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KR20170097340A - A planar heating film using carbon nanotube - Google Patents

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KR20170097340A
KR20170097340A KR1020160018966A KR20160018966A KR20170097340A KR 20170097340 A KR20170097340 A KR 20170097340A KR 1020160018966 A KR1020160018966 A KR 1020160018966A KR 20160018966 A KR20160018966 A KR 20160018966A KR 20170097340 A KR20170097340 A KR 20170097340A
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KR
South Korea
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film
heating element
carbon nanotubes
carbon nanotube
planar heating
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Withdrawn
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KR1020160018966A
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Inventor
장용석
권도경
김하늬
정우진
윤혜진
Original Assignee
금오공과대학교 산학협력단
윤혜진
김하늬
정우진
장용석
권도경
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Publication date
Application filed by 금오공과대학교 산학협력단, 윤혜진, 김하늬, 정우진, 장용석, 권도경 filed Critical 금오공과대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 면상발열체 필름에 관한 것으로서, 폴리우레탄 수지에 탄소나노튜브가 분산되고 평면상으로 형성되며, 표면에 외부 전원에 접속하기 위한 접속 전극이 형성되고, 전체 중량에 대한 탄소나노튜트의 함량이 6 ~ 8 중량%인 것이다.
이러한 발열체 필름은, 탄소나노튜브의 분말을 휘발성 분산제에 혼합하고 교반하여 휘발성 분산제에 탄소나노튜브가 분산된 일차 혼합액을 형성하는 단계, 일차 혼합액과 우레탄 수지 용액을 혼합하고 교반하여 이차혼합액을 형성하는 단계, 이차 혼합액을 면상의 필름 형태로 주조하하는 단계; 면상 필름 형태로 경화된 이차혼합물의 경화물에서 휘발성 분산제가 휘발하도록 건조하여 경화시키는 단계 및 경화된 이차 혼합물의 면상 필름에 전도성 물질을 도포하여 접속 전극을 형성하여 면상 발열체 필름을 형성하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조된다.
[0001] The present invention relates to a surface heating element film using carbon nanotubes, in which carbon nanotubes are dispersed in a polyurethane resin and formed in a plane, a connection electrode for connection to an external power source is formed on the surface, And the content of the nanotubes is 6 to 8% by weight.
Such a heating body film is produced by mixing a carbon nanotube powder with a volatile dispersant and stirring the mixture to form a primary mixture liquid in which carbon nanotubes are dispersed in a volatile dispersant, mixing the primary mixture liquid and the urethane resin solution and stirring them to form a secondary mixture liquid A step of casting the secondary mixture liquid into a film form in a plane; Drying the volatile dispersant in a cured product of the secondary mixture cured in the form of an area film to volatilize the cured product and curing the conductive film; and applying a conductive material to the planar film of the cured secondary mixture to form a connection electrode to form a planar heating element film . ≪ / RTI >

Description

탄소나노튜브를 이용한 면상발열체 필름{A PLANAR HEATING FILM USING CARBON NANOTUBE}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a planar heating element film using carbon nanotubes,

본 발명은 면상발열체 필름에 관한 것으로서, 구체적으로는 면상의 필름 형태로 형성되는 발열체로서, 전도체 및 발열체로서 탄소나노튜브를 이용한 면상발열체 필름에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a planar heating element film, and more specifically, to a planar heating element film using carbon nanotubes as a conductor and a heating element.

면상으로 형성되는 발열체 중에서 열선을 이용한 면상발열체는 전기가 선을 통하여 흐르기 때문에 선이 단선되면 발열체가 전체적으로 고르게 발열하지 못하고 단선에 의한 발열 중단 및 과열에 의한 화재 위험도 있다. 또한, 선상의 발열체를 면상의 구조에 적용함으로써 열이 선에서 면으로 전달될 때에 열손실이 커서 발열 효율이 떨어질 뿐만 아니라, 국부적 발열으로 인하여 온도 분포가 고르지 않다. Among the heat generating elements formed by the surface heat, the heat generating elements using the heat rays flow through the electric wires. Therefore, if the wires are broken, the heat generating element does not generate uniform heat as a whole, and there is a risk of fire due to interruption of heat generation due to disconnection and overheating. Further, when a linear heating element is applied to a planar structure, the heat loss is large when the heat is transferred from the line to the surface, so that not only the heat efficiency is lowered but also the temperature distribution is uneven due to the localized heat.

최근에는 카본 블랙이나 그라파이트 등을 발열체에 분포시킴으로써 선상 발열체를 이용한 경우에 비해 전기적 안정성과 온도 분포의 균일성이 향상된 면상 발열체가 개발되고 있다.Recently, a planar heating element having improved electrical stability and uniformity of temperature distribution has been developed by distributing carbon black, graphite or the like to a heating element, as compared with the case of using a linear heating element.

