JP2019522888A

JP2019522888A - 発熱体

Info

Publication number: JP2019522888A
Application number: JP2019520346A
Authority: JP
Inventors: キヒュンリム; チウーノ
Original assignee: Ndt Engineering & Aerospace Co Ltd
Current assignee: Ndt Engineering & Aerospace Co Ltd
Priority date: 2016-06-22
Filing date: 2017-05-19
Publication date: 2019-08-15
Also published as: KR20180000321A; CN109565909A; US20190182906A1; KR102089986B1; WO2017222192A1; US11089658B2

Abstract

本発明は、湿式用面状発熱体およびその製造方法に関し、より詳細には、上部防水フィルム層と、下部防水フィルム層と、前記上部防水フィルム層と下部防水フィルム層との間に位置する面状発熱層と、電極層とを含む面状発熱部と、前記面状発熱部の両面にそれぞれ備えられる外部防水フィルム層と、前記面状発熱部と外部防水フィルム層との間にそれぞれ介在し、繊維で形成され、前記繊維の間に気孔が形成されて多数の気孔を有し、表面に凹凸が形成された不織布層とを含み、この時、前記凹凸の凹部は、上部防水フィルム層、下部防水フィルム層、および外部防水フィルム層によって閉じられて不織布層内にエアポケットとして形成される、湿式用面状発熱体およびその製造方法に関する。

Description

本発明は、電源供給によって広い面積で均一に熱を発生させることができ、湿式施工が可能で、オンドル（韓国の床下暖房）および床、壁暖房材料、道路融雪用に適用可能な湿式用面状発熱体およびその製造方法に関する。

最近、省エネ型の暖房用発熱素材およびこれを用いた発熱体の研究開発が加速化されるにつれ、湿式施工によるリーク電流を最小化させる新たな技術の開発が登場している。

今のところ、湿式施工方式の暖房用発熱体としては、線状発熱体（ＷｉｒｅＨｅａｔｅｒ）が主に用いられてきている。しかし、線状発熱体は、Ｎｉ−Ｃｒ系およびＦｅＮｉ−Ｃｒ系のような発熱素材で製造されるため、線状発熱によって熱効率が低くて相対的に消費電力が高く、直列回路構成によってある一箇所の回路がオープン（Ｏｐｅｎ）される場合、発熱体全体で熱が生じないなど維持補修の困難がある。また、集熱などの局部過熱といった異常発熱現象により発熱体の損傷および火災の危険性が大きく、製品の安全性を欠いている。

また、カーボン系面状発熱体は、線状発熱体に比べて熱効率に優れているのに対し、カーボンブラックのような導電性粒子を抵抗発熱源として適用するため、繰り返しの使用によって抵抗値が大きく変化し、集熱などの局部過熱といった異常発熱現象により発熱体の損傷および火災の危険性が大きく、製品の安全性を欠いている。

安定性確保のために、線状発熱体と面状発熱体に過熱防止センサなどの温度制御システムが講じられているが、集熱などの局部過熱といった異常発熱現象を誘発させている。異常発熱現象の主要経路は、保温や蓄熱、過熱から発生し、特に蓄熱部の温度が急激に上昇するにつれ、発熱体の局部過熱が仕上げ材に損傷をきたして電気火災の原因となっている。

特に、現在湿式用に施工されている線状発熱体の問題点を克服し、相対的に熱効率に優れた面状発熱体を湿式施工用発熱体として用いる場合、線状発熱体よりリーク電流の急激な増加で漏電遮断器が作動する問題点が発生する。

この理由は、既存の面状発熱体は、電気絶縁および難燃の目的でほとんどＰＥＴフィルムで製造され、乾式用施工に主に用いられてきたからである。また、湿式施工時、セメントモルタル床と接触する面状発熱体のＰＥＴフィルムが線状発熱体に比べてより広い施工床面を有する界面接触性による防水性で湿気や結露発生などの弱い欠点があるからである。

一方、本出願人による韓国登録特許第１０−１１６８９０６号公報（２０１２．０７．２０）には、ＰＥＴフィルムが適用された高分子ＰＴＣ定温発熱インクを用いた定温発熱体が提案され、多様なドーパント（Ｄｏｐａｎｔ）の添加量調節による高分子ＰＴＣ特性の向上と常温抵抗の安定化などの問題点に対する解法が開示されており、この登録特許ですでに製品を商用化させて米国などに輸出が行われている。

しかし、前記登録特許技術は、高分子ＰＴＣ定温発熱体が自己温度制御特性によってエネルギー節減および電気火災の危険から安全であるのに対し、暖房用湿式施工への適用において前述のような困難がある。

