KR100750707B1 - 면상발열체 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발열체 전면에서 균일하게 발열이 가능하도록 한 면상 발열체를 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 면상 발열체는 제1최외피와 제1중간층이 압출코팅방식에 의해 접합된 상지; 제2최외피와 제2중간층이 압출코팅방식에 의해 접합된 하지; 상기 상지와 상기 하지 사이에 위치하며 그라비아 인쇄방식에 의해 도포된 발열체; 및 상기 발열체의 양끝 표면에 라미네이팅된 편조선을 포함하고, 이와 같은 본 발명은 전면 발열체 구조로 면상 발열체를 형성하므로써 열이나 원적외선 방사량이 증가시킬 수 있는 효과가 있고, 또한, 본 발명은 통전박막을 접착제 방식이 아닌 압출에 의한 라미네이팅방식으로 접합하므로 광폭의 제품 제작이 가능한 효과가 있다.

발열체, 면상 발열체, 통전박막, 편조선, 탄소화합물, 압출, 라미네이팅, 최외피

Description

면상발열체 및 그 제조 방법{PLATE HEATER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

도 1은 종래기술에 따른 면상 발열체의 구조를 도시한 도면,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 면상 발열체의 평면도,

도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 면상발열체의 구조를 도시한 도면,

도 3b는 면상발열체의 최종 제작 완성도,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 면상발열체의 적용 예를 도시한 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : 상지

101 : 제1최외피

102 : 제1중간층

200 : 하지

201 : 제2최외피

202 : 제2중간층

300 : 탄소화합물

400 : 편조선

본 발명은 발열체에 관한 것으로, 특히 면상 발열체(Plate Heater) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

전기가 인가되어 발열하는 통상의 면상발열체는, 공기를 오염시키지 않아 위생적일 뿐만 아니라 그 온도조절이 용이하고 소음이 없기 때문에 발열을 요하는 매트나 패드, 침대 매트리스, 보온 이불이나 담요, 아파트나 일반주택 등의 주거용 난방장치 등에 폭넓게 이용되고 있다. 뿐만 아니라 사무실이나 상점 등 상업용 건물의 난방장치, 작업장이나 창고, 막사 등의 산업용 난방장치와 각종 산업용 가열장치, 비닐 하우스와 농산물 건조시스템과 같은 농업용 설비, 도로나 주차장의 눈을 녹이거나 결빙을 방지할 수 있는 각종 동결방지장치를 비롯하여 레저용, 방한용, 가전제품, 거울이나 유리의 김서림 방지장치, 건강보조용, 축산용 등에도 이용되고 있다.

도 1은 종래기술에 따른 면상 발열체의 구조를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 실질적으로 발열이 일어나며 복수개가 서로 일정 간격을 두고 배치된 사다리 형상의 발열 라인(11), 발열라인(11)의 양끝단들을 서로 연결하여 전기를 공급해주는 통전판막(12), 발열라인(11) 및 통전판막(12)을 모두 덮는 투명필름(13)을 포함한다. 여기서, 투명필름(13)은 발열라인(11)과 통전판막(12)의 위 아래를 모두 덮는 형태이다.

도 1에서, 발열라인(11)은 카본을 이용한 것이고, 통전판막(12)은 동이나 은을 얇은 판막 형태로 형성한 것이다. 이때, 통전판막(12)과 발열라인(11)간 연결은 도전성 접착제를 이용하여 부착한다.

그리고, 투명필름(13)은 PET 재질이다.

도 1과 같은 면상 발열체의 제조 방법은 다음과 같다.

먼저, PET 재질로 이루어진 투명필름 상에 도전성잉크(발열재)를 이용한 인쇄기를 이용하여 사다리 모양으로 배치되는 발열라인(11)을 인쇄한다.

다음으로, 이웃한 발열라인(11)의 양끝단들이 서로 연결될 수 있도록 도전성 접착제를 이용하여 동이나 은으로 된 얇은 통전판막(12)을 부착시킨다.

