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  1. (HG Solution, Korea.)
  2. (Korea Carbon Industry Promotion Agency, Korea.)



Metal-coated carbon fiber, segmented wire, sheet heater, thermal, electromagnetic

1. 서 론

자동차는 첨단공업 기술이 고도로 집적되어 있는 인간-기계 시스템산업이며, 국가의 대표적인 주력산업인 관련 부품, 소재 등 전후방 산업 신제품 개발이 가속화되고 있다. 자동차 시장의 소비자들 요구를 만족하는 제품 개발이 증가하고 있고, 특히 자동차 시트에 관한 관심이 증가하고 있다(1). 자동차 시트는 사용자와 같이 움직이는 제품으로 다양한 기능 및 성능이 요구되고 있다(2). 자동차 시트는 안전성, 안락성, 편의성, 디자인 성, 경제성 등이 종합적으로 고려되어 다양한 분야에 걸쳐 기술 발전을 거듭해나가고 있다(3). 자동차 시트 사용자의 승차감을 만족시키기 위해 많은 편의 장치들이 차량에 설치되고 있으며 연구되고 있다. 특히 자동차의 시트 히터는 탑승자의 신체에 온기를 직접적으로 전달하여 체감 온도를 높여 소비자의 만족도가 높은 편의장치이다. 이에 시트히터는 옵션이 아니라 필수적인 요소가 되었다.

현재 사용되는 자동차 시트용 발열체는 전기에너지를 저항열로 발열시키는 방법으로, 대부분 구리, 니크롬선 등 금속선으로 보편화 되어 있다. 직렬구조로 연결된 금속선은 사용시간이 지남에 따라 탑승자의 신체적 접촉으로 반복 마찰이 발생하여 내구성이 떨어지거나, 외부 충격으로 단선이 되면 일정한 전류를 전달하지 못한다(4-5). 또한, 내구성 증대를 위해 열처리 공정을 한 금속은 결정립이 10-20 μm로 성장되어 있어 반복 착좌나 외력에 의해 부분 단선 및 피로 누적 시 급격한 피로 전위에 의해 열점이 형성된다. 이는 화재사고 위험성에 노출되므로 이에 대한 개선이 요구되고 있다(6).

일정한 전류 전달과 화재에 대한 안전성을 확보하기 위해서는 금속선보다 강하고 저 전압에서 구동할 수 있으며 친환경 발열체인 탄소섬유를 사용할 수 있다. 하지만 탄소섬유는 전도부와 접촉하는 일부 필라멘트만 발열 거동에 참여하기 때문에 발열 효율이 높지 않은 제약이 있다. 즉, 수 배 이상의 소비전력, 높은 비저항과 발열 거동에 참여하지 못하는 데드존으로 인해 고전압 구동이 요구된다(7-8). 또한 금속코팅 탄소섬유는 고가인 단점이 있어 자동차 시트히터로 적용하는 데 한계가 있다.

본 논문에서는 높은 내구성을 갖추면서 낮은 비저항으로 저 전압 구동으로 인해 소비전력 효율을 높일 수 있는 MCF를 선을 분할하여 저비용으로 제조했다. 제조한 MCF 선의 열적, 전자기적 특성을 평가했다.

2. 실 험

2.1 MCF 발열선 제조

금속코팅 탄소섬유(MCF, metal-coated carbon fiber)는 직경이 약 7μm인 탄소섬유에 금속(구리, 니켈)이 도금되어 있으며 ㈜비에스엠신소재에서 제조했다. MCF의 보풀, 고가, 엉킴의 문제를 최소화하여 발열선으로 사용하기 위해서 스프레딩, 폴리우레탄 함침, 분할 공법을 이용하여 12K 토우를 3K로 제조했다. 분할된 3K MCF는 ㈜덕성에서 구입한 폴리에스터계열 폴리우레탄(polyurethane)이 함침되어 있으며, 그림 1과 같이 연선(= 꼬임, stranding)장비를 사용하여 꼬임수와 용매인 MEK (Methyl ethyl ketone) 양에 따른 MCF 발열선을 제조하여 와인딩 했다. 꼬임수는 53, 86, 119, 152 twists/m로 MEK 양은 5, 10, 15, 20 ml/min로 조절했다.

