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문제 정의
- 본 연구에서는 무전해 니켈 도금 시간을 달리하여 제조한 자동차 시트용 탄소섬유 발열체의 발열 및 전기적 특성에 관하여 고찰하였다. 결과로서, 무전해 니켈 도금된 탄소섬유의 표면 온도 및 발열 속도는 도금 시간의 증가에 따라 증가하였으며, 30 min 도금한 섬유의 경우 미처리 섬유에 비하여 약 4~6배 높은 온도와 약 5~6배 높은 발열 속도를 나타내었다.
- 현재까지의 탄소섬유 발열체에 관한 연구는 복합체에 한정된 반면, 탄소섬유 자체에 대한 연구는 거의 없는 실정이다. 이에 따라, 본 연구에서는 서로 다른 도금 시간에 따른 무전해 도금을 통하여 니켈 도금된 탄소섬유를 제조하였으며, 도금 두께 및 표면 형상이 자동차용 탄소섬유 발열체의 전기적 및 저항 발열 특성 변화에 미치는 영향에 관하여 고찰하고자 하였다.
제안 방법
- Figure 1은 탄소섬유에 무전해 니켈 도금이 되는 과정을 나타낸 것으로서, 무전해 니켈 도금 과정을 민감화 과정과 활성화 과정 그리고 금속 도금 과정으로 나누어 처리하였다. 0.
- NiCF의 단면 및 표면 형상은 SEM (scanning electron microscope, AIS2000C, SERON tech, Korea)을 사용하여 관찰하였다. NiCF의 비저항은 4-point probe method (MCP-T6100, Mitsubishi Chemical Co.
- , Japan)을 이용하여 저항을 측정한 후 시편의 치수(A : 단면적, L : 전압 접촉부 사이의 거리)와의 관계를 이용하여 계산하였다. NiCF의 비열은 DSC (Differential scanning calorimetry, DSC-60, Mitsubishi, Japan)를 사용하여 5 ℃/min의 승온속도를 유지하며 300 ℃ 범위까지 측정하였으며, 안정화를 위하여 10 min 동안 유지하였다. 저항 발열용 시편의 제조는 탄소섬유의 길이를 70 mm로 절단 후 양 끝 10 mm를 알루미늄 테이프로 고정하였으며, 대기 중에 노출된 탄소섬유의 길이가 50 mm가 되도록 조절하였다.
- 본 연구에서 사용된 무전해 니켈 도금 욕(bath)을 Table 1에 나타내었다. 무전해 니켈 도금은 pH 4.5, 온도 90 ℃ 조건에서 실시하였으며, 각각 5, 10, 20, 그리고 30 min 동안 도금하였고 증류수로 충분히 세척한 뒤 100 ℃에서 12 h 동안 건조하였다. 이와 같이 처리한 탄소섬유를 도금 시간에 따라 각각 미처리 시편(As-received), NiCF (nickel plated carbon fibers)-5, NiCF-10, NiCF-20, 그리고 NiCF-30으로 각각 명명하였다.
- 저항 발열용 시편의 제조는 탄소섬유의 길이를 70 mm로 절단 후 양 끝 10 mm를 알루미늄 테이프로 고정하였으며, 대기 중에 노출된 탄소섬유의 길이가 50 mm가 되도록 조절하였다. 저항 발열 시험은 NiCF의 양 끝에 clamp를 연결하여 전원공급장치(power supply)를 이용하여 1, 2, 그리고 3 V 전압 하에서 인가전류량을 측정하였고, 저항 발열의 측정은 열화상 카메라(thermo-graphic camera, P640, FLIR, USA)를 이용하여 측정하였으며, Figure 2에 장치를 나타내었다[24].
