KR-20260060791-A - Heating tumbler

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Abstract

본 발명은 전기전도성이 있는 탄소소재를 함유하는 테이프 형태의 발열탄소밴드로 용기부의 외벽을 둘러싸고 배터리를 통해 발열탄소밴드에 전원을 공급하여 용기부에 열을 전달한다. 이로 인해, 음료가 담기는 용기부에 열을 고르게 전달할 수 있고, 용기부를 오랜 시간 따뜻한 온도로 유지할 수 있다. 특히, 텀블러를 들고 추운 날 돌아다닐 때 온도의 급격한 하락을 막을 수 있으며, 텀블러에 담긴 음료의 온도를 임의로 올릴 수 있다.

Inventors

윤국헌

Assignees

주식회사 아이오이

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20241025

Claims (5)

내부에 음료를 수용하는 공간이 구비된 컵 형상의 용기부; 상기 용기부의 외벽을 둘러싸며, 전류에 의해 열을 발생시켜 상기 용기부에 열을 전달하는 발열부; 및 상기 용기부의 하부에 연결되며, 배터리를 구비하여 사용자의 조작에 의해 상기 발열부에 전원을 공급하는 전원부를 포함하며, 상기 발열부는, 탄소소재를 포함하며, 상기 용기부의 외벽의 상부에서 하부까지 코일형태로 감기는 테이프 형태의 발열탄소밴드; 상기 발열탄소밴드의 양 단부에 결합되며, 상기 전원부와 연결되는 전극; 및 상기 발열탄소밴드가 감긴 상기 용기부의 외벽에 코팅된 절연층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발열 텀블러.
제1항에 있어서, 상기 발열탄소밴드는, 일방향 탄소섬유가 일정한 폭으로 배치된 탄소섬유부; 및 내부에 상기 탄소섬유부가 매립되며, 나소탄소소재가 균일하게 분산되어 있는 발열잉크부를 포함하는 것을 특징으로 하는 발열 텀블러.
제1항에 있어서, 상기 발열탄소밴드는, 일방향 탄소섬유 토우를 일정한 폭으로 스프레딩하는 제1단계; 스프레딩된 상기 일방향 탄소섬유 토우에, 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT), 흑연(Graphite), 에폭시 수지를 함유하는 1차 발열잉크를 코팅하고, 단계별 열처리를 수행하는 제2단계; 및 상기 1차 발열잉크가 코팅된 상기 일방향 탄소섬유 토우에, 탄소나노튜브를 함유하는 2차 발열잉크를 코팅하고, 단계별 열처리를 수행하는 제3단계로 제조되는 것을 특징으로 하는 발열 텀블러.
제3항에 있어서, 상기 1차 발열잉크는 탄소나노튜브와 흑연을 용매에 균일하게 분산하고, 상기 탄소나노튜브와 흑연이 분산된 용매에 에폭시 수지를 용해시켜 제조하고, 상기 2차 발열잉크는 탄소나노튜브를 용매에 균일하게 분산시켜 제조하며, 상기 탄소나노튜브는 산처리되는 것을 특징으로 하는 발열 텀블러.
제3항에 있어서, 상기 1차 발열잉크와 상기 2차 발열잉크 각각에는 탄소나노튜브 전체 투입량의 50wt%씩이 각각 함유되는 것을 특징으로 하는 발열 텀블러.

