예전부터 이어져 온 난방 기구에 대한 관심과 연구는 늘 새로운 방식으로 진화하였다. 기존부터 많이 사용해오던 열선을 이용한 발열체의 경우, 열선사이의 공간은 발생되는 열이 주변 공기로 대류에 의해 전달되는 방식이었다. 이 방식은 사용 시간에 따라 열효율이 떨어지며 안정적으로 온도 유지를 하지 못하며 온도가 증가함에 따라 열선의 손상 시에는 발열체의 기능을 하지 못하는 단점을 가지고 있다. 이에 따라 이러한 단점을 보완할 수 있는 ...
예전부터 이어져 온 난방 기구에 대한 관심과 연구는 늘 새로운 방식으로 진화하였다. 기존부터 많이 사용해오던 열선을 이용한 발열체의 경우, 열선사이의 공간은 발생되는 열이 주변 공기로 대류에 의해 전달되는 방식이었다. 이 방식은 사용 시간에 따라 열효율이 떨어지며 안정적으로 온도 유지를 하지 못하며 온도가 증가함에 따라 열선의 손상 시에는 발열체의 기능을 하지 못하는 단점을 가지고 있다. 이에 따라 이러한 단점을 보완할 수 있는 면상발열체가 최근 대두되고 있다. 면상발열체는 면 자체의 발열로 인한 낮은 소비전력과 면상발열체 내의 한 부분이 손상되어도 발열체로서의 기능을 계속할 수 있는 장점을 가지고 있다[1]. 본 논문에서 적용하고자 하는 소재는 탄소섬유와 펄프를 혼합하여 만든 부직포형 면상발열체로서, 선형발열체가 가지고 있는 높은 소비전력, 빛 산란 등의 단점들을 극복할 수 있으며, 고내구성과 가격경쟁력을 갖출 수 있다[2]. 탄소섬유(CF, Carbon Fiber)·펄프 부직포를 제조하기 위해 습식법을 사용하여 클린앤사이언스社를 통하여 제조하였고, 탄소섬유와 펄프의 비율에 따른 물리적/전기적/열적 특성을 비교·분석해보고자 탄소섬유와 펄프의 비율을 2:8/4:6/6:4/8:2로 나누어 제조하였고 이를 통해 가장 효율적인 탄소와 펄프의 비율을 찾아내고자 하였다. 각 물성을 분석하기 위하여 물리적 분석에는 부직포의 표면에 대한 정보를 얻기 위하여 SEM을 사용하였고, 전기적 분석에는 부직포 면상발열체의 신뢰성을 얻기 위하여 전기 저항을 측정하기 위하여 4-Point Probe 방법을 사용하였고, 열적 분석에는 부직포의 온도에 따른 변화를 보기 위하여 TGA와 면상발열체의 온도에 따른 표면의 열분포를 보기 위하여 적외선 열화상 카메라를 이용하였다. SEM을 통한 표면 분석은 재료의 따라 부직포 내에 탄소섬유와 펄프의 비율이 다르게 분포함을 알 수 있었으며, 탄소섬유의 경우 8~10㎛의 굵기를 가지고 있으며 펄프의 경우 일정한 굵기를 가지고 있지 않음이 나타났다. 전기저항을 분석한 결과, 50×50mm의 크기의 부직포에 대해 4-Point Probe방법으로 저항을 측정하여 부직포 내의 탄소섬유의 비율이 증가함에 따라 CF:pulp=2:8 의 경우 6.48 10Ω/□, □=50ⅹ50mm, CF:pulp=4:6의 경우 4.57 10Ω/□, CF:pulp=6:4의 경우 2.89 10Ω/□, CF:pulp=8:2의 경우에는 1.75 10Ω/□의 저항 값을 보여 탄소섬유의 비율이 증가할수록 저항이 감소함을 알 수 있었다. 또한, 각 시편에 대해 9부분의 다른 영역에 대해 저항을 측정하였으며 신뢰성을 위해 각 시편에 대하여 5번의 실험을 진행하였다. 각 실험의 결과는 오차의 비율이 ±0.5 이내에 들어왔으며 이로 인하여 탄소섬유와 펄프가 부직포 내에 고르게 분포하고 있음을 볼 수 있었다. TGA를 통한 열중량 분석을 보면, 온도범위를 0~950℃까지 증가시키면서 그에 따른 중량%의 변화를 관찰하고자 하였다. 온도가 증가함에 따라 펄프가 먼저 열에 의해 분해되어 최종적으로 탄소섬유와 펄프의 분해물이 존재함을 알 수 있었으며, 탄소섬유의 비율이 증가함에 따라 최종 잔존물의 비율이 증가함을 알 수 있어 탄소섬유·펄프 부직포가 비율에 따라 제조가 되었음을 관찰하였다. 적외선 열화상 카메라에 의한 부직포의 표면 열분포를 보면, 전압을 인가 시에 모든 시편이 300초 이내에 최고 온도에 도달함을 알 수 있었으며 인가하는 전압의 크기가 커질수록 최고 온도가 높아지며 부직포 내의 탄소섬유의 비율이 증가할수록 최고 온도가 높아짐을 알 수 있었다. 또한, 최고 온도에 달한 후에는 일정한 온도를 유지하였으며 이는 적외선 열화상 카메라 이미지를 통하여 고른 열 분포를 확인할 수 있었고 EVA와 PE 필름의 코팅을 통하여 코팅재의 종류에 따른 열 분포를 확인한 결과 기존 부직포 시편에 비해 온도를 길게 유지함을 알 수 있었다. 따라서, 탄소섬유·펄프 부직포 면상발열체를 개발함에 있어 고른 열 분포와 탄소섬유와 펄프의 혼합비율에 따른 온도 조절의 용이함과 낮은 온도에서도 높은 열효율로 인하여 소형 난방기기나 저 전력을 요하는 난방기구로의 적용이 용이할 것으로 사료된다.
