KR20170023629A - 실란 기능기를 갖는 면상발열체 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
그라파이트(Graphite) 및 탄소나노튜브(Carbon nanotube)를 포함하는 탄소재료를 열처리하는 A단계; 상기 A단계를 통해 열처리된 탄소나노튜브에 실란(Silane)을 이용하여 실란화 처리하는 B단계; 상기 A단계를 통해 열처리된 그라파이트 및 상기 B단계를 통해 실란화 처리된 탄소나노튜브에 대한 교반 및 밀링을 수행하는 C단계; 및 상기 C단계를 거친 탄소재료를 스크린프린팅(Screen printing) 방식에 따라 고분자 필름의 표면에 프린팅하는 D단계;를 포함한다.
이를 통해, 탄소나노튜브에 실란화 처리를 하여 면상발열체의 제조공정을 단축시켜 폐수 발생량을 현저하게 줄일 수 있으므로, 제조 원가를 절감 할 수 있을 뿐만 아니라, 환경오염을 방지할 수 있다.
이를 통해, 탄소나노튜브에 실란화 처리를 하여 면상발열체의 제조공정을 단축시켜 폐수 발생량을 현저하게 줄일 수 있으므로, 제조 원가를 절감 할 수 있을 뿐만 아니라, 환경오염을 방지할 수 있다.
Description
본 발명은 실란 기능기를 갖는 면상발열체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 탄소재료를 기반으로 제조된 면상발열체는 안전, 무소음, 전자파의 위험으로부터 최대한 차단해주어 아파트, 주택 등 주거 난방재료로 쓰여 왔다.
이 외에도, 사무실, 상가 등 상업용 택지의 난방 재료로 쓰이기도 하며, 차, 창고, 각종 천막 등 산업용 난방과 각종 산업용 가열 장치로도 쓰이며, 플라스틱 천막과 농산품 건조 설비 등 농업용 설비, 도로와 정거장, 활주로, 교량의 제설 제빙 용도로도 쓰이고, 휴식, 방한 등 휴대용 보온 장비, 건강 용품, 가전제품, 축산 난방 장치로도 쓰이고 있다.
또한, 면상 발열체는 열전도가 높은 구리, 은, 알루미늄, 철, 니켈, 흑연분말 등을 필름형태의 수지(resin) 등에 균일하게 분사 또는 인쇄 형성하거나, 또는 도전성이 있는 탄소, 흑연, 카본블랙 및 활성 탄소 및 섬유 등을 고분자 수지에 코팅시켜 사용하고 있다.
이러한 면상발열체와 관련하여 대한민국 등록특허공보 제10-1436594호(출원일 : 2013. 08. 06, 공고일 : 2014. 09. 01, 이하, ‘종래기술’이라 함)에서는 면상 발열체 및 이의 제조방법을 제시한 바 있다.
종래기술은 필름 형태의 고분자 수지; 열처리, 산처리 및 아미드화 처리된 흑연; 및 열처리, 산처리 및 아미드화 처리된 탄소나노튜브를 포함하며, 소비전력이 절감되고, 발열량이 우수하고, 크랙 발생이 최소화되고, 유연성이 우수하고, 미세 패턴 구조의 형성이 가능하고, 내박리성이 우수한 특징이 있었다.
하지만, 종래기술은 고분자 필름과 그라파이트 및 탄소나노튜브의 균일한 혼합이 어렵고, 굴곡 및 원통형의 표면에 면상발열체를 적용하기 어렵기 때문에 용도가 제한적인 문제점이 있었다.
또한, 종래기술은 면상발열체를 제조공정 중 산처리 및 아미드화 처리로 인해 폐수가 발생하는데, 이를 처리하기 위해 소요되는 비용이 많이 발생할 수 있고, 제조공정이 복잡한 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로써, 본 발명의 목적은 실란화 처리를 통해 제조공정이 단축될 뿐만 아니라, 고분자 필름의 표면에 탄소재료들이 균일하게 프린팅되는 유연성 및 신축성이 우수한 실란 기능기를 갖는 면상발열체 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실란 기능기를 갖는 면상발열체의 제조방법은, 그라파이트(Graphite) 및 탄소나노튜브(Carbon nanotube)를 포함하는 탄소재료를 열처리하는 A단계; 상기 A단계를 통해 열처리된 탄소나노튜브에 실란(Silane)을 이용하여 실란화 처리하는 B단계; 상기 A단계를 통해 열처리된 그라파이트 및 상기 B단계를 통해 실란화 처리된 탄소나노튜브에 대한 교반 및 밀링을 수행하는 C단계; 및 상기 C단계를 거친 탄소재료를 스크린프린팅(Screen printing) 방식에 따라 고분자 필름의 표면에 프린팅하는 D단계;를 포함한다.