이러한 유형의 하나의 예로서 특허공보 제10-0860258호(문헌 1)에 개시된 면상 발열체는, 제1 외피로 사용되는 제1 합성수지필름, 제1 합성수지필름의 상부에 위치하며 탄소도전체가 들어있는 제1 탄소도전체층, 제1 탄소도전체층 내부에 위치하며 하측과 좌우측은 제1 탄소도전체층에 의해 둘러싸이는 다수의 동선, 제1 탄소도전체층 상부에 위치하며 인접한 2개의 동선의 상측을 덮는 부직포, 부직포 상부에 위치하고 탄소도전체가 들어있는 제2 탄소도전체층 및 제2 탄소도전체층 상부에 위치하고 제2 외피로서 사용되는 제2 합성수지필름을 포함한다.As one example of this type, the planar heating element disclosed in Patent Publication No. 10-0860258 (Document 1) includes a first synthetic resin film used as the first sheathing, a second synthetic resin film disposed on the upper side of the first synthetic resin film, The first carbon layer, the first carbon layer, the first carbon layer, the lower carbon layer, the first carbon layer, and the first carbon layer. And a second synthetic resin film disposed on the nonwoven fabric covering the upper side and the upper portion of the second carbonaceous conductive layer, which is located on the upper portion of the nonwoven fabric, and contains the carbonaceous substance.

그러나 이러한 구성의 문헌 1의 면상발열체는 비교적 탄소입자가 큰 카본블랙이나 그라파이트 등의 탄소계 발열잉크를 사용하므로 탄소도전체층과 동선 사이에 미세한 공극이 발생하여 도전성이 떨어지고 공극으로 인한 전기 저항에 의해 과열 현상이 발생하기도 하며, 공극에서 미세한 스파크가 발생하는 등의 전기적 불안정성이 있고, 적층된 요소간의 물성이 달라 장기간 사용시에 층간 박리가 일어날 수 있어서 내구성이 떨어진다는 문제점이 있다.However, since the planar heating element of Document 1 of this structure uses a carbon-based heat generating ink such as carbon black or graphite having a relatively large carbon particle, fine voids are generated between the carbon layer and the copper wire to deteriorate the electrical conductivity, There is an electrical instability such as a minute spark in the pores, and there is a problem in that the durability is deteriorated due to the physical properties between the stacked elements, which may cause delamination during long-term use.

이러한 문제를 해결하고자 하는 발명으로서 특허공보 제10-1128335호(문헌 2)에 개시된 면상 발열체가 제안되어 있다.As an invention for solving such a problem, there has been proposed a planar heating element disclosed in Patent Publication No. 10-1128335 (Document 2).

문헌 2의 발명에 따른 면상 발열체를 도시하는 도 1을 참조하여 설명하면, 문헌 2의 면상 발열체는 각 층 간의 접착력을 증대시키는 동시에 발열층과 전극 간 전기적 저항에 의한 과열을 방지할 수 있도록 하기 위하여, 합성수지재 박막 형태의 제1필름(10), 제1필름 상에 적층된 제1접착제층(20), 제1접착제층(20) 표면에서 복수 개가 일정 거리 이격되게 부착된 구리선(30), 구리선(30) 표면에서 구리선의 폭보다 큰 폭으로 적층된 실버층(40), 제1접착층 및 실버층 상에 적층된 발열층(50), 상기 발열층 상에 적층된 제2접착제층(60), 제2접착제층에 적층된 합성수지재 박막 형태의 제2필름(70)을 포함하여 이루어진 것이다.1 showing the planar heating element according to the invention of Document 2, the planar heating element of Document 2 is formed in order to increase the adhesive force between the respective layers and to prevent overheat due to electrical resistance between the heating layer and the electrodes A first film 10 in the form of a synthetic resin thin film, a first adhesive layer 20 laminated on the first film, a copper wire 30 attached to the surface of the first adhesive layer 20 at a predetermined distance, A silver layer 40 laminated on the surface of the copper wire 30 at a width greater than the width of the copper wire, a heating layer 50 laminated on the first adhesive layer and the silver layer, a second adhesive layer 60 laminated on the heating layer, And a second film (70) in the form of a thin film of synthetic resin laminated on the second adhesive layer.

여기서 발열층(50)은 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT) 발열 잉크와 TDI(Toluene Diisocianate; 톨루엔 디이소시아네이트)계 경화제를 포함하고, 접착제층은 에스테르계 화합물이 함유된 변성우레탄계 접착제와 TDI계 경화제를 포함하여 형성되는 것이다.The heat generating layer 50 includes a carbon nano tube (CNT) heat generating ink and a TDI (toluene diisocyanate) curing agent. The adhesive layer includes a modified urethane adhesive containing an ester compound and a TDI And a hardening agent.

그러나, 이러한 문헌 2의 면상 발열체의 구성에 따르더라도, 발열층을 이루는 CNT와 여기에 전력을 공급하는 구리선 및 발열층을 보호하는 합성수지재 박막은 서로 별개의 층을 이루기 때문에 접착제층을 잘 구성한다고 하여도 그 사이의 박리 가능성은 잔존하며, 특히 발열체층, 접착제층, 구리선과 같은 접속 전극층 및 피복층들을 별개로 형성하여 적층하고 접착하는 구성상, 제조 원가의 상승 및 발열과 전열 효율의 저하는 필연적이다.However, according to the structure of the planar heating element of Document 2, since the CNTs constituting the heat generating layer, the copper wires supplying power thereto, and the synthetic resin thin film protecting the heat generating layer form a separate layer from each other, There is a possibility of peeling between them. Particularly, since the connecting electrode layer and the covering layer such as the heating element layer, the adhesive layer and the copper wire are formed separately and laminated and adhered, the increase of the manufacturing cost and the decrease of the heat generation and the heat transfer efficiency are inevitable to be.