そこで、本出願人は、韓国登録特許第１０−１５９３９８３号公報でリーク電流および誘導電流を最小化するための高分子ＰＴＣ定温発熱インクを用いた湿式用面状発熱体を提案した。

本発明の課題は、柔軟性を有しかつ、リーク電流を最小化できる湿式用面状発熱体およびその製造方法を提供することである。

そのため、本発明は、
上部防水フィルム層と、下部防水フィルム層と、前記上部防水フィルム層と下部防水フィルム層との間に位置する面状発熱層と、電極層とを含む面状発熱部と、
前記面状発熱部の両面にそれぞれ備えられる外部防水フィルム層と、
前記面状発熱部と外部防水フィルム層との間にそれぞれ介在し、繊維で形成され、前記繊維の間に気孔が形成されて多数の気孔を有し、表面に凹凸が形成された不織布層とを含み、
この時、前記凹凸の凹部は、上部防水フィルム層、下部防水フィルム層、および外部防水フィルム層によって閉じられて不織布層内にエアポケットとして形成される、湿式用面状発熱体を提供する。

また、本発明は、
施工用不織布層（４０ａ）と外部防水フィルム層（３０ａ）とを貼り合わせた後、ロゴを印刷して第１複合フィルムを得る第１ステップと、
繊維で形成され、前記繊維の間に気孔が形成されて多数の気孔を有し、表面に凹凸が形成された不織布層（２０ａ）と上部防水フィルム層（１１ａ）とを貼り合わせて第２複合フィルムを得る第２ステップと、
前記第１複合フィルムと第２複合フィルムとを貼り合わせて第３複合フィルムを得る第３ステップと、
施工用不織布層（４０ｂ）と外部防水フィルム層（３０ｂ）とを貼り合わせて第４複合フィルムを得る第４ステップと、
繊維で形成され、前記繊維の間に気孔が形成されて多数の気孔を有し、表面に凹凸が形成された不織布層（２０ｂ）と下部防水フィルム層（１１ｂ）とを貼り合わせて第５複合フィルムを得る第５ステップと、
前記第４複合フィルムと第５複合フィルムとを貼り合わせて第６複合フィルムを得る第６ステップと、
前記第６複合フィルムの一面に電極層（１３）を形成する第７ステップと、
前記電極層の上面に面状発熱層（１２）を形成する第８ステップと、
前記第３複合フィルムと電極層（１３）および面状発熱層（１２）が形成された第６複合フィルムとを貼り合わせる第９ステップと、
を含む面状発熱体の製造方法を提供する。

本発明によれば、不織布基材が有する気孔だけでなく、不織布層に形成されたエアポケット内の空気が有する低誘電定数によってリーク電流の発生を最小化できて、漏電遮断器が作動する問題点を解決することにより、湿式施工が可能であり、消費電力の節減および電気火災の危険性を著しく低下させることができる。また、不織布の使用により面状発熱体の柔軟性（Ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ）を向上させて、面状発熱体の用途拡大および施工作業の効率性の増大が可能である。

これらの図面は、本発明の実施形態を説明するのに参照するためのものであるので、本発明の技術的思想を添付した図面に限定して解釈してはならない。
本発明の一実施形態の湿式用面状発熱体を図式化して示すものである。本発明の一実施形態に係る面状発熱体と、本出願人の韓国登録特許第１０−１５９３９８３号公報の面状発熱体のリーク電流を実験した写真である。本発明の一実施形態に係る面状発熱体と、本出願人の韓国登録特許第１０−１５９３９８３号公報の面状発熱体の屈曲強度の試験成績書である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施形態について、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は種々の異なる形態で実現可能であり、ここで説明する実施形態に限定されない。

本発明を明確に説明するために説明と関係のない部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付す。

このような図面は、本発明の好ましい実施形態と技術的な思想または特徴などを具体的かつ明確に説明するための参照用であるので、実際の製品仕様と異なりうることを予め明らかにしておく。

また、図面に示された各構成の大きさおよび厚さは説明の便宜のために任意に示したので、本発明が必ずしも図面に示されたものに限定されず、様々な部分および領域を明確に表現するために厚さを拡大して示した。

下記の詳細な説明において、構成の名称を第１、第２などと区分したのは、その構成の名称が同一であることからこれを区分するためのものであり、下記の説明において必ずしもその順序に限定されるものではない。

明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とする時、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。

図１は、本発明の一実施形態の湿式用面状発熱体を図式化して示すものである。

図１を参照すれば、本発明の実施形態に係る湿式用面状発熱体１００は、電源供給によって広い面積で均一に熱を発生させることができ防止、湿式施工が可能で、オンドルおよび床、壁暖房材料、道路用に適用可能である。

