KR20210000574A - 탄소섬유 발열선의 제조방법 및 이에 따라 제조된 탄소섬유 발열선 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소섬유 발열선의 제조방법 및 이에 따라 제조된 탄소섬유 발열선에 관한 것으로, 탄소섬유 발열선의 제조시, 금속물질이 도금된 탄소섬유를 연선(stranding) 시킴으로써, 탄소섬유들의 간격이 가까워져서 저항이 적은 탄소섬유 발열선을 제조할 수 있으며, 이에 따라 내구성이 높은 발열선을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 탄소섬유 발열선의 제조방법 및 이에 따라 제조된 탄소섬유 발열선에 관한 것이다.
일반적으로, 탄소섬유를 적용한 발열체(이하, '탄소섬유 발열체'라 함)는 전기적 전도성이 우수하여, 저전압에서 구동이 가능하고, 전자파 차폐를 높일 수 있으며, 원적외선 방사 특성으로 인하여 친환경적인 발열체이다.
탄소섬유는 수천 ~ 수십만개의 필라멘트(섬유경: 5~7 ㎛)로 이루어진 다발로 제품화되고 있는데, 고가이며, 공정시 보풀이 다량 발생하는 단점이 있다. 또한, 탄소섬유 다발을 이용하는 필라멘트는 전도부와 접촉하는 일부 필라멘트만 발열거동에 참여하기 때문에 발열 효율이 높지 않은 제약이 있다.
즉, 탄소섬유 다발의 필라멘트 중 전도부와 접촉하지 못하는 탄소섬유 다발의 표면 내측에 위치한 필라멘트 부분은 발열 거동에 참여하지 못하는 데드존(dead zone)을 이루게 되므로, 그 만큼 탄소섬유 발열체의 구동에 고전압이 필요하게 된다. 이에 따라, 탄소섬유 다발의 단위면적당 발열 효율이 크게 떨어지는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 출원인은 탄소섬유의 폭을 넓혀 일정한 두께로 스프레딩 공정 및 슬리팅 공정의 전처리를 거친 탄소섬유를 제조하여 사용하여 왔다. 그러나, 상기 슬리팅 공정에 의하여, 탄소섬유가 끊어지는 문제가 발생하였고, 이에 따라 탄소섬유의 보풀이 커져 전기 저항 또한 커지는 문제가 발생하였다.
따라서, 발열 효율이 크게 떨어지지 않으며, 소비전력 효율이 우수한 탄소섬유 발열선의 제조방법에 대한 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 발열 효율이 크게 떨어지지 않으며, 소비전력 효율이 우수한 탄소섬유 발열선의 제조방법 및 이에 따라 제조된 탄소섬유 발열선을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여,
본 발명의 일 실시예서,
고분자 수지가 함침되어 있는 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유(MCF)를 미터당 꼬임수가 평균 50 내지 160 twists/m 되도록 연선(stranding)시키는 단계;
연선된 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유에 용매를 도포하여 상기 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유에 함침되어 있는 고분자 수지를 용해하는 단계; 및
고분자 수지가 용해된 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유에 열처리하여 상기 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유(MCF)를 재결합하는 단계; 를 포함하는 탄소섬유 발열선의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에서,
미터당 꼬임수가 평균 50 내지 160 twists/m 범위로 연선된(stranding) 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유(MCF); 및
탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유 표면에 포함되는 고분자 수지; 를 포함하는 탄소섬유 발열선을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 발열선의 제조방법은 고분자 수지가 함침되어 있는 테이프 형태의 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유(MCF)를 미터당 꼬임수가 평균 50 내지 160 twists/m가 되도록 연선(stranding) 시킴으로써, 탄소섬유들의 간격이 좁아져서 저항이 작은 탄소섬유 발열선을 제조할 수 있다. 이에 따라 전기전도도 및 발열 균일도가 향상된 탄소섬유 발열선을 제조할 수 있다.
특히, 상기 발열선은 낮은 전압을 인가하여도 우수한 발열 특성을 나타낼 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열선 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 발열선을 제조하는 과정을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 탄소섬유 발열선의 직경 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 고분자 용액의 처리량이 20 ㎖/min 일 때, 탄소섬유사의 꼬임수에 따름 발열선의 표면과 단면적 변화를 나타내는 사진이다.
도 5는 발명의 실시예에서 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 발열선의 저항 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에서 제조한 발열선에 3V 의 전압을 인가할 때, 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 발열온도를 나타내는 그래프 및 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예에서 제조한 발열선에 3V 의 전압을 인가할 때, 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 소비전력을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에서 제조한 발열선에 5V 의 전압을 인가할 때, 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 발열온도를 나타내는 그래프 및 사진이다.
도 9는 본 발명의 실시예에서 제조한 발열선에 5V 의 전압을 인가할 때, 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 소비전력을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에서 제조한 발열선에 7V 의 전압을 인가할 때, 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 발열온도를 나타내는 그래프 및 사진이다.
도 11은 본 발명의 실시예에서 제조한 발열선에 7V 의 전압을 인가할 때, 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 소비전력을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예에서 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 탄소섬유 발열선의 용단전류(fusing current)를 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 발열선을 제조하는 과정을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 탄소섬유 발열선의 직경 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 고분자 용액의 처리량이 20 ㎖/min 일 때, 탄소섬유사의 꼬임수에 따름 발열선의 표면과 단면적 변화를 나타내는 사진이다.