여기서, 상기 A단계를 통해 열처리되는 상기 탄소재료는, 그라파이트(Graphite) 98 내지 99 중량부; 및 탄소나노튜브(Carbon nanotube) 1 내지 2 중량부;를 포함하며, 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(single walled carbon nanotube, SWCNT), 이중벽 탄소나노튜 (double-walled carbon nanotube, DWCNT), 얇은 다중벽 탄소나노튜브(thin multi-walled carbon nanotube) 및 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube, MWCNT) 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 마련된다.
또한, 상기 B단계의 실란은 아미노 실란(Amino silane), 비닐 실란(Vinyl silane), 에폭시 실란(Epoxy silane) 및 메타크릴 실란(methacrylic silane) 중 어느 하나로 마련되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 B단계는, 상기 A단계를 통해 열처리된 탄소나노튜브에 왕수로 산처리하는 B-1단계; 실란, 증류수 및 에탄올을 혼합하여 마련된 제1혼합용액을 20분 내지 30분 동안 교반시키는 B-2단계; 상기 B-2단계를 통해 교반된 제1혼합용액을 55˚C 내지 60˚C의 온도에서 열처리하여 실란올 용액을 제조하는 B-3단계; 상기 B-3단계를 통해 제조된 실란올 용액과 상기 B-1단계를 통해 산처리된 탄소나노튜브를 혼합하여 마련된 제2혼합용액을 50분 내지 60분 동안 교반시키는 B-4단계; 및 상기 B-4단계릍 통해 교반된 제2혼합용액을 110˚C 내지 130˚C의 온도에서 3시간 내지 4시간 동안 열처리하는 B-5단계;를 포함한다.
아울러, 상기 C단계는, 상기 A단계를 통해 열처리된 그라파이트 및 상기 B단계를 통해 실란화 처리된 탄소나노튜브를 분산용 임펠러(Impeller)를 이용하여 교반시키는 C-1단계; 및 상기 C-1단계를 통해 교반된 탄소재료를 3롤밀(3 Roll mill)을 이용하여 밀링하는 C-2단계;를 포함한다.
또한, 상기 D단계를 통해 프린팅된 탄소재료의 두께는 10㎛ 내지 15㎛인 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 D단계의 고분자 필름은 폴리우레탄(Polyurethane) 재질로 마련되며, 두께가 0.2mm 내지 0.5mm인 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 탄소나노튜브는 직경이 5㎚ 내지 20㎚이고, 길이가 90㎛ 내지 100㎛인 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 태양으로 실란 기능기를 갖는 면상발열체는, 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 의하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 유연성 및 신축성이 우수한 폴리우레탄 재질로 마련되는 고분자 필름의 표면에 그라파이트 및 탄소나노튜브의 균일한 프린팅이 가능하며, 길이가 신장되어도 발열 성능이 유지될 수 있다.
둘째, 탄소나노튜브의 함량을 줄임으로써, 생산원가를 절감할 수 있으며, 탄소나노튜브의 길이를 늘려 유연성 및 신축성이 뛰어나 굴곡 및 원통형의 표면에 적용할 수 있어 다양한 용도로 활용될 수 있는 범용성이 뛰어나다.
셋째, 탄소나노튜브에 실란화 처리를 하여 면상발열체의 제조공정을 단축시켜 폐수 발생량을 현저하게 줄일 수 있으므로, 제조 원가를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 환경오염을 방지할 수 있다.
도1의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 판형 그라파이트로 이루어진 면상발열체의 표면과 그라파이트 및 다중벽 탄소나노튜브를 포함하는 면상발열체의 표면을 나타낸 것이다.
도1의 (b)는 도1의 (a)에서 각각의 면상발열체가 신장되었을 때의 변화된 모습을 나타낸 것이다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 면상발열체의 제조방법을 단계별로 도시한 흐름도이다.
도3은 본 발명의 실시예에 따른 면상발열체의 제조방법 중 실란화 처리하는 방법을 단계별로 도시한 흐름도이다.
도4의 (a)는 직경 20*20㎛ 면적의 실란화 처리된 탄소나노튜브의 표면을 나타낸 것이다.
도4의 (b)는 실란화 처리된 탄소나노튜브의 표면을 주사전자현미경의 EDX 성분 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도5의 (a)는 직경 20*20㎛ 면적의 실란화 처리되지 않은 탄소나노튜브의 표면을 나타낸 것이다.
도5의 (b)는 실란화 처리되지 않은 탄소나노튜브의 표면을 주사전자현미경의 EDX 성분 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도6의 (a) 및 (b)는 실란화 처리된 탄소나노튜브 표면의 미세구조를 나타낸 것이다.
도7의 (a) 및 (b)는 실란 처리된 탄소나노튜브의 표면에 균일하게 분포된 각각의 탄소(C) 및 실란(Si)의 성분들을 나타낸 것이다.
도8은 푸리에변환 적외선 분광기를 이용하여 탄소나노튜브 및 산처리된 탄소나노튜브의 기능기 및 실란화 처리된 탄소나노튜브의 기능기를 분석한 결과이다.
