KR20170121851A

KR20170121851A - 탄소나노튜브 발열체

Info

Publication number: KR20170121851A
Application number: KR1020160050614A
Authority: KR
Inventors: 최용철
Original assignee: (주)서흥; 최수흠
Priority date: 2016-04-26
Filing date: 2016-04-26
Publication date: 2017-11-03

Abstract

본 발명은 세라믹이 코팅된 탄소나노튜브 발열체에 관한 것으로, 특히 열전도성을 지니도록 탄소나노튜브에 세라믹을 코팅시킨 섬유를 여러가닥으로 분리하여 솜 형태로 만든 탄소나노튜브 발열체에 관한 것이다. 더 상세하게는 10 나노미터에서 1000 마이크로미터 크기를 지닌 하기 탄소나노튜브와 이 탄소나노튜브 표면에 화학적으로 결합되거나 물리적으로 흡착되어 있는 하기 작용기나 커플링제(A)와; 이 작용기나 커플링제(B)를 매개로 탄소나노튜브에 결합, 코팅되어 있는 하기 세라믹(B)을 포함하며, 전기저항을 갖는 탄소나노튜브 복합체로 구성된 여러가닥의 섬유가 다수의 중공을 가지면서 다수의 연결부분을 갖는 솜형태로 구성되도록 한 탄소나노튜브 발열체.

Description

탄소나노튜브 발열체 {CARBON NANOTUBES HEATING ELEMENT}

본 발명은 세라믹이 코팅된 탄소나노튜브 발열체에 관한 것으로, 특히 열전도성을 지니도록 탄소나노튜브에 세라믹을 코팅시킨 섬유를 여러가닥으로 분리하여 솜 형태로 만든 탄소나노튜브 발열체에 관한 것이다.

전기 보일러, 전기 난로를 비롯한 다양한 전기 난방 제품이 크게 증가하면서 효과적인 발열 소재가 요구되고 있다. 과거에는 주로 금속을 발열 소재로 사용하였으나, 현재는 고분자 복합 소재도 사용되고 있다.

발열성 고분자 복합소재는 전기 전도성을 기준으로 전기전도성을 가지는 소재와 전기 절연성을 가지는 소재로 크게 나뉜다. 전기 전도성을 가지는 고분자 복합 소재의 충진재로는 주로 탄소재가 사용된다.

탄소재는 일반적으로 내산화성과 강도에서 떨어진다는 문제가 있다. 이 문제를 해결하기 위해 세라믹 등의 재료와 복합화를 하고 있다.

상기와 같은 탄소재와 세라믹을 복합화하여 선(line)형태 혹은 면형태로 구성된 발열체가 종래에 제안된 바 있다.

그런데 상기와 같은 발열체의 경우 발열 효율이 낮은 문제가 있었다.

본 발명은 우수한 열전도성과 경제성, 공정 용이성 등의 장점을 지닌 세라믹을 코팅한 탄소나노튜브를 발열효율이 높고 탄소나노튜브의 내구성이 높은 탄소나노튜브 발열체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에서는,

나노미터에서 수백 마이크로미터 크기를 지닌 탄소나노튜브(CNT)와; 이 탄소나노튜브 표면에 화학적으로 결합되거나 물리적으로 흡착되어 있는 하기 작용기나 커플링제(A)와; 이 작용기나 커플링제(A)를 매개로 탄소나노튜브에 결합 코팅되어 있는 하기 세라믹(B)을 포함한 전기저항을 갖는 세라믹 코팅이 된 탄소나노튜브 복합체가 제공된다.

A: 하이드록실기, 카르복실기, 실란 커플링제, 지르코니아 커플링제, 타이터네이트 커플링제 및 N-alkyl이나 N, N-dialkyl amide기를 가지는 고분자로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상

B: 산화마그네슘(MgO), 산화알루미늄(Al2O3), 산화아연(ZnO), 산화지르코늄(ZrO2) 및 실리카(SiO2)로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 세라믹

이때 상기 액형의 탄소나노튜브 복합체에서 긴 실 형태로 섬유를 뽑아내고 상기 섬유를 여러가닥으로 분리하여 분리된 가닥들이 많은 중공을 가지면서 가닥들이 여러 교차점에서 맞닿도록한 솜형태로 구성되도록 한 탄소나노튜브 발열체가 제공된다.

