KR20200117306A - Carbon fiber heating element coated with graphene - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a carbon fiber heating element coated with graphene. More specifically, the present invention relates to the carbon fiber heating element coated with graphene including: a carbon fiber layer made of a carbon fiber bundle and a carbon fiber cloth; graphene composed of carbon atoms and mixed with the carbon fiber layer and coated thereon, but made of graphene (GP), graphene oxide (GO) in an oxide state, or graphene (RFO) in a reduced state of the graphene oxide (GO); and a metal electrode attached to one surface of the graphene-coated carbon fiber layer and made of a metal containing at least a copper, an aluminum, a silver, a nickel, and a tin, or an alloy thereof, wherein the graphene-coated carbon fiber layer includes at least one impregnated region impregnated with a conductive adhesive for attaching the at least one metal electrode to one surface of the graphene-coated carbon fiber layer, thereby solving the heat generation phenomenon wherein large amounts of heat is generated due to a large contact resistance between the carbon fiber and the metal electrode.

Description

그래핀이 코팅된 탄소섬유 발열체{Carbon fiber heating element coated with graphene}Carbon fiber heating element coated with graphene

본 발명은 그래핀이 코팅된 탄소섬유 발열체에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon fiber heating element coated with graphene.

기존 면상발열체는 PET, PEN 필름의 표면에 전도성 카본블랙(Carbon black) 박막을 일정 간격으로 배열, 증착하여 만들거나, 일정한 저항값을 갖는 니크롬 등의 얇은 도선을 절연기판에 배열한 후 상부에 동일한 절연기판을 아교, 아크릴 및 실리콘 접착제 등을 이용하여 증착하는 제조 공정에 의해 제조된다.Existing planar heating elements are made by arranging and depositing a conductive carbon black thin film on the surface of PET and PEN films at regular intervals, or by arranging thin conductors such as nichrome having a certain resistance value on the insulating substrate, It is manufactured by a manufacturing process in which an insulating substrate is deposited using glue, acrylic and silicone adhesives.

이러한 상기 면상발열체의 저항값은 도전재료의 체적 저항값(Ω㎝)과 저항체의 길이 및 두께에 의존하며, 제품의 적용조건에 따라 저항체의 길이 및 두께, 면상발열체의 크기, 발열부의 최대전력밀도(단위면적당 전략량 W/㎠)에 설정한계치가 있어서 입력전압이 높고 제품의 크기가 작아서 전력값이 작은 경우에는 탄소발열체의 저항값이 높아야 하므로 발열원에 해당하는 저항체의 회로 설계가 매우 어렵고 복잡하여 제작이 어려운 문제가 있다.The resistance value of the planar heating element depends on the volume resistance value (Ωcm) of the conductive material and the length and thickness of the resistor, depending on the application conditions of the product, the length and thickness of the resistor, the size of the planar heater, and the maximum power density of the heating unit. (Strategic amount per unit area W/㎠) has a set limit, so if the input voltage is high and the power value is small due to the small size of the product, the resistance value of the carbon heating element must be high, so the circuit design of the resistor corresponding to the heating source is very difficult and complicated. There is a problem that is difficult to produce.

또한, 카본 블랙을 사용하는 경우, 면상 발열체의 두께가 두껍고 유연성이 없으며 전기 전도성이 낮아 사용범위가 바닥 난방재 등으로 한정적이고, 고전압에서 구동시켜야 하는 단점을 가지고 있다.In addition, when carbon black is used, the planar heating element is thick, inflexible, and low in electrical conductivity, so that the range of use is limited to floor heating materials, etc., and it has a disadvantage that it must be driven at a high voltage.

이러한 문제점들을 해결하기 위해, 전기 전도성과 강도, 유연성이 우수한 탄소섬유를 이용한 면상 발열체의 개발을 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 탄소섬유로 이루어진 천은 다양한 형태가 이미 개발되었으며, 여기에 구리 등의 금속 전극을 부착하는 방법이 있다. 예를 들어, 도전성 폴리머 접착제 조성물을 금속 전극의 일면에 도포한 후, 탄소섬유로 이루어진 발열체의 표면과 금속 전극의 표면을 접착하는 방식이다. 그러나, 이러한 경우에도 기존과 마찬가지로 금속 전극을 바로 붙이면 접착력이 없을 뿐만 아니라, 접촉 저항에 의한 경계부 발열 집중 현상이 발생하는 문제가 있다.In order to solve these problems, various studies have been conducted for the development of a planar heating element using carbon fibers having excellent electrical conductivity, strength, and flexibility. Various types of fabrics made of carbon fibers have already been developed, and there is a method of attaching metal electrodes such as copper to them. For example, after applying a conductive polymer adhesive composition to one surface of a metal electrode, the surface of the heating element made of carbon fiber and the surface of the metal electrode are adhered. However, even in such a case, as in the prior art, when the metal electrode is directly attached, there is a problem that not only does not have adhesive strength, but also heat concentration at the boundary portion due to contact resistance occurs.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 탄소섬유와 금속 전극 간에 접촉 저항이 커서 열이 많이 발생하는 발열 집중 현상을 해결하기 위해, 탄소섬유와 금속 전극을 저저항으로 부착할 수 있는 전극의 저저항 접촉 탄소섬유 발열체를 제조하되, 발열원인 탄소섬유에 충전재로 액상의 그래핀을 혼입하여 탄소섬유의 전기전도성을 개선함과 아울러 내구성과 발열성 또한 향상시키도록 하는 그래핀이 코팅된 탄소섬유 발열체를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the above problem, in order to solve the heat generation concentration phenomenon that generates a lot of heat due to a large contact resistance between the carbon fiber and the metal electrode, the low resistance of the electrode that can attach the carbon fiber and the metal electrode with low resistance A carbon fiber heating element coated with graphene that manufactures a resistance contact carbon fiber heating element, but improves the electrical conductivity of the carbon fiber as well as durability and heat generation by mixing liquid graphene as a filler in the carbon fiber as a heating source. Its purpose is to provide.