도9는 푸리에변환 적외선 분광기를 이용하여 실란화 처리된 탄소나노튜브의 기능기 및 아민화 처리된 탄소나노튜브의 기능기를 분석한 결과이다.
도1의 (b)는 도1의 (a)에서 각각의 면상발열체가 신장되었을 때의 변화된 모습을 나타낸 것이다.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 면상발열체의 제조방법을 단계별로 도시한 흐름도이다.
도3은 본 발명의 실시예에 따른 면상발열체의 제조방법 중 실란화 처리하는 방법을 단계별로 도시한 흐름도이다.
도4의 (a)는 직경 20*20㎛ 면적의 실란화 처리된 탄소나노튜브의 표면을 나타낸 것이다.
도4의 (b)는 실란화 처리된 탄소나노튜브의 표면을 주사전자현미경의 EDX 성분 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도5의 (a)는 직경 20*20㎛ 면적의 실란화 처리되지 않은 탄소나노튜브의 표면을 나타낸 것이다.
도5의 (b)는 실란화 처리되지 않은 탄소나노튜브의 표면을 주사전자현미경의 EDX 성분 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
도6의 (a) 및 (b)는 실란화 처리된 탄소나노튜브 표면의 미세구조를 나타낸 것이다.
도7의 (a) 및 (b)는 실란 처리된 탄소나노튜브의 표면에 균일하게 분포된 각각의 탄소(C) 및 실란(Si)의 성분들을 나타낸 것이다.
도8은 푸리에변환 적외선 분광기를 이용하여 탄소나노튜브 및 산처리된 탄소나노튜브의 기능기 및 실란화 처리된 탄소나노튜브의 기능기를 분석한 결과이다.
도9는 푸리에변환 적외선 분광기를 이용하여 실란화 처리된 탄소나노튜브의 기능기 및 아민화 처리된 탄소나노튜브의 기능기를 분석한 결과이다.
이하, 본 발명의 구성을 상세히 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어는 사전적인 의미로 한정 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절히 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 표현하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 존재할 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지되어진 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.
<
실란
기능기를
갖는
면상발열체에
대한 설명>
본 발명의 실란 기능기를 갖는 면상발열체는 고분자 필름; 고분자 필름의 표면에 프린팅되는 탄소재료;를 포함하여 구성된다.
고분자 필름은 폴리우레탄(Polyurethane) 재질로 마련되는 것이 바람직하며, 폴리우레탄은 알코올기와 아이소사이안산기의 결합으로 만들어진 우레탄결합으로 결합된 고분자 화합물의 총칭이다.
구체적으로, 폴리우레탄은 주 사슬을 구성하는 중심부에 우레탄 결합(-NH·CO·O-)을 가지는 중합체이고, 2차 전이온도가 실온 이하인 굴곡성이 풍부한 소프트 세그먼트(Soft segment)와 강한 분자간력에 의해 결정구조를 갖는 하드 세그먼트(Hard segment)로 이루어진 블록 공중합체이다.
또한, 폴리우레탄은 섬유를 신장하였을 때 소프트 세그먼트는 길게 늘어나며 하드 세그먼트는 가교결합의 역할을 하여 분자사슬간의 미끄러짐을 억제하고, 신장력을 제거하면 소프트 세그먼트는 엔트로피가 증가하는 방향인 원래의 길이로 되돌아오는 특징이 있다.
이와 같이, 본 발명의 실란 기능기를 갖는 면상발열체는 고분자 필름을 폴리우레탄 재질로 마련함으로써, 폴리우레탄의 엔트로피 효과에 의해 고무와 같은 탄성력을 가지므로, 유연성 및 신축성이 우수한 특징을 갖게 된다.
그리고, 고분자 필름의 두께는 유연성 및 신축성의 특성을 구현하기에 적합한 0.2 mm 내지 0.5 mm으로 마련되는 것이 바람직하다.
탄소재료는 고분자 필름의 표면에 균일하게 분산되어 일정한 패턴을 가지고 프린팅되며, 그라파이트(Graphite) 및 탄소나노튜브(Carbon nanotube)를 포함하여 구성된다.
여기서, 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(single walled carbon nanotube, SWCNT), 이중벽 탄소나노튜 (double-walled carbon nanotube, DWCNT), 얇은 다중벽 탄소나노튜브(thin multi-walled carbon nanotube) 및 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube, MWCNT) 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 마련될 수 있고, 다중벽 탄소나노튜브로 마련되는 것이 바람직하다.
