ITFIND - 면상발열체용 탄소복합소재 및 제조공정 …- 4 - 3. 지원실적 지원항목 지원내용 비고 기술지원前 기술지원後 탄소복합소재의 형상,

면상발열체용 탄소복합소재 및 제조공정

개선지원

한국생산기술연구원

(주)온돌리아

지식경제부

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기술지원성과 요약서

과제고유번호 연구기간 2007. 11. 1. - 2008. 10. 31

연구사업명 부품소재전문기업기술지원사업

지원과제명 면상발열체용 탄소복합소재 및 제조공정 개선 지원

지원책임자 이 진 규 지원연구원수

총 : 4 명

내부 : 2 명

외부 : 2 명

총

사업비

정부: 80,000

기업: 80,000

계: 160,000

천원

천원

천원

지원기관명 한국생산기술연구원 소속부서명 생산기반기술연구본부

지원기업 기업명 : (주) 온돌리아 기술책임자 : 서 태 석

요약(연구결과를 중심으로 개조식 500자 이내)보고서

면수

■ 탄소복합소재의 분석 및 특성평가 지원

Ο 탄소복합소재의 형상, 입도, 열/전기적 특성 분석

Ο 탄소복합소재의 분포에 따른 전기전도도 및 발열특성 평가

■ 탄소복합소재의 균일도포를 위한 제조공정 개선지원

Ο 탄소복합소재의 균일도포를 위한 인쇄롤러 형상 개선

Ο 압동롤을 이용한 탄소복합소재의 도포공정 개선

Ο 샤프트 일체형 인쇄롤을 활용한 탄소복합소재의 도포 균일성 향상

■ 발열소재와 전극소재와의 접착공정 개선 지원

Ο 발열소재도포 공정개선을 통한 전극소재의 접착공정 개선

Ο 접착공정 개선에 의한 제품의 신뢰성 및 내구성 향상

색 인 어

(각 5개 이상)

한 글 면상발열체, 복합재, 탄소, 전도도, 롤

영 어 Flat-type heater, composite, carbon, conductivity, roll

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기술지원성과 요약문

1. 사업목표

면상발열체 제조시 발열체로 사용되는 탄소복합소재의 개량 및 제조공정 개선을

목표로함

- 발열체 특성에 따른 제품의 부위별 온도편차를 5℃ 이내로 하고, 접착공정을

개선하여 전극 소재의 탄화현상 및 박리현상을 개선하고자 함.

2. 기술지원내용 및 범위

■ 탄소복합소재의 분석 및 특성평가 지원

Ο 탄소복합소재의 형상, 입도, 열/전기적 특성 분석

Ο 탄소복합소재의 분포에 따른 전기전도도 및 발열특성 평가

■ 탄소복합소재의 균일도포를 위한 제조공정 개선지원




■ 발열소재와 전극소재와의 접착공정 개선 지원



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3. 지원실적

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

탄소복합소재의 형상, 입도, 분포에 따른

전기전도도 및 발열특성 평가데이터 없음 데이터 확보

탄소복합소재의 균일도포를 위한

공정개선균일도 10% 균일도 5% 이내

탄소복합소재의 온도 편차 개선지원 10℃ 이상 5℃ 이내

접착공정개선 박리현상 유 박리현상 무

4. 기술지원 성과 및 효과

1) 해당기술 적용제품

Ο 적용제품명 : 면상발열체

Ο 모 델 명 :

2) 품질 및 가격

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질 담스코/넥스바 10% 30% 향상

경쟁제품 대비 가격 8,000원/m 9,000원/m 7,000원/m 품질 대비 환산 가격

※ 객관화 된 DATA를 근거로 작성

3) 원가절감 효과

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 100 백만원/년( %) 품질향상/공정개선/

생산시간단축 반영인 건 비 절감 30 백만원/년( %)

계 130 백만원/년( %)

※ 공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영

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4) 적용제품 시장전망(매출성과)

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출 전년대비 증가비율 비 고

내 수 300 백만원/년 500 백만원/년 166 %

수 출 500 천달러/년 1,000 천달러/년 200 %

계 1,000 백만원/년 1,900 백만원/년 190 %

참고) 1. 적용제품 주요수출국 : 중국, 대만, 러시아, 일본

2. 작성당시 환율기준 : 1$ = 1,400원

5) 수입대체효과

6) 해당기술의 기술력 향상 효과

■ 탄소복합소재의 균일도포를 위한 제조공정 개선지원으로 발열 및 온도편차

저감




■ 발열소재와 전극소재와의 접착공정 개선 지원으로 내구성 및 신뢰성 향상



7) 기술적 파급효과

■ 면상발열체의 국내 시장 점유 확대 및 해외시장 확대

■ 품질 및 신뢰성 향상에 따른 제품 경쟁력 확보

■ 제품의 내구성/신뢰성 향상 및 생산단가 저감을 통한 젶무 경쟁력 확보

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5. 적용기술 인증, 지적재산권 획득여부

1) 규격, 인증획득

2) 지적재산권

종 류 명칭 번호발명자

(고안자)권리자 실시권자

비고

(등록,출원)

국내특허면상발열체와

이의 제조 방법10-0860258

김효정

김동준(주)온돌리아 등록

6. 세부지원실적

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 10건 면상발열체 신뢰성 및 내구성 향상

시제품제작 건

양산화개발 건

공정개선 2건 면상발열체 제조 공정 개선

품질향상 1건 면상발열체 품질 향상

시험분석 6건 면상발열체의 열적/전기적 특성평가

수출 및 해외바이어발굴 1건 해외 마케팅(대만) 및 기술협력 지원

교육훈련 건

기술마케팅/경영자문 건

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건

사업관리시스템

지원실적업로드 회수건

지원기업 방문회수 47건 과제협의 및 현장 기술 지원

기 타 건

※ 상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부

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7. 종합의견

본 지원사업을 통하여 면상발열체 생산 전문업체인 (주)온돌리아의 면상발열체

의 제품의 품질 및 신뢰성이 향상되었으며, 이에 따른 제품의 경쟁력 확보를 통

하여 국내 시장 점유 확대 및 해외시장 확대가 기대됨.

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□ 연구과제(세부과제) 성과

1. 과학기술 연구개발 성과

□ 논문게재 성과

2. 사업화 성과

□ 특허 성과

Ο 출원된 특허의 경우

Ο 등록된 특허의 경우

특허 세부사항

(9)

등록년도

(10)

특허명

(11)

등록인

(12)

등록국

(13)

등록번호

2008년면상발열체와 이의

제조방법(주) 온돌리아 한국 10-0860258

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□ 사업화 현황

□ 고용창출 효과

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□ 세부지원실적 증빙 내용

1. 참여기업 현장방문 : 47 건

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2008. 1. 8 탄소복합소재 특성 분석 지원 유

