금속산화물 등의 무기물 필러를 동시에 사용할 경우, 무기물 필러 간의 뭉침 현상과 탄소나노튜브 간의 뭉침 현상이 존재한다. 도 1은 탄소나노튜브와 무기물 필러를 각각 함유하는 저항 발열체에서 발생할 수 있는 국부 발열 현상을 개략적으로 보여주는 모식도이다.

도 1에서 보는 바와 같이, 종래 저항 발열체에서는 탄소나노튜브와 무기물 필러가 서로 균일하게 혼합되지 않고, 탄소나노튜브는 탄소나노튜브끼리 서로 엉켜서 뭉쳐 있고, 무기물 필러는 입자가 균일하게 분산되지 못하고 무기물 필러 입자들끼리 뭉쳐 있는 경향을 갖는다. 이러한 저항 발열체에 전기를 공급하면 탄소나노튜브가 뭉쳐진 곳에서만 국부적으로 발열하며 저항 발열체의 물성을 떨어뜨릴 수 있다.

이에 반하여, 본 발명의 일 측면에 따른 발열 복합체는 제1 탄소나노튜브와 제1 산화철이 하이브리드화되어 있는 복합 입자를 포함함으로써, 제1 탄소나노튜브와 제1 산화철이 매트릭스 폴리머 내에 균일하게 분산되는 효과를 가져올 수 있고, 이로 인하여 발열 복합체 전체적으로 균일한 발열 특성과 내열성 향상을 가져올 수 있다.

도 2 내지 도 4는 일 실시예에 따른 발열 복합체에 사용가능한 하이브리드화된 복합 입자의 형태들을 도시한 것이다. 도 2 및 도 3은 제1 탄소나노튜브의 적어도 일단이 제1 산화철과 결합하고 있는 형태를 나타낸다. 도 4는 제1 탄소나노튜브 상에 제1 산화철이 분포되어 결합하고 있는 형태를 나타낸다. 그러나, 제1 탄소나노튜브와 제1 산화철이 결합되는 방식은 도 2 내지 도 4에 도시한 형태들로 특별히 한정되는 것은 아니고, 다양한 형태로 하이브리드화될 수 있다.

도 2 및 도 3에 도시한 형태의 복합 입자(10)는, 예를 들어 제1 산화철(11)을 촉매로 하여 이를 기반으로 제1 탄소나노튜브(12)를 직접 성장시킴으로써 얻을 수 있다. 상기 제1 산화철(11)은 제1 탄소나노튜브(12) 성장의 개시점이 되는 촉매 물질로서 입자 형태를 가질 수 있다. 상기 제1 산화철(11)로는 Fe₃O₄, Fe₂O₃, FeO와 같이 다양한 산화수를 갖는 산화철을 사용할 수 있으며, 이들 중 1종을 단독으로 사용하거나 2종 이상을 조합하여 사용하는 것도 가능하다. 예를 들어, 상기 제1 산화철(11)은 Fe₂O₃ 일 수 있다.

상기 제1 산화철(11)은 그 내부에 이종의 무기질 또는 유기질 코어를 포함할 수 있다. 상기 무기질 또는 유기질 코어로는, 예를 들어 Ca, Mg, Zn, Al, Fe, P, N, C, Ti, Si, Au, Ag, Pb, Pt, Ru, Ni, Co, Mn, 이들의 합금, 이들의 산화물, 이들의 수산화물, 이들의 황산화물, 이들의 탄산염, 이들의 유기산염 등을 들 수 있고, 이들 외에도 미결정실리카, 흄드실리카, 천연제오라이트, 합성 제오라이트, 벤토나이트, 활성백토, 탈크, 카오린, 운모, 규조토, 크레이 등의 무기질 광물질을 코어로 사용하는 것도 가능하다. 이들 중 1종 또는 2종 이상이 제1 산화철(11)의 코어 물질로 포함될 수 있다.

