WO2013137673A1 - 발열용 페이스트 및 이를 포함하는 발열체 - Google Patents

발열용 페이스트 및 이를 포함하는 발열체 Download PDF

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WO2013137673A1
WO2013137673A1 PCT/KR2013/002088 KR2013002088W WO2013137673A1 WO 2013137673 A1 WO2013137673 A1 WO 2013137673A1 KR 2013002088 W KR2013002088 W KR 2013002088W WO 2013137673 A1 WO2013137673 A1 WO 2013137673A1
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paste
parts
heating
heat generating
weight
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PCT/KR2013/002088
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Inventor
홍순영
박세정
김재하
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(주)바이오니아
한국과학기술원
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Publication date
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    • H05B2214/04—Heating means manufactured by using nanotechnology

Definitions

  • the present invention relates to a heat generating paste comprising a nanocomposite and a heat generating element including the same, in detail, the heat generating paste is capable of temperature control according to sheet resistance control and exhibits high heat generating characteristics even at low voltage.
  • Silver (Ag), palladium (Pd), and ruthenium (Ru) -based oxides are mainly used for general heating pastes.
  • Silver (Ag) which is a low-resistance conductive material used for such a heat-generating paste, has a positive temperature resistance coefficient, and thus is difficult to use as a heat-resistance by itself. Therefore, to compensate for this, palladium (Pd) and ruthenium (Ru) are added to the heating paste, and in the case of ruthenium (Ru), since the specific resistance is higher than that of silver (Ag), in order to have a low resistance value, expensive ruthenium ( Ru) must be added in large amounts. However, since the increase of the ruthenium (Ru) to silver (Ag) ratio leads to an increase in resistance, the amount of ruthenium (Ru) added is limited.
  • the ruthenium-based heating elements generally follow a structure in which a plurality of heating elements are applied to a substrate in a state where a plurality of the heating elements are fired at a high temperature.
  • Such heating elements increase resistance with increasing temperature and eventually increase power consumption. There was a problem, and there is a problem that can not secure a stable temperature resistance coefficient.
  • Patents related to carbon materials include carbon fiber heating elements made of twisted carbon fibers used as reinforcing fibers as composite materials in the manufacture of fabrics, fine ropes, carbon fiber heating elements for producing heating sheets using the heating elements, and heat generating sheets using the same.
  • Manufacturing method Korean Patent Application No. 10-2010-0061377
  • liquid heating composition containing carbon black which can be applied to cloth, flexible sheet and flexible plate and the like, and heating sheet and heating pipe using the same
  • the electrically conductive heating material is composed of a base material and an electrically conductive heating layer uniformly attached to the base material, and the electrically conductive heating material is made of natural graphite and artificial graphite.
  • carbon black Korean Patent Publication No. 10-2010-0053434.
  • the patent related to carbon nanotubes relates to a transparent heater, wherein the transparent heater is formed under the surface of the transparent substrate and the transparent substrate to improve transparency and heat generation efficiency, and is a nano material dense layer having a structure in which carbon nanotubes are connected to each other. And electrically connecting the nanomaterial dense layer to form a terminal (Korean Patent Application No. 10-2006-0095738), a heating element using carbon nanotubes (Korea Patent Application No. 10-2006-0010882), and the like. There is this.
  • the heat-generating paste is made by mixing a conductive material and a binder to be used, and the conductivity, workability and physical properties (adhesiveness, stretch resistance, etc.) are determined according to the amount of the conductive material and the binder used.
  • the heating paste uses conductive materials such as general carbon, graphite, kitchen carbon, and nano carbon.
  • the conductive material included in the heat generating paste is difficult to mix due to the large oil absorption and difficult workability, so that it is almost impossible to add more than 50% .
  • increasing the content of the binder improves physical properties and workability but decreases the conductivity. there is a problem.
  • An object of the present invention is to provide a heat generating paste comprising a carbon nanotube-metal nanocomposite material and the heat generating paste.
  • the present invention provides a heat generating paste including a carbon nanotube-metal composite, an organic binder, an adhesive, and an organic solvent.
  • the present invention comprises the steps of preparing a mixed solution comprising a carbon nanotube-metal composite, an organic solvent, an organic binder and an adhesive; And it provides a method for producing a heating paste comprising the step of preparing a paste through a dispersion process for the prepared mixed solution.
  • the present invention provides a heating element including the heating paste.
  • the heat generating paste according to the manufacturing method of the present invention can realize excellent workability, low sheet resistance, excellent heat generating characteristics and manufacturing cost.
  • FIG. 1 is a photograph of a state in which a heating element in a thin film form is formed using a heating paste according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view comparing the sheet resistance and temperature change according to the thickness of the heating element.
  • 3 is a view comparing temperature changes according to voltage application time.
  • FIG. 5 is a view comparing temperature changes according to an applied voltage of a heating paste including carbon nanotubes and a heating paste including carbon nanotube-silver nanocomposites.
  • the heating paste according to one embodiment of the present invention may include a carbon nanotube-metal composite, an organic binder, an adhesive, and an organic solvent.
  • the heating paste may be formulated in the form of a thin film or a coating film.
  • the carbon nanotube-metal nanocomposite can effectively lower the contact resistance of the heating paste even with a relatively small content, thereby realizing a large area.
  • Korean Patent No. 10-1095840 For a specific synthesis process for the carbon nanotube-metal nanocomposite, refer to Korean Patent No. 10-1095840.
  • the sheet resistance of the heating paste is 500 ohm / sq. It may be
  • the sheet resistance of the heating paste may vary depending on the thickness of the thin film or the coating film, but 300 ohm / sq. 150 ohm / sq. Or 50 ohm / sq. It may be As another example, the sheet resistance of the heating paste may range from 0.1 to 500 ohm / sq, 1 to 300 ohm / sq, 1 to 150 ohm / sq, 10 to 50 ohm / sq, or 20 to 80 ohm / sq. .
  • the heat generating paste according to the present invention has a feature of low sheet resistance, through which excellent heat generating characteristics can be realized.
  • the heat generating paste according to the present invention can realize sheet resistance in a range of 500 ohm / sq or less, preferably 0.1 to 300 ohm / sq, thereby achieving high heat generation characteristics with relatively low power consumption.
  • An exothermic temperature of the exothermic paste may be 300 ° C. or less.
  • the exothermic temperature of the exothermic paste may be 300 ° C. or less, 250 ° C. or less, or 100 ° C. or less.
  • the exothermic temperature of the heating paste may be in the range of 1 to 300 ° C, 10 to 300 ° C, 50 to 300 ° C, 30 to 100 ° C, 50 to 100 ° C, 60 to 70 ° C, or 100 to 250 ° C. Can be.
  • the exothermic temperature exceeds 300 ° C., there may be a problem in that the oxidation of the carbon nanotubes or the polymer base layer is combusted.
  • the voltage applied to the heating paste may range from 1.5V to 220V.
  • the applied voltage of the heating paste may be in the range of 1.5 to 220V, 5 to 220V, 10 to 220V, 5 to 100V, 10 to 100V, 15 to 50V, 20 to 40V, or 30 to 60V.
