KR20210062811A

KR20210062811A - 고전도성 탄소섬유 종이의 제조방법, 이에 따라 제조된 탄소섬유 종이 및 탄소섬유 종이를 포함하는 탄소섬유 면상발열체

Info

Publication number: KR20210062811A
Application number: KR1020190150911A
Authority: KR
Inventors: 서민강; 황지영; 최보경; 이혜종
Original assignee: 재단법인 한국탄소산업진흥원
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2019-11-22
Publication date: 2021-06-01
Also published as: KR102361220B1

Abstract

본 발명은 분산제 함량이 조절된 분산용액을 이용하여 공정이 단순화된 탄소섬유 종이의 제조방법, 이에 따라 제조된 탄소섬유 종이 및 탄소섬유 종이를 포함하는 탄소섬유 면상발열체에 관한 것으로, 특히, 상기 탄소섬유 종이의 제조방법은 탄소섬유가 분산된 분산용액과 바인더가 분산된 분산용액을 서로 혼합시키는 방법으로 공정을 단순화시켜 탄소종이 섬유를 용이하게 제조할 수 있다.

Description

고전도성 탄소섬유 종이의 제조방법, 이에 따라 제조된 탄소섬유 종이 및 탄소섬유 종이를 포함하는 탄소섬유 면상발열체{Method for manufacturing a highly conductive carbon fiber paper, carbon fiber paper manufactured using the same, and carbon fiber plane heating element including the carbon fiber paper}

본 발명은 고전도성 탄소섬유 종이의 제조방법, 이에 따라 제조된 탄소섬유 종이 및 탄소섬유 종이를 포함하는 탄소섬유 면상발열체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분산제 함량이 조절된 분산용액을 이용하여 공정이 단순화된 탄소섬유 종이의 제조방법, 이에 따라 제조된 탄소섬유 종이 및 탄소섬유 종이를 포함하는 탄소섬유 면상발열체에 관한 것이다.

최근 탄소(carbon)가 가지는 자체 저항을 이용한 면상발열체의 개발이 활발하게 진행 중에 있다. 일반적인 면상 발열체는 통전 시 발생하는 방사열을 이용하는 것으로, 발열 공간내 공기가 오염되지 않아 위생적이며, 온도조절이 용이하고, 소음이 없고, 인체에 유익한 원적외선이 방출되는 장점 등이 있어, 아파트나 펜션 등의 주거용 난방 소재로부터, 상업용, 농업용 및 각종 산업용 난방 소재에 이르기 까지 광범위하게 사용되고 있다. 이러한 면상발열체의 열원으로는 알루미늄 등의 금속 발열체, 탄소재료를 이용한 비금속 발열체로 분류할 수 있다.

종래의 면상발열체의 경우, 카본분말을 반죽(paste) 형태로 절연필름 상에 도포하는 것과 같이, 카본 등의 일정저항을 갖고 있는 도전성 물질을 소정 패턴으로 절연체에 도포하고, 이에 전류를 인가하여 발열하는 면상발열체가 있으나, 이러한 면상발열체는 발열온도가 균일하지 않고, 고온에서 사용하기 어려운 문제점이 있었다. 또한, 카본선이나 니크롬선 등의 저항선을 섬유와 함께 직조한 직물 형태의 면상발열체가 있으나, 발열선 단락 시 전체가 발열되지 않는 단점이 있다. 그리고, 탄소재료 중 PVA(폴리비닐알콜)와 탄소 파우더를 이용하는 면상 발열체의 경우, PVA 등의 코팅 두께 균일성이 문제되어, 전력 밀도 차에 따른 발열 효율 및 제품의 불량의 요인이 되기도 한다.

이에, 새로운 탄소섬유 부직포를 이용하는 면상발열체의 연구 개발이 많이 이루어지고 있다. 이러한 탄소섬유 부직포로 저융점 섬유와 탄소섬유 복합 부직포(대한민국 공개특허 제2008-0030411호), 펄프와 탄소섬유 복합 부직포(대한민국 공개특허 제2002-0005166호), 전도성 폴리머 코팅 탄소섬유 부직포(US 제2007/0028767호) 등을 들 수 있다. 그러나, 기존 고분자나 부도체 섬유와 펄프를 결합제로 이용한 탄소섬유 부직포는 상기 전도성 폴리머 코팅 탄소섬유 부직포에 비해 전도성 및 발열 성능이 떨어지고, 상기 전도성 폴리머 코팅 탄소섬유 부직포는 면저항이 작아 발열 성능 등이 우수하나 제조 비용이 높은 문제가 있다.