도1의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 판형 그라파이트로 이루어진 면상발열체의 표면과 그라파이트 및 다중벽 탄소나노튜브를 포함하는 면상발열체의 표면을 나타낸 것이고, 도1의 (b)는 도1의 (a)에서 각각의 면상발열체가 신장되었을 때의 변화된 모습을 나타낸 것이다. 도1의 (b)를 통해 알 수 있듯이, 판형 그라파이트로만 형성된 면상발열체는 신장되었을 때, 크랙이 많이 발생하여 면상발열체로서의 기능을 제대로 할 수 없으므로, 면상발열체는 그라파이트 및 다중벽 탄소나노튜브를 포함하여 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 탄소나노튜브는 직경이 5㎚ 내지 20㎚ 이고, 길이가 90㎛ 내지 100㎛인 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 탄소나노튜브의 길이는 면상발열체의 신축성과 연관성이 있는데, 면상발열체의 길이가 신장되었을 때, 판형으로 마련된 그라파이트는 여러 파단면이 발생함으로, 저항이 증가하여 전류의 단선현상이 일어날 수 있다. 이를 방지하기 위해, 그라파이트의 파단면들 사이를 연결하는 탄소나노튜브를 위치시킴으로써, 면상발열체는 그라파이트와 탄소나노튜브 사이의 반데르발스 힘에 의해 길이가 신장되어도 전류의 흐름이 원활하게 유지될 뿐만 아니라 발열 성능도 유지할 수 있게 된다.
그리고, 면상발열체에 대한 신장력이 제거되면, 폴리우레탄의 탄성력에 의해 면상발열체가 원래의 길이로 돌아오게 되는데, 이때 탄소나노튜브는 그라파이트를 원래의 길이로 돌아오게 하는 역할을 수행한다.
이와 같이, 탄소나노튜브의 길이가 길수록 그라파이트의 파단면을 효과적으로 연결시켜 면상발열체의 신축성이 향상될 수 있으므로, 탄소나노튜브의 길이는 100㎛로 마련되는 것이 바람직하다.
또한, 탄소재료의 두께는 10㎛ 내지 15㎛로 마련될 수 있으며, 면상발열체의 길이가 신장되었을 때, 탄소재료의 두께에 따라 발열 성능이 달라지는데, 면상발열체의 길이를 20% 신장시켜도 발열 성능이 유지될 수 있도록 탄소재료의 두께는 15㎛로 마련되는 것이 바람직하다.
아울러, 탄소나노튜브는 1 내지 2 중량부로 마련되는 것이 바람직하며, 이는 탄소나노튜브가 1 중량부 미만이면 그라파이트의 파단면들을 제대로 연결시키지 못하므로, 면상발열체의 저항이 증가하여 전류가 단선될 수 있고, 2 중량부를 초과하면 유연성 및 신축성이 저하되거나 페이스트(Paste)로 형성되지 않아 고분자 필름에 프린팅하기 힘든 문제점이 생기기 때문이다.
한편, 그라파이트는 98 내지 99 중량부로 마련되는 것이 바람직하며, 이는 그라파이트가 98 중량부 미만이면 면상발열체의 유연성 및 신축성이 저하되거나 페이스트 형성이 되지 않아 고분자 필름의 표면에 프린팅하기 힘들고, 99 중량부를 초과하면 탄소나노튜브의 중량부가 줄어들어 면상발열체의 길이가 신장되었을 때 발열 성능을 유지하기 힘든 문제점이 생기기 때문이다.
이와 같은, 본 발명에 따른 실란 기능기를 갖는 면상발열체의 탄소재료는 탄소나노튜브의 함량을 줄여서 제조원가를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 탄소나노튜브의 길이를 100㎛까지 증가시킴으로써, 면상발열체의 발열 성능을 유지하면서도 유연성 및 신축성 또한 우수한 특징이 있다.
전술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 유연성 및 신축성이 우수한 폴리우레탄 재질로 마련되는 고분자 필름의 표면에 그라파이트 및 탄소나노튜브의 균일한 프린팅이 가능하며, 길이가 신장되어도 발열 성능이 유지될 수 있다.
또한, 탄소나노튜브의 함량을 줄임으로써, 생산원가를 절감할 수 있으며, 탄소나노튜브의 길이를 늘려 유연성 및 신축성이 뛰어나 굴곡 및 원통형의 표면에 적용할 수 있어 다양한 용도로 활용될 수 있는 범용성이 뛰어나다.
<
실란
기능기를
갖는
면상발열체의
제조방법>
본 발명에 따른 실란 기능기를 갖는 면상발열체의 제조 방법에 대해서 도2 및 도3에 도시된 흐름도를 따라 설명하되, 편의상 순서를 붙여 설명한다.
1. 열처리 단계<S100>
본 단계에서는 그라파이트(Graphite) 및 탄소나노튜브(Carbon nanotube)를 포함하는 탄소재료를 열처리하는 과정이 이루어진다.
구체적으로, 열처리는 고주파로 진공에서 10-7mmHg의 압력 하에서 수행하며, 1,200℃의 온도에서 1시간 동안 진행하였고, 이를 통해 탄소나노튜브의 결정성이 향상되었다.
여기서, 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(single walled carbon nanotube, SWCNT), 이중벽 탄소나노튜 (double-walled carbon nanotube, DWCNT), 얇은 다중벽 탄소나노튜브(thin multi-walled carbon nanotube) 및 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube, MWCNT) 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 마련될 수 있고, 다중벽 탄소나노튜브로 마련되는 것이 바람직하다.
