KR20200106716A - Method for manufacturing few layer graphene, and method for manufacturing ptc positive temperature heating element comprising graphene-containing polymer nanocomposite - Google Patents

Method for manufacturing few layer graphene, and method for manufacturing ptc positive temperature heating element comprising graphene-containing polymer nanocomposite Download PDF

Info

Publication number
KR20200106716A
KR20200106716A KR1020190025288A KR20190025288A KR20200106716A KR 20200106716 A KR20200106716 A KR 20200106716A KR 1020190025288 A KR1020190025288 A KR 1020190025288A KR 20190025288 A KR20190025288 A KR 20190025288A KR 20200106716 A KR20200106716 A KR 20200106716A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
graphene
heating element
ptc
temperature heating
coating
Prior art date
Application number
KR1020190025288A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102575970B1 (en
Inventor
임기현
노치우
Original Assignee
엔디티엔지니어링(주)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엔디티엔지니어링(주) filed Critical 엔디티엔지니어링(주)
Priority to KR1020190025288A priority Critical patent/KR102575970B1/en
Publication of KR20200106716A publication Critical patent/KR20200106716A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102575970B1 publication Critical patent/KR102575970B1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182Graphene
    • C01B32/184Preparation
    • C01B32/19Preparation by exfoliation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01CRESISTORS
    • H01C7/00Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/02Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient
    • H01C7/022Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material having positive temperature coefficient mainly consisting of non-metallic substances
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H05B3/14Heater elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00Ohmic-resistance heating
    • H05B3/20Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/017Manufacturing methods or apparatus for heaters
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/02Heaters using heating elements having a positive temperature coefficient

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Resistance Heating (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing few-layer graphene, and a method for manufacturing a PTC positive temperature heating element using a graphene-based nanocomposite material including graphene obtained therefrom. Particularly, the method for manufacturing few-layer graphene includes the steps of: heat treating graphite; and carrying out mechanical exfoliation of the heat treated graphite to obtain few-layer graphite having 2-9 layers. In addition, the method for manufacturing a PTC positive temperature heating element includes the steps of: mixing the few-layer graphene having 2-9 layers and obtained by the above-mentioned method with a polymer binder to prepare a graphene-based PTC positive temperature heating paste; and printing or coating the graphene-based PTC positive temperature heating paste to obtain a PTC positive temperature heating element using a graphene-based polymer nanocomposite material.

Description

그래핀의 제조방법 및 그래핀 기반 고분자 나노복합소재를 포함하는 PTC 정온발열체 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING FEW LAYER GRAPHENE, AND METHOD FOR MANUFACTURING PTC POSITIVE TEMPERATURE HEATING ELEMENT COMPRISING GRAPHENE-CONTAINING POLYMER NANOCOMPOSITE}Manufacturing method of graphene and method of manufacturing PTC constant temperature heating element including graphene-based polymer nanocomposite material{METHOD FOR MANUFACTURING FEW LAYER GRAPHENE, AND METHOD FOR MANUFACTURING PTC POSITIVE TEMPERATURE HEATING ELEMENT COMPRISING GRAPHENE-CONTAINING POLYMER NANOCOMPOSITE}

본 발명은 2 내지 9층의 저층 그래핀(few layer graphene)의 제조방법 및 이를 첨가하여 PTC(Positive Temperature Coefficient) 강도를 향상시킨 그래핀 기반 고분자 나노복합소재를 포함하는 고효율 PTC 정온발열체의 제조방법, 그리고 이를 통해 제조한 자기온도제어 특성을 가지는 PTC 정온발열체에 관한 것이다.The present invention is a method of manufacturing a low-layer graphene (few layer graphene) of 2 to 9 layers, and a method of manufacturing a high-efficiency PTC constant temperature heating element including a graphene-based polymer nanocomposite material having improved PTC (positive temperature coefficient) strength by adding the same And, it relates to a PTC constant temperature heating element having a magnetic temperature control characteristic manufactured through it.

최근, 에너지 절약형 난방용 발열소재 및 이를 이용한 발열체의 연구개발이 가속화되면서 습식 시공에 따른 누설전류를 최소화시키는 새로운 기술의 개발이 대두되고 있다.In recent years, as research and development of energy-saving heating materials and heating elements using the same has been accelerated, the development of new technologies for minimizing leakage currents due to wet construction has emerged.

현재까지 습식 시공 방식의 난방용 발열체로는 선상발열체(Wire Heater)가 주로 사용되어 오고 있었다. 하지만, 선상발열체는 Ni-Cr계 및 Fe-Ni-Cr계와 같은 발열소재로 제조되기 때문에 선상발열로 인해 열효율이 낮아 상대적으로 소비전력이 높고, 직렬회로 구성으로 인해 어느 한 곳의 회로가 오픈될 경우 발열체 전체가 열이 나지 않는 등 유지 보수의 어려움이 있다. 또한, 집열 등 국부과열과 같은 이상발열현상으로 발열체의 손상 및 화재의 위험성이 크고, 제품의 안정성이 결여되어 있다.Until now, a wire heater has been mainly used as a heating element for heating in a wet construction method. However, since the onboard heating element is made of a heating material such as Ni-Cr and Fe-Ni-Cr, the thermal efficiency is low due to the onboard heating, so the power consumption is relatively high, and due to the series circuit configuration, the circuit in one place is open. If it is, there is a difficulty in maintenance, such as the entire heating element does not generate heat. In addition, there is a high risk of damage to the heating element and fire due to abnormal heating phenomena such as local overheating such as heat collection, and the stability of the product is lacking.

이에 반해, 카본계 면성발열체는 선상발열체 대비 열효율이 우수하지만, 카본블랙과 같은 전도성 입자를 저항 발열원으로 적용하기 때문에, 이 또한 반복적인 사용으로 인해 저항값이 크게 변화하고 집열 등 국부과열과 같은 이상발열현상으로 발열체의 손상 및 화재의 위험성이 크고, 제품의 안정성이 결여되어 있다.On the other hand, carbon-based surface heating elements have superior thermal efficiency compared to linear heating elements, but since conductive particles such as carbon black are applied as resistance heating sources, resistance values change greatly due to repeated use and abnormalities such as local overheating such as heat collection. Due to the heating phenomenon, there is a high risk of damage to the heating element and fire, and the stability of the product is lacking.

안정성 확보를 위해, 선상발열체와 면상발열체에 과열방지 센서 등 온도제어 시스템이 강구되고 있으나, 집열 등 국부과열과 같은 이상발열현상을 유발시키고 있다. 이상발열현상의 주요 경로는 보온이나 축열, 과열로부터 발생하며, 특히 축열부의 온도가 급격하게 상승되면서 발열체의 국부과열이 마감재에 손상을 입혀 전기화재의 원인이 되고 있다.In order to secure stability, a temperature control system such as an overheating prevention sensor has been devised for the linear heating element and the planar heating element, but it causes abnormal heating phenomena such as local overheating such as heat collection. The main path of abnormal heating phenomenon occurs from thermal insulation, heat storage, and overheating. In particular, as the temperature of the heat storage unit rises rapidly, local overheating of the heating element damages the finishing material, causing an electric fire.

특히, 현재 습식용으로 시공되고 있는 선상발열체의 문제점을 극복하고 상대적으로 열효율이 우수한 면상발열체를 습식 시공용 발열체로 사용할 경우, 선상발열체보다 누설전류의 급격한 증가로 누전차단기가 작동하는 문제점이 발생한다.Particularly, when overcoming the problem of the shipboard heating element currently being constructed for wet use and using a planar heating element with relatively excellent thermal efficiency as a heating element for wet construction, the leakage current breaker may operate due to a sharp increase in leakage current than the shipboard heating element. .

이러한 이유는, 기존의 면상발열체는 전기절연 및 난연 목적으로 대부분 PET 필름으로 제조되어 건식용 시공에 주로 사용되어 왔기 때문이다. 또한, 습식 시공 시 시멘트 몰탈 바닥과 접촉되는 강알칼리성과 면상발열체의 PET 필름이 선상발열체에 비해 보다 넓은 시공 바닥면을 갖는 계면접촉성에 의한 방수성으로 습기나 결로 발생 등의 취약한 단점이 있었다.This is because the existing planar heating elements are mostly made of PET film for electrical insulation and flame retardant purposes and have been mainly used in dry construction. In addition, strong alkalinity in contact with the cement mortar floor during wet construction and the PET film of the planar heating element have weak disadvantages such as moisture or condensation due to the waterproofness due to interfacial contact with a wider construction floor than the linear heating element.

한편, 본 출원인에 의한 대한민국 등록특허 제10-1168906호(2012.07.20)에는 PET 필름이 적용된 고분자 PTC 정온발열잉크를 이용한 정온발열체가 제안된 바 있고, 다양한 도펀트(Dopant) 첨가량 조절에 의한 고분자 PTC 특성향상과 상온저항의 안정화 등의 문제점에 대한 해법이 개시되어 있으며, 이 등록특허로 이미 제품을 상용화시켜 미국 등에 수출이 이루어지고 있었다. 그러나, 위 등록특허 기술은 고분자 PTC 정온발열체가 자기온도제어 특성으로 인해 에너지 절감 및 전기화재의 위험으로부터 안전한 반면, 난방용 습식 시공에 적용하는데 있어 전술한 바와 같은 어려움이 따른다.On the other hand, in Korean Patent No. 10-1168906 (2012.07.20) by the present applicant, a constant temperature heating element using a polymer PTC constant temperature heating ink applied with a PET film was proposed, and a polymer PTC by adjusting the amount of various dopants added. A solution to problems such as improvement of characteristics and stabilization of room temperature resistance has been disclosed, and the product has already been commercialized with this registered patent and exported to the United States. However, while the above registered patented technology is safe from the risk of energy saving and electric fire due to the self-temperature control characteristic of the polymer PTC constant temperature heating element, the above-described difficulties are encountered in applying it to wet construction for heating.

이에 본 출원인은 대한민국 등록특허 제10-1593983호로 누설전류 및 유도전류를 최소화하기 위한 고분자 PTC 정온발열잉크를 이용한 습식용 면상발열체를 제안한 바 있었다.Accordingly, the applicant of the present invention has proposed a wet planar heating element using a polymer PTC constant temperature heating ink to minimize leakage current and induced current in Korean Patent No. 10-1593983.

다만 점차 갈수록 에너지 효율 및 발열에 의한 안정성에 대한 요구조건이 확대되고 있는 만큼, 차세대 고효율 PTC 정온발열잉크 및 이를 이용한 발열체에 대한 개발이 요구되고 있다.However, as requirements for energy efficiency and stability due to heat generation are gradually expanding, development of a next-generation high-efficiency PTC constant temperature heating ink and a heating element using the same is required.