그림. 1. MCF 연선 공정 모식도

Fig. 1. Schematic diagram of the MCF stranding wire process

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3. 결과 및 고찰

3.1 물성분석

3.1.1 형상

MCF의 형상을 확인하기 위하여 HR-SEM(high resolution scanning electron microscope, Hitachi, SU8230)으로 분석했고 그림 2의 (a), (b)에 이미지로 나타내었다. 평균 직경이 6.8 μm인 탄소섬유에 평균 도금 두께가 260nm로 금속이 도금되어 있음을 확인했다. 또한, 분할된 3K MCF를 연선(stranding)한 탄소섬유의 형상은 그림 2의 (c)에 나타내었으며, 광학현미경(MICroscopes INC, S39B)으로 분석했다. 분할된 3K MCF는 2mm로 펼쳐진 테이프 형태이며 이를 연선하면 0.57mm의 원형 구조로 나타냄을 확인했다. 연선 전/후의 평균 단면적은 0.3mm으로 큰 차이가 발생하지 않았지만, 119 twist/m 이상의 꼬임에서는 평균 단면적이 0.25mm로 감소함을 확인했다.

3.1.2 열중량 분석

MCF 내에 함침되어 있는 폴리우레탄의 실제양을 확인하기 위하여, 열중량분석기(TA Instruments Inc., SDT 650)를 사용했다. 측정은 상온에서 1000°C의 온도범위, 10 ℃/min의 승온속도, 20sccm의 공기 투입 조건에서 실시했다. MCF 내에 함침된 폴리우레탄의 열중량분석 결과는 그림 3에 결과표는 표 1에 계산하여 나타내었다. raw MCF는 폴리우레탄이 처리되지 않은 상태이며, 분할된 3K MCF 테이프는 폴리우레탄이 함침된 MCF를 분할시킨 상태이며, 연선된 3K MCF는 분할된 3K MCF를 선으로 꼬은 상태를 의미한다.

그림. 2. (a) CF의 단면이미지, (b) MCF 단면 이미지, (c) 연선 전/후 MCF 형태

Fig. 2. (a) Cross section image of CF, (b) MCF cross section image (c) MCF shape before and after stranding wire

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그림. 3. MCF 선의 열중량분석 그래프

Fig. 3. TGA graph of MCF wires

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그림 3의 그래프에서 폴리우레탄의 열분해는 첨가제, 휘발성 물질에 의한 20 wt.%, 우레탄그룹인 R-N=C=O, R-O-H로 인해 60 wt%, ester(-COO)그룹의 분해로 20 wt.% 중량감소가 일어난다. 폴리우레탄의 열분해는 580℃에서 종결되었으며, 잔여량은 0 wt.%였다. raw MCF는 탄소섬유 표면에 코팅되어있는 금속의 산화에 의해 312℃에서 545℃ 사이의 온도에서 2.6 wt.%의 무게분율이 증가했다. 잔여량인 산화금속 포함 무게분율 64.42 wt.%와 산화에 의해 증가된 무게분율 2.6 wt.%를 고려하면 raw MCF 중에 금속의 함량은 61.82 wt.%임을 알 수 있고, 나머지 38.2 wt.%가 탄소임을 알 수 있다. 또한 raw MCF에서 금속의 산화 비율은 산화량/산화금속량을 계산하면, 4.04% 임을 알 수 있다. 이를 바탕으로 분할된 3K MCF테이프와 연선된 3K MCF 선 내에 함침된 폴리우레탄 양을 계산했고, 연선된 3K MCF는 용매인 MEK로 인해 폴리우레탄 함량이 5.7% 감소했다. 이는 저항에 영향을 주는 폴리우레탄이 줄어들면서 저항 감소 결과를 초래할 것으로 판단할 수 있었다.

표 1. 실제 함침된 폴리우레탄 함량

Table 1. Results of actual impregnated polyurethane contents

샘플

잔여량

(wt.%)

금속량

(wt.%)

탄소량

(wt.%)