상기와 같은 목적을 실현하기 위하여 본 발명은, 탄소섬유 다발 및 탄소섬유 천으로 이루어지는 탄소섬유층; 탄소 원자로 이루어져 상기 탄소섬유층에 혼합되어 코팅되되, 그래핀(GP)이거나 산화물 상태의 그래핀 산화물(GO)이거나, 상기 그래핀 산화물(GO)이 환원된 상태의 그래핀(RFO)으로 이루어지는 그래핀; 및 상기 그래핀이 코팅된 탄소섬유층의 일면에 부착되되, 적어도 구리, 알루미늄, 은(Silver), 니켈, 주석을 포함하는 금속 또는 이들의 합금으로 이루어진 금속 전극을 포함하되, 상기 그래핀이 코팅된 탄소섬유층은,상기 적어도 하나의 금속 전극을 상기 그래핀이 코팅된 탄소섬유층의 일면에 부착시키는 도전성 접착제가 함침된 적어도 하나의 함침 영역을 포함하는 그래핀이 코팅된 탄소섬유 발열체를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a carbon fiber layer made of a carbon fiber bundle and a carbon fiber cloth; Graphene composed of carbon atoms and mixed and coated with the carbon fiber layer, but made of graphene (GP) or graphene oxide (GO) in an oxide state, or graphene (RFO) in a reduced state of the graphene oxide (GO) ; And a metal electrode attached to one side of the graphene-coated carbon fiber layer, and made of a metal or an alloy thereof including at least copper, aluminum, silver, nickel, and tin, wherein the graphene is coated The carbon fiber layer provides a graphene-coated carbon fiber heating element including at least one impregnated region impregnated with a conductive adhesive that attaches the at least one metal electrode to one surface of the graphene-coated carbon fiber layer.

본 발명에 따르면, 금속 전극과 탄소섬유 사이 접촉 저항에 의해 발생되는 발열 집중 현상을 해소할 수 있고, 화상, 화재 위험 등을 미연에 방지할 수 있는 효과를 보유한다.According to the present invention, it is possible to solve the heat generation concentration phenomenon caused by the contact resistance between the metal electrode and the carbon fiber, and has an effect of preventing burns and fire hazards.

또한, 본 발명에 따르면, 고가의 도전성 폴리머나 실버 페이스트를 사용하지 않음으로써, 생산성을 향상시키고, 비용을 절감할 수 있는 효과를 보유한다.Further, according to the present invention, by not using an expensive conductive polymer or silver paste, it has the effect of improving productivity and reducing cost.

또한, 본 발명에 따르면, 탄소섬유에 그래핀을 혼합 사용하여 발열원을 고르게 분산 연결되도록 제조할 수 있는 효과를 보유한다.In addition, according to the present invention, a mixture of graphene with carbon fiber has the effect of being able to manufacture a heat source to be evenly distributed and connected.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 탄소섬유 발열체의 단면을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 탄소섬유 발열체의 단면을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 탄소섬유 발열체의 단면을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 탄소섬유 발열체의 제조 방법의 순서도를 도시한 도면이다.1 is a view showing a cross-section of a carbon fiber heating element coated with graphene according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a cross-section of a carbon fiber heating element coated with graphene according to another embodiment of the present invention.
3 is a view showing a cross section of a carbon fiber heating element coated with graphene according to another embodiment of the present invention.
4 is a view showing a flow chart of a method of manufacturing a carbon fiber heating element coated with graphene according to an embodiment of the present invention.

이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.The following content merely illustrates the principles of the present invention. Therefore, those skilled in the art can implement the principles of the present invention and invent various devices included in the concept and scope of the present invention, although not clearly described or illustrated herein. In addition, it is understood that all conditional terms and examples listed in this specification are, in principle, expressly intended only for the purpose of making the concept of the present invention understood, and are not limited to the embodiments and states specifically listed as such. Should be.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and a method of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms different from each other, and only these embodiments make the disclosure of the present invention complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention pertains. It is provided to completely inform the scope of the invention to those who have it, and the invention is only defined by the scope of the claims. The same reference numerals refer to the same components throughout the specification.