대한민국 등록특허 제10-1168906호Korean Patent Registration No. 10-1168906 대한민국 등록특허 제10-1593983호Korean Patent Registration No. 10-1593983

J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 11700-11715 J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 11700-11715

이에 본 발명은 열충격 및 물리적 박리방법으로 제조한 2 내지 9층의 저층 그래핀(few layer graphene)과 고분자 바인더를 혼합하여 그래핀 기반 PTC 정온발열 페이스트를 제조하고, 이를 인쇄 또는 코팅하여 그래핀 기반 고분자 나노복합소재를 활용한 고효율 PTC 정온발열체를 제조하는 방법 및 고효율 PTC 정온발열체를 제공하고자 한다.Accordingly, the present invention prepares a graphene-based PTC constant temperature heating paste by mixing 2 to 9 layers of low-layer graphene prepared by thermal shock and physical peeling method and a polymer binder, and printing or coating it to prepare graphene-based It is intended to provide a method of manufacturing a high-efficiency PTC constant temperature heating element using a polymer nanocomposite material and a high-efficiency PTC constant temperature heating element.

특히 우수한 PTC 특성을 확보하여 발열특성이 우수한 동시에 소비전력 절감효과, 집열에 의한 발열체 손상방지 및 화재의 위험성을 방지하는 효과가 증대된 고효율 PTC 정온발열체 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.In particular, it is an object of the present invention to provide a high-efficiency PTC constant temperature heating element and a method of manufacturing the same, which has excellent heating characteristics by securing excellent PTC characteristics, and has an increased effect of reducing power consumption, preventing damage to the heating element due to heat collection, and preventing the risk of fire.

그러나 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved by the present application is not limited to the problems mentioned above, and other problems that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본원의 일 측면은, 흑연을 200 내지 210 ℃의 노말메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrolidone, NMP)에 투입하고 1 내지 10시간 동안 교반하는 제 1 열처리 단계; 제 1 열처리 된 흑연을 -10 내지 10 ℃의 온도로 냉각하는 제 2 열처리 단계; 및 열처리된 흑연을 기계적으로 박리하여 2 내지 9층의 저층 그래핀(few layer graphene)을 제조하는 단계;를 포함하는 그래핀의 제조 방법을 제공한다.One aspect of the present application is a first heat treatment step of adding graphite to 200 to 210 °C of normal methyl-2-pyrolidone (NMP) and stirring for 1 to 10 hours; A second heat treatment step of cooling the first heat-treated graphite to a temperature of -10 to 10 °C; And mechanically exfoliating the heat-treated graphite to prepare 2 to 9 layers of low-layer graphene (few layer graphene).

본 발명의 일 측면에서 흑연의 기계적인 박리는, 비드밀, 습식볼밀, 건식교반기 및 이들을 하나 이상 사용하는 복합교반기를 사용하여 100 내지 2,000rpm의 속도로 기계적 박리 및 분산하는 것을 포함할 수 있다.Mechanical peeling of graphite in one aspect of the present invention may include mechanical peeling and dispersion at a speed of 100 to 2,000 rpm using a bead mill, a wet ball mill, a dry stirrer, and a composite stirrer using one or more of them.

본 발명의 일 측면에서 흑연의 제 1 열처리 단계 이전에, 흑연을 0 내지 -100 ℃의 온도에서 20시간 내지 30시간 동안 냉각 처리하는 냉각 단계;를 더 포함할 수 있다.In one aspect of the present invention, prior to the first heat treatment step of graphite, a cooling step of cooling the graphite at a temperature of 0 to -100 °C for 20 to 30 hours; may further include.

본 발명의 다른 일 측면은, 앞서 기재한 방법으로 2 내지 9층의 저층 그래핀을 제조하는 단계; 그래핀과 고분자 바인더를 혼합하여 그래핀 기반 PTC 정온발열 페이스트를 제조하는 단계; 및 그래핀 기반 PTC 정온발열 페이스트를 인쇄 또는 코팅하여 그래핀 기반 고분자 나노복합소재를 활용한 고효율 PTC 정온발열체를 제조하는 단계;를 포함하는, 그래핀 기반 고분자 나노복합소재를 포함하는 고효율 PTC 정온발열체 제조방법을 제공한다.Another aspect of the present invention is to prepare 2 to 9 layers of low-layer graphene by the method described above; Preparing a graphene-based PTC constant temperature heating paste by mixing graphene and a polymeric binder; And printing or coating a graphene-based PTC constant temperature heating paste to prepare a high-efficiency PTC constant temperature heating element using a graphene-based polymer nanocomposite material; containing, a high-efficiency PTC constant temperature heating element including a graphene-based polymer nanocomposite material Provides a manufacturing method.

본 발명의 일 측면에서 고분자 바인더는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부타디엔, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌비닐아세테이트, 폴리에스테르-폴리에틸렌비닐아세테이트 공중합체, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리스틸렌, 폴리에틸렌케톤, 폴리에틸렌테레프탈레이트글리콜, 폴리에틸렌이미드 및 이들이 하나 이상 혼합된 복합 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하고, 저층 그래핀과 고분자 바인더는 2:100 내지 40:100의 무게비로 혼합되는 것을 포함한다.In one aspect of the present invention, the polymeric binder is polyethylene, polypropylene, polybutadiene, polyolefin, polyester, polyvinyl chloride, polyvinyl acetate, polyethylene vinyl acetate, polyester-polyethylene vinyl acetate copolymer, polyethylene terephthalate, polystyrene, polyethylene. It includes any one selected from the group consisting of ketone, polyethylene terephthalate glycol, polyethyleneimide, and a composite polymer in which one or more of them are mixed, and the low layer graphene and the polymer binder are mixed in a weight ratio of 2:100 to 40:100. Include.

본 발명의 일 측면에서 인쇄 또는 코팅방법은, 그라비아 인쇄, 콤마 코팅, 실크스크린 인쇄, 스프레이 코팅, 침적코팅, 롤 코팅, 메이어바 코팅, 블레이드 코팅, 마이크로그라비아 코팅, 슬롯다이 코팅, 슬라이드 코팅, 커튼 코팅 및 이들이 하나 이상 혼합된 인쇄 또는 코팅법으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 방법을 포함한다.Printing or coating method in one aspect of the present invention, gravure printing, comma coating, silk screen printing, spray coating, immersion coating, roll coating, Mayer bar coating, blade coating, microgravure coating, slot die coating, slide coating, curtain Coating and any one method selected from the group consisting of a printing or coating method in which one or more of them are mixed.

본 발명의 다른 일 측면은, 위와 같은 제조방법에 의해서 제조된 고효율 PTC 정온발열체를 제공한다. Another aspect of the present invention provides a high-efficiency PTC constant temperature heating element manufactured by the above manufacturing method.

본 발명의 다른 일 측면에서 정온발열체의 하기 식 1로 계산한 PTC 강도(Intensity)는 1,000 이상일 수 있다. In another aspect of the present invention, the PTC strength (Intensity) calculated by Equation 1 below of the constant temperature heating element may be 1,000 or more.

[식 1] PTC Intensity [%] = (R100℃ / R20℃) ⅹ 100[Equation 1] PTC Intensity [%] = (R 100℃ / R 20℃ ) ⅹ 100

(상기 식 1에서, R20℃ 및 R100℃는 각각 20 ℃ 및 100 ℃에서 측정한 그래핀 PTC 조성물의 저항값(Ω)이다.)(In Equation 1, R 20°C and R 100°C are resistance values (Ω) of the graphene PTC composition measured at 20°C and 100°C, respectively.)

본 발명의 또 다른 일 측면은, 고효율 PTC 정온발열체를 포함하는, 면상발열체 또는 발열장치를 제공한다.Another aspect of the present invention provides a planar heating element or a heating device including a high-efficiency PTC constant temperature heating element.

본 발명에 따른 그래핀 기반 고분자 나노복합소재를 활용한 고효율 PTC 정온발열체는 우수한 PTC 특성을 확보하여 발열특성이 우수한 동시에 소비전력 절감효과, 집열에 의한 발열체 손상방지 및 화재의 위험성을 현저하게 저감할 수 있는 효과가 있다. The high-efficiency PTC constant temperature heating element using the graphene-based polymer nanocomposite material according to the present invention secures excellent PTC characteristics and has excellent heating characteristics, while reducing power consumption, preventing damage to the heating element due to heat collection, and significantly reducing the risk of fire. It can have an effect.

또한, 본 발명에 따른 그래핀 기반 고분자 나노복합소재를 활용한 고효율 PTC 정온발열체의 우수한 특성들로 인하여 향후 자동차 시트 등에 포함되는 유연한(Flexible) 면상 발열체로의 활용이나, 정밀한 온도제어가 필요한 나노 구조체의 발열장치 등 다양한 분야에서 응용될 수 있는 우수한 품질의 발열장치를 제조할 수 있다.In addition, due to the excellent characteristics of the high-efficiency PTC constant temperature heating element using the graphene-based polymer nanocomposite material according to the present invention, it can be used as a flexible planar heating element included in automobile seats in the future, or a nano structure that requires precise temperature control. It is possible to manufacture a heating device of excellent quality that can be applied in various fields such as a heating device of

도 1은 실시예 1의 방법으로 제조한 저층 그래핀(few layer graphene)의 투과전자 현미경(Transmission Electron Microscope, TEM) 이미지 이다.
도 2는 실시예 2 의 방법으로 제조한 인상 흑연의 TEM 이미지이다.
도 3는 비교예 1 의 방법으로 제조한 인상 흑연의 TEM 이미지이다.
도 4는 비교예 2의 인상 흑연의 TEM 이미지이다.
도 5는 실시예 1의 방법으로 제조한 저층 그래핀의 라만분광법 분석 결과이다.
도 6은 실시예 1의 방법으로 제조한 저층 그래핀의 X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 분석 결과이다.
도 7은 실시예 1의 방법으로 제조한 저층 그래핀의 X선 회절분석법(X-ray Diffraction Spectroscopy, XRD) 결과이다.
도 8은 제조예 2의 방법으로 제조한 그래핀 기반 PTC 발열체 및 제조예 3의 방법으로 제조한 카본블랙-CNT 기반 PTC 발열체의 온도에 따른 저항특성을 분석한 결과이다.
1 is a Transmission Electron Microscope (TEM) image of a low-layer graphene prepared by the method of Example 1. FIG.
FIG. 2 is a TEM image of an impression graphite prepared by the method of Example 2. FIG.
3 is a TEM image of an impression graphite prepared by the method of Comparative Example 1. FIG.
4 is a TEM image of the pulled graphite of Comparative Example 2.
5 is a Raman spectroscopy analysis result of low-layer graphene prepared by the method of Example 1.
6 is an X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) analysis result of low-layer graphene prepared by the method of Example 1.
7 is an X-ray Diffraction Spectroscopy (XRD) result of low-layer graphene prepared by the method of Example 1.
8 is a result of analyzing the resistance characteristics according to temperature of the graphene-based PTC heating element manufactured by the method of Preparation Example 2 and the carbon black-CNT-based PTC heating element manufactured by the method of Preparation Example 3.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예, 실시예 및 도면에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.Hereinafter, embodiments and examples of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art may easily implement the present disclosure. However, the present application may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments, examples, and drawings described herein. In the drawings, parts not related to the description are omitted in order to clearly describe the present invention.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떠한 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a certain part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.

