KR102684928B1 - Method for manufacturing carbon heating paste for manufacturing stretchable heating film and stretchable heating film manufactured therefrom - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 신축성 발열 필름은 필름 형태의 폴리우레탄 기판과 폴리우레탄 기판 상면에 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트를 인쇄하고 건조시켜 형성된 나노탄소층을 포함한다. 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트로 인쇄된 나노탄소층은 폴리우레탄 수지 속에 소정의 길이의 탄소나노튜브가 서로 접촉하며 구부러진 형태로 무작위로 분산되어 있다. 이로 인해, 신축성 발열 필름을 사방으로 구부리거나 접을 경우, 기재인 폴리우레탄 수지가 늘어날 때 폴리우레탄 수지 속의 탄소나노튜브는 구부러진 모양이 펴질 뿐 그 위치가 변하거나 서로 연결이 끊어지지 않는다. 따라서 면 전체에서 고르게 발열될 수 있을 뿐만 아니라 신축성 발열 필름이 구부러지거나 접히더라도 신축성 발열 필름의 발열 성능이 저하되지 않고 일정하게 유지될 수 있다.The stretchable heating film according to the present invention includes a polyurethane substrate in the form of a film and a nanocarbon layer formed by printing and drying a carbon heating paste for producing a stretchable heating film on the upper surface of the polyurethane substrate. The nanocarbon layer printed with carbon heating paste for manufacturing stretchable heating films is made up of carbon nanotubes of a predetermined length that are in contact with each other and are randomly dispersed in a bent shape in a polyurethane resin. For this reason, when the flexible heating film is bent or folded in all directions, when the polyurethane resin, which is the base material, is stretched, the carbon nanotubes in the polyurethane resin only unfold their bent shapes and do not change their positions or disconnect from each other. Therefore, not only can heat be generated evenly across the entire surface, but even if the stretchable heat-generating film is bent or folded, the heat-generating performance of the stretchable heat-generating film can be maintained without deterioration.
Description
본 발명은 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트 제조방법 및 이로부터 제조된 신축성 발열 필름에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a carbon heating paste for producing a stretchable heating film and a stretchable heating film manufactured therefrom.
일반적으로 면상 발열체는 2차원 평면상의 전도성 발열 필름 위에 금속전극을 연결하여 면 전체를 발열시키는 발열체다.In general, a planar heating element is a heating element that generates heat over the entire surface by connecting a metal electrode on a conductive heating film on a two-dimensional plane.
종래 면상 발열체는 열 전도도가 높은 금속 분말을 필름 형태의 수지에 균일하게 분사 또는 인쇄하여 제조된다. 그러나 최근에는 금속 분말 대신 도전성 있는 탄소, 흑연, 카본블랙 등과 같은 탄소 재료를 이용하여 면상 발열체를 제조한다. 탄소 재료는 높은 전기 전도성, 열 전도성, 내열성, 내식성, 내마모성, 윤활성 등 전기적, 물리적으로 우수한 특성을 가지고 있을 뿐만 아니라 전자파 차단 효과도 있어, 탄소 재료로 만든 면상 발열체는 다양한 분야에서 활용될 수 있다.Conventional planar heating elements are manufactured by uniformly spraying or printing metal powder with high thermal conductivity onto film-type resin. However, recently, planar heating elements are manufactured using carbon materials such as conductive carbon, graphite, and carbon black instead of metal powder. Carbon materials not only have excellent electrical and physical properties such as high electrical conductivity, thermal conductivity, heat resistance, corrosion resistance, wear resistance, and lubricity, but also have an electromagnetic wave blocking effect, so planar heating elements made of carbon materials can be used in various fields.
탄소 재료로 만든 면상 발열체가 우수한 발열특성을 나타내기 위해서는 재료 간에 연속적인 접촉이 이루어져야 높은 전기 전도성이 확보된다. 또한, 최근에는 면상 발열체가 웨어러블(wearable) 기기에 사용되면서 신축성을 요하고, 신축 시 발열 성능이 일정하게 유지될 필요가 있다. In order for a planar heating element made of carbon material to exhibit excellent heating characteristics, continuous contact between materials is required to ensure high electrical conductivity. In addition, as planar heating elements have recently been used in wearable devices, elasticity is required, and heat generation performance needs to be maintained consistently when stretched.
그러나 종래의 탄소 재료로 만든 면상 발열체는 분산성이 떨어져 발열 성능을 면 전체에서 일정하게 유지하기 어렵고, 신축 시 탄소 재료의 변형으로 인해 재료 간 연결이 끊어져 발열 성능이 변하거나 저하되어 문제가 있다.However, planar heating elements made of conventional carbon materials have poor dispersibility, making it difficult to maintain constant heating performance across the entire surface, and the connection between materials is broken due to deformation of the carbon material during expansion and contraction, causing problems in that heating performance changes or deteriorates.
또한, 한국등록특허(10-1294596)에는, 한 방향으로 정렬된 탄소나노튜브 다발이 포함된 면상 발열체 조성물을 제시하고 있으나, 이러한 면상 발열체 조성물을 사방으로 구부러지거나 접히는 웨어러블(wearable) 기기에 적용하기는 어렵다.In addition, the Korean patent (10-1294596) proposes a planar heating element composition containing a bundle of carbon nanotubes aligned in one direction, but applying this planar heating element composition to a wearable device that bends or folds in all directions is difficult. is difficult.
본 발명의 목적은, 상술한 문제점을 해결할 수 있는 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트 제조방법 및 이로부터 제조된 신축성 발열 필름을 제공하는 데 있다.The purpose of the present invention is to provide a method for producing a carbon heating paste for manufacturing a stretchable heating film that can solve the above-mentioned problems, and a stretchable heating film manufactured therefrom.