특허공보 제10-0860258호(문헌 1)Patent Publication No. 10-0860258 (Document 1) 특허공보 제10-1128335호(문헌 2)Patent Publication No. 10-1128335 (Document 2)

본 발명은 문헌 1과 문헌 2의 면상 발열체를 포함한 종래 기술에 따른 면상발열체의 문제점을 고려하여, 선상 발열체에 비해 발열 및 도전 효율이 좋은 탄소나노튜브를 발열체로 이용한 면상발열체를 구성하되, 문헌 2의 면상발열체와 같이 많은 수의 층을 서로 적층하고 접착함으로써 발열효율과 제조 원가가 높아지는 문제점을 해결하고자 한다.The present invention provides a planar heating element using a carbon nanotube as a heating element, which is superior in heat generation and conduction efficiency to a linear heating element, in consideration of the problems of the conventional planar heating elements including the planar heating elements of Documents 1 and 2, The present invention aims at solving the problem that the heat generation efficiency and the manufacturing cost are increased by stacking and bonding a large number of layers like the surface heating element of the present invention.

본 발명에서는 별도의 피복이나 전원공급을 위한 접속 전극층을 서로 별개로 구성하는 일이 없이 서로 일체화되어 면상발열체로서 기능할 수 있는 구성의 면상발열체를 제공하려는 것이다.The present invention is intended to provide a planar heating element having a structure in which a separate sheath or connection electrode layers for power supply can be integrally formed with each other so as to function as a planar heating element.

전술한 본 발명의 해결 과제는 본 발명에 따른 면상발열체 필름과 그 제조 방법에 의해 달성된다.The above-described object of the present invention is achieved by a planar heating element film and a manufacturing method thereof according to the present invention.

본 발명에서는 탄소나노튜브를 발열체로서 이용하되, 이들 발열체가 별도의층을 형성하지 않고 단일층으로서 면상 발열체로서 기능할 수 있는 구성을 고려하였으며, 그러한 고려의 결과로서 탄소나노튜브를 폴리우레탄에 분산시켜서 폴리우레탄과 함께 필름을 구성하는 경우에 별도의 보호층이나 접착층 없이 독립적으로 면상발열체로서 이용할 수 있다는 결론에 도달하였다.In the present invention, a carbon nanotube is used as a heating element, and these heating elements are considered to be capable of functioning as a surface heating element as a single layer without forming a separate layer. As a result of such consideration, It has been concluded that the film can be used independently as a surface heating element without a separate protective layer or adhesive layer when the film is formed with polyurethane.

이러한 본 발명의 발명자들의 연구와 실험의 결과에 따른 면상발열체 필름은, 폴리우레탄 수지에 탄소나노튜브가 분산되고 평면상으로 형성되며, 표면에 외부 전원에 접속하기 위한 접속 전극이 형성되고, 전체 중량에 대한 탄소나노튜트의 함량이 6 ~ 8 중량%인 것이다.The surface heating film according to the present invention is characterized in that carbon nanotubes are dispersed in a polyurethane resin and formed in a plane, and connection electrodes for connection to an external power source are formed on the surface, The content of the carbon nanotubes is 6 to 8% by weight.

이러한 본 발명의 면상 발열체 필름은 적절한 신축성을 유연성을 가지는 폴리우레탄 수지에 탄소나노튜브가 분산되어 필름을 형성함으로써 폴리우레탄 수지가 그 내부에 분산된 탄소나노튜브를 피복하여 별도의 외피나 피복층 없이 필름이 면상발열체로서 기능하게 된다. The surface heating film of the present invention can be produced by dispersing carbon nanotubes in a flexible polyurethane resin having appropriate elasticity to form a film so that the polyurethane resin covers the carbon nanotubes dispersed in the polyurethane resin, Thereby functioning as the planar heating element.

특히, 본 발명에서 접속 전극은 도전성 잉크를 면상발열체 필름의 표면에 도포하여 형성할 수 있다. 따라서, 탄소나노튜브에 전력을 공급하기 위해 구리선 등을 매설하여야 하는 종래 기술의 면상 발열체에 비해 매우 간단한 구성으로 효율적으로 전력을 공급할 수 있다.In particular, in the present invention, the connection electrode can be formed by applying a conductive ink to the surface of the surface heating film. Therefore, compared to the conventional surface heating element in which a copper wire or the like must be buried in order to supply power to the carbon nanotubes, power can be efficiently supplied in a very simple configuration.

또한, 이러한 구성의 면상 발열체 필름은 본 발명에 따른 제조 방법에 의해 형성될 수 있다.Further, the planar heating element film having such a configuration can be formed by the manufacturing method according to the present invention.