대한민국 공개특허 제10-2002-0005166호 대한민국 공개특허 제2002-0005166호 미국 공개특허 제2007/0028767호

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 분산제 함량이 조절된 분산용액을 이용하여 공정이 단순화된 고전도성 탄소섬유 종이의 제조방법, 이에 따라 제조된 탄소섬유 종이 및 탄소섬유 종이를 포함하는 탄소섬유 면상발열체를 제공하고자 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여,

본 발명의 일 실시예서,

분산용액을 제조하는 단계;

분산제가 함유된 분산용액에 탄소섬유 및 바인더를 분산시켜 혼합하는 단계;

탄소섬유 및 바인더가 분산된 분산용액을 진공 여과시켜 탄소섬유를 필터링하여 탄소섬유 웹을 형성하는 단계; 및

탄소섬유 웹를 건조시는 단계; 를 포함하며,

상기 분산제의 함량은 분산용액에 전체 중량에 대하여 평균 0.2 내지 1 중량% 인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 종이의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서,

상기 탄소섬유 종이의 제조방법에 의해 제조되며,

평균 발열온도가 70 ℃ 이상이며, 열전도도가 1 W/mk 이상인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 종이를 제공한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서,

상기 탄소섬유 종이;

탄소섬유 종이의 평행한 두변에 위치하는 한 쌍의 금속 전극; 및

탄소섬유의 적어도 일면에 부착되는 절연 시트;를 포함하는 탄소섬유 면상 발열체를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 종이의 제조방법에 따르면, 탄소섬유가 분산된 분산용액과 바인더가 분산된 분산용액을 서로 혼합시키는 방법으로 공정을 단순화시켜 탄소종이 섬유를 용이하게 제조할 수 있다.

나아가, 이에 따라 제조된 고전도성 탄소섬유 종이는 면상발열체에 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 종이의 제조방법의 순서도 이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 종이를 포함하는 탄소섬유 면상발열체의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에서 각각 제조한 분산용액을 나타낸 사진이다.
도 4는 실시예 1-5와 비교예에서 제조한 탄소섬유 종이의 인장강도를 보여주는 그래프이다.
도 5는 실시예 1-5와 비교예에서 제조한 탄소섬유 종이를 포함하는 면상발열체의 면저항을 보여주는 그래프이다.
도 6은 실시예 1-5와 비교예에서 제조한 탄소섬유 종이를 포함하는 면상발열체의 열전도도를 보여주는 그래프이다.
도 7은 실시예 1-5와 비교예에서 제조한 탄소섬유 종이를 포함하는 면상발열체의 표면발열온도를 보여주는 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 종이의 제조방법, 이에 따라 제조된 탄소섬유 종이 및 탄소섬유 종이를 포함하는 탄소섬유 면상발열체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분산제 함량이 조절된 분산용액을 이용하여 공정이 단순화된 탄소섬유 종이의 제조방법, 이에 따라 제조된 탄소섬유 종이 및 탄소섬유 종이를 포함하는 탄소섬유 면상발열체에 관한 것이다.

특히, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소섬유가 분산된 분산용액과 바인더가 분산된 분산용액을 서로 혼합시키는 방법으로 공정을 단순화시켜 탄소종이 섬유를 용이하게 제조할 수 있다.

나아가, 이에 따라 제조된 탄소섬유 종이는 면상발열체에 사용될 수 있다. 특히, 상기 탄소섬유 종이 및 면상발열체는 낮은 저항 및 높은 인장 강도 등을 가질 수 있다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 종이의 제조방법의 순서도 이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 종이의 제조방법은 분산제가 함유된 분산용액에 탄소섬유 및 바인더를 분산시키는 단계(S100); 탄소섬유 및 바인더가 분산된 분산용액을 진공 여과시켜 탄소섬유를 필터링하여 탄소섬유 웹을 형성하는 단계(S200); 및 탄소섬유 웹를 건조시는 단계(S300)를 포함하며, 상기 분산제의 함량은 분산용액에 전체 중량에 대하여 평균 0.2 내지 1 중량% 인 것을 특징으로 한다.