상기 목적을 달성하기 위한 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트 제조방법은,The method for producing carbon heating paste for producing a stretchable heating film to achieve the above purpose is,
소정의 길이를 가진 탄소나노튜브를 산처리하는 제1단계;A first step of acid treating carbon nanotubes with a predetermined length;
산처리된 상기 탄소나노튜브를 용매에 넣고 분산시켜, 상기 탄소나노튜브가 상기 용매에 무작위로 분산된 혼합용액을 제조하는 제2단계; 및A second step of dispersing the acid-treated carbon nanotubes in a solvent to prepare a mixed solution in which the carbon nanotubes are randomly dispersed in the solvent; and
상기 혼합용액에 폴리우레탄 수지를 넣어 상기 폴리우레탄 수지를 상기 용매에 용해시켜, 탄소발열 페이스트를 제조하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.It is characterized in that it includes a third step of preparing a carbon heating paste by adding a polyurethane resin to the mixed solution and dissolving the polyurethane resin in the solvent.
또한, 상기 목적은,In addition, the above purpose is to
소정의 길이를 가진 탄소나노튜브를 산처리하는 제1단계;A first step of acid treating carbon nanotubes with a predetermined length;
산처리된 상기 탄소나노튜브를 용매에 넣고 분산시켜, 상기 탄소나노튜브가 상기 용매에 무작위로 분산된 제1혼합용액을 제조하는 제2단계;A second step of dispersing the acid-treated carbon nanotubes in a solvent to prepare a first mixed solution in which the carbon nanotubes are randomly dispersed in the solvent;
상기 제1혼합용액에 폴리우레탄 수지를 넣어 상기 폴리우레탄 수지를 상기 용매에 용해시켜, 제2혼합용액을 제조하는 제3단계; 및A third step of preparing a second mixed solution by adding a polyurethane resin to the first mixed solution and dissolving the polyurethane resin in the solvent; and
상기 제2혼합용액에 분말 형태의 흑연을 넣고 분산시켜, 상기 흑연이 상기 탄소나노튜브 사이사이에 채워진 탄소발열 페이스트를 제조하는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트 제조방법에 의해 달성된다.Manufacturing a carbon heating paste for manufacturing a stretchable heating film, comprising a fourth step of adding powdered graphite to the second mixed solution and dispersing it to produce a carbon heating paste filled with the graphite between the carbon nanotubes. It is achieved by method.
또한, 상기 목적은,In addition, the above purpose is to
상술한 방법으로 제조된 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트가, 필름 형태의 폴리우레탄 기판에 인쇄되고 건조되어 형성된 나노탄소층이 포함된 신축성 발열 필름에 의해 달성된다.The carbon heating paste for producing a stretchable heating film prepared by the above-described method is achieved by printing and drying a polyurethane substrate in the form of a film to form a stretchable heating film containing a nanocarbon layer.
본 발명에 따른 신축성 발열 필름은 필름 형태의 폴리우레탄 기판과 폴리우레탄 기판 상면에 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트를 인쇄하고 건조시켜 형성된 나노탄소층을 포함한다. 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트로 인쇄된 나노탄소층은 폴리우레탄 수지 속에 소정의 길이의 탄소나노튜브가 서로 접촉하며 구부러진 형태로 무작위로 분산되어 있다. 이로 인해, 신축성 발열 필름을 사방으로 구부리거나 접을 경우, 기재인 폴리우레탄 수지가 늘어날 때 폴리우레탄 수지 속의 탄소나노튜브는 구부러진 모양이 펴질 뿐 그 위치가 변하거나 서로 연결이 끊어지지 않는다. 따라서 면 전체에서 고르게 발열될 수 있을 뿐만 아니라 신축성 발열 필름이 구부러지거나 접히더라도 신축성 발열 필름의 발열 성능이 저하되지 않고 일정하게 유지될 수 있다.The stretchable heating film according to the present invention includes a polyurethane substrate in the form of a film and a nanocarbon layer formed by printing and drying a carbon heating paste for producing a stretchable heating film on the upper surface of the polyurethane substrate. The nanocarbon layer printed with carbon heating paste for manufacturing stretchable heating films is made up of carbon nanotubes of a predetermined length that are in contact with each other and are randomly dispersed in a bent shape in a polyurethane resin. For this reason, when the flexible heating film is bent or folded in all directions, when the polyurethane resin, which is the base material, is stretched, the carbon nanotubes in the polyurethane resin only unfold their bent shapes and do not change their positions or disconnect from each other. Therefore, not only can heat be generated evenly across the entire surface, but even if the stretchable heat-generating film is bent or folded, the heat-generating performance of the stretchable heat-generating film can be maintained without deterioration.
본 발명은 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트를 제조할 때, 탄소나노튜브를 황산 또는 질산으로 산처리한다. 이로 인해, 탄소나노튜브의 분산성을 향상시켜 용매 속에 탄소나노튜브의 균일성을 향상시킨다. 또한, 2종 이상의 혼합 산 즉, 황산과 질산을 혼합한 혼합산으로 산처리를 하면, 분산성을 극대화하여 탄소나노튜브의 투입량을 증가시킬 수 있다.In the present invention, when producing a carbon heating paste for manufacturing a stretchable heating film, carbon nanotubes are acid treated with sulfuric acid or nitric acid. As a result, the dispersibility of the carbon nanotubes is improved and the uniformity of the carbon nanotubes in the solvent is improved. In addition, if acid treatment is performed with two or more mixed acids, that is, a mixed acid of sulfuric acid and nitric acid, dispersibility can be maximized and the input amount of carbon nanotubes can be increased.