본원의 일 측면은, 흑연을 200 내지 210 ℃의 노말메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrolidone, NMP)에 투입하고 1 내지 10시간 동안 교반하는 제 1 열처리 단계; 제 1 열처리 된 흑연을 -10 내지 10 ℃의 온도로 냉각하는 제 2 열처리 단계; 및 열처리된 흑연을 기계적으로 박리하여 2 내지 9층의 저층 그래핀(few layer graphene)을 제조하는 단계;를 포함하는 그래핀의 제조 방법을 제공한다.One aspect of the present application is a first heat treatment step of adding graphite to 200 to 210 °C of normal methyl-2-pyrolidone (NMP) and stirring for 1 to 10 hours; A second heat treatment step of cooling the first heat-treated graphite to a temperature of -10 to 10 °C; And mechanically exfoliating the heat-treated graphite to prepare 2 to 9 layers of low-layer graphene (few layer graphene).

본 발명의 일 측면에서 흑연의 기계적인 박리는, 비드밀, 습식볼밀, 건식교반기 및 이들을 하나 이상 사용하는 복합교반기를 사용하여 100 내지 2,000rpm의 속도로 기계적 박리 및 분산하는 것을 포함할 수 있다.Mechanical peeling of graphite in one aspect of the present invention may include mechanical peeling and dispersion at a speed of 100 to 2,000 rpm using a bead mill, a wet ball mill, a dry stirrer, and a composite stirrer using one or more of them.

본 발명의 일 측면에서 흑연의 제 1 열처리 단계 이전에, 흑연을 0 내지 -100 ℃의 온도에서 20시간 내지 30시간 동안 냉각 처리하는 냉각 단계;를 더 포함할 수 있다.In one aspect of the present invention, prior to the first heat treatment step of graphite, a cooling step of cooling the graphite at a temperature of 0 to -100 °C for 20 to 30 hours; may further include.

보다 바람직하게 제1열처리 단계 이전에 0 내지 -100 ℃로 냉각된 흑연을 사용할 경우에는, 200 내지 210 ℃ 온도의 NMP에 처리하는 제1열처리 단계를 통해 냉각된 흑연에 ΔT1이 210 내지 300 ℃ 수준의 열충격이, 보다 바람직하게는 250 내지 300 ℃ 수준의 제1열충격이 발생할 수 있다. (여기서, ΔT1은 냉각온도와 제1열처리 온도(가열NMP온도)간의 차이를 의미한다.)More preferably, in the case of using graphite cooled to 0 to -100 °C before the first heat treatment step, ΔT 1 of the graphite cooled through the first heat treatment step of treating NMP at a temperature of 200 to 210 °C is 210 to 300 °C. A level of thermal shock may occur, more preferably at a level of 250 to 300°C. (Here, ΔT 1 means the difference between the cooling temperature and the first heat treatment temperature (heating NMP temperature).)

흑연을 200 내지 210 ℃ 온도의 NMP에 처리하는 제1열처리 단계를 거친 흑연을 -10 내지 10 ℃의 온도로 냉각하는 제2열처리 단계에서는 ΔT2가 190 내지 220 ℃ 수준의 제2열충격이 발생할 수 있다. (여기서, ΔT2는 제1열처리 온도(가열NMP온도)와 제2열처리온도(냉각온도)간의 차이를 의미한다.)In the second heat treatment step of cooling the graphite through the first heat treatment step of treating graphite to NMP at a temperature of 200 to 210 °C to a temperature of -10 to 10 °C, a second thermal shock having a ΔT 2 of 190 to 220 °C may occur. have. (Here, ΔT 2 means the difference between the first heat treatment temperature (heating NMP temperature) and the second heat treatment temperature (cooling temperature).)

이와 같은 제1 및 제2 열충격 또는 제2열충격으로 인해 흑연 내부의 그래핀 층간/분자간 인력이 약화될 수 있으며, 그로 인해 흑연과 표면에너지가 가장 가까운 NMP가 흑연의 층간 삽입이 쉬워진다. 이러한 단일 또는 다단 열충격 단계를 통해 흑연 층간에 삽입된 NMP는 흑연 내부의 그래핀 층간 분자간 인력을 더욱 약화시켜 이후 진행되는 기계적인 박리단계를 통해 2 내지 9층 수준의 저층 그래핀(few layer grapehene)을 용이하게 제조할 수 있다.Due to the first and second thermal shocks or the second thermal shock, the graphene interlayer/intermolecular attraction in the graphite may be weakened, and the NMP having the closest surface energy to the graphite may be easily intercalated. The NMP inserted between the graphite layers through such a single or multi-stage thermal shock step further weakens the inter-molecular attraction between the graphene layers inside the graphite, and then through a mechanical peeling step that proceeds, low-layer graphene at the level of 2 to 9 layers (few layer grapehene). Can be easily manufactured.

본 발명의 다른 일 측면은, 앞서 기재한 방법으로 2 내지 9층의 저층 그래핀(few layer graphene)을 제조하는 단계; 그래핀과 고분자 바인더를 혼합하여 그래핀 기반 PTC 정온발열 페이스트를 제조하는 단계; 및 그래핀 기반 PTC 정온발열 페이스트를 인쇄 또는 코팅하여 그래핀 기반 고분자 나노복합소재를 활용한 고효율 PTC 정온발열체를 제조하는 단계;를 포함하는, 그래핀 기반 고분자 나노복합소재를 포함하는 고효율 PTC 정온발열체 제조방법을 제공한다.Another aspect of the present invention is the steps of preparing 2 to 9 layers of low-layer graphene by the method described above; Preparing a graphene-based PTC constant temperature heating paste by mixing graphene and a polymeric binder; And printing or coating a graphene-based PTC constant temperature heating paste to prepare a high-efficiency PTC constant temperature heating element using a graphene-based polymer nanocomposite material; containing, a high-efficiency PTC constant temperature heating element including a graphene-based polymer nanocomposite material Provides a manufacturing method.

본 발명의 일 측면에서 고분자 바인더는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부타디엔, 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌비닐아세테이트, 폴리에스테르-폴리에틸렌비닐아세테이트 공중합체, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리스틸렌, 폴리에틸렌케톤, 폴리에틸렌테레프탈레이트글리콜, 폴리에틸렌이미드 및 이들이 하나 이상 혼합된 복합 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하고, 저층 그래핀과 고분자 바인더는 2:100 내지 40:100의 무게비로 혼합되는 것을 포함한다. In one aspect of the present invention, the polymeric binder is polyethylene, polypropylene, polybutadiene, polyolefin, polyester, polyvinyl chloride, polyvinyl acetate, polyethylene vinyl acetate, polyester-polyethylene vinyl acetate copolymer, polyethylene terephthalate, polystyrene, polyethylene. It includes any one selected from the group consisting of ketone, polyethylene terephthalate glycol, polyethyleneimide, and a composite polymer in which one or more of them are mixed, and the low layer graphene and the polymer binder are mixed in a weight ratio of 2:100 to 40:100. Include.

바람직하게, 고분자 바인더는 폴리에스테르계 바인더와 폴리올레핀계 바인더를 0.1:10 내지 10:0.1의 중량비로 혼합하여 사용할 수 있으며, 보다 더 바람직하게는 1:5 내지 5:1의 중량비로 혼합하여 사용할 수 있다.Preferably, the polymeric binder may be used by mixing a polyester-based binder and a polyolefin-based binder in a weight ratio of 0.1:10 to 10:0.1, and more preferably, mixing in a weight ratio of 1:5 to 5:1. have.

폴리에스테르계 바인더는, 폴리에스테르계 플라스틱 필름(PET 필름) 또는 부직포 등 면상발열체의 다른 성분층과 상용성 및 접착력이 우수하고, 내약품성, 내굴곡성 및 인쇄성(작업성)이 양호한 폴리에스테르 수지를 주성분으로 한다. 보다 상세하게는 비닐계 합성수지 5~11 wt%, 폴리에스테르계 합성수지 20~35 wt%, 방향족 탄화수소계 용매 20~50 wt%, 케톤계 용매 20~40 wt%, 소포제 0.5~1.5 wt%, 레벨링제 0.5~1.5 wt%를 포함하는 조성물을 가열이 가능한 반응기 내에서 기계적 교반하여 제조할 수 있다. 비닐계 합성수지로는 폴리비닐클로라이드(Polyvinyl Chloride), 폴리비닐아세테이트(Polyvinyl Acetate) 등이 있고, 폴리에스테르계 합성수지는 폴리에스테르(Polyester) 등이 있다. 방향족 탄화수소계 용매는 톨루엔(Toluene), 자일렌(Xylene) 등이 있고, 케톤계 용매로는 메틸에틸케톤(Methyl ethyl ketone), 아세톤(Acetone) 등이 있다. 바람직하게 폴리에스테르계 바인더는 비닐계 합성수지로 폴리비닐클로라이드(polyvinyl chlororide) 5.03wt%, 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate) 5.03wt%, 폴리에스테르계 합성수지로 폴리에스테르(polyester) 30.15wt%, 방향족 탄화수소 용매로 톨루엔(toluene) 24.12wt%, 케톤계 용매로 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone) 6.03wt%, 아세톤(acetone) 28.1wt%, 소포제 0.5 wt%, 레벨링제 1wt%를 포함하는 조성물을 가열이 가능한 반응기 내에서 기계적 교반하여 제조할 수 있다.Polyester-based binder is a polyester resin having excellent compatibility and adhesion with other component layers of a planar heating element such as polyester-based plastic film (PET film) or nonwoven fabric, and excellent chemical resistance, bending resistance, and printability (workability). Is the main component. More specifically, 5 to 11 wt% of vinyl synthetic resin, 20 to 35 wt% of polyester synthetic resin, 20 to 50 wt% of aromatic hydrocarbon solvent, 20 to 40 wt% of ketone solvent, 0.5 to 1.5 wt% of antifoam, leveling The composition containing 0.5 to 1.5 wt% may be prepared by mechanical stirring in a reactor capable of heating. Vinyl-based synthetic resins include polyvinyl chloride, polyvinyl acetate, and the like, and polyester-based synthetic resins include polyester. Aromatic hydrocarbon solvents include toluene and xylene, and ketone solvents include methyl ethyl ketone and acetone. Preferably, the polyester-based binder is a vinyl-based synthetic resin with 5.03 wt% of polyvinyl chlororide, 5.03 wt% of polyvinyl acetate, and a polyester-based synthetic resin with 30.15 wt% of polyester, and an aromatic hydrocarbon solvent. It is possible to heat a composition containing 24.12 wt% of toluene, 6.03 wt% of methyl ethyl ketone, 28.1 wt% of acetone, 0.5 wt% of an antifoam, and 1 wt% of a leveling agent as a ketone solvent. It can be prepared by mechanical stirring in the reactor.