도 5는 발명의 실시예에서 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 발열선의 저항 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에서 제조한 발열선에 3V 의 전압을 인가할 때, 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 발열온도를 나타내는 그래프 및 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예에서 제조한 발열선에 3V 의 전압을 인가할 때, 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 소비전력을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에서 제조한 발열선에 5V 의 전압을 인가할 때, 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 발열온도를 나타내는 그래프 및 사진이다.
도 9는 본 발명의 실시예에서 제조한 발열선에 5V 의 전압을 인가할 때, 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 소비전력을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에서 제조한 발열선에 7V 의 전압을 인가할 때, 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 발열온도를 나타내는 그래프 및 사진이다.
도 11은 본 발명의 실시예에서 제조한 발열선에 7V 의 전압을 인가할 때, 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 소비전력을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예에서 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 탄소섬유 발열선의 용단전류(fusing current)를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 탄소섬유 발열선의 제조방법 및 이에 따라 제조된 탄소섬유 발열선에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 발열선의 제조방법은 고분자 수지가 함침되어 있는 테이프 형태의 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유(MCF)를 연선(stranding) 시킴으로써, 발열특성이 우수한 탄소섬유 발열선을 제조할 수 있다.
특히, 상기 탄소섬유 발열선은 낮은 전압을 인가하여도 우수한 발열 특성을 나타낼 수 있는 이점이 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 발열선의 제조방법을 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면,
고분자 수지가 함침되어 있는 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유(MCF)를 미터당 꼬임수가 평균 50 내지 160 twists/m 되도록 연선(stranding)시키는 단계;
연선된 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유에 용매를 도포하여 상기 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유에 함침되어 있는 고분자 수지를 용해하는 단계; 및
고분자 수지가 용해된 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유에 열처리하여 상기 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유(MCF)를 재결합하는 단계; 를 포함하는 탄소섬유 발열선의 제조방법에 관한 것이다(도 1 참조).
여기서, 연선(stranding)라 함은, 연속된 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유(MCF)를 꼬임을 더 주거나, 두 올 이상의 탄소섬유를 합하여 꼬임을 주는 일 또는 꼬임을 준 탄소섬유를 의미할 수 있다. 특히, 본 발명의 탄소섬유 발열선의 제조방법에 따르면, 탄소섬유 테이프 형태로 분할된 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유를 연선 시킴으로써, 전기전도도 및 발열 균일도가 향상된 탄소섬유 발열선을 제조할 수 있다. 특정 양태로서, 연선하고자 하는 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유는 테이프 형태일 수 있으며, 테이프 형태의 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유를 하나 이상 연선 시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 발열선은 통상의 발열선과의 단면적은 같거나 유사하지만, 각각의 탄소 섬유 간의 거리가 가까워져서 접촉 저항을 낮출 수 있는 이점이 있다.
이하에서, 본 발명에서 고분자 수지가 함침되어 있는 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유(MCF)를 미터당 꼬임수가 평균 50 내지 160 twists/m 되도록 연선(stranding)시키는 단계(S100)를 설명한다.
먼저, 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유를 준비한다. 본 발명의 실시예에서는 금속 도금 탄소섬유를 언급하였으나, 이에 한정하지 않는다. 한편, 고분자 수지가 함침되어 있는 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유(MCF)는, 평균 100 내지 200 ㎛ 두께 이며, 평균 1 내지 40 mm 폭을 갖는 테이프 형태일 수 있다. 이하에서, 상세히 설명하도록 한다.
아울러, 금속은 전자 기기 내부에서 발생하는 노이즈를 외부로 방사 시키지 않고 또는 외부에서 침입하는 노이즈를 차단할 수 있는 물질일 수 있으며, 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 코발트(Co) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다. 바람직하게는 구리와 니켈이 도금된 탄소섬유일 수 있다.
상기 분할된 금속 도금 탄소섬유는 통상적으로 알려진 무전해 도금법이 사용될 수 있으며, 또는 무전해/전해도금의 연속공정을 이용하여 형성할 수 있다.
즉, 전도성이 높은 구리만을 사용하여 무전해 도금을 하는 경우, 전도성은 높으나, 차량에 설치되어 장기간 사용 시, 노출된 부위에 부식 발생의 우려가 있으며, 내식성이 우수한 니켈만 사용하여 무전해 도금을 하는 경우에는 전기전도도가 낮아, 원하는 만큼의 차폐성능을 얻기 위해서는 도금 두께를 두껍게 하여야 한다는 문제점이 있다. 특히, 니켈만으로 무전해 도금시에는 환원제로 쓰이는 차아인산나트륨(Sodium hypophosphite)의 인성분이 전기전도도를 방해하는 요인으로 작용하여 원하는 전기전도도를 만족시키기 위해서는 두께가 올라가야 하는 단점이 있다.
이러한 문제점을 해소하기 위해서 탄소 섬유사는 무전해 도금층과 전해 도금층을 포함하는 구조일 수 있으며, 특히, 무전해 도금층은 구리를 주성분으로 하고, 전해 도금층은 니켈을 주 성분으로 할 수 있다. 이에 따라, 구리의 높은 전도성의 장점과 내부식성이 높은 니켈의 장점을 모두 확보할 수 있다.
특정 양태로서, 고분자 수지가 함침되어 있는 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유(MCF)는, 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유를 스프레딩 장치를 이용하여 섬유의 폭을 넓혀 일정한 두께로 스프레딩(spreading)을 실시하는 단계; 및 스프레딩을 실시한 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유에 고분자수지를 함침(impregnation)시키는 단계; 의 전처리 과정을 거쳐 제조된 것일 수 있다.