본 발명은 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트를 제조할 때, 용매로 사이클로헥사논(cyclohexanone) 또는, NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone)를 사용한다. 사이클로헥사논과 NMP는 끊는점이 높고 폴리우레탄 수지의 용해도가 좋다. 특히, 사이클로헥사논은 탄소 발열 페이스트의 건조시간을 늦추고, NMP은 탄소나노튜브의 분산성을 향상시키는 성질을 가지고 있어, 사이클로헥사논과 NMP 2종 이상의 혼합 용매를 사용하면, 건조시간을 늦추는 효과와 탄소나노튜브의 분산성 향상 효과를 동시에 누릴 수 있다.The present invention uses cyclohexanone or NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone) as a solvent when producing a carbon heating paste for manufacturing a stretchable heating film. Cyclohexanone and NMP have high boiling points and good solubility in polyurethane resin. In particular, cyclohexanone slows down the drying time of carbon heating paste, and NMP has the property of improving the dispersibility of carbon nanotubes, so using a mixed solvent of two or more types of cyclohexanone and NMP has the effect of slowing down the drying time and You can enjoy the dispersibility improvement effect of carbon nanotubes at the same time.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트 제조방법을 설명하기 위한 모식도다.
도 3은 산처리에 따른 전기저항 수치를 나타낸 표이다.
도 4는 폴리우레탄 기판에 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트를 인쇄 시, 용매에 따른 인쇄성을 비교한 것으로, (a)는 단일 용매 (b)는 혼합 용매를 사용한 경우를 나타낸다.
도 5는 기판에 따른 열처리 후 인쇄 부위의 응집여부를 나타낸 사진으로, (a)는 열가소성 폴리우레탄(TPU) 기판 (b)는 폴리우레탄(PU) 기판의 경우를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 신축성 발열 필름을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트 제조방법을 설명하기 위한 모식도다.
도 9는 산처리에 따른 탄소나노튜브의 분산 효과를 나타내는 전자현미경 사진으로, (a)는 산처리 미적용 (b)는 단일 산으로 산처리 (c)는 혼합 산으로 산처리한 것을 나타낸다.
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 신축성 발열 필름을 나타낸 도면이다.Figure 1 is a flowchart showing a method of producing a carbon heating paste for manufacturing a stretchable heating film according to a first embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram for explaining a method of manufacturing a carbon heating paste for manufacturing a stretchable heating film according to the first embodiment of the present invention.
Figure 3 is a table showing electrical resistance values according to acid treatment.
Figure 4 compares the printability according to solvent when printing carbon heating paste for producing a stretchable heating film on a polyurethane substrate, where (a) shows a single solvent and (b) shows a case where a mixed solvent is used.
Figure 5 is a photograph showing aggregation of the printed area after heat treatment depending on the substrate. (a) shows a thermoplastic polyurethane (TPU) substrate and (b) shows a polyurethane (PU) substrate.
Figure 6 is a diagram showing a stretchable heating film according to the first embodiment of the present invention.
Figure 7 is a flowchart showing a method of manufacturing a carbon heating paste for manufacturing a stretchable heating film according to a second embodiment of the present invention.
Figure 8 is a schematic diagram for explaining a method of manufacturing a carbon heating paste for manufacturing a stretchable heating film according to a second embodiment of the present invention.
Figure 9 is an electron micrograph showing the dispersion effect of carbon nanotubes according to acid treatment. (a) shows no acid treatment, (b) shows acid treatment with a single acid, and (c) shows acid treatment with mixed acids.
Figure 10 is a diagram showing a stretchable heating film according to a second embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트 제조방법을 자세히 설명한다. Hereinafter, a method for producing a carbon heating paste for manufacturing a stretchable heating film according to the first embodiment of the present invention will be described in detail.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트 제조방법은,As shown in Figure 1, the method for producing a carbon heating paste for manufacturing a stretchable heating film according to the first embodiment of the present invention is,
소정의 길이를 가진 탄소나노튜브를 산처리하는 제1단계(S11);A first step (S11) of acid treating carbon nanotubes with a predetermined length;
산처리된 상기 탄소나노튜브를 용매에 넣고 분산시켜, 상기 탄소나노튜브가 상기 용매에 무작위로 분산된 혼합용액을 제조하는 제2단계(S12); 및A second step (S12) of dispersing the acid-treated carbon nanotubes in a solvent to prepare a mixed solution in which the carbon nanotubes are randomly dispersed in the solvent; and
상기 혼합용액에 폴리우레탄 수지를 넣어 상기 폴리우레탄 수지를 상기 용매에 용해시켜, 탄소발열 페이스트를 제조하는 제3단계(S13)로 구성된다. 이하, 도 2를 참조하여 설명한다.It consists of a third step (S13) of preparing a carbon heating paste by adding polyurethane resin to the mixed solution and dissolving the polyurethane resin in the solvent. Hereinafter, it will be described with reference to FIG. 2.
이하, 제1단계(S11)를 설명한다.Hereinafter, the first step (S11) will be described.
[탄소나노튜브][Carbon nanotube]
탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT)는 소정의 길이를 가진다. 일예로, 탄소나노튜브는 수십 나노미터의 직경 및 수십 마이크로미터의 길이로 형성된다. 즉, 탄소나노튜브는 길이가 직경 대비 천배 이상으로 긴 탄소나노튜브로, 긴 탄소나노튜브끼리 서로 얽혀 있다. Carbon nanotubes (CNTs) have a certain length. For example, carbon nanotubes are formed with a diameter of several tens of nanometers and a length of several tens of micrometers. In other words, carbon nanotubes are carbon nanotubes whose length is more than a thousand times longer than their diameter, and the long carbon nanotubes are entangled with each other.
개별 탄소나노튜브 가닥은 구조적으로 유연하여 구부러진 상태에 있다가 펴질 수도 있다. 이러한 개별 탄소나노튜브 가닥들이 서로 접촉하며 얽힌다.Individual carbon nanotube strands are structurally flexible and can be bent and then straightened. These individual carbon nanotube strands touch each other and become entangled.
탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브 (single-walled carbon nanotube, SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브 (double-walled carbon nanotube, SWCNT) 및 다중벽 탄소나노튜브 (multi-walled carbon nanotube, MWCNT) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 선택되어 사용될 수 있다.Carbon nanotubes are either single-walled carbon nanotubes (SWCNT), double-walled carbon nanotubes (SWCNT), or multi-walled carbon nanotubes (MWCNT). Alternatively, two or more may be selected and used.
기재 대비 탄소나노튜브의 함량은 50wt% 미만인 것이 바람직하다. It is preferable that the content of carbon nanotubes compared to the substrate is less than 50wt%.
[산처리][Acid treatment]
탄소나노튜브는 산성용액으로 산처리된다. 탄소나노튜브를 산처리하면 탄소나노튜브에 카르복시기(-COOH) 또는 하이드록시기(-OH)와 같은 작용기(functional group)가 증가한다. 이로 인해, 탄소나노튜브가 용매에 혼합되는 경우 분산도가 증가하여 더욱 균일하게 혼합될 수 있다. Carbon nanotubes are acid treated with an acidic solution. When carbon nanotubes are treated with acid, functional groups such as carboxyl group (-COOH) or hydroxy group (-OH) increase in the carbon nanotubes. Because of this, when carbon nanotubes are mixed in a solvent, the degree of dispersion increases and they can be mixed more uniformly.
산성용액으로는 황산 또는 질산의 단일용액이 사용되거나, 황산과 질산의 혼합용액이 사용될 수 있다. As an acidic solution, a single solution of sulfuric acid or nitric acid may be used, or a mixed solution of sulfuric acid and nitric acid may be used.
도 3에 도시된 바와 같이, 산처리를 하지 않은 탄소나노튜브는 분산성이 떨어져 전기저항의 수치가 높게 나타나지만, 혼합 산으로 산처리를 한 탄소나노튜브는 분산성이 좋아 전기저항 수치가 낮게 나타난다. 혼합 산의 배합비율은, 질산 50%~80%, 황산 50%~20%인 것이 바람직하다. 산처리는 탄소나노튜브를 산성용액에 넣은 후 초음파(ultrasonic)를 가하여 1시간~24시간동안 초음파 처리하여 이루어진다.As shown in Figure 3, carbon nanotubes that have not been treated with acid have poor dispersibility and have a high electrical resistance value, but carbon nanotubes that have been acid treated with mixed acids have good dispersibility and have a low electrical resistance value. . The mixing ratio of the mixed acid is preferably 50% to 80% nitric acid and 50% to 20% sulfuric acid. Acid treatment is performed by placing carbon nanotubes in an acidic solution and then applying ultrasonic waves to sonicate them for 1 to 24 hours.
이하, 제2단계(S12)를 설명한다.Hereinafter, the second step (S12) will be described.
산처리가 된 탄소나노튜브를 용매에 넣고 혼합한다. 탄소나노튜브를 용매 속에 무작위로 분산시켜 혼합용액을 제조한다. Add the acid-treated carbon nanotubes to the solvent and mix. A mixed solution is prepared by randomly dispersing carbon nanotubes in a solvent.
용매로는 사이클로헥사논(cyclohexanone) 또는 NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone)의 단일 용매가 사용될 수 있다. 사이클로헥사논과 NMP는 끊는점이 높고, 폴리우레탄 수지의 용해도가 좋다. As a solvent, a single solvent such as cyclohexanone or NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone) may be used. Cyclohexanone and NMP have high boiling points and good solubility in polyurethane resin.
특히, 사이클로헥사논은 탄소 발열 페이스트의 건조시간을 늦추고, NMP은 탄소나노튜브의 분산성을 향상시키는 성질을 가지고 있어, 사이클로헥사논과 NMP 2종 이상의 혼합 용매를 사용하면, 건조시간을 늦추는 효과와 탄소나노튜브의 분산성 향상 효과를 동시에 누릴 수 있다.In particular, cyclohexanone slows down the drying time of carbon heating paste, and NMP has the property of improving the dispersibility of carbon nanotubes, so using a mixed solvent of two or more types of cyclohexanone and NMP has the effect of slowing down the drying time and You can enjoy the dispersibility improvement effect of carbon nanotubes at the same time.
이러한 효과를 누릴 수 있는 이유는 다음과 같다.The reasons why you can enjoy this effect are as follows.
폴리우레탄 기판(11) 위에 탄소 발열 페이스트(1)를 도포할 때, 도포두께를 균일하게 하기 위해 폴리우레탄 기판 위에 메쉬를 깔고, 메쉬 위에 탄소 발열 페이스트(1)를 도포 패턴에 따라 붓는데, 탄소 발열 페이스트(1)가 일찍 건조되어 버리면, 메쉬 구멍이 막혀, 더 이상 폴리우레탄 기판(11) 위에 도포를 하지 못하게 된다. 따라서 탄소 발열 페이스트(1)의 건조시간을 최대한 늦추는 것이 중요한데, 이러한 역할을 사이클로헥사논이 한다.When applying the carbon heating paste (1) on the polyurethane substrate (11), a mesh is laid on the polyurethane substrate to make the application thickness uniform, and the carbon heating paste (1) is poured on the mesh according to the application pattern. If the heating paste 1 dries prematurely, the mesh holes become clogged, making it no longer possible to apply it on the polyurethane substrate 11. Therefore, it is important to delay the drying time of the carbon heating paste (1) as much as possible, and cyclohexanone plays this role.
