KR20140012265A - 내식성 방열소재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내식성 방열소재에 관한 것으로, 탄소나노튜브층과 직조된 탄소섬유층이 결합 된 것을 특징으로 하며, 상기 탄소나노튜브층은 수지 또는 실리콘과 탄소나노튜브가 매트릭스를 이룰 수 있고, 상기 탄소나노튜브층과 상기 탄소섬유층의 사이에 수지층을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 열전도가 우수하며 종래의 Ti 소재보다 저렴한 카본-카본 복합소재를 사용하여 해수와의 접촉에도 부식되지 않는 방열소재를 제공함으로써, 보다 저가의 해수용 방열판 제공할 수 있는 효과가 있다. 또한 해수와의 접촉에도 부식되지 않아 방열판의 수명을 향상시킬 수 있으며, 금속 소재에 비하여 경량의 방열판을 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

내식성 방열소재{Heat exchanger materials to prevent corrosion}

본 발명은 내식성 방열소재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 해수 등의 염분에 대하여 내식성을 가지며 높은 열전도도를 가지는 내식성 방열소재에 관한 것이다.

일반적으로 대형 선박에서는 냉각수의 원활한 공급을 위하여 해수를 펌핑하여 냉각수로 사용하고 있다. 즉 엔진에서 발생된 열을 해수와 열교환시켜 냉각시키고 있다.

그리고 화력발전소 등에서는 해수를 가열하여 증기를 얻어 터어빈을 회전시켜 발전하는 방식을 채택하는 경우도 있으며, 필요에 따라 해수를 담수로 변환하는 해수 담수화 장치를 사용할 수 있다.

상기 해수 담수화 장치는 해수를 공급받아 가열하여 담수로 변환하는 장치이며, 상기 화력발전소 외에 여러 응용 분야에 적용될 수 있다.

위에서 언급된 장치들의 공통점은 염분을 포함하는 해수를 유입하여, 직접 방열판에 접촉시키는 냉각수로 사용하거나, 담수인 냉각수와 방열판을 사이에 두고 접촉시켜 냉각수를 냉각시키는 역할을 하고 있다.

이때 해수는 염분과 기타 해양 생물 등 이물을 포함할 수 있으며, 상대적으로 저가의 알루미늄 합금 등을 해수와 접촉되는 방열판으로 사용하는 경우 방열판이 쉽게 부식되는 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 Ti를 주성분으로 하는 방열판 관련 특허가 제안되었다. 등록특허 10-0718071호에는 희소하고, 가공이 용이하지 않은 Ti를 가공하는 방법에 대하여 기재되어 있으며, 그 가공방법으로 Ti를 해수 열교환기가 적용되는 선박의 열교환기나 해수 담수화기 등에 적용할 수 있음을 기재하고 있다.

그러나 등록특허 10-0718071호에 기재하고 있는 바와 같이 Ti는 해수에 의한 부식이 잘 일어나지 않는 특징이 있으나, 희소한 금속으로 가격이 매우 비싼 단점이 있다.

특히 대형 선박이나 화력발전소, 해수 담수화 장치에 적용되는 열교환판은 대형이며 Ti로 대형의 열교환판 전체를 제작하는 것은 비용이 너무 많이 소요되는 문제점을 가지고 있다.

또한 Ti는 열전도율이 알루미늄 합금 등의 금속에 비하여 더 낮으며, 따라서 열교환 특성이 상대적으로 낮은 문제점을 가지고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 과제는, 해수에 대한 내부식성이 강하며, 열전도율이 우수한 내식성 방열소재를 제공함에 있다.

상기와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명 내식성 방열소재는, 탄소나노튜브층과 직조된 탄소섬유층이 결합된 것을 특징으로 하며, 상기 탄소나노튜브층은 수지 또는 실리콘과 탄소나노튜브가 매트릭스를 이룰 수 있고, 상기 탄소나노튜브층과 상기 탄소섬유층의 사이에 수지층을 더 포함할 수 있다.

본 발명은, 열전도가 우수하며 종래의 Ti 소재보다 저렴한 카본-카본 복합소재를 사용하여 해수와의 접촉에도 부식되지 않는 방열소재를 제공함으로써, 보다 저가의 해수용 방열판 제공할 수 있는 효과가 있다. 또한 해수와의 접촉에도 부식되지 않아 방열판의 수명을 향상시킬 수 있으며, 금속 소재에 비하여 경량의 방열판을 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내부식성 방열소재의 단면 구성도이다.
도 2는 도 1에서 탄소섬유층의 일실시 평면 구성도이다.
도 3은 본 발명에 의해 제작된 방열판과 다른 재료들의 열전도 비교 그래프이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내부식성 방열소재의 단면 구성도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내부식성 방열소재의 단면 구성도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내부식성 방열소재에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내부식성 방열소재의 단면 구성도이다.

도 1을 참조하면 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내부식성 방열소재는, 탄소나노튜브층(10)과, 상기 탄소나노튜브층(10) 상의 수지층(20)과, 상기 수지층(20)의 상부에 위치하는 탄소섬유층(30)을 포함하여 구성된다.

상기 탄소나노튜브층(10)은 단일벽 또는 다중벽 탄소체를 사용할 수 있다.

아래에서는 상기와 같이 구성되는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내부식성 방열소재의 구성과 작용에 대하여 보다 상세히 설명한다.

먼저, 탄소나노튜브층(10)은 그 자체가 에폭시나 실리콘 또는 아크릴과 혼합된 판의 형태일 수 있다.

