KR20180002166A - 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체 및 이의 제조 방법이 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체는, 복수의 탄소섬유를 포함하는 탄소섬유층; 및 상기 탄소섬유층의 일면에 부착되는 적어도 하나의 금속 전극을 포함하며, 상기 탄소섬유층은, 상기 적어도 하나의 금속 전극을 상기 탄소섬유층의 일면에 부착시키는 도전성 접착제가 함침된 적어도 하나의 함침 영역을 포함한다.
Description
본 발명은 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소섬유와 전극 간 저항을 최소화하여 부착할 수 있는 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
면상 발열체는 통전 시 발생하는 방사열을 이용하는 것으로 발열 공간내 공기가 오염되지 않아 위생적이며, 온도조절이 용이하고, 소음이 없고, 인체에 유익한 원적외선이 방출되는 장점 등이 있어, 아파트나 팬션 등의 주거용 난방 소재로부터, 상업용, 농업용 및 각종 산업용 난방 소재에 이르기 까지 광범위하게 사용되고 있다. 이러한 면상 발열체의 열원으로는 알루미늄 등의 금속 발열체, 탄소 재료를 이용한 비금속 발열체로 분류할 수 있다.
일반적으로, 탄소 재료를 발열체로 하는 면상 발열체의 경우, 카본 블랙을 주요 성분으로 하는 전도성 필러에 용제를 섞어서 면 형태로 코팅하여 만들어진다. 균일한 전자의 공급을 위한 전극은 주로 구리 리본으로 만들어지고 양 끝단에 부착된다.
그런데, 카본 블랙을 사용하는 면상 발열체에 구리 리본을 직접 부착시키는 경우, 발열의 균일성을 확보할 수 없다. 전도성이 우수한 구리 전극과 카본 블랙 사이의 접촉 저항이 커서 경계 부분에서 발열이 많이 발생하기 때문이다. 이를 발열 집중 현상이라 한다. 구리 전극과 카본 블랙의 경계에서 발생하는 발열 집중 현상은 에너지의 낭비를 일으킬 뿐만 아니라, 사용자에게 화상을 입히거나 화재를 일으킬 수 있는 위험 요소이다. 이런 문제를 해결하기 위해, 전도성이 우수한 실버 페이스트를 사용하여 경계의 저항을 줄여왔다.
도 1은 카본 블랙을 사용하는 종래의 면상 발열체의 단면을 도시한 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 면상 발열체(10)는 실버 페이스트(12)를 카본 블랙(11) 위에 구리 전극(13)보다 넓게 발라 전자를 퍼트릴 수 있는 구역을 형성하여 주는 방식이다. 구리 전극(13)은 실버 페이스트(12) 구역보다 좁으며, 전자는 구리 전극(13)에서 실버 페이스트(12)로 이동하고, 조금 더 넓게 퍼진 후 카본 블랙(11)으로 이동한다. 이 경우 접촉 저항은 구리 전극(13)과 실버 페이스트(12) 사이와, 실버 페이스트(12)와 카본 블랙(11) 사이에서 발생하기 때문에 발열 집중량이 적어지고 열도 더 넓게 퍼지는 효과가 있다. 이와 같은 방식으로 발열 집중 현상을 해결하여 왔다.
그러나, 카본 블랙을 사용하는 경우, 면상 발열체의 두께가 두껍고 유연성이 없으며 전기 전도성이 낮아서 사용 범위가 바닥 난방재 등으로 한정적이고, 고전압에서 구동시켜야 하는 단점을 가지고 있다.
이러한 문제점들을 해결하기 위해, 전기 전도성과 강도, 유연성이 우수한 탄소섬유를 이용한 면상 발열체의 개발을 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 탄소섬유로 이루어진 천은 다양한 형태기 이미 개발되었으며, 여기에 구리 등의 금속 전극을 부착하는 방법이 있다. 예를 들어, 도전성 폴리머 접착제 조성물을 금속 전극의 일면에 도포한 후, 탄소섬유로 이루어진 발열체의 표면과 금속 전극의 표면을 접착하는 방식이다. 그러나, 이러한 경우에도 기존과 마찬가지로 금속 전극을 바로 붙이면 접착력이 없을 뿐만 아니라, 접촉 저항에 의한 경계부 발열 집중 현상이 발생하는 문제가 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 탄소섬유와 금속 전극 간에 접촉 저항이 커서 열이 많이 발생하는 발열 집중 현상을 해결하기 위해, 탄소섬유와 금속 전극을 저저항으로 부착할 수 있는 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체 및 이의 제조 방법을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체는, 복수의 탄소섬유를 포함하는 탄소섬유층; 및 상기 탄소섬유층의 일면에 부착되는 적어도 하나의 금속 전극을 포함하며, 상기 탄소섬유층은, 상기 적어도 하나의 금속 전극을 상기 탄소섬유층의 일면에 부착시키는 도전성 접착제가 함침된 적어도 하나의 함침 영역을 포함한다.
