KR20170022429A - 탄소나노튜브와 고분자물질을 포함하여 제조되는 발열체 - Google Patents

탄소나노튜브와 고분자물질을 포함하여 제조되는 발열체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브와 고분자물질을 포함하여 제조되는 발열체에 관한 것으로서 물리적, 화학적 및 전기적 특성이 우수한 탄소나노튜브를 고분자물질에 분산하고 성형하여 발열체를 제조하여 전기 및 열전도성을 향상시켜 발열효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있고, 발열체에 포함되는 탄소나노튜브의 양을 조절하여 발열량을 조절함으로써 사용목적에 따라 발열체가 다양하게 제조될 수 있으며 그 공정이 간단하여 대량생산 또한 가능하다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 발열체는 분산된 탄소나노튜브 4~45중량%, 고분자물질 54~94중량% 및 상기 탄소나노튜브와 고분자물질을 보다 균일하게 배합하기 위하여 첨가되는 카본블랙 1~2중량%를 포함하는 혼합물을 성형하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

Description

탄소나노튜브와 고분자물질을 포함하여 제조되는 발열체{HEATING ELEMENT MANUFACTURED USING CARBON NANOTUBE AND POLYMER}
본 발명은 탄소나노튜브와 고분자물질을 포함하여 제조되는 발열체에 관한 것으로서 더욱 상세하게는, 물리적, 화학적 및 전기적 특성이 우수한 탄소나노튜브를 고분자물질에 분산하고 성형하여 발열체를 제조함으로써 전기 및 열전도성을 향상시켜 발열효율을 향상시키고, 발열체에 포함되는 탄소나노튜브의 양을 조절하여 발열량을 조절함으로써 사용목적에 따라 발열체가 다양하게 제조될 수 있으며 그 공정이 간단하여 대량생산 또한 가능한 탄소나노튜브와 고분자물질을 포함하여 제조되는 발열체에 관한 것이다.
일반적으로 발열체란 전기에너지를 열에너지로 바꾸어 그 열을 외부로 복사하여 에너지를 전달하는 물체로서 각종 가전제품 또는 산업분야 일반에 걸쳐 널리 이용되고 있고, 재질에 따라 금속발열체, 비금속발열체, 기타발열체로 구분된다. 최근 에너지 절약과 환경 문제에 대한 새로운 인식으로 인해 많은 국가에서 발열체의 제조 및 응용분야에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.
그러나, 금속발열체는 고온에서 변형이 적고, 가공성이 좋으며 내산화성이 좋다는 장점이 있으나 고압에서 발열하므로 전류가 흐를 때 발생하는 자장이 유해하고, 통상적으로 고압의 교류 전원을 사용하므로 전압이 높아서 안전상 위험하다는 문제점이 있었으며, 기타발열체 중의 한 종류인 세라믹 슬러리를 이용한 종래의 발열체는 별도의 전용 설비가 필요하기 때문에 상당한 설비 투자비용이 필요하고, 소성 온도가 높아야 함과 동시에 24시간 이상의 시간이 소요됨으로써 제조 공정이 길어지는 문제점이 있으며, 소성과정에서 그린시트에 함유된 다량의 결정제 등이 불완전연소에 의해 잔류 탄소로 존재하여 발열체의 전기적 저항과 내전압 특성에 치명적인 악영향을 주는 문제점이 있었다.
한편, 비금속발열체 중에서 탄소 발열체는 가장 많이 실용되고 있으며, 흑연(탄소) 발열체는 직접 통전하여 발열하는 저항 발열체, 고주파유도에 의한 발열을 이용하는 다양한 고온용 발열체 등으로서 이용되고 있다. 흑연 발열체는 열과 전기를 잘 전달하고 열팽창이 작고 내열성과 충격성이 우수하며, 고온에서의 강도가 높고 화학적으로 안정하고 내약품성이 있을 뿐만 아니라 가공성이 좋다는 장점이 있지만, 기계적 강도가 금속보다 낮은 단점이 있다.
흑연 발열체는 여러 가지 우수한 장점을 보유하고 있음에도 불구하고 고형화하는 성형과정에서 고압 또는 고온의 특수한 장비와 기술이 필요하여 경제성이 떨어지고 고형화한 크기가 작으며 원하는 형상으로 제작하려면 공작기계를 사용하여 가공해야 하므로 이차 가공비가 소요된다.