Description

발열 텀블러{Heating tumbler} 본 발명은 발열 텀블러에 관한 것이다. 텀블러(tumbler)는 커피, 차, 물 등 다양한 음료를 휴대하고 마실 수 있는 다회용 용기로, 실내외 어디서나 편리하게 사용할 수 있다. 텀블러는 보통 뚜껑이 있어 음료를 흘리지 않도록 설계되어 있고, 스테인리스 스틸, 플라스틱, 유리 등 다양한 재질로 만들어진다. 텀블러는 휴대성이 좋아 이동 중에도 편리하게 음료를 휴대할 수 있고, 일회용 컵의 사용을 줄여 자원 절약 및 환경보호에 기여하며, 최근에는 개인의 취향에 맞게 텀블러를 꾸미거나 커스터마이징할 수도 있어, 더 이상 단순한 음료 용기가 아닌, 환경과 개성을 동시에 지킬 수 있는 실용적이고 의미 있는 물건으로 자리매김하고 있다. 이러한 텀블러의 가장 대표적인 기능 중 하나는 따뜻한 음료의 온도를 오랜 시간 동안 유지하는 보온기능이다. 이를 위해 종래의 텀블러는 스테인리스 스틸과 진공 단열 구조를 사용하여 텀블러 내에 담긴 따뜻한 음료의 열이 쉽게 방출되지 않게 하였다. 그러나 이러한 보온 방식은 오랜 시간 따뜻한 온도를 유지할 수 없고, 특히 텀블러를 들고 추운 날 돌아다니면 온도의 급격한 하락을 막을 수 없다. 또한, 텀블러에 담긴 음료의 온도를 임의로 올릴 수 없다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 발열 텀블러를 나타낸 도면이다. 도 2는 발열부와 전원부의 연결을 나타낸 모식도이다. 도 3은 도 1에 도시된 Ⅰ-Ⅰ 단면을 나타낸 도면이다. 도 4는 발열탄소밴드의 제조방법을 설명하기 위한 모식도이다. 도 5는 1차 발열잉크와 2차 발열잉크의 제조방법을 설명하기 위한 모식도이다. 도 6은 산처리에 따른 전기저항 수치를 나타낸 표이다. 도 7은 산처리에 따른 탄소나노튜브의 분산 효과를 나타내는 전자현미경 사진으로, (a)는 산처리 미적용 (b)는 단일 산으로 산처리 (c)는 혼합 산으로 산처리한 것을 나타낸다. 도 8은 용매에 혼합된 탄소나노튜브와 흑연을 나타낸 도면으로, (a)는 호모게나이저를 사용하지 않고 분산한 경우를 나타내고, (b)는 호모게나이저를 사용하여 분산한 경우를 나타낸다. 이하, 본 발명의 일실시예에 따른 발열 텀블러를 설명한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 발열 텀블러는 용기부(100), 발열부(200), 전원부(300)로 구성된다. [용기부(100)] 용기부(100)는 컵 형상으로, 내부에 음료를 수용하는 공간이 구비된다. 개방된 용기부(100)의 상단에는 덮개(미도시)가 결합될 수 있다. [발열부(200)] 발열부(200)는 용기부(100)의 외벽을 둘러싸며, 전류에 의해 열을 발생시켜 용기부(100)를 열을 전달한다. 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 발열부(200)는 발열탄소밴드(210), 전극(220), 절연층(230)으로 구성된다. <발열탄소밴드(210)> 발열탄소밴드(210)는 얇은 테이프 형태로, 탄소소재를 포함하며, 용기부(100)의 외벽의 상부에서 하부까지 코일 형태로 감긴다. 도 3에 도시한 바와 같이, 발열탄소밴드(210)는 탄소섬유부(211)와 발열잉크부(212)로 구성된다. 탄소섬유부(211)는 일방향 탄소섬유(Unidirectional carbon fiber, UD)가 일정한 폭으로 배치되어 있다. 발열잉크부(212)는 내부에 탄소섬유부(211)가 매립되며, 나소탄소소재가 균일하게 분산되어 있다. 