또한, 상기 도전성 접착제의 비저항이 상기 탄소섬유층의 비저항보다 낮고 상기 금속 전극의 비저항보다 높을 수 있다.
또한, 상기 탄소섬유층은, 상기 함침 영역의 전기 저항이 상기 함침 영역을 제외한 비함침 영역의 전기 저항보다 낮을 수 있다.
또한, 상기 금속 전극은, 전기 저항이 상기 함침 영역의 전기 저항보다 낮을 수 있다.
또한, 상기 탄소섬유층은, 탄소섬유 다발 또는 탄소섬유 천으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 탄소 섬유층은, 상기 함침 영역의 도전성 접착제 밀도가 불균일할 수 있다.
또한, 상기 금속 전극은, 리본 형상이며, 상기 함침 영역은, 상기 리본 형상의 길이 방향을 따라 상기 도전성 접착제 밀도가 불연속적으로 변할 수 있다.
또한, 상기 도전성 접착제는, 1~80 중량%의 용제, 0.1~20 중량%의 폴리머 바인더, 1~50 중량%의 도전성 필러를 포함할 수 있다.
또한, 상기 도전성 접착제는, 점도가 10~10,000일 수 있다.
그리고, 상기 도전성 접착제는, 1~80 중량%의 탄소나노튜브를 더 포함할 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체의 제조 방법은, 복수의 탄소섬유를 포함하는 탄소섬유층을 준비하는 단계; 및 상기 탄소섬유층에 금속 전극이 부착되도록 비저항이 상기 탄소섬유층의 비저항보다 낮고 상기 금속 전극의 비저항보다 높은 도전성 접착제를 상기 탄소섬유층에 함침시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따르면, 금속 전극과 탄소섬유 사이 접촉 저항에 의해 발생되는 발열 집중 현상을 해소할 수 있으며, 화상, 화재 위험 등을 미연에 방지할 수 있다.
또한, 고가의 도전성 폴리머나 실버 페이스트를 사용하지 않음으로써, 생산성을 향상시키고, 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 카본 블랙을 사용하는 종래의 면상 발열체의 단면을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체의 단면을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체의 단면을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체의 단면을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 발열체의 함침 영역의 밀도를 도시한 도면이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 함침 방식으로 제작된 탄소섬유 발열체의 열화상 이미지를 도시한 도면이며, 도 6b는 구리 리본 부착 방식으로 제작된 탄소섬유 발열체의 열화상 이미지를 도시한 도면이고, 도 6c는 좌측이 함침 방식으로 제작되고 우측이 구리 리본 부착 방식으로 제작된 탄소섬유 발열체의 열화상 이미지를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체의 제조 방법의 순서를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체의 단면을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체의 단면을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체의 단면을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 발열체의 함침 영역의 밀도를 도시한 도면이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 함침 방식으로 제작된 탄소섬유 발열체의 열화상 이미지를 도시한 도면이며, 도 6b는 구리 리본 부착 방식으로 제작된 탄소섬유 발열체의 열화상 이미지를 도시한 도면이고, 도 6c는 좌측이 함침 방식으로 제작되고 우측이 구리 리본 부착 방식으로 제작된 탄소섬유 발열체의 열화상 이미지를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체의 제조 방법의 순서를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 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 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 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.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "이루어지다(made of)"는 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체의 단면을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체(100, 이하 '탄소섬유 발열체'라 함)는 복수의 탄소섬유를 포함하는 탄소섬유층(110) 및 상기 탄소섬유층(110)의 일면에 부착되는 적어도 하나의 금속 전극(120)을 포함한다. 여기에서, 탄소섬유층(110)은 열을 발산하는 발열체가 되며, 금속 전극(120)은 열을 발산하는 탄소섬유층(110)에 전류를 전달한다. 즉, 탄소섬유층(110)이 발열부가 되고, 금속 전극(120)이 전극부가 된다. 이때, 탄소섬유층(110)은 적어도 하나의 금속 전극(120)을 탄소섬유층(110)의 일면에 부착시키는 도전성 접착제가 함침된 적어도 하나의 함침 영역(112)을 포함한다.