상기 제1 산화철(11)은 표면의 일부가 국부적으로 환원되면서, 환원된 지점으로부터 제1 탄소나노튜브(12)가 성장할 수 있다. 제1 산화철(11)은 그 입자 크기를 제어함으로써 제1 탄소나노튜브(12)의 직경을 용이하게 제어할 수 있는데, 제1 산화철(11)의 평균 입경은 예를 들어 1nm 내지 100mm의 범위 내에서 선택될 수 있다. 제1 산화철(11)의 평균 입경이 작게는 1nm 이상, 크게는 200nm 이상의 것도 가능하나, 바람직하게는 1nm 내지 100nm일 수 있고, 보다 바람직하게는 2nm 내지 20nm의 평균 입경을 갖는 제1 산화철을 사용할 수 있다.

도 2와 같이 제1 산화철(11)에서 하나의 제1 탄소나노튜브(12)가 성장한 형태, 및 도 3과 같이 제1 산화철(11) 표면에 복수의 제1 탄소나노튜브(12)가 방사형으로 성장한 형태의 복합 입자(10)에 있어서, 각각의 제1 탄소나노튜브(12)는 적어도 그 성장이 시작된 일단에서 제1 산화철(11)의 표면과 화학적 혹은 물리적 결합을 하고 있으며, 제1 탄소나노튜브(12)의 성장 말단은 통상 자유단이다. 그러나, 제1 탄소나노튜브(12)의 양단이 제1 산화철 표면과 결합하고 있어도 무방하다. 한편, 도 2와 같이 제1 산화철(11)에서 하나의 제1 탄소나노튜브(12)가 성장한 형태에 있어서는, 제1 산화철(11)과 결합부를 형성하고 있는 제1 탄소나노튜브(12)의 일단은 마치 플러렌의 공모양처럼 둥근 케이지를 형성하면서 제1 산화철(11)을 그 안에 캡슐화할 수도 있다.

도 2와 같이 제1 산화철(11)에서 하나의 제1 탄소나노튜브(12)를 성장시킨 복합 입자(10)의 경우, 제1 산화철(11)의 평균 입경은 예를 들어 1nm 내지 20nm 범위일 수 있으나, 특별히 이에 제한되는 것은 아니다.

도 3과 같이 제1 산화철(11)에서 복수의 제1 탄소나노튜브(12)를 다방향으로 성장시킨 복합 입자(10)의 경우, 복수의 제1 탄소나노튜브(12)가 제1 산화철 표면에 결합될 수 있도록 제1 산화철(11)의 입자 크기가 도 2의 경우보다 큰 것이 바람직하다. 예를 들어, 이러한 형태의 복합입자(10)에서 제1 산화철(11)의 평균입경은 1nm 내지 100mm 범위일 수 있다.

복합 입자의 또 다른 예로서, 제1 탄소나노튜브 상에 제1 산화철이 분포되어 결합된 것을 들 수 있다. 도 4에서 보는 바와 같이, 복합 입자(10)는 제1 탄소나노튜브(12)의 측면벽에 미세한 제1 산화철 입자(11)가 형성될 수 있다. 이러한 형태의 복합입자(10)는, 예를 들어 간단한 화학적 침전법을 통하여 합성될 수 있다. 제1 탄소나노튜브(12) 상에 분포된 제1 산화철(11)의 평균입경은 예를 들어 1nm 내지 50nm 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 측면에 따른 발열 저항체에 사용된 복합 입자에서, 제1 탄소나노튜브와 제1 산화철이 결합되는 방식은 도 2 내지 도 4에 도시한 형태들로 특별히 한정되는 것은 아니고, 다양한 형태로 하이브리드화될 수 있다. 예를 들어, 도 2 내지 도 4의 형태가 복합된 형태로서, 제1 산화철을 촉매로 하여 이로부터 단일한 제1 탄소나노튜브를 성장시키거나, 또는 복수의 제1 탄소나노튜브를 방사형으로 성장시킨 다음, 상기 제1 탄소나노튜브 상에 5 nm 이하의 미세한 제2 산화철을 분산시켜 결합한 형태도 가능하다. 상기 제2 산화철은 Fe₃O₄, Fe₂O₃ 및 FeO로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있으며, 제2 산화철의 평균 입경은 예를 들어, 1 내지 50 nm 일 수 있다.