또한, 흑연 분말은 성형된 후에도 미세 분말이 표면에서 묻어나고 흑연 자체가 전기 전도체이므로 표면에서 전기가 흐르므로 발열체의 표면을 통해 누전되거나 사람이나 동식물이 감전될 우려가 있다.
상기와 같은 문제점들을 개선하기 위하여 흑연을 대신한 탄소나노튜브가 대두되고 있는데, 탄소나노튜브는 그 단일구조와 우수한 기계적 및 전기적 특성으로 인해 폭넓은 관심을 받고 있다. 탄소나노튜브에 대한 많은 구조 및 그 실제 응용들이 전자디바이스, 이종정합 디바이스, 전자방출기 및 기타 산업분야 등에서 제안되어 왔으며, 탄소나노튜브가 포함된 복합체는 정전방지 디바이스, 캐패시터, EMI차폐용 재료, 발열체를 포함한 수많은 용도로의 응용될 수 있다.
그러나, 탄소나노튜브가 포함된 복합체는 성형의 어려움과 기계적 강도를 형성하기 어렵고, 내수명성에도 문제점이 있어 현재는 발열체로서 필름형태의 수지(RESIN) 등에 균일하게 분사 또는 인쇄하여 코팅하는 방법으로만 주로 이용되고 있다는 한계가 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-0642622호 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0104842호
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 높은 전기전도성 및 열전도성을 갖는 탄소나노튜브를 고분자물질에 분산하여 발열이 고르게 이루어지도록 하여 발열체의 발열효율이 향상되고, 발열체에 포함되는 탄소나노튜브의 양을 조절하여 발열량을 조절함으로써 사용목적에 따라 발열체가 다양하게 제조될 수 있으며, 작업성을 향상시켜 대량생산이 가능한 탄소나노튜브와 고분자물질을 포함하여 제조되는 발열체를 제공하고자 한다.
본 발명에 의한 탄소나노튜브와 고분자물질을 포함하여 제조되는 발열체는 분산된 탄소나노튜브 4~45중량%, 상기 탄소나노튜브가 분산되는 고분자물질 54~94중량% 및 상기 탄소나노튜브와 고분자물질을 보다 균일하게 배합하기 위하여 첨가되는 카본블랙 1~2중량%를 포함하는 혼합물을 성형하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 고분자물질은 PP(Polypropylene) ,POM(Polyoxymethylene), ABS(Acrylonitrile-butadiene-styrene resin), 나일론(PA : Polyamide), PC(Polyvinylchloride), PE(Polyethylene), MPPO(Modified Polyphenyleneoxide), PBT(Polybutylen terephthalate), PPS(Polyphenylenesulfide), PTFE(Polytetrafluoroethylene), PPA(Polyphtalamide), PC(Polycarbonate), PS(Polystyrene), UHMW-PE(Ultra-High Molecular Weight Polyethylene) 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 탄소나노튜브와 고분자물질은 100~120℃에서 빠르게 가열하여 열처리되어 상기 탄소나노튜브와 고분자물질에 포함된 수분이 제거된 것을 특징으로 한다.
또한 상기 탄소나노튜브는 직경이 1 내지 20nm이고, 길이가 1 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 탄소나노튜브는 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(single walled carbon nanotube, SWNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-walled carbon nanotube, DWNT), 얇은 다중벽 탄소나노튜브(thin multi-walled carbon nanotube) 또는 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube, MWNT) 중에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 따르면 탄소나노튜브를 고분자물질에 분산하여 발열이 고르게 이루어지도록 하여 발열체의 발열효율이 향상되고, 발열체에 포함되는 탄소나노튜브의 양을 조절하여 발열량을 조절함으로써 사용목적에 따라 발열체를 다양하게 제조할 수 있다는 효과가 있다.
또한 분산된 탄소나노튜브를 고분자물질에 분산시킴으로서 저항이 작아져 전기전도성이 증가하고 이에 따라 발열체의 발열효율이 향상되며, 기존의 발열체에 비하여 소량으로도 높은 전기전도성을 나타내는 발열체를 제공하는 효과가 있다.
또한 점도가 낮아 어떠한 형상으로도 제조가 가능하므로 작업성이 우수하며, 그 공정이 간단하여 상업화가 용이하고, 대량생산이 가능한 효과가 있다.