본 발명의 제조 방법은, 탄소나노튜브의 분말을 휘발성 분산제에 혼합하고 교반하여 휘발성 분산제에 탄소나노튜브가 분산된 일차 혼합액을 형성하는 단계; 일차 혼합액과 우레탄 수지 용액을 혼합하고 교반하여 이차혼합액을 형성하는 단계; 이차 혼합액을 면상의 필름 형태로 주조하하는 단계; 면상 필름 형태로 경화된 이차혼합물의 경화물에서 휘발성 분산제가 휘발하도록 건조하여 경화시키는 단계; 경화된 이차 혼합물의 면상 필름에 전도성 물질을 도포하여 접속 전극을 형성하여 면상 발열체 필름을 형성하는 단계를 포함하는 것이다.The manufacturing method of the present invention comprises: mixing a carbon nanotube powder with a volatile dispersant and stirring the carbon nanotube powder to form a primary mixture liquid in which carbon nanotubes are dispersed in a volatile dispersant; Mixing the primary mixture liquid and the urethane resin solution and stirring to form a secondary mixture liquid; Casting the secondary mixed liquid into a film form in a plane; Drying and curing the volatile dispersant in the cured product of the secondary mixture cured in the form of an on-film film to volatilize; And applying a conductive material to the planar film of the cured secondary mixture to form a connection electrode to form a planar heating element film.

원재료 상태의 탄소나노분말은 실타래처럼 서로 엉킨 상태로 존재한다. 이러한 탄소나노분말 원재료를 휘발성 분산제에 혼합하여 분산시킨다. 탄소나노분말은 균일하게 분산되면 소량의 탄소나노분말만으로도 전기 전도도가 급격히 상승하게 된다.The carbon nano powders in the raw state exist in a state where they are tangled with each other like a thread. The carbon nano powder raw material is mixed and dispersed in a volatile dispersant. When the carbon nano powder is uniformly dispersed, the electric conductivity is rapidly increased even by a small amount of carbon nano powder alone.

하나의 실시 양태로서, 탄소나노분말의 분말을 휘발성 분산제로서 메틸에틸케톤 용액과 혼합하고 혼합액에 초음파를 인가함으로써 탄소나노튜브 분말을 메틸에틸케톤 용액 내에 균일하게 분산시킬 수 있다.In one embodiment, carbon nanotube powder can be uniformly dispersed in a methyl ethyl ketone solution by mixing powder of carbon nano powder with a methyl ethyl ketone solution as a volatile dispersant and applying ultrasonic wave to the mixture.

탄소나노튜브 분말이 분산제에서 균일하게 분산된 상태에서 폴리우레탄 용액과 혼합하고, 혼합한 용액을 다시 교반하여 폴리우레탄 용액 내에서 탄소나노튜브 분말이 균일하게 분산되도록 한다. The carbon nanotube powder is mixed with the polyurethane solution while being uniformly dispersed in the dispersant, and the mixed solution is stirred again to uniformly disperse the carbon nanotube powder in the polyurethane solution.

본 발명의 하나의 실시 양태로서, 전술한 분산은 탄소나노튜브 분말과 휘발성 분산제의 일차 혼합액과 폴리우레탄 수지 용액을 혼합한 혼합액에 마그네틱 바를 넣어 교반함으로써 탄소나노튜브의 균일한 분산이 촉진된다.As one embodiment of the present invention, in the above-mentioned dispersion, uniform dispersion of carbon nanotubes is promoted by stirring a magnetic bar in a mixed solution obtained by mixing a primary mixture of a carbon nanotube powder and a volatile dispersant and a polyurethane resin solution.

이렇게 분산된 이차혼합액은 편평한 형태를 갖춘 틀에 부어서 필름 형태를 형성하도록 하고 휘발성 분산제를 증발시킴으로써 경화하여 면상 발열체 필름을 형성한다.The secondary mixed liquid thus dispersed is poured into a frame having a flat shape to form a film form, and the volatile dispersant is evaporated to form a planar heating film.

이렇게 형성된 면상 발열체 필름에는 표면의 일부에 전도성 잉크를 도포하고 경화하여 접속 전극을 형성할 수 있다.A conductive ink may be applied to a part of the surface of the thus-formed surface heating element film and cured to form a connection electrode.

이상 설명한 본 발명에 따른 면상발열체 필름과 그 제조 방법에 따르면, 탄소나노필름의 층, 동선을 포함하는 전원공급을 위한 층, 보호를 위한 피복층 및 이들 층들을 서로 접합하기 위한 접착제층과 같은 다층의 구성을 갖는 일이 없이, 탄소나노튜브에 대한 피복으로서도 기능하는 폴리우레탄 수지 내에 탄소나노튜브가 균일하게 분산되는 필름을 형성할 수 있다.According to the surface heating film and the method for manufacturing the same according to the present invention described above, it is possible to provide a multilayered film of carbon nanofilm, a layer for power supply including a copper wire, a coating layer for protection, and an adhesive layer It is possible to form a film in which the carbon nanotubes are uniformly dispersed in the polyurethane resin which also functions as a coating for the carbon nanotubes.