  • the exothermic composition according to the present invention may have an exothermic temperature in a range of 30 to 150 ° C. or 30 to 100 ° C. under an applied voltage condition of 12 to 25V.
  • the exothermic composition is a paste prepared by adding the carbon nanotube-metal nanocomposite in an amount of 10 to 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the total composition to a specimen having a width of 100 mm, a length of 80 mm, and a thickness of 25 um.
  • the exothermic temperature was measured according to the applied voltage. Specific measurement results are shown in FIG. 5. Referring to the results of Figure 5, the heat generating paste according to the present invention, compared to the case of manufacturing a heat generating paste using carbon nanotubes, it is possible to implement a heat generation temperature improved 1.5 to 2 times in the same conditions Confirmed.
  • the carbon nanotubes may be selected from single wall carbon nanotubes, double wall carbon nanotubes, multi wall carbon nanotubes, or mixtures thereof.
  • multi-wall carbon nanotubes may be used as the carbon nanotubes.
  • the metal includes at least one metal component of gold (Au), platinum (Pt), silver (Ag), copper (Cu), nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co) and aluminum (Al). It may be selected from the compound or a mixture thereof. As one example, silver (Ag) may be used as the metal. As another example, platinum (Pt) may be used as the metal.
  • the content of the metal is 1 to 80 parts by weight, 1 to 70 parts by weight, 1 to 60 parts by weight, 1 to 50 parts by weight, 20 to 80 parts by weight, 30 to 80 parts by weight of 100 parts by weight of the carbon nanotube-metal composite It may be 40 parts by weight, or 40 to 80 parts by weight.
  • the content of the metal may be 1 to 70 parts by weight based on 100 parts by weight of the carbon nanotube-metal composite. It is possible to implement an effective electrical conductivity in the content range of the metal, it is possible to prevent the phenomenon that the electrical conductivity is excessively high or reduced.
  • the carbon nanotube-metal composite serves as a conductive filler.
  • the content of the carbon nanotube-metal composite may be 1 to 20 parts by weight, 1 to 15 parts by weight, 5 to 20 parts by weight, 5 to 15 parts by weight, or 10 to 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the heating paste. . In the above range, while inducing uniform mixing, it is possible to prevent a problem that may cause a decrease in electrical conductivity when forming a thin film or a coating film.
  • the type of the organic binder is not particularly limited, and for example, ethylcellulose, nitrocellulose or a mixture thereof may be used.
  • the organic binder may be added to a solution heated to 70 to 90 °C dissolved by stirring and adjusted to a viscosity of 10 to 50,000 cps at 25 °C.
  • the organic binder may be adjusted to have a viscosity of 1,000 to 35,000 cps at 25 °C.
  • a structure may not be formed precisely or cracks may be prevented, and storage stability may be improved at the same time.
  • the content of the organic binder is 1 to 10 parts by weight, 2 to 10 parts by weight, 3 to 15 parts by weight, 1 to 8 parts by weight, 1 to 7 parts by weight, and 1 to 5 parts by weight based on 100 parts by weight of the heating paste. Or 2 to 3 parts by weight.
  • the processability of the composition can be maintained, and the thinning of the composition or the formation of a coating film can be effectively performed.
  • the pressure-sensitive adhesive is a composition which is added when the paste is coated on a substrate to increase the adhesiveness of the paste.
  • the type of adhesive is not particularly limited, and may be epoxy resin, phenol resin, urethane resin, polyester resin, polyurethane resin, or vinyl chloride resin.
  • Polyvinyl chloride resin, urea resin (Urea resin), polyethylene resin (Polyethylene resin), acrylic resin (Acrylic resin) and silicone resin (Silicon resin) may include one or more.
  • the pressure-sensitive adhesive may include an alkyd resin which is a kind of polyester resin.
  • the content of the pressure-sensitive adhesive may be 1 to 20 parts by weight, 1 to 15 parts by weight, 1 to 10 parts by weight, 5 to 20 parts by weight, 10 to 20 parts by weight, or 10 to 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the heating paste. have.
  • the heat-generating paste including the pressure-sensitive adhesive in the content range may prevent the electrical properties from deteriorating when the thin film is formed to form a coating film, and may prevent a problem that the formed thin film or the coating film is detached at the same time.
  • the type of the organic solvent is not particularly limited.
  • acetone, methyl ethyl ketone, methyl alcohol, ethyl alcohol, isopropyl alcohol, butyl Alcohol, Ethyleneglycol, Polyethylene glycol, Tetrahydrofuran, Dimethylformamide, Dimethylacetamide, N-methyl-2-pyrrolidone ( N-methyl-2-pyrrolidone, Hexane, Cyclohexanone, Toluene, Chloroform, Dichlorobenzene, Dimethylbenzene, Trimethylbenzene, Pyridine Pyridine, methylnaphthalene, nitromethane, acrylonitrile, octadecylamine, aniline, dimethylsulfoxide (Dimethyl su lfoxide), diethyleneglycol diethyl ether, and terpineol (Terpineol) may include at least one of .
  • the organic solvent is a solvent having a high volatile
  • the content of the organic solvent may be 1 to 90 parts by weight based on 100 parts by weight of the heating paste.
  • the content of the organic solvent is 1 to 90 parts by weight, 10 to 90 parts by weight, 30 to 90 parts by weight, 60 to 90 parts by weight, 1 to 80 parts by weight based on 100 parts by weight of the heating paste. , 30 to 90 parts by weight, or 40 to 80 parts by weight.
  • the heating paste including the organic solvent in the above content range may prevent the electrical properties from deteriorating during the thinning process, and may prevent the problem of detachment of the thin film formed at the same time.
  • the present invention provides a method for producing a heat generating paste described above.
  • the manufacturing method As one example, the manufacturing method, the manufacturing method, and
  • Dispersing the prepared mixed solution may be included.
  • composition to the content of each component used in the preparation method includes all the above-described contents.
  • Dispersing the mixed solution may be applied to various methods commonly used in the art.
  • the process of dispersing the mixed solution may be performed through an ultra-soncation, roll mill, or ball mill process.
  • the process of dispersing the mixed solution in the present invention may include performing a three-roll-mill process five times.
  • the heat generating paste may be subjected to various thinning or coating processes.
  • the heating paste may be coated on the base layer, and thus the heating characteristics may be compared.
  • the coating process includes screen printing, doctor blade, spin coating, dip coating, spray coating, electrophoretic deposition, and offset printing. Off-set printing, vacuum filtration or normal casting may be applied, but is not limited thereto.
  • the properties of the produced exothermic thin film refer to the above description of the exothermic paste.
  • the heat-generating paste thin film formed through spin coating has been experimentally confirmed that the sheet resistance is 500 ohm / sq or less and the surface temperature is 100 ° C. or less.
  • the base layer is polycarbonate, polyethylene terephtalate (PET), polyamides, cellulose esters, regenerated cellulose, nylon, polypropylene, polyacrylonitrile ), Polysulfone (Polysulfone), polyester sulfone (Polyethersulfone), polyvinylidene fluoride (Polyvinylidenfluoride) or glass (Glass) and the like can be used.