폴리올레핀계 바인더는 결정성 고분자인 폴리에틸렌(Polyethylene, PE), 폴리프로필렌(Polypropylene, PP) 및 에틸렌초산비닐(Etylene Vinyl Acetate, EVA)를 혼합하였으며, 보다 상세하게는 폴리에틸렌 1~10 wt%, 폴리프로필렌 1~5 wt%, 폴리에틸렌비닐아세테이트 코폴리머 5~30 wt%, 방향족 탄화수소계 용제 10~90 wt%, 소포제 0.5~1.5 wt%, 레벨링제 0.5~1.5 wt%를 포함하는 조성물을 가열이 가능한 반응기 내에서 기계적 교반하여 제조할 수 있다. 바람직하게 폴리올레핀계 바인더는 폴리에틸렌 2.84wt%, 폴리프로필렌 0.95wt%, 폴리에틸렌비닐아세테이트 코폴리머 9.48wt%, 방향족 탄화수소 용매로 톨루엔(toluene) 56.87wt%, 자일렌(xylene) 28.44wt%, 소포제 0.47 wt%, 레벨링제 0.95wt%를 포함하는 조성물을 가열이 가능한 반응기 내에서 기계적 교반하여 제조할 수 있다.Polyolefin-based binder is a mixture of crystalline polymers such as polyethylene (PE), polypropylene (PP) and ethylene vinyl acetate (EVA), and in more detail, 1 to 10 wt% of polyethylene, polypropylene Reactor capable of heating a composition containing 1 to 5 wt%, polyethylene vinyl acetate copolymer 5 to 30 wt%, aromatic hydrocarbon solvent 10 to 90 wt%, antifoaming agent 0.5 to 1.5 wt%, leveling agent 0.5 to 1.5 wt% It can be prepared by mechanical stirring within. Preferably, the polyolefin-based binder is polyethylene 2.84 wt%, polypropylene 0.95 wt%, polyethylene vinyl acetate copolymer 9.48 wt%, toluene 56.87 wt% as an aromatic hydrocarbon solvent, xylene 28.44 wt%, antifoaming agent 0.47 wt% %, a composition comprising 0.95wt% of a leveling agent may be prepared by mechanical stirring in a reactor capable of heating.

보다 바람직하게 고분자 바인더는 폴리에스테르계 바인더 및 폴리올레핀계 바인더를 1:1 중량비로 혼합한 것을 사용할 수 있다.More preferably, the polymer binder may be a mixture of a polyester-based binder and a polyolefin-based binder in a 1:1 weight ratio.

본 발명의 일 측면에서 인쇄 또는 코팅방법은, 그라비아 인쇄, 콤마 코팅, 실크스크린 인쇄, 스프레이 코팅, 침적코팅, 롤 코팅, 메이어바코팅, 블레이드 코팅, 마이크로그라비아 코팅, 슬롯다이코팅, 슬라이드 코팅, 커튼 코팅 및 이들이 하나 이상 혼합된 인쇄 또는 코팅법으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 방법을 포함한다.Printing or coating method in one aspect of the present invention, gravure printing, comma coating, silk screen printing, spray coating, immersion coating, roll coating, Mayer bar coating, blade coating, microgravure coating, slot die coating, slide coating, curtain Coating and any one method selected from the group consisting of a printing or coating method in which one or more of them are mixed.

본 발명의 다른 일 측면은, 위와 같은 제조방법에 의해서 제조된 고효율 PTC 정온발열체를 제공한다. Another aspect of the present invention provides a high-efficiency PTC constant temperature heating element manufactured by the above manufacturing method.

본 발명의 다른 일 측면에서 정온발열체의 하기 식 1로 계산한 PTC 강도(Intensity)는 1,000 이상, 바람직하게는 1,000 내지 5,000일 수 있으며, 보다 바람직하게는 2,000 내지 4,000, 보다 더 바람직하게는 3,000 내지 4,000일 수 있다.In another aspect of the present invention, the PTC strength (Intensity) calculated by the following Equation 1 of the constant temperature heating element may be 1,000 or more, preferably 1,000 to 5,000, more preferably 2,000 to 4,000, and even more preferably 3,000 to Can be 4,000.

[식 1] PTC Intensity [%] = (R100℃ / R20℃) ⅹ 100[Equation 1] PTC Intensity [%] = (R 100℃ / R 20℃ ) ⅹ 100

(상기 식 1에서, R20℃ 및 R100℃는 각각 20 ℃ 및 100 ℃에서 측정한 그래핀 PTC 조성물의 저항값(Ω)이다.)(In Equation 1, R 20°C and R 100°C are resistance values (Ω) of the graphene PTC composition measured at 20°C and 100°C, respectively.)

본 발명의 또 다른 일 측면은, 고효율 PTC 정온발열체를 포함하는, 면상발열체 또는 발열장치를 제공한다. 면상발열체 또는 발열장치는 본 발명의 일 실시예로 제시한 그래핀 기반 고분자 나노복합소재를 활용한 고효율 PTC 정온발열체을 제외하고 통상적으로 사용되는 구성을 더 추가할 수 있다. 보다 상세하게는 전극층, 전기전도층, 방수필름층, 기타 발열층, 금속 또는 비금속 필름층, 부직포층 등이 있을 수 있으며, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.Another aspect of the present invention provides a planar heating element or a heating device including a high-efficiency PTC constant temperature heating element. The planar heating element or heating device may further add a commonly used configuration except for the high-efficiency PTC constant temperature heating element using the graphene-based polymer nanocomposite material presented as an embodiment of the present invention. In more detail, there may be an electrode layer, an electrically conductive layer, a waterproof film layer, other heating layer, a metal or non-metal film layer, a nonwoven fabric layer, and the like, and the present invention is not limited thereto.

전극층은 PTC 정온발열체의 양 옆에 일정폭으로 형성되어 전극 간의 전류의 흐름을 조절하여 발열체의 발열 온도를 상승 유지한다. 전극층의 전극의 재질은 폴리아닐린, 폴리피롤 및 폴리티오펜과 같은 전도성 고분자; 탄소와 같은 전도성 성분; 은, 금, 백금, 팔라듐, 구리, 알루미늄, 주석, 철 및 니켈과 같은 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다. 바람직하게는 열전도성 및 전기전도성이 우수한 구리를 사용한다.The electrode layers are formed in a predetermined width on both sides of the PTC constant temperature heating element to control the flow of current between the electrodes to increase the heating temperature of the heating element. The electrode material of the electrode layer may be a conductive polymer such as polyaniline, polypyrrole, and polythiophene; Conductive components such as carbon; At least one selected from the group consisting of metals such as silver, gold, platinum, palladium, copper, aluminum, tin, iron, and nickel may be used. Preferably, copper having excellent thermal conductivity and electrical conductivity is used.

기타 발열층은 전극층 상부에 PTC 정온발열체와 함께 적층될 수 있으며, 전기가 흐를 때 발열하게 된다. 그 재질은 도전성 카본, 카본블랙, 그래핀, 탄소나노튜브(CNT), 그래파이트(graphite) 중 어느 하나 또는 둘 이상 혼합된 것이 바람직하며, 카본섬유로 직조된 발열층, 부직포에 CNT나 그래핀을 함침시킨 발열층, 부직포에 전도성 카본을 함침시킨 발열층, 기재필름 상에 CNT나 그래핀 페이스트 또는 잉크를 코팅하여 제조한 발열층 등을 추가로 더 포함하여 사용할 수 있다.Other heating layers may be stacked together with the PTC constant temperature heating element on the electrode layer, and generate heat when electricity flows. The material is preferably a mixture of any one or two or more of conductive carbon, carbon black, graphene, carbon nanotubes (CNT), graphite, and CNT or graphene on a nonwoven fabric or a heating layer woven with carbon fiber. An impregnated heating layer, a heating layer impregnated with conductive carbon in a nonwoven fabric, and a heating layer prepared by coating CNT or graphene paste or ink on a base film may be further included and used.

기타 필름층으로는 금속, 비금속 또는 금속-비금속 혼용 필름 중에 선택된 1종 이상이 1층 이상 추가로 부착될 수 있다. 금속, 비금속 또는 금속-비금속 혼용 필름에는 공기층이 형성될 수 있다. 금속 필름으로는 알루미늄, 구리 등이 포함될 수 있으며, 비금속 필름으로는 폴리머 또는 세라믹, 상기 금속-비금속 혼용 필름으로는 알루미늄-폴리머 또는 알루미늄-세라믹이 선택적으로 사용될 수 있다. 구체적으로 폴리머 필름은 폴리에틸렌테레프탈레이트, 금속-비금속 혼용 필름은 알루미늄-폴리에틸렌테레프탈레이트가 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 금속, 비금속 또는 금속-비금속 혼용 필름은 발열체의 최외각의 일면 또는 양면에 부착될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 발열체의 다양한 층 사이에 1층 이상 추가될 수 있다.As the other film layer, at least one selected from a metal, non-metal, or mixed metal-non-metal film may be additionally attached to one or more layers. An air layer may be formed on a metal, non-metal, or metal-non-metal mixed film. The metal film may include aluminum, copper, and the like, a polymer or ceramic as the non-metal film, and an aluminum-polymer or aluminum-ceramic may be selectively used as the metal-non-metal mixed film. Specifically, the polymer film is preferably polyethylene terephthalate, and the metal-nonmetal mixed film is preferably aluminum-polyethylene terephthalate, but is not limited thereto. The metal, non-metal, or metal-non-metal mixed film may be attached to one or both surfaces of the outermost surface of the heating element, but is not limited thereto, and one or more layers may be added between various layers of the heating element.

또한 발열체의 시공시 대면적 증가에 따른 누설전류를 최소화하기 위해, 발열체의 양면에 방수필름층 및 발열체와 방수필름층 사이에 개재되는 부직포층 등을 더 포함할 수 있다. In addition, in order to minimize leakage current due to an increase in a large area during construction of the heating element, a waterproof film layer and a nonwoven fabric layer interposed between the heating element and the waterproof film layer may be further included on both sides of the heating element.

방수 필름층은 습식 시공 시 대면적 증가에 따라 발생되는 누설전류를 최소화하고, 습식 시공시 방수성을 갖게 할 목적으로 사용된다. 그 재질은 절연성 및 방수성을 부여할 수 있는 물질이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 구체적으로, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리스틸렌, 폴리에테레테르케톤, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜, 및 폴리에틸렌이미드로 이루어진 군에서 선택된 1종을 이용할 수 있다.The waterproof film layer is used for the purpose of minimizing the leakage current generated by the increase in the large area during wet construction and to provide waterproofness during wet construction. The material may be used without limitation as long as it is a material that can impart insulation and waterproof properties, and specifically, polyethylene terephthalate, polypropylene, polyester, polystyrene, polyether ketone, polyethylene terephthalate glycol, and polyethyleneimide. One selected from the group consisting of can be used.

