KR20210061185A - 탄소나노소재를 포함한 방열도료 및 이를 이용한 가구용 발열체 - Google Patents

탄소나노소재를 포함한 방열도료 및 이를 이용한 가구용 발열체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소나노소재를 포함한 방열도료 및 이를 이용한 가구용 발열체에 관한 것으로, 방열도료를 도포하여 생성된 코팅층을 구비하는 가구용 발열체는 외부 전원과 연결된 전선이 통과하도록 가공된 전선홀을 구비한 베이스부재, 베이스부재의 일면에 부착된 전극, 베이스부재의 일면 및 전극에 일정 두께로 도포된 방열도료 코팅층과, 전극 및 방열도료 코팅층이 개재되도록 베이스부재의 일면에 부착되는 발열부재를 포함하여 이루어짐으로써, 실내 온도가 낮거나 외부에서 가구를 사용하는 경우 빠른 시간 내에 인체와 접하는 가구의 일부위 온도를 높여 사용자에게 편의성을 제공하면서 차가움과 같은 반감을 낮출 수 있으며, 실내 온도의 상승에 도움되도록 한 것이다.

Description

탄소나노소재를 포함한 방열도료 및 이를 이용한 가구용 발열체{heat radiant paint having carbon nano material and, heating element for funiture using thereof}
본 발명은 방열도료 및 발열체에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 탄소나노튜브(carbon nanotube), 그래핀(graphene), 풀러렌(fullerene) 등과 같은 탄소나노소재를 포함한 방열도료를 제조하고, 이를 가구의 표면에 도포함으로써, 가구의 표면이 사용하기에 적절한 온도로 상승되어 이용자의 편의성이 향상되도록 한 탄소나노소재를 포함한 방열도료 및 이를 이용한 가구용 발열체에 관한 것이다.
일반적으로 가구는 침대, 의자, 책상, 소파 및 장농 등을 포함하여 가정 생활에 편리함을 주는 도구이다. 이러한 가구 중에서는 이용자가 앉거나 눕는 등의 접촉을 통해 이용할 수 있다. 이들 가구는 대체적으로 활동하기 적정한 온도의 실내에 배치되므로 가구를 이용하는데 별 어려움이 없다.
하지만, 실내 온도가 낮거나 야외에서 이러한 가구들을 이용할 때, 가구의 표면 온도가 낮게 형성되고, 이 차가운 표면에 이용자의 신체가 접촉되어야 하므로, 차갑다는 느낌과 함께 거부감이 생길 수 있는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-1270932호(2013.06.11. 공고) 대한민국 공개특허 제10-2011-0058269호(2011.06.01. 공개) 대한민국 공개특허 제10-2015-0145741호(2015.12.31. 공개) 대한민국 등록특허 제10-0703029호(2007.04.05. 공고) 대한민국 등록특허 제10-0962863호(2010.06.09 공고) 대한민국 공개특허 제10-2015-0145741호(2015.12.31 공개)
상기된 문제점을 해소하기 위해 안출된 본 발명의 목적은 면상의 탄소나노재료의 층들 사이에 선형의 탄소나노재료를 삽입하여 제조된 구조연계형 탄소나노소재를 포함하는 발열용 탄소나노도료를 제작하고, 이 도료를 가구의 표면에 도포한 후 전기를 인가하여 발열되도록 함으로써, 가구의 낮은 표면 온도를 신속하게 상승시켜 사용의 편의성이 향상되도록 한 탄소나노소재를 포함한 방열도료 및 이를 이용한 가구용 발열체를 제공함에 있다.
상술된 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 탄소나노소재를 포함한 방열도료는 면상의 탄소나노재료 층들 사이에 선형의 탄소나노재료를 삽입하여 구조연계형 탄소나노소재를 제조하는 제10단계(S10); 탄소나노소재에 용매를 첨가하여 혼합하는 제20단계(S20); 탄소나노소재와 용매의 혼합물에 용매를 첨가하여 1차 분산하는 제30단계(S30); 1차 분산된 혼합물을 2차 분산하여 방열도료를 제조하는 제40단계(S20);를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 제10단계(S10)에서 면상의 탄소나노재료는 그래핀 또는 흑연이고, 선형의 탄소나노재료는 탄소나노튜브, 탄소나노섬유 또는 탄소섬유일 수 있다.
또한, 제20단계(S20)에서 탄소나노소재는 용매 대비 0.1 ~ 30중량%로 첨가하고, 제30단계(S30)에서 분산제를 탄소나노소재 대비 0.1 ~ 300중량%로 첨가할 수 있다.