또한 열전도성이 1,800~6,000W/mk로 매우 높은 탄소나노튜브를 이용하여 발열체를 제공하므로 탄소나노튜브의 소량첨가로 인하여 낮은전압 하에서도 우수한 열전도성과 발열성을 나타내는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 발열체에 포함되는 고분자물질의 종류에 따른 발열체의 발열온도변화를 나타낸 그래프.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 발열체에 포함되는 고분자물질의 종류에 따른 발열체의 발열온도변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명에 따른 발열체는 탄소나노튜브와 고분자물질 등을 포함하여 형성될 수 있다.
탄소나노튜브는 기계적 강도 및 성질과 열전도 특성이 우수한 발열물질로서 대체로 수 내지 수십㎛이며, 그 길이가 수십 내지 수백 ㎛에 이를 정도로 비등방성의 구조를 갖는 소재이다. 탄소나노튜브에서 하나의 탄소원자는 3개의 다른 탄소원자와 결합되어 있고, 육각형의 벌집무늬를 이루고 있는 그라펜 시트(graphene sheet)가 튜브 형상으로 감겨있는 구조를 가진다.
이러한 구조적 특성에 따라 역학적으로도 견고하며(철의 100배정도)화학적인 안정도도 뛰어날 뿐만 아니라, 전기저항이 10-1 ~ 10-4Ω 정도로 반도체적 성질을 가짐에 따라 열전도도 1,800~6,000W/mK로 우수하며, 속이 비어있는 중공(中空)특성으로 일반적인 탄소소재인 흑연이나 탄소섬유 등에 비해 낮은 밀도를 가진다. 또한 직경에 대한 길이비(L/R)가 높아 고분자 수지 내에 분산시 소량의 첨가로 서로 그물망 구조(Network Structure)를 이루어 전기전도 네트웍 형성이 용이하여 뛰어난 전기 전도성을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
탄소나노튜브는 본 발명에 따른 발열체 100중량%에 대하여, 4~45중량% 포함될 수 있으며 바람직하게는 11~40중량% 포함될 수 있다.
탄소나노튜브가 4중량% 미만으로 포함되면 발열체의 전기전도성이 낮아져 발열량이 감소하므로 발열체의 발열효율이 좋지 못한 문제점이 있으며, 45중량%를 초과하면 고분자물질과의 결합력이 낮아져 강도가 저하되어 발열체의 내구성이 약해지고, 성형이 용이하지 못하며, 경제성을 고려하여 효과가 현저하지 않은 문제점이 있다.
따라서, 발열체에 탄소나노튜브가 4~45중량% 포함되는 경우에 발열체가 충분한 전기 및 열전도성을 가지게 되며, 우수한 가공성 및 성형성과 함께 기계적 강도 또한 저하되지 않는다.
한편, 탄소나노튜브는 튜브의 벽을 이루는 그라펜 시트의 개수에 따라서 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube), 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube)로 구분되고, 여러 개의 탄소나노튜브가 다발(bundled)의 형태로 존재할 수도 있다.
본 발명에서 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(single walled carbon nanotube, SWNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-walled carbon nanotube, DWNT), 얇은 다중벽 탄소나노튜브(thin multi-walled carbon nanotube) 또는 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube, MWNT) 중에서 선택되는 적어도 하나일 수 있으며 바람직하게는 다중벽 탄소나노튜브를 사용할 수 있다.
또한, 탄소나노튜브는 직경이 1 내지 20nm일 수 있으며, 길이가 1 내지 100 ㎛일 수 있다. 탄소나노튜브의 길이가 1㎛ 미만이면 내구성이 저하되고 전기전도성이 낮아져 발열이 충분히 이루어지지 않는 문제점이 있고, 100㎛를 초과하면 발열체의 표면이 고르지 않은 문제점이 있다.