이어서, 발열라인(11) 및 통전판막(12) 상부에 투명필름(13)을 드라이 라미 방식 즉, 접착제 본딩 방식으로 접합하여 덮는다.

도 1과 같은 면상발열체는 사다리 모양으로 배치된 발열라인(11)의 발열에 의해 면상 발열체를 구현하고 있다.

그러나, 종래기술의 면상발열체는 실질적으로 전면 발열이 일어나는 면상발열체가 아닌 선상발열체의 형태를 갖는다. 즉, 발열체의 면 전체에서 발열이 되는 것이 아니라 발열재가 도포된 발열라인(11)에서만 발열이 일어난다는 것이다.

이와 같이, 발열라인(11)에서만 발열이 일어나는 경우는 발열 효과가 현저히 저하되는 문제가 있다.

또한, 종래기술은 도전성 접착제를 사용한 통전판막의 자체 전기저항치의 한계와 또한 통전판막(12)에 사용한 도전성 접착제의 급속한 탄화현상을 우려해 발열 부위에서 50℃ 이상의 고열을 내거나 또는 길게 사용하는 것이 불가능하다는 것이다. 따라서, 종래기술의 발열체는 약 1m 이내마다 잘라서 보다 굵은선을 납이나 압착을 이용하여 발열체와 발열체를 연결하여 사용하도록 권장하고 있다.

그리고, 종래기술은 통전이나 열은 발열재를 인쇄한 부위에서만 가능하므로 상대적으로 고열을 내서 전체를 전도시켜야 하므로 통전부위와 통전판막에 무리가 간다. 따라서, 통전판막에 사용한 도전성 접착제의 탄화현상으로 기능이 급속히 저하되거나 통전판막이나 도전체 인쇄부위에 과열에 인한 화재의 우려가 높다.

그리고, 종래기술은 일정길이(대체로40cm~100cm) 이상은 절단후 굵은 전기선으로 연결해야 하므로 넓은 면적 시공시는 시멘트에 타일을 시공하듯 연결하여 시공이 대단히 복잡하고 인력이 많이 든다.

그리고, 종래기술은 원적외선 역시 도전체 인쇄부위에서만 방사되므로 면적 전체로 기준하면 실제 방사량은 그 절반밖 에 안된다.

그리고, 종래기술은 그대로 사용하면 열이나고 안나는 부위가 확실하므로 매우 불편하여 필히 열을 전도시킬수 있는 열 전도체를 발열체 위에 덮어서 사용해야 한다.

그리고, 발열체 위에서 발생하는 유도전류를 처리할 방법이 없어서 사용시 정전기 피해를 감수해야 한다.

그리고, 통전판막이 넓어서 상대적으로 전자파 발생이 많다.

마지막으로, 통전판막을 접착제를 사용하여 부착하고자하면 접착성 때문에 가장 얇은 판막을 사용하여야 한다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 발열체 전면에서 균일하게 발열이 가능하도록 한 면상 발열체 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 면상 발열체는 제1최외피와 제1중간층이 압출코팅방식에 의해 접합된 상지; 제2최외피와 제2중간층이 압출코팅방식에 의해 접합된 하지; 상기 상지와 상기 하지 사이에 위치하며 그라비아 인쇄방식에 의해 도포된 발열체; 및 상기 발열체의 양끝 표면에 라미네이팅된 편조선을 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명의 면상 발열체의 제조 방법은 최외피와 중간층을 접합시킨 상지와 하지를 각각 제조하는 단계; 상기 하지의 전 표면 상부에 그라비아 인쇄 방식을 이용하여 발열체를 도포하는 단계; 및 전기에너지를 공급하기위한 편조선을 상기 발열체의 끝단에 라미네이팅 접착시키면서 상기 발열체가 도포된 하지와 상기 상지를 접합시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

후술하는 실시예는 선상 발열체 형태를 갖는 면상 발열체와는 달리 전면에서 발열이 일어나는 전면 면상 발열체를 제안다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 면상 발열체의 평면도이고, 도 3a는 면상발열체의 구조를 도시한 도면이며, 도 3b는 면상발열체의 최종 제작 완성도이다.