또한, 균일한 발열을 위해 탄소 발열 페이스트(1)내에서 탄소나노튜브의 분산성이 중요한데, 이러한 역할을 NMP가 한다. 특히, NMP는 폴리우레탄 수지 속에 소정의 길이의 탄소나노튜브를 서로 접촉하며 구부러진 형태로 무작위로 분산된 상태로 만들어, 메쉬 구멍 통과 후에도 탄소나노튜브가 일방향으로 정렬되거나 상호간의 접촉이 끊어지지 않는다.In addition, the dispersibility of carbon nanotubes in the carbon heating paste (1) is important for uniform heat generation, and NMP plays this role. In particular, NMP makes carbon nanotubes of a predetermined length randomly dispersed in a bent shape while contacting each other in a polyurethane resin, so that the carbon nanotubes are not aligned in one direction or do not lose contact with each other even after passing through the mesh hole.
이로 인해, 탄소 발열 페이스트(1)가 폴리우레탄 기판(11) 위에 도포된 후 건조되어 제조된 신축성 발열 필름을, 사방으로 구부리거나 접어도, 기재인 폴리우레탄 수지가 늘어날 때 폴리우레탄 수지 속의 탄소나노튜브는 구부러진 모양이 펴질 뿐 그 위치가 변하거나 서로 연결이 끊어지지 않게 된다. 따라서 신축성 발열 필름의 신축에 관계없이 일관된 발열 성능을 발휘한다.For this reason, even if the stretchable heating film manufactured by applying the carbon heating paste 1 on the polyurethane substrate 11 and then drying it is bent or folded in all directions, when the polyurethane resin, which is the base material, is stretched, the carbon nano particles in the polyurethane resin remain. Tubes only straighten out of their bent shape and do not change their position or become disconnected from each other. Therefore, consistent heating performance is achieved regardless of the stretching of the stretchable heating film.
도 4는 폴리우레탄 기판(11)에 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트(1)가 인쇄된 상태를 나타낸 것으로, 도 4(a)와 같이 단일 용매를 사용한 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트(1)를 인쇄한 경우 나노탄소층(12)이 제대로 형성되지 않을 수 있다. 그러나 도 4(b)와 같이 혼합 용매를 사용한 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트(1)를 인쇄한 경우 나노탄소층(12)이 균일한 두께로 일정하게 형성되는 것을 확인할 수 있다. 그 이유는 전술한 바와 같다.Figure 4 shows the state in which the carbon heating paste (1) for manufacturing a stretchable heating film is printed on a polyurethane substrate (11). As shown in Figure 4(a), the carbon heating paste (1) for manufacturing a stretchable heating film using a single solvent is printed on the polyurethane substrate (11). When printed, the nanocarbon layer 12 may not be formed properly. However, when the carbon heating paste 1 for manufacturing a stretchable heating film using a mixed solvent is printed as shown in FIG. 4(b), it can be confirmed that the nanocarbon layer 12 is formed at a uniform thickness. The reason is the same as described above.
사이클로헥사논과 NMP 혼합 용매의 배합비율은 사이클로헥사논 50%~80%, NMP 50%~20%인 것이 바람직하다. The mixing ratio of the mixed solvent of cyclohexanone and NMP is preferably 50% to 80% for cyclohexanone and 50% to 20% for NMP.
이하, 제3단계(S13)를 설명한다.Hereinafter, the third step (S13) will be described.
신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트(1)에 함유된 탄소나노튜브가 신축성 발열 필름의 신축성 기판에 잘 접착될 수 있도록 하기 위해서는 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트(1)의 기재가 필요하다. In order for the carbon nanotubes contained in the carbon heating paste (1) for producing a stretchable heating film to adhere well to the stretchable substrate of the stretchable heating film, a base material for the carbon heating paste (1) for producing a stretchable heating film is required.
신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트(1)의 기재는 후술되는 신축성 발열 필름의 기판과 동일한 재질인 폴리우레탄(polyurethane, PU) 수지가 사용된다. The base material of the carbon heating paste 1 for producing a stretchable heating film is polyurethane (PU) resin, which is the same material as the substrate of the stretchable heating film described later.
혼합용액에 폴리우레탄 수지를 투입하고 혼합한다. 폴리우레탄 수지는 혼합용액에 함유된 용매에 의해 용해된다. 용해된 폴리우레탄 수지에 의해 용액의 점도가 생긴다.Add polyurethane resin to the mixed solution and mix. Polyurethane resin is dissolved by the solvent contained in the mixed solution. The viscosity of the solution is created by the dissolved polyurethane resin.
폴리우레탄 수지는 열경화성 수지는 아니나 유사한 3차원 구조를 가진다. 폴리우레탄 수지는 인장강도 및 인열강도가 우수하다. 또한, 유연성 및 형상 기억 능력이 있어, 적용범위가 광범위하고, 금속과 접합력이 우수하다.Polyurethane resin is not a thermosetting resin, but has a similar three-dimensional structure. Polyurethane resin has excellent tensile strength and tear strength. In addition, it has flexibility and shape memory ability, so it has a wide range of applications and has excellent bonding strength with metal.
비교예Comparative example
도 5(a)에 도시된 바와 같이, 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트(1)의 기재 및 신축성 발열 필름의 기판으로 열가소성 폴리우레탄(thermoplastic polyurethane, TPU)을 적용하는 경우 신축성 발열 필름 제조 시 열처리 후 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트(1)의 인쇄 부위가 응집되어 크기가 줄어든다. 그러나 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 폴리우레탄을 적용하는 경우 열처리 전과 후 인쇄 부위의 변화가 없다.As shown in Figure 5(a), when thermoplastic polyurethane (TPU) is applied as the base of the carbon heating paste (1) for manufacturing the stretchable heating film and the substrate of the stretchable heating film, after heat treatment when manufacturing the stretchable heating film The printed area of the carbon heating paste (1) for producing a stretchable heating film is agglomerated and its size is reduced. However, as shown in Figure 5(b), when polyurethane is applied, there is no change in the printed area before and after heat treatment.