발열부의 역할을 하는 탄소섬유층(110)과 전극부의 역할을 하는 금속 전극(120)이 각기 서로 다른 비저항을 가지고 있고, 이 저항차에 의해 인가된 전압이 금속 전극(120)을 지나 탄소섬유층(110)으로 인가되는 경우, 둘 사이의 높은 접촉 저항으로 인해 급격히 전압이 감소하는 전압 강하 현상이 나타나고, 해당 접촉면에서의 단위면적당 발열량이 높아 발열 집중 현상이 발생할 수 있으나, 탄소섬유층(110)의 함침 영역(112)에 있는 도전성 접착제에 의해 발열 집중 현상이 해소된다. 이때, 도전성 접착제의 비저항이 탄소섬유층(110)의 비저항보다 낮고 금속 전극(120)의 비저항보다 높은 것이 바람직하다.
구체적으로, 도전성 접착제는 탄소섬유층(110)의 내부로 함침되어 탄소섬유의 표면을 코팅하고, 해당 코팅면과 금속 전극(120)의 일면을 부착시킴으로써, 금속 전극(120)을 통해 인가된 전압을 통전할 수 있는 형태를 구성하며, 이에 전극부인 금속 전극(120)의 저항과 발열부인 탄소섬유층(110)의 저항 사이에 중간 저항 구역이 되어 급격한 전압강하에 따른 발열 집중 현상을 최소화할 수 있게 된다. 즉, 탄소섬유층(110)은 함침 영역(112)의 전기 저항이 상기 함침 영역(112)을 제외한 비함침 영역의 전기 저항보다 낮게 되며, 금속 전극(120)은 전기 저항이 상기 함침 영역(112)의 전기 저항보다 낮게 된다.
금속 전극(120)은 미미한 전압 강하 아래에서 전자를 원거리까지 운반하고, 함침 영역(112)에 함침되어 있는 도전성 접착제는 탄소섬유보다 빠르게 전자를 탄소섬유층(110)의 내부까지 이동시키고, 탄소섬유층(110)이 전자를 균일하게 받아들여 발열부로 작동하게 된다. 이에, 종래의 카본 블랙을 사용하는 면상 발열체와 달리 금속 전극(120)과 발열체인 탄소섬유층(110)의 사이에 별도의 층을 만들 필요가 없으며, 별도의 층으로 전도성이 우수한 실버 페이스트를 사용할 필요도 없다.
탄소섬유층(110)은 발열부의 역할을 하며, 탄소섬유를 포함하는 다발 또는 탄소섬유을 포함하는 천으로 이루어질 수 있다. 탄소섬유 천은 탄소섬유를 포함하는 부직포, 펠트, 직물, 시트 등 면상의 형태로 구성된 것을 사용할 수 있다. 또한, 탄소섬유 천은 탄소섬유 다발을 금속 전극(120) 방향에 수직하거나 수직에 가깝게 병렬로 다수 배열한 것일 수 있다. 그리고, 탄소섬유 다발은 금속 전극(120)에 더 넓은 면적으로 부착하기 위해서 일정 폭으로 펼친 것을 사용할 수도 있으며, 금속 전극(120)과 접촉하는 부분에서만 넓게 펼친 것을 사용할 수도 있다.
여기에서, 탄소섬유는 PAN계(폴리아크릴로니트릴계), 피치계, 레이온계뿐만 아니라, 섬유상을 가진 고탄소함유 소재를 사용할 수 있다. 이러한 탄소섬유는 1차원적으로 신장된 구조를 가질 수 있으며, 탄소섬유의 섬유 길이에 특별한 제한이 없음은 물론이다.