나아가, 상기 전처리 단계는 상기 고분자수지를 함침시킨 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유를 슬리팅하여 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유 폭을 줄이는 단계; 를 더 포함할 수 있다.
예를 들면, 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유에 대해 별도의 스프레딩 장치를 이용하여 보빈에 감긴 12K 금속도금 탄소섬유 한 토우(Tow)의 폭을 넓혀 일정한 두께로 스프레딩(Spreading)을 실시한다. 스프레딩 된 토우는 약 12,000 가닥으로 이루어져 있으며 이에 고분자를 코팅 시켜 폭 8~40mm의 테이프 형태로 제조한다. 이를 약 3,000가닥으로 4분할한다. 구체적으로, 12K 이상의 탄소 섬유 묶음을 3K 섬유사 묶음으로 준비할 수 있다. 이때, 상기 3K 섬유사 묶음은 2 내지 3 mm의 폭일 수 있다. 한편, 탄소섬유 또는 금속도금 탄소섬유는 1K, 3K, 6K, 12K, 24K, 48K 굵기의 섬유를 사용할 수 있다. 여기서 1K는 mono filament 1000 가닥을 의미한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연선하기 위한 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유의 폭은 사용하는 섬유의 가닥수에 따라 상이할 수 있다. 즉, 1K, 3K, 6K, 12K, 24K, 48K 등의 섬유에 따라 연선하기 위한 폭이 다를 수 있다.
이때, 고분자 수지는 수용성 우레탄, 수용성 실리콘, 수용성 폴리아마이드, 비수용성 폴리아마이드, 비수용성 에폭시, 비수용성 우레탄, 비수용성 실리콘 및 열가소성 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 일 예로, 상기 고분자 수지는 폴리우레탄일 수 있다. 특히, 상기 폴리우레탄으로 코팅된 탄소섬유 발열선은 후 공정 시, 보풀 등이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
상기 단계는 수지 공급 도포장치를 이용하여, 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유에 고분자 수지를 도포할 수 있다. 구체적으로 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유의 위에 액상으로 수지를 떨어뜨려 탄소섬유 사이로 함침되는 방식으로 수지를 도포할 수 있다. 예를 들면, 용매에 상기 고분자 수지를 평균 5 내지 15wt% 의 농도로 희석하여 용액을 제조한 후, 상기 용액에 스프레딩된 탄소섬유를 함침시킬 수 있다. 이때, 용매는, 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone), 아세톤(acetone), 에탄올(ethanol), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 부틸 아세테이트(butyl acetate), 벤젠(benzene), 사이클로헥산(cyclohexane), 에틸 아세테이트(ethyl acetate) 및 헥산(hexane)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 일 예로, 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone) 일 수 있다.
아울러, 상기 용액 내의 고분자 수지의 농도는 5 내지 15wt% 또는 약 10wt% 일 수 있다. 만일 상기 용액의 농도가 5wt% 미만인 경우, 스프레딩된 탄소섬유에 도포되는 고분자 수지의 양이 너무 적어 집속이 안되어 탄소섬유가 다시 풀리는 문제가 발생할 수 있으며, 15wt% 를 초과하는 경우에는 고분자의 양이 많아져서 유연성이 떨어지거나 저항이 증가하는 문제가 발생할 수 있다. 일 예로, 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone)에 폴리우레탄이 약 10 wt%으로 희석될 수 있다.
그리고, 상기 고분자 수지가 함침된 탄소섬유 테이프를 1차 열경화 시킬 수 있으며, 이때의 온도는 150 내지 300 ℃ 범위일 수 있다.
나아가, 고분자수지를 함침시킨 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유를 슬리팅하여 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유 폭을 줄일 수 있다. 이때, 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유(MCF)는, 평균 100 내지 200 ㎛ 두께 이며, 평균 1 내지 40 mm 폭을 갖는 테이프 형태일 수 있다. 만일, 연선 시키고자 하는 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유(MCF)의 두께가 100 ㎛ 미만인 경우 스프레딩이 불균일 할 수 있으며, 200 ㎛를 초과하는 경우, 슬리팅 공정 시 탄소섬유의 불균일한 분할을 일으킬 수 있다. 또한, 연선 시키고자 하는 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유(MCF)의 폭이 1 mm 미만인 경우에는 불균일한 슬리팅을 야기할 수 있으며, 40 mm 를 초과하는 경우에는 스프레딩 불균일을 야기할 수 있다. 따라서, 상술한 범위가 바람직할 수 있다. 참고로, 슬리팅을 실시한 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소 섬유의 폭은 사용하는 탄소섬유의 토우수에 따라서 달라질 수 있다.
그리고, 상기와 같이 전처리하여 고분자 수지가 함침되어 있는 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유(MCF)를 일방향으로 연선(stranding)하는 단계를 포함한다. 본 발명에서는 연선기(stranding machine)의 원리를 이용하여, 탄소섬유를 일방향으로 연선시킬 수 있는 장치를 설계 및 제조하였다. 구체적으로, 금속 물질이 도금된 탄소섬유를 미터당 꼬임수가 평균 50 내지 160 twists/m 되도록 연선시킬 수 있다. 특히, 미터당 꼬임수가 평균 50 twists/m 미만인 경우에는 선에 가까운 형태가 아닌 불규칙하게 접힌 부분과 꼬인 선이 존재하므로 저항이 높은 부분과 낮은 부분이 함께 존재하여 불균일한 발열을 초래한다. 또한 상기 미터당 꼬임수가 평균 160 twists/m를 초과하는 경우, 너무 많은 꼬임으로 끊긴 섬유들로 인해 가장자리에서 보풀이 발생하고 섬유 가닥의 손실로 인해 저항이 높아지는 결과를 초래하여 바람직하지 않다. 따라서, 본 발명에서는 금속물질이 도금된 탄소섬유를 미터당 꼬임수가 평균 50 내지 160 twists/m 되도록 연선시킬 수 있으며, 바람직하게는 미터당 꼬임수가 평균 80 내지 160 twists/m, 100 내지 160 twists/m, 110 내지 130 twists/m, 또는 115 내지 120 twists/m 되도록 탄소섬유를 연선 시킬 수 있다.