발열잉크부(212)는 1차 발열잉크(1)를 코팅하여 형성된 1차 발열잉크층(212a)과 2차 발열잉크(2)를 코팅하여 형성된 2차 발열잉크층(212b)의 이중구조로 형성된다. 물론, 발열잉크부(212)는 1차 발열잉크층(212a)으로만 구성될 수 있으나, 1차 발열잉크층(212a)과 2차 발열잉크층(212b) 모두로 구성되는 것이 바람직하다. 그 이유는 발명의 효과에서 설명한 바와 같다. 탄소섬유부(211)와 발열잉크부(212)는 모두 탄소소재를 포함하여 전기전도성을 가지므로 기본적으로 전류에 의한 발열작용을 하며, 탄소섬유부(211)는 일방향 탄소섬유(UD)로 이루어져 발열탄소밴드(210)의 강도를 높이고, 발열잉크부(212)는 나노탄소소재로 이루어져 발열탄소밴드(210)의 발열량을 더 높이는 기능을 한다. 나노탄소소재로는 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT)와, 흑연(Graphite), 그래핀나노플레이트(Graphene nanoplatelet, GNP), 그래핀(Graphene) 중 적어도 하나가 사용될 수 있다. 탄소나노튜브(CNT)는 소정의 길이를 가진다. 일예로, 탄소나노튜브(CNT)는 수십 나노미터의 직경 및 수십 마이크로미터의 길이로 형성된다. 즉, 탄소나노튜브(CNT)는 길이가 직경 대비 천배 이상으로 긴 탄소나노튜브(CNT)로, 긴 탄소나노튜브(CNT)끼리 서로 얽혀 있다. 개별 탄소나노튜브(CNT) 가닥은 구조적으로 유연하여 구부러진 상태에 있다가 펴질 수도 있다. 이러한 개별 탄소나노튜브(CNT) 가닥들이 서로 접촉하며 얽힌다. 탄소나노튜브(CNT)는 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube, SWCNT), 이중벽 탄소나노튜브(double-walled carbon nanotube, SWCNT) 및 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube, MWCNT) 중에서 어느 하나 또는 둘 이상이 선택되어 사용될 수 있다. 흑연은 판상 다층 구조이며, 그래핀은 흑연을 한 층 분리한 얇은 판상 구조이다. 구조적으로 그래핀과 흑연 사이에 있는 그래핀나노플레이트는 두께 5~100nm 및 크기 최대 50㎛ 정도의 2차원 벌집형 격자 구조의 그래핀 시트를 짧게 쌓아 올린 작은 판으로 구성된다. 특히, 그래핀나노플레이트는 기계적 강도, 전기전도도 및 열전도도가 우수하여 전도성 잉크 및 코팅을 포함한 나노복합소재, 전극, 연료전지, 태양전지 등의 다양한 분야에 응용되고 있다. 기재(matrix) 대비 나노탄소소재의 함량은 50wt% 이하인 것이 바람직하다. 나노탄소소재가 탄소나노튜브(CNT), 흑연, 그래핀나노플레이트일 경우, 서로 얽혀 무작위로 배치된 소정 길이의 탄소나노튜브(CNT)를 중심으로 하여, 탄소나노튜브(CNT)들 사이 빈 공간을 흑연, 그래핀나노플레이트이 채우게 된다. 그러면 탄소 함량이 높아져 발열량이 높아진다. 본 실시예에서 나노탄소소재는 탄소나노튜브(CNT)와 흑연을 사용한다. 탄소나노튜브(CNT)는 1차 발열잉크(1)에 탄소나노튜브(CNT) 전체 투입량의 50wt%가 함유된다. 경제성을 고려할 때 그래핀, 그래핀나노플레이트보다는 흑연을 사용하는 것이 바람직하다. 흑연은 인조흑연을 사용한다. 전체 발열잉크의 나노탄소소재 총 함량은 탄소나노튜브(CNT)의 낮은 분산성을 고려할 때 탄소나노튜브(CNT) 5~6wt%, 흑연 94~95wt% 비율로 사용되는 것이 바람직하다. 