탄소섬유의 섬유 길이가 길어지면 도전성, 강도 등이 향상되는데 반해, 탄소섬유의 섬유 길이가 지나치게 길면 탄소섬유의 분산성이 떨어질 수 있다. 또한, 섬유 길이가 너무 짧은 경우에는 섬유간 결합력이 저하되어 형태 안정성이 떨어질 수 있다. 그러므로, 적절한 길이의 탄소섬유를 사용해야 하며, 평균 섬유 길이는 사용될 탄소섬유의 종류와 섬유 직경에 따라 다를 수 있다. 또한, 탄소섬유의 섬유 직경이 지나치게 크면 공극의 크기가 너무 커질 수 있고, 섬유 직경이 너무 작으면 가공성이 떨어져 바인더에 의한 결합이 어려울 수 있으므로, 평균 섬유 직경이 적절한 탄소섬유를 사용할 수 있다.
예를 들어, 탄소섬유 천의 일례로, 부직포 형태로 약 1~20 mm 길이로 잘려진 촙 상태의 탄소섬유를 사용하여 바인더 첨가를 하고, 습식(wet-laid) 장치를 통해 탄소섬유 부직포를 제조할 수 있다. 이때, 바인더로는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF)로 대표되는 우레탄기, 에폭시기, 카르복실기, 카르보닐기, 아크릴기, 히드록시기, 에스테르기, 에테르기, 비닐아세테이트기, 아미드기, 이미드기, 말레인산기를 포함하는 유기계 바인더 혹은 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 스티렌부타디엔러버(SBR), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 및 폴리비닐알코올(PVA) 등 수계 바인더를 제조 용도에 맞게 선택적으로 사용할 수 있으며, 그 함량은 사용된 탄소섬유의 함량 및 제조하고자 하는 탄소섬유 천의 두께 및 전도도를 고려하여 정할 수 있다. 이때, 분산 안정성을 높이는 점도 향상의 목적으로 셀룰로스, 커드란, 타마린드, 젤라틴, 구아검, 펙틴, LBG, 카라기난, 곤약, 알긴산, 아라빅, 젤란, 잔탄 등을 추가하여 사용할 수 있다.
금속 전극(120)은 구리, 알루미늄, 은(Silver), 니켈, 주석 등을 포함하는 금속 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 모양은 리본 또는 선 형태일 수 있다. 선 형태는 구리 와이어나 은도금 구리 와이어를 사용할 수 있다. 리본 형상은 두께 3~100μm 정도일 수 있다.
함침 영역(112) 도전성 접착제를 탄소섬유층(110)의 내부까지 함침시켜 형성되고, 금속 전극(120)의 일면에 부착된다. 발열부인 탄소섬유층(110)에 함침되고 전극부인 금속 전극(120)에 접착되는 도전성 접착제의 경우, 금속 전극(120)보다는 높고 탄소섬유층(110) 보다는 낮은 비저항 수준을 가질 수 있도록 조성된 도전성 필러가 포함된 접착제이다. 구체적으로, 부직포, 펠트, 시트 등의 형태로 이루어진 탄소섬유층(110)의 밀도, 두께 및 기공률 등의 상태에 따라 탄소섬유층(110)의 내부로 충분히 함침될 수 있는 수준의 10~10,000 cps의 점도를 가진 도전성 접착제를 사용할 수 있다.
여기에서, 탄소섬유층(110)의 일부 영역에 함침되는 도전성 접착제는 1~80 중량%의 용제, 0.1~20 중량%의 폴리머 바인더, 1~50 중량%의 도전성 필러를 포함할 수 있다. 각 조성물의 사용량은 탄소섬유층(110)과 금속 전극(120)의 저항을 고려하여 도전성 접착제의 비저항의 범위, 탄소섬유층(110)의 밀도 및 기공률 등을 고려하여 점도 등 목적에 적합하도록 사용될 수 있다. 폴리머 바인더의 경우, 아크릴레이트수지, 에폭시수지, 폴리에스터, 폴리우레탄, 폴리카보네이트, 폴리아마이드, 폴리이미드 및 폴리에테르 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 또한, 도전성 필러는 탄소나노튜브, 카본블랙, 분쇄탄소섬유 및 금, 은, 구리 등과 같은 금속분말이 사용될 수 있다. 또한, 용제로는 주로 물이나 알코올, 아세톤, N-메틸피롤리돈(NMP), 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 글리세린 등과 같은 유기 용제들이 사용될 수 있다.