다음으로, 연선된 탄소섬유에 용매를 도포하는 단계(S200)를 포함한다. 이는, 연선된 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유에 용매를 도포하여 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유에 함침되어 있는 고분자 수지를 용해하는 단계일 수 있다.
이때, 용매는 상기 고분자 수지를 용해할 수 있는 용매면 가능하며, 구체적으로, 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone), 아세톤(acetone), 에탄올(ethanol), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 부틸 아세테이트(butyl acetate), 벤젠(benzene), 사이클로헥산(cyclohexane), 에틸 아세테이트(ethyl acetate) 및 헥산(hexane)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다. 일 예로, 상기 용매는 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone)일 수 있다.
상기 용매의 처리량은 5 내지 20 ㎖/min 범위일 수 있으며, 상기 용매는 연선된 탄소섬유 위에 액상으로 용매를 떨어뜨려, 탄소섬유 사이로 침투하는 방식으로 상기 용매를 도포할 수 있다.
마지막으로, 고분자 수지가 용해된 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유에 열처리하여 상기 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유(MCF)를 재결합하는 단계를 포함한다(S300). 구체적으로, 고분자 수지가 도포된 탄소섬유를 평균 150 내지 300 ℃ 온도 범위에서 열처리할 수 있다. 일 예로, 열처리 온도는 평균 200℃ 온도일 수 있다. 만일, 열처리 온도가 150℃ 미만인 경우에는 용매는 기화될 수 있으나, 고분자가 경화되지 않는 문제가 발생할 수 있으며, 상기 열처리 온도가 300℃ 를 초과하는 경우에는 고분자의 분해 또는 변성이 일어나 본래의 성질을 잃어버리는 문제가 발생할 수 있다. 본 발명에서의 열처리는 궁극적으로 공급된 수지를 경화하면서 탄소 섬유 간의 짧은 거리를 유지시켜주는 결과를 유도할 수 있다. 한편, 열처리 온도는 사용하는 고분자 수지의 종류에 따라서 달라질 수 있으며, 고분자 수지를 경화시킬 수 온도라면 무관하다.
상술한 과정을 통해, 전기전도도 및 발열 균일도가 향상된 탄소섬유 발열선을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에서,
미터당 꼬임수가 평균 50 내지 160 twists/m 범위로 연선된(stranding) 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유(MCF); 및
탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유 표면에 포함되는 고분자 수지; 를 포함하는 탄소섬유 발열선을 제공한다.
상술한 바와 같이, 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유는 미터당 꼬임수가 평균 50 내지 160 twists/m 범위로 연선된 것일 수 있다. 특히, 미터당 꼬임수가 평균 50 twists/m 미만인 경우에는 선에 가까운 형태가 아닌 불규칙하게 접힌 부분과 꼬인 선이 존재하므로 저항이 높은 부분과 낮은 부분이 함께 존재하여 불균일한 발열을 초래한다. 또한 상기 미터당 꼬임수가 평균 160 twists/m를 초과하는 경우, 너무 많은 꼬임으로 끊긴 섬유들로 인해 가장자리에서 보풀이 발생하고 섬유 가닥의 손실로 인해 저항이 높아지는 결과를 초래하여 바람직하지 않다. 따라서, 본 발명에서는 금속물질이 도금된 탄소섬유는 미터당 꼬임수가 평균 50 내지 160 twists/m 되도록 연선시킬 수 있으며, 바람직하게는 미터당 꼬임수가 평균 80 내지 160 twists/m, 100 내지 160 twists/m, 110 내지 130 twists/m, 또는 115 내지 120 twists/m 되도록 연선된 것일 수 있다.
여기서, 연선(stranding)라 함은, 연속된 탄소섬유를 꼬임을 더 주거나, 두 올 이상의 탄소섬유를 합하여 꼬임을 주는 일 또는 꼬임을 준 탄소섬유를 의미할 수 있다. 특히, 본 발명의 탄소섬유 발열선은 분할된 금속 도금 탄소섬유가 연선되어 있어, 저항이 낮아 저 전압에서 구동이 가능하며 발열 균일도가 높은 이점이 있다.
상기 금속은 전자 기기 내부에서 발생하는 노이즈를 외부로 방사시키지 않고 또는 외부에서 침입하는 노이즈를 차단할 수 있는 물질을 의미하며, 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg) 및 코발트(Co)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다. 바람직하게는 구리와 니켈이 도금된 탄소섬유일 수 있다.
아울러, 상기 고분자 수지는, 수용성 우레탄, 수용성 실리콘, 수용성 폴리아마이드, 비수용성 폴리아마이드, 비수용성 에폭시, 비수용성 우레탄, 비수용성 실리콘 및 열가소성 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다. 일 예로, 상기 고분자 수지는 폴리우레탄일 수 있다.