이러한 본 발명의 면상 발열체 필름은 간단한 구성을 갖는 것은 물론이고, 탄소나노튜브가 균일하게 분산되어 전기 전도도가 향상되고, 이것이 분산된 폴리우레탄 수지 사이에 공극 등이 없으므로 열 전도도 및 전기 전도도가 향상되어 발열 및 전열 효율이 높아지게 된다.The surface heating film of the present invention has not only a simple structure but also the carbon nanotubes are uniformly dispersed to improve electrical conductivity and thermal conductivity and electric conductivity are improved because there is no gap or the like between dispersed polyurethane resins Heat generation efficiency and heat transfer efficiency become high.

특히 여러개의 층을 별개로 형성하고 접착하는 일이 없으므로 제조 원가가 낮아지고 제품의 신뢰도 및 내구성이 향상된다.In particular, since a plurality of layers are not separately formed and adhered, the manufacturing cost is lowered and the reliability and durability of the product are improved.

도 1은 문헌 2에 따른 종래 기술의 면상 발열체의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 2는 본 발명에 관한 면상 발열체의 제조에 사용한 재료의 함량을 보여주는 표이다.
도 3은 도 2에 표시한 재료 함량으로 제조된 면상발열체 필름을 보여주는 사진이다.
도 4a 내지 도 4b는 도 3의 면상 발열체 필름에서 탄소나노튜브의 함량 및 전극 간의 거리에 따른 전기 저항값을 보여주는 표이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 면상 발열체 필름의 발열 거동을 보여주는 그래프이다.
1 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional surface heating element according to Document 2.
2 is a table showing the content of the material used in the production of the planar heating element according to the present invention.
Fig. 3 is a photograph showing a surface heating element film produced with the material content shown in Fig.
4A and 4B are graphs showing electric resistance values according to the content of carbon nanotubes and the distance between electrodes in the planar heating film of FIG.
5A and 5B are graphs showing exothermic behavior of a planar heating element film according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 면상 발열체의 일 실시예의 구체적인 구성 및 이를 제조하는 방법의 일 실시예에 대해 구체적으로 설명한다.Hereinafter, an embodiment of a planar heating element according to the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

발열체인 탄소나노튜브는 화학기상증착법에 의해 제조되는 것으로서 직경이 9.5 nm, 평균 길이는 1.5 , 카본 순도는 90 %인 것을 사용하였다.Carbon nanotubes, which are heating elements, were produced by chemical vapor deposition and had a diameter of 9.5 nm, an average length of 1.5, and a carbon purity of 90%.

탄소나노튜브는 큰 종횡비(aspect ratio)로 인해 복합체 내에 3차원적으로 균일한 분산이 이루어졌을 경우 전기 전도 경로가 형성되어 적은 함량만으로도 전기전도도가 급격히 상승하는 'Percolation threshold'가 발생한다. 탄소나노튜브의 전기전도도는 구리와 비슷한 1011 A/m2이며, 열전도성은 다이아몬드보다 높은 3000~6000 W/m이다. 또한 방열과 발열 특성이 있어서 면상발열체로의 재료로서 좋은 재료이다.When the carbon nanotubes are uniformly dispersed in a three-dimensional manner due to a large aspect ratio, an electrical conduction path is formed and a 'Percolation threshold' occurs in which electrical conductivity is rapidly increased only with a small amount of the carbon nanotubes. The electrical conductivity of carbon nanotubes is 10 11 A / m 2, which is similar to that of copper, and the thermal conductivity is 3000 ~ 6000 W / m higher than that of diamond. It is also a good material as a material for surface heating elements because it has heat dissipation and exothermic characteristics.

면상발열체 필름의 형성을 위한 분산제, 충진제 및 피복제로서 고분자 수지 중의 하나인 폴리우레탄 수지를 사용하였다. 폴리우레탄 수지는 뛰어난 신축성을 가지고 있어 필름으로 형성할 때에 높은 유연성을 나타내기 때문이다. A dispersing agent for forming a planar heating element film, a filler, and a polyurethane resin, which is one of polymer resins, as a coating agent. This is because the polyurethane resin has excellent stretchability and exhibits high flexibility when formed into a film.

면상발열체의 제조를 위한 각 재료의 조성을 도 2에 도시하였다. 우선 탄소나노튜브는 0 ~ 8 중량%의 조성 범위에서 첨가하였다. 250 ml의 비커에 조성함량에 맞게 탄소나노튜브 분말과 휘발성 분산제로서 메틸에틸케톤(Methyl ethyl ketone) 용액을 넣어 혼합한다. The composition of each material for producing the planar heating element is shown in Fig. First, carbon nanotubes were added in a composition range of 0 to 8 wt%. Into a 250 ml beaker, add carbon nanotube powder and methyl ethyl ketone solution as volatile dispersing agent according to the composition.

탄소나노튜브는 그 구조상 튜브가 서로 실타래처럼 엉켜있지만, 균일한 분산이 이루어졌을 경우 탄소나노튜브 사이에 전도 경로가 형성되어 적은 함량만으로도 전기전도도가 급격히 상승하는 'Percolation threshold'가 발생한다.The carbon nanotubes are entangled like a thread in their structure, but when uniformly dispersed, a conduction path is formed between the carbon nanotubes, and a 'Percolation threshold' occurs in which the electrical conductivity increases rapidly only with a small amount of carbon nanotubes.

