본 논문에서는 탄소섬유를 이용한 면상발열체의 발열 상태를 영상처리 기술을 이용한 분석을 제안하였다. 면상발열체의 제작 방법은 탄소섬유를 작게 잘라 촙 상태로 만든 다음 분산제를 통하여 다시 결합시켜 준다. 그 다음 부직포 위에 분산제를 통해 결합된 탄소섬유 용액을 필터링 한다. 마지막 단계는 필터링된 탄소섬유를 건조 하면 부직포 형태의 면상 탄소 섬유를 얻을 수 있다. 면상발열체는 이렇게 제작된 면상 탄소 섬유에 전기를 인가하면 된다. 본 논문에서는 면상발열체를 4가지 방법으로 분석하였다. 분석 방법 중 면상 발열체의 발열특성 분석과 면상발열체의 발열속도 분석은 제작된 면상발열체가 정상군에 해당하는지를 확인한다. 절연 코팅 및 면상 발열체 모듈 분석은 실제 제품의 제작에 사용될 수 있는 면상발열체에 대해 영상처리 기술을 이용하여 2차원 이미지 분석이다. 면상발열체의 열화상 이미지 분석은 2차원 및 3차원으로 발열 상태를 분석할 뿐만 아니라, 발열의 상위온도 15~20%와 하위온도 15~20%를 이미지에 표시하는 프로그램 기법이다. 마지막 분석은 제작된 면상발열체의 상태를 화면에 직접 보여줌으로써 제작 과정 중 잘못된 부분을 쉽게 찾을 수 있다. 이와 같은 면상발열체의 이미지 분석 방법은 기존의 방법과 결합하여 발열상태를 더욱 정밀하게 분석할 수 있었다.
본 논문에서는 탄소섬유를 이용한 면상발열체의 발열 상태를 영상처리 기술을 이용한 분석을 제안하였다. 면상발열체의 제작 방법은 탄소섬유를 작게 잘라 촙 상태로 만든 다음 분산제를 통하여 다시 결합시켜 준다. 그 다음 부직포 위에 분산제를 통해 결합된 탄소섬유 용액을 필터링 한다. 마지막 단계는 필터링된 탄소섬유를 건조 하면 부직포 형태의 면상 탄소 섬유를 얻을 수 있다. 면상발열체는 이렇게 제작된 면상 탄소 섬유에 전기를 인가하면 된다. 본 논문에서는 면상발열체를 4가지 방법으로 분석하였다. 분석 방법 중 면상 발열체의 발열특성 분석과 면상발열체의 발열속도 분석은 제작된 면상발열체가 정상군에 해당하는지를 확인한다. 절연 코팅 및 면상 발열체 모듈 분석은 실제 제품의 제작에 사용될 수 있는 면상발열체에 대해 영상처리 기술을 이용하여 2차원 이미지 분석이다. 면상발열체의 열화상 이미지 분석은 2차원 및 3차원으로 발열 상태를 분석할 뿐만 아니라, 발열의 상위온도 15~20%와 하위온도 15~20%를 이미지에 표시하는 프로그램 기법이다. 마지막 분석은 제작된 면상발열체의 상태를 화면에 직접 보여줌으로써 제작 과정 중 잘못된 부분을 쉽게 찾을 수 있다. 이와 같은 면상발열체의 이미지 분석 방법은 기존의 방법과 결합하여 발열상태를 더욱 정밀하게 분석할 수 있었다.
In this study, we analyzed the heat generation state of a flat heating element by using image processing technology in conjunction with carbon fiber. The flat heating element is manufactured by chopping the carbon fiber to a small size and bonding it again using a dispersing agent. The solution of c...