따라서 1차 발열잉크(1)에 함유되는 나노탄소소재 함량은 탄소나노튜브(CNT) 2.5~3wt%, 흑연 94~95wt%이다. <발열탄소밴드(210) 제조방법> 도 4에 도시한 바와 같이, 발열탄소밴드(210)는, 일방향 탄소섬유 토우를 일정한 폭으로 스프레딩하는 제1단계(S11); 스프레딩된 상기 일방향 탄소섬유 토우에, 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT), 흑연(Graphite), 에폭시 수지를 함유하는 1차 발열잉크를 코팅하고, 단계별 열처리를 수행하는 제2단계(S12); 및 상기 1차 발열잉크가 코팅된 상기 일방향 탄소섬유 토우에, 탄소나노튜브를 함유하는 2차 발열잉크를 코팅하고, 단계별 열처리를 수행하는 제3단(S13)계로 제조된다. 물론, 1차 발열잉크만을 코팅하는 것으로 마무리할 수 있으나, 2차 발열잉크까지 코팅하는 제3단계(S13)까지 포함하는 것이 바람직하다. 그 이유는 발명의 효과에서 설명한 바와 같다. 제1단계(S11) 스프레딩장치(11)로 일방향 탄소섬유(UD) 토우를 일정한 폭으로 스프레딩하여 일방향 탄소섬유(UD)가 일정한 폭으로 배치된 탄소섬유부(211)를 형성한다. 제2단계(S12) 스프레딩된 일방향 탄소섬유(UD) 토우에, 탄소나노튜브(CNT)(Carbon nanotube, CNT), 흑연(Graphite), 에폭시 수지(ER)를 함유하는 1차 발열잉크(1)를 코팅하고, 단계별 열처리를 수행하여 1차 발열잉크층(212a)을 형성한다. 도 5에 도시한 바와 같이, 1차 발열잉크(1)는 탄소나노튜브(CNT)와 흑연을 용매에 균일하게 분산하고, 탄소나노튜브(CNT)와 흑연이 분산된 용매에 에폭시 수지(ER)를 용해시켜 제조한다. 탄소나노튜브(CNT)는 분산력을 좋게 하기 위해 산성용액으로 산처리된다. 탄소나노튜브(CNT)를 산처리하면 탄소나노튜브(CNT)에 카르복시기(-COOH) 또는 하이드록시기(-OH)와 같은 작용기(functional group)가 증가한다. 이로 인해, 탄소나노튜브(CNT)가 용매에 혼합되는 경우 분산도가 증가하여 더욱 균일하게 혼합될 수 있다. 산성용액으로 진한 염산과 진한 질산을 3:1로 섞은 용액을 이용하여, 탄소나노튜브(CNT)를 왕수처리한다. 탄소나노튜브(CNT)를 예로 설명하면, 도 6에 도시된 바와 같이, 산처리를 하지 않은 탄소나노튜브(CNT)는 분산성이 떨어져 전기저항의 수치가 높게 나타나지만, 혼합 산으로 산처리를 한 탄소나노튜브(CNT)는 분산성이 좋아 전기저항 수치가 낮게 나타난다. 산처리는 탄소나노튜브(CNT)를 산성용액에 넣은 후 초음파(ultrasonic)를 가하여 1시간~24시간동안 초음파 처리하여 이루어진다. 도 7(a)를 보면, 산처리를 하지 않은 탄소나노튜브(CNT)의 경우 탄소나노튜브(CNT)와 흑연의 분산성이 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 그러나 도 7(b)를 보면, 황산 또는 질산의 단일 산으로 산처리를 한 탄소나노튜브(CNT)는 산처리를 하지 않은 탄소나노튜브(CNT)보다 탄소나노튜브(CNT)와 흑연의 분산성이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 도 7(c)를 보면, 황산과 질산의 혼합 산으로 산처리를 한 탄소나노튜브(CNT)는 단일 산으로 산처리를 한 탄소나노튜브(CNT)보다 탄소나노튜브(CNT)와 흑연의 분산성이 더 향상되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 왕수처리를 하여 나노탄소소재의 분산성을 향상시키면 균