탄소나노튜브와 메틸에틸케톤의 일차 혼합액을 초음파분산장치를 통하여 초음파를 인가하는 상태로 5분간 두어 혼합액 내에서 탄소나노튜브가 균일하게 분산되도록 하였다.The primary mixture of carbon nanotubes and methyl ethyl ketone was placed in an ultrasonic dispersion apparatus for 5 minutes while applying ultrasonic waves to uniformly disperse the carbon nanotubes in the mixture.

탄소나노튜브가 균일하게 분산된 일차 혼합액을 도 2에 도시한 조성비에 맞추어 폴리우레탄 수지 용액과 혼합하여 이차혼합액을 만들고, 이차혼합액에 마그네틱 바를 넣고 교반 장치에 두어 8시간 동안 교반하였다.The primary mixture solution in which the carbon nanotubes were uniformly dispersed was mixed with the polyurethane resin solution in accordance with the composition ratio shown in FIG. 2 to prepare a secondary mixture solution, and the magnetic bar was added to the secondary mixture solution, and the mixture was stirred for 8 hours.

교반이 완료된 탄소나노튜브-메틸에틸케톤-폴리우레탄 용액의 이차혼합액을 필름 형태로 만들기 위하여 30 cm × 30cm 크기의 유리판 위에 붓는 방식으로 주조하여 필름 형태가 되게 하였다. The secondary mixture of the carbon nanotube-methyl ethyl ketone-polyurethane solution, which had been stirred, was poured onto a 30 cm x 30 cm glass plate to form a film.

필름 형태로 된 이차혼합액을 진공 건조기에 넣고 60 ℃의 온도 하에서 2 시간동안 건조시켜서 휘발성 분산제인 메틸에틸케톤을 증발시켜 필름 형태로 경화함으로써 면상발열체의 필름을 제조하였다. The secondary mixed solution in the form of a film was placed in a vacuum drier and dried at a temperature of 60 ° C for 2 hours to evaporate methyl ethyl ketone as a volatile dispersant to be cured in a film form to prepare a film of a planar heating element.

이렇게 제조된 필름의 사진을 도 3에 도시하였다. 도 3에서는 필름에 함유된 카본나노튜브의 함유량에 따라, 왼쪽으로부터 각각 카본나노튜브가 함유되지 않은 폴리우레탄 필름(PU 필름), 2 중량%가 함유된 필름(PU-CNT2), 4 중량%가 함유된 필름(PU-CNT4), 6 중량%가 함유된 필름(PU-CNT6), 8 중량%가 함유된 필름(PU-CNT8)의 사진을 보여준다.A photograph of the thus produced film is shown in Fig. 3, a polyurethane film (PU film) containing no carbon nanotubes, a film containing 2 wt% (PU-CNT2), and 4 wt% of carbon nanotubes (PU-CNT4), a film containing 6 wt% (PU-CNT6), and a film containing 8 wt% (PU-CNT8).

면상발열체 필름에 바로 전원을 연결하여도 발열을 하여 발열체로서 기능하지만 전력 공급을 효율성을 높이기 위하여 필름 표면에 전도성 잉크로서 은페이스트를 간격을 두고 전극 형태로 도포하고 경화함으로써 면상발열체 필름의 표면에 접속 전극을 형성하였다. In order to increase the power supply efficiency, silver paste is applied as conductive ink to the surface of the film in an electrode form and cured to connect to the surface of the surface heating film Electrodes were formed.

면상발열체 필름의 성능을 확인하기 위하여 저항 측정 및 발열 실험을 실시하였다. Resistance measurement and heat generation test were carried out to confirm the performance of the surface heating film.

저항 측정은 'GWINSTEK'에서 모델명 'GDM-8245'로 시판하는 것으로서 사용범위가 3kΩ ~ 250kΩ인 디지털 멀티메타를 이용하였다. 각 필름 (PU-CNT2,4,6,8 wt%)에 대해 10회씩 반복 측정을 하였다. 'DIGITAL'에서 모델명 'LP303-TP'로 시판하는 전원공급장치(사용범위; 직렬모드, 0~30V/0~0.15A)로 전기를 공급하고 'BENETECH'에서 모델명 'MG550'으로 시판하는 적외선 온도계(사용범위; 0 ~ 200)와 열화상 카메라로 온도를 측정하였다.The resistance measurement is a digital multimeter with a range of 3 kΩ to 250 kΩ available from GWINSTEK under the model name 'GDM-8245'. Each film (PU-CNT2, 4, 6, 8 wt%) was repeatedly measured 10 times. Infrared thermometer supplied from 'BENETECH' to model 'MG550' with electricity supplied from DIGITAL to LP303-TP (operating range: serial mode, 0 ~ 30V / 0 ~ 0.15A) (Range of use: 0 ~ 200) and a thermal camera.