또한, 우수한 전기적 성능과 높은 함침율을 위해, 도전성 접착제에 단층벽 또는 다층벽으로 이루어진 탄소나노튜브를 혼합할 수 있다. 구체적으로, 도전성 접착제는 1~80 중량%의 탄소나노튜브를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 탄소나노튜브의 적정 혼합량은 도전성 접착액을 250도로 건조시킨 후의 고형분 중 5 중량(wt)% 이상으로 할 수 있다.
다양한 도전성 접착제를 이용하여 탄소섬유 발열체를 제작하여 접촉 저항을 측정하였다. 도전성 접착제로 탄소나노튜브(CNT) 접착제, 은나노 접착제를 제작하였으며, 이와 비교를 위하여 전도성 폴리머를 이용한 탄소섬유 발열체를 제작하였다. 이때, 탄소섬유 시트는 100μm 두께, 가로 세로 30x30cm 크기로 제작되었다. 전극은 50μm 두께의 구리 호일(Cu Foil)을 5mm 폭으로 절단한 스트립을 사용하였다.
전도성 폴리머 접착제는 전극에 한 면 코팅된 상태로 먼저 만들어진 후, 탄소섬유 시트의 한 면에 부착하는 방식으로 만들어졌다. 또한, CNT 접착제는 자체 제작되었으며, 90 중량%의 용제에 약 7 중량%의 분산제 겸 폴리머 바인더, 다층벽과 단층벽 탄소나노튜브를 3 중량%를 분산시켜 도전성 접착제를 만들었다. 은나노 접착제도 자체 제작되었으며, 75 중량%의 용제에 약 7 중량%의 분산제 겸 폴리머 바인더와 50nm 크기의 구형 나노실버 입자 18 중량%를 넣어서 제조하였다.
탄소나노튜브 전도성 잉크는 코팅 후 건조 시 약 9~10 중량%의 잔류량을 보였으며, 비저항은 5x10-3 Ω·cm를 나타내었다. 은나노 잉크는 건조 후 잔류량은 20~25 중량%를 보였으며, 비저항은 3x10-4 Ω·cm를 나타내었다. 탄소나노튜브 접착제 및 은나노 접착제의 비저항은 구리의 비저항 1.724×10－6 Ω·cm에 비해 높고, 탄소섬유의 비저항 10-1∼10-2 Ω·cm에 비해 낮음을 알 수 있다.
아래의 표 1은 용제의 휘발 후, 접촉 저항 등을 측정한 데이터이다.
| 탄소섬유 시트저항 |
전극저항 (전극당) |
도전성 접착제 종류 | 접착제 사용량(전극당) |
총저항 | 계산된 총 접촉저항 |
| 2.5Ω | 0.1Ω | 없음 | 없음 | 20.5Ω | 17.8Ω |
| 2.5Ω | 0.1Ω | 전도성폴리머 | 전극에10μm코팅 | 4.5Ω | 1.8Ω |
| 2.5Ω | 0.1Ω | CNT분산액 | 1g | 3.2Ω | 0.5Ω |
| 2.5Ω | 0.1Ω | CNT분산액 | 2g | 3Ω | 0.3Ω |
| 2.5Ω | 0.1Ω | CNT분산액 | 3g | 2.8Ω | 0.1Ω |
| 2.5Ω | 0.1Ω | 은나노분산잉크 | 2g | 3.3Ω | 0.6Ω |
| 2.5Ω | 0.1Ω | 은나노분산잉크 | 3g | 3.1Ω | 0.4Ω |
| 2.5Ω | 0.1Ω | 은나노분산잉크 | 5g | 2.8Ω | 0.1Ω |
표 1에 나타난 바와 같이, 전도성 폴리머를 전극에 코팅하는 것에 비해, 탄소나노튜브(CNT) 접착제, 은나노 접착제 등을 탄소섬유에 함침시키는 것이 접촉 저항을 크게 줄일 수 있음을 알 수 있다. 여기에 더해, 동일한 도전성 접착제라도 도전성 접착제의 사용량을 증가시킴에 따라 접촉 저항이 줄어드는 것을 알 수 있다. 즉, 탄소섬유 시트의 함침 면적당 도전성 접착제의 함침 밀도를 증가시킴에 따라 접촉 저항이 줄어드는 것을 알 수 있다.