또한, 탄소나노튜브는 직경이 5㎚ 내지 20㎚ 이고, 길이가 90㎛ 내지 100㎛인 것으로 마련될 수 있다.
그리고, 탄소나노튜브는 1 내지 2 중량부로 마련되는 것이 바람직하며, 이는 탄소나노튜브가 1 중량부 미만이면 그라파이트의 파단면들을 제대로 연결시키지 못하므로, 면상발열체의 저항이 증가하여 전류가 단선될 수 있고, 2 중량부를 초과하면 유연성 및 신축성이 저하되거나 페이스트(Paste)로 제조하기 힘든 문제점이 생기기 때문이다.
아울러, 그라파이트는 98 내지 99 중량부로 마련되는 것이 바람직하며, 이는 그라파이트가 98 중량부 미만이면 면상발열체의 유연성 및 신축성이 저하되거나 페이스트로 제조하기 힘들고, 99 중량부를 초과하면 탄소나노튜브의 중량부가 줄어들어 면상발열체의 길이가 신장되었을 때 발열 성능을 유지하기 힘든 문제점이 생기기 때문이다.
2.
실란화
처리 단계<S200>
본 단계에서는 상기 열처리 단계(S100)를 통해 열처리된 탄소나노튜브에 실란(Silane)을 이용하여 실란화 처리하는 과정이 이루어지며, 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT, CM280)를 이용하였다.
또한, 실란화 처리 단계(S200)는 도3에 도시된 바와 같이, 탄소나노튜브 산처리 단계(S210); 제1혼합용액 교반 단계(S220); 실란올 용액 제조 단계(S230); 제2혼합용액 교반 단계(S240); 열처리 단계(S250);를 통해 순차적으로 탄소나노튜브를 실란화 처리하는 과정이 진행된다.
먼저, 탄소나노튜브 산처리 단계(S210)에서는 열처리 단계(S100)를 통해 열처리된 탄소나노튜브에 왕수로 산처리하는 과정이 이루어진다.
여기서, 왕수는 강산(황산:질산=7:3)으로 마련되어 산처리를 수행할 수 있으며, 산처리는 1시간 내지 2시간 동안 초음파 하에(50Hz 내지 60Hz, 350W) 진행하였다. 이는 초음파 처리 시간이 2시간을 초과하면 오히려 탄소나노튜브의 결정성이 떨어지는 문제점이 생기기 때문이다.
그리고, 이러한 황산과 질산의 혼합물을 80℃의 온도에서 1시간 동안 교반시키고, pH7로 중화시키고, 여과한 후 70℃의 온도에서 24시간 동안 건조시킨다.
이를 통해, 탄소나노튜브의 분산성 및 고분자 필름과의 혼합성이 향상된다.
그 다음, 제1혼합용액 교반 단계(S220)에서는 실란(Silane), 물 및 에탄올을 혼합하여 마련된 제1혼합용액을 20분 내지 30분 동안 교반시키는 과정이 이루어진다.
구체적으로, 제1혼합용액은 증류수 855ml, 에탄올 95ml 및 실란 50ml를 혼합하여 제조하며, 이렇게 제조된 제1혼합용액을 20분 내지 30분 동안 각각의 성분들이 균일하게 혼합될 수 있도록 충분히 교반시킨다.
여기서, 실란은 아미노 실란(Amino silane), 비닐 실란(Vinyl silane), 에폭시 실란(Epoxy silane) 및 메타크릴 실란(methacrylic silane) 중 어느 하나로 마련될 수 있고, 본 발명의 실시예에 따른 실란은 아미노 실란 중 (3-Aminopropyl) ethoxysilane를 이용하였다.
그 다음, 실란올(Silanol) 용액 제조 단계(S230)에서는 상기 제1혼합용액 교반 단계(S220)를 통해 교반된 제1혼합용액을 55℃ 내지 60℃의 온도에서 열처리하여 실란올 용액을 제조하는 과정이 이루어진다.
여기서, 제1혼합용액을 55℃ 내지 60℃의 온도까지 높아지도록 열처리를 진행하며, 이는 55℃ 내지 60℃의 온도까지 높아지도록 열처리를 진행해야 실란의 가수분해성 그룹(Hydrolysable Groups)에서 실란올 반응이 일어나기 때문이다.
즉, 이러한 실란올은 개질된 필러 표면의 산소와 반응하여 수소결합이 일어나고, 이를 통해 필러와 고분자 필름 사이에 결합성 및 혼합성을 향상시키는 역할을 수행하게 된다.
그 다음, 제2혼합용액 교반 단계(S240)에서는 상기 실란올 용액 제조 단계(S230)를 통해 제조된 실란올 용액과 상기 탄소나노튜브 산처리 단계(S210)를 통해 산처리된 탄소나노튜브를 혼합하여 마련된 제2혼합용액을 교반시키는 과정이 이루어진다.