도 4a, 도 4b, 도 4c, 도 4d에 각각 도시한 표와 같이 면상 발열체 필름의 저항측정 결과 탄소나노튜브가 2 중량% 함유된 면상 발열체 필름의 평균 저항 값은 전극 간격에 따라 149 ~ 225 kΩ으로 나타났다(도 4a). 4 중량% 면상 발열체 필름의 평균 저항 값은 전극 간격에 따라 47.1~103.1kΩ으로 나타났다(도 4b). 6 중량% 면상 발열체 필름의 평균 저항 값은 전극 간격에 따라 13,5~34.4 kΩ으로 나타났다(도 4c). 8 중량% 면상발열체 필름의 평균 저항 값은 전극 간격에 따라 6.4~34.4 kΩ으로 나타났다(도 4d). 측정값을 확인한 결과 탄소나노튜브의 함량이 높아질수록 저항 값이 낮아졌으며, 전극 간격이 멀어질수록 저항이 커졌다.As shown in the tables of FIGS. 4A, 4B, 4C, and 4D, the average resistance value of the plane heating element film containing 2 wt% of carbon nanotubes as a result of resistance measurement of the plane heating element film was 149 to 225 kΩ (Fig. 4A). The average resistance value of the 4 wt% surface heating element film was 47.1 to 103.1 k? According to the electrode interval (Fig. 4B). The average resistance value of the 6 wt% area heating film was 13.5 ~ 34.4 k? Depending on the electrode interval (Fig. 4C). The average resistance value of the 8 wt% surface heating element film was 6.4 to 34.4 k? According to the electrode interval (Fig. 4D). As the carbon nanotubes content increased, the resistance value decreased. As the distance between the electrodes increased, the resistance increased.

탄소나노튜브 함유량과 전극 간의 간격에 따른 'Percolation'은 탄소나노튜브를 첨가하지 않은 폴리우레탄 수지의 저항 값은 1012Ω이고 탄소나노튜브를 첨가했을 때 저항 값은 103~106Ω으로 감소하였다. 즉 106~109Ω 만큼 감소한 것이다.The 'Percolation' according to the carbon nanotube content and the distance between the electrodes is 10 12 Ω for the polyurethane resin without the carbon nanotubes, and the resistance value is decreased to 10 3 ~ 10 6 Ω when the carbon nanotubes are added. Respectively. That is, 10 6 to 10 9 Ω.

면상발열체 필름에 전력을 공급하여 탄소 나노 튜브 함량에 따른 발열 거동측정하였다. 2 ~ 4 중량% 면상발열체 필름은 저항 값이 109 ~ 47.1 kΩ으로 높아 발열 거동이 나타나지 않았다. 그러나 6 ~ 8 중량% 면상발열체 필름은 6 중량% 일 때 평균 저항 값은 13.5 kΩ이고 8 중량%일 때의 평균 저항 값은 6.4 kΩ으로 나타났다. 6 중량%일 때와 8 중량%일 때의 발열 거동을 각각 도 5a와 도 5b에 도시하였다. The exothermic behavior was measured according to the carbon nanotube content by supplying electric power to the surface heating film. 2 to 4 wt% The surface heating film had a high resistance value of 10 9 to 47.1 k?, So that no exothermic behavior was observed. However, the 6 to 8 wt% surface heating film had an average resistance value of 13.5 kΩ when it was 6 wt% and an average resistance value of 6.4 kΩ when it was 8 wt%. The exothermic behavior at 6 wt% and 8 wt% is shown in Figs. 5A and 5B, respectively.

결론적으로, 탄소나노튜브와 폴리우레탄을 이용하여 면상발열체 필름을 제조하고, 탄소나노튜브의 함량에 따른 전기 저항 및 발열을 측정하였다. 그 결과, 탄소나노튜브 함량이 증가할수록 저항이 감소하였고, 전극 간격이 증가할수록 저항 값이 증가함을 확인할 수 있었다. 즉 함량은 높고, 간격은 좁을수록 저항 값이 낮음을 확인하였다. In conclusion, the surface heating film was fabricated by using carbon nanotubes and polyurethane, and electric resistance and heat generation according to the contents of carbon nanotubes were measured. As a result, the resistance decreased as the carbon nanotube content increased, and the resistance value increased as the electrode gap increased. That is, the content is high and the resistance value is low as the gap is narrowed.

또한, 발열 시험에서는 탄소나노튜브의 함량이 2 ~ 4 중량%일 경우 평균 저항 값의 범위는 47.1 ~ 225 kΩ이었으며 발열 거동이 나타나지 않아서, 이는 발열체로서 사용할 수 없다는 점을 확인하였다. 그러나 탄소나노튜브의 함량이 6 ~ 8 중량%일 때는 3 ~ 24 V의 전압을 인가할 때에 50 ~ 200 ℃ 까지의 온도 범위에서 발열을 하여, 면상 발열체로서 다양한 용도에 사용할 수 있음을 확인하였다.Also, in the exothermic test, when the content of carbon nanotubes was 2 to 4 wt%, the average resistance value was in the range of 47.1 to 225 kΩ, and the exothermic behavior was not observed, and thus it was confirmed that it could not be used as a heating element. However, when the content of the carbon nanotubes is 6 to 8% by weight, when the voltage of 3 to 24 V is applied, the carbon nanotube generates heat in a temperature range of 50 to 200 ° C, and thus it can be used for various purposes as an area heating element.