부직포층은 섬유들로 형성되며, 섬유 사이에 형성된 다수의 기공과 표면에 요철이 더 형성될 수 있다. 이러한 부직포의 기공 및 요철 등으로 인한 에어포켓을 통해 누설전류를 방지할 수 있다. 부직포 기재를 형성하는 섬유는 평균 직경이 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있다. 섬유는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 등의 폴리에스테르, 아라미드와 같은 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌나프탈렌 등으로 형성할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.The nonwoven layer is formed of fibers, and a plurality of pores formed between the fibers and irregularities may be further formed on the surface. Leakage current can be prevented through the air pockets due to pores and irregularities of the nonwoven fabric. The fibers forming the nonwoven base material may have an average diameter of 0.1 μm to 10 μm. Fibers are polyolefins such as polyethylene and polypropylene, polyesters such as polyethylene terephthalate and polybutylene terephthalate, polyamides such as aramids, polyacetals, polycarbonates, polyimides, polyetheretherketones, polyethersulfones, poly It may be formed of phenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyethylene naphthalene, etc., but is not limited thereto.

각 구조물 층들은 T-다이법, 인플레이션법, 압출 라미네이션, 공압출 라미네이션; 폴리우레탄, 불포화폴리에스테르, 에폭시 수지 등의 접착제를 사용한 드라이 라미네이션, 샌드위치 라미네이션 또는 열 라미네이션 등의 접착방법을 사용하여 합지할 수 있으며, 보다 바람직하게는 폴리우레탄 접착제와 이소시아네이트 경화제에 의한 드라이 라미네이션을 사용할 수 있다.Each of the structural layers includes T-die method, inflation method, extrusion lamination, coextrusion lamination; It can be laminated using an adhesive method such as dry lamination, sandwich lamination, or thermal lamination using adhesives such as polyurethane, unsaturated polyester, and epoxy resin, and more preferably, dry lamination using a polyurethane adhesive and an isocyanate curing agent is used. I can.

이하, 실시예를 이용하여 본원을 좀 더 구체적으로 설명하지만, 본원이 이에 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present application will be described in more detail using examples, but the present application is not limited thereto.

[실시예 1] [Example 1] 저층 그래핀(few layer graphene)의 제조Preparation of low-layer graphene (few layer graphene)

인상 흑연(d50 : 20㎛, 탄소함량(carbon content) : 최소 99.5%) 200g을 -80℃로 설정된 냉동고에서 24시간동안 처리하였다. 200g of pulled graphite (d50: 20㎛, carbon content: at least 99.5%) was treated in a freezer set at -80℃ for 24 hours.

-80℃에서 처리된 인상흑연 200g을 기체 응결 장치(condenser)가 장착된 반응기(냉각수가 순환되는 2중 자켓 타입 ; double jacket reactor) 내부의 끓는 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone ; bp. 204℃) 1L에 순간적으로 투입하고 2시간 동안 교반하면서 열처리를 진행한 후, 4℃로 급냉하였다.200 g of impression graphite treated at -80°C boiled inside a reactor equipped with a gas condenser (double jacket reactor in which cooling water circulates; N-Methyl-2-pyrrolidone; bp.204) ℃) momentarily put into 1L and heat-treated while stirring for 2 hours, and then rapidly cooled to 4°C.

가열 및 냉각 처리한 인상흑연을 지르코니아 세라믹 비드와 회전축에 결합된 원판(Disk)가 장착된 비드밀(counter rotating bead mill, 처리용량 : 최대 1.8L / 비드(bead) : 지르코니아 (ZrO2), φ0.8mm, 충진량 950g)에서 원판의 회전(혼합(Mix.) 150~200rpm / 교반(Agitator) 1,500~1,700rpm)에 의한 원심력으로 3시간 동안 기계적 박리 및 분산 진행하여 2 내지 9층의 저층 그래핀(few layer grapheme)을 제조하였다.A counter rotating bead mill equipped with a disk coupled to a zirconia ceramic bead and a rotating shaft of heated and cooled impression graphite, processing capacity: up to 1.8L / bead: zirconia (ZrO 2 ), φ0 Low-layer graphene of 2 to 9 layers by mechanical peeling and dispersion for 3 hours by centrifugal force by rotation of the original plate at .8mm, filling amount 950g) (Mix. 150~200rpm / Agitator 1,500~1,700rpm) (few layer grapheme) was prepared.

[실시예 2][Example 2]

실온에 보관되어 있던 인상흑연 200g을 실시예 1과 같은 기체 응결장치가 장착된 반응기 내부의 204℃ NMP 1L에 순간적으로 투입하고 2시간 동안 교반하면서 열처리를 진행한 후, 4℃로 급냉하였다. 200 g of impression graphite stored at room temperature was instantaneously added to 1 L of NMP at 204° C. inside a reactor equipped with a gas condensing device as in Example 1, followed by heat treatment while stirring for 2 hours, and then quenched to 4° C.

이후 인상흑연을 실시예 1과 같은 비드밀 장치에서 3시간 동안 기계적 박리 및 분산 진행하여 다층 그래핀을 제조하였다.Thereafter, the impression graphite was mechanically peeled and dispersed for 3 hours in a bead mill device as in Example 1 to prepare a multilayer graphene.

[비교예 1][Comparative Example 1]

실온에 보관되어 있던 인상흑연 200g을 실온의 NMP 1L와 혼합하고, 이를 실시예 1과 같은 비드밀 장치에서 3시간 동안 기계적 박리 및 분산 진행하였다.200 g of impression graphite stored at room temperature was mixed with 1 L of NMP at room temperature, and mechanical peeling and dispersion were performed for 3 hours in a bead mill device as in Example 1.

[비교예 2][Comparative Example 2]

실온에 보관되어 있던 인상흑연 200g 원재료를 준비하여 앞서 제조한 본원의 저층 그래핀과 비교하였다. 200 g of raw material of impression graphite stored at room temperature was prepared and compared with the low-layer graphene of the present application prepared previously.

[제조예 1][Production Example 1]

상기 실시예 1에 의해 제조된 저층 그래핀 12무게(wt)%에 폴리에스테르계 바인더로 폴리에스테르를 22wt%, 폴리올레핀계 바인더로 폴리에틸렌 4.7wt%, 폴리프로필렌 1.6wt%, 폴리에틸렌비닐아세테이트를 15.7wt%, 솔벤트로 톨루엔 29.3wt% 및 자일렌 14.7wt%, 분산제로 지방산 치환된 폴리에스테르(Fatty acid modified polyester계)를 전체 고분자 바인더 함량 대비 1phr(parts per hundred rubber)로 투입하고 비드밀(counter rotating bead mill)에서 1시간 동안 추가 분산 및 박리를 진행하였다.To 12% by weight (wt) of the low-layer graphene prepared in Example 1, 22% by weight of polyester as a polyester-based binder, 4.7% by weight of polyethylene as a polyolefin-based binder, 1.6% by weight of polypropylene, and 15.7% by weight of polyethylene vinyl acetate %, toluene 29.3 wt% and xylene 14.7 wt% as solvent, Fatty acid modified polyester (Fatty acid modified polyester) as a dispersant was added at 1 phr (parts per hundred rubber) relative to the total polymer binder content, and further dispersion and peeling were performed for 1 hour in a counter rotating bead mill.

이후 경화제로 톨루엔 디이소시아네이트(TDI, Toluene Diisocianate)를 폴리에스테르계 바인더 함량 대비 5phr, 가교제로 다이큐밀 퍼옥사이드(DCP, Dicumyl Peroxide)를 폴리올레핀계 고분자 함량 대비 2phr만큼 투입하여 그래핀 기반 PTC 잉크(페이스트)를 제조하였다. 구성성분의 함량은 아래 표 1과 같다.Then, toluene diisocyanate (TDI, Toluene Diisocianate) as a curing agent was added 5 phr compared to the content of the polyester-based binder, and dicumyl peroxide (DCP, Dicumyl Peroxide) as a crosslinking agent was added 2 phr compared to the polyolefin-based polymer content. ) Was prepared. The contents of the components are shown in Table 1 below.

구성성분Ingredients 조성 [wt%]Composition [wt%] 첨가제additive 그래핀Graphene 1212 * 분산제 1phr(구성성분 배합 시 투입)
* 경화제 5phr(구성성분 배합 후 투입)
* 가교제 2phr(구성성분 배합 후 투입)
* Dispersant 1phr (input when mixing ingredients)
* Hardener 5phr (add after mixing ingredients)
* Crosslinking agent 2phr (input after mixing components)
폴리에스테르계 바인더Polyester binder 2222 폴리올레핀계 바인더Polyolefin binder 2222 솔벤트Solvent 4444 합계Sum 100100

제조된 그래핀 기반 PTC 잉크(페이스트)를 기판에 도포하고, 130 ℃에서 15분 동안 처리하는 방식으로 실크스크린 인쇄하여 1 ㎛ 두께의 그래핀 기반 PTC 발열체(도막)를 제조하였다.The prepared graphene-based PTC ink (paste) was applied to a substrate, and silkscreen printed in a manner of processing at 130° C. for 15 minutes to prepare a graphene-based PTC heating element (coating film) having a thickness of 1 μm.

[제조예 2][Production Example 2]

상기 제조예 1에서 그래핀의 함량을 1.5wt%, 폴리올레핀계 바인더를 32.5wt%로 변경하여 배합한 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 조성물을 사용하여 그래핀 기반 PTC 잉크(페이스트)를 제조하였다. 구성성분의 함량은 아래 표 2와 같다.In Preparation Example 1, a graphene-based PTC ink (paste) was prepared using the same composition as in Preparation Example 1, except that the content of graphene was changed to 1.5 wt% and the polyolefin-based binder was mixed to 32.5 wt%. . The contents of the components are shown in Table 2 below.

구성성분Ingredients 조성 [wt%]Composition [wt%] 첨가제additive 그래핀Graphene 1.51.5 * 분산제 1phr(구성성분 배합 시 투입)
* 경화제 5phr(구성성분 배합 후 투입)
* 가교제 2phr(구성성분 배합 후 투입)
* Dispersant 1phr (input when mixing ingredients)
* Hardener 5phr (add after mixing ingredients)
* Crosslinking agent 2phr (input after mixing components)
폴리에스테르계 바인더Polyester binder 2222 폴리올레핀계 바인더Polyolefin binder 32.532.5 솔벤트Solvent 4444 합계Sum 100100

제조된 그래핀 기반 PTC 잉크(페이스트)를 제조예 1과 동일한 조건 하에 실크스크린 인쇄하여 1 ㎛ 두께의 그래핀 기반 PTC 발열체(도막)를 제조하였다.The prepared graphene-based PTC ink (paste) was silkscreen printed under the same conditions as in Preparation Example 1 to prepare a graphene-based PTC heating element (coating film) having a thickness of 1 μm.