  • the base layer may be selected according to the application temperature and the product use, and is not limited to the cases listed above.
  • the present invention provides a heating element comprising the heating paste.
  • the heating element may be commercialized in various forms for use such as insulation, heat insulation, or heating, and may be used in various forms in related industrial fields.
  • the heating element may include a heating sheet, a heating pipe, a heating thermos or a heating radiator.
  • the heating element may be formulated in the form of a thin film, if necessary, may be formed in the form of a coating film on the substrate.
  • the heating element may be in the form of a single layer or multiple layers.
  • the heating element may have a structure stacked 2 to 15 times, 2 to 11 times, 6 to 11 times, or 7 to 11 times repeatedly stacked.
  • the thickness of the heating element is not particularly limited, but may be 5 um or more, 10 um or more, 18 um or more, or 20 to 30 um. By forming the thickness of the heating element in the above range, it is possible to lower the sheet resistance and at the same time excellent heat generation rate.
  • CNT-Ag nano composite Into a 500 ml Erlenmeyer flask, 20 g of carbon nanotube-silver nanocomposite (CNT-Ag nano composite; BIONIA, Cat. No .: T-7031) was added, and organic solvent terfinol ( ⁇ -terpineol; Sigma- Aldrich) 130 g was added. In addition, 5 g of an organic binder, ethyl cellulose (Ethylcellulose; Sigma-Aldrich) was added, 20 g of an acrylic resin (southern CNA), a pressure-sensitive adhesive was added to the stirrer, stirred for 60 minutes, and a 3-roll mill. (3-roll mill; EXAKT 50) was performed five times to prepare a paste for heating.
  • CNA ethyl cellulose
  • acrylic resin southern CNA
  • CNT-Cu nano composite Into a 500 ml Erlenmeyer flask, 20 g of carbon nanotube-copper nanocomposite (CNT-Cu nano composite; BIONIA, Cat. No .: T-3022) was added, and organic solvent terfinol ( ⁇ -terpineol; Sigma- Aldrich) 130 g was added. In addition, 5 g of an organic binder, ethyl cellulose (Ethylcellulose; Sigma-Aldrich) was added, 20 g of an acrylic resin (southern CNA), a pressure-sensitive adhesive was added to the stirrer, stirred for 60 minutes, and a 3-roll mill. (3-roll mill; EXAKT 50) was performed five times to prepare a paste for heating.
  • CNA ethyl cellulose
  • acrylic resin southern CNA
  • Example 2 Compared to Example 1, instead of CNT-Ag nano composites, CNT-Fe nano composites (BNT, Cat. No .: T-5031) were used. Except for the use, a heat generating paste was prepared in the same manner.
  • CNT-Pt nano composite (CNT-Pt nano composite; Bioneer, Cat. No .: T-1151) was used. Except for the use, a heat generating paste was prepared in the same manner.
  • the coating was performed using a spin coater after administering 2 ml of the heating paste prepared in Example 1 on a polyethylene terephthalate (PET) film having a size of 100 mm in width and 80 mm in length.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the rpm per run was applied sequentially 500, 1,000 and 2,000, the time of each rpm proceeded to 20 seconds.
  • the prepared thin film was dried at 70 ° C. for 10 minutes.
  • silver paste was coated on both ends of the dried thin film and copper foil was coated to form electrodes at both ends.
  • the manufactured heating element is shown in FIG. 1.
  • Example 6 A heating element in which the heating paste prepared in Example 1 was repeatedly laminated two to ten times in the manner of Example 5 was prepared. Coatings were carried out twice (Example 6), three times (Example 7), four times (Example 8), five times (Example 9), six times (Example 10), seven times. (Example 11), 8 times lamination (Example 12), 9 times lamination (Example 13), and 10 times lamination (Example 14) were performed, and the heat generating body which changed the number of lamination
  • Exothermic paste was prepared in the same manner as in Example 1 except that carbon nanotubes were used instead of the carbon nanotube-silver nanocomposites.
  • Test Example 1 Comparison of sheet resistance and heating rate according to the thickness of the heating element
  • Sheet resistance and heating rate according to the thickness of the heating element manufactured in Example 1 were compared. Specifically, the thin film was formed by the method of the said Examples 6-14. It was found that the thickness was 2.5 um when coated with a spin coater once. For the formed thin film, the initial heating rate according to the voltage application time at the sheet resistance and the applied voltage of 24 V was measured using a sheet resistance meter and a surface thermometer. The measurement results are shown in FIG. 2.
  • the sheet resistance was sharply decreased at 5 um, while the exothermic rate was gradually increased at a thickness of 17.5 um or less, and thereafter, was rapidly increasing.
  • the temperature was raised to a temperature of 60 ° C. or higher during the initial 60 minutes, and the temperature was maintained at 60 ° C. to 65 ° C. for 8 hours. From this result, it can be seen that after a certain time, the exothermic temperature shows a certain characteristic.
  • the heating element was formed in the manner of Example 14 using the heating paste prepared in Example 1.
  • the voltage was applied to the formed heating element at intervals of 2V from 0V to 50V, and the heating temperature thereof was measured. The measurement results are shown in FIG. 4.
  • a temperature change at an applied voltage of 50V or more was not confirmed.
  • the thickness of the heating element is measured to be thin, the temperature change or distribution may be confirmed even at an applied voltage higher than that.
  • Test Example 4 Comparison of a heating paste containing carbon nanotubes and a heating paste containing carbon nanotube-silver nanocomposites
  • the temperature change of the heating paste containing carbon nanotubes and the heating paste containing carbon nanotube-silver nanocomposites was compared. Specifically, a heat-generating paste was prepared in the same manner as in Example 1 and Comparative Example, and each of the heating element specimens having a width of 100 mm, a length of 80 mm, and a thickness of 25 um was formed by the method disclosed in Example 5. The formed specimen was subjected to sintering at 130 ° C. for 60 minutes.
  • Sheet resistance values were measured for each of the heating element specimens prepared. As a result of the measurement, the sheet resistance of the specimen prepared using the heating paste of Example 1 was 3.2 ⁇ 10 ohm / sq, and the sheet resistance of the specimen prepared using the heating paste of Comparative Example was 2.0 ⁇ 10 2 ohm / sq. It was confirmed to be. Compared with the specimen prepared with the exothermic paste of Example 1, it can be seen that the specimen prepared with the exothermic paste of Comparative Example 1 has a sheet resistance of 6 times higher.
  • the specimen prepared by using the heating paste according to the comparative example and the specimen prepared by using the heating paste according to Example 1 showed a slight difference in exothermic temperature until the initial 10V, but from 5 to 15V.
  • the difference was more than °C °C, the difference was about 23 °C at 25V.
  • the heating paste containing the carbon nanotubes should have a high applied voltage in order to increase the heat generation, while the heating paste containing the carbon nanotube-silver nanocomposite (Example 1) was low. It can be seen that the results show high heat generation characteristics even at voltage.
  • the heat generating paste according to the present invention is capable of forming a pattern such as wiring of a localized portion as well as large area, and can be utilized for various types of heat generating products.