이상 본 발명에 따라 제조된 탄소나노튜브 및 그 제조 방법을 설명하였으며, 본 발명은 이러한 실시예에 한정하지 않고, 특허청구의 범위에 기재한 범위에서 다양한 변경과 변형이 가능하다.The carbon nanotubes manufactured according to the present invention and the method of manufacturing the carbon nanotubes have been described above, and the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and variations are possible within the scope of the claims.

Claims (5)

면상발열체 필름으로서,
폴리우레탄 수지에 탄소나노튜브가 분산되고 평면상으로 형성되며, 외부 전원에 접속하기 위한 접속 전극이 형성되고, 전체 중량에 대한 탄소나노튜트의 함량이 6 ~ 8 중량%인 것인 면상발열체 필름.
As a planar heating element film,
Wherein the carbon nanotubes are dispersed in a polyurethane resin and formed in a plane, a connection electrode for connection to an external power source is formed, and a content of carbon nanotubes relative to the total weight is 6 to 8 wt%.
청구항 1에 있어서,
접속 전극은 면상발열체 필름의 표면에 도포되는 도전성 잉크로 형성되는 것인 면상 발열체 필름.
The method according to claim 1,
Wherein the connection electrode is formed of a conductive ink applied to a surface of the planar heating element film.
청구항 1 또는 청구항 2에 따른 면상발열체 필름의 제조 방법으로서,
탄소나노튜브의 분말을 휘발성 분산제에 혼합하고 교반하여 휘발성 분산제에 탄소나노튜브가 분산된 일차 혼합액을 형성하는 단계;
일차 혼합액과 우레탄 수지 용액을 혼합하고 교반하여 이차혼합액을 형성하는 단계;
이차 혼합액을 면상의 필름 형태로 주조하하는 단계;
면상 필름 형태로 경화된 이차혼합물의 경화물에서 휘발성 분산제가 휘발하도록 건조하여 경화시키는 단계
경화된 이차 혼합물의 면상 필름에 전도성 물질을 도포하여 접속 전극을 형성하여 면상 발열체 필름을 형성하는 단계
를 포함하는 것인 면상발열체 필름의 제조 방법.
A method for producing a planar heating element film according to claim 1 or 2,
Mixing a carbon nanotube powder with a volatile dispersant and stirring the carbon nanotube powder to form a primary mixture liquid in which carbon nanotubes are dispersed in a volatile dispersant;
Mixing the primary mixture liquid and the urethane resin solution and stirring to form a secondary mixture liquid;
Casting the secondary mixed liquid into a film form in a plane;
Drying and volatilizing the volatile dispersant in the cured product of the secondary mixture cured in the form of a film in the form of a film
Applying a conductive material to the planar film of the cured secondary mixture to form a connection electrode to form a planar heating element film
Wherein the film has a thickness of 100 mu m or less.
청구항 3에 있어서,
상기 일차혼합액을 형성하는 단계에서는 탄소나노튜브 분말을 메틸에틸케톤 용액과 혼합하고 초음파를 인가하여 탄소나노튜브 분말을 메틸에틸케톤 용액 내에 분산시키는 것인 면상발열체 필름의 제조 방법.
The method of claim 3,
Wherein the carbon nanotube powder is dispersed in a methyl ethyl ketone solution by mixing the carbon nanotube powder with a methyl ethyl ketone solution and applying ultrasound to the carbon nanotube powder to form the primary mixed solution.
청구항 3에 있어서,
상기 이차혼합액을 형성하는 단계에서는 일차 혼합액에 폴리우레탄 수지 용액을 첨가하고 마그네틱 바를 넣어 교반하는 것인 면상발열체 필름의 제조 방법.




The method of claim 3,
Wherein a polyurethane resin solution is added to the primary mixture solution and the magnetic bar is added to the secondary mixture solution to form the secondary mixture solution.




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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110144068A (en) * 2018-03-26 2019-08-20 永康郑金电子科技有限公司 CNT compound material heater and its manufacturing method and application
CN112543518A (en) * 2020-12-03 2021-03-23 元普(苏州)新材料科技有限公司 Graphene flexible heating material and preparation method thereof
CN114258167A (en) * 2020-09-23 2022-03-29 天津工业大学 Preparation method of carbon nanotube/glass fiber cloth flexible film heater

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110144068A (en) * 2018-03-26 2019-08-20 永康郑金电子科技有限公司 CNT compound material heater and its manufacturing method and application
CN114258167A (en) * 2020-09-23 2022-03-29 天津工业大学 Preparation method of carbon nanotube/glass fiber cloth flexible film heater
CN112543518A (en) * 2020-12-03 2021-03-23 元普(苏州)新材料科技有限公司 Graphene flexible heating material and preparation method thereof
CN112543518B (en) * 2020-12-03 2021-06-25 元普(苏州)新材料科技有限公司 Graphene flexible heating material and preparation method thereof

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