In this study, we analyzed the heat generation state of a flat heating element by using image processing technology in conjunction with carbon fiber. The flat heating element is manufactured by chopping the carbon fiber to a small size and bonding it again using a dispersing agent. The solution of carbon fiber, bound together using the dispersant, is then filtered onto the nonwoven fabric. The last step is to obtain flat carbon fibers in the form of nonwoven fabrics for the purpose of drying the filtered carbon fibers. In the flat heating element, electricity may be applied to the carbon fiber on the surface produced in this manner. In this study, the flat heating element was analyzed by four methods. The analysis of the heat generation characteristics and heating rate of the flat heating element confirmed that the fabricated sheet heating element corresponds to a normal army. The analysis of the insulation coating and flat heating element module, which can be used for actual product manufacturing, involves two dimensional image analysis using image processing technology. The thermal image analysis of the flat heating element is a programming technique that not only analyzes the heat generation state in both two and three dimensions, but also displays the upper and lower 15 to 20% ranges of temperature corresponding to the heat generation in the image. In the final analysis, it is possible to easily find the erroneous part in the manufacturing process by directly showing the state of the fabricated flat heating element on the screen. By combining this image analysis method of the flat heating element with the existing method, we were able to more accurately analyze the heat generation state.
In this study, we analyzed the heat generation state of a flat heating element by using image processing technology in conjunction with carbon fiber. The flat heating element is manufactured by chopping the carbon fiber to a small size and bonding it again using a dispersing agent. The solution of carbon fiber, bound together using the dispersant, is then filtered onto the nonwoven fabric. The last step is to obtain flat carbon fibers in the form of nonwoven fabrics for the purpose of drying the filtered carbon fibers. In the flat heating element, electricity may be applied to the carbon fiber on the surface produced in this manner. In this study, the flat heating element was analyzed by four methods. The analysis of the heat generation characteristics and heating rate of the flat heating element confirmed that the fabricated sheet heating element corresponds to a normal army. The analysis of the insulation coating and flat heating element module, which can be used for actual product manufacturing, involves two dimensional image analysis using image processing technology. The thermal image analysis of the flat heating element is a programming technique that not only analyzes the heat generation state in both two and three dimensions, but also displays the upper and lower 15 to 20% ranges of temperature corresponding to the heat generation in the image. In the final analysis, it is possible to easily find the erroneous part in the manufacturing process by directly showing the state of the fabricated flat heating element on the screen. By combining this image analysis method of the flat heating element with the existing method, we were able to more accurately analyze the heat generation state.
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문제 정의
이러한 이유로 발생한 열의 사용효율이 25% 상승하게 된다. 본 논문에서는 탄소섬유 면상발열체의 우수한 열전달 형태를 영상처리 기술을 통해서 분석하였다. 그 결과 면상발열체의 열전달은 매우 우수함을 이미지 분석을 통해서 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 탄소섬유를 이용한 면상발열체의 분석을 영상처리 기술을 활용하여 분석하였다. 영상처리 기술을 이용한 분석 방법은 기본의 그래프 분석 방법과 결합하여 사용하면 더욱 개선된 분석 결과를 얻을 수 있었다.
이와 같은 결과는 박막형 발열체가 기존 선형 발열체 대비 사용자에게 얼마나 빠르고 우수한 효율로 열을 전달가능한지를 보여주는 것이다.
이와 같은 면상발열체의 특징이 본 개발품에서는 어떻게 나타나는지 시험평가를 실시하였다. 아래와 같은 탄소섬유 시트를 제작하고 5V를 가하였을 때 발열량과 발열속도 그래프를 구하였다.
제안 방법
2차원 이미지를 더욱 구체적으로 분석하기 위해서 Matlab 프로그램을 이용해서 발열부 중 높은 온도 상위 15~20%와 낮은 은도 부위 15~20%를 선정하여 표시하고, 그 형상을 통해 문제의 원인을 분석하였다
이에 대한 많은 후보 물질 및 필름의 검토와 테스트를 거쳐 PET 부직포와 PET필름을 선정하였다. PET 부직 포는 휴대용 발열 담요나 방석의 제작에 유용하여 선정하였으며, PET필름은 땀에 노출되는 밴드형을 제작하기에 적합하여 선정하였다. PET 부직포는 탄소섬유 부직 포와 결합하여 유연성이 높은 상태를 만들어주고 절연을 유지시켜준다.