예컨대, 본 발명에 따른 탄소섬유 발열선은 평균 단면적이 0.1 내지 4.8 mm2 범위일 수 있다. 한편, 상기 탄소섬유 발열선은 평균 단면적이 0.1 mm2 미만인 경우와 4.8 mm2 를 초과하는 경우, 연선하기 위한 시료를 제조하기가 어려운 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 발열선은 평균 저항이 0.2 내지 300 Ω/m 범위일 수 있다. 특히, 본 발명의 발열선은 미터당 꼬임수가 평균 50 내지 160 twists/m 되도록 연선된 탄소섬유인 경우, 낮은 저항과 높은 발열 온도를 제공할 수 있다. 특정 양태로서, 발열선은 미터당 꼬임수가 평균 80 내지 160 twists/m 일 때, 0.2 내지 5 Ω/m 범위일 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 발열선은 낮은 전압을 인가하여도 우수한 발열 특성을 나타낼 수 있는 이점이 있다.
나아가, 본 발명에 따른 발열선은 평균 용단전류(fusing current)가 2 내지 25A 일 수 있다. 용단전류는 특별한 조건에서 발열선이 실제로 용단되는 최소 한도의 전류를 의미한다. 따라서, 상기 범위는 발열선으로 사용 가능함을 나타내는 결과로 바람직하다.
이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.
<
실시예
>
구리 및 니켈이 도금된 12K 탄소섬유사(MCF)를 BSM materials 사로부터 구입하여 발열선을 제조하였다.
도 2는 본 발명의 실시예에서 발열선을 제조하는 과정을 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 구리 및 니켈이 도금된 탄소섬유에 대해 스프레딩 장치를 이용하여 보빈에 감긴 12K 금속도금 탄소섬유 한 토우(Tow)의 폭을 넓혀 일정한 두께로 스프레딩(spreading)을 실시하였다. 그리고, 상기 스프레딩을 실시한 상기 탄소섬유를 폴리우레탄(PU, ㈜덕성)을 포함하는 용액에 함침시킨 후 1차 열경화시켜, 폭이 평균 8 mm 의 테이프 형태로 제조하였다. 1차 열경화 온도는 약 250℃ 였다.
그 후, 폴리우레탄이 코팅된 탄소섬유 12K를 슬리팅 공정을 하여 평균 폭이 2 mm 이고, 평균 두께가 150 ㎛ 인 탄소섬유 테이프를 제조하였다.
그 다음, 상기 탄소섬유 테이프를 꼬임수 53-152 twists/m 이 되도록 연선(stranding)시켰다. 그리고, 연선된 탄소섬유 테이프에 메틸에틸케톤(MEK, DAEJUNG CHMICALS&METALS Co., LTd) 처리하였다. 이때, 상기 메틸에틸케톤이 폴리우레탄이 코팅된 탄소섬유 테이프에 침투하여 상기 폴리우레탄을 용해시킨 후 2차 열경화에 의해 탄소섬유들을 재결합 시킬 수 있다.
구체적으로, 메틸에틸케톤 처리 후, 250 ℃ 의 건조오븐에서 15분간 건조하여 발열선을 제조하였다.
한편, 실시예에 따른 구리 및 니켈이 도금된 탄소섬유사의 꼬임수(twists/m)와 MEK 의 처리량은 아래의 표 1에 나타내었다.
| 꼬임수(twists/m) | 처리량(㎖/min) | |
| 실시예 1 | 53 | 5 |
| 실시예 2 | 53 | 10 |
| 실시예 3 | 53 | 15 |
| 실시예 4 | 53 | 20 |
| 실시예 5 | 86 | 5 |
| 실시예 6 | 86 | 10 |
| 실시예 7 | 86 | 15 |
| 실시예 8 | 86 | 20 |
| 실시예 9 | 119 | 5 |
| 실시예 10 | 119 | 10 |
| 실시예 11 | 119 | 15 |
| 실시예 12 | 119 | 20 |
| 실시예 13 | 152 | 5 |
| 실시예 14 | 152 | 10 |
| 실시예 15 | 152 | 15 |
| 실시예 16 | 152 | 20 |
<
비교예
>
구리 및 니켈이 도금된 탄소섬유사를 BSM materials Co., LTd 에서 구입하여 준비하였다.
<
실험예
>
실험예
1.
발열선의
직경
및 저항 변화 측정
실시예와 비교예에서 준비한 발열선의 직경과 저항 변화를 측정하였다. 그리고, 그 결과를 도 3 내지 5와 표 2에 나타내었다.
물성 평가 방법
(1) 단면적 측정: 실시예와 비교예에서 준비된 발열선의 단면적은 광학현미경을 통해 측정 하였다.
(2) 저항 변화 측정: 저항 변화(Ω/m)는 옴의 법칙과 실온에서의 보정 계수를 이용하여 디지털 멀티미터(2000 digit multimeter, Keithley Co., Ltd.)에 의해 측정되었다.
