KR100749886B1 - 탄소나노튜브를 이용한 발열체 - Google Patents

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Abstract

탄소나노튜브를 이용한 발열체가 개시된다. 본 발명의 탄소나노튜브를 이용한 발열체는, 내열성을 갖는 내열성 기재; 내열성 기재의 적어도 어느 일면에 형성되는 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube) 코팅층; 및 탄소나노튜브 코팅층에 전기적으로 연결되며, 전원에 접속 시 탄소나노튜브 코팅층의 발열을 유도하는 한 쌍의 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 내열성 기재에 탄소나노튜브를 코팅하는 간단한 제조 공정으로 제조할 수 있고 전체 제조시간을 종래 보다 줄일 수 있을 뿐만 아니라 형상과 치수 변경이 용이하며, 다른 형태 및 다른 재질의 발열체보다 발열 효율이 높다.
발열체, 탄소나노튜브, 발열저항

Description

탄소나노튜브를 이용한 발열체{Heating element using Carbon Nano tube}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 발열체의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 발열체의 제조 공정 흐름도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 발열체 11 : 내열성 기재
12 : 탄소나노튜브 코팅층 13 : 전극
14 : 구리 리드선 15 : 절연코팅층
본 발명은 탄소나노튜브를 이용한 발열체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 내열성 기재에 탄소나노튜브를 코팅하는 간단한 제조 공정으로 제조할 수 있으며, 다른 형태 및 다른 재질의 발열체보다 발열 효율이 높은 탄소나노튜브를 이용한 발열체에 관한 것이다.
일반적으로 발열체란 전기에너지를 열에너지로 바꾸어 그 열을 외부로 복사하여 에너지를 전달하는 물체이다. 이러한 발열체는 각종 가전제품 또는 산업분야 일반에 걸쳐 널리 이용되고 있다.
발열체를 그 재질에 따라 분류하면 크게 금속발열체, 비금속발열체, 기타발열체로 나눌 수 있다. 초기 발열체의 주류를 이루는 금속발열체는 Fe-Cr-Al계, Ni-Cr계 그리고 고융점 금속(백금, Mo, W, Ta 등)이 있으며 MgO 등의 무기절연물을 충전한 금속관의 표면에 원적외선 방사물질을 표면 처리한 것이다. 비금속발열체로는 탄화규소, 몰리브덴 실리사이드, 란탄크로마이트, 카본, 지르코니아 등이 이용된다. 기타발열체로는 세라믹스재질, 탄산바륨, 후막 저항(thick film resistor) 등이 이용된다.
발열체를 그 외적 형태에 따라 분류할 때, 흔히 열선이라고 일컫는 선형의 발열체와 면상발열체로 나눌 수 있다. 선형의 발열체의 대표적인 예로 필라멘트와 니크롬선을 들 수 있다. 그리고 면상발열체란 얇은 면상의 전도성 발열체 위에 금속 전극을 양 끝에 설치한 후 절연재로 절연 처리하여 면 전체에서 발열하는 발열체를 총칭하는데, 이에는 금속박판을 이용한 것, 발열도료(카본블랙)를 이용한 것, 탄소섬유를 이용한 것 등이 있다.
최근 에너지 절약과 환경 문제에 대한 새로운 인식으로 인해 많은 국가에서 발열체의 제조 및 응용분야에 대한 많은 연구가 이루어지고 있다.
종래의 발열체의 발열저항부로 니켈과 크롬을 합금시킨 니크롬선이 흔히 사용되었다. 이러한 니크롬선 발열체는 전기가 하나의 선을 통하여 흐르기 때문에 발 열선의 어느 한 부분이라도 끊어지면 전기가 통하지 않고 사용하면서 시간이 경과함에 따라 산화반응으로 인해 니크롬선이 가늘어져 온도 제어가 어려워지고 수명이 단축되는 문제점이 있다.
다른 발열체의 형태 중, 세라믹 발열체가 있는데 이는 세라믹 슬러리를 이용하여 연질상태의 그린시트를 만들고 그린시트를 적정 크기로 절단한 다음, 그 표면에 금속페이스트를 이용하여 저항을 인쇄하고, 저항이 인쇄된 그린시트와 저항이 인쇄되지 않은 그린시트를 적층하여 열간 압축한 후, 1400℃ ~ 1700℃의 온도로 소성하여 제조하게 된다.
그런데, 세라믹 슬러리를 이용한 종래의 발열체에 있어서는, 그린시트를 압착하기 위한 별도의 전용 설비가 필요하기 때문에 상당한 설비 투자비용이 필요하고, 소성 온도가 높아야 함과 동시에 24시간 이상의 시간이 소요됨으로써 제조 공정이 길어지는 문제점이 있다.
