KR100847055B1 - 면상 발열 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 면상발열 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 면상발열장치는, 전극부를 통하여 소정의 전원을 공급받아 발열되는 전도성 발열부와, 상기 전도성 발열부를 피복하는 비전도성 피복부를 갖고, 상기 전도성 발열부는, 내열성 섬유 소재로 형성된 직물층과, 발열용 복합재료를 수용성의 전도성 페놀수지 바인더를 매개로 혼합하여 상기 직물층의 적어도 한쪽 면에 소정의 균일한 두께로 코팅하여 형성되는 발열층을 포함하며, 상기 비전도성 피복부는 상기 전도성 발열부를 고내열성 폴리에테르술폰 수지로 소정 두께로 균일하게 피복하여 형성되는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여 발열부와의 밀착성이 향상된 피복부를 마련하여 높은 내열성과 유연성을 갖는 면상발열장치 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 면상 발열 장치의 개략적 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도 1의 A-A선 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 도 1의 B-B선 단면도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 1의 B-B선 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 면상발열장치 10 : 전도성 발열부
11 : 직물층 12 : 섬유사
13, 15 : 발열층 20 : 전극부
22 : 금속사 30 : 비전도성 피복부
40 : 전극 단자 41 : 단자 고정부
본 발명은 면상발열장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극부를 통하여 전원을 공급받아 발열되고 내열성 재질로 피복되어 있는 면상발열 장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
면상발열장치는 천, 필름 등과 같은 형태를 변형할 수 있는 면상 재료에 카본, 흑연 등을 소정의 접착제를 이용하여 전도성 코팅층을 형성하여 발열부를 마련하고, 발열부에 전원을 공급할 수 있는 소정의 전극부를 마련하여 형성된다. 또 발열부에 대한 절연 및 방수 등을 위하여 발열부의 표면을 우레탄 소재 등으로 피복부를 형성한다.
그러나 면상발열장치에서 전도성 코팅층의 두께를 전체적으로 균일하게 확보하는 것이 용이하지 않으며, 전도성 코팅층과 면상재료와의 접착강도가 국부적으로 상이하게 형성되는 것이 일반적이다. 이에 따라 면상발열장치의 발열저항체로 작용되는 발열부의 전반적인 전기 저항값을 일정하게 유지하기가 곤란하다.
또 면상발열장치의 용도상 굽히거나 접어서 사용되는 경우에는 균열을 초래할 수 있다. 뿐만 아니라, 불일정한 전기 저항값으로 인하여 발열부의 물성변화를 초래하여 국부적으로 고열이 발생될 수 있다.
그리고 발열부에 전원을 공급하는 전극부로서 은페이스트를 이용하거나 동테이프를 전도성 접착제로 부착한 것을 많이 사용하고 있으며, 동선을 발열부 표면에 배치하여 엮어서 사용하기도 한다. 이와 같은 통상적인 전극부를 사용할 경우 면상발열장치의 유연성을 충분히 확보하기 어려우서 용도상의 제한을 갖고 있다. 또한 면상발열장치를 굽히거나 접어서 사용할 경우 전극부의 단선과 스파크 현상을 초래할 수 있다.
또한 발열부 표면을 절연재료로 라미네이팅하여 피복부를 형성할 경우, 공기 가 유입되어 공기주머니가 형성될 수 있으며, 이는 발열시에 공기주머니의 팽창으로 피복층의 이완을 초래할 수 있다.
따라서 본 발명의 목적은 발열부와의 밀착성이 향상된 피복부를 마련하여 높은 내열성과 유연성을 갖는 면상발열장치 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. 또한 균일한 두께로 코팅된 발열부와, 보다 효과적으로 단선을 방지할 수 있는 전극부를 마련하여 유연성과 함께 열효율을 향상시킨 면상발열장치 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적은, 본 발명에 따라, 전극부를 통하여 소정의 전원을 공급받아 발열되는 전도성 발열부와, 상기 전도성 발열부를 피복하는 비전도성 피복부를 갖는 면상발열장치에 있어서, 상기 전도성 발열부는, 내열성 섬유 소재로 형성된 직물층과, 발열용 복합재료를 수용성의 전도성 페놀수지 바인더를 매개로 혼합하여 상기 직물층의 적어도 한쪽 면에 소정의 균일한 두께로 코팅하여 형성되는 발열층을 포함하는 면상발열장치에 의하여 달성된다.