구체적으로, 상기 실란올 용액 제조 단계(S230)를 통해 55℃ 내지 60℃의 온도까지 높여진 실란올 용액에 상기 탄소나노튜브 산처리 단계(S210)를 통해 산처리된 탄소나노튜브를 혼합함으로써, 실란올 용액과 반응하여 수소결합이 일어나도록 50분 내지 60분 동안 충분히 교반시킨다. 이는 50분 미만으로 교반하면 수소결합이 제대로 유도할 수 없고, 60분을 초과하여 교반하면 동일한 반응(수소결합)이 형성되기 때문이다.
마지막으로, 열처리 단계(S250)에서는 상기 제2혼합용액 교반 단계(S240)를 통해 교반된 제2혼합용액을 110℃ 내지 130℃의 온도에서 3시간 내지 4시간 동안 열처리하는 과정이 이루어지며, 이는 교반 단계(S240)를 통해 교반된 제2혼합용액 표면의 가수분해를 유도하기 위함이다.
그 결과, 교반 단계(S240)를 통해 교반된 제2혼합용액은 실란올과 수소결합이 이루어진 부분의 수분이 증발하여 결합형태가(C-O-Si, C-O-O-Si)으로 변형된다.
이와 같이, 실란화 처리 단계(S200)를 거친 탄소나노튜브는 실란화 처리가 되어 수분에 약하기 때문에 수분이 들어가지 않도록 밀봉하여 건조기 등에 보관하는 것이 바람직하다.
전술한 바에 의하면, 실란화 처리 단계(S200)를 통해 실란 기능기를 갖는 면상발열체의 제조공정을 단축시켜 폐수 발생량을 현저하게 줄일 수 있으므로, 제조 원가를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 환경오염을 방지할 수 있다.
3.
교반
및
밀링
단계<S300>
본 단계에서는 상기 열처리 단계<S100>및 실란화 처리 단계＜S200>를 거친 탄소재료(여기서, 탄소재료는 상기 열처리 단계<S100>를 통해 열처리된 그라파이트 및 상기 실란화 처리 단계<S200>를 통해 실란화 처리된 탄소나노튜브를 포함한다)에 대한 교반 및 밀링을 수행하는 과정이 이루어진다.
먼저, 상기 열처리 단계<S100>를 통해 열처리된 그라파이트 및 상기 실란화 처리 단계<S200>를 통해 실란화 처리된 탄소나노튜브를 분산용 임펠러(Impeller)를 이용하여 교반시킨다.
구체적으로, 교반 속도를 500RPM 내지 600RPM으로, 교반 시간을 30분 내지 60분으로 설정하여 분산이 부족해 탄소재료가 서로 응집되어 얽히거나, 분산이 과하여 탄소재료에 손상이 발생하여 전기적 특성이 줄어들지 않도록 해야 한다.
또한, 이 과정은 각 이 복수개의 날개가 자전 공정하는 분산용 임펠러를 통해 균일하게 혼합될 수 있도록 적합한 임펠러의 형태를 선정해서 진행해야 한다.
그 다음, 이와 같이 교반된 탄소재료를 3롤밀(3 Roll Mill)을 이용하여 밀링하는 과정이 진행되며, 이러한 밀링에 이용되는 롤의 압력 및 롤 간의 회전비율에 따라 탄소재료의 분산정도가 결정된다.
4. 프린팅 단계<S400>
본 단계에서는 상기 교반 및 밀랑 단계<S300>를 거친 탄소재료를 스크린프린팅(Screen printing) 방식에 따라 고분자 필름의 표면에 프린팅하는 과정이 이루어진다.
여기서, 고분자 필름은 두께가 0.2 내지 0.5 mm인 폴리우레탄(Ploy urethane) 재질로 마련되며, 이러한 고분자 필름 표면에 탄소재료를 100 메쉬(Mesh)의 네트워크 패턴으로 균일하게 프린팅함으로써, 유연성 및 신축성이 우수한 면상발열체를 제조할 수 있다.
이와 같이, <S400>단계를 거친 탄소재료가 본 발명인 실란 기능기를 갖는 면상발열체의 발열기능을 할 수 있도록 형성되며, 고분자 필름의 표면에 프링팅된 탄소재료의 두께는 10㎛ 내지 15㎛로 마련될 수 있으며, 이러한 실란 기능기를 갖는 면상발열체의 길이가 신장되었을 때, 탄소재료의 두께에 따라 발열 성능이 달라지는데, 면상발열체의 길이를 20% 신장시켜도 발열 특성이 유지될 수 있도록 탄소재료의 두께는 15㎛로 마련되는 것이 바람직하다.
<
실시예
>
본 발명의 실란 기능기를 갖는 면상발열체의 탄소재료는 그라파이트(제품명, HC905) 98 내지 99 중량부 및 탄소나노튜브 1 내지 2 중량부로 마련하여 본 발명의 실란 기능기를 갖는 면상발열체의 제조방법에 따라 면상발열체를 제조하였고, 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브(제품명, CM280)를 이용하였다.