그리고 제30단계(S30)에서 1차 분산은 장치에 의한 기계적 분산이고, 제40단계(S40)에서 2차 분산은 초음파에 의한 분산일 수 있다.
한편, 상술된 방열도료를 도포하여 생성된 코팅층을 구비하는 가구용 발열체에서, 외부 전원과 연결된 전선이 통과하도록 가공된 전선홀을 구비한 베이스부재, 베이스부재의 일면에 부착된 전극, 베이스부재의 일면 및 전극에 일정 두께로 도포된 방열도료 코팅층과, 전극 및 방열도료 코팅층이 개재되도록 베이스부재의 일면에 부착되는 발열부재를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 가구는 테이블, 의자 및 책상을 포함하여 앉아서 이용할 수 있는 물품 중 어느 하나인 경우, 베이스부재는 상면에 전극이 접착제층을 매개로 부착되는 상판이고, 발열부재는 전극 및 전극에 도포된 방열도료 코팅층이 개재되도록 상판 위에 고정되어 발열되는 덮개일 수 있다.
그리고 가구는 소파 및 침대를 포함하여 누워서 이용할 수 있는 물품 중 어느 하나인 경우, 베이스부재는 일면에 전극이 접착제층을 매개로 부착되는 내피이고, 발열부재는 전극 및 전극에 도포된 방열도료 코팅층이 개재되도록 내피의 일면에 고정되어 발열되는 외피일 수 있다.
전술된 바와 같이 본 발명에 따르면, 구조연계형 탄소나노소재를 제조하여 방열도료를 제조함으로써, 그래핀 또는 탄소나노튜브를 단독으로 하여 방열도료르르 제조한 경우보다 전기 저항이 낮고, 승온 속도가 빠르며, 소비 전력이 감소될 수 있는 효과가 있다.
또한, 이 방열도료를 포함하는 방열체를 가구에 접목하여 사용함으로써, 실내 온도가 낮거나 외부에서 가구를 사용하는 경우 빠른 시간 내에 인체와 접하는 가구의 일부위 온도를 높여 사용자에게 편의성을 제공하면서 차가움과 같은 반감을 낮출 수 있으며, 실내 온도의 상승에 도움을 줄 수 있는 효과가 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 안 된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 구조연계형 탄소나노소재를 포함한 방열도료를 제조하는 방법이 도시된 순서도이다.
도 2는 도 1의 방열도료에 사용되는 구조연계형 탄소나노소재의 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명에 따른 방열도료를 이용한 가구용 발열체가 적용된 가구의 일례가 개략적으로 도시된 사시도이다.
도 4는 도 3의 A-A선 단면 분리도이다.
도 5는 본 발명에 따른 방열도료를 이용한 가구용 발열체가 적용된 가구의 다른 예가 개략적으로 도시된 사시도이다.
도 6은 도 5의 B-B선 단면 분리도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있도록 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
<방법>
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 구조연계형 탄소나노소재를 포함한 방열도료는 도 1을 참조하여 자세히 설명한다.
먼저, 구조연계형 탄소나노소재를 제조한다(S10). 여기서, 구조연계형 탄소나노소재(이하, '탄소나노소재'라 함)는 면상의 탄소나노재료의 층들 사이에 선형의 탄소나노재료를 삽입하는 일반적인 방식으로 제조될 수 있다. 이와 같이 제조된 탄소나노소재는 일례로 그래핀과 탄소나노튜부의 구조를 연계시켜 x, y, z 방향(수평과 수직 방향)의 전도성이 개선되어 발열 효유을 극대화할 수 있다. 이때, 면상의 탄소나노재료는 그래핀 및 흑연이 포함될 수 있고, 선형의 탄소나노재료는 탄소나노튜브, 탄소나노섬유 및 탄소섬유가 포함될 수 있다. 이 탄소나노소재의 SEM 사진을 도 2에서 볼 수 있다.
다음으로, 탄소나노소재를 용매에 첨가하여 혼합한다(S20). 여기서, 탄소나노소재는 용매 대비 0.1 ~ 30중량%이 첨가될 수 있다. 이때, 탄소나노소재는 0.1중량% 미만인 경우 목표로 하는 발열 성능을 기대하기 어렵고, 30중량%를 초과하는 경우 도료액의 점도가 과다하게 높아져 도포층의 형성이 어려울 수 있다.
또한, 용매는 증류수, 알코올, DMF, MEK 및 Polyol 중 적어도 하나 이상일 수 있다.