먼저, 분산용액에 탄소섬유 및 바인더를 분산시키는 단계(S100)에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.

상기 분산용액에 탄소섬유 및 바인더를 분산시키는 단계(S100)는, 분산용액에 탄소섬유를 분산시키는 단계(S110); 분산용액에 바인더를 분산시키는 단계(S120); 및 탄소섬유가 분산된 분산용액과 바인더가 분산된 분산용액을 서로 혼합하는 단계(S130); 를 포함한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 종이의 제조방법은 탄소섬유와 바인더가 분산된 각각의 분산용액을 서로 혼합시키는 방법으로 공정을 단순화시켜 탄소종이 섬유를 용이하게 제조할 수 있다.

상기 분산제는 구아검(Guar gum), 아라비아 검(Arabic gum), 잔탄검(Xtanthan gum), 메틸 셀룰로오스(Metyl cellulose, MC), 카르복실메틸 셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose, CMC) 및 하이드록시에틸 셀룰로오스(Hydroxyethyl cellulolse, HEC))로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있으며, 예를 들면, 상기 분산제는 셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose, CMC)일 수 있다.

분산용액은 상술한 분산제를 함유함으로써, 분산용액의 점도를 증가시킬 수 있으며, 증가된 점도로 인하여 탄소섬유의 분산성이 증가될 수 있다. 즉, 탄소섬유 분산 용액에서 탄소섬유 간 뭉침현상이 현저히 줄여 필터링을 통해 탄소섬유 웹을 만들었을 때, 탄소섬유 개별 존재량이 높아 면저항을 감소시킬 수 있다.

한편, 상기 분산제의 함량은 분산용액의 전체 중량에 대하여 평균 0.2 내지 1 중량% 를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 분산제는 전체 중량에 대하여 평균 0.2 내지 1 중량%, 0.4 내지 0.9 중량% 또는 평균 0.8 중량% 를 포함할 수 있다.

만일, 상기 분산제가 분산용액 전체 중량에 대하여 0.1 중량% 미만을 포함하는 경우, 탄소섬유의 유동성이 떨어질 수 있으며, 용액의 교반 또는 이동시 탄소섬유의 절단이 발생할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 분산제가 소정함량 미만인 경우, 제조되는 탄소섬유 종이의 인장강도 또한 감소될 수 있다. 아울러, 상기 분산제가 분산용액 전체 중량에 대하여 1 중량% 를 초과하는 경우, 인장강도(tensile strength) 는 증가될 수 있으나, 면저항도 함께 증가하기 때문에 바람직 하지 않다. 따라서, 분산제의 함량은 상술한 바와 같이, 분산용액의 전체 중량에 대하여 평균 0.2 내지 1 중량% 를 포함하는 것이 바람직하다.

구체적으로, 증류수에 분산제를 분산시키고, 상기 분산제를 포함하는 용액에 탄소섬유와 바인더를 각각 분산시킬 수 있다.

탄소섬유는 PAN계(폴리아크릴로니트릴계), 피치계, 레이온계뿐만 아니라, 섬유상을 가진 고탄소함유 소재를 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 탄소섬유는 PAN계 사이징(sizing) 되지 않은 탄소섬유일 수 있다.

한편, 상기 탄소섬유의 함량은 분산용액 전체 중량에 대하여, 평균 0.01 내지 0.05 중량% 를 포함할 수 있으며, 또는 평균 0.3 중량% 를 포함할 수 있다. 만일, 상기 탄소섬유는 분산용액 전체 중량에 대하여, 0.01 중량% 미만인 경우에는 섬유의 절단이 많이 발생되어 제조하게 되는 탄소섬유 종이의 강도 등이 떨어질 수 있으며, 0.05 중량% 를 초과하는 경우에는 탄소섬유들이 서로 뭉치는 현상이 발생되어 균일성 등이 낮아질 수 있다. 따라서, 탄소섬유는 상술한 범위의 함량이 바람직할 수 있다.