상기 복합 입자에서 제1 산화철의 함량은, 제1 탄소나노튜브의 종류, 사용량, 및 제1 탄소나노튜브와의 결합형태에 따라 달라질 수 있으나, 일반적으로는 제1 탄소나노튜브 100 중량부에 대하여 1 내지 10,000 중량부의 범위로 사용될 수 있으며, 요구되는 내열 안정성에 따라 상기 범위 내에서 제1 산화철의 함량을 적절히 조절할 수 있다.

상기 복합 입자에서 제1 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 다발형 탄소나노튜브 등 다양한 종류의 탄소나노튜브일 수 있으며, 이들이 단독으로 또는 2 이상 혼합된 형태로 제1 산화철과 하이브리드화될 수 있다. 상기 제1 탄소나노튜브는 길이가 10nm 내지 10mm이고, 직경이 1nm 내지 50nm 일 수 있으며, 상기 제1 탄소나노튜브의 종횡비는 100 내지 1,000,000일 수 있다. 예를 들어, 제1 탄소나노튜브의 종횡비는 일반적으로 1,000 이상일 수 있으며, 높은 전기전도도를 위해서 종횡비가 100,000 이상일 수도 있다. 제1 탄소나노튜브와 제1 산화철과의 하이브리드화되는 결합형태에 따라, 제1 탄소나노튜브의 길이, 직경 등은 상기 범위 내에서 조절할 수 있다.

상기 발열 복합체에서, 상기 복합 입자의 함량은 특별히 한정되는 것은 아니나, 효과적으로 발열 특성을 나타낼 수 있고, 기본적으로 제1 탄소나노튜브가 포함된 복합 입자가 매트릭스 폴리머 내에 균일하게 분산될 수 있도록 하기 위하여, 매트릭스 폴리머 100 중량부에 대하여 1 내지 500 중량부로 포함될 수 있다. 보다 구체적으로 예를 들면, 상기 복합 입자의 함량은 매트릭스 폴리머 100 중량부에 대하여 10 내지 300 중량부일 수 있다.

이때, 상기 발열 복합체에 사용되는 매트릭스 폴리머로는 상기 복합 입자를 분산시킬 수 있는 것이라면 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 천연고무, 에틸렌 프로필렌 디엔 모노머 고무(ethylene propylene diene monomer rubber, EPDM rubber), 스티렌 부타디엔 고무(styrene butadiene rubber, SBR), 부타디엔 고무(butadiene rubber, BR), 니트릴 고무(nitrile butadiene rubber, NBR), 이소프렌 고무(isoprene rubber), 폴리이소부틸렌 고무(polyisobutylene rubber) 등의 합성고무, PDMS(polydimethyl siloxane) 등의 실리콘 고무, 플루오로실리콘, 실리콘계 수지 플루오로엘라스토머 등을 사용할 수 있다. 이들 매트릭스 고분자는 1종 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 발열 복합체는 제2 탄소나노튜브를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브, 다발형 탄소나노튜브 등 다양한 종류의 탄소나노튜브일 수 있으며, 이들 중 1종 또는 2 이상을 혼합하여 사용하는 것이 가능하다. 제2 탄소나노튜브는 매트릭스 폴리머에 분산된 복합입자 사이에 분산되어 제1 탄소나노튜브 사이에 전기적 연결 통로를 제공할 수 있으며 이에 의하여 발열 복합체의 전기전도성을 보다 향상시킬 수 있다. 도 5는 제1 산화철(11)을 촉매로 하여 이로부터 복수의 제1 탄소나노튜브(12)가 방사형으로 성장한 복합 입자(10)와 추가적으로 첨가된 제2 탄소나노튜브(20)가 매트릭스 폴리머(30) 내에 분산되어 있는 모습을 모식적으로 도시한 것이다. 도 5를 예를 들어 설명하면, 제2 탄소나노튜브(20) 중 일부는 복합 입자(10)에 결합된 제1 탄소나노튜브(12)를 서로 연결해 주고 있으며, 이에 의하여 복합 입자(10) 간의 전기적 네트워크가 강화될 수 있다.