| 꼬임수 (twists/m) |
처리량 (㎖/min) |
단면적 (mm2) |
저항 (ohm/m) |
|
| 비교예 | 0 | 0 | 0.3 | 6 |
| 실시예 1 | 53 | 5 | 0.311567 | 5.52 |
| 실시예 2 | 53 | 10 | 0.321536 | 5.3625 |
| 실시예 3 | 53 | 15 | 0.314541 | 5.29 |
| 실시예 4 | 53 | 20 | 0.322542 | 5.15 |
| 실시예 5 | 86 | 5 | 0.335757 | 5.0775 |
| 실시예 6 | 86 | 10 | 0.340911 | 4.7725 |
| 실시예 7 | 86 | 15 | 0.333707 | 4.635 |
| 실시예 8 | 86 | 20 | 0.320532 | 4.6925 |
| 실시예 9 | 119 | 5 | 0.218017 | 4.0725 |
| 실시예 10 | 119 | 10 | 0.228059 | 3.88 |
| 실시예 11 | 119 | 15 | 0.255942 | 3.805 |
| 실시예 12 | 119 | 20 | 0.2139 | 3.6825 |
| 실시예 13 | 152 | 5 | 0.231456 | 4.11 |
| 실시예 14 | 152 | 10 | 0.23231 | 3.895 |
| 실시예 15 | 152 | 15 | 0.247056 | 3.745 |
| 실시예 16 | 152 | 20 | 0.228059 | 3.73 |
도 3은 본 발명의 실시예에서 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 탄소섬유 발열선의 직경 변화를 나타내는 그래프이며, 도 4는 본 발명의 실시예에서 고분자 용액의 처리량이 20 ㎖/min 일 때, 탄소섬유사의 꼬임수에 따른 발열선의 표면과 단면적 변화를 나타내는 사진이다.
도 3, 도 4와 표 2를 참조하면, 탄소섬유의 미터당 꼬임수가 119 twists/m 이상 일 때, 단면적이 감소하였고, 이에 따라 밀도가 증가한 것으로 보인다. 다만, 발열선의 직경은 탄소섬유사의 꼬임수나 고분자 용액의 처리량 변화에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 보인다.
도 5는 발명의 실시예에서 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 발열선의 저항 변화를 나타내는 그래프이다. 도 5와 표 2를 참조하면, 탄소섬유사의 미터당 꼬임수가 증가할수록 저항은 감소하는 경향을 보인다. 특히, 탄소섬유사의 꼬임수가 119 twists/m, 152 twists/m 이고, 고분자 용액의 처리량이 20 ㎖/min 일 때, 발열선의 저항값이 가장 낮았다.
실험예
2.
발열선의
발열온도
및 소비전력
실시예와 비교예에서 준비한 발열선의 발열온도와 소비전력을 측정하였다. 그리고, 그 결과를 도 6 내지 도 11과 표 3에 나타내었다.
물성 평가 방법
(1) 발열온도: 인가전압에 따른 온도변화를 비교하기 위하여, 실시예 및 비교예를 통해 제조된 발열선의 양 끝부분에 실버페이스트를 코팅하고, 구리동박을 입혀 전극을 형성하였다. 그 후, 인가전압을 3V, 5V 및 7V 를 인가하고, 그에 대한 발열온도를 측정하였다.
(2) 소비전력(P): 발열선에 전압을 인가하였을 때, 측정되는 전류 값과 측정한 저항 값을 이용하여 P(W)=I2R 공식에 대입하여 계산하였다.
| 꼬임수 (twists/m) | 처리량 (㎖/min) |
3V | 5V | 7V | 소비전력(W) =I*I*R |
||||||
| 전류 (A) |
온도 (℃) |
전류 (A) |
온도 (℃) |
전류 (A) |
온도 (℃) |
3V | 6V | 7V | |||
| 비교예 | 0 | 5 | 0.51 | 30 | 0.77 | 35 | 1 | 40.3 | 1.6 | 3.6 | 6.0 |
| 실시예 1 | 26 | 10 | 0.53 | 34 | 0.82 | 38.2 | 1.1 | 52.5 | 1.6 | 3.7 | 6.7 |
| 실시예 2 | 26 | 15 | 0.54 | 35 | 0.83 | 39.8 | 1.12 | 52.8 | 1.6 | 3.7 | 6.7 |
| 실시예 3 | 26 | 20 | 0.57 | 37.6 | 0.84 | 41 | 1.14 | 57.2 | 1.7 | 3.7 | 6.9 |
| 실시예 4 | 26 | 5 | 0.6 | 38 | 0.86 | 43.4 | 1.21 | 63.1 | 1.9 | 3.8 | 7.5 |
| 실시예 5 | 36 | 10 | 0.65 | 44.4 | 0.87 | 45.6 | 1.2 | 61.7 | 2.1 | 3.8 | 7.3 |
| 실시예 6 | 36 | 15 | 0.68 | 45.3 | 0.92 | 47.9 | 1.33 | 63.9 | 2.2 | 4.0 | 8.4 |
| 실시예 7 | 36 | 20 | 0.69 | 45.6 | 0.99 | 49.3 | 1.38 | 71.1 | 2.2 | 4.5 | 8.8 |
| 실시예 8 | 36 | 5 | 0.7 | 47 | 0.99 | 49.3 | 1.39 | 71.4 | 2.3 | 4.6 | 9.1 |
| 실시예 9 | 52 | 10 | 0.72 | 45.2 | 1.07 | 60.1 | 1.38 | 71 | 2.1 | 4.7 | 7.8 |
| 실시예 10 | 52 | 15 | 0.77 | 45.8 | 1.19 | 61 | 1.52 | 75.1 | 2.3 | 5.5 | 9.0 |
| 실시예 11 | 52 | 20 | 0.81 | 46.1 | 1.24 | 62 | 1.57 | 78.7 | 2.5 | 5.9 | 9.4 |
| 실시예 12 | 52 | 5 | 0.86 | 46 | 1.29 | 62.6 | 1.68 | 81.8 | 2.7 | 6.1 | 10.4 |
| 실시예 13 | 76 | 10 | 0.7 | 41.2 | 1.01 | 58.3 | 1.29 | 70.6 | 2.0 | 4.2 | 6.8 |
| 실시예 14 | 76 | 15 | 0.76 | 42 | 1.06 | 58.6 | 1.45 | 73.1 | 2.2 | 4.4 | 8.2 |
| 실시예 15 | 76 | 20 | 0.78 | 43.6 | 1.19 | 61.6 | 1.55 | 76 | 2.3 | 5.3 | 9.0 |
| 실시예 16 | 76 | 5 | 0.8 | 43.9 | 1.3 | 63 | 1.66 | 79 | 2.4 | 6.3 | 10.3 |
도 6은 본 발명의 실시예에서 제조한 발열선에 3V 의 전압을 인가할 때, 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 발열온도를 나타내는 그래프 및 사진이며, 도 7은 본 발명의 실시예에서 제조한 발열선에 3V 의 전압을 인가하였을 때, 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 소비전력을 나타내는 그래프이다.