이러한 탄소섬유는 소정 길이의 ?h일 수 있다. 탄소섬유 자체로도 저항가열이 되지만, 탄소섬유 촙은 수많은 접촉점을 구성함으로써 보다 낮은 전압에서도 발열이 가능하다. 일반적으로, 탄소섬유 촙은 탄소섬유를 적당한 길이로 자른 것으로, 도전성, 강도, 분산성 등을 고려하여 길이가 2~15mm인 탄소섬유 촙을 사용할 수 있으며, 일 예로, 평균 6 mm의 탄소섬유 ?h을 사용할 수 있다. 탄소섬유의 섬유 길이가 길어지면 도전성, 강도 등이 향상되는데 반해, 탄소섬유의 섬유 길이가 지나치게 길면 탄소섬유의 분산성이 떨어질 수 있다. 또한, 섬유 길이가 너무 짧은 경우에는 섬유간 결합력이 저하되어 형태 안정성이 떨어질 수 있다. 그러므로, 적절한 길이의 탄소섬유를 사용해야 하며, 평균 섬유 길이는 사용될 탄소섬유의 종류와 섬유 직경에 따라 다를 수 있다.

또한, 탄소섬유의 섬유 직경이 지나치게 크면 공극의 크기가 너무 커질 수 있고, 섬유 직경이 너무 작으면 가공성이 떨어져 결합이 어려울 수 있으므로, 평균 섬유 직경이 적절한 탄소섬유를 사용할 수 있다. 예를 들어, 탄소섬유의 섬유 길이는 2~12mm, 섬유 직경은 1~100μm 일 수 있다

아울러, 바인더의 함량은 분산용액 전체 중량에 대하여, 평균 0.001 내지 0.03 중량% 를 포함하도록 상기 용액에 분산시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 바인더는 분산용액 전체 중량에 대하여 평균 0.001 내지 0.03 중량%, 평균 0.01 중량%가 포함되도록 분산시킬 수 있다.

상기 바인더는 상기 탄소섬유가 탄소섬유 웹을 형성할 때, 섬유간의 결합 및 부착력과 같은 기능성을 부여하기 위한 첨가물이다. 상기 바인더의 함량이 분산용액 전체 중량에 대하여, 0.001 중량% 미만인 경우에는 탄소섬유간의 결합 및 부착력 등을 저하되어 제조되는 탄소섬유 종이의 형태 안정성이 떨어질 수 있다. 아울러, 분산용액 전체 중량에 대하여, 0.03 중량% 를 초과하는 경우, 탄소섬유간 뭉침현상 등이 발생할 수 있다. 따라서, 상술한 범위의 바인더를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 바인더는, 셀룰로오스(cellulose), 폴리비닐알콜(PVA), 셀룰로오스 나노섬유(CNF) 및 셀룰로오스 나노결정(Cellulose nanocrystal, CNC) 으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다.

탄소섬유가 분산된 분산용액과 바인더가 분산된 분산용액을 서로 혼합하는 단계를 포함한다. 상기 단계는 통상적인 교반기에 의해 처리될 수 있으며, 블레이드믹서, 리본 혼합기, 스크류 혼합기 등 다양한 교반기가 사용될 수 있다.

그리고, 탄소섬유 및 바인더가 분산된 분산용액을 진공 여과시켜 탄소섬유를 필터링하여 탄소섬유 웹을 형성하는 단계 (S200)를 포함한다.

구체적으로, 통상적인 진공 필터 장치를 사용할 수 있으며, 상기 장치의 교반에 의해 상기 혼합용액을 천천히 부어주어 탄소섬유를 필터링할 수 있다.

탄소섬유의 필터링 후에, 탄소섬유는 필터링 후에 잔류하는 분산제 및 바인더에 의해 서로 결합될 수 있다. 이때, 탄소섬유 자체적으로 서로 연결되는 것과 분산제 및 바인더에 의해 결합되므로, 탄소섬유 웹의 인장강도가 증가될 수 있다. 상기 탄소섬유 웹은 탄소섬유 부직포를 의미할 수 있다.

다음으로, 탄소섬유 웹를 건조시는 단계(S300)를 포함한다. 구체적으로, 탄소섬유 웹은 수용액의 교반, 진공 여과 등을 거쳐 형성되므로, 수분이 남은 탄소섬유 웹을 건조하게 된다. 자연 건조할 수 있으나, 소정 온도에서 소정 시간 동안 수분이 남은 탄소섬유를 건조기 등의 장치를 이용하여 가열 건조하거나 열풍 등을 이용한 건조를 할 수 있다. 예를 들어, 탄소섬유 부직포를 섭씨 120도 정도의 공간에 약 30분 동안 두어 건조할 수 있다.