표면 분석
도4의 (a)는 직경 20*20㎛ 면적의 실란화 처리된 탄소나노튜브의 표면을 나타낸 것이며, 도4의 (b)는 실란화 처리된 탄소나노튜브의 표면을 주사전자현미경의 EDX 성분 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
여기서, 도4의 (b)는 실란화 처리된 탄소나노튜브의 표면에 실란의 균일한 코팅을 확인하기 위해 도4의 (a)와 동일한 면적에서 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)의 EDX 성분 분석 결과를 나타낸 것이므로, 이를 통해 탄소나노튜브의 표면에 실란(Si) 성분이 검출된 것을 알 수 있다.
도5의 (a)는 직경 20*20㎛ 면적의 실란화 처리되지 않은 탄소나노튜브의 표면을 나타낸 것이며, 도5의 (b)는 실란화 처리되지 않은 탄소나노튜브의 표면을 주사전자현미경의 EDX 성분 분석 결과를 나타낸 그래프이다.
여기서, 도5의 (b)는 실란화 처리되지 않은 탄소나노튜브의 표면에 도5의 (a)와 동일한 면적에서 주사전자현미경의 EDX 성분 분석 결과를 나타낸 것이므로, 이를 통해 탄소나노튜브의 표면에 실란(Si) 성분이 검출되지 않은 것을 알 수 있다.
균일성 분석
도6의 (a) 및 (b)는 실란화 처리된 탄소나노튜브 표면의 미세구조를 나타낸 것이다.
도6의 (b)를 통해 실란화 처리된 탄소나노튜브가 고분자필름 표면에 균일하게 코팅되어 노란색은 탄소(C)를 나타내고, 빨간색은 실란(Si)을 나타내어 탄소 및 실란이 표면 전체에 균일하게 분포되어 있는 것을 알 수 있다.
도7의 (a) 및 (b)는 실란 처리된 탄소나노튜브의 표면에 분포된 각각의 탄소(C) 및 실란(Si)의 성분들을 나타내는 것이다.
실란 처리된 탄소나노튜브의 표면은 도7의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 각각 탄소(C) 및 실란(Si)의 성분들이 전체적으로 균일하게 분포되어 있는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 실란화 처리된 탄소나노튜브의 표면 분석을 통해 각 성분들이 전체적으로 균일하게 분포되어 있기 때문에 고분자필름 표면에 프린팅될 때에 결합력이 향상되므로, 본 발명의 실란 기능기를 갖는 면상발열체의 유연성, 신축성 및 발열성능을 향상시킬 수 있다.
푸리에변환 적외선 분광기(
FTIR
)를 통한 분석
도8은 푸리에변환 적외선 분광기를 이용하여 탄소나노튜브 및 산처리된 탄소나노튜브의 기능기 및 실란화 처리된 탄소나노튜브의 기능기를 분석한 결과이다.
도9는 푸리에변환 적외선 분광기를 이용하여 실란화 처리된 탄소나노튜브의 기능기 및 아민화 처리된 탄소나노튜브의 기능기를 분석한 결과이다.
도8에 나타낸 바와 같이, Si-O-Si 영역 및 Carboxylic acid O-H 영역에서 탄소나노튜브에 실란 기능화 처리가 되었음을 확인할 수 있고, 이를 통해 탄소나노튜브와 고분자 필름을 간의 결합력이 향상된다.
도9에 나타낸 바와 같이, 실란화 처리된 탄소나노튜브의 기능기 및 종래기술의 아민화 처리된 탄소나노튜브의 기능기의 C-C, C-N, Si-C 영역을 통해 실란화 처리된 탄소나노튜브는 페이스트 함량의 증가를 유도하여 결과적으로 탄소나노튜브와 고분자 필름을 간의 결합력이 향상됨으로써, 아민화 처리된 탄소나노튜브와 동일한 기능기로서의 역할을 할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 도8 및 도9의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이, 실란화 처리된 탄소나노튜브는 O-H 흡착도 낮기 때문에 고분자 필름에 프린팅될 때에 탄소나노튜브의 실란 기능기가 효율적으로 작용하여 균일한 프린팅이 가능하므로, 탄소나노튜브 및 고분자 필름 간의 결합력을 강화하는데 큰 기여를 하는 것이다.
이와 같이, 본 발명의 탄소나노튜브가 고분자 필름의 표면에 프린팅될 때에 높은 결합력으로 균일하게 프린팅됨으로써, 유연성, 신축성이 뛰어날 뿐만이 아니라, 동일한 발열성능을 구현할 수 있다.
전술한 바에 의하면, 본 발명은 유연성 및 신축성이 우수한 폴리우레탄 재질로 마련되는 고분자 필름의 표면에 그라파이트 및 탄소나노튜브의 균일한 프린팅이 가능하며, 면상발열체의 길이가 20% 신장되어도 발열 성능이 유지될 수 있다.