Landscapes

  • Resistance Heating (AREA)
  • Surface Heating Bodies (AREA)

Abstract

본 발명은 탄소나노튜브-금속 복합체, 유기바인더, 점착제, 및 유기용매를 포함하는 발열용 페이스트 및 상기 발열용 페이스트를 포함하는 발열체에 관한 것으로, 우수한 가공성, 낮은 면저항 및 제조단가의 절감을 구현할 수 있으며, 대면적화 뿐만 아니라 국부적인 부분의 배선 등의 패턴 형성이 가능하고, 다양한 형태의 발열제품으로 활용 가능하다.

Description

발열용 페이스트 및 이를 포함하는 발열체
본 발명은 나노복합체로 구성된 발열용 페이스트 및 이를 포함하는 발열체에 관한 것으로, 상세하게는 상기 발열용 페이스트는 면저항 조절에 따라 온도 조절이 가능하며, 저전압에서도 높은 발열특성을 나타낸다.
일반적인 발열용 페이스트에는 은(Ag), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru)계 산화물이 주로 사용되고 있다.
이러한 발열용 페이스트에 사용되는 저(低)저항 도전성 물질인 은(Ag)은 양의 온도저항계수를 갖기 때문에 자체로는 발열 저항으로 사용하기 어렵다. 따라서, 이를 보완하기 위해 발열용 페이스트에 팔라듐(Pd)과 루테늄(Ru)이 첨가되고, 루테늄(Ru)의 경우에는 은(Ag)에 비하여 비저항이 높기 때문에 낮은 저항값을 갖기 위해서는 고가의 루테늄(Ru)이 다량으로 첨가되어야 한다. 그러나 이러한 은(Ag) 대비 루테늄(Ru) 비율의 증가는 저항의 증가를 가져오기 때문에 루테늄(Ru)의 첨가량에는 한계가 있다.
또한, 일반적으로 루테늄계열의 발열체는 소정의 간격을 두고 복수개가 고온에서 소성된 상태에서 기판에 도포되는 구조를 따르는데, 이러한 발열체의 경우 온도 상승에 따라 저항이 증가하게 되고 결국 전력 소모량이 증가하게 되는 문제점이 있었으며, 안정된 온도저항계수를 확보할 수 없는 문제점이 함께 내포되어 있다.
상기 소재의 문제점으로 인하여 대체소재로 카본소재, 메탈코팅 파우더 또는 그들의 혼합물, 탄소나노튜브 등이 대두되고 있다.
카본소재와 관련된 특허는 직물, 가는 밧줄 등을 제조하는데 있어서 복합 재료인 강화 섬유로써 사용되는 꼬은 카본섬유로 만들어진 카본섬유 발열체와 이 발열체를 이용하여 발열시트를 제조하는 카본섬유 발열체 및 이를 이용한 발열 시트 제조방법 (대한민국 출원특허 제10-2010-0061377)에 관한 것과 천, 플랙시블 시트 및 플랙시블 판 등에 도포되어 사용될 수 있는 카본블랙이 포함된 액상 발열조성물 및 이를 이용한 발열시트 및 발열파이프 (대한민국 등록특허 제 10-1029147)에 관한 것과, 전기전도 발열재에 관한 것으로 전기전도 발열재에는 기초재, 기초재에 균등하게 부착된 전기전도 발열층으로 구성되며, 전기전도 발열소재는 천연 흑연, 인공 흑연, 카본 블랙를 이용하는 것 (대한민국 공개특허 제10-2010-0053434) 등이 있다.
탄소나노튜브와 관련된 특허는 투명 히터에 관한 것으로 투명 히터는 투명성과 발열 효율을 향상시킬 수 있도록, 투명 기판과 상기 투명 기판의 표면 아래에 형성되며 탄소나노튜브들이 서로 연결된 구조로 이루어지는 나노 소재 밀집층, 및 나노 소재 밀집층과 전기적으로 연결시켜 단자를 형성시키는 것 (대한민국 출원특허 제10-2006-0095738)과, 탄소나노튜브를 이용한 발열체 (대한민국 출원특허 제10-2006-0010882)에 관한 것 등이 있다.
통상적으로 발열용 페이스트는 사용하는 도전성물질과 바인더의 혼합에 의해 만들어지며 사용하는 도전성물질과 바인더의 사용량에 따라 전도성, 작업성과 물리적 성질(접착성, 내스트래치성 등)이 결정된다.
메탈 파우더를 제외한 발열용 페이스트는 일반카본, 흑연, 키친카본, 나노카본 등의 도전성 물질을 사용하고 있다. 상기 발열용 페이스트에 포함되는 도전성 물질은 큰 흡유량과 어려운 작업성 때문에 혼합이 어려워 50% 이상의 첨가가 거의 불가능하고, 이를 보완하기 위해 바인더의 함량을 증가시키면 물리적 성질과 작업성은 좋아지나 전도성이 저하되는 문제가 있다.
단일벽 탄소나노튜브에 바인더를 혼합하고 탄소나노튜브 또는 바인더의 함량에 따른 전기전도도를 조절할 수 있는 발열용 페이스트를 개발되었으나, 이러한 장점에도 불구하고 소재의 높은 판매가격 및 접촉저항으로 인한 낮은 전도성이 문제시 되고 있으며, 이로 인하여 대면적의 발열체에 적용하기에 한계가 있다.
본 발명의 목적은 탄소나노튜브-금속 나노복합소재 기반의 발열용 페이스트 및 상기 발열용 페이스트를 포함하는 발열체를 제공하는 것이다.
이하 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
하나의 실시예에서, 본 발명은 탄소나노튜브-금속 복합체 (CNT-Metal nano composite), 유기바인더, 점착제 및 유기용매를 포함하는 발열용 페이스트를 제공한다.
또 다른 하나의 실시예에서, 본 발명은 탄소나노튜브-금속 복합체, 유기용매, 유기바인더 및 점착제를 포함하는 혼합 용액을 제조하는 단계; 및 제조된 혼합 용액에 대한 분산과정을 통해 페이스트를 제조하는 단계를 포함하는 발열용 페이스트의 제조방법을 제공한다.
또 다른 하나의 실시예에서, 본 발명은 상기 발열용 페이스트를 포함하는 발열체를 제공한다.
본 발명의 제조방법에 따른 발열용 페이스트는 우수한 가공성, 낮은 면저항, 우수한 발열 특성 및 제조단가의 절감을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 발열용 페이스트를 이용하여 박막형태의 발열체를 형성한 모습을 촬영한 사진이다.
도 2는 발열체의 두께에 따른 면저항 및 온도변화를 비교한 도면이다.
도 3은 전압 인가시간에 따른 온도변화를 비교한 도면이다.
도 4는 인가전압에 따른 온도변화를 비교한 도면이다.
도 5는 탄소나노튜브를 포함하는 발열용 페이스트와 탄소나노튜브-은 나노 복합체를 포함하는 발열용 페이스트의 인가전압에 따른 온도변화를 비교한 도면이다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 발열용 페이스트는 탄소나노튜브-금속 복합체 (CNT-Metal nano composite), 유기바인더, 점착제 및 유기용매를 포함할 수 있다.