다음으로, 분산제를 첨가하여 1차 분산한다(S30). 여기서, 분산제는 Triton-X, CMC, PVB, PAB 및 EAB 중 적어도 하나일 수 있다. 이 분산제는 탄소나노소재에 대해 0.1 ~ 300중량%일 수 있다. 0.1중량% 미만인 경우 시간 경과에 따라 탄소나노소재의 재응집 현상이 발생하고, 300중량%를 초과하게 되면 탄소나노소재의 표면에 부착된 분산제의 함량이 과도하게 많아져 전도성이 낮아질 수 있다.
이렇게 용매, 탄소나노소재 및 분산제가 첨가되면, 롤 밀링(Roll Milling), 볼 밀링(Ball Milling), 제트 밀링(Zet Milling), 스크루 혼합(Screw Mixing) 및 어트리션 밀링(Attrition Milling) 중 적어도 하나의 장치를 이용하여 1차 분산할 수 있다.
끝으로, 2차 분산시켜 도료를 제조한다(S40). 이때, 1차로 분산된 상태에서 초음파(Ultrasonic)를 이용하여 2차 분산시킬 수 있다. 여기서, 1차 분산공정(S30) 및 2차 분산공정(S40)은 어느 하나의 공정만 수행될 수 있다.
이로써, 탄소나노소재를 포함한 방열도료를 완성한다. 이 방열도료는 분산제, 용매 및 탄소나노소재의 용량 조절을 통해 붓을 이용하여 벽에 칠할 수 있는 점도이거나 스프레이로 분사할 수 있는 점도로 제조될 수 있다. 코팅방법은 닐례로, 스프레이 코팅법(Spray Coating), 닥터 블레이드법(Dr. Blade), 스크린 인쇄법(Screen Printing) 및 침적법(Dipping) 중 적어도 하나의 방법으로 수행될 수 있다. 이러한 방법으로 수행되어 형성된 코팅층은 열경화, 자연경화 또는 자외선 경화 등으로 경화될 수 있다.
<실시 예>
이하에서는 방열됴료에 구조연계형 탄소나노소재를 포함하거나, 그래핀 또는 탄소나노튜브가 단독으로 포함된 경우에 따른 발열특성을 비교하였다. 이때, 탄소나노소재, 그래핀 및 탄소나노튜브의 농도는 3중량%, 분산제는 1중량%로 하였다. 또한, 분산제는 CMC를 사용하고, 1차 분산은 장치에 의한 기계적 분산을 하고, 2차 분산은 초음파 공정에서 5시간 분산시켰다. 또한, 방열도료 코팅층은 50~ 60℃로 예열된 건축용 타일(300×30mm)에 방열도료를 도포하여 생성하였다. 그리고 전극은 구리 전극을 사용하였다.
아래 [표 1]은 위의 조건으로 실험한 결과이다.
탄소재료 탄소나노튜브 그래핀 구조연계형 탄소나노소재
전기저항(Ohm/Sq.) 1.4×103 1.2×103 0.64×103
40℃까지 승온 속도(초) 52 55 43
소비전력(WH) 21 22 17
위에서 보듯이 탄소나노소재를 포함한 방열도료를 도포한 경우 이외의 경우보다 전기 저항이 낮고, 승온 속도가 빠르며, 소비 전력이 감소된 것으로 나타나고 있다. 이처럼 본 발명에 따라 탄소나노소재를 적용한 방열도료의 경우 발열 특성이 개선됨을 확인할 수 있었다.
<구성>
상술된 본 발명에 따른 탄소나노소재를 포함한 방열도료를 이용한 가구용 발열체는 베이스부재, 전극, 방열도료 코팅층과 발열부재를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 베이스부재의 상면에 외부 전원과 연결된 전극이 부착되고, 베이스부재의 상면 및 전극 위에 방열도료 코팅층이 도포되며, 이 방열도료 코팅층 위에 발열부재가 놓여 고정될 수 있다.
설명의 편의상 책상을 예로 하여 설명하면, 베이스부재는 물건이 놓이는 상판을 지칭할 수 있고, 발열부재는 상판 위에 부착되는 부재일 수 있다. 이때, 발열부재는 상판 제작시 분리 제작되어 전극 및 방열도료 코팅층 성형 후 합체하도록 제작될 수 있다. 또는, 베이스부재는 현재 사용 중인 책상에 발열체를 추가 설치할 수 있도록 사용 중인 상판 위에 전극 및 방열도료 코팅층 성형 후 부착하도록 추가 제작될 수 있다. 이러한, 발열부재는 베이스부재와 동일한 재료이거나, 전혀 다른 재료이거나 유사한 형상, 색, 질감 등 베이스부재의 느낌을 갖는 다양한 재료 중 어느 하나일 수 있다.