본 연구에서는 탄소섬유를 절단하여 사용하는 방식을 택하였다. 그 이유는 시트상으로 만들기 용이하며, 개발 섬유를 풀어내기가 쉬워서 박막으로 만들 수 있기 때문이다.
분산성 평가를 위해서는 분산용액을 만들어주고 탄소섬유를 투입하고 풀어서 탄소섬유 분산액을 만든다. 실 탄소섬유 부직포 제작에 있어서는 결합제로 필요하기 때문에 분산제와 결합제를 투입하여 면상발열체의 시트를 제작하여 연구할 수 있었다.
이와 같은 면상발열체의 특징이 본 개발품에서는 어떻게 나타나는지 시험평가를 실시하였다. 아래와 같은 탄소섬유 시트를 제작하고 5V를 가하였을 때 발열량과 발열속도 그래프를 구하였다.
주변온도와의 차이가 크게 벌어 지면 비선형적인 구간이 발생하는 것이 일반적이다. 이러한 특성을 확인해 보기 위해서 전압을 5V에서 시작해서 7V, 9V, 12V로 증가해 가며 소비 전력과 평균온도 상승량을 측정하였다.
면상발열체는 전구간에서 열이 발생하므로 발열균일도가 곧 전력사용 효율과 연결되며, 품질 및 성능과 직결되는 요소이다. 이에 대하여 개발 초기부터 열화상 카메라를 이용한 정밀한 분석에 노력하였으며, 참여기관의 도움으로 아래와 같은 2차원 분석뿐만 아니라 3차원 분석까지도 진행하였다 [10,11].
대상 데이터
9Ω/sq의 저항을 가지고 있다. 발열 상태의 관찰 사진은 300x300mm 제품이다.
본 개발 대상 제품은 탄소섬유를 이용한 부직형 발열체, 즉 면상발열체의 형태를 띠고 있다. 면상발열체는 전구간에서 열이 발생하므로 발열균일도가 곧 전력사용 효율과 연결되며, 품질 및 성능과 직결되는 요소이다.
상기와 같은 초기 탄소섬유 발열체 개발 및 절연 부직포 부착과 발열 제품을 제작하여 실험하였다. 절연부직포 부착 방법 및 접착제 선정 실패에 의한 전극의 데미지 현상이며, 전극과 탄소섬유 접촉저항의 증가로 일부 전극에서 높은 발열 현상을 보이기도 했다.
이에 대한 많은 후보 물질 및 필름의 검토와 테스트를 거쳐 PET 부직포와 PET필름을 선정하였다. PET 부직 포는 휴대용 발열 담요나 방석의 제작에 유용하여 선정하였으며, PET필름은 땀에 노출되는 밴드형을 제작하기에 적합하여 선정하였다.
제작된 탄소섬유 시트는 사이즈가 200x200mm이며, 2.9Ω/sq의 저항을 가지고 있다.
앞의 3단계를 거쳐 탄소섬유 시트형 면상발열체를 제작할 수 있었다. 탄소섬유는 6mm의 탄소섬유를 사용하여 부직포 형태로 제작하였으며, 두께는 200um로 제작 되었다.
성능/효과
3차원 분석을 통해 한쪽 전극을 따른 발열과 전극-탄소섬유 시트간 접촉부에서 발열이 이루어짐을 확인할 수 있었다. 전극부 발열에 의핸 전체 온도 상승량도 낮다는 것도 알 수 있다.
본 논문에서는 탄소섬유 면상발열체의 우수한 열전달 형태를 영상처리 기술을 통해서 분석하였다. 그 결과 면상발열체의 열전달은 매우 우수함을 이미지 분석을 통해서 확인할 수 있었다.
그림 7은 코팅된 면상발열체의 열화상 이미지로 면상 발열체의 전극주위에서 최대 온도가 발생하고 가운데로 갈수록 최소 온도가 발생함을 영상의 이미지로 확인 할 수있다. 그림 8은 전압을 3V에서 12V로 증가시켜가며 평균 발생온도와 시간과의 관계를 그래프로 나타낸 것으로 전압이 증가하면 온도가 상승함을 확인할 수 있었고, 특히 12V의 전압에서 발열온도가 급격히 상승함을 보였다.