이러한 함침 영역(112)의 크기는 적절하게 조절할 수 있으며, 이에 대해서는 후술하여 살펴 보도록 한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체의 단면을 도시한 도면이다. 또한, 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체의 단면을 도시한 도면이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 도전성 접착제가 함침되는 탄소섬유층(110)의 함침 영역(112)은 금속 전극(120)의 폭을 꼭 넘을 필요는 없다. 전자의 확산 구역이 금속 전극(120)에서 수직 방향으로 만들어져서 충분히 발열층 내부로 이동하였기 때문이다.
또한, 도면에는 도시하지 않았으나, 생산 속도의 향상 등을 위해 함침에 필요한 시간을 줄이기 위해, 탄소섬유층(110)의 두께의 일부만 함침시키고, 함침 구간의 폭을 금속 전극(120)보다 넓게 하는 것도 가능하다.
또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 탄소섬유층(110)의 전 두께 방향에 대해 함침을 시킨다면 함침 구간의 폭은 금속 전극(120)보다 좁아도 발열 집중 현상이 크지 않다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 발열체의 함침 영역의 밀도를 도시한 도면이다.
탄소 섬유층(110)은 도전성 접착제가 함침된 함침 영역(112)의 도전성 접착제 밀도를 균일하게 할 수 있으나, 상기 함침 영역(112)의 도전성 접착제 밀도를 불균일하게 함침할 수도 있다. 일례로, 함침 영역(112) 중에서 일부분은 한번 함침하고, 다른 부분은 적어도 2번 이상 함침함으로써, 도전성 접착제 밀도를 불균일하게 할 수 있다.
예를 들어, 금속 전극(120)이 리본 형상이며, 상기 리본 형상에 대응하여 상기 리본 형상의 길이 방향을 따라 도전성 접착제가 함침되어 함침 영역(112)이 형성되는 경우, 상기 함침 영역(112)의 도전성 접착제 밀도가 연속적 또는 불연속적으로 변하도록 할 수 있다. 여기에서, 연속적이라 함은 함침 영역(112)의 도전성 접착제 밀도가 길이 방향을 따라 일정하게 증가하거나 감소하는 것이며, 불연속적이라 함은 함침 영역(112)의 도전성 접착제 밀도가 길이 방향을 따라 비선형적으로 변하는 것이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 탄소섬유층(110)의 우측단에 함침 영역(112)이 형성되어 있는 경우, 길이 방향을 따라 함침 영역(112)이 다섯 부분의 서브 함침 영역(112a, 112b, 112c, 112d, 112e)으로 분할될 수 있고, 도전성 접착제 밀도가 상측에서 하측으로 증가하도록 할 수 있다. 일례로, 112a, 112b, 112c, 112d, 112e에 각각 도전성 접착제인 탄소나노튜브 접착제를 5g, 4g, 3g, 2g, 1g 함침시킬 수 있다.
구체적으로, 금속 전극(120)에서 전자가 유입되는 부분에 대응하는 함침 영역의 부분에서의 도전성 접착제 밀도를 가장 높게 함침시키고, 순차적으로 도전성 접착제 밀도가 줄어들도록 탄소섬유층(110)을 함침시킴으로써, 함침 영역(112)에서 보다 균일한 속도로 금속 전극(120)으로부터 전자를 받아들이고, 보다 균일한 속도로 탄소섬유층(110)으로 전자를 이동시키도록 할 수 있다.
예를 들어, 도 5에서 금속 전극(120)이 길이 방향으로 길게 형성된 경우, 금속 전극(120)에서 전자가 유입되는 부분에 대응하는 탄소섬유층(110)의 함침 영역이 112a가 되도록 할 수 있다. 즉, 금속 전극(120)에서 전자가 유입되는 부분에 대응하는 함침 영역(112a)의 함침 밀도를 가장 높게 하고, 연속적으로 또는 도 5에 도시한 것과 같이 불연속적으로 함침 영역(112)의 함침 밀도가 낮아지도록 탄소섬유층(110)을 함침시킬 수 있다. 이때, 전기 저항의 크기는 탄소섬유층(110)>112e>112d>112c>112b>112a>금속 전극(120)이 된다.