- NiCF의 비열은 DSC (Differential scanning calorimetry, DSC-60, Mitsubishi, Japan)를 사용하여 5 ℃/min의 승온속도를 유지하며 300 ℃ 범위까지 측정하였으며, 안정화를 위하여 10 min 동안 유지하였다. 저항 발열용 시편의 제조는 탄소섬유의 길이를 70 mm로 절단 후 양 끝 10 mm를 알루미늄 테이프로 고정하였으며, 대기 중에 노출된 탄소섬유의 길이가 50 mm가 되도록 조절하였다. 저항 발열 시험은 NiCF의 양 끝에 clamp를 연결하여 전원공급장치(power supply)를 이용하여 1, 2, 그리고 3 V 전압 하에서 인가전류량을 측정하였고, 저항 발열의 측정은 열화상 카메라(thermo-graphic camera, P640, FLIR, USA)를 이용하여 측정하였으며, Figure 2에 장치를 나타내었다[24].
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 폴리아크릴로나이트릴(PAN)계 탄소섬유는 Toray에서 생산된 T-300 탄소섬유(3 K, 7 µm)를 사용하였다. 도금액을 제조하는데 있어 NiCl2 (96%, Deajung, Korea) 및 NiSO4 (98.5%, Deajung, Korea)는 금속염으로 사용하였고, Na3C6H5O7 (99%, Deajung, Korea)와 NaH2PO2 (82~86.5%, Samchun, Korea)를 착화제와 환원제로 사용하였으며, 안정제로 소량의 PbNO3 (99%, Deajung, Korea)를 사용하였다.
- 본 연구에서 사용된 무전해 니켈 도금 욕(bath)을 Table 1에 나타내었다. 무전해 니켈 도금은 pH 4.
- 본 연구에서 사용된 폴리아크릴로나이트릴(PAN)계 탄소섬유는 Toray에서 생산된 T-300 탄소섬유(3 K, 7 µm)를 사용하였다.
이론/모형
- Figure 4에 도금 시간이 다른 NiCF의 비저항을 4-point probe method를 이용하여 측정한 결과를 나타내었다. 비저항은 도금 시간 10 min까지 급격한 감소를 보였으며, 10 min 이후에는 비저항이 거의 감소하지 않았다.
- NiCF에 인가되는 전류량은 옴의 법칙(Ohm’s law)을 따르며, 각 전압하에서 도금 시간의 증가에 따라 NiCF에 인가되는 전류량의 증가를 보였다.
- NiCF의 단면 및 표면 형상은 SEM (scanning electron microscope, AIS2000C, SERON tech, Korea)을 사용하여 관찰하였다. NiCF의 비저항은 4-point probe method (MCP-T6100, Mitsubishi Chemical Co., Japan)을 이용하여 저항을 측정한 후 시편의 치수(A : 단면적, L : 전압 접촉부 사이의 거리)와의 관계를 이용하여 계산하였다. NiCF의 비열은 DSC (Differential scanning calorimetry, DSC-60, Mitsubishi, Japan)를 사용하여 5 ℃/min의 승온속도를 유지하며 300 ℃ 범위까지 측정하였으며, 안정화를 위하여 10 min 동안 유지하였다.
성능/효과
- Figure 8에 1, 2, 그리고 3 V 전압에서 측정한 NiCF의 표면 온도 및 열화상 카메라 이미지를 나타내었다. 1 V 전압하에서 As-received의 경우 인가전류량이 0.03 A로 매우 작아 주변에 의한 열손실에 비해 발열량이 적어 온도가 상승하지 못하였으나, NiCF의 경우 1 V에서 모두 온도의 상승을 확인하였다. 이는 니켈 도금층에 의해 인가전류량이 상승하여 발열하였다고 판단되며, 2 및 3 V에서는 모든 시편에서 발열하였다.
- 이는 도금 시간의 증가에 따라 비저항이 감소하기 때문으로 판단된다. 3 V에서 NiCF-30이 1.63 A로 가장 높은 인가전류량을 나타내었으며, 1 V에서의 인가전류량 0.78 A 비하여 약 2배 증가함을 확인하였다. 결과적으로 인가전류량의 증가는 발열특성을 향상시킬 것으로 판단되며, 각 전압에서 NiCF-30이 가장 높은 표면 온도를 나타낼 것으로 판단된다.