여기서, 상기 발열층은, 탄소섬유와 흑연을 포함하는 도전성 반도체 미립체와, 토르말린 함유 원적외선 방사 세라믹 미립체와, 열전도성이 높은 보론나이트라이드계 복합고분자 미립체를 수용성의 전도성 페놀수지 바인더를 매개로 혼합하여 상기 직물층의 적어도 한쪽 면에 소정의 균일한 두께로 코팅하여 형성할 수 있다.
여기서, 상기 비전도성 피복부는 상기 전도성 발열부를 고내열성 폴리에테르 술폰 수지로 소정 두께로 균일하게 피복하여 형성할 수 있다.
여기서, 상기 전극부는 상기 전도성 발열부에 합사 동연선을 박음질하여 형성할 수 있다.
여기서, 상기 전극부는 상기 직물층의 직조시에 복수 가닥의 합사 동연선을 가닥간 피치가 0.2 내지 0.5mm 간격이 되도록 직조하여 형성할 수 있다.
한편, 상기 목적은, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 전극부를 통하여 소정의 전원을 공급받아 발열되는 전도성 발열부와, 상기 전도성 발열부를 피복하는 비전도성 피복부를 갖는 면상발열장치의 제조방법에 있어서, 발열용 복합재료를 수용성의 전도성 바인더를 매개로 혼합하여 내열성 섬유소재로 형성된 직물층의 적어도 한쪽 면에 발열층을 코팅하여 전도성 발열부를 형성하고, 상기 코팅된 발열층의 외부에 소정 두께로 비전도성 폴리에테르술폰수지를 피복하여 비전도성 피복부를 형성하는 면상발열장치의 제조방법에 의하여 달성된다.
여기서, 상기 전도성 발열부를 형성하는 과정은, 상기 코팅된 발열층의 두께가 균일하도록 스크래핑을 통하여 잔류물을 제거하고, 발열층의 코팅 완료후 소정 제1온도 조건에서 저속 건조하고, 건조 후 소정의 제2온도 조건에서 소정 시간 동안 코팅이 안정화 되도록 숙성하는 과정을 더 포함하여 구성할 수 있다.
여기서, 상기 발열층의 건조 후 합사 동연선을 상기 전도성 발열부에 박음질하여 상기 전극부를 형성하는 것을 더 포함하여 구성할 수 있다.
여기서, 상기 직물층의 직조시에 복수 가닥의 합사 동연선을 가닥간 피치가 0.2 내지 0.5mm 간격이 되도록 직조하여 상기 전극부를 형성하는 것을 더 포함하여 구성할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 면상발열장치의 개략적 구성도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 면상발열장치(1)는, 전극부(20)를 통하여 전원을 공급받아 발열되는 전도성 발열부(10)와, 전도성 발열부(10)를 피복하는 비전도성 피복부(30)를 포함한다.
여기서 전극부(20)는 전극 단자(40)를 통하여 외부로부터 전원을 공급받는다. 전극 단자(40)로는 교류전원이나, 직류전원이 공급될 수 있으며, 그에 따라 전극부(20)의 형상을 적절히 변형하여 구성할 수 있다. 또 본 실시예에서는 두 개의 전극부(20)가 전도성 발열부(10)의 가장자리로부터 소정 간격을 두고 평행하게 배열되어 있는 예를 도시하고 있으나, 면상발열장치(1)의 다양한 형상에 맞추어 전극부(20)의 형상을 달리 배열하여도 좋다.
본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열장치(1)의 세부적인 구조를 도 2의 단면도를 참조하여 설명한다. 도 2는 도 1의 A-A선에 의한 단면형상을 설명의 편의를 위하여 모식적으로 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이 전도성 발열부(10)는 내열성 섬유재료로 형성된 직물층(11)과, 직물층(11)의 적어도 한쪽 면을 균일한 두께로 발열재료를 전도성 바인더를 매개로 코팅하여 형성된 발열층(13, 15)과, 직물층(11)과 발열층(13, 15)을 관통하여 박음질로 형성된 전극부(20)를 포함한다.
전도성 발열부(10)의 외부에는 절연부재로서 전도성 바인더와 유사한 물성을 갖는 고내열성 폴리에테르술폰(PES) 수지로 피복된 비전도성 피복부(30)가 마련된다.