이에 따라, 함침 영역(112)의 비저항 또는 전기 저항이 금속 전극(120)의 전자 유입 구조에 대응하여 불균일하게 형성됨으로써, 함침 영역(112)의 도전성 접착제가 균일한 속도로 전자를 탄소섬유층(110)의 내부까지 이동시키고, 탄소섬유층(110)이 전자를 균일하게 받아들여 발열 균일성을 보다 향상시킬 수 있게 된다. 일례로, 도 5에서, 함침 영역(112)에 CNT 접착제를 이용하여 함침시킬 수 있고, 전자가 제일 먼저 유입되는 부분이 112a인 경우, 이 부분에 도전성 접착제를 가장 많이 함침시키고, 112b, 112c, 112d, 112e의 순으로 함침 밀도가 감소되도록 도전성 접착제를 탄소섬유층(110)에 함침시킬 수 있다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 함침 방식으로 제작된 탄소섬유 발열체의 열화상 이미지를 도시한 도면이며, 도 6b는 구리 리본 부착 방식으로 제작된 탄소섬유 발열체의 열화상 이미지를 도시한 도면이고, 도 6c는 좌측이 함침 방식으로 제작되고 우측이 구리 리본 부착 방식으로 제작된 탄소섬유 발열체의 열화상 이미지를 도시한 도면이다.
아래의 실시예 1에 따른 함침 방식으로 탄소섬유 발열체를 제작하였고, 아래의 비교예 1에 따른 종래의 구리 리본 부착 방식으로 탄소섬유 발열체를 제작하였으며, 도전성 접착제 함침 방식과 구리 리본 부착 방식에 대한 직접 비교를 위해 대향하는 전극의 한 쪽은 함침 방식을 사용하여 만들고, 다른 한 쪽은 구리 리본 부착 방식을 사용하여 탄소섬유 발열체를 제작하였다. 그런 후에, 이들의 열화상 이미지를 획득하였다.
<실시예 1>
6 mm 길이의 탄소섬유 촙을 분산시켜 두께 100μm의 탄소섬유 부직포를 제작하였다. 가로 세로 각각 100mm 크기로 잘라내서 탄소섬유 부직포의 양 끝에 폭 10mm, 두께 60μm의 구리 리본을 밀착시켰다. 접착을 위해 약 90%의 용제에 7%의 폴리머바인더, 그리고 탄소나노튜브 3%를 분산시켜 도전성 접착제를 만들었다. 그리고, 바닥면에서부터 순서대로 구리 리본, 탄소섬유 부직포를 놓고 액상의 도전성 접착제를 도포하였다. 이때, 총 도포 면적에 대해 약 5 ml 수준의 도전성 접착제를 도포하였고 110℃ 의 오븐에서 10분간 건조하여 탄소섬유 부직에 구리 리본을 고정시켰다.
양단 전극에 5V를 인가하여 발생되는 열을 열화상 이미지로 촬영하였으며, 이는 도 6a에 도시되어 있다.
<비교예 1>
탄소섬유 부직포는 실시예 1과 동일하게 제작하였다. 탄소섬유 부직포의 양단 끝에 폭 10mm 구리 리본 테이프를 접착하였다. 테이프의 접착제는 전도성 폴리머로 되어 있으며, 접착제의 두께는 6μm이다.
발열체에 5V의 직류전압을 인가하여 열화상 이미지를 촬영하였으며, 이는 도 6b에 도시되어 있다.
<비교예 2>
도전성 접착제의 탄소섬유 내부 함침 방식과 구리 리본 테이프 부착 방식에 대한 직접 비교를 위해 대향하는 전극의 한 쪽은 함침 방식을 사용하여 만들고, 다른 한 쪽은 테이프 부착 방식을 사용하여 만들었다.
제작된 탄소섬유 부직포 발열체에 5V의 직류전압을 인가하여 열화상 이미지를 활영하였으며, 이는 도 6c에 도시되어 있다.
도 6a의 H1 부분에 비해 도 6b의 H2 부분, 즉 구리 전극(2)과 탄소섬유 발열체(1)의 경계에서 많은 열이 발생함을 알 수 있다.
또한, 도 6c에 도시한 바와 같이, 도전성 접착제 내부 함침 방식으로 이루어진 발열체와 전극 간 경계(E1)의 발열량이 구리 리본 테이프 부착 방식으로 만들어진 발열체와 전극 간 경계(E2)의 발열량에 비해 적게 나오는 것을 알 수 있다. 이는 함침 방식을 사용한 도 6c의 좌측 부분(E1)은 전극과 탄소섬유 시트에서 열이 조금 나고 있는데 반해, 전도성 테이프 방식을 사용한 우측 부분(E2)은 접촉 경계에서 강한 열이 나고 있고, 그 만큼 경계의 접촉저항이 크기 때문에 발생하는 현상이다.