알려진 바와 같이 탄소나노튜브는 에폭시나 아크릴과 같은 수지 또는 실리콘에서 높은 분산성을 가지며, 탄소나노튜브가 분산된 수지나 실리콘을 경화시켜 탄소나노튜브층(10)을 얻을 수 있게 된다.

상기 탄소나노튜브의 열전도도는 1,800 내지 6,000W/mk를 가지는 것으로, 그 탄소나노튜브가 필러로 사용된 폴리머에 대한 연구(고분자과학과 기술 제 18 권 6 호 2007년 12월, p.543~548)을 참고하면 탄소나노튜브를 에폭시에 분산시킨 결과 상온에서 125%의 열전도 개선이 있음이 알려져 있다.

또한 탄소나노튜브층(10)은 높은 기계적인 강성을 가지고 있어, 본 발명의 방열소재의 강성을 유지하는 역할을 하게 된다. 따라서 이를 이용하여 해수용의 열교환기를 제작하는 경우 해수에 의한 부식이 발생하지 않게 된다.

상기 탄소나노튜브층(10)의 상부에는 수지층(20)이 형성된다. 상기 수지층(20)은 탄소나노튜브층(10)과 상기 탄소섬유층(30)을 결합하는 역할을 하게 된다. 이때의 수지층(20)은 앞서 설명한 에폭시나 아크릴 일 수 있으며, 실리콘을 사용할 수 있다.

상기 탄소섬유층(30)의 형상은 도 2에 도시한 바와 같이 띠형의 탄소섬유를 직조한 것으로, 역시 높은 열전도율을 나타냄과 아울러 해수에 의한 부식이 발생되지 않는다.

또한 탄소섬유층(30)은 높은 열전도율을 나타낼 뿐만 아니라, 열팽창계수가 음의 값을 가지며 열에 의한 변경이 거의 일어나지 않기 때문에 이러한 탄소섬유층(30)으로 판상의 방열판을 제작하고, 그 방열판들을 결합하여 열교환기를 제작하는 경우 그 열교환기의 구조적인 안정성이 보다 확보될 수 있게 된다.

도 3은 상기와 같은 구성의 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내식성 방열소재와 다른 재료들의 열전도율을 비교한 것이다.

정확하게는 100℃로 가열된 핫플레이트에 본 발명을 보함하여 아크릴판, 서로다른 스테인리스 합금(sus1, sus2), 그라파이트를 접촉시켜 시간에 따른 온도의 변화를 측정한 것이다.

이를 참조하면 그라파이트의 경우 초기에 온도가 급격하게 상승하나, 본 발명의 방열소재는 열에 대한 응답성은 그라파이트에 비해 약간 낮으나 최종적으로 가열된 온도는 90℃ 이상이 되며, 가장 높은 열전도율을 나타낸다.

이처럼 본 발명은 높은 열전도율을 나타내면서도 해수에 의한 부식이 방지되어 사용수명을 연장할 수 있다. 또한 종래의 Ti소재에 비하여 가격이 저렴하며, 더 가벼운 특징이 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내식성 방열소재의 단면 구성도이다.

도 4를 참조하면 본 발명의 다른 실시예에 따른 내식성 방열소재는, 상기 도 1을 참조하여 설명한 실시예에서 상기 수지층(20)에 그라파이트 분말(21)을 혼입한 구조이다.

상기 도 3의 표에서 확인할 수 있는 바와 같이 그라파이트는 열전도에 대한 응답성이 매우 우수하기 때문에 수지층(20)의 열전도 응답성 및 열전도 효율을 높일 수 있게 된다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 내식성 방열소재의 단면 구성도이다.

도 5를 참조하면 상기 도 1과 도 4를 참조하여 설명한 실시예의 구성에서, 수지층(20)을 사용하지 않고 탄소나노튜브(41)와 그라파이트 분말(42)을 포함하는 매트릭스층(40)에 직접 탄소섬유층(30)이 결합된 구조를 가진다.

상기 도 5의 실시예는 실질적으로 도 4의 구성과 유사한 것으로 층간의 불필요한 구분을 생략하여 구조를 단순화한 것이다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 내식성 방열소재는, 탄소나노튜브의 강성과 탄소섬유의 열적안정성을 함께 나타내는 특징이 있으며, 해수에 의한 부식이 방지되는 상태에서 높은 열전도율을 가지게 된다.

또한 금속재에 비해 보다 경량화가 가능하여 해수 열교환분야에서 다양한 응용제품에 적용될 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였지만, 본 발명은 전술한 실시예들에 한정되는 것이 아니고, 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.

10:탄소나노튜브층 20:수지층
30:탄소섬유층 40:매트릭스층

Claims (5)

1. 탄소나노튜브층과 직조된 탄소섬유층이 결합 된 것을 특징으로 하는 내식성 방열소재.
2. 제1항에 있어서,
   상기 탄소나노튜브층은,
   수지 또는 실리콘과 탄소나노튜브가 매트릭스를 이루는 것을 특징으로 하는 내식성 방열소재.
3. 제2항에 있어서,
   상기 탄소나노튜브층은,
   그라파이트 분말을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내식성 방열소재.
4. 제1항에 있어서,
   상기 탄소나노튜브층과 상기 탄소섬유층의 사이에 수지층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내식성 방열소재.
5. 제2항에 있어서,
   상기 수지층은,
   그라파이트 분말을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내식성 방열소재.

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