제2 탄소나노튜브의 함량은 매트릭스 폴리머 100 중량부에 대하여 1 내지 10,000 중량부 범위일 수 있다.

상기 발열 복합체는 발열효과를 손상시키지 않는 범위에서 필요에 따라 적당한 첨가제, 예를 들면, 내산화 안정제, 내후 안정제, 대전 방지제, 염료, 안료, 분산제, 커플링제 등을 배합할 수도 있다.

상기 발열 복합체는 예를 들어, 상기 복합 입자 및 매트릭스 폴리머 성분을 포함하는 발열 복합체 형성용 조성물을 스핀코팅, 디핑 코팅, 스프레이 코팅, 롤코팅, 바코팅, 압출, 사출, 압축성형법 (프레스법), 캘린더링 등의 공지된 방법 중 1종 또는 2종 이상의 공정을 순차적으로 적용함으로써, 일정 두께로 도포한 후 특정 온도에서 경화시켜 박막 형태의 면상발열체로서 얻어질 수 있다.

상기 발열 복합체는 제1 탄소나노튜브와 제1 산화철이 서로 결합되어 하이브리드화된 복합 입자에 의하여 매트릭스 고분자 내에 제1 탄소나노튜브끼리 서로 뭉치거나, 제1 산화철끼리 서로 뭉칠 가능성이 없으며, 발열 복합체 내에 균일하게 분산되어 국부 발열 효과를 억제하면서 균일한 발열 효과 및 내열 안정성을 가져올 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 가열 장치는, 기재; 및 상기 기재에 배치된 상술한 발열 복합체를 포함한다. 상기 가열장치는 레이저 프린트, 복사기 등의 인쇄장치에 있어서 정착 시스템의 구조에 따라 롤러 형태 또는 벨트 형태로 이루어질 수 있다.

상기 기재는 가열장치가 롤러 형태 또는 벨트 형태이냐에 따라 구조적인 형태가 달라질 수 있으며, 기재로 사용할 수 있는 재료로는 정착 시스템의 통상적인 사용 온도에서 기계적 물성이 유지되는 재료라면 특별히 한정되지 않는다.

일반적으로 상기 기재로는 금속제 파이프 또는 고내열성 플라스틱 등을 사용할 수 있다. 고내열성 플라스틱의 예로는, PPS(polyphenylene sulfide), 폴리아미드-이미드(polyamide-imide), 폴리이미드(polyimide), 폴리케톤(polyketone), PPA(polyphthalamide), PEEK(polyether-ether-ketone), PES(polythersulfone), PEI(polyetherimide)등의 고온에서도 기계적 특성이 우수한 플라스틱 등을 들 수 있다.

금속제 파이프와 같이 도전성 기재를 사용할 경우, 기재와 발열층을 전기적으로 절연시키기 위하여, 기재와 발열층 사이에 절연층을 더 배치하는 것이 바람직하다. 그러나, 고내열성 플라스틱과 같은 비도전성 기재를 사용하는 경우에는 기재와 발열층 사이에 절연층을 더 배치하지 않아도 된다. 절연층 재료로는 절연성 물질이라면 특별히 한정되지 않고 사용될 수 있으며, 예를 들어, 전술한 고내열성 플라스틱도 절연층의 재료로서 채용될 수 있다. 또, 단열특성을 가지도록 하기 위하여 절연층의 재료로서 스펀지(sponge)나 폼(foam) 형태의 폴리머가 채용될 수도 있다.

상기 발열 복합체는 매트릭스 폴리머 및 상기 매트릭스 폴리머 내에 분포된 제1 탄소나노튜브와 제1 산화철이 하이브리드화된 복합 입자를 포함하며, 상기 발열 복합체에 대해서는 전술한 바와 같으므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

상기 발열층의 외각에는 용지 위의 토너가 가열장치의 표면으로 옮겨붙는 오프셋(offset)을 방지하도록 이형층을 더 배치할 수 있다. 이형층으로는 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 등의 플루오로폴리머(fluoropolymer) 계 재료를 사용할 수 있다.