탄소섬유를 포함하는 발열체 내에 도전성 접착제를 함침시킴으로써, 전극과 전기적으로 결합되는 탄소섬유 발열체는 탄소섬유와 전극 간의 접촉 저항을 크게 줄일 수 있고, 발열 집중 현상을 해소하여 균일한 열분포를 얻을 수 있고, 이에 따라 화상, 화재 안전성 등을 개선할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 발열체의 제조 방법의 순서를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체의 제조 방법은, 복수의 탄소섬유를 포함하는 탄소섬유층을 준비하고(S10), 상기 탄소섬유층에 금속 전극이 부착되도록 비저항이 상기 탄소섬유층의 비저항보다 낮고 상기 금속 전극의 비저항보다 높은 도전성 접착제를 상기 탄소섬유층에 함침시킨다(S20).
이에, 기존 보편적으로 사용되고 있는 금속 테이프 등을 사용하지 않고, 전극과 탄소섬유 간 경계에서 접촉저항으로 인해 발생하는 발열집중 현상을 해결함으로써, 열 불균일 분포에 의한 에너지 손실 및 화상, 화재에 대한 위험성을 현저히 감소시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 탄소섬유 발열체
110: 탄소섬유층 112: 함침 영역
120: 금속 전극
110: 탄소섬유층 112: 함침 영역
120: 금속 전극
Claims (11)
- 복수의 탄소섬유를 포함하는 탄소섬유층; 및
상기 탄소섬유층의 일면에 부착되는 적어도 하나의 금속 전극을 포함하며,
상기 탄소섬유층은, 상기 적어도 하나의 금속 전극을 상기 탄소섬유층의 일면에 부착시키는 도전성 접착제가 함침된 적어도 하나의 함침 영역을 포함하는, 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체. - 제 1항에 있어서,
상기 도전성 접착제의 비저항이 상기 탄소섬유층의 비저항보다 낮고 상기 금속 전극의 비저항보다 높은, 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체. - 제 1항에 있어서,
상기 탄소섬유층은, 상기 함침 영역의 전기 저항이 상기 함침 영역을 제외한 비함침 영역의 전기 저항보다 낮은, 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체. - 제 3항에 있어서,
상기 금속 전극은, 전기 저항이 상기 함침 영역의 전기 저항보다 낮은, 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체. - 제 1항에 있어서,
상기 탄소섬유층은, 탄소섬유 다발 또는 탄소섬유 천으로 이루어지는, 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체. - 제 1항에 있어서,
상기 탄소 섬유층은, 상기 함침 영역의 도전성 접착제 밀도가 불균일한, 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체. - 제 6항에 있어서,
상기 금속 전극은, 리본 형상이며,
상기 함침 영역은, 상기 리본 형상의 길이 방향을 따라 상기 도전성 접착제 밀도가 불연속적으로 변하는, 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체. - 제 1항에 있어서,
상기 도전성 접착제는, 1~80 중량%의 용제, 0.1~20 중량%의 폴리머 바인더, 1~50 중량%의 도전성 필러를 포함하는, 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체. - 제 8항에 있어서,
상기 도전성 접착제는, 점도가 10~10,000인, 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체. - 제 8항에 있어서,
상기 도전성 접착제는, 1~80 중량%의 탄소나노튜브를 더 포함하는, 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체. - 복수의 탄소섬유를 포함하는 탄소섬유층을 준비하는 단계; 및
상기 탄소섬유층에 금속 전극이 부착되도록 비저항이 상기 탄소섬유층의 비저항보다 낮고 상기 금속 전극의 비저항보다 높은 도전성 접착제를 상기 탄소섬유층에 함침시키는 단계를 포함하는, 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체의 제조 방법.
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| KR1020160081273A KR20180002166A (ko) | 2016-06-29 | 2016-06-29 | 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체 및 이의 제조 방법 |
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| KR (1) | KR20180002166A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109041296A (zh) * | 2018-07-13 | 2018-12-18 | 东莞市星显电子科技有限公司 | 碳纤维发热片、生产方法及加热理疗装置 |
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2016
- 2016-06-29 KR KR1020160081273A patent/KR20180002166A/ko active IP Right Grant
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