아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 상술한 탄소섬유 종이의 제조방법에 의해 제조되는 탄소섬유 종이를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 종이는 면상발열체를 구현할 경우, 인장강도 및 열전도도는 높을수록 유리하며, 면저항은 낮을수록 유리하다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 종이는 면저항이 4 Ω/m² 이하일 수 있으며, 또는 3 Ω/m²이하일 수 있으며, 일 예로, 상기 탄소섬유 종이의 면저항은 2 내지 Ω/m²이하일 수 있다.

아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 종이는 인장강도가 2 MPa 이상일 수 있으며, 또는 6 MPa 이상일 수 있다. 일 예로, 분산제가 0.8 중량 % 함유하였을 때, 탄소섬유 종이의 인장강도는 평균 12 MPa 일 수 있다. 나아가, 상기 탄소섬유 종이는 평균 열전도도가 1 W/mk 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소섬유 종이의 평균 열전도도는 1 내지 3 W/mk 범위일 수 있다.

뿐만 아니라, 탄소섬유 종이가 면상발열체를 구현할 경우, 표면발열온도가 80 ℃ 이상일 수 있으며, 또는 100 내지 120 ℃ 범위일 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 종이를 포함하는 탄소섬유 면상발열체의 모식도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 종이를 포함하는 탄소섬유 면상발열체(100)는 상기 탄소섬유 종이(110), 탄소섬유 종이의 평행한 두변에 위치하는 한 쌍의 금속 전극(120); 및 탄소섬유의 적어도 일면에 부착되는 절연 시트(130); 를 포함하는 탄소섬유 면상발열체(100)를 제공한다.

"면상발열체"는 면(面) 상태의 열이 나는 물체란 뜻으로, 얇은 면상의 전도성 발열체 위에 금속 전극을 양쪽 끝에 설치한 후, 절연재로 절연처리하여 금속 전극에 정격 전압을 인가시킴으로써, 면 전체에서 발열이 되도록 하는 것을 말한다. 면상발열체의 전극 재료는 은(Ag), 구리(Cu) 등이 이용되며, 탄소로 구성된 발열체의 재료는 카본 페이스트, 카본섬유 등이 이용되고 있다.

구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 면상발열체(100)에서 상기 탄소섬유 종이(110)는 발열부의 역할을 하며, 상술한 분산제 및 바인더는 탄소섬유를 서로 결합시킬 수 있다. 탄소섬유 종이(110)는 면저항이 낮고, 탄소섬유 종이(110) 두께가 얇아져 단위면적당 인장강도는 증가하여 쉽게 찢어지지 않는 특징을 가지고 있다. 예를 들어, 탄소섬유 종이(110)는 그 단면의 크기가 50mm×50mm이상이며, 두께는 300㎛ 이하일 수 있다.

금속전극(120)은 탄소섬유 종이(110)의 상면 또는 하면 중 어느 한 면의 양 측부에 부착될 수 있다. 이러한 금속전극(120)은 구리, 알루미늄, 은, 니켈, 주석 등을 포함하는 금속 또는 이들의 합금으로 이루어지질 수 있고, 금속전극(120)의 모양은 리본 또는 선 형상일 수 있다. 예를 들어, 금속전극(120)으로 선 형상의 구리 와이어나, 은도금 구리 와이어 등을 사용할 수 있다. 구체적으로, 금속전극(120)으로 폭 5~10mm, 두께 3~100 ㎛ 정도의 구리 리본 등을 사용할 수 있다.

여기에서, 탄소섬유 종이(110)는 열을 발산하는 발열체가 되며, 금속 전극(120)은 열을 발산하는 탄소섬유 종이에 전류(110)를 전달한다. 즉, 탄소섬유 종이(110)가 발열부가 되고, 금속 전극(120)이 전극부가 된다.