상기 가열장치는 기재에 배치된 발열 복합체에 전원이 인가될 경우 전류에 의한 주울 가열을 통하여 표면에서 직접 열이 발생되기 때문에, 내부에서 할로겐 램프 등에 의해 발생된 열을 간접적으로 전달하는 기존 방식과는 달리, 열전달에 의한 열손실을 최소화할 수 있고, 균일한 발열 효과를 통하여 빠른 승온속도를 얻을 수 있다. 이에 의하여 인쇄 속도가 향상되는 정착 시스템을 구현할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 인쇄장치용 정착장치는 상기 가열장치 및 상기 가열장치에 대향하여 배치되는 가압장치를 포함한다. 상기 정착장치는 레이저 프린터, 복사기 등의 인쇄장치에 사용될 수 있다.

이하에서, 본 발명을 하기 실시예를 들어 예시하기로 하되, 본 발명의 보호범위가 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.

제조예 : 하이브리드 복합 입자의 제조

화학기상증착법을 이용하여 Fe₃O₄ 상에 탄소나노튜브를 성장시킨 하이브리드화된 복합 입자를 제조하였다. Fe₃O₄ 입자를 알루미나 기판상에 균일하게 분포시킨 후, 아세틸렌 (C₂H₂)을 카본 소스 (source)로 사용하고, 아르곤을 캐리어 가스(carrier gas)로서 사용하여, 아세틸렌과 아르곤의 비가 200:500 sccm으로 공급하였다. 이 때 공정압력은 10 Torr 이었다. 나노튜브 성장을 위해 약 650℃로 유지하였다.

SEM을 이용하여 관찰한 이 입자의 이미지를 도 6에 나타내었다. 이 때 사용된 Fe₃O₄ 입자의 평균 입경은 5 mm 이었으며, 성장된 나노튜브의 평균직경은 40 nm 였다. Fe₃O₄ 1.0g을 사용하여 최종적으로 1.3g의 하이브리드 CNT-Fe₃O₄ 복합입자를 얻었다.

실시예 1: 발열 복합체의 제조

상기 제조예에서 제조된 하이브리드 복합 입자를 3.0g의 silicone rubber에 three roll milling을 이용하여 분산시켰다. 초기 분산은 롤러간 압력을 0.5 MPa로 설정하여 4회 밀링하였으며, 이후 롤러간 압력을 1.0 MPa로 설정하여 3회 밀링하였다. 균일한 두께 (300 mm)로 60 mm × 50 mm 면적의 필름을 유리 기판상에 제작하였으며, 200℃ 상압에서 4시간 경화하여 발열체를 제작하였다.

비교예 1: 발열 복합체의 제조

발열균일도 비교를 위해, 하이브리드 입자를 형성할 때와 동일한 분위기에서 Fe 촉매를 이용하여 성장된 다중벽 탄소나노튜브 0.3g와 Fe₃O₄ 1.0g을 실리콘 고무에 혼합하여, 동일한 성형공정을 이용하여 단순 혼합한 CNT 및 Fe₃O₄ 복합재료 발열체를 제작하였다.

평가예 1: 발열균일도 평가

상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 발열 복합체의 발열 특성을 측정하기 위하여, 양단 전극에 110V를 인가하고 온도가 정상상태 (steady state)에 도달하였을 때 온도 분포를 측정하였으며, 그 결과를 도 9 및 10에 나타내었다.

도 8 및 도 9에서 보는 바와 같이, 하이브리드 복합 입자를 함유한 실시예 1의 발열 복합체가 탄소나노튜브와 Fe₃O₄를 단순 혼합한 비교예 1보다 온도 분포가 균일한 것을 알 수 있다. 전압이 인가될 때, 발열체의 가운데 부분의 온도가 가장 높고 가장자리고 갈수록 온도가 낮아지며, 등온선이 대칭적으로 형성되어야 발열균일도가 우수한 것이다. 실시예 1의 경우 비교적 그 경향을 잘 따르나, 비교예 1의 경우는 가운데보다 다른 곳에서 온도가 가장 높고 등온선 또한 대칭적이지 않음을 관찰할 수 있었다.