예전부터 이어져 온 난방 기구에 대한 관심과 연구는 늘 새로운 방식으로 진화하였다. 기존부터 많이 사용해오던 열선을 이용한 발열체의 경우, 열선사이의 공간은 발생되는 열이 주변 공기로 대류에 의해 전달되는 방식이었다. 이 방식은 사용 시간에 따라 열효율이 떨어지며 안정적으로 온도 유지를 하지 못하며 온도가 증가함에 따라 열선의 손상 시에는 발열체의 기능을 하지 못하는 단점을 가지고 있다. 이에 따라 이러한 단점을 보완할 수 있는 면상발열체가 최근 대두되고 있다. 면상발열체는 면 자체의 발열로 인한 낮은 소비전력과 면상발열체 내의 한 부분이 손상되어도 발열체로서의 기능을 계속할 수 있는 장점을 가지고 있다[1]. 본 논문에서 적용하고자 하는 소재는 탄소섬유와 펄프를 혼합하여 만든 부직포형 면상발열체로서, 선형발열체가 가지고 있는 높은 소비전력, 빛 산란 등의 단점들을 극복할 수 있으며, 고내구성과 가격경쟁력을 갖출 수 있다[2]. 탄소섬유(CF, Carbon Fiber)·펄프 부직포를 제조하기 위해 습식법을 사용하여 클린앤사이언스社를 통하여 제조하였고, 탄소섬유와 펄프의 비율에 따른 물리적/전기적/열적 특성을 비교·분석해보고자 탄소섬유와 펄프의 비율을 2:8/4:6/6:4/8:2로 나누어 제조하였고 이를 통해 가장 효율적인 탄소와 펄프의 비율을 찾아내고자 하였다. 각 물성을 분석하기 위하여 물리적 분석에는 부직포의 표면에 대한 정보를 얻기 위하여 SEM을 사용하였고, 전기적 분석에는 부직포 면상발열체의 신뢰성을 얻기 위하여 전기 저항을 측정하기 위하여 4-Point Probe 방법을 사용하였고, 열적 분석에는 부직포의 온도에 따른 변화를 보기 위하여 TGA와 면상발열체의 온도에 따른 표면의 열분포를 보기 위하여 적외선 열화상 카메라를 이용하였다. SEM을 통한 표면 분석은 재료의 따라 부직포 내에 탄소섬유와 펄프의 비율이 다르게 분포함을 알 수 있었으며, 탄소섬유의 경우 8~10㎛의 굵기를 가지고 있으며 펄프의 경우 일정한 굵기를 가지고 있지 않음이 나타났다. 전기저항을 분석한 결과, 50×50mm의 크기의 부직포에 대해 4-Point Probe방법으로 저항을 측정하여 부직포 내의 탄소섬유의 비율이 증가함에 따라 CF:pulp=2:8 의 경우 6.48 10Ω/□, □=50ⅹ50mm, CF:pulp=4:6의 경우 4.57 10Ω/□, CF:pulp=6:4의 경우 2.89 10Ω/□, CF:pulp=8:2의 경우에는 1.75 10Ω/□의 저항 값을 보여 탄소섬유의 비율이 증가할수록 저항이 감소함을 알 수 있었다. 또한, 각 시편에 대해 9부분의 다른 영역에 대해 저항을 측정하였으며 신뢰성을 위해 각 시편에 대하여 5번의 실험을 진행하였다. 각 실험의 결과는 오차의 비율이 ±0.5 이내에 들어왔으며 이로 인하여 탄소섬유와 펄프가 부직포 내에 고르게 분포하고 있음을 볼 수 있었다. TGA를 통한 열중량 분석을 보면, 온도범위를 0~950℃까지 증가시키면서 그에 따른 중량%의 변화를 관찰하고자 하였다. 온도가 증가함에 따라 펄프가 먼저 열에 의해 분해되어 최종적으로 탄소섬유와 펄프의 분해물이 존재함을 알 수 있었으며, 탄소섬유의 비율이 증가함에 따라 최종 잔존물의 비율이 증가함을 알 수 있어 탄소섬유·펄프 부직포가 비율에 따라 제조가 되었음을 관찰하였다. 적외선 열화상 카메라에 의한 부직포의 표면 열분포를 보면, 전압을 인가 시에 모든 시편이 300초 이내에 최고 온도에 도달함을 알 수 있었으며 인가하는 전압의 크기가 커질수록 최고 온도가 높아지며 부직포 내의 탄소섬유의 비율이 증가할수록 최고 온도가 높아짐을 알 수 있었다. 또한, 최고 온도에 달한 후에는 일정한 온도를 유지하였으며 이는 적외선 열화상 카메라 이미지를 통하여 고른 열 분포를 확인할 수 있었고 EVA와 PE 필름의 코팅을 통하여 코팅재의 종류에 따른 열 분포를 확인한 결과 기존 부직포 시편에 비해 온도를 길게 유지함을 알 수 있었다. 따라서, 탄소섬유·펄프 부직포 면상발열체를 개발함에 있어 고른 열 분포와 탄소섬유와 펄프의 혼합비율에 따른 온도 조절의 용이함과 낮은 온도에서도 높은 열효율로 인하여 소형 난방기기나 저 전력을 요하는 난방기구로의 적용이 용이할 것으로 사료된다.