도 6, 7과 표 3을 참조하면, 탄소섬유의 미터당 꼬임수가 증가하고 고분자 용액의 처리량이 증가할수록 형균 발열온도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 발열 온도와 소비전력은 탄소섬유의 꼬임수가 152 twists/m 가 아닌 119 twists/m 일 때 가장 우수했다. 이는, 꼬임횟수가 증가함에 따라 탄소섬유발열선의 각 탄소섬유에 장력이 증가하는데, 탄소섬유의 꼬임회수가 152 twists/m 에서는 높은 장력에 의해 일부의 탄소섬유가 표면으로부터 이탈하여 발열선의 저항이 증가 되었고, 이에 따라 소비전력의 감소된 것으로 판단된다. (도 4의 #4 사진 참고)
도 8은 본 발명의 실시예에서 제조한 발열선에 5V 의 전압을 인가할 때, 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 발열온도를 나타내는 그래프 및 사진이며, 도 9는 본 발명의 실시예에서 제조한 발열선에 5V 의 전압을 인가할 때, 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 소비전력을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에서 제조한 발열선에 7V 의 전압을 인가할 때, 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 발열온도를 나타내는 그래프 및 사진이며, 도 11은 본 발명의 실시예에서 제조한 발열선에 7V 의 전압을 인가할 때, 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 소비전력을 나타내는 그래프이다.
도 8 내지 도10을 참조하면, 발열선에 인가하는 전압이 높아질수록 발열선의 평균 발열온도 또한 증가하였다. 아울러, 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자용액의 처리량이 증가할수록 평균 발열 온도 또한 증가하였다.
또한, 저항값이 낮은 발열선인 경우 평균 발열온도가 높은 경향을 보인다.
실험예
3.
발열선의
용단전류 측정
실시예와 비교예에서 준비한 발열선의 용단전류를 측정하였다. 구체적으로, 실시예와 비교예에서 제조한 발열선을 20초 간격으로 1V씩 인가 50V까지 전압을 인가하였여 최대 전류값을 도출하였다.
그리고, 그 결과를 도 12와 표 4에 나타내었다.
도 12는 본 발명의 실시예에서 탄소섬유사의 꼬임수와 고분자 용액의 처리량에 따른 탄소섬유 발열선의 용단전류(fusing current)를 나타내는 그래프이다.
| 꼬임수 (twists/m) |
처리량 (㎖/min) |
용단전류(A) | ||||
| 1차 | 2차 | 3차 | 평균 | |||
| 비교예 | 0 | 0 | 3.86 | 3.7 | 3.82, 3.67 | 3.7625 |
| 실시예 1 | 53 | 5 | 4.79 | 4.09 | 3.7 | 4.19 |
| 실시예 2 | 53 | 10 | 4.64 | 4.29 | 3.78 | 4.24 |
| 실시예 3 | 53 | 15 | 4.33 | 3.9 | 4.74 | 4.32 |
| 실시예 4 | 53 | 20 | 4.29 | 4.81 | 4.41 | 4.50 |
| 실시예 5 | 86 | 5 | 4.32 | 4.8 | 4.45 | 4.52 |
| 실시예 6 | 86 | 10 | 4.89 | 4.06 | 4.73 | 4.56 |
| 실시예 7 | 86 | 15 | 4.65 | 4.75 | 4.67 | 4.69 |
| 실시예 8 | 86 | 20 | 4.62 | 4.88 | 4.7 | 4.73 |
| 실시예 9 | 119 | 5 | 4.89 | 4.7 | 5.34 | 4.98 |
| 실시예 10 | 119 | 10 | 5.72 | 4.77 | 4.8 | 5.10 |
| 실시예 11 | 119 | 15 | 5.8 | 4.85 | 5.64 | 5.43 |
| 실시예 12 | 119 | 20 | 5.64 | 5.17 | 5.81 | 5.54 |
| 실시예 13 | 152 | 5 | 4.73 | 4.76 | 4.57 | 4.69 |
| 실시예 14 | 152 | 10 | 4.79 | 4.81 | 4.78 | 4.79 |
| 실시예 15 | 152 | 15 | 4.85 | 4.7 | 4.87 | 4.81 |
| 실시예 16 | 152 | 20 | 4.77 | 4.82 | 5.66 | 5.08 |
도 12와 표 4를 참조하면, 탄소섬유사의 미터당 꼬임수가 증가할수록 용단 전류가 증가한 것을 확인할 수 있었다.