2 2008. 1. 10 도전성 잉크 소재에 대한 탄소복합소재 조사 지원 유

3 2008. 1. 17 공정 개선안 협의 유

4 2008. 1. 22 탄소발열체의 균일 도표를 위한 돔가두께 측정 지원 유

5 2008. 2. 12 발열 특성 및 전도도 측정 지원 유

6 2008. 2. 18 발열소재의 접착공정 개선에 대한 조사 지원 유

7 2008. 2. 25 면상발열체의 균일도 측정 지원 유

8 2008. 2. 28 탄소 도포 및 균일도 측정 유

9 2008. 2. 29 인쇄를 개선 방안 협의 유

10 2008. 3. 17 탄소복합소재의 균일 분산에 대한 자료 지원 유

11 2008. 3. 31 PTC 기능이 있는 면상발열체 개발 동향 유

12 2008. 4. 7 인쇄롤의 잉크 적층현상 방지 방안 협의 유

13 2008. 4. 15 인쇄롤러의 형상 개선 방안 협의 유

14 2008. 4. 23 도전성 잉크 조성물에 대한 조사 지원 유

15 2008. 4. 28 온도편차 분석방법 지원 유

16 2008. 4. 30탄소복합소재의 분포가 전기전도도에 미치는 영향

분석유

17 2008. 5. 9 접착 공정 개선을 위한 문제점 분석 유

18 2008. 5. 16탄소계 면상발열체의 신뢰성 평가기준에 대한

조사지원유

19 2008. 5. 28 HG-GS/MS를 이용한 탄소잉크의 정성분석 유

20 2008. 6. 25 탄소잉크의 정성분석 지원 유

21 2008. 6. 26 각 인쇄기술의 현황 및 동향에 대한 조사 지원 유

22 2008. 6. 27 압동롤을 활용한 균일도포 방안 조사 유

23 2008. 6. 30 잉크적층현상 개선을 위한 인쇄롤의 표면처리 방안 유

24 2008. 9. 3 탄소복합소재의 미세조직 분석 유

25 2008. 9. 11 압동롤의 최적 압력 조건 협의 유

26 2008. 9. 16 쉬프트 일체형 인쇄롤의 최적 공정 조건 협의 유

27 2008. 9. 16 접착강도 개선 및 생산성 향상을 위한 공정 조건 협의 유

28 2008. 9. 19 면상발열체 특허분석에 대한 지원 Ⅰ 유

29 2008. 9. 19 면상발열체 특허분석에 대한 지원 Ⅱ 유

30 2008. 9. 23 탄소계 면상발열체의 신뢰성 평가방법 유

31 2008. 9. 25 탄소복합소재의 분포 및 미세조직 분석 유

32 2008. 9. 29 미세조직에 따른 전기전도도 특성 분석 유

33 2008. 9. 30 잉크적층현상 방지를 위한 인쇄롤러 개선 방안 유

34 2008. 10. 2 잉크 분포 정량화 방안 협의 유

35 2008. 10. 6-7 정량화된 잉크 분포도 분석 및 개선 방안 협의 유

36 2008. 10. 8 과부하 시험방법 지원 유

37 2008. 10. 10 탄소발열체 도포 횟수에 따른 전도도 변화 분석 유

38 2008. 10. 13 전극재의 균일 접착을 위한 공정 개선 방안 협의 유

39 2008. 10. 15 국내 전도성 잉크 특허분석에 대한 지원 유

40 2008. 10. 17 접착공정 개선에 의한 제품의 신뢰성 향상 방안 협의 유

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41 2008. 10. 23 메쉬처리된 인쇄롤의 특성 평가 유

42 2008. 10. 24 면상발열체 발열 특성 평가 Ⅰ 유

43 2008. 10. 24 면상발열체 발열 특성 평가 Ⅱ 유

44 2008. 10. 28-29 통전후 면상발열체의 저항 측정 분석 유

45 2008. 10. 28-29 통전후 면상발열체의 발열 특성 분석 유

46 2008. 10. 31 면상 발열체의 온도 편차 측정 지원 유

47 2008. 10. 31 면상 발열체의 저항 편차 측정 지원 유

2. 기술정보제공 : 10 건


1 2008. 1. 10 도전성 잉크소재에 대한 탄소복합소재 조사 지원 유

2 2008. 2. 18 발열소재의 접착공정 개선에 대한 조사지원 유

3 2008. 3. 17 탄소복합소재의 균일분산에 대한 자료 지원 유

4 2008. 3. 31 PTC기능이 있는 면상발열체 개발 동향 유


6 2008. 5. 16 탄소계 면상발열체의 신뢰성 평가기준에 대한 조사지원 유

7 2008. 6. 26 각 인쇄기술의 현황 및 동향에 대한 조사지원 유

8 2008. 9. 19 면상발열체 특허분석에 대한 지원 유



3. 제품제작 : 건

4. 시험분석 : 6건


1 2008. 2. 28 탄소도포 및 균일도 측정 유

2 2008. 4. 28 온도 편차 분석방법 지원 유

3 2008. 5. 28 HS-GC/MS를 이용한 탄소잉크의 정성분석 유

4 2008. 6. 25 탄소 잉크의 정성분석 지원 유

5 2008. 10. 8 과부하 시험 방법 지원 유

6 2008. 10. 28 통전후 면상발열체의 저항 측정 분석 유

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5. 기술지원실적 업로드 : 20건


1 2008. 1. 3 해외 마켓팅(대만) 및 기술 협력 지원 유

2 2008. 1. 10 도전성 잉크소재에 대한 탄소복합소재 조사 지원 유

3 2008. 1. 22탄소발열체의 균일 도포를 위한 도막두께 측정 및

개선방안유

4 2008. 2. 18 발열소재의 접착공정 개선에 대한 조사지원 유

5 2008. 2. 28 탄소도포 및 균일도 측정 유

6 2008. 3. 17 탄소복합소재의 균일분산에 대한 자료 지원 유

7 2008. 3. 31 PTC기능이 있는 면상발열체 개발 동향 유


9 2008. 4. 28 온도 편차 분석방법 지원 유

10 2008. 5. 16 탄소계 면상발열체의 신뢰성 평가기준에 대한 조사지원 유

11 2008. 5. 28 HS-GC/MS를 이용한 탄소잉크의 정성분석 유

12 2008. 6. 25 탄소 잉크의 정성분석 지원 유

13 2008. 6. 26 각 인쇄기술의 현황 및 동향에 대한 조사지원 유

14 2008. 6. 30 인킂거층현상 개선을 위한 인쇄롤의 표면처리방안 유

15 2008. 9. 19 면상발열체 특허분석에 대한 지원 유


17 2008. 9. 30 잉크적층현상 방지를 위한 인쇄롤러 개선방안 유

18 2008. 10. 8 과부하 시험 방법 지원 유


20 2008. 10. 28 통전후 면상발열체의 저항 측정 분석 유

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목 차

제 1 장 사업의 개요

제 1 절 기술지원 필요성

1. 기술개발의 중요성

2. 기존기술의 문제점

가. 소재적측면

나. 공적적 측면

제 2 절 기술지원 목표

1. 기술지원의 최종목표 및 성격

가. 기술지원의 최종목표

나. 기술지원의 성격

다. 평가기준

제 3 절 기술지원 내용

제 2 장 국내외 기술현황

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

1. 면상발열체 탄소복합소재의 분석

2.탄소잉크분석

가. 탄소잉크의 물성 및 성분분석

나. 탄소잉크의 미세조직분석

3. 공정개선

가. 기존의 면상발열체 제조공정

나. 인쇄롤 형상의 개선

다. 지지롤을 이용한 잉크의 접착공정 개선

라. 접착공정의 개선

마. 개선된 공정에 의한 면상발열체의 제조

제 2 절 기술지원 성과

제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

제 5 장 기술지원결과의 활용계획

- 14 -

부 록

- 15 -

제 1 장 사업의 개요

제 1 절 기술지원 필요성

1. 기술개발의 중요성

□ 면상발열체는 기존의 전기발열체에 비해 소비전력을 20-40% 감소시킬 수 있는

제품으로 전기통전에 의한 복사열을 이용함으로 온도조절이 용이하고 공기오염이

없으므로 위생적이며 소음이 없기 때문에 히팅매트나 침구류, 가정용 난방 시스템

등의 가열장치에 사용되고 있으며 최근에는 프린팅 건조 및 도장 건조 등 각종 산

업용 가열장치, 비닐하우스나 축사 등의 농업용 설비, 레저 및 가전제품 등에 폭넓

게 이용되고 있음

□ 면상발열체 제조시 우수한 발열특성을 가지는 면상발열체의 소재기술과 요구되

는 발열 및 전기전도도 특성을 갖도록 발열체소재를 균일하게 도포하는 공정기술과

장치기술이 핵심기술임.

□ 탄소소재의 면상발열체는 전류가 흐르면 발열체인 탄소의 후막저항으로 인해 저

항열이 발생하며, 일반적으로 탄소분말과 바인더를 혼합한 탄소복합발열소재가 사

용되며, 높은 전기 전도성, 열전도성, 내열성 등의 특성으로 인해 신뢰성 향상 및

품질안정을 위한 연구가 활발히 이루어지고 있음.

□ 통상적으로 발열체 제조시 사용하는 인쇄공정은 스크린 인쇄방식이 많이 사용되

고 있으나, 스크린 인쇄방식은 적층인쇄가 불가능하여 전도도와 열량을 점도도로

조절해야하므로, 제품이 균일성 및 신뢰성이 떨어지게 될 뿐만 아니라 다양한 종류

의 제품을 제조할 수 없는 단점이 있음.

□ 이러한 스크린 인쇄방식의 단점을 보완하기 위해 최근에는 메쉬 처리된 인쇄롤

을 이용하는 그라비아 인쇄방식이 개발되어 탄소복합소재(잉크상태)를 비교적 균일

하게 도포할 수 있게 되었으나, 균일한 발열특성을 구현하기에는 아직 미진한 점이

있음.