このような湿式用面状発熱体１００は、上部防水フィルム層１１ａと、下部防水フィルム層１１ｂと、前記上部防水フィルム層１１ａと下部防水フィルム層１１ｂとの間に位置する面状発熱層１２と、電極層１３とを含む面状発熱部１０を備えている。

前記面状発熱部１０は、本出願人による韓国登録特許第１０−１１６８９０６号の定温発熱体から構成される。

上部防水フィルム層１１ａと下部防水フィルム層１１ｂは、面状発熱部１０の上下部のカバーの役割を果たすもので、面状発熱部１０に印加された電気が外部などに抜け出ないようにし、湿式施工時に防水性を持たせる目的で使用される。したがって、絶縁性および防水性を付与できる物質であれば制限なく使用可能である。具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリスチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレンテレフタレートグリコール、およびポリエチレンイミドからなる群より選択された１種の材質を用いることができるが、これに限定されるものではない。

前記面状発熱体には、金属、非金属、または金属−非金属混用フィルムの中から選択された１種以上が１層以上追加的に付着できる。前記金属、非金属、または金属−非金属混用フィルムには空気層が形成される。前記金属フィルムにはアルミニウム、前記非金属フィルムにはポリマーまたはセラミック、前記金属−非金属混用フィルムにはアルミニウム−ポリマーまたはアルミニウム−セラミックが選択的に使用できる。具体的には、ポリマーフィルムはポリエチレンテレフタレート、金属−非金属混用フィルムはアルミニウム−ポリエチレンテレフタレートが好ましいが、これに限定されるものではない。

特に、金属、非金属、または金属−非金属混用フィルムは、前記面状発熱体の最外角の一面または両面に付着できるが、これに限定されず、面状発熱体の一層として、面状発熱体の多様な層の間に１層以上追加されてもよい。

面状発熱層１２は、電極層１３の上部に積層されており、電気が流れる時に発熱する。その材質は、導電性カーボン、カーボンブラック、グラフェン、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）、グラファイト（ｇｒａｐｈｉｔｅ）のうちのいずれか１つまたは２つ以上混合されたものが好ましい。具体的には、カーボン繊維で織り込まれた発熱層、不織布にＣＮＴやグラフェンを含侵させた発熱層、不織布に導電性カーボンを含侵させた発熱層、基材フィルム上にＣＮＴやグラフェンペーストまたはインクをコーティングして製造した発熱層を使用することができる。前記コーティングにはグラビア（Ｇｒａｖｕｒｅ）方式を利用することができる。

電極層１３は、面状発熱層１２の両側に一定幅に形成され、電極間の電流の流れを調節して面状発熱層１２の発熱温度を上昇維持する。電極層１３の電極１５の材質は、ポリアニリン、ポリピロール、およびポリチオフェンのような導電性高分子；炭素のような導電性成分；銀、金、白金、パラジウム、銅、アルミニウム、スズ、鉄、およびニッケルのような金属からなる群より選択される１種以上が使用できる。好ましくは、熱伝導性および電気伝導性に優れた銅を使用する。

前記のように面状発熱部１０を含む本発明の実施形態に係る湿式用面状発熱体１００は、湿式施工時、大面積の増加による面状発熱部１０のリーク電流を最小化できる構造からなる。

このために、本発明の実施形態に係る湿式用面状発熱体１００は、面状発熱部１０の両面にそれぞれ備えられる外部防水フィルム層３０ａ、３０ｂと、前記面状発熱部１０と外部防水フィルム層３０ａ、３０ｂとの間にそれぞれ介在し、繊維で形成され、前記繊維の間に気孔が形成されて多数の気孔を有し、表面に凹凸が形成された不織布層２０ａ、２０ｂとをさらに備えている。

外部防水フィルム層３０ａ、３０ｂは、湿式施工時、大面積の増加によって発生するリーク電流を最小化し、湿式施工時に防水性を持たせる目的で使用される。その材質は、絶縁性および防水性を付与できる物質であれば制限なく使用可能であり、具体的には、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリスチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレンテレフタレートグリコール、およびポリエチレンイミドからなる群より選択された１種を用いることができる。

前記不織布層２０ａ、２０ｂは、繊維で形成され、前記繊維の間に形成された多数の気孔を有する不織布基材を含む。

前記不織布基材を形成する繊維は、平均直径が０．１μｍ〜１０μｍであってもよい。前記繊維は、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートなどのポリエステル、アラミドのようなポリアミド、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリエチレンナフタレンなどで形成することができ、これに限定されない。