이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 신축성 발열 필름을 자세히 설명한다.Hereinafter, the stretchable heating film according to the first embodiment of the present invention will be described in detail.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 신축성 발열 필름은, 폴리우레탄 기판(11)과, 나노탄소층(12)으로 구성된다. As shown in FIG. 6, the stretchable heating film according to the first embodiment of the present invention is composed of a polyurethane substrate 11 and a nanocarbon layer 12.
폴리우레탄 기판(11)은 필름 형태로 형성되며, 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트(1)의 기재와 동일하게 폴리우레탄 수지로 형성된다. The polyurethane substrate 11 is formed in the form of a film and is made of polyurethane resin in the same manner as the base material of the carbon heating paste 1 for producing a stretchable heating film.
나노탄소층(12)은 폴리우레탄 기판(11)의 상면에 형성된다. 나노탄소층(12)은 닥터 블레이드와 같은 인쇄기기를 이용하여 상술한 제1실시예에 따른 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트(1)로 폴리우레탄 기판(11)을 균일한 두께로 인쇄한 후 열처리하여 형성된다.The nanocarbon layer 12 is formed on the upper surface of the polyurethane substrate 11. The nanocarbon layer 12 is formed by printing the polyurethane substrate 11 to a uniform thickness with the carbon heating paste 1 for producing a stretchable heating film according to the first embodiment described above using a printing device such as a doctor blade, and then heat treating it. It is formed by
보다 구체적으로, 폴리우레탄 기판(11) 위에 탄소 발열 페이스트(1)를 도포할 때, 도포두께를 균일하게 하기 위해 폴리우레탄 기판(11) 위에 메쉬를 깐다. 메쉬 위에 탄소 발열 페이스트(1)를 도포 패턴에 따라 붓고, 닥터 블레이드로 긁어 준다. 탄소 발열 페이스트(1)가 메쉬 구멍을 통과한 후, 폴리우레탄 기판(11) 위에 도포 패턴대로 도포된다. 메쉬를 제거한다. 탄소 발열 페이스트(1)를 열처리하여 건조한다. 폴리우레탄 기판(11) 위에 나노탄소층(12)이 형성된 신축성 발열 필름이 제조된다.More specifically, when applying the carbon heating paste (1) on the polyurethane substrate (11), a mesh is spread on the polyurethane substrate (11) to make the application thickness uniform. Pour the carbon heating paste (1) on the mesh according to the application pattern and scrape it with a doctor blade. After the carbon heating paste (1) passes through the mesh hole, it is applied according to the application pattern on the polyurethane substrate (11). Remove the mesh. The carbon heating paste (1) is heat treated and dried. A stretchable heating film in which a nanocarbon layer 12 is formed on a polyurethane substrate 11 is manufactured.
열처리를 통해 건조되면 제1실시예에 따른 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트(1)에 함유된 용매가 제거되고, 폴리우레탄 수지 속에 소정의 길이의 탄소나노튜브가 서로 접촉하며 구부러진 형태로 무작위로 분산되어 남게 된다.When dried through heat treatment, the solvent contained in the carbon heating paste (1) for manufacturing the stretchable heating film according to the first embodiment is removed, and carbon nanotubes of a predetermined length are in contact with each other and randomly dispersed in a bent shape in the polyurethane resin. It becomes and remains.
신축성 발열 필름을 구부리거나 접을 경우, 폴리우레탄 수지가 늘어날 때 폴리우레탄 수지 속의 탄소나노튜브는 구부러진 모양이 펴질 뿐 그 위치가 변하거나 서로 연결이 끊어지지 않는다. 따라서 신축성 발열 필름이 구부러지거나 접히더라도 신축성 발열 필름의 발열 성능은 저하되지 않고 일정하게 유지될 수 있다.When bending or folding a flexible heating film, when the polyurethane resin is stretched, the carbon nanotubes in the polyurethane resin only unfold their bent shape and do not change their positions or disconnect from each other. Therefore, even if the stretchable heat-generating film is bent or folded, the heat-generating performance of the stretchable heat-generating film can be maintained constant without deterioration.
이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트 제조방법을 자세히 설명한다. Hereinafter, a method for producing a carbon heating paste for manufacturing a stretchable heating film according to a second embodiment of the present invention will be described in detail.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트 제조방법은,As shown in Figure 7, the method for producing carbon heating paste for producing a stretchable heating film according to the second embodiment of the present invention is,
소정의 길이를 가진 탄소나노튜브를 산처리하는 제1단계(S21);A first step (S21) of acid treating carbon nanotubes with a predetermined length;
산처리된 상기 탄소나노튜브를 용매에 넣고 분산시켜, 상기 탄소나노튜브가 상기 용매에 무작위로 분산된 제1혼합용액을 제조하는 제2단계(S22);A second step (S22) of dispersing the acid-treated carbon nanotubes in a solvent to prepare a first mixed solution in which the carbon nanotubes are randomly dispersed in the solvent;
상기 제1혼합용액에 폴리우레탄 수지를 넣어 상기 폴리우레탄 수지를 상기 용매에 용해시켜, 제2혼합용액을 제조하는 제3단계(S23); 및A third step (S23) of preparing a second mixed solution by adding a polyurethane resin to the first mixed solution and dissolving the polyurethane resin in the solvent; and
상기 제2혼합용액에 분말 형태의 흑연을 넣고 분산시켜, 상기 흑연이 상기 탄소나노튜브 사이사이에 채워진 탄소발열 페이스트를 제조하는 제4단계(S24)로 구성된다. 도 8을 참조한다.It consists of a fourth step (S24) of adding powdered graphite to the second mixed solution and dispersing it to produce a carbon heating paste filled with the graphite between the carbon nanotubes. See Figure 8.