절연 시트(130)는 탄소섬유 종이(110)의 적어도 일면에 적층되며, 절연층을 형성한다. 바람직하게는, 탄소섬유 종이(110)의 손상 방지와 전류 흐름을 방지 하기 위하여 탄소섬유 종이(110)의 양면에 모두 적층할 수 있으며, 수분 등의 침투에 의한 위험을 막기 위해 이중으로 구성될 수 있다. 절연 시트(130)는 부도체 필름 또는 천 등을 사용할 수 있다. 부도체 필름은 부직, 직조 등의 천 형태로 만든 것과 필름 형태가 쓰일 수 있다. 천 형태는 메쉬형 천, 부직포, 스폰지형 등을 사용할 수 있다. 이러한 절연 시트(130)는 동일한 크기 및 두께로 제작되어 탄소섬유 종이(110) 양면에 붙일 수도 있지만, 열의 발산을 한 쪽 방향으로 집중시키기 위하여 절연 시트(130) 2개의 두께를 다르게 구성할 수도 있다. 예를 들어, 열의 발산이 필요 없고 보온이 필요한 방향에는 1mm 정도의 절연 시트(130)를 배치하여 열의 발산을 막고, 열의 발산이 필요한 반대면에는 10~500㎛ 의 절연 시트를 배치하여 열전달을 원활히 할 수 있다.

상술한 탄소섬유 면상발열체(100)는 면저항이 낮고, 전기전도도가 높으므로 5V 정도의 저전압 구동이 가능하며, 이에 따라 과열 위험과 화재 위험을 낮추고, 휴대용 리튬이온전지를 이용한 휴대형으로의 제작이 가능하여 편의성을 크게 높일 수 있다. 이러한 탄소섬유 면상발열체(100)를 사용하여 두께가 얇으며, 저비용으로 고전도성, 고발열성의 발열방석, 발열담요, 발열매트, 차량용 발열 시트, 건축용 면산발열체 등을 제작할 수 있다

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>

실시예 1~5. 탄소섬유 종이의 제조

증류수에 카르복실메틸 셀룰로오스(CMC)를 투입하고, 상기 용액에 탄소섬유 ?h 6mm 0.03 중량%와 폴리비닐알콜(PVA) 0.01wt% 분산시켰다. 그리고, 교반기에서 교반하여 혼합하였다. 그리고, 상기 용액을 진공필터 장치에 교반에 의해 분산된 수용액을 천천히 부어주어 필터링하고, 탄소섬유 웹을 제조하였으며, 상기 탄소섬유 웹을 120 ℃의 온도에서 30분 동안 두어 건조시켰다.

실시예에 따른 카르복실메틸 셀룰로오스의 투입량은 하기 표 1에 정리하였다.

실시예	분산제 함량(중량%)
실시예 1	0.2
실시예 2	0.4
실시예 3	0.6
실시예 4	0.8
실시예 5	1.0

<비교예>

비교예 1.

증류수에 카르복실메틸 셀룰로오스를 투입하지 않은 것을 제외하곤, 실시예 1과 동일한 방법으로 탄소섬유 종이를 제조하였다.

<실험예>

실험예 1. 분산제의 함량에 따른 탄소섬유 종이의 물성

도 3는 본 발명의 실시예 1~5 에서 다양한 농도에 따른 탄소섬유의 분산 이미지를 나타낸 사진이다.

도 3을 참조하면, 분산제의 농도가 높아질수록 탄소섬유 간의 결합력이 증가하여 탄소섬유가 뭉치는 것을 확인할 수 있다.

실험예 2. 분산제의 함량에 따른 인장강도 측정

실시예 1~5와 비교예에서 제조한 탄소섬유 종이의 인장강도를 측정하였다.

그리고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4는 실시예 1-5와 비교예에서 제조한 탄소섬유 종이의 인장강도를 보여주는 그래프이다.

도 4를 참조하면, 분산제의 함량에 따라 제조된 탄소섬유 종이의 인장강도를 확인할 수 있으며, 분산제를 함유하지 않은 비교예의 경우 인장강도가 매우 낮은 것을 확인할 수 있다. 그리고, 카르복실메틸 셀룰로오스 0.8 중량% 를 함유하고 있는 실시예 4의 인장강도가 가장 높았다.

실험예 3. 분산제의 함량에 따른 면저항 측정

실시예 1~5와 비교예에서 제조한 탄소섬유 종이를 이용하여 면상발열체를 제조하였다. 구체적으로, 실시예 1~5와 비교예에서 제조한 탄소섬유 종이의 평행한 두변에 한 쌍의 구리 전극을 설치하고, 상기 탄소섬유 종이의 양면에 절연 시트를 부착하였다.