상기 발열용 페이스트는 박막 또는 코팅막 등의 형태로 제형화할 수 있다. 특히, 상기 탄소나노튜브-금속 나노복합체는 상대적으로 적은 함량으로도 발열용 페이스트의 접촉저항을 효과적으로 낮출 수 있으며, 이를 통해 대면적화를 구현할 수 있다. 탄소나노튜브-금속 나노 복합체에 대한 구체적인 합성과정은 대한민국 등록특허 제10-1095840호를 참조한다.
하나의 예로서, 상기 발열용 페이스트의 면저항은 500 ohm/sq. 이하일 수 있다. 예를 들어, 발열용 페이스트의 면저항은 박막 또는 코팅막이 두께에 따라 달라질 수 있으나, 300 ohm/sq. 이하, 150 ohm/sq. 이하, 또는 50 ohm/sq. 이하일 수 있다. 또 다른 예로서, 상기 발열용 페이스트의 면저항은 0.1 내지 500 ohm/sq, 1 내지 300 ohm/sq, 1 내지 150 ohm/sq, 10 내지 50 ohm/sq 또는 20 내지 80 ohm/sq 범위일 수 있다. 본 발명에 따른 발열용 페이스트는 면저항이 낮다는 특징이 있으며, 이를 통해 우수한 발열 특성을 구현할 수 있다. 또한, 면저항이 지나치게 낮아지면 발열 특성을 구현할 수 없는 경우가 발생한다. 따라서, 본 발명에 따른 발열용 페이스트는 500 ohm/sq 이하, 바람직하게는 0.1 내지 300 ohm/sq 범위의 면저항을 구현함으로써, 상대적으로 낮은 소비전력으로 높은 발열 특성을 구현할 수 있다.
상기 발열용 페이스트의 발열온도는 300℃ 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 발열용 페이스트의 발열온도는 300℃ 이하, 250℃ 이하, 100℃ 이하일 수 있다. 또 다른 예로서, 상기 발열용 페이스트의 발열온도는 1 내지 300℃, 10 내지 300℃, 50 내지 300℃, 30 내지 100℃, 50 내지 100℃, 60 내지 70℃, 또는 100 내지 250℃ 범위일 수 있다. 발열온도가 300℃를 초과하게 되면, 탄소나노튜브의 산화 내지 폴리머 기저층이 연소되는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 발열용 페이스트에 대한 인가전압은 1.5V 내지 220V 범위일 수 있다. 예를 들어, 상기 발열용 페이스트의 인가전압은 1.5 내지 220V, 5 내지 220V, 10 내지 220V, 5 내지 100V, 10 내지 100V, 15 내지 50V, 20 내지 40V, 또는 30 내지 60V 범위일 수 있다. 발열용 페이스트에 인가되는 전압을 상기 범위로 조절함으로써, 충분한 발열 구동을 유도하면서, 동시에 높은 발열로 인한 화상 내지 화재 발생을 예방할 수 있다.
하나의 예로서, 본 발명에 따른 발열용 조성물은, 12 내지 25V의 인가전압 조건에서 발열온도가 30 내지 150℃ 또는 30 내지 100℃ 범위일 수 있다. 구체적으로, 상기 발열용 조성물은 조성물 전체 100 중량부에 대하여, 탄소나노튜브-금속 나노 복합체를 10 내지 15 중량부의 함량으로 첨가한 페이스트를 가로 100 mm, 세로 80 mm 및 두께 25 um 크기로 시편을 제작하여 인가전압에 따른 발열온도를 측정하였다. 구체적인 측정 결과는 도 5에 도시하였다. 도 5의 결과를 참조하면, 본 발명에 따른 발열용 페이스트는, 탄소나노튜브를 이용하여 발열용 페이스트를 제조한 경우에 비해, 동일 조건에서 1.5 배 내지 2 배 정도 향상된 발열온도를 구현할 수 있음을 확인하였다.
상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(single wall carbon nanotube), 이중벽 탄소나노튜브(double wall carbon nanotube), 다중벽 탄소나노튜브(multi wall carbon nanotube), 또는 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 탄소나노튜브로 다중벽 탄소나노튜브(multi wall carbon nanotube)를 사용할 수 있다.
상기 금속은 금 (Au), 백금(Pt), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co) 및 알루미늄(Al)중 1 종 이상의 금속 성분을 포함하는 화합물 또는 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 하나의 예로서, 상기 금속으로 은(Ag)을 사용할 수 있다. 또 하나의 예로서, 상기 금속으로 백금(Pt)을 사용할 수 있다.
상기 금속의 함량은 탄소나노튜브-금속 복합체 100 중량부에 대해, 1 내지 80 중량부, 1 내지 70 중량부, 1 내지 60 중량부, 1 내지 50 중량부, 20 내지 80 중량부, 30 내지 80 중량부, 또는 40 내지 80 중량부일 수 있다. 예를 들어, 상기 금속의 함량은 탄소나노튜브-금속 복합체 100 중량부에 대해, 1 내지 70 중량부일 수 있다. 상기 금속의 함량 범위에서 효과정인 전기 전도성을 구현할 수 있으며, 전기 전도성이 지나치게 높거나 저하되는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 탄소나노튜브-금속 복합체는 전도성 필러의 역할을 하게 된다. 탄소나노튜브-금속 복합체의 함량은 발열용 페이스트 100 중량부에 대해, 1 내지 20 중량부, 1 내지 15 중량부, 5 내지 20 중량부, 5 내지 15 중량부, 또는 10 내지 15 중량부일 수 있다. 상기 범위에서는 균일한 배합을 유도하면서, 박막 내지 코팅막 형성시 전기 전도도의 저하가 생길 수 있는 문제점을 방지할 수 있다.
유기바인더의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 에틸셀루로우즈 (Ethylcellulose), 니트로셀루로우즈(Nitrocellulose) 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 하나의 예로서, 상기 유기바인더는 70 내지 90℃로 가온된 용액에 첨가하여 교반과정을 통하여 용해시키고 25℃에서 점도가 10 내지 50,000 cps가 되도록 조절할 수 있다. 또는 상기 유기바인더는 25℃에서 점도가 1,000 내지 35,000 cps가 되도록 조절할 수 있다. 유기바인더의 상기 점도 범위에서는, 조성물을 소성하여 박막 내지 코팅막을 생성하였을 때 조직이 치밀한 형성되지 못하거나 균열(crack)이 발생하는 현상을 방지하고, 동시에 저장 안정성을 높일 수 있다.
유기바인더의 함량은, 발열용 페이스트 100 중량부에 대해, 1 내지 10 중량부, 2 내지 10 중량부, 3 내지 15 중량부, 1 내지 8 중량부, 1 내지 7 중량부, 1 내지 5 중량부 또는 2 내지 3 중량부일 수 있다. 상기 함량 범위에서는, 조성물의 가공성을 유지하고, 조성물의 박막화 내지 코팅막의 형성을 효과적으로 수행할 수 있다.