본 실시예의 제1단계(S21), 제2단계(S22), 제3단계(S23)는 제1실시예에 따른 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트 제조방법의 제1단계(S11), 제2단계(S12), 제3단계(S13)와 각각 동일하다. 다만, 본 실시예는 제1실시예에 따른 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트 제조방법에서 제4단계(S24)가 더 추가된다는 점에서 차이가 있다. 본 실시예에서는 제4단계(S24)가 제3단계(S23)와 별개의 단계로 추가되었지만, 제3단계(S23)와 함께 진행될 수도 있다. 즉, 제1혼합용액에 폴리우레탄 수지와 흑연이 함께 투입될 수도 있다. The first step (S21), the second step (S22), and the third step (S23) of this embodiment are the first step (S11) and the second step of the carbon heating paste manufacturing method for manufacturing the stretchable heating film according to the first embodiment. (S12) and the same as the third step (S13), respectively. However, this embodiment differs from the method of producing a carbon heating paste for manufacturing a stretchable heating film according to the first embodiment in that a fourth step (S24) is further added. In this embodiment, the fourth step (S24) is added as a separate step from the third step (S23), but it may be performed together with the third step (S23). That is, polyurethane resin and graphite may be added together to the first mixed solution.
이하, 동일한 단계에 대한 자세한 설명은 생략하고, 추가된 제4단계(S24)를 중심으로 설명한다. Hereinafter, a detailed description of the same steps will be omitted, and the description will focus on the added fourth step (S24).
이하, 제4단계(S24)를 설명한다.Hereinafter, the fourth step (S24) will be described.
제1혼합용액에 폴리우레탄 수지가 용해된 제2혼합용액에 흑연(graphite)을 넣고 분산시킨다. 흑연은 분말 형태로 혼합된다. 흑연은 용매에 분산되어 용매에 분산된 탄소나노튜브 사이사이를 채운다.Graphite is added and dispersed in the second mixed solution in which the polyurethane resin is dissolved in the first mixed solution. Graphite is mixed in powder form. Graphite is dispersed in a solvent and fills the spaces between carbon nanotubes dispersed in the solvent.
흑연은 탄소나노튜브가 서로 얽혀 있는 빈 공간을 채우게 되어 탄소 함량을 높여, 발열량을 높일 수 있다. 흑연은 탄소나노튜브와 같은 유연성이 없어 신축성 발열 필름의 신축성을 기대할 수 없기 때문에 흑연은 탄소나노튜브에 보조적으로 첨가되어야 한다. 기재 대비 탄소나노튜브와 흑연 함량은 제1실시예와 마찬가지로 50wt% 미만인 것이 바람직하다. Graphite fills the empty space where carbon nanotubes are intertwined, increasing the carbon content and increasing heat generation. Since graphite does not have the same flexibility as carbon nanotubes, the elasticity of a stretchable heating film cannot be expected, so graphite must be added as an auxiliary to carbon nanotubes. It is preferable that the carbon nanotube and graphite content compared to the substrate is less than 50wt%, as in the first embodiment.
도 9(a)를 보면, 산처리를 하지 않은 탄소나노튜브의 경우 탄소나노튜브와 흑연의 분산성이 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 그러나 도 9(b)를 보면, 황산 또는 질산의 단일 산으로 산처리를 한 탄소나노튜브는 산처리를 하지 않은 탄소나노튜브보다 탄소나노튜브와 흑연의 분산성이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 도 9(c)를 보면, 황산과 질산의 혼합 산으로 산처리를 한 탄소나노튜브는 단일 산으로 산처리를 한 탄소나노튜브보다 탄소나노튜브와 흑연의 분산성이 더 향상되는 것을 확인할 수 있다. 2종 이상의 혼합산을 사용하여 탄소나노튜브와 흑연의 분산성을 향상시키면 균일성이 향상되고, 이로 인해 탄소나노튜브와 흑연의 투입량을 증가시킬 수 있다.Looking at Figure 9(a), it can be seen that the dispersibility of carbon nanotubes and graphite is poor in the case of carbon nanotubes that have not been acid treated. However, looking at Figure 9(b), it can be seen that the dispersibility of carbon nanotubes and graphite is improved in carbon nanotubes that have been acid treated with a single acid such as sulfuric acid or nitric acid, compared to carbon nanotubes that have not been acid treated. Looking at Figure 9(c), it can be seen that the dispersibility of carbon nanotubes and graphite is more improved than that of carbon nanotubes acid-treated with a mixed acid of sulfuric acid and nitric acid compared to carbon nanotubes acid-treated with a single acid. . If the dispersibility of carbon nanotubes and graphite is improved by using two or more mixed acids, uniformity is improved, and thus the amount of carbon nanotubes and graphite input can be increased.
이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 신축성 발열 필름을 자세히 설명한다.Hereinafter, the stretchable heating film according to the second embodiment of the present invention will be described in detail.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 신축성 발열 필름은, 폴리우레탄 기판(21)과, 나노탄소층(22)으로 구성된다. 본 실시예는 폴리우레탄 기판(21)은 제1실시예에 따른 신축성 발열 필름과 동일하고, 나노탄소층(22)의 구성에 있어서 차이가 있다. 동일한 구성에 대한 자세한 설명은 생략하고 다른 구성을 중심으로 설명한다.As shown in Figure 10, the stretchable heating film according to the second embodiment of the present invention is composed of a polyurethane substrate 21 and a nanocarbon layer 22. In this embodiment, the polyurethane substrate 21 is the same as the stretchable heating film according to the first embodiment, but there is a difference in the composition of the nanocarbon layer 22. Detailed descriptions of the same configuration will be omitted and explanation will focus on different configurations.