그리고, 제조한 면상발열체의 면저항을 측정하였고, 그 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5는 실시예 1-5와 비교예에서 제조한 탄소섬유 종이를 포함하는 면상발열체의 면저항을 보여주는 그래프이다.

도 5를 참조하면, 분산제의 함량에 따라 제조된 면상발열체의 면저항 결과를 확인할 수 있으며, 실시예 대비 비교예의 계면접촉저항이 높은 것을 확인할 수 있다.

실험예 4. 분산제의 함량에 따른 열전도도 측정

실험예 3과 동일한 조건의 면상발열체를 이용하여 열전도도를 측정하였다.

그리고, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6은 실시예 1-5와 비교예에서 제조한 탄소섬유 종이를 포함하는 면상발열체의 열전도도를 보여주는 그래프이다.

도 6을 참조하면, 분산제의 함량에 따라 제조된 탄소섬유 종이를 포함하는 면상발열체의 열전도도를 확인할 수 있으며, 분산제를 함유하지 않은 비교예의 경우 열전도도가 매우 낮은 것을 확인할 수 있다.

실험예 5. 분산제의 함량에 따른 표면발열온도 측정

실험예 3과 동일한 조건의 면상발열체를 이용하여 표면발열온도를 측정하였다.

그리고, 그 결과를 도 7에 나타내었다. 도 7은 실시예 1-5와 비교예에서 제조한 탄소섬유 종이를 포함하는 면상발열체의 표면발열온도를 보여주는 그래프이다.

도 7을 참조하면, 분산제의 함량에 따라 제조된 탄소섬유 종이를 포함하는 면상발열체의 표면발열온도를 확인할 수 있으며, 분산제를 함유하지 않은 비교예의 경우 표면발열온도가 매우 낮은 것을 확인할 수 있다.

Claims

분산제가 함유된 분산용액에 탄소섬유 및 바인더를 분산시켜 혼합하는 단계;
탄소섬유 및 바인더가 분산된 분산용액을 진공 여과시켜 탄소섬유를 필터링하여 탄소섬유 웹을 형성하는 단계; 및
탄소섬유 웹를 건조시는 단계; 를 포함하며,
상기 분산제의 함량은 분산용액에 전체 중량에 대하여 평균 0.2 내지 1 중량% 인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 종이의 제조방법.
제1항에 있어서,
분산용액에 탄소섬유 및 바인더를 분산시켜 혼합하는 단계는,
분산용액에 탄소섬유를 분산시키는 단계;
분산용액에 바인더를 분산시키는 단계; 및
탄소섬유가 분산된 분산용액과 바인더가 분산된 분산용액을 서로 혼합하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 종이의 제조방법.
제1항에 있어서,
탄소섬유의 함량은 분산용액 전체 중량에 대하여, 평균 0.01 내지 0.05 중량% 를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 종이의 제조방법.
제1항에 있어서,
바인더의 함량은 분산용액 전체 중량에 대하여, 평균 0.001 내지 0.03 중량% 를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소섬유 종이의 제조방법.
제1항에 있어서,
분산제는, 구아검(Guar gum), 아라비아 검(Arabic gum), 잔탄검(Xtanthan gum), 메틸 셀룰로오스(Metyl cellulose, MC), 카르복실메틸 셀룰로오스(Carboxymethyl cellulose, CMC) 및 하이드록시에틸 셀룰로오스(Hydroxyethyl cellulolse, HEC))로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 종이의 제조방법.
제1항에 있어서,
바인더는, 셀룰로오스(cellulose), 폴리비닐알콜(PVA), 셀룰로오스 나노섬유(CNF) 및 셀룰로오스 나노결정(Cellulose nanocrystal, CNC) 으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 탄소섬유 종이의 제조방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 탄소섬유 종이의 제조방법에 의해 제조되는 탄소섬유 종이;
탄소섬유 종이의 평행한 두변에 위치하는 한 쌍의 금속 전극; 및
탄소섬유의 적어도 일면에 부착되는 절연 시트; 를 포함하며, 면저항이 4 Ω/m² 이하인 것을 특징으로 탄소섬유 면상 발열체.
제7항에 있어서,
상기 탄소섬유 면상 발열체 열전도도는 평균 1 W/mk 이상인 것을 특징으로 탄소섬유 면상 발열체.