상기 점착제는, 상기 페이스트를 기질에 코팅을 할 시, 페이스트의 점착성을 높이기 위하여 첨가해주는 조성이다. 점착제의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 에폭시수지(Epoxy resin), 페놀수지(Phenol resin), 우레탄수지(Urethane resin), 폴리에스터수지(Polyester resin), 폴리우레탄수지(Polyurethane resin), 염화비닐수지(Polyvinyl chloride resin), 요소수지(Urea resin), 폴리에틸렌수지(Polyethylene resin), 아크릴수지(Acrylic resin) 및 실리콘수지(Silicon resin) 중 1 종 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 점착제는 폴리에스터수지의 일종인 알키드 수지를 포함할 수 있다.
점착제의 함량은 발열용 페이스트 100 중량부에 대해, 1 내지 20 중량부, 1 내지 15 중량부, 1 내지 10 중량부, 5 내지 20 중량부, 10 내지 20 중량부, 또는 10 내지 15 중량부일 수 있다. 점착제를 상기 함량 범위로 포함하는 발열용 페이스트는 박막화 내지 코팅막 형성시 전기적 특성이 저하되는 것을 방지하고, 동시에 형성된 박막 내지 코팅막이 탈리되는 문제점을 방지할 수 있다.
상기 유기용매의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 아세톤 (Acetone), 메틸에틸케톤 (Methylethylketone), 메틸알콜 (Methyl alcohol), 에틸알콜 (Ethyl alcohol), 이소프로필알콜 (Isopropyl alcohol), 부틸알콜 (Butyl alcohol), 에틸렌글리콜 (Ethyleneglycol), 폴리에틸렌글리콜 (Polyethylene glycol), 테트라하이드로푸란 (Tetrahydrofuran), 디메틸포름아미드 (Dimethylformamide), 디메틸아세트아미드 (Dimethylacetamide), N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone), 헥산 (Hexane, 사이클로헥사논 (Cyclohexanone), 톨루엔 (Toluene), 클로로포름 (Chloroform), 디클로로벤젠 (Dichlorobenzene), 디메틸벤젠 (Dimethylbenzene), 트리메틸벤젠 (Trimethylbenzene), 피리딘 (Pyridine), 메틸나프탈렌 (Methylnaphthalene), 니트로메탄 (Nitromethane), 아크릴로니트릴 (Acrylonitrile), 옥타데실아민 (Octadecylamine), 아닐린 (Aniline), 디메틸설폭사이드 (Dimethyl sulfoxide), 디에틸렌글리콜에틸에테르 (Diethyleneglycol diethyl ether) 및 터피놀 (Terpineol) 중 1 종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로는, 상기 유기용매는 터피놀 (Terpineol)과 같은 높은 휘발온도를 갖는 용매를 사용할 수 있다. 이는 페이스트 제조 과정 시 용매의 휘발성이 낮아 제조의 용이성이 높으며, 범용적으로 사용되는 용매로써 호환성이 좋다는 장점이 있다.
유기용매의 함량은, 발열용 페이스트 100 중량부에 대해, 1 내지 90 중량부일 수 있다. 하나의 예로서, 상기 유기용매의 함량은, 발열용 페이스트 100 중량부에 대해, 1 내지 90 중량부, 10 내지 90 중량부, 30 내지 90 중량부, 60 내지 90 중량부, 1 내지 80 중량부, 30 내지 90 중량부, 또는 40 내지 80 중량부 범위일 수 있다. 유기용매를 상기 함량 범위로 포함하는 발열용 페이스트는 박막화 과정에서 전기적 특성이 저하되는 것을 방지하고, 동시에 형성된 박막이 탈리되는 문제점을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 앞서 설명한 발열용 페이스트의 제조방법을 제공한다.
하나의 예로서, 상기 제조방법은,
탄소나노튜브-금속 복합체, 유기용매, 유기바인더 및 점착제를 포함하는 혼합 용액을 제조하는 단계; 및
제조된 혼합 용액을 분산처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제조방법에서 사용되는 각 성분의 조성 내지 함량은 앞서 설명한 내용을 모두 포함한다.
상기 혼합 용액을 분산시키는 과정은 당해 기술분야에 통상적으로 사용되는 다양한 방법들이 적용될 수 있다. 하나의 예로서, 혼합 용액을 분산시키는 과정은, 초음파처리(Ultra-soncation), 롤밀(Roll mill) 또는 볼밀(Ball mill) 과정을 통해 수행할 수 있다. 예를 들어, 본 발명에서 혼합 용액을 분산시키는 과정은 3-롤-밀 과정을 5회 수행하는 것을 포함할 수 있다.
제조된 발열용 페이스트는 다양한 박막화 또는 코팅과정을 거칠 수 있다. 예를 들어, 발열용 페이스트는 기저층 상에 코팅될 수 있으며, 이를 통하여 발열특성을 비교할 수 있다.
상기 코팅과정은 스크린프린팅(Screen printing), 닥터블레이드(Doctor Blade), 스핀코팅(Spin coating), 딥코팅(Dip coating), 스프레이코팅(Spray coating), 전기영동증착(Electrophoretic deposition), 옵셋프린팅(Off-set printing), 감압 여과식(Vaccum filtration) 또는 노멀캐스팅(Normal casting) 방법이 적용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다. 제조된 발열 박막의 특성은 앞서 설명한 발열용 페이스트에 대한 내용을 참조한다. 예를 들어, 스핀코팅을 통해 형성된 발열용 페이스트 박막은, 면저항이 500ohm/sq 이하, 표면온도가 100℃ 이하로 구현됨을 실험적으로 확인하였다.
상기 기저층은 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene terephtalate, PET), 플리아미드(Polyamides), 셀룰로스 에스테르(Cellulose ester), 재생 셀룰로스(Regenerated cellulose), 나일론, 폴리프로필렌, 폴리아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile), 폴리술폰(Polysulfone), 폴리에스테르술폰(Polyethersulfone), 폴리비닐리덴플로라이드(Polyvinylidenfluoride) 또는 유리 (Glass) 등을 사용할 수 있다. 상기 기저층은 적용 온도 및 제품용도에 따라선택할 수 있으며, 앞서 열거된 경우로 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명은 상기 발열용 페이스트를 포함하는 발열체를 제공한다. 상기 발열체는 보온, 단열 또는 난방 등의 용도로 다양한 형태로 제품화될 수 있으며, 이 외에도 관련 산업 분야에서 다양한 형태로 이용될 수 있다. 예를 들어, 상기 발열체는 발열시트, 발열파이프, 발열보온병 또는 발열라디에이터 등을 포함할 수 있다.