또한, 탄소나노튜브의 함량을 줄임으로써, 생산원가를 절감할 수 있으며, 탄소나노튜브의 길이를 늘려 유연성 및 신축성이 뛰어나 굴곡 및 원통형의 표면에 적용할 수 있어 다양한 용도로 활용될 수 있는 범용성이 뛰어나다.
그리고, 탄소나노튜브에 실란화 처리를 하여 면상발열체의 제조공정을 단축시켜 폐수 발생량을 현저하게 줄일 수 있으므로, 제조 원가를 절감 할 수 있을 뿐만 아니라, 환경오염을 방지할 수 있다.
이상, 본 발명에 대한 구체적인 설명은 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어져야 할 것이다.
Claims (9)
- 그라파이트(Graphite) 및 탄소나노튜브(Carbon nanotube)를 포함하는 탄소재료를 열처리하는 A단계;
상기 A단계를 통해 열처리된 탄소나노튜브에 실란(Silane)을 이용하여 실란화 처리하는 B단계;
상기 A단계를 통해 열처리된 그라파이트 및 상기 B단계를 통해 실란화 처리된 탄소나노튜브에 대한 교반 및 밀링을 수행하는 C단계; 및
상기 C단계를 거친 탄소재료를 스크린프린팅(Screen printing) 방식에 따라 고분자 필름의 표면에 프린팅하는 D단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는
실란 기능기를 갖는 면상발열체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 A단계를 통해 열처리되는 상기 탄소재료는,
그라파이트(Graphite) 98 내지 99 중량부; 및
탄소나노튜브(Carbon nanotube) 1 내지 2 중량부;를 포함하며,
상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(single walled carbon nanotube, SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브 (double-walled carbon nanotube, DWCNT), 얇은 다중벽 탄소나노튜브(thin multi-walled carbon nanotube) 및 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube, MWCNT) 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 마련되는 것을 특징으로 하는
실란 기능기를 갖는 면상발열체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 B단계의 실란은 아미노 실란(Amino silane), 비닐 실란(Vinyl silane), 에폭시 실란(Epoxy silane) 및 메타크릴 실란(methacrylic silane) 중 어느 하나로 마련되는 것을 특징으로 하는
실란 기능기를 갖는 면상발열체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 B단계는,
상기 A단계를 통해 열처리된 탄소나노튜브에 왕수로 산처리하는 B-1단계;
실란, 증류수 및 에탄올을 혼합하여 마련된 제1혼합용액을 20분 내지 30분 동안 교반시키는 B-2단계;
상기 B-2단계를 통해 교반된 제1혼합용액을 55℃ 내지 60℃의 온도에서 열처리하여 실란올 용액을 제조하는 B-3단계;
상기 B-3단계를 통해 제조된 실란올 용액과 상기 B-1단계를 통해 산처리된 탄소나노튜브를 혼합하여 마련된 제2혼합용액을 50분 내지 60동안 교반시키는 B-4단계; 및
상기 B-4단계릍 통해 교반된 제2혼합용액을 110℃ 내지 130℃의 온도에서 3시간 내지 4시간 동안 열처리하는 B-5단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는
실란 기능기를 갖는 면상발열체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 C단계는,
상기 A단계를 통해 열처리된 그라파이트 및 상기 B단계를 통해 실란화 처리된 탄소나노튜브를 분산용 임펠러(Impeller)를 이용하여 교반시키는 C-1단계; 및
상기 C-1단계를 통해 교반된 탄소재료를 3롤밀(3 Roll mill)을 이용하여 밀링하는 C-2단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는
실란 기능기를 갖는 면상발열체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 D단계를 통해 프린팅된 탄소재료의 두께는 10㎛ 내지 15㎛인 것을 특징으로 하는
실란 기능기를 갖는 면상발열체의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 D단계의 고분자 필름은 폴리우레탄(Polyurethane) 재질로 마련되며, 두께가 0.2mm 내지 0.5mm인 것을 특징으로 하는
실란 기능기를 갖는 면상발열체의 제조방법.
- 제2항에 있어서,
상기 탄소나노튜브는 직경이 5㎚ 내지 20㎚이고, 길이가 90㎛ 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는
실란 기능기를 갖는 면상발열체의 제조방법.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 의하여 제조되는 것을 특징으로 하는
실란 기능기를 갖는 면상발열체.
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|---|---|---|---|---|
| KR20190092148A (ko) * | 2018-01-30 | 2019-08-07 | 주식회사 대유플러스 | 자가 발전형 스마트 발열유리 및 이의 제조방법 |
| KR102259236B1 (ko) * | 2020-12-16 | 2021-06-03 | 주식회사 디에이티신소재 | 탄소나노튜브를 포함하는 면상 발열체 페이스트 조성물, 이를 포함하는 면상 발열체 및 탄소나노튜브 기반 동파방지용 필름히터 |
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-
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