Claims (12)
- 고분자 수지가 함침되어 있는 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유(MCF)를 미터당 꼬임수가 평균 50 내지 160 twists/m 되도록 연선(stranding)시키는 단계;
연선된 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유에 용매를 도포하여 상기 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유에 함침되어 있는 고분자 수지를 용해하는 단계; 및
고분자 수지가 용해된 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유에 열처리하여 상기 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유(MCF)를 재결합하는 단계; 를 포함하는 탄소섬유 발열선의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유(MCF)를 연선(stranding)시키는 단계는, 고분자 수지가 함침되어 있는 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유(MCF)를 미터당 꼬임수가 평균 80 내지 160 twists/m 되도록 연선시키는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 발열선의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
고분자 수지가 함침되어 있는 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유(MCF)는, 평균 100 내지 200 ㎛ 두께 이며, 평균 1 내지 40 mm 폭을 갖는 테이프 형태인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 발열선의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
고분자 수지가 함침되어 있는 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유(MCF)는, 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유를 스프레딩 장치를 이용하여 섬유의 폭을 넓혀 일정한 두께로 스프레딩(spreading)을 실시하는 단계; 및
스프레딩을 실시한 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유에 고분자수지를 함침(impregnation)시키는 단계; 에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 탄소섬유 발열선의 제조방법.
- 제4항에 있어서,
고분자수지를 함침시킨 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유는, 슬리팅하여 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유 폭을 줄이는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 발열선의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
고분자 수지는, 수용성 우레탄, 수용성 실리콘, 수용성 폴리아마이드, 비수용성 폴리아마이드, 비수용성 에폭시, 비수용성 우레탄, 비수용성 실리콘 및 열가소성 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 탄소섬유 발열선의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
금속 도금 탄소섬유의 금속은, 팔라듐(Pd), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 알루미늄(Al), 코발트(Co) 및 마그네슘(Mg)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 탄소섬유 발열선의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
용매는, 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone), 아세톤(acetone), 에탄올(ethanol), 디메틸포름아미드(dimethylformamide), 부틸 아세테이트(butyl acetate), 벤젠(benzene), 사이클로헥산(cyclohexane), 에틸 아세테이트(ethyl acetate) 및 헥산(hexane)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 탄소섬유 발열선의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
고분자 수지가 용해된 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유는 평균 150 내지 250 ℃ 온도범위에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 발열선의 제조방법.
- 미터당 꼬임수가 평균 50 내지 160 twists/m 범위로 연선된(stranding) 탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유(MCF); 및
탄소섬유 또는 금속 도금 탄소섬유 표면에 포함되는 고분자 수지; 를 포함하는 탄소섬유 발열선.
- 제10항에 있어서,
고분자 수지는, 수용성 우레탄, 수용성 실리콘, 수용성 폴리아마이드, 비수용성 폴리아마이드, 비수용성 에폭시, 비수용성 우레탄, 비수용성 실리콘 및 열가소성 폴리우레탄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 발열선.
- 제9항에 있어서,
전체 탄소섬유 발열선에 포함되는 고분자 수지의 함량은, 평균 10 내지 60 wt% 범위인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 발열선.
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|---|---|---|---|---|
| CN115132501A (zh) * | 2022-07-08 | 2022-09-30 | 郑州仿弦新材料科技有限公司 | 超薄碳纤维电极及其制备方法、应用 |
| KR102476834B1 (ko) * | 2021-10-28 | 2022-12-12 | 주식회사 비에스엠신소재 | 히팅케이블용 금속코팅 탄소섬유와 이의 제조 방법, 및 이를 이용하여 제조된 히팅케이블 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20030066792A (ko) * | 2001-01-12 | 2003-08-09 | 소보뜨리 쏘시에떼 불따잉 드 뜨랑스뽀람스 앙더스뜨히엘 | 타이어용 탄소섬유계 강화성분의 제조방법 |
| KR20160010700A (ko) | 2014-07-17 | 2016-01-28 | (주)크린앤사이언스 | 무전해 및 전해 도금의 연속 공정을 이용한 부직포의 도금방법 |
| KR20180072924A (ko) * | 2016-12-21 | 2018-07-02 | 희성전자 주식회사 | 발열층이 형성된 유리 |
| KR20190024713A (ko) * | 2017-08-29 | 2019-03-08 | 엘에스전선 주식회사 | 열선 케이블 및 이를 포함하는 발열시트 |
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20030066792A (ko) * | 2001-01-12 | 2003-08-09 | 소보뜨리 쏘시에떼 불따잉 드 뜨랑스뽀람스 앙더스뜨히엘 | 타이어용 탄소섬유계 강화성분의 제조방법 |
| KR20160010700A (ko) | 2014-07-17 | 2016-01-28 | (주)크린앤사이언스 | 무전해 및 전해 도금의 연속 공정을 이용한 부직포의 도금방법 |
| KR20180072924A (ko) * | 2016-12-21 | 2018-07-02 | 희성전자 주식회사 | 발열층이 형성된 유리 |
| KR20190024713A (ko) * | 2017-08-29 | 2019-03-08 | 엘에스전선 주식회사 | 열선 케이블 및 이를 포함하는 발열시트 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102476834B1 (ko) * | 2021-10-28 | 2022-12-12 | 주식회사 비에스엠신소재 | 히팅케이블용 금속코팅 탄소섬유와 이의 제조 방법, 및 이를 이용하여 제조된 히팅케이블 |
| CN115132501A (zh) * | 2022-07-08 | 2022-09-30 | 郑州仿弦新材料科技有限公司 | 超薄碳纤维电极及其制备方法、应用 |
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