이렇게 구성된 발열체에 대해 도 3 내지 도 6을 참조하여 다양한 실시 예를 보면서 자세히 설명하기로 한다.
먼저, 도 3 및 도 4의 일실시 예를 보면, 발열체는 테이블 중 대리석인 상판에 설치된 구조가 도시되어 있다. 테이블 이외에 책상 또는 의자를 포함하여 앉아서 이용할 수 있는 가구 중 어느 하나일 수 있다. 여기서, 발열체는 베이스부재인 상판(100), 전극(200), 방열도료 코팅층(300) 및 발열부재인 덮개(400)를 포함하여 이루어질 수 있다.
먼저, 상판(100)은 발열체의 베이스부재로서, 일반적으로 목재, 대리석 등을 포함한 다양한 재료로 제작될 수 있다. 또한, 상판(100)은 평면상 원형, 사각형을 포함하여 다양한 형상으로 제작될 수 있다. 이 상판(100)에는 전극(200)과 연결되는 전선(120)이 통과하도록 전선홀(110)이 가공될 수 있다.
또한, 전극(200)은 외부 전원과 연결된 주전극(210)과, 주전극(210)으로부터 연결되어 연장된 보조전극(220)을 구비할 수 있다. 이때, 주전극(210)은 상판(100)의 테두리를 따라 1개 이상 설치될 수 있다. 주전극(210)은 상판(100)에 가공된 전선홀(110)을 통과한 전선(120)과 연결되어 외부 전원이 인가되도록 설치될 수 있다. 또한, 보조전극(220)은 1개의 주전극(210)으로부터 1개 이상 연결되어 뻗어 나오도록 배치될 수 있다. 그리고 어느 하나의 주전극(210)과 연결된 어느 하나의 보조전극(220)은 다른 주전극(210)과 연결되지 않도록 배치되거나 연결되어 배치될 수 있다. 이 전극(200)은 상판(100)의 표면 또는 전극(200)의 표면에 생성된 접착제층(230)을 매개로 부착될 수 있다.
또한, 방열도료 코팅층(300)은 상술된 방열도료가 상판(100) 및 전극(200)의 상면에 고루 도포되어 생성될 수 있다. 이 방열도료 코팅층(300)은 고른 온도 상승 및 발열을 위해 일정한 두께로 도포되는 것이 바람직하다.
그리고 덮개(400)는 발열체의 발열부재로서, 상판(100) 위에 부착되어 발열되는 부재이다. 이 덮개(400)는 상판(100)과 동일한 재질일 수 있고, 발열에 유리한 재질일 수 있다. 또한, 덮개(400)는 발열에 유리하도록 상판(100)보다 얇은 두께이고, 수 cm 내지 수 mm의 두께로 제작될 수 있다.
따라서, 외부 전원과 연결된 전선(120)으로부터 전원이 인가되면 주전극(210)과 보조전극(220)에 전류가 흐르고, 이 전류에 접속된 방열도료 코팅층(300)에서 발열되며, 열이 전도된 덮개(400)가 따뜻한 온도로 상승될 수 있다.
한편, 도 5 및 도 6의 다른 실시 예를 보면, 발열체는 소파에 설치된 구조가 도시되어 있다. 소파 이외에 침대를 포함하여 누워서 이용할 수 있는 가구 중 어느 하나일 수 있다. 여기서, 발열체는 베이스부재인 내피(500), 전극(200), 방열도료 코팅층(300) 및 발열부재인 외피(600)를 포함하여 이루어질 수 있다. 이하에서, 전극(200) 및 방열도료 코팅층(300)은 자세한 설명이 상술되어 있으므로 간략히 언급하기로 한다.
내피(500)는 발열체의 베이스부재로서, 스폰지, 오리털 또는 닭털 등과 같은 내장재를 씌우도록 설치된 부재이다. 이 내피(500)는 외피(600)와 동일 재질일 수 있고, 다른 재질일 수 있다. 그리고 내피(500)에는 외부 전원과 연결된 전선(120)이 관통하도록 전선홀(110)이 가공될 수 있다.