본 발명의 탄소나노튜브 발열체는 그 발열효과가 뛰어날 뿐만 아니라 기존의 선형이나 면형의 발열체보다 방열성이 뛰어나기 때문에 작은 크기로 더 큰 전력에서도 연소되지 않아 내구성이 뛰어나며, 다양한 크기와 형태로 만들 수 있는 장점이 있다.

도1은 본 발명에 따른 일실시예의 탄소나노튜브 발열체를 도시한 도면이다.
도2는 본 발명에 따른 일실시예의 복합체를 나타내는 모식적 단면도이다.
도3은 본 발명에 따른 일실시예의 세라믹 코팅 탄소나노튜브 을 나타내는 모식적 단면도이다.

본 발명의 탄소나노튜브 발열체는 10 나노미터에서 1000 마이크로미터 크기를 지닌 하기 탄소나노튜브와 이 탄소나노튜브 표면에 화학적으로 결합되거나 물리적으로 흡착되어 있는 하기 작용기나 커플링제(A)와; 이 작용기나 커플링제(B)를 매개로 탄소나노튜브에 결합, 코팅되어 있는 하기 세라믹(B)을 포함하며, 전기저항을 갖는 탄소나노튜브 복합체로 구성된 여러가닥의 섬유가 다수의 중공을 가지면서 다수의 연결부분을 갖는 솜형태로 구성되도록 하였다.

상기 작용기나 커플링제는 하이드록실기, 카르복실기, 실란 커플링제, 지르코니아 커플링제, 타이터네이트 커플링제 및 N-alkyl이나 N, N-dialkyl amide기를 가지는 고분자로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상이다. 본 발명의 탄소나노튜브 복합체에서 탄소나노튜브와 세라믹은 바람직하게는 상기 작용기나 커플링제를 매개로 화학적 결합 또는 물리적 흡착을 이룬다.

상기 실란 커플링제(Silane Coupling Agent)는, 예를 들어, 아미노에틸 아미노프로필 트리에톡시 실란, 아미노프로필 트리메톡시 실란, 아미노프로필 트리에톡시 실란, 아미노에틸 아미노프로필 메틸 다이메톡시 실란, 페닐트리에톡시 실란, 테트라에틸 오르소 실리케이트, 다이에톡시디메틸 실란, 페닐 아미노프로필 트리메톡시 실란,아미노에틸 아미노프로필 트리메톡시 실란 중 1종 이상이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 타이터네이트 커플링제(Titanate Coupling Agent)는, 예를 들어, 이소프로필 트라이 다이옥틸포스페이트 타이터네이트, 이소프로필 트라이올레일 타이터네이트, 이소프로필 트라이스티어릴 타이터네이트, 이소소프로필 트라이 도데실벤젠설포네이트 타이터네이트, 이소프로필 트라이 다이옥틸피고포스페이트 타이터네이트, 테트라이소프로필다이 디옥틸포스페이트 타이터네이트 중 1종 이상이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 지르코니아 커플링제(Zirconate Coupling Agent)는, 예를 들어, 지르코니움IV, 2,2비스-2-프로페놀레토메틸 뷰테놀레토트리스다이옥틸피로포스페이토-오, 지르코니움 1,1비스-2-프로페놀레토메틸 뷰타놀레토 트리스 2-아미노 페닐레토 중 1종 이상이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 N-alkyl이나 N, N-dialkyl amide 기를 가지는 고분자는, 예를 들어,poly(N-acetylethylenimine),Poly(2-methyl-2-oxazoline), Poly(N,Ndimethylacrylamide),Poly(N-vinylpyrrolidone) 중 1종 이상이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 탄소나노튜브 표면에 합성되는 세라믹은, 산화마그네슘(MgO), 산화알루미늄(Al2O3), 산화아연(ZnO), 산화지르코늄(ZrO2) 및 실리카(SiO2)로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 세라믹이다. 상기 세라믹 전구체는 마그네시아전구체, 알루미나 전구체, 산화아연 전구체, 지르코니아의 전구체, 실리카 전구체 중 1종 이상일 수 있다. 마그네시아 전구체는, 예를 들어, 마그네슘나이트레이트(Mg(NO3)26H2O), 마그네슘 아세테이트 테트라하이드레이트(magnesium acetate tetrahydrate), 마그네슘 메톡사이드(Magnesium methoxide) 중 1종 이상이 될 수 있으나,이에 한정되는 것은 아니다. 알루미나 전구체는, 예를 들어, 알루미늄 나이트레이트(Aluminum nitratenonahydrate), 알루미늄이소프로폭사이드(Aluminum isopropoxide), 알루미늄 세크뷰톡사이드(Aluminium-secbutoxide)중 1종 이상이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 산화아연 전구체는 징크 나이트레이트(zinc nitrate), 징크 아세테이트(zinc acetate) 중 하나 이상이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 지르코니아 전구체는, 예를 들어, ZrO(NO3)2·2H2O, Zr(NO3)2·xH2O, 지르코늄 n-프로폭사이드(Zirconium npropoxide)중 1종 이상이 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 실리카 전구체는, 예를 들어,APTES(Aminopropyltriethoxysilane), APTMS(Aminopropyltrimethoxysilane), MPTES(3-mercaptopropyltriethoxysilane), MPTMS(3-mercaptopropyltrimethoxysilane), TEOS(TetraethylOrthosilicate), TMOS(Tetramethyl Orthosilicate), TPOS(Tetrapropyl Orthosilicate) 중 1종 이상이 될 수있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 탄소나노튜브 복합체로 구성된 여러가닥의 섬유가 다수의 중공을 가지면서 다수의 연결부분을 갖는 솜형태로 구성되도록 하였다. 본 발명의 바람직한 일실시예에서는 액형의 탄소나노튜브 복합체에서 긴 실 형태의 원사를 뽑아내고, 상기 원사를 10~20mm의 크기로 절단한 후 다시 세로로 여러가닥의 섬유로 분리한 후 다시 상기의 다수의 섬유들을 뭉치고 이어붙이는 방식으로 솜형태를 구성하였다.

1 : 세라믹 코팅 탄소나노튜브 복합체
2 : 탄소나노튜브 입자
3 : 세라믹 계면층
10 : 탄소나노튜브 입자
11 : 세라믹층
12 : 세라믹 코팅 탄소나노튜브

Claims

10 나노미터에서 1000 마이크로미터 크기를 지닌 하기 탄소나노튜브와 이 탄소나노튜브 표면에 화학적으로 결합되거나 물리적으로 흡착되어 있는 하기 작용기나 커플링제(A)와; 이 작용기나 커플링제(B)를 매개로 탄소나노튜브에 결합, 코팅되어 있는 하기 세라믹(B)을 포함하며, 전기저항을 갖는 탄소나노튜브 복합체로 구성된 여러가닥의 섬유가 다수의 중공을 가지면서 다수의 연결부분을 갖는 솜형태로 구성되도록 한 탄소나노튜브 발열체.
A: 하이드록실기, 카르복실기, 실란 커플링제, 지르코니아 커플링제, 타이터네이트 커플링제 및 N-alkyl이나 N, N-dialkyl amide기를 가지는 고분자로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상
B: 산화마그네슘(MgO), 산화알루미늄(Al2O3), 산화아연(ZnO), 산화지르코늄(ZrO2) 및 실리카(SiO2)로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 세라믹

제1항에 있어서,
상기 섬유는 10~20mm 이내로 형성된 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브 발열체.