또한 소성과정에서 약 15% 정도의 체적이 수축됨으로써 정밀한 치수 제어가 어렵고, 소성과정에서 그린시트에 함유된 다량의 결정제 등이 불완전연소에 의해 잔류 탄소로 존재하여 발열체의 전기적 저항과 내전압 특성에 치명적인 악영향을 주는 문제점이 있다.
이상과 같이 종래의 발열체에 있어서는, 전체적인 제조 시간이 과다하게 소요되고 제조 과정이 복잡하며 형상과 치수 변경이 용이하지 못하고 투자비가 높은 등의 이유로 인하여 좋은 생산성 및 품질을 실현하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 내열성 기재에 탄소나노튜브를 코팅하는 간단한 제조 공정으로 제조할 수 있고 전체 제조시간을 종래 보다 줄일 수 있을 뿐만 아니라 형상과 치수 변경이 용이하며, 다른 형태 및 다른 재질의 발열체보다 발열 효율이 높은 탄소나노튜브를 이용한 발열체를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 고열의 발열을 구현할 때 바인더가 열 분해되는 현상이 거의 발생되지 않도록 하여 고열의 발열을 구현할 때 거의 반영구적으로 사용할 수 있는 탄소나노튜브를 이용한 발열체를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 내열성을 갖는 내열성 기재; 상기 내열성 기재의 적어도 어느 일면에 형성되는 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano tube) 코팅층; 및 상기 탄소나노튜브 코팅층에 전기적으로 연결되며, 전원에 접속 시 상기 탄소나노튜브 코팅층의 발열을 유도하는 한 쌍의 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 발열체에 의해 달성된다.
여기서, 상기 탄소나노튜브 코팅층은 상기 내열성 기재의 일면에 탄소나노튜브 분산액을 분사하여 형성할 수 있다.
상기 발열체는 탄소나노튜브 코팅층의 상면에 형성되어 상기 탄소나노튜브 코팅층을 전기적으로 절연시키는 절연코팅층을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 절연코팅층은 세라믹 접착제일 수 있다. 이때, 상기 발열체는 상기 한 쌍의 전극에 전기적으로 연결되는 구리 리드선을 더 포함할 수 있고 상기 구리 리드선은 상기 탄소나노튜브 코팅층과 상기 절연코팅층 사이에 배치될 수 있다.
상기 내열성 기재는 알루미나(aluminum oxide) 및 지르코늄(zirconium) 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 내열성 기재는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, polyethylene terepht-halate), 폴리에틸렌나이트레이트(PEN, polyethylene nitrate) 및 아미드(amide) 필름 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 각 실시예에 대해 상세히 설명한다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 발열체의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1의 분해 사시도이다. 이들 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소나노튜브를 이용한 발열체(10)는, 내열성 기재(11)와, 탄소나노튜브 코팅층(12)과, 전극(13)과, 구리 리드선(14) 및 절연코팅층(15)을 구비한다.
내열성 기재(11)는 발열체(10)의 외형적 틀을 형성하는 부분이다. 발열체(10)가 이용되는 용도 또는 사용 위치에 따라 두께와 모양이 적절하게 조절될 수 있다. 일반적으로 탄소나노튜브 코팅층(12), 전극(13), 구리 리드선(14) 및 절연코팅층(15)이 내열성 기재(11)의 두께보다 얇기 때문에 발열체(10)의 두께의 대부분은 내열성 기재(11)가 차지하게 된다.
본 실시예의 경우, 내열성 기재(11)는 소정의 두께를 갖는 사각형의 평평한 판 모양을 하고 있다. 하지만 발열 저항체가 되는 탄소나노튜브 분사액을 스프레이 방식으로 내열성 기재(11)에 코팅하므로, 필요시 굴곡이 있는 곡면은 물론 그 밖의 여러 가지 형상으로 다양하게 변형될 수 있다.
내열성 기재(11)는 100℃ ~ 400℃의 고온 발열을 구현하는 발열체(10)에 대해서는 세라믹 종류인 알루미나(aluminum oxide) 또는 지르코늄(zirconium) 등이 주로 사용되고, 40℃ ~ 100℃의 저온 발열을 구현하는 발열체(10)에 대해서는 폴리에테르텔레프탈라이(PET, polyethylene terephthalate), 폴리에틸렌나이트레이트(PEN, polyethylene nitrate) 및 아미드(amide) 필름 중에서 선택된 어느 하나가 주로 사용될 수 있다. 이러한 내열성 기재(11)의 표면은 나노 크기의 탄소나노튜브 입자가 용이하게 자리잡을 수 있도록 미세기공이 많은 것이 바람직하다.