The interest and research on the heating equipment which have been going on since the past has always evolved into a new way. In the case of a heating element using a heating wire which has been widely used in the past, the space between the heating wires is a type in which heat is transferred from ...
The interest and research on the heating equipment which have been going on since the past has always evolved into a new way. In the case of a heating element using a heating wire which has been widely used in the past, the space between the heating wires is a type in which heat is transferred from surrounding air by convection. This method has a disadvantage in that it can not maintain a stable temperature due to a decrease in thermal efficiency depending on the use time, and fails to function as a heating element when the heating wire is damaged as the temperature increases. Accordingly, a planar heating element capable of compensating for such disadvantages is recently emerging. The planar heating element has an advantage that it can continue to function as a heating element even if a part of the planar heating element is damaged due to low power consumption due to the heating of the plane itself. The material to be applied in this paper is a Non-woven fabric type surface heating element made by mixing carbon fiber and pulp. It can overcome disadvantages such as high power consumption and light scattering that linear heating element has, and it has high durability and price competitiveness have. Carbon Fiber(CF) and pulp Non-woven fabric, it was prepared by Clean and Science corporation using wet method. To compare Physical / Electrical / Thermal properties according to the ratio of Carbon Fiber and pulp, The Non-woven was made 2: 8/4: 6/6: 4/8: 2. We was tried to find the best ratio of Carbon Fiber and pulp. SEM was used for Physical analysis to obtain information on the surface of the Non-woven fabric. To measure Electrical Resistance, a 4-point probe method was used to obtain the reliability of the Non-woven surface heating element. Thermal analysis was carried out using an infrared thermography camera to examine the thermal distribution of the surface of the Non-woven depending on the temperature of the TGA and the surface heating element. It is considered that it is easy to apply to small heating system or heating system which requires low power because of easy heat control according to the mixing ratio of carbon fiber and pulp and high thermal efficiency even at low temperature.
The interest and research on the heating equipment which have been going on since the past has always evolved into a new way. In the case of a heating element using a heating wire which has been widely used in the past, the space between the heating wires is a type in which heat is transferred from surrounding air by convection. This method has a disadvantage in that it can not maintain a stable temperature due to a decrease in thermal efficiency depending on the use time, and fails to function as a heating element when the heating wire is damaged as the temperature increases. Accordingly, a planar heating element capable of compensating for such disadvantages is recently emerging. The planar heating element has an advantage that it can continue to function as a heating element even if a part of the planar heating element is damaged due to low power consumption due to the heating of the plane itself. The material to be applied in this paper is a Non-woven fabric type surface heating element made by mixing carbon fiber and pulp. It can overcome disadvantages such as high power consumption and light scattering that linear heating element has, and it has high durability and price competitiveness have. Carbon Fiber(CF) and pulp Non-woven fabric, it was prepared by Clean and Science corporation using wet method. To compare Physical / Electrical / Thermal properties according to the ratio of Carbon Fiber and pulp, The Non-woven was made 2: 8/4: 6/6: 4/8: 2. We was tried to find the best ratio of Carbon Fiber and pulp. SEM was used for Physical analysis to obtain information on the surface of the Non-woven fabric. To measure Electrical Resistance, a 4-point probe method was used to obtain the reliability of the Non-woven surface heating element. Thermal analysis was carried out using an infrared thermography camera to examine the thermal distribution of the surface of the Non-woven depending on the temperature of the TGA and the surface heating element. It is considered that it is easy to apply to small heating system or heating system which requires low power because of easy heat control according to the mixing ratio of carbon fiber and pulp and high thermal efficiency even at low temperature.
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