하나의 실시예에서, 상기 발열체는 박막의 형태로 제형화될 수 있으며, 필요에 따라서는 기재에 코팅막의 형태로 형성될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 발열체는 단층 또는 다층으로 적층된 형태일 수 있다. 예를 들어, 상기 발열체는 2 내지 15회 적층된 구조, 2 내지 11 회, 6 내지 11 회, 또는 7 내지 11 회 반복 적층된 구조일 수 있다. 발열체의 두께는 특별히 제한되는 것은 아니나, 5 um 이상, 10 um 이상, 18 um 이상, 또는 20 내지 30 um 범위일 수 있다. 발열체의 두께를 상기 범위로 형성함으로써, 면저항을 낮추고 동시에 우수한 발열속도를 구현할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예, 시험예 및 비교예에 의해 상세히 설명한다. 그러나, 하기 실시예, 시험예 및 비교예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예, 시험예 및 비교예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 발열용 페이스트의 제조
500㎖ 삼각 플라스크에 탄소나노튜브-은 나노 복합체(CNT-Ag nano composite; (주)바이오니아, Cat. no. : T-7031) 20 g을 넣고, 유기용매인 터피놀 (α-terpineol; Sigma-Aldrich) 130 g을 첨가하였다. 또한 유기바인더인 에틸셀루로우즈(Ethylcellulose; Sigma-Aldrich) 5 g을 첨가하였고, 점착제인 아키드 수지(Akyd resin; 남방CNA) 20 g을 첨가하여 교반기에 장착하여 60 분간 교반하고, 3 롤 밀(3-roll mill;EXAKT 50)을 이용하여 5 회 분산처리를 수행하여 발열용 페이스트를 제조하였다.
실시예 2: 발열용 페이스트의 제조
500㎖ 삼각 플라스크에 탄소나노튜브-구리 나노 복합체(CNT-Cu nano composite; (주)바이오니아, Cat. no. : T-3022) 20 g을 넣고, 유기용매인 터피놀 (α-terpineol; Sigma-Aldrich) 130 g을 첨가하였다. 또한 유기바인더인 에틸셀루로우즈(Ethylcellulose; Sigma-Aldrich) 5 g을 첨가하였고, 점착제인 아키드 수지(Akyd resin; 남방CNA) 20 g을 첨가하여 교반기에 장착하여 60 분간 교반하고, 3 롤 밀(3-roll mill;EXAKT 50)을 이용하여 5 회 분산처리를 수행하여 발열용 페이스트를 제조하였다.
실시예 3: 발열용 페이스트의 제조
실시예 1과 비교하여 탄소나노튜브-은 나노 복합체(CNT-Ag nano composite) 대신 탄소나노튜브-철 나노 복합체(CNT-Fe nano composite; (주)바이오니아, Cat. no. : T-5031)를 사용하였다는 점을 제외하고는, 동일한 방법으로 발열용 페이스트를 제조하였다.
실시예 4: 발열용 페이스트의 제조
실시예 1과 비교하여 탄소나노튜브-은 나노 복합체(CNT-Ag nano composite) 대신 탄소나노튜브-백금 나노 복합체(CNT-Pt nano composite; (주)바이오니아, Cat. no. : T-1151)를 사용하였다는 점을 제외하고는, 동일한 방법으로 발열용 페이스트를 제조하였다.
실시예 5: 발열체 제조
가로 100 mm, 세로 80 mm 크기의 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET) 필름상에 실시예 1에서 제조된 발열용 페이스트 2 ml를 투여 후 스핀코터(Spin coater)를 이용하여 코팅을 수행하였다. 1 회 수행 당 rpm은 500, 1,000 및 2,000을 순차적으로 적용하였으며, 매 rpm의 시간은 20 초로 진행하였다. 제조된 박막은 70℃에서 10 분간 건조하였다. 발열 측정을 하기 위하여 건조된 박막 양 끝 부분에 실버 페이스트를 코팅하고 구리동박을 입혀 양 끝에 전극을 형성시켰다. 제조된 발열체는 도 1에 도시하였다.
실시예 6 내지 14: 다층 구조의 발열체 제조
실시예 1에서 제조한 발열용 페이스트를 실시예 5의 방식으로 2회 내지 10회 반복 적층한 발열체를 제조하였다. 코팅은 2회 적층(실시예 6), 3회 적층(실시예 7), 4회 적층(실시예 8), 5회 적층(실시예 9), 6회 적층(실시예 10), 7회 적층(실시예 11), 8회 적층(실시예 12), 9회 적층(실시예 13), 10회 적층(실시예 14)을 수행하여 각각 적층 회수를 달리한 발열체를 제작하였다.
비교예: 탄소나노튜브를 포함하는 발열용 페이스트 제조
상기 탄소나노튜브-은 나노 복합체 대신 탄소나노튜브를 사용하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 발열용 페이스트를 제조하였다.
시험예 1: 발열체의 두께에 따른 면저항 및 발열속도(heating rate) 비교
실시예 1에서 제조된 발열체의 두께에 따른 면저항 및 발열속도(heating rate)를 비교하였다. 구체적으로는, 상기 실시예 6 내지 14의 방법으로 박막을 형성하였다. 스핀코터로 1 회 코팅시 두께는 2.5 um인 것으로 나타났다. 형성된 박막에 대해 면저항 및 인가전압 24 V에서 전압인가 시간에 따른 초기 발열속도를 면저항측정기 및 표면온도계를 이용하여 측정하였다. 측정결과는 도 2에 나타내었다.
도 2를 참조하면, 면저항은 5 um에서 급격히 낮아지는 결과를 보였고, 반면에 발열속도는 17.5 um 이하의 두께에서는 완만한 증가를 보이다가, 그 이후에는 급격한 증가 추이를 보이고 있다.
시험예 2: 전압 인가 시간에 따른 온도변화 비교
전압 인가 시간에 따른 온도변화 비교를 위하여 실시예 14에서 제조한 발열 박막을 사용하여, 인가전압 24V에서 9 시간 동안 온도변화 추이를 확인하였다. 측정결과는 도 3에 도시하였다.
도 3을 참조하면, 초기 60 분 사이에 60℃ 이상의 온도까지 상승하였다가 8 시간 동안 60℃에서 65℃ 사이의 온도를 유지하는 것을 확인하였다. 이 결과로부터 일정시간 이후에는 발열 온도가 일정한 특성을 보이는 것을 알 수 있다.
시험예 3: 인가 전압 변화에 따른 온도변화 비교
인가전압에 따른 온도변화 비교를 위하여 실시예 1에서 제조된 발열용 페이스트를 이용하여 실시예 14의 방식으로 발열체를 형성하였다. 형성된 발열체에 대해 0V에서 50V까지 2V 간격으로 전압을 인가하고, 그에 대한 발열온도를 측정하였다. 측정결과는 도 4에 도시하였다.
도 4를 참조하면, 초기 10V 까지는 완만한 온도 상승을 보이다가 12V에서부터 급격한 온도상승을 나타내었다. 50V에서는 표면에서의 고온 발생으로 인한 기저층의 연소가 발생하였고, 이로 인해 50V 이상의 인가전압에서의 온도 변화는 확인이 불가능하였다. 발열체의 두께를 얇게 하여 측정할 경우에는 그 이상의 인가전압에서도 온도 변화 내지 분포를 확인할 수 있을 것이다.
시험예 4: 탄소나노튜브를 포함하는 발열용 페이스트와 탄소나노튜브-은 나노 복합체를 포함하는 발열용 페이스트의 비교
탄소나노튜브를 포함하는 발열용 페이스트와 탄소나노튜브-은 나노 복합체를 포함하는 발열용 페이스트의 인가전압에 따른 온도변화를 비교하였다. 구체적으로는, 실시예 1 및 비교예와 동일한 방법으로 발열용 페이스트를 제조하고, 각각을 실시예 5에 개시된 방법으로 가로 100 mm, 세로 80 mm 및 두께 25 um의 발열체 시편을 형성하였다. 형성된 시편은 130℃에서 60분 동안 소결처리를 수행하였다.
제조된 각각의 발열체 시편에 대하여 면저항 값을 측정하였다. 측정결과, 실시예 1의 발열용 페이스트를 이용하여 제조한 시편의 면저항 값은 3.2× 10 ohm/sq이고, 비교예의 발열용 페이스트를 이용하여 제조한 시편의 면저항 값은 2.0×102 ohm/sq인 것으로 확인되었다. 실시예 1의 발열용 페이스트로 제조한 시편과 비교하여, 비교예 1의 발열용 페이스트를 이용하여 제조한 시편은 면저항이 6 배 이상 높은 것을 알 수 있다.
또한, 각각의 시편에 대해 인가전압을 5V, 10V, 15V, 20V, 25V로 달리하여 인가하고, 그에 따른 발열온도를 측정하였다. 측정결과는 도 5에 도시하였다.
도 5를 참조하면, 비교예에 따른 발열용 페이스트를 이용하여 제조한 시편과 실시예 1에 따른 발열용 페이스트를 이용하여 제조한 시편은 초기 10V 까지는 약간의 발열온도 차이를 보이다가 15V에서 부터는 5℃ 이상의 급격한 차이를 보였으며, 25V에서는 약 23℃의 차이를 나타내었다.
상기 결과에서 알 수 있듯이 탄소나노튜브를 포함하는 발열용 페이스트(비교예)는 발열을 높이기 위해서는 인가전압이 높아야 하지만, 탄소나노튜브-은 나노 복합체를 포함하는 발열용 페이스트(실시예 1)는 낮은 전압에서도 높은 발열 특성을 나타내는 결과를 확인할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예, 시험예, 비교예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예, 시험예 및 비교예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
본 발명에 따른 발열용 페이스트는 대면적화 뿐만 아니라 국부적인 부분의 배선 등의 패턴 형성이 가능하고, 다양한 형태의 발열 제품에 활용 가능하다.

Claims (17)

  1. 탄소나노튜브-금속 복합체, 유기바인더, 점착제, 및 유기용매를 포함하는 발열용 페이스트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    가로 100 mm 세로 80 mm 및 두께 25 um 크기로 제작한 시편을 기준으로,
    12 내지 25V의 전압 인가시, 발열온도가 30 내지 100℃인 것을 특징으로 하는 발열용 페이스트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    면저항이 500 ohm/sq 이하인 것을 특징으로 하는 발열용 페이스트.
  4. 제 3 항에 있어서,
    면저항이 0.1 ohm/sq 내지 300 ohm/sq 범위인 것을 특징으로 하는 발열용 페이스트.
  5. 제 1 항에 있어서,
    발열온도가 300℃ 이하인 것을 특징으로 하는 발열용 페이스트.
  6. 제 1 항에 있어서,
    인가전압이 1.5V 내지 220V인 것을 특징으로 하는 발열용 페이스트.
  7. 제 1 항에 있어서,
    탄소나노튜브-금속 복합체에 함유된 금속은 금(Au), 백금(Pt), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co), 및 알루미늄(Al) 중 1 종 이상의 금속 성분을 포함하는 화합물 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 발열용 페이스트.
  8. 제 1 항에 있어서,
    금속의 함량은 탄소나노튜브-금속 복합체 전체 100 중량부에 대해, 1 내지 80 중량부인 것을 특징으로 하는 발열용 페이스트.
  9. 제 1 항에 있어서,
    탄소나노튜브-금속 복합체의 함량은, 발열용 페이스트 100 중량부에 대해, 1 내지 20 중량부인 것을 특징으로 하는 발열용 페이스트.
  10. 제 1 항에 있어서,
    유기바인더는 에틸셀루로우즈 (Ethylcellulose), 니트로셀루로우즈(Nitrocellulose) 또는 이들의 혼합물로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 발열용 페이스트.
  11. 제 10 항에 있어서,
    유기바인더의 함량은, 발열용 페이스트 100 중량부에 대해, 1 내지 10 중량부인 것을 특징으로 하는 발열용 페이스트.
  12. 제 1 항에 있어서,
    점착제는 에폭시수지(Epoxy resin), 페놀수지(Phenol resin), 우레탄수지(Urethane resin), 폴리에스터수지(Polyester resin), 폴리우레탄수지(Polyurethane resin), 염화비닐수지(Polyvinyl chloride resin), 요소수지(Urea resin), 폴리에틸렌수지(Polyethylene resin), 아크릴수지(Acrylic resin) 및 실리콘수지(Silicon resin) 중 1 종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 발열용 페이스트.
  13. 제 1 항에 있어서,
    점착제의 함량은, 발열용 페이스트 100 중량부에 대해, 1 내지 20 중량부인 것을 특징으로 하는 발열용 페이스트.
  14. 제 1 항에 있어서,
    유기용매는 아세톤 (Acetone), 메틸에틸케톤 (Methylethylketone), 메틸알콜 (Methyl alcohol), 에틸알콜 (Ethyl alcohol), 이소프로필알콜 (Isopropyl alcohol), 부틸알콜 (Butyl alcohol), 에틸렌글리콜 (Ethyleneglycol), 폴리에틸렌글리콜 (Polyethylene glycol), 테트라하이드로푸란 (Tetrahydrofuran), 디메틸포름아미드 (Dimethylformamide), 디메틸아세트아미드 (Dimethylacetamide), N-메틸-2-피롤리돈 (N-methyl-2-pyrrolidone), 헥산 (Hexane, 사이클로헥사논 (Cyclohexanone), 톨루엔 (Toluene), 클로로포름 (Chloroform), 디클로로벤젠 (Dichlorobenzene), 디메틸벤젠 (Dimethylbenzene), 트리메틸벤젠 (Trimethylbenzene), 피리딘 (Pyridine), 메틸나프탈렌 (Methylnaphthalene), 니트로메탄 (Nitromethane), 아크릴로니트릴 (Acrylonitrile), 옥타데실아민 (Octadecylamine), 아닐린 (Aniline), 디메틸설폭사이드 (Dimethyl sulfoxide), 디에틸렌글리콜에틸에테르 (Diethyleneglycol diethyl ether) 및 터피놀 (Terpineol) 중 1 종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 발열용 페이스트.
  15. 제 1 항에 있어서,
    유기용매의 함량은, 발열용 페이스트 100 중량부에 대해, 1 내지 90중량부인 것을 특징으로 하는 발열용 페이스트.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 발열용 페이스트를 포함하는 발열체.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 박열체의 두께는 5 um 내지 30 um 범위인 것을 특징으로 하는 발열체.
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