한편, 탄소나노튜브 코팅층(12)은 내열성 기재(11)의 일면에 형성된다. 탄소나노튜브 코팅층(12)은 탄소나노튜브 분산액 상태에서 스프레이 방식으로 내열성 기재(11)의 일면에 코팅된다. 이 때, 유기바인더가 사용되지 않아도 되므로 고온 발열을 구현함에 있어 유기바인더가 열분해 되는 현상이 없게 되어 고열의 발열을 구현하더라도 반영구적으로 사용될 수 있다. 다시 말해, 발열저항체의 역할을 하는 탄소나노튜브 코팅층(12)이 유기바인더를 포함하고 있으면 유기바인더의 내열온도 이상으로 발열하지 못하게 되는데, 본 발명에서는 유기바인더가 사용되지 않으므로 내열성 기재(11)의 내열온도 내에서 발열 특성을 구현할 수 있게 된다.
이러한 탄소나노튜브 코팅층(12)의 단위면적당 코팅 질량은 4g ~ 10g/㎡인데, 본 실시예에서는 4g ~ 7g/㎡의 질량으로 코팅되어 있다.
참고로, 탄소나노튜브에 대해 부연하면 다음과 같다. 탄소나노튜브는 수 내지 수 백 마이크로미터(㎛)의 직경과 수 내지 수백 마이크로미터(㎛)의 길이를 가 진 비등방성의 소재이다. 탄소나노튜브에서 하나의 탄소원자는 3개의 다른 탄소원자와 결합되어 있고 육각형의 벌집무늬를 이루고 있다. 평평한 종이 위에 이러한 벌집무늬를 그린 다음 종이를 둥글게 말면 나노튜브 구조가 된다. 즉 나노튜브 하나는 속이 빈 튜브 혹은 실린더와 같은 모양을 갖고 있다. 이것을 나노튜브라고 부르는 이유는 그 튜브의 직경이 보통 1나노미터(10억분의 1미터) 정도로 작기 때문이다. 종이에 벌집무늬를 그리고 둥글게 말면 나노튜브가 되는데 이때 종이를 어느 각도로 말 것인가에 따라서 탄소나노튜브는 금속과 같은 전기적 도체(Armchair)가 되기도 하고 반도체(ZigZag 구조)가 되기도 한다.
탄소나노튜브는 우수한 기계적 특성, 전기적 선택성, 뛰어난 전계방출 특성, 고효율의 수소저장 매체적 특성 등을 지니고 있어 꿈의 신소재로 각광을 받고 있다. 고도의 합성기술에 의해 제조되며, 합성방법으로는 전기방전법, 열분해법, 레이저증착법, 플라즈마 화학 기상 증착법, 열화학기상증착법, 전기분해방법 등이 있다. 탄소나노튜브는 각종 장치의 전자방출원(electron emitter), VFD(vacuum fluorescent display), 백색광원, FED(field emission display), 리튬이온 2차전지전극, 수소저장 연료전지, 나노 와이어, 나노 캡슐, 나노 핀셋, AFM/STM tip, 단전자 소자, 가스센서, 의·공학용 미세 부품, 고기능 복합체 등에서 무한한 응용 가능성을 보여주고 있다.
한편, 전극(13)은 한 쌍을 이루어 탄소나노튜브 코팅층(12)에 전기적으로 연결된다. 즉, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 전극(13)은 전극들(13) 간에 소정의 이격 간격을 둔 상태에서 탄소나노튜브 코팅층(12)에 전기적으로 연결된 다.
전극(13)은, 은(Ag)을 이용하여 제작될 수 있으며, 그 형태는 도시된 바와 같이 직사각형의 판 형태에 준한다. 하지만 전극(13)의 형상 역시, 필요에 따라 적절하게 변형될 수 있다. 이러한 전극(13)을 통해 탄소나노튜브 코팅층(12)에 전원이 인가됨으로써 탄소나노튜브 코팅층(12)이 발열하게 된다.
구리 리드선(14)은 전극(13)과 마찬가지로 한 쌍으로 마련되어 각 전극(13)의 상부에 접촉 배치된다. 구리 리드선(14)은 전극(13)을 전원과 연결시키는 접속단자의 역할을 한다.
이러한 구리 리드선(14)은 전극(13)과 실질적으로 유사한 면적으로 제조되어 전극들(13)의 상부에 각각 접촉 배치된다. 이 때, 구리 리드선(14)들은 각 전극(13)의 상면에서 전극(13)과 동일한 위치로 포개지지 않고, 각 전극(13)의 상면에서 일측으로 좀 더 치우치도록 배치된다. 따라서 도 1을 참조하면 구리 리드선(14)이 전극(13)보다 좀 더 노출된 상태가 된다. 하지만 이 역시 하나의 실시예에 불과한 바, 구리 리드선(14)들과 전극들(13)을 완전히 동일하게 포개어 제작할 수도 있다. 도면을 보면, 구리 리드선(14) 역시 직사각형의 판 형태로 되어 있으나, 전극(13)과 마찬가지로 필요에 따라 다양하게 변현될 수 있다.
절연코팅층(15)은 탄소나노튜브 코팅층(12)의 상면에 형성된다. 절연코팅층(15)이 형성됨으로써 절연코팅층(15)과 탄소나노튜브 코팅층(12) 사이에 전극(13)과 구리 리드선(14)이 배치된다.
절연코팅층(15)의 재료로는 내열성 기재(11)의 내열성과 동등하거나 그 이상 의 내열성을 갖는 유기 또는 무기물질이 이용될 수 있는데, 바람직하게는 세라믹 접착제가 사용될 수 있다. 절연코팅층(15)에 의해 전극(13) 및 탄소나노튜브 코팅층(14)이 전기적으로 절연되고, 또한 탄소나노튜브 코팅층(12)이 산소와 접촉할 수 없게 되므로 산화가 방지된다.
이러한 구성을 갖는 탄소나노튜브를 이용한 발열체(10)의 제조 공정에 대해 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 탄소나노튜브를 물 등의 액체와 혼합하여 분사하기 적당한 상태의 분산액을 만들고(S100), 만들어진 탄소나노튜브 분산액을 스프레이 분사 방식 등으로 내열성 기재(11)의 일면에 분사하여 탄소나노튜브 코팅층(12)을 형성한다(S200).
그런 다음, 탄소나노튜브 코팅층(12)의 일면에 한 쌍의 전극(13)을 상호 이격시켜 배치 형성하고(S300), 전극(13)의 상면으로 한 쌍의 구리 리드선(14)을 형성한다(S400). 이 때는, 전술한 바와 같이, 구리 리드선(14)들이 전극들(13)보다 좀 더 돌출되도록 한다.
마지막으로, 전극(13)과 구리 리드선(14)을 사이에 두고 탄소나노튜브 코팅층(12)에 절연코팅층(15)을 형성함으로써(S500), 탄소나노튜브를 이용한 발열체(10)의 제조가 완료된다.
그러면, 위의 방법으로 제조될 수 있는 발열체(10)를 이용하여 표면의 발열온도를 측정한 실시예들에 대해 설명하면 다음과 같다.
[실시예 1]
내열성 기재(11)로 세라믹 기판을 사용한 후, 수분산 탄소나노튜브를 스프레 이 방법으로 코팅하여 표면저항을 946Ω으로 하고, 인가전압을 132V와 220V로 통전시켜 측정된 표면의 발열온도는 각각 282℃, 409℃이다.
[실시예 2]
내열성 기재(11)로 세라믹 기판을 사용한 후,G 수분산 탄소나노튜브를 스프레이 방법으로 코팅하여 표면저항을 1129Ω으로 하고, 인가전압을 132V와 220V로 하여 통전시켜 측정된 표면의 발열온도는 각각 210℃, 328℃ 이다.
[실시예 3]
내열성 기재로 세라믹 기판(11)을 사용한 후, 수분산 탄소나노튜브를 스프레이 방법으로 코팅하여 표면저항을 1274Ω으로 하고, 인가전압을 132V와 220V로 하여통전시켜 측정된 표면의 발열온도는 각각 192℃, 298℃ 이다.
[실시예 4]
내열성 기재로 세라믹 기판(11)을 사용한 후, 수분산 탄소나노튜브를 스프레이 방법으로 코팅하여 표면저항을 1416Ω으로 하고, 인가전압을 132V와 220V로 하여 통전시켜 측정된 표면의 발열온도는 각각 140℃, 257℃ 이다.
[표 1]
전압 132 V 전압 220V
표면저항 946Ω 282℃ 409℃
표면저항 1129Ω 210℃ 328℃
표면저항 1274Ω 192℃ 298℃
표면저항 1416Ω 140℃ 257℃
[표 1]은 상기 실시예 1 내지 4를 표로 정리한 것인데, [표 1]을 참조하면, 동일하게 인가된 전압에 대해 표면저항이 작을수록 고열의 발열이 가능해짐을 알 수 있고 특히, 표면저항이 946Ω인 경우 인가전압이 220V에서 409℃의 비교적 고온 의 발열이 가능함을 알 수 있다.
[실시예 5]
내열성 기재로 세라믹 기판(11)을 사용하고, 수분산 탄소나노튜브를 스프레이 방법으로 코팅하여 표면저항을 1050Ω으로 하여 인가전압을 132V와 220V로 통전시켜 표면온도와 소비전력의 값을 측정하였으며, 같은 방법으로 하여 일반 PTC 히터 발열체(BaTiO3 계열 세라믹)의 표면온도와 소비전력의 값을 측정하여 그 결과를 아래의 [표 2]로 나타내었다.
참고로, PTC(Positive Temperature Coefficieny resistor)는 티탄산바륨계 도자기로 온도가 상승하면 전기저항이 급격히 커지는 반도체 소자를 말하며 정특성 서미스터(thermistor)라고도 한다. 니크롬선과 같은 것에 대신하는 안전한 발열체다. 또 극히 단시간 동안 전류가 흐르면 전기저항이 커져서 전류가 흐르지 않게 된다는, 이른 바 스위치 작용을 이용한 것으로 텔레비전 섀도마스크(shadow mask)의 소자용, 에어컨의 모터 기동용 등의 용도도 있다. PTC를 벌집 구조로 성형하여 그 사이를 지나가는 공기 등을 직접적으로 가열할 수 있도록 한 것은 헤어드라이어나 의류건조기 등을 만드는 데 사용된다.
[표 2]
구 분 132V 220V
표면온도 소비전력 표면온도 소비전력
탄소나노튜브 발열체 220℃ 10W 340℃ 35W
PTC 세라믹 발열체 150℃ 20W 243℃ 40W
[표 2]를 살펴보면, 동일하게 인가된 전압에 대해 소비전력은 탄소나노튜브 발열체가 작은데 반해 표면온도는 오히려 탄소나노튜브 발열체가 높음을 알 수 있 다. 즉, 탄소나노튜브를 발열저항부로 사용하게 되면 PTC 세라믹보다 전력은 덜 소비하지만 표면온도는 더 높게 나타나는 것으로 보아 발열특성은 더 우수함을 알 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 내열성 기재에 탄소나노튜브를 코팅하는 간단한 제조 공정으로 제조할 수 있고 전체 제조시간을 종래 보다 줄일 수 있을 뿐만 아니라 형상과 치수 변경이 용이하며, 다른 형태 및 다른 재질의 발열체보다 발열 효율이 높다. 이에 의하여 저렴한 투자비용으로 높은 품질을 가지는 발열체가 제공될 수 있어 생산성과 품질을 향상시킬 수 있다.
또한 탄소나노튜브를 저항 발열체로 코팅함에 있어 유기 바인더를 사용하지 않고 수분산 상태의 탄소나노튜브를 사용함으로써 고열의 발열을 구현할 때 바인더가 열 분해되는 현상이 거의 발생되지 않도록 하여 고열의 발열을 구현할 때 거의 반영구적으로 사용할 수 있다

Claims (7)

  1. 내열성을 갖는 내열성 기재;
    상기 내열성 기재의 적어도 어느 일면에 형성되는 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano tube) 코팅층; 및
    상기 탄소나노튜브 코팅층에 전기적으로 연결되며, 전원에 접속 시 상기 탄소나노튜브 코팅층의 발열을 유도하는 한 쌍의 전극을 포함하며,
    상기 내열성 기재는 알루미나(aluminum oxide) 및 지르코늄(zirconium) 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 발열체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 코팅층은 상기 내열성 기재의 일면에 탄소나노튜브 분산액을 분사하여 형성한 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 발열체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 코팅층의 상면에 형성되어 상기 탄소나노튜브 코팅층을 전기적으로 절연시키는 절연코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 발열체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 절연코팅층은 세라믹 접착제인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이 용한 발열체.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 한 쌍의 전극에 전기적으로 연결되는 구리 리드선을 더 포함하며,
    상기 구리 리드선은 상기 탄소나노튜브 코팅층과 상기 절연코팅층 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 발열체.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 내열성 기재는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, polyethylene terephthalate), 폴리에틸렌나이트레이트(PEN, polyethylene nitrate) 및 아미드(amide) 필름 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 탄소나노튜브를 이용한 발열체.
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