前記不織布層２０ａ、２０ｂは、繊維の間に形成された多数の気孔内の空気が有する低誘電定数によってリーク電流（ｌｅａｋａｇｅｃｕｒｒｅｎｔ）の発生を低減することができる。したがって、リーク電流による絶縁性の低下を防止することができる。具体的には、不織布層２０ａ、２０ｂの不織布基材は、面積あたり、重量３０ｇ／ｍ^２〜１００ｇ／ｍ^２であり、厚さ０．１０ｍｍ〜０．４５ｍｍであってもよい。前記のような面積あたりの重量と厚さ範囲は、不織布基材に形成された気孔内の空気によるリーク電流の発生を最小化するためのもので、前記範囲を外れる場合、本発明の効果を達成することができない。

特に、前記不織布層２０ａ、２０ｂの不織布基材は、その表面に凹部と凸部とが繰り返される凹凸が形成されている。一方、面状発熱体１００の上面に備えられる不織布層２０ａの上面と下面には外部防水フィルム層３０ａと上部防水フィルム層１１ａが位置し、面状発熱体１００の下面に備えられる不織布層２０ｂの上面と下面には下部防水フィルム層１１ｂと外部防水フィルム層３０ｂが位置する。したがって、不織布層２０ａ、２０ｂの表面凹凸のうち凹部は不織布層２０ａ、２０ｂの上面と下面に位置した防水フィルム層によって塞がれた構造となり、不織布層２０ａ、２０ｂ内でエアポケット２１を形成して誘電定数を減少させる機能を行うようになる。

前記外部防水フィルム層３０ａ、３０ｂの一面には、モルタルまたはセメントとの付着性を改善するための施工用不織布層４０ａ、４０ｂを追加的に含んでもよい。施工用不織布層４０ａ、４０ｂの材質は、不織布層２０ａ、２０ｂと同一または異なるものを使用することができる。

本発明の実施形態では、不織布基材が有する気孔だけでなく、不織布層に形成されたエアポケットによりリーク電流を防止できて、漏電遮断器が作動する問題点を解決することにより、湿式施工が可能であり、消費電力の節減および電気火災の危険性を著しく低下させることができる。

本発明に係る湿式用面状発熱体は、
施工用不織布層４０ａと外部防水フィルム層３０ａとを貼り合わせた後、ロゴを印刷して第１複合フィルムを得る第１ステップＳ１０と、
繊維で形成され、前記繊維の間に気孔が形成されて多数の気孔を有し、表面に凹凸が形成された不織布層２０ａと上部防水フィルム層１１ａとを貼り合わせて第２複合フィルムを得る第２ステップＳ２０と、
前記第１複合フィルムと第２複合フィルムとを貼り合わせて第３複合フィルムを得る第３ステップＳ３０と、
施工用不織布層４０ｂと外部防水フィルム層３０ｂとを貼り合わせて第４複合フィルムを得る第４ステップＳ４０と、
繊維で形成され、前記繊維の間に気孔が形成されて多数の気孔を有し、表面に凹凸が形成された不織布層２０ｂと下部防水フィルム層１１ｂとを貼り合わせて第５複合フィルムを得る第５ステップＳ５０と、
前記第４複合フィルムと第５複合フィルムとを貼り合わせて第６複合フィルムを得る第６ステップＳ６０と、
前記第６複合フィルムの一面に電極層１３を形成する第７ステップＳ７０と、
前記電極層の上面に面状発熱層１２を形成する第８ステップＳ８と、
前記第３複合フィルムと電極層１３および面状発熱層１２が形成された第６複合フィルムとを貼り合わせる第９ステップＳ９０と、を経て製造される。

前記各ステップで、貼り合わせは、Ｔ−ダイ法、インフレーション法、押出ラミネーション、共押出ラミネーション；ポリウレタン、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂などの接着剤を用いたドライラミネーション、サンドイッチラミネーション、または熱ラミネーションなどの接着方法を使用することができるが、ポリウレタン接着剤とイソシアネート硬化剤によるドライラミネーションが最も好ましい。

電極層１３を形成する第７ステップは、電極１５を構成する材料の特性によってプリント、織り込み、刺繍、接着などの多様な方法で形成させることができる。具体的には、インクやペースト状に作製してプリントしたり、テープ状に作製して基材上に貼り付けて形成させることができる。また、基材に直接含侵して形成させてもよい。