[제조예 3][Production Example 3]

제조예 1에서 그래핀 12wt% 대신 아세틸렌 카본블랙 9wt%와 카본나노튜브(CNT) 3wt%로 변경한 것을 제외하고는 동일한 조성물을 사용하여 카본블랙/CNT 기반 PTC 잉크(페이스트)를 제조하였다. 구성성분의 함량은 아래 표 3과 같다.In Preparation Example 1, a carbon black/CNT-based PTC ink (paste) was prepared using the same composition, except that 9 wt% of acetylene carbon black and 3 wt% of carbon nanotubes (CNT) were changed instead of 12 wt% of graphene. The contents of the components are shown in Table 3 below.

구성성분Ingredients 조성 [wt%]Composition [wt%] 첨가제additive 아세틸렌 카본블랙Acetylene carbon black 99 * 분산제 1phr(구성성분 배합 시 투입)
* 경화제 5phr(구성성분 배합 후 투입)
* 가교제 2phr(구성성분 배합 후 투입)
* Dispersant 1phr (input when mixing ingredients)
* Hardener 5phr (add after mixing ingredients)
* Crosslinking agent 2phr (input after mixing components)
카본나노튜브Carbon nanotube 33 폴리에스테르계 바인더Polyester binder 2222 폴리올레핀계 바인더Polyolefin binder 2222 솔벤트Solvent 4444 합계Sum 100100

제조된 카본블랙/CNT 기반 PTC 잉크(페이스트)를 제조예 1과 동일한 조건 하에 실크스크린 인쇄하여 1 ㎛ 두께의 카본블랙/CNT 기반 PTC 발열체(도막)를 제조하였다.The prepared carbon black/CNT-based PTC ink (paste) was silkscreen-printed under the same conditions as in Preparation Example 1 to prepare a carbon black/CNT-based PTC heating element (coating film) having a thickness of 1 μm.

[실험예 1] [Experimental Example 1] 실시예 1 내지 2, 비교예 1 내지 2의 그래핀 및 인상흑연의 투과전자 현미경(Transmission Electron Microscope, TEM) 이미지 평가Evaluation of transmission electron microscope (TEM) images of graphene and impression graphite of Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 2

실시예 1 내지 2, 비교예 1 내지 2의 그래핀 및 인상흑연의 그래핀 층 수 등과 같은 형태를 확인하기 위해 TEM 분석을 통해 이미지를 확인하고 이를 도 1 내지 4에 도시하였다.In order to confirm the shape such as the number of graphene layers of graphene and impression graphite of Examples 1 to 2 and Comparative Examples 1 to 2, the image was confirmed through TEM analysis, and this was shown in FIGS. 1 to 4.

도 1은 실시예 1로 제조된 저층 그래핀의 투과전자 현미경(Transmission Electron Microscope, TEM) 이미지이며, 이를 통해 3~4층 또는 7~8층 수준의 저층 그래핀이 제조되었음을 확인할 수 있었다.1 is a Transmission Electron Microscope (TEM) image of the low-layer graphene prepared in Example 1, and it was confirmed that low-layer graphene at the level of 3 to 4 layers or 7 to 8 layers was prepared through this.

도 2는 실시예 2로 제조된 다층 그래핀의 TEM 이미지이며, 실시예 1의 저층 그래핀에 비해 인상흑연의 박리가 덜 이루어져 그래핀의 층 수가 10층 내외인 다층 그래핀이 형성되었음을 확인하였다.FIG. 2 is a TEM image of the multilayered graphene prepared in Example 2, and it was confirmed that the peeling of the impression graphene was less than that of the low-layered graphene of Example 1, so that a multilayered graphene having about 10 layers of graphene was formed. .

도 3은 비교예 1로 제조된 인상흑연의 TEM 이미지이며, 물리적인 박리만으로는 흑연을 구성하는 그래핀 층의 박리가 거의 이루어지지 않은 것을 확인할 수 있었으며, 도 4는 비교예 2로 제조된 인상흑연의 TEM 이미지이다.Figure 3 is a TEM image of the impression graphite prepared in Comparative Example 1, it was confirmed that the peeling of the graphene layer constituting the graphite was hardly achieved by only physical peeling, and FIG. 4 is the impression graphite prepared in Comparative Example 2 Is a TEM image of.

도 1 내지 4에 나타낸 바와 같이 본 발명의 일 실시예로 제조한 저층 그래핀은 10층 미만의 그래핀이 적층된 저층 그래핀이 형성됨을 확인할 수 있었다.As shown in Figs. 1 to 4, it was confirmed that the low-layer graphene prepared according to an embodiment of the present invention is a low-layer graphene in which less than 10 layers of graphene are stacked.

[실험예 2][Experimental Example 2] 실시예 1로 제조된 저층 그래핀의 성분 평가Component evaluation of low-layer graphene prepared in Example 1

실시예 1로 제조된 저층 그래핀의 구성성분을 확인하기 위해 라만분광(Raman Spectroscopy) 분석, X선 광전자 분광(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) 분석 및 X선 회절(X-ray Diffraction Spectroscopy, XRD) 분석을 실시하고, 이를 도 5 내지 7에 도시하였다.In order to confirm the composition of the low-layer graphene prepared in Example 1, Raman Spectroscopy analysis, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) analysis, and X-ray Diffraction Spectroscopy, XRD ) Analysis was carried out, and it is shown in FIGS. 5 to 7.

도 5는 라만 분광 분석결과로, 그래핀에서 특징적으로 검출되는 1580cm-1에서의 G 피크와 그래핀의 변형 또는 산화를 보여주는 1350cm-1에서의 D 피크를 확인하였다. 또한, D/G 비율이 0.286으로, 기존 그래핀과는 차별화 된 형태를 지님을 확인할 수 있었다.Figure 5 is confirmed the D peak of the Raman spectroscopy results in yes 1350cm- showing a G peak and yes deformation or oxidation of a pin at 1580cm- 1 is characterized by detecting at the pin 1. In addition, it was confirmed that the D/G ratio was 0.286, which was differentiated from the existing graphene.

도 6은 실시예 1의 방법으로 제조한 저층 그래핀의 XPS 분석 결과로, 탄소피크와 산소피크의 결합에너지(binding energy(eV))를 측정하여 이를 통해 탄소(C1s) 및 산소(01s)의 원자함량을 산출하였다. 보다 상세한 탄소 및 산소의 원자함량은 아래 표 4와 같았다.6 is a result of XPS analysis of low-layer graphene prepared by the method of Example 1, by measuring the binding energy (eV) of the carbon peak and the oxygen peak, through which carbon (C 1s ) and oxygen (0 1s) The atomic content of) was calculated. More detailed atomic contents of carbon and oxygen are shown in Table 4 below.

샘플명Sample name C1S C 1S O1S O 1S 결합에너지(BE)(eV)Binding energy (BE) (eV) 원자함량(AT.%)Atomic content (AT.%) 결합에너지(BE)(eV)Binding energy (BE) (eV) 자함량(AT.%)Own content (AT.%) 실시예 1Example 1 284.6284.6 96.8296.82 532.71532.71 3.183.18

XPS 측정결과를 통해 실시예 1을 통해 그래핀이 형성되었음을 확인하였고, 이는 앞서 측정한 라만분광법 측정결과값과 그 경향이 부합하였다.It was confirmed that graphene was formed through Example 1 through the XPS measurement result, which was consistent with the previously measured Raman spectroscopy measurement result.

도 7은 실시예 1의 방법으로 제조한 저층 그래핀의 XRD 분석 결과로, 그래핀에서 특징적으로 나타나는 2 Theta가 약 26도 부근에서 발견되는 (002)면 피크와 약 54도 부근에서 발견되는 (004)면 피크가 확인되었다. (002) 피크를 분석하여 실시예 1의 저층 그래핀의 층간거리(d)가 3.4Å임을 확인할 수 있었으며, 또한, 이러한 XRD 분석결과를 통해 도 1에 도시한 바와 같이 실시예 1의 TEM 측정결과와 동일하게 10층 미만의 저층 그래핀이 형성됨을 확인할 수 있었다.7 is a result of XRD analysis of the low-layer graphene prepared by the method of Example 1, 2 Theta, which is characteristic of graphene, is found near the (002) plane peak found at about 26 degrees and the (002) plane peak found at about 54 degrees ( 004), a peak was confirmed. By analyzing the (002) peak, it was confirmed that the interlayer distance (d) of the low-layer graphene of Example 1 was 3.4 Å, and also, the TEM measurement result of Example 1 as shown in FIG. 1 through this XRD analysis result In the same way, it was confirmed that low-layer graphene of less than 10 layers was formed.

[실험예 3] [Experimental Example 3] 제조예 1 내지 3의 PTC 발열체 조성물 도막 저항특성 분석PTC heating element composition coating resistance characteristics analysis of Preparation Examples 1 to 3

제조예 1 내지 3의 PTC 발열체(조성물 도막)를 실크스크린 인쇄 기법으로 폭, 길이, 두께를 W45mm*L45mm*T1.0㎛로 형성하여, 실온에서 4-point 저항값을 측정하고, 이와 같이 측정된 값에 보정계수(4.532)를 적용하여 면저항을 산출함으로써 전기전도도를 비교하여 그 결과값을 아래 표 5에 나타내었다. The PTC heating elements (composition coating) of Preparation Examples 1 to 3 were formed in a width, length, and thickness of W45mm*L45mm*T1.0㎛ by silkscreen printing, and a 4-point resistance value was measured at room temperature, and thus measured. The electrical conductivity was compared by applying the correction factor (4.532) to the calculated value to calculate the sheet resistance, and the results are shown in Table 5 below.