본 발명에서 고분자물질은 PP(Polypropylene) ,POM(Polyoxymethylene), ABS(Acrylonitrile-butadiene-styrene resin), 나일론(PA : Polyamide), PC(Polyvinylchloride), PE(Polyethylene), MPPO(Modified Polyphenyleneoxide), PBT(Polybutylen terephthalate), PPS(Polyphenylenesulfide), PTFE(Polytetrafluoroethylene), PPA(Polyphtalamide), PC(Polycarbonate), PS(Polystyrene), UHMW-PE(Ultra-High Molecular Weight Polyethylene) 중 선택되는 어느 하나일 수 있으며, 이에 한정되지는 않음은 물론이다. 이때, 고분자물질의 중량평균분자량은 1,000 내지 1,000,000 g/mol일 수 있다.
고분자물질은 발열체 100중량%에 대하여 54~94 중량% 포함될 수 있는데, 고분자물질이 54 중량% 미만이면 작업성이 용이하지 않으며 발열체의 강도가 약하여 내구성이 저하된다는 문제점이 있고, 고분자물질이 94 중량%를 초과하면 탄소나노튜브의 함유량이 적어지므로 전기전도성이 낮아져 발열체의 발열효율이 저하된다는 문제점이 있다.
또한, 발열체에는 발열체 100중량%에 대하여 카본블랙이 1~2중량% 더 포함될 수 있다.
카본블랙은 천연 가스 내지 액상 탄화수소의 불완전 연소 또는 열분해에 의해 얻어지는 흑색의 미세한 탄소분말이며, 탄소입자의 크기는 1∼500nm이며 흑연과 비슷하다. 이러한 카본블랙은 탄소나노튜브와 고분자물질을 보다 균일하게 배합하기 위하여 첨가할 수 있다.
발열체를 제조하기 위하여 탄소나노튜브, 카본블랙 및 고분자물질은 일정비율로 서로 혼합된다. 이때, 탄소나노튜브는 분말형태로 준비되어 고분자물질에 분산될 수 있다.
한편, 발열체를 제조하기 위해서 탄소나노튜브와 고분자물질은 혼합되기 전에 각각 열처리 될 수 있는데, 이는 탄소나노튜브와 고분자물질에 포함된 수분을 제거하기 위한 것으로 100~120℃에서 빠르게 가열한다. 빠르게 가열하여 수분을 제거함으로써 탄소나노튜브와 고분자물질의 혼합성과 분산성을 높이고 수분을 제거하여 제조되는 발열체의 성능을 향상시킬 수 있다. 이때, 카본블랙도 동일한 방법으로 열처리할 수 있음은 물론이다.
열처리에 의해 탄소나노튜브와 카본블랙의 결정성이 향상되어 초기 물질 저항이 감소될 수 있다.
아울러, 탄소나노튜브는 고분자물질에 분산되기 전에 별도의 분산과정을 더 거칠 수 있다. 즉, 탄소나노튜브는 탄소나노튜브분산과정을 거쳐 분산된 탄소나노튜브로서 고분자물질에 고르게 분산되는 것이다.
탄소나노튜브는 탄소나노튜브 간의 반데르발스힘에 의한 응집이 발생하기 쉬워 복수 개의 탄소나노튜브로 이루어지는 번들(bundle) 또는 응집체(agglomerate) 구조로 형성되어 있는 경우가 많으며, 따라서 이와 같은 탄소나노튜브 응집체를 탄소나노튜브분산과정을 거쳐 분산한 후 사용해야 한다.
탄소나노튜브의 분산방법으로는 용액 중에서 탄소나노튜브를 분산시키는 방법으로서, 초음파 처리 등의 물리적 분산 처리 방법이 있다. 예를 들어, 용매에 탄소나노튜브를 넣고, 초음파 처리를 통하여 탄소나노튜브를 용매 중에 분산시키는 방법이 이용될 수 있다. 이때, 초음파 처리에서 계면 활성제 등의 물질을 용매에 부가하여 탄소나노튜브의 친용매성(친수성)을 높이는 것도 가능하다.
본 발명에서 탄소나노튜브는 고분자물질에 분산되기 전에 산성 용액하에서 초음파 처리될 수 있는데, 산성 용액은 질산, 황산, 염산 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다. 이때 분산은 10분 내지 120분 동안 진행될 수 있다. 예를 들어, 질산 내에서 50 내지 60 Hz의 초음파 하에 2시간 이하 동안 진행될 수 있다. 이는 2시간 넘게 초음파 처리를 할 경우 오히려 탄소나노튜브의 결정성이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 분산시 상기와 같이 산성 용액하에서 수행하면 탄소나노튜브에 기능기를 부여하여 분산성 및 고분자물질과의 혼합성을 향상시킬 수 있다.