이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현 예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

10: 복합 입자 11: 제1 탄소나노튜브
12: 제1 산화물 20: 제2 탄소나노튜브

Claims (23)

1. 매트릭스 폴리머; 및
   상기 매트릭스 폴리머 내에 분포된, 제1 탄소나노튜브와 제1 산화철이 하이드리드화된 복합 입자;를 포함하는 발열 복합체.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 산화철은 Fe₃O₄, Fe₂O₃ 및 FeO로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 발열 복합체.
3. 제1항에 있어서,
   상기 복합입자에서, 상기 제1 탄소나노튜브의 적어도 일단이 상기 제1 산화철과 결합하고 있는 발열 복합체.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 탄소나노튜브가 상기 제1 산화철을 촉매로 하여 이를 기반으로 성장한 것인 발열 복합체.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1 산화철 표면에 복수의 제1 탄소나노튜브가 다방향으로 성장하여 결합하고 있는 발열 복합체.
6. 제3항에 있어서,
   상기 제1 산화철은 평균 입경이 1nm 내지 100μm인 발열 복합체.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1 산화철은 내부에 이종의 무기질 또는 유기질 코어를 포함하는 발열 복합체.
8. 제7항에 있어서,
   상기 코어는 Ca, Mg, Zn, Al, Fe, P, N, C, Ti, Si, Au, Ag, Pb, Pt, Ru, Ni, Co, Mn, 이들의 합금, 이들의 산화물, 이들의 수산화물, 이들의 황산화물, 이들의 탄산염, 이들의 유기산염, 미결정실리카, 흄드실리카, 천연제오라이트, 합성 제오라이트, 벤토나이트, 활성백토, 탈크, 카오린, 운모, 규조토 및 크레이로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 발열 복합체.
9. 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 탄소나노튜브 상에 복수의 제2 산화철이 결합하고 있는 발열 복합체.
10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 산화철은 Fe₃O₄, Fe₂O₃ 및 FeO로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 발열 복합체.
11. 제9항에 있어서,
    상기 제2 산화철은 평균 입경이 1nm 내지 50nm인 발열 복합체.
12. 제1항에 있어서,
    상기 복합입자에서, 상기 제1 탄소나노튜브의 측면벽 상에 상기 제1 산화철이 결합하고 있는 발열 복합체.
13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 산화철은 평균 입경이 1nm 내지 50nm 인 발열 복합체.
14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 탄소나노튜브는 길이가 10nm 내지 10mm이고, 직경이 1nm 내지 50nm 인 발열 복합체.
15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 탄소나노튜브의 종횡비는 100 내지 1,000,000인 발열 복합체.
16. 제1항에 있어서,
    상기 제1 산화철의 함량은, 제1 탄소나노튜브 100중량부를 기준으로 1 내지 10,000 중량부인 발열 복합체.
17. 제1항에 있어서,
    상기 복합입자의 함량은 매트릭스 폴리머 100 중량부에 대하여 1 내지 500 중량부인 발열 복합체.
18. 제1항에 있어서,
    상기 매트릭스 폴리머는 천연고무, 실리콘 고무, 플루오로실리콘, 플루오로엘라스토머 및 합성고무로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나인 발열 복합체.
19. 제1항에 있어서,
    상기 발열 복합체는 제2 탄소나노튜브를 더 포함하는 발열 복합체.
20. 기재; 및
    상기 기재에 배치된 제1항에 따른 발열 복합체;를 포함하는 가열 장치.
21. 제20항에 있어서,
    상기 가열장치는 롤러 형태 또는 벨트 형태를 갖는 가열장치.
22. 제20항에 따른 가열장치; 및
    상기 가열장치에 대향하여 배치되는 가압장치;를 포함하는 인쇄장치용 정착장치.
23. 제22항에 있어서,
    상기 인쇄장치는 레이저 프린터인 정착장치.

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