- 4 ℃, 그리고 3 V에서 327 ℃로 가장 높은 표면 온도를 나타내었다. NiCF의 표면 온도는 도금 시간의 증가에 따라 증가하는 결과를 나타내었으며, NiCF-30은 각 전압에서 As-received에 비하여 약 4~6배 정도의 온도를 나타내었다. 이러한 결과는 무전해 니켈 도금 시간이 증가에 따라 비저항이 감소하여 각 전압 하에서 인가되는 전류량이 증가하였기 때문으로 판단되며, 인가전류량 및 비저항은 표면 온도에 있어 매우 중요한 변수로 판단된다[30].
- 본 연구에서는 무전해 니켈 도금 시간을 달리하여 제조한 자동차 시트용 탄소섬유 발열체의 발열 및 전기적 특성에 관하여 고찰하였다. 결과로서, 무전해 니켈 도금된 탄소섬유의 표면 온도 및 발열 속도는 도금 시간의 증가에 따라 증가하였으며, 30 min 도금한 섬유의 경우 미처리 섬유에 비하여 약 4~6배 높은 온도와 약 5~6배 높은 발열 속도를 나타내었다. 이와 같은 탄소섬유 발열체의 표면 온도의 증가는 무전해 니켈 도금을 통하여 탄소섬유에 완벽한 전기적 네트워크를 형성하여 인가 전류량이 증가하였기 때문으로 판단된다.
- 78 A 비하여 약 2배 증가함을 확인하였다. 결과적으로 인가전류량의 증가는 발열특성을 향상시킬 것으로 판단되며, 각 전압에서 NiCF-30이 가장 높은 표면 온도를 나타낼 것으로 판단된다.
- 도금 시간에 따른 도금 두께는 NiCF-30이 2.05 µm로 가장 두꺼운 두께를 나타내었으며, 도금 두께는 도금 시간의 증가에 따라 증가함을 확인하였고, 결과적으로 니켈 도금층의 형성 및 두께는 도금 시간에 영향을 받는 것으로 판단된다.
- 또한, 발열 속도의 증가는 비열의 감소로 인한 것으로 판단되며, 비열은 도금 시간의 증가에 따라 감소하였고 이는 단위 질량당 니켈의 함유량이 증가하였기 때문으로 판단된다. 따라서, 무전해 니켈 도금된 탄소섬유는 기존 구리선 대체가 가능한 자동차 시트용 발열체로 활용 가능하다고 판단된다.
- 분석 결과 NiCF의 비열은 도금 시간의 증가에 따라 감소하였다. As-received의 경우 0.
- 비저항은 도금 시간 10 min까지 급격한 감소를 보였으며, 10 min 이후에는 비저항이 거의 감소하지 않았다. 분석 결과를 통하여 5~10 min 사이에 NiCF에 완벽한 니켈 도금층이 형성되었다고 판단되며, 이로 인하여 완벽한 전기적 네트워크가 형성된 것으로 판단되고 도금 시간 10 min 이후의 비저항의 감소는 NiCF의 직경의 증가에 의한 비저항의 감소로 판단된다.
- Table 2에 NiCF의 초기 3 s 동안의 발열 속도 및 표면 온도가 정상 상태에 도달하는 시간을 나타내었다. 분석결과 도금 시간 및 인가전압의 증가에 따라 발열 속도는 증가함을 확인할 수 있었으며, 정상상태에 도달하는 시간은 감소함을 알 수 있었다. 이는 비열과 온도변화량은 역수관계를 가지고, 앞선 DSC의 분석결과에서 도금 시간의 증가에 따라 비열이 감소됨을 확인하였으며, 이로 인하여 NiCF의 발열 속도의 증가 및 정상온도에 도달하는 시간이 짧아진 것으로 판단된다.
- 분석결과 도금 시간 및 인가전압의 증가에 따라 발열 속도는 증가함을 확인할 수 있었으며, 정상상태에 도달하는 시간은 감소함을 알 수 있었다. 이는 비열과 온도변화량은 역수관계를 가지고, 앞선 DSC의 분석결과에서 도금 시간의 증가에 따라 비열이 감소됨을 확인하였으며, 이로 인하여 NiCF의 발열 속도의 증가 및 정상온도에 도달하는 시간이 짧아진 것으로 판단된다.
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