PTC 발열체(PTC 조성물 도막)PTC heating element (PTC composition coating film) 건조조건Drying condition 도막 두께Film thickness 저항값Resistance value 온도Temperature 시간time 4-point 측정4-point measurement 면저항Sheet resistance 제조예 1Manufacturing Example 1 130 ℃130 ℃ 15분15 minutes 1.0 ㎛1.0 μm 1.2~1.3 kΩ1.2~1.3 kΩ 5.44~5.89 kΩ5.44~5.89 kΩ 제조예 3Manufacturing Example 3 1.0 ㎛1.0 μm 9.8~10.8 kΩ9.8~10.8 kΩ 44.41~48.95 kΩ44.41~48.95 kΩ

* 면저항 = 측정치 X 보정계수(4.532)* Sheet resistance = measured value X correction factor (4.532)

표 5에 나타낸 바와 같이, 동일한 함량의 전도성 미립자(제조예 1은 저층 그래핀, 제조예 3은 카본블랙과 CNT)를 함유하는 경우 본 발명의 실시예 1에서 제조한 저층 그래핀을 포함하는 제조예 1의 PTC 발열체(조성물 도막)가 제조예 3의 PTC(조성물 도막)에 비해 4-point 측정 저항값 또는 이를 보정한 면저항 값이 모두 7.5 내지 9.0배 가량 낮은 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 기존 카본블랙이나 CNT 등을 전도성 미립자로 포함하는 경우에 비해 본 발명의 제조예 1의 PTC 정온 발열잉크(페이스트) 및 이를 이용하여 제조한 발열체는 전도성 입자의 충진률 한계(전도성 입자의 충진률이 한계 이상이면 전도성 잉크의 분산 안정성이 좋지 않음)를 극복하고, PTC 특성(자기온도제어)을 증가시킬 수 있는 것으로 확인되었다.As shown in Table 5, when containing the same content of conductive fine particles (Preparation Example 1 is low-layer graphene, Preparation Example 3 is carbon black and CNT) Preparation comprising the low-layer graphene prepared in Example 1 of the present invention It was confirmed that the PTC heating element (composition coating film) of Example 1 had a 4-point measured resistance value or a sheet resistance value corrected for it was 7.5 to 9.0 times lower than that of the PTC (composition coating film) of Preparation Example 3. Therefore, compared to the case where the existing carbon black or CNT is included as conductive fine particles, the PTC constant temperature heating ink (paste) of Preparation Example 1 of the present invention and the heating element manufactured using the same are limited in the filling rate of conductive particles (filling of conductive particles It was confirmed that if the rate is more than the limit, the dispersion stability of the conductive ink is not good), and the PTC characteristic (magnetic temperature control) can be increased.

또한, 제조예 1 및 3에 비해 전도성 입자의 충진율을 감소시킨 제조예 2를 기존 PTC 발열체인 제조예 3과 PTC 정온발열체의 온도에 따른 저항변화(R-T) 테스트를 수행하여, 온도별 저항특성을 비교하여 도 8 및 아래 표 6으로 나타내었다. 보다 상세하게는 오븐 내에 제조예 2 및 제조예 3의 PTC 정온발열체를 각각 W303mm*L500m로 절단하여 설치하고, 각 샘플의 전극과 결선되어있는 전선을 오븐 외부로 빼내어서 오븐 외부에 배치된 디지털멀티미터 계측기와 연결하였다. 이 후, 오븐 온도를 20~100℃까지 10℃씩 상승시키면서 PTC 정온발열체의 저항변화를 디지털멀티미터 기기를 이용하여 측정하였다.In addition, by performing a resistance change (RT) test according to the temperature of the existing PTC heating element and the PTC constant temperature heating element in Preparation Example 2, which reduced the filling rate of the conductive particles compared to Preparation Examples 1 and 3, the resistance characteristics for each temperature were measured. In comparison, it is shown in Figure 8 and Table 6 below. In more detail, the PTC constant temperature heating elements of Preparation Example 2 and Preparation Example 3 were cut into W303mm*L500m in the oven, respectively, and the wires connected to the electrodes of each sample were pulled out of the oven and placed outside the oven. Connected to the meter instrument. Thereafter, the change in resistance of the PTC constant temperature heating element was measured using a digital multimeter device while increasing the oven temperature by 10°C to 20-100°C.

Temp.
[℃]
Temp.
[℃]
제조예 2
R [Ω]
Manufacturing Example 2
R [Ω]
제조예 3
R [Ω]
Manufacturing Example 3
R [Ω]
2020 940940 950950 3030 1,0671,067 1,0581,058 4040 1,3901,390 1,3251,325 5050 1,7541,754 1,6681,668 6060 3,8563,856 2,1162,116 7070 6,5986,598 2,9002,900 8080 12,13512,135 4,3344,334 9090 20,87220,872 7,4117,411 100100 31,00331,003 10,30210,302 PTC Intensity
[%]
PTC Intensity
[%]
3,2983,298 1,0841,084
☞ PTC Intensity [%] = (R100℃ / R20℃) ⅹ 100☞ PTC Intensity [%] = (R 100℃ / R 20℃ ) ⅹ 100

도 8 및 표 6에 나타낸 바와 같이, 그래핀 기반 PTC 정온발열체인 제조예 2의 경우, 20℃에서의 초기저항은 940Ω이였으며, 50℃ 까지는 CNT 등을 함유한 제조예 3과 비슷한 저항값을 보이며, 유사한 발열특성을 보였다. 그러나, 60℃부터 제조예 2로 제조한 PTC 발열체의 저항이 3,856Ω으로 제조예 3이 2,116Ω인 것에 비해 약 1.8배 수준으로 상승하였으며, 100℃에서는 제조예 3에 비해 약 3배가량 높은 저항수치를 보였다.As shown in Figure 8 and Table 6, in the case of the graphene-based PTC constant temperature heating body Preparation Example 2, the initial resistance at 20 ℃ was 940Ω, up to 50 ℃ resistance value similar to Preparation Example 3 containing CNT, etc. And showed similar heating characteristics. However, from 60°C, the resistance of the PTC heating element manufactured in Preparation Example 2 was 3,856Ω, which was increased to about 1.8 times compared to 2,116Ω in Preparation Example 3, and about 3 times higher resistance than Preparation Example 3 at 100°C. Showed shame.

이와 같이, 제조예 2의 경우, 아래 식 1을 통해 산출된 PTC 강도(Intensity)가 3,298을 보였으며, 이는 기존 전도성 입자를 적용한 제조예 3의 PTC 강도가 1,084를 보인 것에 비해 약 3배 가량 증가한 것을 확인할 수 있었다. As such, in the case of Preparation Example 2, the PTC intensity calculated through Equation 1 below was 3,298, which is about three times higher than that of Preparation Example 3 in which the existing conductive particles were applied was 1,084. I could confirm that.

[식 1][Equation 1]

PTC Intensity [%] = (R100℃ / R20℃) ⅹ 100PTC Intensity [%] = (R 100℃ / R 20℃ ) ⅹ 100

(상기 식에서, R20℃ 및 R100℃는 각각 20 ℃ 및 100 ℃에서 측정한 그래핀 PTC 조성물의 저항값(Ω)이다.)(In the above formula, R 20°C and R 100°C are resistance values (Ω) of the graphene PTC composition measured at 20°C and 100°C, respectively.)

이와 같이, 본 발명의 제조예에 따른 PTC 정온발열체는 온도가 상승하는 조건 하에서 통전되었을 때, 전기저항이 증가하고, 전류량을 감소시키며, 이를 통해 발열량을 효과적으로 감소시킬 수 있었으며, 이러한 PTC 정온발열체의 자기온도제어(또는 정온발열) 특성을 통해 과열 및 과전류에 의한 발열체 손상이나 화재위험을 예방할 수 있고, 소비전력 절감 효과를 가지는 고효율의 PTC 정온발열체를 제조할 수 있다.As described above, when the PTC constant temperature heating element according to the manufacturing example of the present invention is energized under the condition of increasing the temperature, the electric resistance increases and the amount of current decreases, thereby effectively reducing the calorific value, and the PTC constant temperature heating element Through the self-temperature control (or constant temperature heating) characteristic, it is possible to prevent damage to the heating element or the risk of fire due to overheating and overcurrent, and to manufacture a high-efficiency PTC constant temperature heating element having an effect of reducing power consumption.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명의 PTC 정온발열체는 저층 그래핀을 포함함으로써, 기존 카본블랙이나 CNT 또는 흑연을 사용한 PTC 정온발열체에 비해 PTC 효과가 향상된 자기온도제어성 정온발열체를 효율적으로 제조할 수 있으며, 이러한 우수한 특성들로 인하여 향후 발열시트 등과 같은 발열장치 및 온도제어가 필요한 나노발열소자 등으로의 활용이 기대되고, 그밖에 다양한 분야에 응용 할 수 있다.As described above, the PTC constant temperature heater of the present invention includes low-layer graphene, so that a self-temperature controllable constant temperature heater with improved PTC effect can be efficiently manufactured compared to the PTC constant temperature heater using conventional carbon black, CNT or graphite. , Due to these excellent properties, it is expected to be used as a heating device such as a heating sheet in the future and a nano heating device that needs temperature control, and it can be applied to various other fields.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 개시된 실시예에 한정되는 것이 아니며, 후술하는 특허청구범위에 의하여 해석되며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태의 기술 사상이 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the disclosed embodiments, and is interpreted by the claims to be described later, and the meaning and scope of the claims, and all changes or modified forms of technical ideas derived from the equivalent concept It should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (10)