비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.Although the first, second, etc. are used to describe various elements, components and/or sections, of course, these elements, components and/or sections are not limited by these terms. These terms are only used to distinguish one element, component or section from another element, component or section. Therefore, it goes without saying that the first element, the first element, or the first section mentioned below may be a second element, a second element, or a second section within the technical scope of the present invention.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "이루어지다(made of)"는 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terms used in the present specification are for describing exemplary embodiments and are not intended to limit the present invention. In this specification, the singular form also includes the plural form unless specifically stated in the phrase. As used in the specification, "comprises" and/or "made of" a referenced component, step, operation and/or element is one or more of the other elements, steps, operations and/or elements. It does not exclude presence or addition.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used in the present specification may be used as meanings that can be commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. In addition, terms defined in a commonly used dictionary are not interpreted ideally or excessively unless explicitly defined specifically.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a preferred embodiment according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 탄소섬유 발열체의 단면을 도시한 도면이다.1 is a view showing a cross-section of a carbon fiber heating element coated with graphene according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 탄소섬유 발열체(100)는 복수의 탄소섬유를 포함하는 탄소섬유층(110), 상기 탄소섬유층(110)에 코팅되는 그래핀(120) 및 상기 그래핀(120)이 코팅된 탄소섬유층(110)의 일면에 부착되는 적어도 하나의 금속 전극(120)을 포함한다. 여기에서, 그래핀(120)은 탄소섬유층(110)에 혼합되어 코팅된다. 그래핀(120)이 코팅된 탄소섬유층(110)은 열을 발산하는 발열체가 되며, 금속 전극(120)은 열을 발산하는 탄소섬유층(110)에 전류를 전달한다. 즉, 그래핀(120)이 코팅된 탄소섬유층(110)이 발열부가 되고, 금속 전극(120)이 전극부가 된다. 이때, 그래핀(120)이 코팅된 탄소섬유층(110)은 적어도 하나의 금속 전극(120)을 그래핀(120)이 코팅된 탄소섬유층(110)의 일면에 부착시키는 도전성 접착제가 함침된 적어도 하나의 함침 영역(112)을 포함한다.Referring to FIG. 1, a carbon fiber heating element 100 coated with graphene according to an embodiment of the present invention includes a carbon fiber layer 110 including a plurality of carbon fibers, and graphene coated on the carbon fiber layer 110. 120 and at least one metal electrode 120 attached to one surface of the carbon fiber layer 110 coated with the graphene 120. Here, the graphene 120 is mixed and coated with the carbon fiber layer 110. The carbon fiber layer 110 coated with the graphene 120 becomes a heating element that emits heat, and the metal electrode 120 transmits current to the carbon fiber layer 110 that emits heat. That is, the carbon fiber layer 110 coated with the graphene 120 becomes a heating unit, and the metal electrode 120 becomes an electrode unit. At this time, the carbon fiber layer 110 coated with the graphene 120 is at least one impregnated with a conductive adhesive that attaches the at least one metal electrode 120 to one surface of the carbon fiber layer 110 coated with the graphene 120 Includes an impregnated area 112 of.

발열부의 역할을 하는 그래핀(120)이 코팅된 탄소섬유층(110)과 전극부의 역할을 하는 금속 전극(120)이 각기 서로 다른 비저항을 가지고 있고, 이 저항차에 의해 인가된 전압이 감소하는 전압 강하 현상이 나타나고, 해당 접촉면에서의 단위면적당 발열량이 높아 발열 집중 현상이 발생할 수 있으나, 그래핀(120)이 코팅된 탄소섬유층(110)의 함침 영역(112)에 있는 도전성 접착제에 의해 발열 집중 현상이 해소된다. 이때, 도전성 접착제의 비저항이 그래핀(120)이 코팅된 탄소섬유층(110)의 비저항보다 낮고 금속 전극(120)의 비저항보다 높은 것이 바람직하다.The carbon fiber layer 110 coated with the graphene 120 serving as a heating unit and the metal electrode 120 serving as the electrode unit each have different specific resistances, and the voltage applied by this resistance difference decreases A drop phenomenon appears, and a heat generation phenomenon may occur due to a high amount of heat generated per unit area on the contact surface, but a heat generation phenomenon is concentrated by the conductive adhesive in the impregnated region 112 of the carbon fiber layer 110 coated with the graphene 120 This is resolved. In this case, it is preferable that the specific resistance of the conductive adhesive is lower than that of the carbon fiber layer 110 coated with the graphene 120 and higher than that of the metal electrode 120.

구체적으로, 도전성 접착제는 그래핀(120)이 코팅된 탄소섬유층(110)의 내부로 함침되어 탄소섬유의 표면을 코팅하고, 해당 코팅면과 금속 전극(120)의 일면을 부착시킴으로써, 금속 전극(120)을 통해 인가된 전압을 통전할 수 있는 형태를 구성하며, 이에 전극부인 금속 전극(120)의 저항과 발열부인 탄소섬유층(110)의 저항 사이에 중간 저항 구역이 되어 급격한 전압강하에 따른 발열 집중 현상을 최소화할 수 있게 된다. 즉, 그래핀(120)이 코팅된 탄소섬유층(110)은 함침 영역(112)의 전기 저항이 상기 함침 영역(112)을 제외한 비함침 영역의 전기 저항보다 낮게 되며, 금속 전극(120)은 전기 저항이 상기 함침 영역(112)의 전기 저항보다 낮게 된다.Specifically, the conductive adhesive is impregnated into the inside of the carbon fiber layer 110 coated with the graphene 120 to coat the surface of the carbon fiber, and attach the coated surface to one surface of the metal electrode 120, thereby making the metal electrode ( 120) constitutes a form capable of conducting the applied voltage, thereby forming an intermediate resistance zone between the resistance of the metal electrode 120, which is an electrode part, and the resistance of the carbon fiber layer 110, which is a heating part, and generates heat due to a sudden voltage drop. Concentration can be minimized. That is, in the carbon fiber layer 110 coated with the graphene 120, the electrical resistance of the impregnated region 112 is lower than that of the non-impregnated region excluding the impregnated region 112, and the metal electrode 120 is electrically The resistance is lower than the electrical resistance of the impregnated region 112.

금속 전극(120)은 미미한 전압 강하 아래에서 전자를 원거리까지 운반하고, 함침 영역(112)에 함침되어 있는 도전성 접착제는 탄소섬유보다 빠르게 전자를 그래핀(120)이 코팅된 탄소섬유층(110)의 내부까지 이동시키고, 그래핀(120)이 코팅된 탄소섬유층(110)이 전자를 균일하게 받아들여 발열부로 작동하게 된다. 이에, 종래의 카본 블랙을 사용하는 면상 발열체와 달리 금속 전극(120)과 발열체인 그래핀(120)이 코팅된 탄소섬유층(110)의 사이에 별도의 층을 만들 필요가 없으며, 별도의 층으로 전도성이 우수한 실버 페이스트를 사용할 필요도 없다.The metal electrode 120 transports electrons to a long distance under a slight voltage drop, and the conductive adhesive impregnated in the impregnating region 112 transfers electrons faster than the carbon fiber to the carbon fiber layer 110 coated with the graphene 120. It is moved to the inside, and the carbon fiber layer 110 coated with the graphene 120 uniformly receives electrons and operates as a heating unit. Thus, unlike the conventional planar heating element using carbon black, there is no need to create a separate layer between the metal electrode 120 and the carbon fiber layer 110 coated with the graphene 120 as a heating element, There is no need to use a silver paste with excellent conductivity.

탄소섬유층(110)은 발열부의 역할을 하며, 탄소섬유를 포함하는 다발 또는 탄소섬유를 포함하는 천으로 이루어질 수 있다. 탄소섬유 천은 탄소섬유를 포함하는 부직포, 펠트, 직물, 시트 등 면상의 형태로 구성된 것을 사용할 수 있다. 또한, 탄소섬유 천은 탄소섬유 다발을 금속 전극(120) 방향에 수직하거나 수직에 가깝게 병렬로 다수 배열한 것일 수 있다. 그리고, 탄소섬유 다발은 금속 전극(120)에 더 넓은 면적으로 부착하기 위해서 일정 폭으로 펼친 것을 사용할 수도 있으며, 금속 전극(120)과 접촉하는 부분에서만 넓게 펼친 것을 사용할 수도 있다.The carbon fiber layer 110 serves as a heating unit, and may be formed of a bundle including carbon fibers or a cloth including carbon fibers. The carbon fiber cloth may be formed in a cotton shape such as a nonwoven fabric containing carbon fiber, felt, woven fabric, or sheet. In addition, the carbon fiber cloth may be formed by arranging a plurality of carbon fiber bundles in parallel or perpendicular to or close to the vertical direction of the metal electrode 120. In addition, the carbon fiber bundle may be expanded to a predetermined width to attach to the metal electrode 120 in a wider area, or may be expanded only at a portion in contact with the metal electrode 120.

여기에서 탄소섬유는 PAN계(폴리아크릴로니트릴계), 피치계, 레이온계뿐만 아니라, 섬유상을 가진 코탄소함유 소재를 사용할 수 있다. 이러한 탄소섬유는 1차원적으로 신장된 구조를 가질 수 있으며, 탄소섬유의 섬유 길이에 특별한 제한이 없음은 물론이다.Here, as the carbon fiber, not only PAN-based (polyacrylonitrile-based), pitch-based, rayon-based, but fibrous co-carbon-containing material may be used. These carbon fibers may have a one-dimensionally elongated structure, and of course there is no particular limitation on the fiber length of the carbon fibers.

탄소섬유의 섬유 길이가 길어지면 도전성, 강도 등이 향상되는데 반해, 탄소섬유의 섬유 길이가 지나치게 길면 탄소섬유의 분산성이 떨어질 수 있다. 또한, 섬유 길이가 너무 짧은 경우에는 섬유간 결합력이 저하되어 형태 안정성이 떨어질 수 있다. 그러므로, 적절한 길이의 탄소섬유를 사용해야 하며, 평균 섬유 길이는 사용될 탄소섬유의 종류와 섬유 직경에 따라 다를 수 있다. 또한, 탄소섬유의 섬유 직경이 지나치게 크면 공극의 크기가 너무 커질 수 있고, 섬유 직경이 너무 작으면 가공성이 떨어져 바인더에 의한 결합이 어려울 수 있으므로, 평균 섬유 직경이 적절한 탄소섬유를 사용할 수 있다.When the fiber length of the carbon fiber is long, conductivity and strength are improved, whereas when the fiber length of the carbon fiber is too long, the dispersibility of the carbon fiber may be deteriorated. In addition, when the fiber length is too short, the bonding force between the fibers may decrease, resulting in poor shape stability. Therefore, carbon fibers of an appropriate length should be used, and the average fiber length may vary depending on the type of carbon fiber to be used and the fiber diameter. In addition, if the fiber diameter of the carbon fiber is too large, the pore size may be too large, and if the fiber diameter is too small, it may be difficult to bond by a binder due to poor workability.

예를 들어, 탄소섬유 천의 일례로, 부직포 형태로 약 1~30 mm 길이로 잘려진 촙 상태의 탄소섬유를 사용하여 바인더 첨가를 하고, 습식(wet-laid) 장치를 통해 탄소섬유 부직포를 제조할 수 있다. 이때, 바인더로는 폴리비닐리덴플루오라이드(PVdF)로 대표되는 우레탄기, 에폭시기, 카르복실기, 카르보닐기, 아크릴기, 히드록시기, 에스테르기, 에테르기, 비닐아세테이트기, 아미드기, 이미드기, 말레인산기를 포함하는 유기계 바인더 혹은 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTEE), 스티렌부타디엔러버(SBR), 카르복시메틸셀룰로오스(CMC) 및 폴리비닐알코올(PVA) 등 수계 바인더를 제조 용도에 맞게 선택적으로 사용할 수 있으며, 그 함량은 사용된 탄소섬유의 함량 및 제조하고자 하는 탄소섬유 천의 두께 및 전도도를 고려하여 정할 수 있다. 이때, 분산 안정성을 높이는 점도 향상의 목적으로 셀룰로스, 커드란, 타마린드, 젤라틴, 구아검, 펙틴, LBG, 카라기난, 곤약, 알긴산, 아라빅, 젤란, 잔탄 등을 추가하여 사용할 수 있다.For example, as an example of a carbon fiber cloth, a binder is added using a chopped carbon fiber cut into a length of about 1 to 30 mm in the form of a non-woven fabric, and a carbon fiber non-woven fabric can be manufactured through a wet-laid device. I can. At this time, the binder includes a urethane group, an epoxy group, a carboxyl group, a carbonyl group, an acrylic group, a hydroxy group, an ester group, an ether group, a vinyl acetate group, an amide group, an imide group, and a maleic acid group represented by polyvinylidene fluoride (PVdF). Organic binders or aqueous binders such as polyvinylpyrrolidone (PVP), polytetrafluoroethylene (PTEE), styrene butadiene rubber (SBR), carboxymethylcellulose (CMC) and polyvinyl alcohol (PVA) are selected according to the manufacturing purpose. It can be used, and the content can be determined in consideration of the content of the carbon fiber used and the thickness and conductivity of the carbon fiber cloth to be manufactured. At this time, cellulose, curdran, tamarind, gelatin, guar gum, pectin, LBG, carrageenan, konjac, alginic acid, arabic, gellan, xanthan, etc. can be added and used for the purpose of improving the viscosity to increase dispersion stability.

상기 탄소섬유는 공정상 상대적으로 밀도가 높은 조밀부와 밀도가 낮은 소밀부가 임의적으로 형성되기 때문에 본 발명에서는 이를 보완하기 위해 그래핀(120)이 사용된다. 탄소섬유에 그래핀(120) 혼합시 밀도가 균일하게 분산되어 다양한 발열특성을 가질 수 있다. In the present invention, since the carbon fiber is arbitrarily formed in a dense portion having a relatively high density and a dense portion having a low density in a process, graphene 120 is used to compensate for this. When the graphene 120 is mixed with the carbon fiber, the density is uniformly dispersed, so that various heating characteristics may be obtained.

상기 그래핀(120)은 탄소 원자로 이루어져 있으며 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막으로서 탄소나노튜브, 폴러린(Fullerene)처럼 원자번호 6번인 탄소로 구성된 나노물질이다. 그래핀(120)은 물리적, 화학적 안정성이 높다. 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있고, 강도는 강철보다 200배 이상 강하며, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높다. 또한, 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다.The graphene 120 is a thin film composed of carbon atoms and having a thickness of one atom, and is a nanomaterial composed of carbon having an atomic number of 6, such as carbon nanotubes and fullerene. Graphene 120 has high physical and chemical stability. It conducts electricity more than 100 times better than copper, can move electrons more than 100 times faster than single crystal silicon, which is mainly used as a semiconductor, is 200 times stronger than steel, and 2 times more than diamond, which boasts the best thermal conductivity. High thermal conductivity. In addition, it has excellent elasticity and does not lose its electrical properties even when it is stretched or bent.

또한, 그래핀(120)은 그래핀(GP)이거나 혹은 산화물 상태의 그래핀 산화물(GO)이거나, 혹은 이 그래핀 산화물(GO)이 환원된 상태의 그래핀(RFO)이 사용되며, 10~3,000㎡/g 의 표면적을 가지고 탄성계수는 800∼1,300GPa, 인장강도는 100∼150 GPa 로 구성된다.In addition, the graphene 120 is graphene (GP) or graphene oxide (GO) in an oxide state, or graphene (RFO) in a reduced state of the graphene oxide (GO) is used, 10~ It has a surface area of 3,000㎡/g, has a modulus of elasticity of 800 to 1,300 GPa, and a tensile strength of 100 to 150 GPa.

본 발명에서 그래핀(120)은 얇은 막 형태 또는 탄소섬유층(110) 내에서 골고루 혼합이 잘되도록 하기 위해 액상으로 사용 되어질 수도 있다.In the present invention, the graphene 120 may be used in the form of a thin film or a liquid in order to be well mixed in the carbon fiber layer 110.

금속 전극(130)은 구리, 알루미늄, 은(Silver), 니켈, 주석 등을 포함하는 금속 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 모양은 리본 또는 선 형태일 수 있다. 선 형태는 구리 와이어나 은도금 구리 와이어를 사용할 수 있다. 리본 형상은 두께 3~100μm 정도일 수 있다.The metal electrode 130 may be made of a metal including copper, aluminum, silver, nickel, tin, or an alloy thereof. In addition, the shape may be a ribbon or a line shape. The wire shape may be a copper wire or a silver-plated copper wire. The ribbon shape may be about 3 to 100 μm thick.

함침 영역(112)은 도전성 접착제를 그래핀(120)이 코팅된 탄소섬유층(110)의 내부까지 함침시켜 형성되고, 금속 전극(120)의 일면에 부착된다. 발열부인 그래핀(120)이 코팅된 탄소섬유층(110)에 함침되고 전극부인 금속 전극(120)에 접착되는 도전성 접착제의 경우, 금속 전극(120)보다는 높고 탄소섬유층(110) 보다는 낮은 비저항 수준을 가질 수 있도록 조성된 도전성 필러가 포함된 접착제이다. 구체적으로, 부직포, 펠트, 시트 등의 형태로 이루어진 그래핀(120)이 코팅된 탄소섬유층(110)의 밀도, 두께 및 기공률 등의 상태에 따라 그래핀(120)이 코팅된 탄소섬유층(110)의 내부로 충분히 함침될 수 있는 수준의 10~15,000 cps의 점도를 가진 도전성 접착제를 사용할 수 있다.The impregnated region 112 is formed by impregnating the conductive adhesive into the carbon fiber layer 110 coated with the graphene 120, and is attached to one surface of the metal electrode 120. In the case of the conductive adhesive impregnated in the carbon fiber layer 110 coated with the graphene 120 as a heating part and adhered to the metal electrode 120 as the electrode part, the resistivity level is higher than that of the metal electrode 120 and lower than that of the carbon fiber layer 110. It is an adhesive containing a conductive filler formulated to have. Specifically, the carbon fiber layer 110 coated with the graphene 120 according to the density, thickness and porosity of the carbon fiber layer 110 coated with the graphene 120 made in the form of a nonwoven fabric, felt, sheet, etc. A conductive adhesive having a viscosity of 10 to 15,000 cps that can be sufficiently impregnated into the interior of the can be used.

여기에서, 그래핀(120)이 코팅된 탄소섬유층(110)의 일부 영역에 함침되는 도전성 접착제는 1~85 중량%의 용제, 0.1~15 중량%의 폴리머 바인더, 1~55 중량%의 도전성 필러를 포함할 수 있다. 각 조성물의 사용량은 그래핀(120)이 코팅된 탄소섬유층(110)과 금속 전극(120)의 저항을 고려하여 도전성 접착제의 비저항의 범위, 그래핀(120)이 코팅된 탄소섬유층(110)의 밀도 및 기공률 등을 고려하여 점도 등 목적에 적합하도록 사용될 수 있다. 폴리머 바인더의 경우, 아크릴레이트수지, 에폭시수지, 폴리에스터, 폴리우레탄, 폴리카보네이트, 폴리아마이드, 폴리이미드 및 폴리에테르 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 또한, 도전성 필러는 탄소나노튜브, 카본블랙, 분쇄탄소섬유 및 금, 은, 구리 등과 같은 금속분말이 사용될 수 있다. 또한, 용제로는 주로 물이나 알코올, 아세톤, N-메틸피롤리돈(NMP), 에틸렌글리콜, 프로필렌글리콜, 글리세린 등과 같은 유기 용제들이 사용될 수 있다.Here, the conductive adhesive impregnated in a partial area of the carbon fiber layer 110 coated with the graphene 120 is 1 to 85% by weight of a solvent, 0.1 to 15% by weight of a polymer binder, and 1 to 55% by weight of a conductive filler. It may include. The amount of use of each composition is the range of the specific resistance of the conductive adhesive in consideration of the resistance of the carbon fiber layer 110 coated with the graphene 120 and the metal electrode 120, and the carbon fiber layer 110 coated with the graphene 120 Considering the density and porosity, it may be used to suit the purpose such as viscosity. In the case of a polymer binder, at least one selected from acrylate resin, epoxy resin, polyester, polyurethane, polycarbonate, polyamide, polyimide, and polyether may be included. In addition, as the conductive filler, carbon nanotubes, carbon black, pulverized carbon fibers, and metal powders such as gold, silver, and copper may be used. In addition, organic solvents such as water, alcohol, acetone, N-methylpyrrolidone (NMP), ethylene glycol, propylene glycol, and glycerin may be used as the solvent.

또한, 우수한 전기적 성능과 높은 함침율을 위해, 도전성 접착제에 단층벽 또는 다층벽으로 이루어진 탄소나노튜브를 혼합할 수 있다. 구체적으로, 도전성 접착제는 1~83%의 탄소나노튜브를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 탄소나노튜브의 적정 혼합량은 도전성 접착액을 250도로 건조시킨 후의 고형분 중 7 중량(wt)% 이상으로 할 수 있다.In addition, for excellent electrical performance and high impregnation rate, a single-walled or multi-walled carbon nanotube may be mixed with a conductive adhesive. Specifically, the conductive adhesive may further include 1 to 83% of carbon nanotubes. For example, the appropriate mixing amount of the carbon nanotubes may be 7% by weight or more of the solid content after drying the conductive adhesive solution at 250 degrees.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 탄소섬유 발열체의 단면을 도시한 도면이다. 또한, 도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 탄소섬유 발열체의 단면을 도시한 도면이다.2 is a view showing a cross-section of a carbon fiber heating element coated with graphene according to another embodiment of the present invention. In addition, FIG. 3 is a view showing a cross section of a carbon fiber heating element coated with graphene according to another embodiment of the present invention.

도 2에 도시한 바와 같이, 도전성 접착제가 함침되는 그래핀(120)이 코팅된 탄소섬유층(110)의 함침 영역(112)은 금속 전극(130)의 폭을 꼭 넘을 필요는 없다. 전자의 확산 구역이 금속 전극(130)에서 수직 방향으로 만들어져서 충분히 발열층 내부로 이동하였기 때문이다.As shown in FIG. 2, the impregnated region 112 of the carbon fiber layer 110 coated with the graphene 120 impregnated with the conductive adhesive does not necessarily exceed the width of the metal electrode 130. This is because the diffusion region of electrons is made in a vertical direction in the metal electrode 130 and has sufficiently moved into the heating layer.

또한, 도면에는 도시하지 않았으나, 생산 속도의 향상 등을 위해 함침에 필요한 시간을 줄이려 그래핀(120)이 코팅된 탄소섬유층(110) 두께의 일부만 함침시키고, 함침 구간의 폭을 금속 전극(120)보다 넓게 하는 것도 가능하다.In addition, although not shown in the drawings, in order to reduce the time required for impregnation to improve production speed, etc., only a part of the thickness of the carbon fiber layer 110 coated with graphene 120 is impregnated, and the width of the impregnation section is changed to the metal electrode 120 It is also possible to make it wider.

또한, 도 3에 도시한 바와 같이 그래핀(120)이 코팅된 탄소섬유층(110)의 전 두께 방향에 대한 함침을 시킨다면 함침 구간의 폭은 금속 전극(120)보다 좁아도 발열 집중 현상이 크지 않다.In addition, as shown in FIG. 3, if the graphene 120-coated carbon fiber layer 110 is impregnated in the entire thickness direction, even if the width of the impregnation section is narrower than the metal electrode 120, the heat generation concentration phenomenon is not large. .

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 탄소섬유 발열체의 제조 방법의 순서도를 도시한 도면이다.4 is a view showing a flow chart of a method of manufacturing a carbon fiber heating element coated with graphene according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀이 코팅된 탄소섬유 발열체의 제조 방법은, 복수의 탄소섬유를 포함하는 탄소섬유층(110)을 준비하고(S10), 상기 탄소섬유층(110)에 그래핀(120)을 혼합하여 코팅하며(S20), 상기 그래핀(120)이 코팅된 탄소섬유층(110)에 금속 전극이 부착되도록 비저항이 상기 탄소섬유층의 비저항보다 낮고 상기 금속 전극의 비저항보다 높은 도전성 접착제를 상기 탄소섬유층에 함침시킨다(S20).4, a method of manufacturing a carbon fiber heating element coated with graphene according to an embodiment of the present invention includes preparing a carbon fiber layer 110 including a plurality of carbon fibers (S10), and the carbon fiber layer ( 110) and the graphene 120 is mixed and coated (S20), and the specific resistance is lower than the specific resistance of the carbon fiber layer so that the metal electrode is attached to the carbon fiber layer 110 coated with the graphene 120 A conductive adhesive higher than the specific resistance is impregnated into the carbon fiber layer (S20).

이에, 기존 보편적으로 사용되고 있는 금속 테이프 등을 사용하지 않고, 전극과 탄소섬유 간 경계에서 접촉저항으로 인해 발생하는 발열집중 현상을 해결함으로써, 열 불균일 분포에 의한 에너지 손실 및 화상, 화재에 대한 위험성을 현저히 감소시킬 수 있다.Therefore, by solving the heat concentration phenomenon that occurs due to contact resistance at the boundary between the electrode and the carbon fiber, without using the conventionally used metal tape, etc., energy loss due to heat uneven distribution and the risk of burns and fire are reduced. It can be significantly reduced.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. You can understand. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not limiting.

Claims (5)

탄소섬유 다발 및 탄소섬유 천으로 이루어지는 탄소섬유층;
탄소 원자로 이루어져 상기 탄소섬유층에 혼합되어 코팅되되, 그래핀(GP)이거나 산화물 상태의 그래핀 산화물(GO)이거나, 상기 그래핀 산화물(GO)이 환원된 상태의 그래핀(RFO)으로 이루어지는 그래핀; 및
상기 그래핀이 코팅된 탄소섬유층의 일면에 부착되되, 적어도 구리, 알루미늄, 은(Silver), 니켈, 주석을 포함하는 금속 또는 이들의 합금으로 이루어진 금속 전극을 포함하되,
상기 그래핀이 코팅된 탄소섬유층은,
상기 적어도 하나의 금속 전극을 상기 그래핀이 코팅된 탄소섬유층의 일면에 부착시키는 도전성 접착제가 함침된 적어도 하나의 함침 영역을 포함하는,
그래핀이 코팅된 탄소섬유 발열체.
A carbon fiber layer made of a carbon fiber bundle and a carbon fiber cloth;
Graphene composed of carbon atoms and mixed and coated with the carbon fiber layer, but made of graphene (GP) or graphene oxide (GO) in an oxide state, or graphene (RFO) in a reduced state of the graphene oxide (GO) ; And
Doedoe attached to one surface of the graphene-coated carbon fiber layer, including at least a metal electrode made of a metal including copper, aluminum, silver, nickel, tin, or an alloy thereof,
The graphene-coated carbon fiber layer,
Comprising at least one impregnated region impregnated with a conductive adhesive for attaching the at least one metal electrode to one surface of the graphene-coated carbon fiber layer,
Carbon fiber heating element coated with graphene.
 제1 항에 있어서,
상기 그래핀은,
얇은 막 형태 또는 액상으로 사용되는 것을 특징으로 하는
그래핀이 코팅된 탄소섬유 발열체.
The method of claim 1,
The graphene,
Characterized in that used in the form of a thin film or liquid
Carbon fiber heating element coated with graphene.
 제1 항에 있어서,
상기 도전성 접착제는,
1~85 중량%의 용제, 0.1~15 중량%의 폴리머 바인더, 1~55 중량%의 도전성 필터를 포함하는,
그래핀이 코팅된 탄소섬유 발열체.
The method of claim 1,
The conductive adhesive,
Including 1 to 85% by weight of a solvent, 0.1 to 15% by weight of a polymer binder, 1 to 55% by weight of a conductive filter,
Carbon fiber heating element coated with graphene.
 제3 항에 있어서,
상기 도전성 접착제는,
점도가 10~15,000인
그래핀이 코팅된 탄소섬유 발열체.
The method of claim 3,
The conductive adhesive,
Viscosity of 10~15,000
Carbon fiber heating element coated with graphene.
 제4 항에 있어서,
상기 도전성 접착제는,
1~83 중량%의 탄소나노튜브를 더 포함하는
그래핀이 코팅된 탄소섬유 발열체.




The method of claim 4,
The conductive adhesive,
1 to 83% by weight of carbon nanotubes
Carbon fiber heating element coated with graphene.
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