이하, 도 2, 도 3a 및 3b를 참조하여 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 면상 발열체는, 제1최외피(101)와 제1중간층(102)이 접합된 상지(100), 제2최외피(201)와 제2중간층(202)이 접합된 하지(200), 상지(100)와 하지(200) 사이에 위치하는 탄소화합물(300), 탄소화합물(300)의 표면에 용융 접합된 편조선(400)을 포함한다.

여기서, 탄소화합물(300)은 전기에너지를 열에너지로 바꾸며 원적외선이 방사되는 것이다.

그리고, 제1중간층(102)과 제2중간층(202)은 발열체인 탄소화합물(300)로부터의 1차적 전기차단 및 원형 유지 기능을 하고, 그리고 탄소화합물(300)의 인쇄상태 제고를 위한 일종의 절연재이다.

그리고, 제1최외피(101)와 제2최외피(201)는 탄소화합물(300)로부터의 2차 전기차단 기능 및 원형 유지 기능을 하고, 그 표면에 인쇄가능한 폴리올레핀계 재질의 최외피이다.

마지막으로, 편조선(400)은 통전판(통전선)을 접착제 없이 순수한 라미네이팅 방식으로 고정시킨 것이다.

다음으로, 면상 발열체의 제조 방법을 살펴보기로 한다.

먼저, 제1최외피(101)와 제1중간층(102)으로 구성되는 상지(100)와 제2최외피(201)와 제2중간층(202)으로 구성되는 하지(200)를 각각 제작한다. 이때, 상지와 하지를 구성하는 제1최외피(101)와 제2최외피(201), 제1중간층(102)과 제2중간층(202)은 각각 동일 물질로서, 이하 제1최외피와 제1중간층에 대해서만 설명하기로 한다.

제1최외피(101)는 내열성과 보온성 및 치수 안정성을 고려하되 150℃ 이하에서는 변형이 없는 수지필름인 PET, OPP, 나일론 등 내구성, 내열성, 투명성, 인쇄성 등이 있는 필름을 선택하여 면상 발열체 최외부의 외피로 사용하며 필름 배면에 로고 및 선전문구의 인쇄가 가능하다.

그리고, 제2중간층(102)은 통상적으로 사용되는 면상발열체 또는 선상 발열체에 없던 것이다. 통상적인 면상발열체 또는 선상발열체는 중간층없이 발열층에 최외피 필름을 접착제 접착방식(Dry Laminating)으로 직접 접착하여 제작하므로 단전성과 발열체의 자체 보온성에 많은 문제가 노출 되었으며 또한 자체 안정성의 문제는 상당히 심각하여 전기안전에 치명적인 문제로 화재의 위험에 항상 노출되어 있었다.

이러한 치명적인 문제점을 보완, 단전성과 자체 보온성을 증가시키고 기존 드라이 라미 방식의 치명적인 문제점을 고려하여 안정성 증대를 위하여 부직포 및 종이 또는 면사종류(기재의 폭 50scm∼200cm, 이것 또한 150℃이하 에서는 변형이 없어야 함)를 사용하여 제1중간층(102)으로 선택 사용한다.

위와 같은 제1최외피(101)와 제1중간층(102)을 접합하여 상지(100)를 제작하는데, 접합시 사용하는 수지는 녹는점(Melting point)이 100℃∼170℃ 정도의 폴리올레핀계 수지로서, 이것을 300℃ 정도에서 용융하여 단독 또는 복합의 압출코팅 방식으로 상지(100)를 접합 제조한다.

위와 같은 방식을 이용하여 하지(200)도 제2최외피(201)와 제2중간층(202)을 접합하여 제조한다.