□ 이에 본 기술지원사업에서는 탄소복합소재의 분석 및 특성평가를 통하여 탄소복

합소재의 분포에 따른 전기전도도 및 발열특성을 평가하고, 탄소복합소재의 균일도

포를 위한 공정 및 접착공정 개선을 통하여 제품의 신뢰성 및 내구성 향상을 도모

하고자 함.

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그림 1-1. 면상발열체의 구조

그림 1-2. 그라비아 인쇄방식의 모식도 및 문제점

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2. 기존 기술의 문제점

가. 소재적 측면

□ 탄소발열소재의 발열특성 저하

탄소분말과 바인더를 혼합하여 만드는 카본블랙 발열체 사용시 바인더의 휘발이나

연소에 따라서 발열체의 전기비저항의 변화 및 균열이 발생함으로써 발열특성이 저

하되거나 단락이 되는 문제가 발생함.

□ 탄소복합소재의 정확한 특성 평가 데이터 부족

소재의 성분 및 두께편차에 따른 발열특성 및 전기전도도에 대한 정확한 특성평가

및 데이터 구축이 요구됨.

나. 공정적 측면

□ 발열소재와 전극소재와의 접착특성 저하

지속적인 사용에 따라서 전도성 접착제의 탄화현상이 발생하고, 제품의 구김현상

등의 외부 충격에 의한 발열소재와 전극소재의 박리현상에 의한 접착특성의 저하로

전기적인 문제가 발생함.

□ 탄소발열소재의 불균일 도포

그라비아 인쇄공정에서는 인쇄공정이 진행됨에 따라 메쉬 처리된 인쇄롤러의 음각

부분에 발열체 소재인 잉크가 지속적으로 적층됨에 따라 도포되는 발열체 소재의

양이 다르게 되어 제품의 열량 및 전기전도도 특성이 제품 전체에 걸쳐 균일하지

않고 상이하게 되는 단점이 있음.

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제 2 절 기술지원 목표

1. 기술지원의 최종목표 및 성격

가. 기술지원의 최종목표

■ 면상발열체 제조시 발열체로 사용되는 탄소복합소재의 개량 및 제조공정 개선을

목표로 함

- 발열체 특성에 따른 제품의 부위별 온도편차를 5℃ 이내로 하고, 접착공정을 개

선하여 전극소재의 탄화현상 및 박리현상을 개선하고자 함.

나. 기술지원의 성격

다. 평가기준

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제 3 절 기술지원 내용

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제 2 장 국내외 기술현황

■ 국외

□ 최근 에너지 절약과 환경문제에 대한 관심의 증가로 발열소재로 탄화규소(SiC)

계열과 이규화몰리브덴(MoSi)계열 등을 이용한 발열소재의 개발이 이루어지고 있

으며, 일본의 경우는 탄소분말을 이용한 탄소복합소재를 이용한 발열체의 제조 및

응용에 관한 다양한 연구가 진행되고 있음.

□ 유럽 등을 중심으로 면상 발열체 소재의 다양한 발열 특성 구현을 위해 고분자

시트에 섬유 형상의 탄소를 분사시켜 전기전도성을 높인 탄소섬유 면상 발열체의

개발이 진행중에 있음.

□ 원천기술을 확보하고 있는 기술 선진 국가인 일본, 미국 등을 중심으로 우수한

특성을 가지는 면상발열체 원소재의 개발뿐만 아니라 발열특성과 신뢰성 향상을 위

한 공정기술 및 제품의 생산성 향상을 위한 공정 혁신 기술개발 연구가 지속적으로

진행 중임.

■ 국내

□ 국내의 면상발열체 관련 업체 중 면상발열체 원천기술을 확보하고 있는 기업은

극히 소수이며 대부분의 업체가 발열소재 및 제조기술을 일본이나 미국 등의 선진

국에 의존하는 있는 설정임.

□ 소수의 국내기업을 중심으로 기존 면상발열체 문제점인 박리에 의한 발열체 부

위의 과열 및 탄화, 이에 따른 발열효율의 저하, 발열 효율의 저하, 스크린 인쇄방

식에서의 발열체 크기의 한정성 등을 극복하기 위한 연구와 더불어 면상발열체 원

소재 개발에 관한 연구가 진행 중에 있음.

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■ 국내특허 (총 339건)

1. 년도별 출원수

2. 출원인 분석

- 22 -

■ 미국특허 (총 105건)


2. 출원인 분석

- 23 -

■ 일본특허 (총 21건)


2. 출원인 분석

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제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 수행

1. 면상발열체 탄소복합소재의 분석

가. 탄소복합소재의 구성

면상발열체로 사용되고 있는 탄소복합소재는 유기바인더, 무기물 (filler, 탄소), 분

산제, wetting agent, coalescing agent 등으로 구성되어있다. 탄소복합소재는 탄

소 함량이 62-70%의 조성이 되도록 제조되어 있으며 스크린 인쇄가 잘되도록 에

틸셀롤로스 고분자를 유기 solvent(terpineol, butyl carbitol acetate 등)에 용해시켜

탄소 paste의 점도와 rheology를 조절하여 인쇄 작업성 및 leveling 특성을 구현한

다. 이와 같이 탄소 paste로부터 탄소 잉크를 제조하는 방법은 인쇄 작업성과 밀접

한 관계를 가지고 있어 각 기업마다 중요한 know-how로 여겨서 정보 교환이 불가

능한 실정이다.

(1) 용매

용해력, 휘발점, 휘발 속도, bp, 냄새 등의 독특한 특성을 갖는 용매는 유기바인더

를 용해하고 점도를 조절하는 역할을 하고 적절한 용매의 선택은 수지에 대한 용해

력, 증발속도 조절을 가능케 한다.

일반적으로 사용할 수 있는 용매로는 물, 메탄올, 이소프로판올, 부탄올과 같은 알

코올류, 에틸렌그리리콜, 글리세린과 같은 글리콜류, 에틸아세테이트, 부틸아세테이

트, 카비톨아세테이트와 같은 아세테이트류, 디에틸에테르, 테트라히드로퓨란, 디옥

산과 같은 에테르류, 메일에틸케톤, 아세톤과 같은 케톤류, 헥산, 헵탄과 같은 탄화

수소계, 벤젠, 톨류엔과 같은 방향족, 그리고 클로로포름이나 메틸렌클로라이드, 카

본테트라클로라이드와 같은 할로겐 치환 용매 또는 이들의 혼합용매 등을 사용할

수 있다.

(2) 유기 바인더

유기 바인더는 용매에 용해된 후 점성을 부여하며 특정한 점성 특성을 얻을 수 있

게 하며, 페이스트 (잉크) 건조 후에 결합력을 주는 역할을 하게 된다. 바인더의 종

류는 셀롤로우즈계, 아크릴계, 비닐계이며 일반적으로 셀롤로우즈계 바인더가 가장

널리 사용되고 있다. 아크릴계바인더는 열분해 특성이 우수하며 비산화 분위기에서

열처리 할때 유리한 바인더 소재이다.

- 25 -

일반적으로 사용할 수 있는 바인더 수지로는 폴리아크릴산 또는 폴리아크릴산 에스

테르와 같은 아크릴계 수지, 에틸 셀룰로스, 셀룰로스에스테르, 셀룰로스 니트레이

트와 같은 셀룰로스계 수지, 지방족 또는 공중합 폴리에스테르계 수지, 폴리비닐부

티랄, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닖롤리돈과 같은 비닐계 수지, 폴리아미드 수지,

폴리우레탄 수지, 폴리에테르 및 우레아 수지, 알키드 수지, 실리콘 수지, 불소수지,

폴리에틸렌이나 폴리스티렌과 같은 올레핀계 수지, 석유 ㅁ치 로진계 수지 등과 같

은 열가소성 수지나 에폭시계 수지, 불포화 또는 비닐 폴리에스테르계 수지, 디알릴

프탈레이트계 수지, 폐놀계 수지, 옥세탄(oxetane)계 수지, 옥사진(oxazine)계 수지,

비스말레이미드계 수지, 실리콘 에폭시나 실리콘 폴리에스테르 같은 변성 실리콘게

수지, 멜라민계 수지 등과 같은 열경화성 수지, 자외선 또는 전자선 경화형의 다양

한 구조의 아크릴계 수지, 그리고 에틸렌-프로필렌 고무(ERP), 스티렌-부타디엔고

무(SBR), 전분, 젤라틴과 같은 천연고분자 등을 한 종류 이상 선택하여 함께 사용

가능하다. 또한 유기계 수지 바인더 뿐 아니라 글라스 레진이나 글래스 프릿(glass

frit)과 같은 무기 바인더나 트리메톡시 프로필 실란이나 비닐 트리에톡시 실란과 같

은 실란 커플링제, 또는 티탄계, 지르코늄계 및 알루미늄계 커플링제도 사용할 수

있다.