面状発熱層１２を形成する第８ステップは、インクやペースト状に作製してコーティングまたはプリントしたり、テープ状に作製して基材上に貼り付けて形成させることができる。また、基材に直接含侵して形成させてもよい。この時、コーティング方法として、ロールコーティング、メイヤーバーコーティング、ブレードコーティング、グラビアコーティング、マイクログラビアコーティング、スロットダイコーティング、スライドコーティング、またはカーテンコーティング方法を使用することができる。

図２は、本発明の一実施形態に係る面状発熱体と、本出願人の韓国登録特許登録第１０−１５９３９８３号公報の面状発熱体のリーク電流を実験した写真である。

この時、試験条件は、ｆｉｌｍｄｉｍｅｎｓｉｏｎ：Ｌ２５０ｍｍ／Ｗ５００ｍｍ、ａｐｐｌｉｅｄｖｏｌｔａｇｅ：ＡＣ２２０±２Ｖ（６０Ｈｚ）、ａｍｂｉｅｎｔｔｅｍｐ．：２１℃、凹凸が形成された不織布層の厚さは０．１７ｍｍ、面積あたりの重量は５０ｇ／ｍ^２であり、試験結果、表面に凹凸が形成された不織布層が適用された本発明の一実施形態に係る面状発熱体のリーク電流は０．４２ｍＡ、不織布層の代わりにポリプロピレンフィルムが適用された韓国登録特許第１０−１５９３９８３号公報の面状発熱体のリーク電流は０．６８ｍＡで、不織布層の適用によってリーク電流が減少したことを確認することができた。

図３は、本発明の一実施形態に係る面状発熱体と、本出願人の韓国登録特許第１０−１５９３９８３号公報の面状発熱体の屈曲強度の試験成績書である。

この時、屈曲強度は、ＫＳＭ３０１５（ＫＳ標準）により、長さ５５ｍｍ／幅２５ｍｍの試験片を引張試験機で測定した結果である。表面に凹凸が形成された不織布層（厚さは０．１７ｍｍ、面積あたりの重量は５０ｇ／ｍ^２）が適用された本発明の一実施形態に係る面状発熱体の屈曲強度はそれぞれ１３、１４Ｎ／２．５４ｃｍ、不織布層の代わりにポリプロピレンフィルムが適用された韓国登録特許第１０−１５９３９８３号公報の面状発熱体の屈曲強度はそれぞれ２５、１８Ｎ／２．５４ｃｍで、不織布層の適用によって柔軟性が向上したことを確認することができた。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術的思想は本明細書で提示される実施形態に制限されず、本発明の技術的思想を理解する当業者は同一の技術的思想の範囲内で、構成要素の付加、変更、削除、追加などによって他の実施形態を容易に提案することができるが、これも本発明の権利範囲内に入るというべきであろう。

１０：面状発熱部
１１ａ：上部防水フィルム層
１１ｂ：下部防水フィルム層
１２：面状発熱層
１３：電極層
１５：電極
２０ａ、２０ｂ：不織布層
２１：エアポケット
３０ａ、３０ｂ：外部防水フィルム層
４０ａ、４０ｂ：施工用不織布層

Claims

上部防水フィルム層と、下部防水フィルム層と、前記上部防水フィルム層と前記下部防水フィルム層との間に位置する面状発熱層とを含む面状発熱部と、
前記面状発熱部のいずれか一面に備えられる外部防水フィルム層と、
前記面状発熱部と前記外部防水フィルム層との間に表面に凹凸が形成された不織布層とを含み、
この時、前記凹凸の凹部は、前記外部防水フィルム層によって閉じられて前記上部防水フィルム層または前記下部防水フィルム層のうちのいずれか１つと不織布層の凹部分によって孤立した空間を形成する面状発熱体。
前記孤立した空間は、空気層を形成することを特徴とする、請求項１に記載の面状発熱体。
前記不織布は、繊維で形成され、前記繊維の間に気孔が形成されて多数の気孔を有し、表面に凹凸が形成される、請求項１に記載の面状発熱体。
前記上部防水フィルム層または前記下部防水フィルム層は、
ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリスチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレンテレフタレートグリコール、およびポリエチレンイミドからなる群より選択された１種の材質である、請求項１に記載の面状発熱体。
空気層が形成された金属、非金属、または金属−非金属混用フィルムを１層以上追加的に含む、請求項１に記載の面状発熱体。
前記面状発熱体は、高分子ＰＴＣ定温発熱インクを含む、請求項１に記載の面状発熱体。
前記面状発熱体は、セメントまたはモルタルに施工される湿式用である、請求項１に記載の面状発熱体。
表面に凹凸が形成された不織布層と防水フィルム層とを貼り合わせて複合フィルムを得るステップを含む面状発熱体の製造方法。