함침된 PU량

(wt.%)

raw MCF

64.42

61.82

38.2

0

분할된 3K MCF 테이프

49.61

47.61

29.3

39

연선된 3K MCF 선

42.94

41.21

25.45

33.3

3.1.3 용매 사용량에 따른 단면적 변화

MCF의 연선 과정에서 사용한 용매인 MEK의 사용량에 따른 결과를 그림 4에 나타내었다. 연선 전의 MCF의 평균단면적은 0.3 mm이었고, MEK 처리양 5 ml/min에서 53, 86 twists/m의 평균단면적은 0.324 mm으로 연선 전 MCF 과의 단면적은 큰 차이가 없었다. 꼬임수 119, 152 twists/m의 평균 단면적은 0.224 mm으로 연선 후 단면적이 감소했다. MEK 처리양이 10 ml/min에서는 53, 86 twists/m의 평균 단면적은 0.331 mm이었고, 119, 152 twists/m의 평균 단면적은 0.230 mm이었다. MEK 처리양 15 ml/min에서 53, 86 twists/m의 평균 단면적은 0.324 mm, 119, 152 twists/m의 평균단면적은 0.251 mm이었고, MEK 처리양 20ml/min에서 53, 86 twists/m의 평균 단면적은 0.321mm, 119, 152 twists/m의 평균 단면적은 0.221 mm이었다.

그림. 4. MEK 처리양에 따른 MCF 선의 단면적

Fig. 4. The cross-sectional area of MCF wire according to the MEK treatment amounts

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그래프 4에서 확인할 수 있듯이 MEK 처리양이 증가하여도 단면적에는 변화가 없었다. 하지만 꼬임수가 증가할수록 단면적이 감소하는 경향을 나타냈고, 119 twists/m 이상 꼬임에서는 오히려 끊김이 발생함을 표 2의 표면(surface) 이미지에서 확인할 수 있었다. 그림 7에서는 MEK의 처리양이 20 ml/min로 같은 조건에서 꼬임수에 따른 표면과 단면 이미지를 나타내었다. 53 twists/m, 86 twists/m, 119 twists/m, 152 twists/m의 단면적 직경은 각각 평균 641.13 μm, 571.74 μm, 578.91 μm, 541.81 μm이었다.

표 2. 연선된 MCF의 표면, 단면 이미지와 직경

Table 2. Diameter and images of surface and cross-sectional with stranded MCF wires

샘플

표면이미지

단면이미지

분할된 3K MCF 테이프(Ref)

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../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.1022/table2_2.png

#1, 53 twists/m

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../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.1022/table2_4.png

#2, 86 twists/m

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../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.1022/table2_6.png

#3, 119 twists/m

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.1022/table2_7.png

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.1022/table2_8.png

#4, 152 twists/m

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.1022/table2_9.png

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3.2 전자기적 특성

3.2.1 MCF 발열선 저항

3K MCF 발열선은 용매(MEK) 처리양, 꼬임수에 따른 저항변화를 4 point probe 방식으로 측정했다. 그림 5에서 함침량 및 꼬임수에 따른 저항 변화를 측정했다. 연선 전 분할된 3K MCF의 저항은 6 Ω/m이며, MEK 처리양 5 ml/min에서는 53, 86, 119, 152 twists/m의 저항값은 각각 5.52, 5.08, 4.07, 4.11 Ω/m이었고, MEK 처리양 10 ml/min에서 각각 5.36, 4.77, 3.88, 3.90 Ω/m이었다. MEK 처리양 15 ml/min에서 각각 5.29, 4.64, 3.81, 3.75 Ω/m이었고, MEK 처리양 20 ml/min에서 각각 5.15, 4.69, 3.68, 3.73 Ω/m이었다. 꼬임수가 증가할수록 저항이 감소했고 119 twists/m 이상에서 평균 3.8 Ω/m로 포화 되었다. MEK의 처리양이 증가할수록 저항이 미세하게 감소함을 확인했다. MCF 선의 저항이 감소한 것은 테이프 형태였던 탄소섬유가 섬유 간에 떨어져 있던 간격을 연선 공정으로 가깝게 되어 접촉저항이 감소된 결과로 판단된다.

그림. 5. MEK 함침량에 따른 MCF 선의 저항

Fig. 5. The resistance of MCF wires according to MEK contents

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3.2.2 MCF 선의 용단전류

3K MCF 발열선의 용단전류를 그림 6과 같이 구성하여 측정했다. 발열선에 전압을 20초 간격으로 1V씩 인가했고, 최대 50V까지 인가하여 3회 측정 후 최대 평균 전류값을 도출했다. 용단전류 특성 그래프는 그림 7에 나타내었고, 분할된 3K MCF의 용단전류는 3.8A이며, 연선된 3K MCF는 꼬임수 및 MEK 처리양이 증가할수록 용단전류가 증가하는 경향을 나타내었다. 연선 횟수 119 twists/m, MEK 처리양 20 ml/min에서 5.5A로 가장 높은 용단전류 특성을 나타내었다. MCF 선의 연선으로 인해 섬유 간에 접촉점이 증가하여 저항이 낮아졌으며, 이는 용단전류 상승에 영향을 준 것으로 판단된다. MCF는 용단전류에서 스스로 단선되며 금속층이 260nm로 매우 얇기때문에 600℃ 이상의 온도에서 탄화 시 탄소섬유와 함께 승화되므로 금속선에 비해 화재 위험성을 낮출 수 있다.