전극(200)은 주전극(210)과 보조전극(220)을 구비하고, 내피(500)의 일면에 부착될 수 있다. 이 전극(200)은 내피(500)의 일면에 접착제로 부착될 수 있다. 그리고 전극(200)에 방열도료 코팅층(300)이 도포된 다음, 외피(600)에 접착제층(230)을 매개로 부착되는 경우, 접착제가 방열도료 코팅층(300)에 스며들어 전기 저항력이 약화되어 발열 효과가 낮아질 수 있다. 따라서, 전극(200)은 접착제 및 방열도료 코팅층(300)의 접촉이 회피되도록 내피(500)에 부착되는 것이 바람직하다.
방열도료 코팅층(300)은 내피(500)의 일면 및 전극(200)의 상면에 고루 도포되어 생성되거나, 외피(600)의 내피(500)측 일면에 고루 도포되고, 전극(200)과 접촉하도록 생성될 수 있다.
외피(600)는 발열체의 발열부재로서, 사용자의 인체와 접촉되며 내피(500)에 접착되어 발열되는 부재이다. 이 외피(600)는 보통 가죽 재질일 수 있다. 여기서, 외피(600)의 내피(500)측 일면에 방열도료 코팅층(300)이 도포되고, 내피(500)와 외피(600)가 부착되면서 방열도료 코팅층(300)이 전극(200)과 접촉하도록 배치될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시 예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허등록청구범위에 의하여 나타나며, 특허등록청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100:상판
110:전선홀 120:전선
200:전극
210:주전극 220:보조전극
230:접착제층
300:방열도료 코팅층
400:덮개
500:내피.
600:외피.

Claims (5)

  1. 면상의 탄소나노재료 층들 사이에 선형의 탄소나노재료를 삽입하여 구조연계형 탄소나노소재를 제조하는 제10단계(S10);
    상기 탄소나노소재에 용매를 첨가하여 혼합하는 제20단계(S20);
    상기 탄소나노소재와 용매의 혼합물에 분산제를 첨가하여 1차 분산하는 제30단계(S30);
    상기 1차 분산된 혼합물을 2차 분산하여 방열도료를 제조하는 제40단계(S20);를 포함하고,
    상기 제10단계(S10)에서 면상의 탄소나노재료는 그래핀 또는 흑연이고, 선형의 탄소나노재료는 탄소나노튜브, 탄소나노섬유 또는 탄소섬유이며,
    상기 제20단계(S20)에서 탄소나노소재는 용매 대비 0.1 ~ 30중량%로 첨가하고,
    상기 제30단계(S30)에서 분산제는 탄소나노소재 대비 0.1 ~ 300중량%로 첨가하여 이루어진 탄소나노소재를 포함한 방열도료.
  2. 제1항에서,
    상기 제30단계(S30)에서 1차 분산은 장치에 의한 기계적 분산이고,
    상기 제40단계(S40)에서 2차 분산은 초음파에 의한 분산으로 하는 탄소나노소재를 포함한 방열도료.
  3. 제1항 또는 제2항의 방열도료를 도포하여 생성된 코팅층을 구비하는 가구용 발열체에서,
    외부 전원과 연결된 전선(120)이 통과하도록 가공된 전선홀(110)을 구비한 베이스부재, 베이스부재의 일면에 부착된 전극(200), 베이스부재의 일면 및 전극(200)에 일정 두께로 도포된 방열도료 코팅층(300)과, 전극(200) 및 방열도료 코팅층(300)이 개재되도록 베이스부재의 일면에 부착되는 발열부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노소재를 포함한 방열도료를 이용한 가구용 발열체.
  4. 제3항에서,
    상기 가구는 테이블, 의자 및 책상을 포함하여 앉아서 이용할 수 있는 물품 중 어느 하나이고,
    상기 베이스부재는 상면에 전극(200)이 접착제층(230)을 매개로 부착되는 상판(100)이며,
    상기 발열부재는 전극(200) 및 전극(200)에 도포된 방열도료 코팅층(300)이 개재되도록 상판(100) 위에 고정되어 발열되는 덮개(400)인 것을 특징으로 하는 탄소나노소재를 포함한 방열도료를 이용한 가구용 발열체.
  5. 제3항에서,
    상기 가구는 소파 및 침대를 포함하여 누워서 이용할 수 있는 물품 중 어느 하나이고,
    상기 베이스부재는 일면에 전극(200)이 접착제층(230)을 매개로 부착되는 내피(500)이며,
    상기 발열부재는 전극(200) 및 전극(200)에 도포된 방열도료 코팅층(300)이 개재되도록 내피(500)의 일면에 고정되어 발열되는 외피(600)인 것을 특징으로 하는 탄소나노소재를 포함한 방열도료를 이용한 가구용 발열체.
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