(3) 첨가제

첨가제를 선택 할 때에는 사용된 유기 재료와 양립성을 고려하여 선택해야하며 장

시간 보관시에도 화학반응이나 변성이 발생되지 않아야 한다. 분산제, 요변성 첨가

제(thixotropic agent), 가소제, 흐름성 조절제 등이 첨가제로 쓰인다. 요변성 첨가

제는 용해된 고분자에 극성을 갖는 기능기와 경합하여 3차원으로 겔화를 촉진시켜

준다. 미세한 형상을 구현하고자 하는 경우 겔화속도와 형태 유지 등의 요구사항을

맞추기 위해서는 요변성 첨가제의 선택과 첨가량이 매우 중요한 요소가 된다.

예를 들면, 1차 아민, 2차 아민 또는 3차 아민과 같은 아민 화합물이나 암모늄 카

바메이트, 암모늄 카보네이트, 암모늄 바이카보네이트계 화합물 또는 포스핀

(phosphine)이나 포스파이트(phosphite)와 같은 인 화합물, 티올(thiol)이나 설파이

드(sulfide)와 같은 황 화합물과 최소한 1개 이상의 이들 혼합물로 구성되어진다.

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즉, 구체적으로 예를 들면 아민화합물로는 메틸아민, 에틸아민, n-프로필아민, 이소

프로필아민, n-부틸아민, 이소부틸아민, 이소아밀아민, n-헥실아민, 2-에틸헥실아

민, n-헵틸아민, n-옥틸아민, 이소옥틸아민, 노닐아민, 데실아민, 도데실아민, 헥사

데실아민, 옥타데실아민, 도코데실아민, 시클로프로필아민, 시클로펜틸아민, 시클로

헥실아민, 알릴아민, 히드록시아민, 암모늄하이드록사이드, 메톡시아민, 2-에탄올아

민, 메톡시에틸아민, 2-히드록시 프로필아민, 메톡시프로필아민, 시아노에틸아민,

에톡시아민, n-부톡시아민, 2-헥실옥시아민, 메톡시에톡시에틸아민, 메톡시에톡시

에톡시에틸아민, 디에틸아민, 디프로필아민, 디에탄올아민, 헥사메틸렌이민, 모폴린,

피페리딘, 피페라진, 에틸렌디아민, 프로필렌디아민, 헥사메틸렌디아민, 트리에틸렌

디아민, 2,2-(에틸렌디옥시)비스에틸아민, 트리에틸아민, 트리에탄올아민, 피롤, 이

미다졸, 피리딘, 아미노아세트알데히드 디메틸 아세탈, 3-아미노프로필트리메톡시

실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 아닐린, 아니시딘, 아미노벤조니트릴, 벤질아

민 및 그유도체, 그리고 폴리알릴아민이나 폴리에틸렌이민과 같은 고분자 화합물

및 그 유도체 등과 같은 아민 화합물을 들 수 있고 암모늄 카바메이트, 카보네이트,

바이카보네이트계 화합물로 구체적으로 예를 들면 암모늄 카바메이트(ammonium

carbamate), 암모늄 카보네이트(ammonium carbonate), 암모늄 바이카보네이트

(ammonium bicarbonate), 에틸암모늄 에틸카바메이트, 이소프로필암모늄 이소프로

필카바메이트, n-부틸암모늄 n-부틸카바메이트, 이소부틸암모늄 이소부틸카바메이

트, t-부틸암모늄 t-부틸카바메이트, 2-에틸헥실암모늄 2-에틸헥실카바메이트, 옥

타데실암모늄 옥타데실카바메이트, 2-메톡시에틸암모늄 2-메톡시에틸카바메이트,

2-시아노에틸암모늄 2-시아노에틸카바메이트, 디부틸암모늄 디부틸카바메이트, 디

옥타데실암모늄 디옥타데실카바메이트, 메틸데실암모늄 메틸데실카바메이트, 헥사

메틸렌이민암모늄 헥사메틸렌이민카바메이트, 모폴리늄 모폴린카바메이트, 피리디

늄 에틸헥실카바메이트, 트리에틸렌디아미늄 이소프로필카바메이트, 벤질암모늄 벤

질카바메이트, 트리에톡시실릴프로필암모늄 트리에톡시실릴프로필카바메이트, 에틸

암모늄 에틸카보네이트, 이소프로필암모늄 이소프로필카보네이트, 이소프로필암모

늄 바이카보네이트, n-부틸암모늄 n-부틸카보네이트, 이소부틸암모늄 이소부틸카보

네이트, t-부틸암모늄 t-부틸카보네이트, t-부틸암모늄 바이카보네이트, 2-에틸헥실

암모늄 2-에틸헥실카보네이트, 2-에틸헥실암모늄 바이카보네이트, 2-메톡시에틸암

모늄 2-메톡시에틸카보네이트, 2-메톡시에틸암모늄 바이카보네이트, 2-시아노에틸

암모늄 2-시아노에틸카보네이트, 2-시아노에틸암모늄 바이카보네이트, 옥타데실암

모늄 옥타데실카보네이트, 디부틸암모늄 디부틸카보네이트, 디옥타데실암모늄 디옥

타데실카보네이트, 디옥타데실암모늄 바이카보네이트, 메틸데실암모늄 메틸데실카

보네이트, 헥사메틸렌이민암모늄 헥사메틸렌이민카보네이트, 모폴린암모늄 모폴린

카보네이트, 벤질암모늄 벤질카보네이트, 트리에톡시실릴프로필암모늄 트리에톡시

실릴프로필카보네이트, 피리디늄 바이카보네이트, 트리에틸렌디아미늄 이소프로필

카보네이트, 트리에틸렌디아미늄 바이카보네이트 및 그 유도체 등을 들 수 있다.

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또한 인 화합물로는 일반식 R3P 또는 (RO)3 P으로 나타내지는 인화합물로서 여기

에서 R은 탄소수 1~20의 알킬 또는 아릴기를 나타내고 대표적으로 트리부틸포스

핀, 트리페닐포스핀, 트리에틸포스파이트 및 트리페닐포스파이트 등을 들 수 있다.

그리고 황 화합물로서 예를들면, 부탄티올, n-헥산티올, 디에틸 설파이드, 테트라히

드로티오펜 등이 있다. 이러한 안정제의 사용량은 잉크 특성에 부합되는 한 특별히

제한할 필요는 없다. 그러나 그 함량이 은 화합물에 대하여 몰비로 0.1%~90%가

좋다. 이 범위를 넘는 경우 박막의 전도도의 저하가 생길 수 있고, 이하의 경우 잉

크의 저장 안정성이 떨어질 수 있다. 잉크의 저장 안정성의 저하는 결국 도막의 불

량을 야기시키고, 더구나 상기 안정제는 저장 안정성 뿐만아니라 도전성 잉크 조성

물을 코팅한 후 소성하여 도막을 생성 하였을 때, 이 범위의 안정제가 사용되지 않

을 경우에는 균일하고 치밀한 박막이 형성되지 못하거나 균열(crack)이 발생하는

문제점이 발생할 수 있다. 그리고 잉크의 점도 조절이나 원활한 박막 형성을 위하

여 용매가 필요한 경우가 있는데 이때 사용할 수 있는 용매로는 물, 메탄올, 에탄

올, 이소프로판올, 1-메톡시프로판올, 부탄올, 에틸헥실 알코올, 테르피네올과 같은

알코올류, 에틸렌그리리콜, 글리세린과 같은 글리콜류, 에틸아세테이트, 부틸아세테

이트, 메톡시프로필아세테이트, 카비톨아세테이트, 에틸카비톨아세테이트와 같은 아

세테이트류, 메틸셀로솔브, 부틸셀로솔브, 디에틸에테르, 테트라히드로퓨란, 디옥산

과 같은 에테르류, 메틸에틸케톤, 아세톤, 디메틸포름아미드, 1-메틸-2-피롤리돈과

같은 케톤류, 헥산, 헵탄, 도데칸, 파라핀 오일, 미네랄 스피릿과 같은 탄화수소계,

벤젠, 톨루엔, 자일렌과 같은 방향족, 그리고 클로로포름이나 메틸렌클로라이드, 카

본테트라클로라이드와 같은 할로겐 치환 용매, 아세토니트릴, 디메틸술폭사이드 또

는 이들의 혼합용매 등을 사용할 수 있다.

(4) Filler (탄소분말)

일반적으로 화학조성, 입도의 분포, 입자의 모양, 응집입자 모양, 입도 및 응집입자

(2차 입자)의 특성은 페이스트 공정에 미치는 영향이 매우 크므로 정밀한 조절이

요구된다. 미세한 분말은 넓은 비표면적과 표면에너지에 의해서 서로 응집하려는

경향이 있다. 2차 입자는 분말의 거동에 영향을 주는 비표면적, 표면자유에너지, 부

피 비중, 분말의 흐름성에 영향을 준다. 출발 물질이 미세할수록 치밀화가 빨리 일

어난다는 것은 잘 아려져 있다. Herring의 scale 법칙에 의하면 분말의 크기가 10

배 작아지면 치밀화 속도는 103-104가 빨라진다. 그러나 미세한 분말에 의한 소결

특성을 향상시키기 위해서는 응집입자의 생성을 방지되어야 한다.

(5) 분산

분산 공정은 적심, 응집자의 분산, 안정화 단계로 나눌 수 있다. 적심공정은 표면에

흡착된 가스나 액상의 분자를 제거하고 표면에 유기용액으로 대체하는 과정이다.

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분말이 용액에 젖어지면 응집입자들이 해교 과정이 필요하며 볼밀이나 3롤밀을 사

용한다. 응집입자가 개별입자로 분산되면 표면적이 증가하게 되어 많은 양의 용액

이 필요하다. 페이스트의 분산 안정화는 완전한 적심과 일차 분말의 분리가 일어났

을 때 달성되며 이때 분산의 안정성을 얻지 못하면 계면 활성제나 전해 고분자로

된 분산제를 사용한다.

분산 기구는 2가지로 나눌 수 있다. 전기 2중층은 입자 표면에 전하를 갖는 이온이

흡착이 되어 입자가 용액 속에서 다른 하전된 이온을 끌어 들임으로써 생성된다.

분말 표면의 흡착층에 의한 steric 분산은 분말 간에 거리가 가까워질 때 서로 장벽

이 겹치면서 입체장애가 발생하여 반발력이 나타나게 된다. 흡착된 고분자의 체인

이 일부 자유도가 낮아지므로 이런 현상에 의하여 분말을 서로 분리시키는 반발력

을 제공한다. 일반적으로 전기적 반발과 입체장애가 함께 작용하는 계가 매우 안정

한다.

계면활성제는 고체와 액상간의 계면에너지를 낮춰서 고체임자 표면에 대한 액상의

적심성을 좋게 하여 분산성을 향상 시켜준다. 계면 활성제는 서로 다른 용해도와

극성을 갖는 관능기로 구성되어 있다. 즉, 친수기는 물을 선호하고 친유기는 oil를

선호한다.

일반적인 분산제로는 에프카(EFKA)사의 4000시리즈, 데구사(Deguessa)의 테고디

스퍼스(TEGOⓇ)Dispers) 시리즈, 엘레멘티스사의 디스퍼스 에이와디

(Disperse-AYDⓇ)) 시리즈, 존슨폴리머사의 존크릴(JONCRYLⓇ) 시리즈 등을 사용

할 수 있으며, 계면활성제를 사용할 경우, 소듐 라우릴 설페이트(sodium lauryl

sulfate)와 같은 음이온 계면활성제, 노닐페녹시폴리에톡시에탄올 (nonyl phenoxy-

polyethoxyethanol), 듀폰사(Dupont)제품의 에프에스엔(FSN)과 같은 비이온성 계면

활성제, 그리고 라우릴벤질암모늄 클로라이드 등과 같은 양이온성 계면 활성제나

라우릴 베타인(betaine), 코코 베타인과 같은 양쪽성 게면활성제 등이 포함된다. 습

윤제 또는 습윤 분산제로는 폴리에틸렌글리콜, 에어 프로덕트사(Air Product) 제품

의 써피놀(Surfynol) 시리즈, 데구사(Defuessa)의 테고웨트(TEGOⓇ)wet) 시리즈와

같은 화합물을, 그리고 칙소제 또는 레벨링제로는 비와이케이(BYK)사의 비와이케이

(BYK) 시리즈, 데구사(Deguessa)의 글라이드 시리즈, 에프카(EFKA)사의 에프카

(EFKA) 3000 시리즈나 코그니스(Cognis)사의 디에스엑스(DSX) 시리즈 등을 사용

할 수 있다.

2. 탄소 잉크 분석

가. 탄소잉크의 물성 및 성분 분석

물리화학적 특징은 black의 액체, 비중은 0.96-0.98이며 특유의 냄새를 가지고 있

다. 자연발화점은 425℃이다.

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탄소잉크의 온도에 따른 물성 변화를 측정하기 위해서 그림 3-1과 같이 TG를 수행

하였다. 탄소잉크는 190 ℃ 부근에서 decomposition이 진행되어 450 ℃ 까지 진

행되는 것으로 사료되며 이 때 무게감량은 약 17.7%이었다.

그림 3-1 탄소잉크의 온도에 따른 물성 변화

탄소잉크의 작용기들을 분석하기 위해서 FT-IR 측정하였다. 그림 3-2의 결과와 같

이 2980cm-1 부근에서 형성된 broad한 피이크는 aliphatic C-H stretching을 보여

주고 있으며 1710cm-1 은 C=O bond를 나타내고 있어 주 성분은 aliphatic

ketoner로 여겨진다.

그림 3-2 FT-IR을 이용한 탄소잉크의 작용기 분석

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좀 더 자세한 조성을 분석하기 위해서 GC-MS (가스 크로마토그래피-질량분석기)

를 사용하여 측정하였다. 그림 3-3(a), (b)와 그림 3-8(a), (b)에 나타낸 바와 같이

탄소 잉크 A와 B 두 charge에 대한 스펙트럼을 분석한 결과, 주요 성분은

2-butane, ethyl acetate, toluene, butylester, propanol, benzene, m-xylene등이

검출되었다. 이와 같은 결과로 구성성분은 polyacryl resin, ethyl acetate,

polyurethane resin, methy ethyl ketone로 예상된다. 그리고 용제(용매)는 공업용

용제인 톨루엔, 벤젠, xylene을 사용한 것으로 사료된다.

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그림 3-3 GC-MS를 이용한 탄소잉크 A의 성분분석

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그림 3-4 R.T. 7.047인 3번째 peak의 mass spectrum과 reference material의

spectrum


spectrum

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spectrum


spectrum

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그림 3-8 GC-MS를 이용한 탄소잉크 B의 성분분석

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spectrum


spectrum

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spectrum


spectrum

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spectrum


spectrum

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spectrum


spectrum

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나. 탄소잉크의 미세조직분석

탄소잉크의 무기물 filler인 탄소의 미세조직을 관찰하기 위해서 먼저 탄소 잉크를

acetone이나 톨루엔으로 희석을 시키고 용액과 탄소 분말을 분리하기 위해서 감압

필터를 이용하여 여과 시켰다. 5C 필터 용지에 분리된 탄소 분말은 표면에 흡착 되

어 있는 유기물를 제거하기 위해서 케톤 용제와 방향족 용제를 사용하여 수차례에

걸쳐서 rinse 한 후에 dry oven에서 건조 시킨 후 SEM을 관찰 하였다. 그림 3-17

에 나타낸 바와 같이 분말의 크기는 약 12-70 ㎛였으며 다양한 형태를 가짐을 관

찰 할 수 있었다.

그림 3-17 탄소분말의 형상

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3. 공정개선

가. 기존의 면상발열체 제조공정

기존의 면상 발열체는 상지, 하지, 상지와 하지 사이에 위치하는 발열층 역할을 하

는 탄소화합물, 탄소화합물의 표면에 용융 접합된 편조선을 포함한다. 여기서, 면상

발열체를 제조하는 공정을 공정을 설명하자면 다음과 같다.

하지로 사용되는 필름을 공급하는 제1필름언와인더, 필름의 이송을 위한 가이드롤

러, 부직포를 공급하는 제1부직포언와인더, 1차 인쇄작업이 진행되는 1차 인쇄부,

1차 인쇄가 완료된 작업물을 건조시키는 제1열풍닥트, 건조된 작업물을 이송하기

위한 에어가이드롤러, 2차 인쇄작업이 진행되는 2차 인쇄부, 2차 인쇄작업이 완료

된 작업물을 건조시키는 제 2 열풍닥트로 이루어지며, 2차 인쇄부에서 2차 인쇄작

업을 진행하기 전에 편조선과 부직포를 함께 공급하도록 구비된 편조선 언와인더와

제 2 부직포 언와인더를 더 포함하는 1차 작업부 및 1차작업부의 제 2 열풍닥트를

통해 건조된 작업물을 감아놓다가 2차 작업을 위해 풀어주는 1차 작업와인더 겸 2

차 작업언와인더, 소정 작업이 완료된 상지와 하지를 합지하는 히팅롤러, 합지된 면

상발열체를 용량단위로 절단하는 어큐뮬레이터(Accumulator)와 절단된 면상발열체

를 감아놓는 와인더를 포함하는 2차 작업부를 포함한다.

그림 3-18은 기존 면상발열체를 제조하는 공정의 사진과 그라비아 인쇄롤에 의해

탄소잉크가 도포되는 공정을 보여주고 있고, 그림 3-19는 기존 면상발열체의 공정

흐름도이다.

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그림 3-18 면상발열체의 공정사진 및 그라비아 인쇄법에 의한 탄소잉크 도포공정

그림 3-19 기존 면상발열체의 공정흐름도

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(1) 기존 공정으로 도포된 면상발열체의 미세구조

탄소 잉크를 이용한 면상발열체의 승온 메카니즘은 도포된 탄소잉크가 저항체 역할

을 하여 전압이 인가되었을 때, 저항발열에 의해 온도가 올라가게 된다. 따라서 탄

소잉크의 균일한 도포는 매우 중요하며 이를 확인하기 위해 그림 3-20과 같이 각

위치에 따른 미세조직을 관찰하였다. 그림 3-20에서 관찰된 미세조직은 image

analyzer를 이용하여 도포된 탄소잉크의 면적을 관찰하였고 이를 그림 3-22에 나

타내었다.

그림 3-21에서 position number는 그림 3-20에 표시된 번호와 대응된다. 기존공

정으로 도포된 탄소잉크의 평균면적은 0.24mm2으로 확인되었으며, 표준편차는

0.06mm2이었다. 그리고 각 위치별 최대값과 최소값은 0.30mm2, 0.17mm2으로 상

당히 큰 편차를 가지고 있음을 알 수 있었다.

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그림 3-20 각 위치에 따른 면상발열체의 미세조직

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그림 3-21 각 위치에 따른 면상발열체의 면적분포

(2) 발열특성평가

(가) 발열체의 특성평가 규격 및 방법

발열체의 특성을 평가하는 규격은 표 3-1과 같이 다양한 방법에 의해서 평가가 이

루어진다.

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표 3-1 발열체의 평가규격

이 중, 본 연구에서는 각 공정개선에 따른 전기적 특성과 열분포를 측정하여 개선

효과를 평가하였다. 여기서 전기적특성은 인가전압 AC 220V에서 저항과 소비전력

을 측정하였고, 열분포는 적외선 열화상 측정기를 대신하여 가로×세로가 1m×1m

인 시편에 그림 3-22와 같이 9개의 지점에 열전대를 설치하여 측정하였다.

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그림 3-22 열분포 측정 모식도

(나) 열분포 측정

열분포 측정은 그림 3-22에 나타낸 방법에 의해서 측정되었고, 측정은 1번지점이

30℃가 되었을 때부터 측정하여 1번 지점의 온도가 10℃ 증가할 때마다 기록하였

다. 여기서, 그림 3-21의 탄소잉크의 면적 분포와 그림 3-23의 위치별 온도분포를

살펴보면 거의 유사한 형상을 지니고 있다는 것을 알 수 있다. 따라서, 그림 3-23

과 같이 큰 폭의 온도 차이를 보이는 이유는 저항체인 탄소잉크의 도포과정에서 발

생하는 불균일한 도포에서 야기된다는 것을 알 수 있고, 이를 방지하기 위해서는

균질한 도포공정이 필요하다고 판단된다.

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그림 3-23 각 위치에 대한 열분포 측정

(3) 전기적특성 시험

그림 3-24와 그림 3-25는 기존 공정에서 제조된 면상발열체 7개 시편에 대한 저

항 및 전력분포를 측정한 것이다. 저항분포는 370Ω~438Ω 범위의 저항분포를 보이

고 있었으며, 인가전압을 220V로 하였을 때, 전력은 110.5W~130.8W의 범위를 가

진다. 여러 시편에서 저항과 전력분포가 넓은 편차를 가지고 있는 것으로 보아 탄

소잉크의 불균일한 도포는 한정된 범위에서 일어나는 것이 아니라 전 부분에 걸쳐

서 일어난다는 것을 알 수 있었고, 전기적 특성 및 온도분포를 최소화하기 위해서

는 탄소잉크의 균일한 도포를 하기 위한 개선 공정이 우선시 되어야 할 것이라고

사료된다.

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그림 3-24 각 시편에 대한 저항분포

그림 3-25 각 시편에 대한 전력분포

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나. 인쇄롤 형상의 개선

탄소잉크의 균일한 도포를 위해서는 탄소잉크가 인쇄되는 공정에서 원하는 양만큼

의 탄소잉크가 정확하게 묻어야 한다. 하지만 기존의 인쇄롤(Printing roll)의 mesh

홈은 직각형태의 홈으로 잔탕이 홈사이에 끼어 탄소잉크의 양이 불균일하게 도포되

는 양상을 보였다. 따라서 mesh의 홈에 굴곡을 주어 잔탕이 홈사이에 끼이지 않고

균질하게 도포될 수 있도록 하였다. 또한, 종래의 인쇄롤은 회전축인 샤프트와 상기

샤프트의 외부를 감싸는 인쇄될 모티브가 새겨져 있는 동판이 있어서 동판을 교체

하는 방식을 사용하였으나, 개선된 동판은 상기 샤프트에 용접 등의 방식으로 완전

히 고정되어 있는 일체형으로 제조하였다. 따라서 동판의 미세한 이동에 의해 발생

하는 인쇄상의 사소한 오류도 완전히 제거할 수 있었다.

그림 3-26 인쇄롤의 개선 모식도

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그림 3-27 개선된 인쇄롤의 형상

(1) 개선된 인쇄롤로 도포된 면상발열체의 미세구조

개선된 인쇄롤에 의해 도포된 탄소잉크의 도포자국을 그림 3-28에 나타내었다. 개

선된 인쇄롤로 도포된 탄소잉크의 평균면적은 그림 3-29에 나타낸 바와 같이

0.12mm2으로 확인되었으며, 표준편차는 0.04mm2이었다. 그리고 각 위치별 최대값

과 최소값은 0.15mm2, 0.10mm2으로 기존 공정에 의해 도포된 탄소잉크의 면적 편

차 보다 훨씬 밀집된 분포를 보였다. 이는 위에서 설명한 바와 같이 홈에 걸리는

잔탕의 양을 최대한 줄여주기 위한 방법으로 메쉬의 홈에 굴곡을 준 것에 기인한

것을 판단된다.

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그림 3-28 개선된 인쇄롤을 이용한 공정에서 각 위치에 따른 면상발열체의

미세조직

그림 3-29 개선된 인쇄롤을 이용한 공정에서 각 위치에 따른 면상발열체의

면적분포

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(2) 열분포 측정

그림 3-30의 열분포 측정 실험에 의하면 각 지점별 온도편차는 온도가 증가함에

따라 증가하였다. 1번지점이 30℃일 때, 최대값과 최소값의 온도차는 5℃였으나 1

번지점이 80℃일 때는, 최대값과 최소값의 온도차는 8℃였다. 이는 그림 3-23에서

나타낸 값과 비교하였을 때, 30℃에서의 온도차는 같았으나 80℃일 때의 온도차는

3℃가 작게 나타난 것이다. 즉, 메쉬 홈의 변경으로 탄소잉크의 균일 도포가 온도

차를 줄였다는 것을 알 수 있었다. 하지만 아직도 80℃에서는 온도차가 8℃정도가

나기 때문에 공정 개선이 더 필요하다고 판단된다.

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그림 3-30 개선된 인쇄롤을 이용한 공정에서 각 위치에 대한 열분포 측정

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그림 3-31과 그림 3-32는 개선된 인쇄롤을 이용하여 제조된 면상발열체 7개 시편

에 대한 저항 및 전력분포를 측정한 것이다. 저항분포는 386Ω~442Ω 범위를 보이

고 있었으며, 인가전압을 220V로 하였을 때, 전력은 109.5W~125.4W의 범위를 가

진다. 기존 공정에 비해 저항과 전력분포의 편차는 조금 줄어들었으나, 아직도 상당

히 넓은 분포를 보인다는 것을 알 수 있었다. 따라서 탄소잉크의 균일 도포를 위한

공정을 더 개선해야 할 것으로 보인다.

그림 3-31 각 시편에 대한 저항분포

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그림 3-32 각 시편에 대한 전력분포

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다. 지지롤을 이용한 잉크의 접착공정 개선

개선된 인쇄롤(Printing roll)의 mesh형상으로 기존의 공정에 비해 특성이 향상되었

으나 아직도 온도편차 및 전기적특성 부분에서 아직 미진한 부분이 관찰되었다. 이

는 인쇄롤(Printing roll)과 압동(Second roll)사이의 하중이 일정하게 전달되지 않아

서 탄소잉크의 도포가 균일하지 않았을 것으로 판단되었다, 따라서 그림 3-33에서

와 같이 압동(Second roll)위에 Press roll을 두어 인쇄롤(Printing roll)에 일정한 하

중으로 압력을 가하여 좀 더 탄소잉크의 균일 도포를 이루도록 하였다. 지지롤은

압동의 상부 또는 압동과 인쇄롤의 측면에 설치되어, 압동 또는 인쇄롤와 맞물려서

회전하며, 일정한 하중을 주어 압동과 인쇄롤이 상하 또는 좌우로 움직이는 것을

막아주는 역할을 하도록 설계하였다. 지지롤은 말 그대로 지지대 역할을 하여 그와

맞물린 압동 또는 인쇄롤이 그 지지대로 인하여 자신의 회전축을 이탈하지 못하게

건물의 담장 같은 역할을 하도록 하였다.

그림 3-33 지지롤을 이용한 면상발열체의 개선공정 모식도

(1) 지지롤을 이용하여 도포된 면상발열체의 미세구조

개선된 인쇄롤에 의해 도포된 탄소잉크의 도포자국을 그림 3-34에 나타내었다. 개

선된 인쇄롤로 도포된 탄소잉크의 평균면적은 그림 3-35에 나타낸 바와 같이

0.12mm2으로 확인되었으며, 표준편차는 0.02mm2이었다. 그리고 각 위치별 최대값

과 최소값은 0.13mm2, 0.11mm2으로 기존 공정 및 개선된 인쇄롤(Printing roll)에

의해 도포된 탄소잉크의 면적 편차 보다 훨씬 밀집된 분포를 보였다. 이는 지지롤

(Press roll)에 의해서 일정한 하중을 가하여 탄소잉크가 도포되는 면적을 일정하게

유지시켜 준 것에 기인한다.

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그림 3-34 지지롤을 이용한 면상발열체의 각 위치에 따른 미세조직

그림 3-35 지지롤을 이용한 면상발열체의 각 위치에 따른 면적분포

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(2) 열분포 측정

그림 3-36은 압동을 이용한 공정으로 제조된 면상발열체의 위치별 온도분포를 보

여주고 있다. 30℃에서는 다른 공정에서와 마찬가지로 5℃의 편차를 보였으나 온도

가 증가하여도 최대온도와 최소온도의 온도 차이는 5℃를 유지하였다. 이는 기존

공정에 비해서는 6℃가 낮은 수치이고, 개선된 인쇄롤(Printing roll)의 공정에 비해

서도 3℃가 낮은 온도차이를 보인 것이다. 이를 탄소잉크의 면적 분포와 연결해 보

면, 기존 공정에서 발생하였던 불균일한 도포양을 개선된 인쇄롤(Printing roll)에 의

하여 어느 정도 개선하였으나 가해지는 하중의 차이로 인하여 도포되는 양의 변화

가 발생하였고, 이를 지지롤(Press roll)을 이용하여 탄소잉크의 균일한 도포를 만들

수 있었다. 일정한 양으로 도포된 탄소잉크에 의해서 면상발열체는 온도편차를 최

소로 줄일 수 있었다.

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그림 3-36 지지롤을 이용한 공정에서 각 위치에 대한 열분포 측정

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그림 3-37과 그림 3-38은 지지롤(Press roll)을 이용하여 제조된 면상발열체 7개

시편에 대한 저항 및 전력분포를 측정한 것이다. 저항분포는 397Ω~433Ω 범위의

저항분포를 보이고 있었으며, 인가전압을 220V로 하였을 때, 전력은

111.7W~121.9W의 범위를 가졌다. 전력의 최소치와 최대치를 비교해 본 바, 최대

값과 최소치의 차이가 최소 전력값의 10%이내에 있으므로 표 3-1의 규격을 만족

하였다.

그림 3-37 지지롤을 이용한 공정으로 제조된 면상발열체의 저항분포

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그림 3-38 지지롤을 이용한 공정으로 제조된 면상발열체의 전력분포

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라. 접착공정의 개선

그림 3-39는 접착공정 개선을 위해 설계된 면상발열체의 단면도이다. 접착공정 개

선을 위해 면상발열체는 제1 외피로 사용되는 제1 합성수지필름, 제1 합성수지필름

상부에 위치하며 탄소도전체가 들어 있는 제1 탄소도전체층, 제1 탄소도전체층의

내부에 위치하되, 하측과 좌우측은 제1 탄소도전체층에 의해 완전히 둘려싸여 있는

다수의 동선, 상기 제1 탄소도전체층 상부에 위치하며 인접한 2개의 동선의 상층을

동시에 덮는 다수의 부직포, 부직포 상부에 위치하는 탄소도전체가 들어 있는 제2

탄소도전체층, 제2 탄소도전체층 상부에 위치하는 제2 외피로서 사용되는 제2 하성

수지필름을 포함하고 있다. 또한 필요에 따라서는 제1 합성수지필름과 제2 합성수

지필름 중 어느 하나이상의 필름 외부에 부직포가 추가로 부착될 수도 있다.

그림 3-39 접착공정 개선을 위한 면상발열체의 단면도

이 개선공정에 의해 면상발열체는 동선와 부직포의 상하를 제1과 제2 탄소도전체층

이 감싸고 있다. 즉, 동선을 전체층이 감싸주게 되어서 전기적으로 안전성을 높일

수 있었고, 이로 인해 동선으로 인한 화재사고를 획기적으로 감소시킬 수 있다.

합성수지필름에 대해서는 특별한 제한은 없지만, 가급적 내열도가 높은 폴리에틸렌

테레프탈레이트(PET), 폴리우레탄(PU)을 사용하였다.

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마. 개선된 공정에 의한 면상발열체의 제조

그림 3-40 (a), (b)는 위의 개선된 사항을 바탕으로 구성된 면상발열체 제조장치의

개략도와 설계도를 보여준다.

그림 3-40 개선된 사항을 바탕으로 구성된 면상발열체 제조장치의 개략도와

설계도

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그림 3-40 (a)에서 보는 바와 같이 개선된 사항을 바탕으로 한 면상발열체 제조장

치는 급지부, 인쇄부, 건조부, 샌드위치부, 와인더부를 포함하고 있다. 급지부는 긴

축 형상으로서, 여기에 면상발열체를 제조하는데 사용하는 합성수지필름과 같은 원

단등이 감겨있는 부분으로서, 이 부분에 감겨있던 원단등과 풀리면서 인쇄부로 공

급된다. 인쇄부는 급지부에서 공급된 원단등에 인쇄용액을 인쇄하는 부분이다. 인쇄

부는 라미네이터, 인쇄롤, 압동, 지지롤을 포함하고 있다. 라미네이터에는 원단등에

인쇄될 인쇄용액이 담기게 되는데, 인쇄용액은 접착제, 탄소도 전체 또는 이들의 혼

합액을 사용하였다. 인쇄롤은 긴 축 형상으로서, 회전시 일부분이 라미네이터에 담

긴 인쇄용액과 접하게 된다. 압동은 인쇄롤과 맞물려 회전하면서 인쇄를 도와주는

고무롤이다. 지지롤은 압동의 상부 또는 압동과 인쇄의 측면에 설치되어, 압동 또는

인쇄롤와 맞물려서 회전한다. 지지롤은 인쇄롤과 압동의 상하좌우 불필요한 이동을

막아주어 인쇄시 인쇄품질을 향상시키는 역할을 한다. 건조부는 원단등에 인쇄된

접착제의 접착력을 극대화시키기 위하여 접착제를 건조시킨다. 따라서 건조부 에는

내부에 적당한 열을 공급하고 바람을 일으킬 수 있는 열풍기가 설치되어 있다. 건

조부에서 건조는 접착제의 접착력을 극대화시킬 수 있는 상태까지 이루어져야 하

며, 이러한 접착력은 접착제에 따라 상이하므로, 건조기내의 온도와 풍속을 조절하

여 접착제에 따라 적절한 조건을 도출하였다. 샌드위치부는 건조부를 거친 원단등

에 동선과 부직포를 각각 공급하기 위한 동선공급장치와 부직포 공급장치 및 상기

건조부를 거친 원단, 상기 동선공급장치에서 공급되는 동선, 상기 부직포 공급장치

에서 공급되는 부직포를 접합시키기 위한 샌드위치 롤러를 포함하고 있다. 동선공

급장치와 부직포 공급장치는 회전축에 동선 내지 부직포가 감겨 있는 형상이다. 동

선은 면상발열체에 전기를 공급하는 것이고, 부직포는 다음 도전체 처리를 위한 것

이다. 샌드위치롤러는 두 개의 롤러가 맞물려서 회전하는 형상으로서 상기 건조부

를 거친 원단, 상기 동선공급장치에서 공급되는 동선, 상기 부직포 공급장치에서 공

급되는 부직포를 접합시키는 역할을 한다. 와인더부는 후속공정 내지 운송의 편의

를 위하여 샌드위치부를 거친 원단 등을 감아준다. 따라서 와인더부는 회전축이 회

전하면서 원단 등을 감게된다. 또한 샌드위치부와 와인더부에는 장력을 조절하여

제품의 훼손을 막기 위하여 파우더 브레이크를 추가로 설치하였다.

그림 3-41은 그림 3-40(b)의 설계도를 바탕으로 만들어진 제조장치의 사진이다.

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그림 3-41 면상발열체 제조장치

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그림 3-42 개선된 공정에 의한 면상발열체 제조방법의 흐름도

그림 3-42는 개선된 공저에 의한 면상발열체 제조방법의 흐름도이다. 그림 3-42에

서 보는 바와 같이 면상발열체 제조공정은 제1탄소 도전체층 인쇄 단계(S1), 건조

단계(S2), 샌드위칭 단계(S3), 제2 탄소 도전체층 인쇄단계(S4), 접착제 도포단계

(S5), 완성단계(S6)를 포함하고 있다. 제1탄소 도전체층 인쇄단계(S1)에서는 접착제

와 탄소도전체가 혼합된 인쇄용액을 제1 합성수지 필름의 일면에 인쇄하여 제1탄소

도전체층을 형성한다. 이를 위하여 급지부에는 원단으로서 제1 합성수지 필름을 인

쇄롤로 공급하고, 라미네이터에는 접착제와 탄소도전체가 혼합된 인쇄용액이 담겨

있게 된다. 급지부에서 공급된 제1 합성수지필름는 인쇄롤와 압동의 사이에서 인쇄

용액인 탄소도전체와 접착제의 혼합액과 접하게 된다. 이 과정에서 인쇄롤, 압동,

지지롤는 일체가 되어 회전하게 된다. 건조 단계(S2)에서는 제1탄소 도전체층 인쇄

단계에서 인쇄용액의 접착력을 극대화시켜서 후속공정인 샌드위칭 단계(S3)에서의

동선과 부직포의 접합력을 극대화시키기 위한 단계이다. 이를 위하여 제1탄소 도전

체층 인쇄단계를 거친 제1 합성수지 필름은 건조기에서 건조과정을 거치게 된다.

샌드위칭 단계(S3)는 건조단계(S2)에서 건조된 제1 합성수지필름의 탄소도전체와

접착제에 동선공급장치에서 공급되는 동선를 삽입하고, 바로 위에는 부직포 공급장

치에서 공급되는 부직포를 부착시킨다. 제2탄소 도전체층 인쇄단계(S4)에서는 부직

포의 상부에 제2 탄소도전체층을 인쇄한다. 이를 위하여 급지부에 상기 샌드위칭

단계를 거친 제1 합성수지필름을 설치하고, 라미네이터에는 인쇄용액으로서 탄소도

전체만 담은 후에 인쇄과정을 거치게 된다. 이 과정에서 탄소도전체 농도등에 따라

원하는 횟수와 원하는 두께로 전기용량을 감안하여 도포를 한다.

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탄소도전체가 인쇄된 하지는 실내온도 60~80℃의 숙성실에서 적어도 3일간 숙성을

시키되 전체가 고르게 숙성이 되게 하여야 한다. 이러한 숙성을 시키는 이유는 합

성수지필름 등 원단에 인쇄된 탄소도전체는 열에 의하여 숙성 경화되는 열경화방식

의 물질이기 때문이다. 접착제 도포단계(S5)에서는 제2 탄소도전체층의 상부에 접

착제를 도포하는 단계이다. 이를 위하여 숙성된 원단을 급지부에 설치하고, 라미네

이터에는 접착제만 담고 인쇄과정을 거치게 된다. 완성단계(S6)에서는 접착제 도포

단계(S5)에서 접착제가 접착된 원단을 건조기를 거치면서 접착제의 접착력이 극대

가 되는 조건까지 건조시킨후에 제2 합성수지필름를 접착시켜서 면상발열체를 완성

하는 것이다. 이를 위하여 새로운 합성수지필름은 동선공급장치 또는 부직포공급장

치에 설치하여 건조부를 통과한 원단과 샌드위치롤러를 통과시키면서 접착하여 면

상발열체를 완성한다. 완성된 면상발열체는 파우더 브레이크를 이용하여 장력을 조

절하면서 와인더부에서 감는다. 그림 3-43은 위의 개선된 공정에 의해 면상발열체

가 제조되는 과정을 보여주고 있다.

그림 3-43 개선된 공정에 의한 면상발열체의 제조과정

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그림 3-43(e)는 개선된 공정에 의해 제조된 면상발열체의 최종제품이며, 특성평가

는 최종 공정 개선 사항이었던 지지롤을 추가 하였을시의 열분포와 전력, 저항 분

포와 같은 범위내의 분포를 가졌다. 또한, 접착공정의 개선으로 제품의 구김현상 등

의 외부 충격에 의한 발열소재와 전극소재의 박리현상을 제품의 신뢰성 향상을 기

할 수 있었다.

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제 2 절 기술지원 성과

1. 기술지원을 통한 면상발열체 제품의 신뢰성/내구성 향상 및 품질향상

2. 품질향상을 통한 국내외 시장 점유 확대

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제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

1. 목표달성도

본 연구에서는 면상발열체용 탄소복합소재 및 제조공정 개선을 지원하기위하여 탄

소복합소재의 형상, 입도, 분포에 따른 전기전도도 및 발열특성 평가, 탄소복합소재

의 균일도포를 위한 공정개선, 탄소복합소재의 온도 편차 개선지원, 접착공정개선

등을 수행하여 다음과 같은 성과를 달성하였다.

2. 관련분야의 기여도

□ 발열 및 전기비저항 특성이 우수한 탄소발열소재 개발에 관한 기본 데이터 제공

및 신뢰성 확보가 중요한 따른 면상발열체 소재의 품질향상에 기여

□ 면상 발열체 제조공정의 요소기술 확보에 따른 생산성 향상을 통한 제품의 경쟁

력향상 및 국내외 시장 확대

□ 기존의 전기발열체에 비해 전력감소 효과가 있는 면상 발열체의 사용증대에 따

른 에너지 절약 및 경제적 파급효과 증대

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제 5 장 기술지원결과의 활용계획

□ 중소기업의 기술 및 제품 경쟁력 향상을 통해 해당 산업분야의 핵심 전문기업으

로 성장에 활용

□ 유사한 제품군을 생산하는 중소기업군에 기술의 확산을 통한 시너지 효과 및 전

체 시장의 확대에 활용

□ 면상발열체의 생산성 향상 및 품질 안정에 활용하여 향후 고신뢰성 면상발열체

개발에 활용

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Documents

ITFIND - 면상발열체용 탄소복합소재 및 제조공정 …- 4 - 3. 지원실적 지원항목 지원내용 비고 기술지원前 기술지원後 탄소복합소재의 형상,