그림 4는 인가전압과 발열온도 및 전력과의 관계를 그래프로 나타낸 것이다. 기존의 열선에 의해 제작된 발열체보다 탄소섬유에 의해 제작된 면상발열체가 인가된 전압에 비해서 높은 온도가 발생함을 확인 할 수 있다.
본 논문에서는 탄소섬유를 이용한 면상발열체의 분석을 영상처리 기술을 활용하여 분석하였다. 영상처리 기술을 이용한 분석 방법은 기본의 그래프 분석 방법과 결합하여 사용하면 더욱 개선된 분석 결과를 얻을 수 있었다. 뿐만 아니라, 재품 개발을 위해서 균일성을 확인할 수 있다.
후속연구
이와 같은 프로그램 분석 방법은 구제적인 부위를 알 수 있어 면상발열체 제작에서 개선 방법을 제시할 수 있다. 이와 같은 영상처리 기술을 이용한 균일 도가 높은 코팅된 면상발열체의 제품 개발 시간을 단축 시킬 수 있을 것이다.
특히 상위 온도와 하위 온도의 15~20%를 화면에 직접 보여줌으로써 제작 과정 중 잘못된 부분을 쉽게 찾을 수 있게 도움을 줄 수 있다. 향후 연구과제로는 탄소섬유를 제작단계부터 영상처리 기술을 활용하여 균일도를 계산이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
면상발열체 제조를 위한 핵심 기술은 무엇인가?
면상발열체는 기존의 전기발열체에 비해 소비전력을 20-40% 감소시킬 수 있는 제품으로 전기통전에 의한 복사열을 이용함으로 온도조절이 용이하고 공기오염이 없으므로 위생적이며 소음이 없기 때문에 히팅 매트나 침구류, 가정용 난방 시스템 등의 가열장치에 사용되고 있으며 최근에는 프린팅 건조 및 도장 건조 등 각종 산업용 가열장치, 비닐하우스나 축사 등의 농업용 설비, 레저 및 가전제품 등에 폭넓게 이용되고 있다. 면상발열체 제조 시 우수한 발열특성을 가지는 면상발열체의 소재기술과 요구되는 발열 및 전기전도도 특성을 갖도록 발열체 소재를 균일하게 도포하는 공정기술과 장치기술이 핵심 기술이다. 탄소소재의 면상발열체는 전류가 흐르면 발열 체인 탄소의 후막저항으로 인해 저항 열이 발생하며, 일반적으로 탄소분말과 바인더를 혼합한 탄소복합발열소 재가 사용되며, 높은 전기 전도성, 열전도성, 내열성 등의 특성으로 인해 신뢰성 향상 및 품질안정을 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
탄소섬유의 특징은 무엇인가?
탄소섬유는 카본을 2700도 이상으로 가열하여 100% 탄소로 만들어지는 소재이다. 높은 인장강도가 주요 특징이며, 낮은 전기저항도 가지고 있어서 발열체로도 사용한다. 발열체로서 또 하나의 장점은 방사율이 높다는 것이다. 일반적 금속선 방사율이 0.
면상발열체의 특징은 무엇인가?
면상발열체는 기존의 전기발열체에 비해 소비전력을 20-40% 감소시킬 수 있는 제품으로 전기통전에 의한 복사열을 이용함으로 온도조절이 용이하고 공기오염이 없으므로 위생적이며 소음이 없기 때문에 히팅 매트나 침구류, 가정용 난방 시스템 등의 가열장치에 사용되고 있으며 최근에는 프린팅 건조 및 도장 건조 등 각종 산업용 가열장치, 비닐하우스나 축사 등의 농업용 설비, 레저 및 가전제품 등에 폭넓게 이용되고 있다. 면상발열체 제조 시 우수한 발열특성을 가지는 면상발열체의 소재기술과 요구되는 발열 및 전기전도도 특성을 갖도록 발열체 소재를 균일하게 도포하는 공정기술과 장치기술이 핵심 기술이다.
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