그림. 6. 용단전류 측정 장비

Fig. 6. Fusing current measuring machine

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그림. 7. MEK 함침량에 따른 MCF 발열선의 용단전류 특성

Fig. 7. Fusing current Characteristic of MCF wires according to MEK contents

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그림. 8. 브레이딩 장비

Fig. 8. Braiding Machine

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그림. 9. (a) 벡터네트워크분석기

Fig. 9. (a) Vector network analyzer

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3.3.3 전자파 차폐 특성

앞서 확인한 우수한 전기적 특성 결과를 통해, 분할된 3K MCF의 전자파 차폐 특성을 확인했다. 제조한 MCF 선을 브레이딩 장비(RB-F Rotary Braider, 성일산업)를 이용하여 그림 8과 같이 구성하여 전자파 차폐 측정을 위한 시료를 편조물로 제작했다. 편조는 32개의 캐리어를 사용하였고(32타), 맨드릴은 20Φ, 35Φ 두 크기를 선정하여 제조했다. 이 때, 편조 밀도는 각각 62%, 61.4%이었다. 제조한 편조물은 벡터네트워크분석기 (keysight Inc., E5071C)를 이용하여 510 kHz에서 3 GHz까지 KS C 0304(평면재료의 전자파 차폐효과 측정방법)에 의거하여 그림 9와 같이 측정했다(11). 측정시료는 외경 49 mm에 내경 6 mm가 비어있는 도넛 형태이다.

맨드릴 직경에 따른 편조 후 제작된 직조물의 전자파 차폐특성을 측정한 결과, 20Φ, 35Φ 두 시료 모두 500MHz 이하에서 전자파 차폐율은 평균 45dB을 나타냈다. 저주파 대역(1GHz 이하)에서는 맨드릴 직경 및 편조밀도에 따른 성능 차이가 없었으며, 고주파수 영역(1GHz 이상)에서는 편조밀도가 상대적으로 높은 20Φ 직물의 전자파 차폐 성능이 우수했다.

그림. 10. 분할된 3K MCF 편조물의 전자파 차폐 성능

Fig. 10. Electromagnetic interference shielding effectiveness of segmented 3K braided textile

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2.4 열적 특성

2.4.1 3V, 5V, 7V 전압에서 발열 및 소비전력

분할 및 연선된 MCF 선은 3V, 5V, 7V에서의 발열 특성을 평가하고 소비전력을 계산했다. 발열선은 1m를 기준으로 양 끝단에 전극을 형성하여 전압을 인가하고, 전압에 따른 발열 온도는 열화상카메라(TXI 6400, Fluke)로 측정했다. 3V, 5V, 7V 전압에 따른 측정 결과는 각각 그림 11, 12, 13에 나타내었다. 3V 전압에서 분할된 MCF 선의 평균 발열 온도는 30℃, 평균 소비전력은 1.6 W이었다. 특히, MEK의 처리양이 20 ml/min일 때, 꼬임수 119 twists/m의 최대 발열 온도는 49℃로 가장 높은 발열온도를 나타냈으며 이때 소비전력은 2.3 W이었다. 5V 전압에서는 분할된 MCF 선의 평균 발열 온도는 35℃, 소비전력은 3.6 W이었고, 7V 전압에서는 평균 발열 온도 40.3℃, 소비전력은 6 W이었다. 연선되기 전/후 평균 온도와 소비전력은 꼬임수 119 twists/m, 7V에서 각각 41.5℃, 4.4 W 차이가 있었음을 확인했다. 이때, 평균 발열 온도는 4회 측정한 평균값이고, 소비전력(W)은 (전류)(저항)으로 계산하였다.