흑연을 200 내지 210 ℃의 노말메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrolidone, NMP)에 투입하고 1 내지 10시간 동안 교반하는 제 1 열처리 단계;
상기 제 1 열처리 된 흑연을 -10 내지 10 ℃의 온도로 냉각하는 제 2 열처리 단계; 및
상기 열처리된 흑연을 기계적으로 박리하여 2 내지 9층의 저층 그래핀(few layer graphene)을 제조하는 단계;를 포함하는 그래핀의 제조 방법.
A first heat treatment step of adding graphite to normal methyl-2-pyrolidone (NMP) at 200 to 210° C. and stirring for 1 to 10 hours;
A second heat treatment step of cooling the first heat-treated graphite to a temperature of -10 to 10 °C; And
Graphene production method comprising a; step of mechanically peeling the heat-treated graphite to produce 2 to 9 layers of low-layer graphene (few layer graphene).
제1항에 있어서,
상기 흑연의 기계적인 박리는, 비드밀, 습식볼밀, 건식교반기 및 이들을 하나 이상 사용하는 복합교반기를 사용하여 100 내지 2,000rpm의 속도로 기계적 박리 및 분산하는 것을 포함하는, 그래핀의 제조 방법.
The method of claim 1,
The mechanical exfoliation of the graphite includes mechanical exfoliation and dispersion at a speed of 100 to 2,000 rpm using a bead mill, a wet ball mill, a dry stirrer, and a composite stirrer using one or more of them.
제1항에 있어서,
상기 흑연의 제 1 열처리 단계 이전에,
흑연을 0 내지 -100 ℃의 온도에서 20시간 내지 30시간 동안 냉각 처리하는 냉각 단계;를 더 포함하는, 그래핀의 제조 방법.
The method of claim 1,
Before the first heat treatment step of the graphite,
A cooling step of cooling the graphite at a temperature of 0 to -100 °C for 20 to 30 hours; further comprising, a method for producing graphene.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 방법으로 2 내지 9층의 저층 그래핀(few layer graphene)을 제조하는 단계;
상기 그래핀과 고분자 바인더를 혼합하여 그래핀 기반 PTC 정온발열 페이스트를 제조하는 단계; 및
상기 그래핀 기반 PTC 정온발열 페이스트를 인쇄 또는 코팅하여 그래핀 기반 고분자 나노복합소재를 활용한 PTC 정온발열체를 제조하는 단계;를 포함하는,
그래핀 기반 고분자 나노복합소재를 포함하는 PTC 정온발열체 제조방법.
Producing 2 to 9 layers of low-layer graphene by the method of any one of claims 1 to 3;
Preparing a graphene-based PTC constant temperature heating paste by mixing the graphene and a polymeric binder; And
Including; printing or coating the graphene-based PTC constant temperature heating paste to prepare a PTC constant temperature heating element using a graphene-based polymer nanocomposite material;
A method of manufacturing a PTC constant temperature heating element including a graphene-based polymer nanocomposite material.
제4항에 있어서,
상기 고분자 바인더는 폴리에스테르, 폴리에틸렌비닐아세테이트, 폴리에스테르-폴리에틸렌비닐아세테이트 공중합체, 폴리비닐클로라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부타디엔, 폴리올레핀, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐아세테이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리스틸렌, 폴리에틸렌케톤, 폴리에틸렌테레프탈레이트글리콜, 폴리에틸렌이미드 및 이들이 하나 이상 혼합된 복합 고분자로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나를 포함하고,
상기 그래핀과 고분자 바인더는 2:100 내지 40:100의 무게비로 혼합되는 것인, 그래핀 기반 고분자 나노복합소재를 포함하는 PTC 정온발열체 제조방법.
The method of claim 4,
The polymeric binder is polyester, polyethylene vinyl acetate, polyester-polyethylene vinyl acetate copolymer, polyvinyl chloride, polyethylene, polypropylene, polybutadiene, polyolefin, polyvinyl chloride, polyvinyl acetate, polyethylene terephthalate, polystyrene, polyethylene ketone , Polyethylene terephthalate glycol, polyethyleneimide, and any one selected from the group consisting of a composite polymer in which one or more thereof is mixed,
The graphene and the polymeric binder are mixed in a weight ratio of 2:100 to 40:100, a method for producing a PTC constant temperature heating element comprising a graphene-based polymer nanocomposite.
제4항에 있어서,
상기 인쇄 또는 코팅방법은, 그라비아 인쇄, 콤마 코팅, 실크스크린 인쇄, 스프레이 코팅, 침적코팅, 롤 코팅, 메이어바코팅, 블레이드 코팅, 마이크로그라비아 코팅, 슬롯다이코팅, 슬라이드 코팅, 커튼 코팅 및 이들이 하나 이상 혼합된 인쇄 또는 코팅법으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 방법을 포함하는, 그래핀 기반 고분자 나노복합소재를 포함하는 PTC 정온발열체 제조방법.
The method of claim 4,
The printing or coating method includes gravure printing, comma coating, silk screen printing, spray coating, immersion coating, roll coating, Mayer bar coating, blade coating, microgravure coating, slot die coating, slide coating, curtain coating, and one or more of these. PTC constant temperature heating element manufacturing method comprising a graphene-based polymer nanocomposite material comprising any one method selected from the group consisting of a mixed printing or coating method.
제4항의 제조방법에 의해서 제조된 PTC 정온발열체.
PTC constant temperature heating element manufactured by the manufacturing method of claim 4.
제7항에 있어서,
상기 정온발열체의 하기 식 1로 계산한 PTC 강도(Intensity)는 1,000 이상인, PTC 정온발열체.
[식 1]
PTC Intensity [%] = (R100℃ / R20℃) ⅹ 100
(상기 식 1에서, R20℃ 및 R100℃는 각각 20 ℃ 및 100 ℃에서 측정한 그래핀 PTC 조성물의 저항값(Ω)이다.)
The method of claim 7,
PTC strength (Intensity) calculated by the following equation 1 of the constant temperature heating element is 1,000 or more, PTC constant temperature heating element.
[Equation 1]
PTC Intensity [%] = (R 100℃ / R 20℃ ) ⅹ 100
(In Equation 1, R 20°C and R 100°C are resistance values (Ω) of the graphene PTC composition measured at 20°C and 100°C, respectively.)
제7항의 PTC 정온발열체를 포함하는, 면상발열체.
Including the PTC constant temperature heating element of claim 7, planar heating element.
제7항의 PTC 정온발열체를 포함하는, 발열장치.
A heating device comprising the PTC constant temperature heating element of claim 7.
KR1020190025288A 2019-03-05 2019-03-05 Method for manufacturing few layer graphene, and method for manufacturing ptc positive temperature heating element comprising graphene-containing polymer nanocomposite KR102575970B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190025288A KR102575970B1 (en) 2019-03-05 2019-03-05 Method for manufacturing few layer graphene, and method for manufacturing ptc positive temperature heating element comprising graphene-containing polymer nanocomposite

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190025288A KR102575970B1 (en) 2019-03-05 2019-03-05 Method for manufacturing few layer graphene, and method for manufacturing ptc positive temperature heating element comprising graphene-containing polymer nanocomposite

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200106716A true KR20200106716A (en) 2020-09-15
KR102575970B1 KR102575970B1 (en) 2023-09-08

Family

ID=72450562

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190025288A KR102575970B1 (en) 2019-03-05 2019-03-05 Method for manufacturing few layer graphene, and method for manufacturing ptc positive temperature heating element comprising graphene-containing polymer nanocomposite

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102575970B1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023095960A1 (en) * 2021-11-24 2023-06-01 엔디티엔지니어링㈜ Ptc constant temperature heating element containing silver particle-graphene composite
KR102558436B1 (en) * 2022-11-02 2023-07-20 염한균 Film heater for electric vehicle using ptc heating element

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110016289A (en) * 2009-08-11 2011-02-17 고양미 Producing method of carbon-nanosheets composits
KR101168906B1 (en) 2012-06-29 2012-08-02 엔디티엔지니어링(주) Constant heater using ptc-positive temperature coefficient constant heater-ink polymer
KR101593983B1 (en) 2015-07-03 2016-02-15 엔디티엔지니어링(주) Heating Surface for Wet using a Constant-temperature Polymer PTC Heating Ink
KR101635835B1 (en) * 2009-08-11 2016-07-05 한국세라믹기술원 Coating method with colloidal graphine oxides
KR20170059999A (en) * 2014-09-18 2017-05-31 렙솔, 에스.에이 Methods for producing graphene with tunable properties by a multi-step thermal reduction process
KR20180038321A (en) * 2016-10-06 2018-04-16 주식회사 멕스플로러 Metal-coatable Graphene ink, method of fabricating the same, method of coating metal surface with metal-coatable graphene ink and metals coated with graphene

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110016289A (en) * 2009-08-11 2011-02-17 고양미 Producing method of carbon-nanosheets composits
KR101635835B1 (en) * 2009-08-11 2016-07-05 한국세라믹기술원 Coating method with colloidal graphine oxides
KR101168906B1 (en) 2012-06-29 2012-08-02 엔디티엔지니어링(주) Constant heater using ptc-positive temperature coefficient constant heater-ink polymer
KR20170059999A (en) * 2014-09-18 2017-05-31 렙솔, 에스.에이 Methods for producing graphene with tunable properties by a multi-step thermal reduction process
KR101593983B1 (en) 2015-07-03 2016-02-15 엔디티엔지니어링(주) Heating Surface for Wet using a Constant-temperature Polymer PTC Heating Ink
KR20180038321A (en) * 2016-10-06 2018-04-16 주식회사 멕스플로러 Metal-coatable Graphene ink, method of fabricating the same, method of coating metal surface with metal-coatable graphene ink and metals coated with graphene

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 11700-11715

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023095960A1 (en) * 2021-11-24 2023-06-01 엔디티엔지니어링㈜ Ptc constant temperature heating element containing silver particle-graphene composite
KR102558436B1 (en) * 2022-11-02 2023-07-20 염한균 Film heater for electric vehicle using ptc heating element

Also Published As

Publication number Publication date
KR102575970B1 (en) 2023-09-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. Polymer dielectric films exhibiting superior high-temperature capacitive performance by utilizing an inorganic insulation interlayer
Ansari et al. Functionalized graphene sheet—Poly (vinylidene fluoride) conductive nanocomposites
Yang et al. Fluoro-polymer functionalized graphene for flexible ferroelectric polymer-based high-k nanocomposites with suppressed dielectric loss and low percolation threshold
Yang et al. Constructing a continuous amorphous carbon interlayer to enhance dielectric performance of carbon nanotubes/polyvinylidene fluoride nanocomposites
Shen et al. High dielectric performance of polymer composite films induced by a percolating interparticle barrier layer
Han et al. Suppression of energy dissipation and enhancement of breakdown strength in ferroelectric polymer–graphene percolative composites
Wu et al. Morphology-controllable graphene–TiO 2 nanorod hybrid nanostructures for polymer composites with high dielectric performance
Li et al. Fabrication of two-dimensional hybrid sheets by decorating insulating PANI on reduced graphene oxide for polymer nanocomposites with low dielectric loss and high dielectric constant
US7911029B2 (en) Multilayer electronic devices for imbedded capacitor
Pan et al. Dielectric characteristics of poly (ether ketone ketone) for high temperature capacitive energy storage
CN101560325B (en) High-temperature resistant PTC electroconductive composition, high-temperature resistant PTC device containing composition and manufacturing method thereof
EP3575218A1 (en) Antenna comprising a layer of carbon nanotubes
Zhu et al. Improved dielectric properties and energy storage density of poly (vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene-co-chlorotrifluoroethylene) composite films with aromatic polythiourea
WO2016126827A1 (en) Electrically-conductive heating element
CN104194455A (en) Graphene coating as well as preparation method and coating method thereof
KR102575970B1 (en) Method for manufacturing few layer graphene, and method for manufacturing ptc positive temperature heating element comprising graphene-containing polymer nanocomposite
Wang et al. Polyamideimide dielectric with montmorillonite nanosheets coating for high-temperature energy storage
KR20100017776A (en) Laminated porous film
Chen et al. Fabrication and characterization of structural/dielectric three-phase composite: Continuous basalt fiber reinforced epoxy resin modified with graphene nanoplates
CN104252935B (en) thermistor and preparation method thereof
US11089658B2 (en) Heating element
Tang et al. Improved energy storage density of composite films based on poly (arylene ether nitrile) and sulfonated poly (arylene ether nitrile) functionalized graphene
JPWO2015156396A1 (en) Clay-graphite composite and production method thereof
Ahmad et al. Exfoliated graphene reinforced polybenzimidazole nanocomposites with high dielectric permittivity at low percolation threshold
Jena et al. Structural, thermal and dielectric behavior of two-dimensional layered Ti 3 C 2 T x (MXene) filled ethylene–vinyl acetate (EVA) nanocomposites

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant