[논문]탄소계 면상발열체 발열 특성 연구

고영웅; 강영식; 정용식

doi:10.5764/tcf.2020.32.1.65

탄소계 면상발열체 발열 특성 연구
Study on the Heat Performance of CNT/carbon Fiber Plane Heater 원문보기

韓國染色加工學會誌 = Textile coloration and finishing, v.32 no.1, 2020년, pp.65 - 71

고영웅 (전북대학교 탄소소재파이버공학과) , 강영식 ((주)디쏠) , 정용식 (전북대학교 탄소소재파이버공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Electrical energy is used for heating and cooling because electric cars do not have engines and cooling water. The downside is that when the heating and cooling system is applied to electric vehicles, about 40 percent of the energy is spent on heating and cooling, which is less efficient in winter. This has increased demand for electric vehicle battery efficiency. In this study, the condensation and dispersion of carbon nanotubes were controlled, and carbon fibers and composite slurry were manufactured without binders to manufacture paper. Manufactured by content showed the highest heat generation characteristic at 143℃ with a carbon fiber content ratio of 20wt% and confirmed that the heat temperature rises with increasing pressure. The plane heaters made through this study can be applied to a variety of products other than electric vehicles because they can be simplified by process and high temperature.

주제어

표/그림 (11)

그림 Figure 1. Schematic diagram for line heater and plane heater.
표 Table 1. Specification of carbon nano tube
그림 Figure 2. Schematic diagram for fabrication of paper.
표 Table 2. Specification of carbon fiber
그림 Figure 3. SEM images of CNT/CF plane heater (a) and (b) CNT : CF = 99 : 1, (c) and (d) CNT : CF = 8 : 2, (e) and (f) CNT : CF = 5 : 5.
그림 Figure 4. Sheet resistance and distribution of the plane heater depending on the CNT/CF ratio.
그림 Figure 6. Temperature of the plane heater depending on the CNT/CF ratio.
그림 Figure 5. Electrical conductivity of the plane heater depending on the CNT/CF ratio.
그림 Figure 7. Temperature of the plane heater depending on the pressure condition(CNT : CF = 8 : 2).
그림 Figure 8. Pressure versus temperature for CNT/CF ratio of CNT/CF plane heater.
그림 Figure 9. Power versus temperature for CNT/CF ratio of CNT/CF plane heater.

AI 본문요약
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제안 방법

면 저항 분포도 및 발열 특성으로 봤을 때 최적 탄소섬유의 함량비는 20wt%인 것으로 판단되어 이를 Hot press를 통해 압력별로 열 압착하여 발열 특성을 측정하였다.
발열 특성을 확인하기 위해 Power supply를 통해 13.5V의 정격전압을 인가하고 열화상 카메라를 이용하였다.
본 실험은 고온 사용 가능한 면상발열체용 페이퍼를 제조하기 위해 탄소나노튜브와 탄소섬유의 복합슬러리를 배치식 초지기를 활용하여 페이퍼를 제조 한 후 열 압착 건조하여 면상발열체 페이퍼를 제조 하였다. 이렇게 제조되어진 탄소나노튜브/탄소섬유 면상발열체의 발열 특성을 분석하여 다음의 결론을 얻었다.
본 연구에서는 탄소나노튜브의 응집 및 분산성 제어 기술을 확보하고, 탄소섬유를 바인더로 활용하여 탄소나노튜브와의 소재 합성을 통해 면상발열체를 제조하는 공정을 제안하였다. 별도의 바인더를 활용하지 않아 고온 사용이 가능하며 별도의 탄소나노튜브 분산액 제조 및 코팅 공정을 필요로 하지 않아 공정 간소화가 가능하며 소재 합성 및 제조 공정을 통해 발열 온도를 제어할 수 있다.
별도의 바인더를 활용하지 않아 고온 사용이 가능하며 별도의 탄소나노튜브 분산액 제조 및 코팅 공정을 필요로 하지 않아 공정 간소화가 가능하며 소재 합성 및 제조 공정을 통해 발열 온도를 제어할 수 있다. 제안된 공정으로 제조된 면상발열체의 발열 특성을 확인하기 위해 제조한 면상발열체의 전기전도도 및 면 저항을 측정하여 균일한 발열특성이 가능한지 확인하였고, 20V이내에서 정격전압을 인가하여 발열가능 온도 및 발열특성을 확인하였다.
탄소나노튜브/탄소섬유 복합 페이퍼의 형태적 특성을 확인하기 위해 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope,JSM-6400, JEOL, Japan)을 이용하여 표면과 단면을 관찰하였다.

대상 데이터

본 실험에서 사용된 탄소나노튜브는 전기전도도 향상과 발열특성을 위해 MWCNT(K-Nanos 500P, Kumho Petrochemical, Korea)가 사용되었다. 페이퍼 제조 및 응집특성을 용이하기 위해 Bundle Length가 100㎛로 길고 Bulk density가 0.
탄소섬유는 수분산성이 용이한 Carbon fiber(Tenax-A HTC124 3mm, Teijin, Germany)가 사용되었다. 탄소섬유의 수분산성 향상을 위해 sizing 처리가 되어있고 섬유장이 3mm로가장 짧은 탄소섬유를 선정하였으며 그 물성은 Table 2에 나타내었다.

이론/모형

면상발열체의 발열특성에 상관관계가 있는 면 저항 측정을위해 Source Meter(Four-probe electric measurement, Keithley 2420 3A, Korea)를 이용하여 면 저항을 측정하였고 전기전도도 측정을 위해 Resistivity Meter(FPP-RS 8, Dasol ENG, Korea)를 이용하여 전기전도도를 측정하였다.

성능/효과

탄소섬유 함량비가 20wt%로 증가하면서 전기전도도가 40%정도 감소했으나 그 이상 함량비가 증가하면 전기전도도의 감소율이 줄어드는 것을 확인하였다.
1. 탄소섬유는 탄소나노튜브 사이에 결합하여 지지체 역할을 갖지만 함량비가 50%이상 증가하게 되면 공극이 증가하고 이로 인해 페이퍼의 결합강도가 약해져 페이퍼 형성을 하지 못하는 것을 확인하였다.
3. 제조된 탄소나노튜브/탄소섬유 면상발열체를 활용하게 되면 일정한 면 저항 분포 및 균일한 발열 특성으로 기존 선상발열체를 대체 가능할 것으로 판단되고 바인더를 필요로 하지 않아 고온 사용 가능하여 다양한 제품군에 적용이 가능하며 제조 조건에 따라 소비전력을 낮추는 것이 가능하여 전기자동차 배터리에 적용 시 높은 에너지 효율을 보일 것으로 판단된다.
초기 발열 특성은 탄소섬유 함량비 50wt%일 때가 높으나 8MPa 이상에서 발열 특성은 탄소섬유 함량비가 20wt%일 때 높은 경향을 확인하였다. 탄소나노튜브는 탄소섬유에 비해 높은 비표면적을 가지고 있는데 이로 인해 탄소나노튜브의 경우 Press의 전단력으로 인해압력이 가해지면 탄소섬유와의 접촉면이 증가하고 이로 인해 높은 발열 특성 결과를 확인하였다.
탄소섬유 함량비가 증가하면 면 저항이 증가하고 전기전도도가 감소하는 것을 확인하였다. 탄소섬유 함량비가 20%일때 페이퍼의 결합상태가 양호하여 면상발열체로 적합한 것을 확인하였으며 탄소나노튜브의 높은 비표면적으로 인해 열 압착 후 밀도가 증가하고 접촉점이 많아져 발열 특성이 향상되는 것을 확인하였다.
2. 탄소섬유 함량비가 증가하면 면 저항이 증가하고 전기전도도가 감소하는 것을 확인하였다. 탄소섬유 함량비가 20%일때 페이퍼의 결합상태가 양호하여 면상발열체로 적합한 것을 확인하였으며 탄소나노튜브의 높은 비표면적으로 인해 열 압착 후 밀도가 증가하고 접촉점이 많아져 발열 특성이 향상되는 것을 확인하였다.
탄소섬유 함량비가 증가하면 발열 특성이 향상되는 것을 확인하였으며 탄소섬유 함량비가 20wt%일 때 143℃의 발열 특성을 보였으며 함량비가 증가해도 발열 특성은 크게 증가하지 않는 경향을 보였다. 이는 전기전도도 및 면 저항의 상관관계인데 탄소섬유의 함량비가 20wt%일 때 면 저항이 크게 상승하였으며 이에 비해 전기전도도 감소량은 크지 않아서 높은 발열 특성을 보인 것으로 판단된다.
탄소섬유 함량비가 증가하면 전기전도도가 감소하는 것을 확인하였고 이로 인해 면 저항이 증가하는 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존 탄소나노튜브 기반 면상발열체의 제조공정상의 한계는 무엇인가?	이중 탄소나노튜브는 우수한 전기전도도로 인해 높은 열효율과 온도 상승속도 상승과 경량화를 구현할 수 있다7-9). 기존 탄소나노튜브 기반 면상발열체의 경우 탄소나노튜브에 첨가제를 투입하여 분산액을 제조 하고, 이를 시트에 코팅하는 공정을 적용하고 있으나, 이 공정을 적용했을 때 높은 열효율과 전기전도도 특성은 확보할 수 있는 반면 스크린 프린팅과 같은 별도의 코팅공정을 필요로 하여 공정비용이 증가되는 한계를 나타내고 있다10-12).
	고온 사용 가능한 면상발열체용 페이퍼를 제조하기 위해 탄소나노튜브와 탄소섬유의 복합슬러리를 배치식 초지기를 활용하여 페이퍼를 제조 한 후 열 압착 건조하여 제조한 탄소나노튜브/탄소섬유 면상발열체의 발열 특성을 분석한 결과는?	1. 탄소섬유는 탄소나노튜브 사이에 결합하여 지지체 역할을 갖지만 함량비가 50%이상 증가하게 되면 공극이 증가하고 이로 인해 페이퍼의 결합강도가 약해져 페이퍼 형성을 하지 못하는 것을 확인하였다. 2. 탄소섬유 함량비가 증가하면 면 저항이 증가하고 전기전도도가 감소하는 것을 확인하였다. 탄소섬유 함량비가 20%일때 페이퍼의 결합상태가 양호하여 면상발열체로 적합한 것을 확인하였으며 탄소나노튜브의 높은 비표면적으로 인해 열 압착 후 밀도가 증가하고 접촉점이 많아져 발열 특성이 향상되는 것을 확인하였다. 3. 제조된 탄소나노튜브/탄소섬유 면상발열체를 활용하게 되면 일정한 면 저항 분포 및 균일한 발열 특성으로 기존 선상발열체를 대체 가능할 것으로 판단되고 바인더를 필요로 하지 않아 고온 사용 가능하여 다양한 제품군에 적용이 가능하며 제조 조건에 따라 소비전력을 낮추는 것이 가능하여 전기자동차 배터리에 적용 시 높은 에너지 효율을 보일 것으로 판단된다.
	탄소계 면상 발열체의 탄소소재는 어떤 특징이 있는가?	탄소계 면상 발열체의 발열 특성은 적용 소재의 전기전도도 및 소재 합성기술과 중요한 관계가 있다고 알려져 있으며, 탄소소재는 높은 전기전도성으로 인해 높은 열효율과 발열 특성을 나타낸다고 알려져 있다5,6). 이중 탄소나노튜브는 우수한 전기전도도로 인해 높은 열효율과 온도 상승속도 상승과 경량화를 구현할 수 있다7-9).

참고문헌 (12)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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