본 명세서에서는 탄소나노튜브를 분산하는 방법으로 탄소나노튜브를 산성 용액하에서 초음파 처리하는 방법을 기술하였지만 이에 한정되지 않고 탄소나노튜브를 분산하는 방법이면 어떤 방법을 수행하여도 무방함은 물론이다.
탄소나노튜브분산과정을 거쳐 분산된 탄소나노튜브는 고분자물질에 분산되는데, 탄소나노튜브를 고분자물질에 분산하는 방법으로는 고분자물질을 용매에 녹여 탄소나노튜브를 섞는 방법, 고분자물질에 열을 가하여 용융시켜 섞는 방법, 또는 고분자물질의 모노머 단계에서 탄소나노튜브와 혼합한 후 중합시키는 방법 등이 이용될 수 있다.
탄소나노튜브와 고분자물질은 각각 일정량 혼합되어 혼합물을 형성하는데, 고분자물질에 분산되는 탄소나노튜브의 양은 상기에서 설명된 것과 같이 4 내지 45중량% 일 수 있으며, 고분자물질은 모노머 형태일 수 있고, 탄소나노튜브는 분산된 분말 형태일 수 있다. 이때, 혼합물에는 카본블랙 1~2중량%가 더 포함될 수 있다.
분산기를 이용하여 고분자물질에 분산된 탄소나노튜브를 분산시키는데, 이때 분산기는 특별히 제한되지 않고 초음파 장비가 구비된 것이면 어느 것이나 사용할 수 있다. 구체적으로는 이중자켓 플라스크를 이용하여 플라스크 내부온도를 모노머의 녹는 점 이상으로 유지시키면서 모노머에 탄소나노튜브를 분산시킨다. 이때, 순환장치를 이용하여 이중자켓 안으로 물이 흐르도록 연결하고 물의 온도를 일정하게 유지함으로써 플라스크 내 온도를 유지시킨다.
다음으로 탄소나노튜브 및 고분자물질에 초음파를 조사하고 교반함으로써 고분자물질에 탄소나노튜브를 고르게 분산시킨다. 구체적으로는 초음파 장치를 통해 플라스크에 초음파를 조사하면서 교반장치를 작동시켜 분산을 진행시킨다. 이때, 초음파 조사시간은 5분~6시간일 수 있다. 초음파 조사시간이 6시간을 초과하면 탄소나노튜브가 파괴될 수 있다는 문제점이 있고, 5분 미만이면 분산이 제대로 이루어지지 않는 문제점이 있다.
초음파를 조사하여 탄소나노튜브를 고분자물질에 분산하면 혼합물의 점도를 낮춰 발열체 제조의 작업성을 향상시키는 효과가 있으며, 또한 분산 전/후를 비교하면, 동일한 조성비에서 분산 후의 점도가 분산 전의 점도보다 1.5~2배가량 낮게 나타나므로 동일한 점도를 구현하기 위해서 탄소나노튜브의 조성비를 1.5~2배 증가시킬 수 있다는 장점이 있어 발열체에 포함되는 탄소나노튜브의 양이 증가하여 발열체의 발열효율이 향상된다는 효과가 있다.
또한, 분산은 탄소나노튜브와 고분자물질의 혼합성을 높여주어 발열체의 표면을 매끈하게 하고, 저항을 낮춰 전기전도성을 높이므로 발열체의 발열효율을 상승시킬 수 있는 효과가 있다.
한편, 탄소나노튜브와 고분자물질은 혼합스크류에 의해 혼합되어 혼합성을 증가시킬 수 있다. 이때 사용되는 혼합스크류는 나사산에 복수개의 보조혼합부가 더 형성된 것으로서, 보조혼합부는 스크류의 나사산에 복수개가 양방향으로 돌출되어 형성되되, 나사산의 양 측에 위치하는 보조혼합부는 서로 마주보지 않고 어긋나게 배치되어 형성된다. 이때, 보조혼합부는 경사를 이루도록 돌출형성될 수 있는데, 이 경우에 스크류의 측면, 즉 스크류 길이방향에 수직되는 방향에서 바라보면, 복수개의 보조혼합부는 ‘∨’형상을 이룰 수 있다.