나노탄소층(22)은 폴리우레탄 기판(21)의 상면에 형성된다. 나노탄소층(22)은 닥터 블레이드와 같은 인쇄기기를 이용하여 상술한 제2실시예에 따른 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트(2)로 폴리우레탄 기판(21)을 균일한 두께로 인쇄한 후 열처리하여 형성된다.The nanocarbon layer 22 is formed on the upper surface of the polyurethane substrate 21. The nanocarbon layer 22 is formed by printing the polyurethane substrate 21 to a uniform thickness with the carbon heating paste 2 for producing a stretchable heating film according to the second embodiment described above using a printing device such as a doctor blade, and then heat treating it. It is formed by
보다 구체적으로, 폴리우레탄 기판(21) 위에 탄소 발열 페이스트(2)를 도포할 때, 도포두께를 균일하게 하기 위해 폴리우레탄 기판(21) 위에 메쉬를 깐다. 메쉬 위에 탄소 발열 페이스트(2)를 도포 패턴에 따라 붓고, 닥터 블레이드로 긁어 준다. 탄소 발열 페이스트(2)가 메쉬 구멍을 통과한 후, 폴리우레탄 기판(21)위에 도포 패턴대로 도포된다. 메쉬를 제거한다. 탄소 발열 페이스트(2)를 열처리하여 건조한다. 폴리우레탄 기판(21) 위에 나노탄소층(22)이 형성된 신축성 발열 필름이 제조된다.More specifically, when applying the carbon heating paste (2) on the polyurethane substrate (21), a mesh is spread on the polyurethane substrate (21) to make the application thickness uniform. Pour the carbon heating paste (2) on the mesh according to the application pattern and scrape it with a doctor blade. After the carbon heating paste (2) passes through the mesh hole, it is applied on the polyurethane substrate (21) according to the application pattern. Remove the mesh. The carbon heating paste (2) is heat treated and dried. A stretchable heating film in which a nanocarbon layer 22 is formed on a polyurethane substrate 21 is manufactured.
열처리를 통해 건조되면 제2실시예에 따른 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트(2)에 함유된 용매가 제거되고, 폴리우레탄 수지 속에 소정의 길이의 탄소나노튜브가 서로 접촉하며 구부러진 형태로 무작위로 분산되어 남게 되고, 서로 접촉되어 연결된 탄소나노튜브 사이사이로 흑연이 채워져 있게 된다.When dried through heat treatment, the solvent contained in the carbon heating paste (2) for manufacturing the stretchable heating film according to the second embodiment is removed, and carbon nanotubes of a predetermined length are in contact with each other and randomly dispersed in a bent shape in the polyurethane resin. It remains, and the space between the carbon nanotubes that are in contact with each other is filled with graphite.
1, 2: 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트
11, 21: 폴리우레탄 기판
12, 22: 나노탄소층1, 2: Carbon heating paste for manufacturing stretchable heating film
11, 21: polyurethane substrate
12, 22: nanocarbon layer
Claims (5)
산처리된 상기 탄소나노튜브를 용매에 넣고 분산시켜, 상기 탄소나노튜브가 상기 용매에 무작위로 분산된 혼합용액을 제조하는 제2단계; 및
상기 혼합용액에 폴리우레탄 수지를 넣어 상기 폴리우레탄 수지를 상기 용매에 용해시켜, 탄소발열 페이스트를 제조하는 제3단계를 포함하며,
상기 제2단계에서,
상기 용매는 사이클로헥사논(cyclohexanone) 50%~80%, NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone) 50%~20% 로 구성된 혼합 용매인 것을 특징으로 하는 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트 제조방법.A first step of acid treating carbon nanotubes with a predetermined length;
A second step of dispersing the acid-treated carbon nanotubes in a solvent to prepare a mixed solution in which the carbon nanotubes are randomly dispersed in the solvent; and
A third step of preparing a carbon heating paste by adding a polyurethane resin to the mixed solution and dissolving the polyurethane resin in the solvent,
In the second step,
A method of producing a carbon heating paste for manufacturing a stretchable heating film, characterized in that the solvent is a mixed solvent consisting of 50% to 80% of cyclohexanone and 50% to 20% of NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone).
산처리된 상기 탄소나노튜브를 용매에 넣고 분산시켜, 상기 탄소나노튜브가 상기 용매에 무작위로 분산된 제1혼합용액을 제조하는 제2단계;
상기 제1혼합용액에 폴리우레탄 수지를 넣어 상기 폴리우레탄 수지를 상기 용매에 용해시켜, 제2혼합용액을 제조하는 제3단계; 및
상기 제2혼합용액에 분말 형태의 흑연을 넣고 분산시켜, 상기 흑연이 상기 탄소나노튜브 사이사이에 채워진 탄소발열 페이스트를 제조하는 제4단계를 포함하며,
상기 제2단계에서,
상기 용매는 사이클로헥사논(cyclohexanone) 50%~80%, NMP(N-Methyl-2-pyrrolidone) 50%~20% 로 구성된 혼합 용매인 것을 특징으로 하는 신축성 발열 필름 제조용 탄소 발열 페이스트 제조방법.A first step of acid treating carbon nanotubes with a predetermined length;
A second step of dispersing the acid-treated carbon nanotubes in a solvent to prepare a first mixed solution in which the carbon nanotubes are randomly dispersed in the solvent;
A third step of preparing a second mixed solution by adding a polyurethane resin to the first mixed solution and dissolving the polyurethane resin in the solvent; and
A fourth step of adding and dispersing graphite in powder form to the second mixed solution to produce a carbon heating paste in which the graphite is filled between the carbon nanotubes,
In the second step,
A method of producing a carbon heating paste for manufacturing a stretchable heating film, characterized in that the solvent is a mixed solvent consisting of 50% to 80% of cyclohexanone and 50% to 20% of NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone).
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