KR102231216B1 - 금속코팅 탄소섬유를 이용한 발열복합소재의 제조방법 및 상기 제조방법에 의한 발열복합소재 - Google Patents

금속코팅 탄소섬유를 이용한 발열복합소재의 제조방법 및 상기 제조방법에 의한 발열복합소재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속코팅 탄소섬유를 이용한 발열복합소재의 제조방법, 상기 제조방법으로 제조된 발열복합소재, 상기 발열복합소재를 포함하는 성형체, 및 상기 성형체를 포함하는 발열제품을 제공하는 것이다. 본 발명의 발열복합소재는, 금속코팅탄소섬유의 다발에 수지를 함침하여 제조된 것으로, 우수한 발열 성능을 갖는다.

Description

금속코팅 탄소섬유를 이용한 발열복합소재의 제조방법 및 상기 제조방법에 의한 발열복합소재 {Method for producing heat-generating composite material using metal-coated carbon fiber and the heat-generating composite material thereby}
본 발명은 금속코팅 탄소섬유를 이용한 발열복합소재의 제조방법, 상기 제조방법으로 제조된 발열복합소재, 상기 발열복합소재를 포함하는 성형체, 및 상기 성형체를 포함하는 발열제품에 관한 것이다.
발열제품 관련시장은 건축 난방용 발열체, 사우나 및 찜질기용 발열체, 농수산물 건조 및 산업용 발열체 등으로 발열하는 제품 어디에나 적용 가능하고, 최근에는 실내 마루, 원예, 침구, 건강 기구, 축사 등에서는 에너지의 효율적인 사용을 위해 발열시트의 사용이 증가하고 있는 추세이다.
발열복합소재는 판형, 조립형, 필름, 시트로 일정한 온도가 필요한 전자제품, 난방용품, 생활용품, 의료용품, 미용용품, 기능성 의류 등 다양한 생활용품에 사용할 수 있고, 비교적 저온인 150℃ 이하의 산업용 항온유지 장치에 주로 사용되는 제품이다.
발열복합소재는 건축용 난방 분야에서 면상 발열체 범위가 확대되고 있으며 기존의 선상 발열체와 비교할 때 발열량이 높으며 신속한 난방 조절이 가능한 장점으로 인해 적용 범위가 점차 확대되고 있다. 고온 발열체 분야는 현재 금속 열선 및 ITO 나노입자 발열체가 주로 적용되는데 발열체 구조, 높은 공정 비용, 온도 제약 등으로 인해 적용 범위가 제한되고 있다.
난방 복합소재는 공기 공조 시스템, 공기 청정 시스템, 보조 난방 기구 등 현재 고온 발열체의 산업적 수요가 증가하고 있으며 저렴한 코팅 방식을 통해 다양한 기판에 적용할 수 있기 때문에 타 발열체에 비해 충분한 경쟁력을 가진다는 장점이 있다.
또한, 전기 및 하이브리드 자동차 보급과 함께 향후 이차 전지 사용량이 늘어감에 따라 베터리 효율 향상을 위해 고효율 면상 발열체 시장도 급격히 증가될 것으로 예상되고, 이 밖에도 내충격성, 유연성이 필요한 발열필름, 발열직물, 발열 고무 등 다양한 분야에 기술이 적용되어 활용될 것으로 기대된다.
국내의 발열 제품 관련 시장은 수 조원 규모로 추산되고 있고, 특히 건물 및 수송용 난방 제품의 경우 전기 스토브, 전기 장판, 전기 온열기, 전기온풍기 등이 메이져 제품군을 형성하며 연 2~3천억원 규모의 시장을 형성하고 있다.
현재 면상 발열체의 경우 저온 발열 온도의 제약으로 인해 난방 제품에 부분적으로 활용되고 있으며 연 200억 수준의 국내 시장을 형성하고 있고, 향후 고효율 발열 제품 개발 시 시장 규모를 크게 증가할 것으로 예상된다.
난방 복합소재는 기존의 금속판에 니크롬선, 탄소 섬유, 탄소나노튜브(CNT), 세라믹 분말 등을 이용해 적당한 혼합과 분산으로 일정한 전기저항을 유지할 수 있도록 소재를 제작한 상태에서 필름 형상으로 압출하여 제조하는 방법 또는 금속이나 플라스틱 지지판에 혼합 물질을 일정하게 분산시키기 위해 여러 가지 방법으로 접착시켜 일정거리에서 전기를 인가하여 발열시키는 방법으로 제작하는 방식으로 제조한다. 여기에서, 발열을 위한 혼합 물질을 보호하기 위해 이종 재질을 추가로 접착하여 다층을 갖는 발열 필름을 제조하는 방법이 주로 사용된다.
한편, 중국을 비롯한 여러 나라들이 석탄 가격이 오르면서 난방비에 부담이 가중되고 석탄을 이용한 난방은 환경오염 문제까지 대두되고 있기 때문에 발열 필름을 이용한 난방용품의 수요가 증가하고 있으며, 점차 산업이 발달하면서 상기 나열된 분야의 발열필름 수요가 점차 증가하기 때문에 전력소모가 적고 제조비용이 적게드는 발열필름의 중요성이 점점 커질 것으로 전망된다.
대한민국 등록특허 제1754924호
본 발명은 전술한 바와 같은 종래 기술상의 필요성을 해소하기 위한 것으로, 금속도금 탄소섬유 다발에 수지를 함침하여 제조된 발열 복합소재와 이의 제조방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
그러나 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 하기 단계를 포함하는, 금속코팅 탄소섬유를 이용한 발열복합소재의 제조방법을 제공한다.
금속코팅 탄소섬유를 제조하는 단계(S1);
상기 S1 단계에서 제조된 탄소섬유의 다발을 수지함침조에 통과시켜, 수지가 함침된 금속코팅 탄소섬유를 제조하는 단계(S2);
상기 S2 단계에서 제조된 탄소섬유를 냉각하여 함침된 수지를 경화하는 단계(S3);
상기 S3 단계에서 경화된 탄소섬유를 건조하는 단계(S4); 및
상기 S4 단계에서 건조된 탄소섬유를 일정한 길이로 절단하여 펠렛화하여 발열복합소재를 제조하는 단계(S5).
본 발명의 일구현예로, 상기 S1 단계는,
탄소섬유를 제1금속으로 무전해 도금하는 단계(S1-1); 및
상기 S1-1단계에서 무전해 도금된 탄소섬유를 제2금속으로 전해 도금하는 단계(S1-2)를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예로, 상기 S2 단계의 탄소섬유의 다발은, 모노필라멘트가 100 내지 50,000가닥 포함되는 것일 수 있다.
본 발명의 또다른 구현예로, 상기 S2 단계의 함침은, 0.5 내지 10 kg/cm2의 압력으로 수지가 압출되는 수지함침조에서 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 또다른 구현예로, 상기 수지는 폴리아마이드(PA), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리카보네이트(PC), 폴리염화비닐(PVC), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리스티렌(PS), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 아크릴로니트릴-스티렌 공중합체 수지(SAN), 아크릴로니트릴-스티렌-아크릴레이트 공중합체 수지(ASA), 폴리페닐렌에테르(PPE), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 및 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 열가소성 수지인 것일 수 있다.
본 발명의 또다른 구현예로, 상기 발열복합소재는, 금속코팅 탄소섬유 5 내지 40 중량% 및 수지 60 내지 95 중량%를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 또다른 구현예로, 상기 S4 단계의 건조는, 1 내지 10kg/cm2의 압력으로 가해지는 공기압 또는 100℃ 내지 150℃의 열풍을 통해 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 또다른 구현예로, 상기 S5 단계의 펠렛화는, 건조된 탄소섬유를 1 내지 15mm의 길이로 절단하는 것일 수 있다.
본 발명의 또다른 구현예로, 상기 수지는 금속, 탄소나노튜브 및 그래핀으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 소재를 더 포함하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 발열복합소재를 제공한다.
또한, 상기 발열복합소재를 용융한 후 금형에 투입하여 사출된, 성형체를 제공한다.
아울러, 상기 성형체; 및 전극이 포함되는, 발열 제품을 제공한다.
본 발명은 수지가 함침된 금속코팅 탄소섬유를 포함하는 발열복합소재의 제조방법과, 상기 발열복합소재를 통해 제조된 성형체 및 상기 성형체를 포함하는 발열 제품에 관한 것으로, 본 발명의 제조방법에 의하면, 발열복합소재 내부의 금속코팅 탄소섬유가 일정한 배열 및 일정한 길이로 포함되어, 발열 복합소재의 전기저항을 쉽게 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 발열복합소재는 일반적인 사출법을 통한 성형법으로 용이하게 제품화할 수 있기 때문에, 복잡한 형상을 1회의 공정으로 용이하게 제품화할 수 있는 것으로, 사용 용도, 환경, 발열성능, 제품의 내구성 등에 따라 제품제작이 수월한 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 발열복합소재의 제조방법과, 상기 발열복합소재를 이용한 성형체의 제조방법 및 상기 성형체를 이용한 발열제품의 제조방법을 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 발열복합소재를 제조하는 제조장치를 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 발열복합소재와 이의 단면을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 성형체에 전극을 연결한 발열량 측정을 위한 시험편을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 시험편에 전력 투입량을 변화시켜 발생하는 발열온도를 측정한 결과로, 도 5a는 0.5V, 0.89A로 전력을 투입하여 측정한 열화상 결과이고, 도 5b는 1.0V, 1.8A로 전력을 투입하여 측정한 열화상 결과이며, 도 5c는 1.5V, 2.6A로 전력을 투입하여 측정한 열화상 결과이고, 도 5d는 2.0V, 3.41A로 전력을 투입하여 측정한 열화상 결과이며, 도 5e는 2.5V, 3.92A로 전력을 투입하여 측정한 열화상 결과이고, 도 5f는 3.0V, 4.36A로 전력을 투입하여 측정한 열화상 결과이며, 도 5g는 3.5V, 4.63A로 전력을 투입하여 측정한 열화상 결과를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 설명은 특정한 실시 형태에 대해 한정되지 않으며, 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하에서 기재되는 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로 해석되어야 하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 우수한 발열 성능과 동시에, 제품화가 용이한 발열복합소재를 제조하기 위해 예의 연구한 결과, 다발형태의 금속코팅 탄소섬유에 수지를 함침시켜 펠렛형태의 발열복합소재를 제조할 경우, 발열 성능 및 물성이 모두 우수한 발열복합소재가 제조되며, 상기 발열복합소재를 통해 발열 제품으로 손쉽게 제조할 수 있다는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다. 본 발명의 발열복합소재의 제조방법과, 상기 발열복합소재를 사출성형하고, 전극을 인쇄 및 조립하여 발열 제품을 제조하는 과정을 도 1에 모식화하여 나타내었다.
즉 본 발명은 하기 단계를 포함하는, 금속코팅 탄소섬유를 이용한 발열복합소재의 제조방법을 제공한다:
금속코팅 탄소섬유를 제조하는 단계(S1);
상기 S1 단계에서 제조된 탄소섬유의 다발을 수지함침조에 통과시켜, 수지가 함침된 금속코팅 탄소섬유를 제조하는 단계(S2);
상기 S2 단계에서 제조된 탄소섬유를 냉각하여 함침된 수지를 경화하는 단계(S3);
상기 S3 단계에서 경화된 탄소섬유를 건조하는 단계(S4); 및
상기 S4 단계에서 건조된 탄소섬유를 일정한 길이로 절단하여 펠렛화하여 발열복합소재를 제조하는 단계(S5).
본 발명은, 도 2에 모식화하여 나타낸 것과 같이, 금속코팅 탄소섬유(Metal Coated Carbon Fiber:MCF)를 이용해 열가소성 수지를 섬유다발 사이에 가압 함침시켜 제조되는 발열복합소재의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에서 사용되는 금속코팅 탄소섬유는, 탄소섬유의 외경에 도금 공정을 통해 금속이 코팅된 탄소섬유라면 제한없이 이용이 가능하나, 본 발명에서 제조하고자 하는 발열 성능을 만족하기 위해서는, 무전해 도금 및 전해 도금을 통해 금속이 2중으로 코팅된 탄소섬유를 사용하는 것이 바람직하다.
보다 상세하게는, 상기 S1 단계는, 탄소섬유를 제1금속으로 무전해 도금하는 단계(S1-1); 및 상기 S1-1단계에서 무전해 도금된 탄소섬유를 제2금속으로 전해 도금하는 단계(S1-2)를 포함하는 것일 수 있다. 상기 제1금속 및 제2금속의 종류는 서로 같거나 또는 다를 수 있고, 바람직하게는 제1금속은 니켈 또는 구리, 제2금속은 니켈일 수 있다. 본 발명의 무전해 및 전해 공정은 국내등록특허 제1427309호에 제시된 방법을 통해 수행될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 S1-1 단계는 순수(pure water), 제1금속염, 착화제, 환원제, 안정제 및 pH 조절제를 포함하는 무전해 도금액에 탄소 섬유를 통과시켜 도금된 것일 수 있고, 상기 S1-2 단계는 S1-1 단계에 이어 연속적으로 수행되는 것으로 제2금속염 및 pH 완충제를 이용하여 정전압(CV, constant voltage) 5-15 Volt를 가하여 수행될 수 있으나, 상기 방법에 제한되는 것은 아니다.
상기 S1-1 단계 및 S1-2 단계 이전에, (ⅰ) 탄소 섬유를 계면활성제, 유기 용매 및 비이온 계면활성제를 포함하는 수용액에 통과시켜 탄소 섬유를 탈지 및 연화시키는 단계; (ⅱ) 상기 단계 (ⅰ)의 결과물인 탄소섬유를 아황산수소나트륨(sodium bisulfite; NaHSO3), 황산(H2SO4), 과황산 암모늄(ammonium persulfate; (NH4)2S2O8) 및 순수(pure water)를 포함하는 수용액에 통과시켜 중화, 세정 및 조질(conditioning)작용을 하는 에칭 공정을 실시하는 단계; (ⅲ) 상기 단계 (ⅱ)의 결과물인 탄소 섬유를 PdCl2 수용액에 통과시켜 센시타이징(sensitizing) 공정을 실시하는 단계; 및 (ⅳ) 상기 단계 (ⅲ)의 결과물인 탄소 섬유를 황산(H2SO4) 수용액에 통과시켜 활성화(activating) 공정을 실시하는 단계를 포함하는 전처리 단계(S1-0)를 통해 전처리된 탄소섬유를 사용할 수 있으나, 역시 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 도금에 의해 생성된 금속코팅의 두께는 50 내지 500 nm일 수 있다. 상기 금속코팅의 두께에 따라 금속코팅 탄소섬유의 전기저항이 상이하게 나타날 수 있고, 바람직한 전기저항은 0.1 내지 10 Ω/m일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 S2 단계에서 탄소섬유는 다발형태인 것을 특징으로 한다. 상기 탄소섬유의 다발은 모노필라멘트가 100 내지 50,000가닥 포함되는 것으로, 바람직하게는 1K(모노필라멘트 1,000가닥), 3K(모노필라멘트 3,000가닥), 6K(모노필라멘트 6,000가닥), 12K(모노필라멘트 12,000가닥), 48K(모노필라멘트 48,000가닥)인 탄소섬유의 다발을 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 8K(모노필라멘트 8,000가닥) 내지 16K(모노필라멘트 16,000)인 탄소섬유의 다발을 사용할 수 있으며, 본 발명의 실시예와 같이 12K의 탄소섬유 다발을 사용할 수 있다.
상기 금속코팅 탄소섬유는 보빈에 감긴 형태로 제공될 수 있고, 섬유 가이드롤러를 통해 수지함침조로 이송된다. 상기 섬유 가이드롤러는 금속코팅 층의 박리를 줄이기 위해 마찰력을 최소화한 것으로 사용하며, 상기 가이드롤러는 도 2에 나타낸 것과 같이 수지 함침조 및 수지의 경화가 이루어지는 냉각부의 사이에 더 구비될 수 있다.
본 발명의 상기 S2 단계는, 상기 탄소섬유의 다발에 수지를 함침시키는 단계이다. 상기 함침은, 0.5 내지 10 kg/cm2의 압력으로 수지가 압출되는 수지함침조에서 수행되는 것일 수 있다. 상기 수지는 열가소성 수지로서, 폴리아마이드 수지(PA6, PA66 등), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(ABS), 폴리카보네이트(PC), 폴리염화비닐(PVC), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리스티렌(PS), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 아크릴로니트릴-스티렌 공중합체 수지(SAN), 아크릴로니트릴-스티렌-아크릴레이트 공중합체 수지(ASA), 폴리페닐렌에테르(PPE), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 등이 사용될 수 있다. 상기 폴리아마이드는 밀도 1.14 g/cm3, 융점 220~255℃, 인장강도 83~85MPa, Izod 충격강도 7.0~7.5Kgf·cm/cm, 열변형온도 65~85℃인 것을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 수지는 녹는점을 고려하여 100 내지 500℃ 범위 내에서 가열하여 용융된 것이 수지압출기를 통해 수지함침조에 압출된다. 상기 수지함침량은 섬유의 단면적을 감안하여 조절되는 것으로, 수지압출기의 직경 크기를 조절하여 압력을 조절할 수 있다. 상기 압력은 1 내지 3kg/cm2인 것이, 사용되는 탄소섬유의 다발의 단면적에 있어 보다 바람직하다.
본 발명의 발열복합소재는, 금속코팅 탄소섬유 5 내지 40 중량% 및 수지 60 내지 95 중량%를 포함하는 것일 수 있다. 보다 바람직하게는 금속코팅 탄소섬유 25 내지 35 중량% 및 수지 75 내지 65 중량%를 포함할 때, 발열 제품에 사용되기에 바람직한 발열성능을 갖는 발열복합소재로 제조될 수 있다.
상기 S4 단계의 건조는, 1 내지 10kg/cm2의 압력으로 가해지는 공기압 또는 100℃ 내지 150℃의 열풍을 통해 수행되는 것일 수 있으나, 상기 건조의 방법은 사용된 수지의 종류 및 공정이 수행되는 환경 등에 따라 자유롭게 선택하여 수행될 수 있다. 상기 수지의 건조가 완료되면 탄소섬유는 인발장치를 통해 펠렛타이저로 이송될 수 있다. 상기 인발장치는 섬유와 함침수지가 결합된 소재를 당겨주는 역할의 롤러형태의 장치로서, 마찰력이 높은 우레탄이나 고무롤러를 사용할 수 있다.
상기 S5 단계의 펠렛화는, 건조된 탄소섬유를 1 내지 15mm의 길이로 절단하여 수행될 수 있다. 보다 바람직하게는 사출성형될 때 금형에 투입되는 것이 용이한 크기인 4mm 내지 8mm의 길이로 제공될 수 있다.
본 발명의 수지는, 제조하고자 하는 발열 제품의 특징에 맞추어 금속, 탄소나노튜브 및 그래핀으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 소재를 더 포함할 수 있다. 상기 금속의 종류에는 제한이 없다.
본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 발열복합소재를 제공한다. 상기 펠렛화된 발열복합소재는, 용융된 후, 금형에 주입하여 원하는 형태로 성형되어 성형체로 제작될 수 있다. 상기 성형체는 제품의 색상, 액상의 흐름성, 섬유의 분산성을 제어하기 위해 다른 종류의 펠렛을 혼합하여 투입할 수 있다.
본 발명은 상기 성형체에 전력을 투입할 수 있도록 전극을 조립하여, 발열 제품을 완성할 수 있다. 이때, 상기 발열복합소재의 전극거리에 대한 전기저항을 고려하여, 전력 투입부를 설계/제작될 수 있으며, 상기 설계/제작방법은 제조하고자 하는 발열 제품의 종류, 형태, 사용되는 환경 등에 따라서 자유롭게 선택하여 설계/제작될 수 있다.
상기 전극은 도전성 재료로서, 구리, 은(Ag), 금(Au), 탄소나노튜브(CNT), 그래핀으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 성형체에 도전성 재료를 사용하여 인쇄하거나 표면을 가열하여 열융착 방식으로 성형체에 삽입하는 형식으로 전극을 제작한 뒤, 연결 커넥터를 조립하여 발열 제품을 완성할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명할 것이다.
[실시예]
실시예 1. 발열복합소재의 제조
1.1. 금속코팅 탄소섬유의 코팅두께별 전기저항 확인
12K 탄소섬유를 이용해, 등록특허 제1427309호에 따른 금속도금 탄소섬유 제조방법으로 금속코팅 탄소섬유(MCF)를 제조하였다. 금속코팅 두께를 서로 상이하게 하여, 하기 표 1에 제시된 샘플-1 내지 샘플-4를 준비하였다.
금속코팅 두께 섬유 비중 섬유 전기저항
(Ω/m)
Sample-1 100 nm 2.13 4
Sample-2 130 nm 2.24 3
Sample-3 190 nm 2.45 2
Sample-4 360 nm 3.0 1
표 1에 나타낸 것과 같이 금속코팅의 두께에 따라 다른 섬유 전기저항이 나타났다. 이후 실시예에서는 Sample-3을 사용하였다.
1. 2. Polyamide 수지의 물성
금속코팅 탄소섬유에 함침되는 수지로 하기 표 2에 제시된 수지를 준비하였다.
밀도
(g/cm3)		 융점
(℃)		 인장강도
(MPa)		 Izod 충격강도
(Kgf·cm/cm)		 열변형온도
(℃)
PA6 1.14 220 83 7.5 65
PA66 1.14 255 85 7.0 85
이후 실시예에서는 상기 수지 중, PA6를 선택하여 사용하였다.
1.3. 발열복합소재의 제조
도 2에 나타낸 제조장치를 이용하여, 상기 Sample-3의 12,000 가닥의 MCF 섬유에 PA6 수지를 균일하게 함침하여 복합소재를 선형으로 만들고 이를 6mm 길이로 컷팅하여 펠렛을 제조하였다.
상기 펠렛은 도 3에 나타낸 것과 같이, 섬유 다발 사이에 수지가 함침된 형태를 갖는다.
실시예 2. 발열복합소재의 성형체 제조
상기 실시예 1의 펠렛을 사출성형기에 용융시켜, Plate 제품 (크기: 6 mm(T) x 12mm(W) x 100 mm, 부피 : 7.2cm3)을 제작하였다.
상기 수지가 함침되는 함량에 따른 전기저항을 측정하여, 하기 표 3에 나타내었다.
샘플 MCF PA 6 전기저항 Ω/cm3
1 10% 90% 100 ~ 200
2 20% 80 50 ~ 100
3 30% 70 15 ~ 40
4 40% 60 5 ~ 10
실시예 3. 전극이 연결된 시험편 제조
본 실시예 3에서는 전극이 연결된 발열제품을 제조하기 위하여, MCF 섬유 30 중량% 및 수지 70 중량%를 포함하는 펠렛을 용융시켜 금형에 투입하여, 16 mm(T) x 12mm(W) x 100 mm로 제작하여 시험편을 제작하였다.
도 4에 나타낸 것과 같이, 제작된 시험편에 전력투입부를 제작하기 위해 양쪽 끝단에 구리전선을 열융착하여 삽입하여 전력 투입부를 제작하였다.
상기 시험편에 DC 전력투입기를 연결하여 전력투입 후 10초 후 발열 온도를 열화상카메라로 측정하여, 도 5a 내지 5g에 나타내었다.
상기 도 5의 결과를 통해, 전력 투입량에 따라 발열 온도를 용이하게 제어하는 것이 가능하다는 것을 확인하였다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (12)

  1. 금속코팅 탄소섬유를 제조하는 단계(S1);
    상기 S1 단계에서 제조된 탄소섬유의 다발을 수지함침조에 통과시켜, 수지가 함침된 금속코팅 탄소섬유를 제조하는 단계(S2);
    상기 S2 단계에서 제조된 탄소섬유를 냉각하여 함침된 수지를 경화하는 단계(S3);
    상기 S3 단계에서 경화된 탄소섬유를 건조하는 단계(S4); 및
    상기 S4 단계에서 건조된 탄소섬유를 일정한 길이로 절단하여 펠렛화하여 발열복합소재를 제조하는 단계(S5)를 포함하고,
    상기 S2 단계에서, 상기 수지는 폴리아마이드(PA)이고, 상기 폴리아마이드는 밀도 1.14 g/cm3, 융점 220~255℃, 인장강도 83~85MPa, Izod 충격강도 7.0~7.5Kgf·cm/cm, 열변형온도 65~85℃이고,
    상기 수지는 100 내지 500℃ 범위 내에서 가열하여 용융된 것을 수지압출기를 통해 수지함침조에 압출시키고, 상기 함침은, 1 내지 3 kg/cm2의 압력으로 수지가 압출되는 수지함침조에서 수행되고,
    상기 발열복합소재는 상기 금속코팅 탄소섬유 25 내지 35 중량% 및 상기 수지 75 내지 65 중량%를 포함하는,
    금속코팅 탄소섬유를 이용한 발열복합소재의 제조방법
  2. 제1항에 있어서,
    상기 S1 단계는,
    탄소섬유를 제1금속으로 무전해 도금하는 단계(S1-1); 및
    상기 S1-1단계에서 무전해 도금된 탄소섬유를 제2금속으로 전해 도금하는 단계(S1-2)를 포함하는 것인, 금속코팅 탄소섬유를 이용한 발열복합소재의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 S2 단계의 탄소섬유의 다발은, 모노필라멘트가 100 내지 50,000가닥 포함되는 것인, 금속코팅 탄소섬유를 이용한 발열복합소재의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 S4 단계의 건조는, 1 내지 10kg/cm2의 압력으로 가해지는 공기압 또는 100℃ 내지 150℃의 열풍을 통해 수행되는 것인, 금속코팅 탄소섬유를 이용한 발열복합소재의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 S5 단계의 펠렛화는, 건조된 탄소섬유를 1 내지 15mm의 길이로 절단하는 것인, 금속코팅 탄소섬유를 이용한 발열복합소재의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 수지는 금속, 탄소나노튜브 및 그래핀으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 소재를 더 포함하는 것인, 금속코팅 탄소섬유를 이용한 발열복합소재의 제조방법.
  10. 제1항의 제조방법에 의해 제조된 발열복합소재.
  11. 제10항의 발열복합소재를 용융한 후 금형에 투입하여 사출된, 성형체.
  12. 제11항의 성형체; 및 전극이 포함되는, 발열 제품.
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