상기와 같이 나사산에 보조혼합부가 더 형성된 혼합스크류를 이용함으로써 탄소나노튜브가 고분자물질에 고르게 분산되는 것을 용이하게 하여 원활한 혼합을 이루는 효과가 있다.
따라서 상기와 같이 탄소나노튜브가 고분자물질에 분산되고, 카본블랙이 더 포함된 혼합물을 사출성형하여 발열효율이 향상된 발열체를 얻을 수 있다.
이때, 탄소나노튜브의 특성을 고려하여 보다 균일한 분자구조를 형성하기 위하여 압축비를 3.5~5:1로 하여 사출하는 것이 바람직하다.
한편, 탄소나노튜브가 고분자물질에 분산되고, 카본블랙이 더 포함된 혼합물은 마스터배치로 제조될 수 있으며, 제조된 마스터배치를 이용하여 발열체를 제조할 수도 있다.
성형된 발열체는 입자 구조와 형태 구조적인 변형을 방지하기 위하여 후처리과정을 더 거칠 수 있는데, 이는 90~130℃에서 40~80분 동안 가열하고 20~40분 동안 냉각하는 과정으로써 복수회, 바람직하게는 2~5회 반복수행될 수 있다.
상기와 같이 제조된 본 발명의 발열체는 원 또는 다각의 판형, 구형, 봉형 등 다양한 형태로 제조될 수 있다.
또한, 발열체는 전극을 연결하여 발열체에 전원이 인가될 경우 표면에서 직접 열이 발생되기 때문에 열전달에 의한 열손실을 최소화할 수 있고, 동시에 빠른 온도상승속도를 얻을 수 있다. 이를 통하여 소비전력을 낮출 수 있는 효과가 있으며, 보온, 단열 또는 난방 등의 용도를 위한 다양한 형태로 제품화될 수 있고, 이 외에도 관련 산업 분야에서 다양한 형태로 이용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 발열체는 발열시트, 발열파이프, 발열보온병 또는 발열라디에이터 등에 이용될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 보다 구체적으로 설명하고자 하나 이는 단지 설명을 위한 것으로서 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.
< 실시예 1>
탄소나노튜브(다중벽, 분말형, 직경 10nm, 길이 50μm), 카본블랙 및 PPA(Polyphtalamide)를 100℃에서 열처리하여 수분을 제거하였다.
탄소나노튜브에 70%질산(HNO3)을 처리하고 20분 초음파 처리(40W, 55Hz)하여 분산하였다. 분산 후 필터링을 통해 중화시킨 후 60℃ 오븐에서 건조하였다.
탄소나노튜브, 카본블랙 및 PPA의 혼합물을 100중량%에 대하여 상기에서 분산된 탄소나노튜브 20중량%, PPA 78중량%, 카본블랙 2중량%를 이중자켓 플라스크에 넣고 혼합물을 교반(25~30℃, 300rpm, 5h)하였다.
혼합물을 분산기를 이용하여 4시간 동안 초음파를 조사(300W, 60Hz)하고 교반(400rpm)함으로써 PPA에 탄소나노튜브를 고르게 분산시킨다.
상기의 공정을 거쳐 탄소나노튜브가 균일하게 분산된 혼합물을 성형하여 가로 및 세로 5cm, 두께 5mm인 직육면체의 발열체를 제조하였다.
< 실시예 2>
실시예 1에서 혼합물 100중량%에 대하여 탄소나노튜브 10중량%, PPA(Polyphtalamide) 88중량%인 것을 제외하고 나머지는 동일조건으로 발열체를 제조하였다.
< 실시예 3>
실시예 1에서 혼합물 100중량%에 대하여 탄소나노튜브 30중량%, PPA(Polyphtalamide) 68중량%인 것을 제외하고 나머지는 동일조건으로 발열체를 제조하였다.
< 실시예 4>
실시예 1에서 혼합물 100중량%에 대하여 탄소나노튜브 40중량%, PPA(Polyphtalamide) 58중량%인 것을 제외하고 나머지는 동일조건으로 발열체를 제조하였다.
< 실시예 5>
실시예 1에서 혼합물 100중량%에 대하여 탄소나노튜브 20중량%, 나일론 78중량%인 것을 제외하고 나머지는 동일조건으로 발열체를 제조하였다.
< 실시예 6>
실시예 1에서 혼합물 100중량%에 대하여 탄소나노튜브 20중량%, PP(Polypropylene) 78중량%인 것을 제외하고 나머지는 동일조건으로 발열체를 제조하였다.
< 실시예 7>
실시예 1에서 혼합물 100중량%에 대하여 탄소나노튜브 20중량%, MPPO(Modified Polyphenyleneoxide) 78중량%인 것을 제외하고 나머지는 동일조건으로 발열체를 제조하였다.
< 비교예 1>
실시예 1에서 혼합물 100중량%에 대하여 탄소나노튜브를 대신하여 카본블랙 20중량%인 것을 제외하고 나머지는 동일조건으로 발열체를 제조하였다.
< 비교예 2>
실시예 1에서 혼합물 100중량%에 대하여 탄소나노튜브를 대신하여 흑연 20중량%인 것을 제외하고 나머지는 동일조건으로 발열체를 제조하였다.
< 비교예 3>
실시예 1에서 혼합물을 형성하기 전에 탄소나노튜브를 분산하지 않은 것을 제외하고 나머지는 동일조건으로 발열체를 제조하였다.
< 시험예 1> PPA 와의 혼합비율에 따른 최고 발열온도측정
탄소나노튜브와 PPA간의 혼합비율이 발열온도에 미치는 영향을 알아보기 위하여 상기 실시예 1 내지 4와 같이 탄소나노튜브와 PPA의 혼합비율을 다르게 구성하여 발열체를 제조한 후 최고발열온도를 측정하였다. 측정결과를 아래의 표 1에 나타내었다.
최고발열온도(℃)
실시예 1 270
실시예 2 97
실시예 3 195
실시예 4 211
상기 표 1에 나타난 바와 같이 실시예 1에서 제조된 탄소나노튜브 20중량%, PPA 78중량%, 카본블랙 2%를 포함하는 발열체의 최고발열온도가 가장 높은 것으로 나타났으며, 탄소나노튜브의 비율이 20중량%를 초과하면 오히려 최고발열온도가 낮아져 발열효율이 저하되는 것으로 나타났다.
< 시험예 2> 탄소나노튜브가 분산되는 고분자물질의 종류에 따른 발열온도측정
탄소나노튜브가 분산되는 고분자물질을 달리하여 고분자물질이 발열체의 발열온도에 미치는 영향을 알아보기 위하여 상기 실시예 1, 5, 6 및 실시예 7과 같이 탄소나노튜브와 고분자물질의 비율은 동일하게 구성하고 고분자물질의 종류만을 다르게 구성하여 발열체를 제조하고 전압을 인가한 후 시간에 따른 발열온도의 변화를 측정하였다. 측정결과를 아래의 표 2에 나타내었으며, 이를 도시한 그래프를 도 1에 도시하였다. 이때, 도 1의 그래프에서 가로축은 온도(℃)를 나타내며 세로축은 시간(sec, 초)를 나타낸다. 또한 각 실시예에서 최고발열온도에 도달한 시간을 표 3에 나타내었다.
시간(sec) 실시예 1 실시예 5 실시예 6 실시예 7
0 0 0 0 0
30 25 20 75 30
60 43 28 91 55
90 57 37 115 84
120 72 45 120 125
150 100 61 120 150
180 186 74 120 150
210 260 88 120 150
240 270 110 120 150
270 270 115 120 150
구분 시간(sec)
실시예 1 218
실시예 5 265
실시예 6 100
실시예 7 140
상기 표 2와 도 1에 나타난 바와 같이 발열체는 최고발열온도 이후에 시간이 경과하여도 일정온도를 유지하며 안정된 상태를 유지하는 것으로 나타났다.
한편, 표 2와 표3에 나타난 바와 같이 고분자물질로서 PPA를 포함하는 실시예 1의 발열체가 다른 고분자물질을 포함하는 발열체보다 최고발열온도가 270℃로 가장 높게 나타났으며 고분자물질로서 나일론, PP, MPPO를 포함하는 다른 실시예들은 최고온도가 150℃ 이하인 것으로 나타났다. 실시예 1은 약 150초까지는 온도가 완만하게 상승하였으며 150℃를 지나 최고발열온도까지 가장 급격한 온도상승을 이루었다.
또한, 최고발열온도에 가장 빨리 도달한 것은 고분자물질로 PP를 포함하는 실시예 6으로 제조한 발열체로 나타났고, 최고발열온도가 가장 낮은 실시예 5의 발열체는 가장 완만한 온도상승곡선을 나타내었다.
따라서, 발열체의 사용목적에 따라 최고발열온도를 고려하여 다양한 고분자물질을 이용하여 발열체를 제조하고 활용할 수 있음을 알 수 있다.
< 시험예 3> 탄소물질이 포함되는 발열체의 최고발열온도측정
발열체에 포함되는 탄소물질의 종류를 달리하여 탄소물질이 발열체의 발열온도에 미치는 영향을 알아보기 위하여 상기 실시예 1과 비교예 1, 2와 같이 탄소물질과 고분자물질의 비율은 동일하게 구성하고 탄소물질의 종류만을 다르게 구성하여 발열체를 제조하고 최고발열온도를 측정하였다. 측정결과를 아래의 표 4에 나타내었다.
구분 최고발열온도
실시예 1 270
비교예 1 86
비교예 2 70
상기 표 4에 나타난 바와 같이 탄소나노튜브를 포함하는 실시예 1에서 제조된 발열체의 최고발열온도가 카본블랙 또는 흑연을 포함하여 형성되는 발열체보다 약 3~3.5배 이상 높은 것으로 나타났다.
< 시험예 4> 발열체의 저항값 측정
탄소나노튜브의 분산이 발열체의 저항값에 미치는 영향을 알아보기 위하여 분산된 탄소나노튜브와 탄소나노튜브분산과정을 거치치 않아 분산되지 않은 상태의 탄소나노튜브를 포함하는 실시예 1과 비교예 3의 저항값을 각각 측정하여 표 5와 같이 나타내었다.
구분 저항값(Ω·cm)
실시예 1 1.0E+01
비교예 3 1.0E+05
표 5에 나타난 바와 같이 실시예 1에서 제조된 발열체의 저항이 탄소나노튜브분산과정을 거치치 않아 분산되지 않은 상태의 탄소나노튜브를 포함하는 발열체보다 저항이 낮은 것을 확인하였다. 따라서 발열량에 관한 식은 Q∝VIt , V=IR 이므로 Q∝V2t/R로서 저항과 발열량은 반비례 관계이며 저항값이 낮을수록 열효율이 높아짐을 알 수 있다. 즉 실시예 1의 열효율이 비교예 3보다 크다는 것을 알 수 있으며, 또한 저항이 작으면 전기전도성이 좋아 발열이 잘 이루어짐을 알 수 있다.
이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (5)

  1. 분산된 탄소나노튜브 4~45중량%;
    상기 탄소나노튜브가 분산되는 고분자물질 54~94중량%; 및
    상기 탄소나노튜브와 고분자물질을 보다 균일하게 배합하기 위하여 첨가되는 카본블랙 1~2중량%;
    를 포함하는 혼합물을 성형하여 제조되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 고분자물질을 포함하여 제조되는 발열체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자물질은,
    PP(Polypropylene) ,POM(Polyoxymethylene), ABS(Acrylonitrile-butadiene-styrene resin), 나일론(PA : Polyamide), PC(Polyvinylchloride), PE(Polyethylene), MPPO(Modified Polyphenyleneoxide), PBT(Polybutylen terephthalate), PPS(Polyphenylenesulfide), PTFE(Polytetrafluoroethylene), PPA(Polyphtalamide), PC(Polycarbonate), PS(Polystyrene), UHMW-PE(Ultra-High Molecular Weight Polyethylene) 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 고분자물질을 포함하여 제조되는 발열체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브와 고분자물질은 100~120℃에서 빠르게 가열하여 열처리되어 상기 탄소나노튜브와 고분자물질에 포함된 수분이 제거된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 고분자물질을 포함하여 제조되는 발열체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 직경이 1 내지 20nm이고, 길이가 1 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 고분자물질을 포함하여 제조되는 발열체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(single walled carbon nanotube, SWNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-walled carbon nanotube, DWNT), 얇은 다중벽 탄소나노튜브(thin multi-walled carbon nanotube) 또는 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube, MWNT) 중에서 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브와 고분자물질을 포함하여 제조되는 발열체.
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