분할된 MCF에 비해 연선된 MCF선이 발열 온도와 소비전력 효율이 높은 특성을 나타냈다. 비교를 위해 꼬임수 119 twists/m, MEK 처리양 20 ml/min의 동일한 조건에서 발열한 열화상 이미지를 표 3에 나타내었다. 분할된 MCF 선을 연선하는 수가 증가할수록 발열온도가 증가하였고, 열화상이미지를 통해 균일한 발열을 확인할 수 있었다. 이는 연선으로 인해 접촉저항이 감소하여 저항이 감소한 결과로 판단된다.

그림. 11. 3V 전압에서 MEK 함침량에 따른 발열 온도

Fig. 11. Heating temperature according to MEK contents at 3 voltage

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그림. 12. 5V 전압에서 MEK 함침량에 따른 발열 온도

Fig. 12. Heating temperature according to MEK contents at 5 voltage

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그림. 13. 7V 전압에서 MEK 함침량에 따른 발열 온도

Fig. 13. Heating temperature according to MEK content at 7 voltage

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표 3. 전압 및 꼬임수에 따른 분할된 MCF 선의 열화상이미지

Table 3. Infrared thermal images of segmented MCF wires according to voltage and number of twists

0 twists

53 twists/m

86 twists/m

119 twists/m

152 twists/m

온도 범위

3V

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../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.1022/table3_3.png

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평균온도(℃)

30

38

47

46

43.9

소비전력(W)

1.6

1.9

2.3

2.7

2.4

5V

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../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.1022/table3_9.png

../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.1022/table3_10.png

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발열온도(℃)

35

43.4

49.3

62.6

63

소비전력(W)

3.6

3.8

4.6

6.1

6.3

7V

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../../Resources/kiee/KIEE.2021.70.7.1022/table3_13.png

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발열온도(℃)

40.3

63.1

71.4

81.8

79

소비전력(W)

6

7.5

9.1

10.4

10.3

4. 결 론

본 논문에서는 분할된 MCF 테이프를 연선하여 선 형태로 제조한 후 전자기적, 열적 특성을 분석했다.

분할된 MCF 선은 연선으로 인해 섬유 간의 접촉저항이 줄어들어 저항 감소, 용단전류 증가, 발열 효율이 향상된 결과를 나타내었다. 또한, MEK 용매를 처리함으로써 일부 폴리우레탄을 제거하여 저항을 감소시킨 효과를 확인했다. 분할된 MCF 선은 저비용으로 발열 및 전자파 차폐 소재로 활용할 수 있고, 높은 열적 안정성과 저 전압 구동으로 향후 화재에 대한 안전성을 확보할 수 있는 자동차용 시트히터 발열선으로 응용 가능함을 확인했다.

Acknowledgements

본 연구는 전라북도 2020년도 소재・부품・장비 기술개발 사업 지원에 의해 수행되었습니다.

References

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저자소개

이기택 (Gi-Taek Lee)
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1992년 12월 4일생. 2018년 원광대학교 바이오 나노 화학부 졸업.

2020년 원광대학교 의과학과 졸업(석사).

현재 전북대학교 탄소소재파이버공학과 박사과정 및 (주)HG솔루션 연구원

E-mail : Gitaek.Lee@hgcns.com

조용기 (Yong-Ki Cho)
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1973년 06월 29일생. 2009년 한국교통대학교 산업공학과 졸업(석사).

1999~2010년 (주)지엠피 개발 팀장.

2010~2015년 (주)유라 기술연구소/개발 팀장 현재 전북대학교 탄소소재파이버공학과 박사수료 및 (주)HG솔루션 대표이사

E-mail : jocyk@hgcns.com

김원석 (Won-Seok Kim)
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1972년 12월 25일생. 1999년 원광대학교 물리학과 졸업(석사).

2008년 오 사카대학 시스템공학과 졸업(박사).

2002~2005년 삼성종합기술원 연구원.

2008~2010년 (주)DMS 책임연구원.

2010~2012년 효성기술원 수석연구원.

현재 한국탄소산업진흥원 연구본부장

E-mail : kimws1210@kcarbon.or.kr

김지연 (Ji-Yeon Kim)
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1989년 2월 6일생. 원광대학교 바이오 나노 화학부 졸업.

2014년 원광대학교 정보통신공학과 졸업(석사).

2020년 원광대학교 정보통신공학과 졸업(박사).

2021년 한국탄소산업진흥원 연구1실 (박사후 연구원).

현재 한국전기안전공사 전기안전연구원 신재생안전연구팀

E-mail : jyk89@kesco.or.kr