한편, 최외피와 중간층을 접합할때 사용하는 압출 코팅 방식(Extrude laminating)은 지금까지의 모든 면상발열체 또는 선상 발열체 제조시 접착방식으로 사용한 드라이 라미네이팅(Dry laminating) 방식과는 전혀 다른 방식이다.

상술한 바와 같이, 각각 최외피와 중간층을 접합하여 표면에 회사로고나 어떤 문구가 인쇄되어 있는 상지(100)와 사용시 바닥으로 깔리는 것이어서 아무런문구도 없는 하지(200)를 제조를 한 후 하지(200) 표면 상부에 탄소복합소재(경화형)를 사용하여 전도성 및 발열성을 고려한 제2차 탄소화합물(300)로 그라비아 인쇄방식으로 적층시켜 가며 인쇄를 하되 이때 사용하는 그라비아 인쇄롤러의 메쉬(mesh)를 80#~150#로 필요에 따라 제조 사용하며 이때 메쉬 처리된 인쇄면의 폭은 발열폭에 맞추어 50cm∼200cm로 한 후 사용한다.

통상적으로 발열체 제작시 사용하는 인쇄 방식은 스크린 인쇄(screen print) 방식을 이용하는데, 스크린 인쇄 방식은 적층 인쇄가 불가능하므로 점도가 높은 잉크를 사용하여 스크린 인쇄방식으로 인쇄를 한 후 최외피를 드라이 라미네이팅방식으로 접착을 하였다. 그러나, 전도도와 열량은 점도도로 조절을 해야하므로 정확한 조정은 대단히 어렵다. 따라서, 제품의 종류는 단순 할 수 밖에 없다. 이를 보완하고자 본 발명과 같이 그라비아 인쇄 방식을 채택하면 탄소화합물(300)의 농도와 적층 두께 정도를 감안하여 고객의 요구나 사용 용도에 맞게 단독 또는 복수로 적층도포할 수 있다. 더욱 미세하고 정확한 조정은 인쇄롤러의 메시(mesh)로 조정을 하는데 이때 주의할 점은 80메쉬 이하이면 잉크가 번져서 정확한 제품제작이 어렵고 또한 150메쉬 이상이되면 잉크가 묻어나오지를 않으므로 제품제작이 불가능하다. 따라서 본 발명의 그라비아 인쇄방식에서 메쉬는 필히 80#~150# 사이로 제작 사용되어야 한다. 이렇게 하면 필요에 따라 전도도와 열량은 어떠한 조건으로도 조정이 가능하기 때문이다.

위와 같이, 일단 상지(100)와 탄소화합물(300)이 도포된 하지(200)의 제조가 끝나면 상지(100)와 하지(200)의 접합으로 면상발열체를 완성하게 되는데 접합시 전기선의 매설을 위하여 구멍 뚫은 동판가공품 또는 10가닥 이상의 가는 동선을 꼬아서 가공한 전체직경 2mm∼2.3mm의 통전 편조선(400)을 적층된 탄소화합물(300)의 끝단 또는 필요에 따라 중간 중간에 설치하며 기 사용하던 폴리올레핀계 수지로 융용, 압출라미방식으로 접합하여 완성한다.

기존의 면(선)상 발열체의 치명적인 단점인 도전성 접착제를 사용한 통전판막의 부착 문제점의 해소를 위해 편조선(400)을 접착제 없이 순수한 라미네이팅으로 고정을 시키고 또 그렇게 하고자 전체 직경 3mm이상의 전기선(가는선을 꼬은것)을 가급적 납작하게 눌러 가공토록 주문하여 사용한다. 납작한 형태로 사용하고자 함은 탄소화합물(300)의 도포면과의 접착면을 넓게 하고자 하기 위한 것이며 또한 제작시 표면으로의 돌출 부위를 최대한 줄여서 외형상 미려한 형태를 유지하고자 함이다.

위와 같이, 편조선(400)을 사용하면 용도에 따라 또는 폭에 따라 그 전체 굵 기를 조정하며 사용이 가능하다. 즉, 편조선(400)의 굵기를 조정하면 시공길이가 절단없이 적어도 1미터 이상(100미터 이상)의 제품도 제작이 가능하다.

또한, 면상발열체의 폭이 넓어져야 하거나 고온을 필요로 하는 것에 사용하려면 좀더 굵은 편조선을 가공 주문하여 사용하여도 전혀문제가 없다는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 면상발열체의 개략적인 제원은 다음과 같다.

사용전압은 교류(AC), 직류(DC), 어느 것이나 사용가능하며 전압의 한계는 6V∼400V이 바람직하다. 그리고, 전도도는 0∼10²이고, 전기저항은 0∼900Ω이며, 탄소화합물의 도포 두께는 10∼100㎛이고, 발열폭은 50∼200cm이며, 원적외선의 방사율은 87.5%이상이다.

그리고, 본 발명의 면상발열체의 탄소화합물(원적외선 방사 도전성잉크)의 개략적인 성분은 우레탄합성 레진 30.4%, 도전성 탄소 파우더 15.6%, 첨가제 4% 및 희석용제 50%로 구성된다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 면상발열체의 적용 예를 도시한 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 면상발열체의 전체폭(A)을 100cm이라고 하면, 통전이 되면서 발열이 일어나는 부분(B)은 45cm이고, 통전은 되나 열이 나지 않은 부분(C)이 47cm이며, 통전부분을 제외한 나머지 부분(D)은 전기도 통하지 않고 열도 발생하지 않는 부분으로서 1.5cm이다.

만일 전체폭중에서 반폭만 필요한 경우에는 한 가운데(E)를 절단하여 사용하여도 기능상, 전기적으로 아무 문제가 없다.

위와 같은 본 발명은 통전과 열이 전면에서 고르게 발생하므로 선상발열체에 비하여는 절반 정도의 열로도 전면이 고르게 가열되므로 전혀 무리가 없으며 통전부위인 편조선은 용도와 면적에 따라 두껍고 강한 것으로 제작이 가능하다.

그리고, 편조선에 접착제를 사용하지 않으므로 탄화현상이 발생하여 시간이 경과함에 따라 기능이 약해지거나 또는 편조선의 굵기 조절이 가능하므로 과열에 의한 화재 염려가 없다.

그리고, 절단이나 연결없이 사용하므로 시공이 간단하고 쉽고, 선상발열체에 비하여 열이나 원적외선 방사량이 전체면적을 기준하면 약 2배정도로 증가한다.

그리고, 다른 열전도체 필요없이 장판처럼 그대로 사용이 가능하며, 발열체 위에서 유도전류가 발생하는 경우 차폐포를 사용하여 접지를 하면 완벽하게 제거된다.

그리고, 전자파 발생이 상대적으로 적고 또한 탄소성분이 전자파를 흡수하여 그 피해가 거의 없다.

그리고, 접착제가 아닌 폴리올레핀계 수지를 이용하여 순수 압출방식의 라미네이팅방식을 채택하고, 통전용 구리판막을 용도와 필요에 따라 두께 선택이 가능하므로 광폭의 제품도 제작이 가능하다.(현재 국내에 나오는 선상발열체의 5배폭 까지 제작가능)

상술한 본 발명의 면상발열체에서 사용하는 탄소화합물중의 탄소는 여러가지 용도 및 특성을 갖는 것으로 알려져 있는 것으로, 탄소는 단순한 열의 개념이 아닌 원적외선의 장점을 가지고 있어, 전자파 흡수, 탈취, 중금속 흡착, 원적외선 발생, 습도조절, 잡균제거, 농약효과, 산성화 방지, 음이온 발생 등의 효과가 있다.

이와 같은 탄소를 발열체로 사용하면, 약한 전기에너지를 이용하여 전기저항을 갖는 발열체를 매개로 하여 높은 열을 얻는 미래형 에너지분야에 적용할 수 있다.

예를 들면, 벼, 채소 등의 육묘분야, 건조분야(원적외선 건조로 살균작용 효과 및 건조후 가습시 원형복원율 80%), 버섯재배, 축산, 침구류(건강침구 및 방석), 건축(난방재), 식품(구이 등 가정에서의 식품가공시) 등에 적용 가능하다.

다음의 표1은 본 발명의 실시예에 따른 면상발열체를 사용한 경우의 난방재별 에너지소비량 비교표이다.

	심야전력	전기판넬	도시가스	보일러	LPG	면상발열체
평당 난방비	5,998	11,456	6,500	11,050	11,400	4,754
월소비량	102kw	167kw	13m2	17L	12kg	69.3kw

위 표1은 1일 8시간 30일동안 가동기준이며, 외부기온 0℃에서 실내온도를 22℃로 유지할 경우이다.

위 표1에서 보듯이, 면상발열체를 사용한 경우 평당 난방비가 현저히 감소함을 알 수 있고, 또한, 월 소비량또한 동일 단위를 적용하는 심야전력 및 전기판넬에 비해 거의 절반 수준 이하로 감소함을 알 수 있다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상술한 본 발명은 전면 발열체 구조로 면상 발열체를 형성하므로써 열이나 원적외선 방사량이 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 통전박막을 접착제 방식이 아닌 압출에 의한 라미네이팅방식으로 접합하므로 광폭의 제품 제작이 가능한 효과가 있다.

Claims (10)

1. 제1최외피와 제1중간층이 압출코팅방식에 의해 접합된 상지;

   제2최외피와 제2중간층이 압출코팅방식에 의해 접합된 하지;

   상기 상지와 상기 하지 사이에 위치하며 그라비아 인쇄방식에 의해 도포된 발열체; 및

   상기 발열체의 양끝 표면에 라미네이팅된 편조선

   을 포함하는 면상 발열체.
2. 제1항에 있어서,

   상기 발열체는,

   탄소화합물인 것을 특징으로 하는 면상 발열체.
3. 제2항에 있어서,

   상기 탄소화합물은 우레탄합성 레진, 도전성 탄소 파우더, 첨가제 및 희석용제가 혼합된 것을 특징으로 하는 면상 발열체.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제1중간층과 상기 제2중간층은,

   부직포, 종이 또는 면사인 것을 특징으로 하는 면상 발열체.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제1최외피와 상기 제2최외피는,

   PET, OPP 또는 나일론 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 면상 발열체.
6. 최외피와 중간층을 접합시킨 상지와 하지를 각각 제조하는 단계;

   상기 하지의 전 표면 상부에 그라비아 인쇄 방식을 이용하여 발열체를 도포하는 단계; 및

   전기에너지를 공급하기위한 편조선을 상기 발열체의 끝단에 라미네이팅 접착시키면서 상기 발열체가 도포된 하지와 상기 상지를 접합시키는 단계

   를 포함하는 면상 발열체의 제조 방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 최외피와 중간층을 접합시키는 단계는,

   멜팅포인트 100℃∼170℃ 사이의 폴리올레핀계 수지를 이용한 압출코팅방식으로 진행하는 것을 특징으로 하는 면상 발열체의 제조 방법.
8. 제6항에 있어서,

   상기 발열체를 도포하는 단계에서,

   상기 발열체는 탄소화합물이며, 그라비아 인쇄롤러 메쉬 80#∼150#를 이용한 그라비아 적층 인쇄방식을 이용하며, 상기 탄소화합물을 복층 구조로 하는 것을 특징으로 하는 면상 발열체의 제조 방법.
9. 제6항에 있어서,

   상기 편조선의 접착은,

   폴리올레핀계 수지로 용융 접합시키는 것을 특징으로 하는 면상 발열체의 제조 방법.
10. 제6항에 있어서,

    상기 편조선의 굵기 조절을 통해 적어도 1미터 이상 절단없이 시공이 가능한 것을 특징으로 하는 면상발열체의 제조방법.

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