여기서 직물층(11)은 내열성을 갖는 천연섬유나 화학섬유 소재를 면상으로 형성한 것으로서, 가령 레이온, 데님, 폴리에스터 등으로 형성될 수 있다. 레이온(인견사)의 경우 열을 가하면 다량의 원적외선 에너지가 방출되며, 폴리에스터의 경우 치밀하고 균일한 연사조직을 갖고 있어 내열성이 우수하고, 데님류의 경우 강한 인장강도와 밴딩강도가 우수하여, 면상발열장치의 용도에 따라 적절히 채택하여 사용한다.
발열층(13, 15)은 도전성 반도체 미립체와, 원적외선 방사 세라믹 미립체와, 열전도성 미립체를 전도성 수지 바인더를 매개로 혼합하여 직물층(11)의 적어도 한쪽 면에 소정의 균일한 두께로 코팅하여 형성된다.
이때 도전성 반도체 미립체로서는, 카본과 흑연은 분말 상태로 마련하여 준비한다. 카본과 흑연의 각 분말의 입경은 1미크론 이하이며, 0.1미크론 이하의 입자는 선별하여 제거한다. 또 카본과 흑연의 혼합비는 대략 1:2 내지 1:3의 비율로 한다.
그리고 원적외선 방사 세라믹 미립체로서는, 원적외선 방사효율이 우수한 토르말린의 분말 입경이 0.5미크론 이하인 것으로 준비한다. 이때 토르말린 이외의 다른 성분의 세라믹 미립체를 더 포함하여도 좋다. 이때 원적외선 방사 세라믹 미립체는 반도체 미립체의 중간제 역할을 할 수 있는 크기로 한다. 또한 원적외선 방사 세라믹 미립체의 사용량에 따라 음이온 발생효과를 부가적으로 발휘할 수 있다.
열전도성 미립체로서는 얇은 두께에서도 기계적 강도가 우수하며 열전도성이높은 보론나이트라이트의 분말 입경이 1미크론 이하인 것으로 준비한다.
전도성 수지 바인더로서는, 수용성을 갖는 수용액형 전도성 페놀계 수지를 채택한다. 본 발명의 실시예에 따른 면상발열장치에서 수용성을 갖는 바인더를 채택함으로써 유용성 바인더보다 직물층에의 침투성이 좋아서 직물층의 양면 코팅시에도 양면에 코팅되는 발열재료간의 연결성을 향상할 수 있다. 이때 전도성 바인더의 전도성은 대략 50%이하, 가령 30%이하로 유지하여 국부적인 전도 공백 현상을 방지하여 면상발열장치(1)의 전도성 발열부(10) 양면의 발열현상을 보다 고르게 유지할 수 있다. 또한 수용성의 전도성 페놀계 수지 바인더 음이온성 수지로서, 발열재료를 구성하는 양이온화된 다른 첨가물과의 결합성과 분산력이 우수하다. 아울러 본 전도성 수지 바인더에 적당한 양의 저항안정제와, 퍼짐성을 양호하게 하는 레벨링제 등을 혼합하여도 좋다.
한편 도 2에서 전극부(20)는 합사 동연선으로 된 금속사를 이용하여 직물층(11)에 발열층(13, 15)을 코팅을 완료한 후 발열부(10)를 관통하도록 박음질하여 형성된 것이다. 이때 금속사는 대략 직경 80미크론(0.08mm)의 구리세선 7선을 연선하여 합친 합사 동연선이며, 합사 동연선의 직경은 대략 0.24mm이다. 도 2에서는 합사 동연선으로 된 금속사 2가닥을 소정 간격을 두고 박음질하여 전극부(20)를 형성한 것으로 도시하였으나, 7~12가닥으로 형성할 수 있으며, 금속사의 가닥 수는 적절히 선택할 수 있다. 또한 전극부(20)를 형성하는 금속사의 가닥간 간격은 금속사 직경 정도로 확보하여도 좋다.
그리고 도 3에서는 전극부(20)에 전극 단자(40)가 설치된 예를 도 1의 B-B선에 의한 단면도로 나타낸 것으로서, 금속제의 단자 고정부(41)를 전극 단자(40)에 리벳 이음으로 고정한 예를 도시한다. 여기서 전극부(20)를 형성하는 합사 동연선의 금속사가 발열부(10)에 박음질되어 표면으로 돌출된 형상을 예시적으로 도시하며, 박음질된 금속사의 바늘땀 간격은 대략 2mm 정도로 조밀하게 하며 용도에 따라 적절한 치수로 채택할 수 있다. 이때 전극부(20)의 쭈글거림을 방지할 수 있도록 박음질할 때 합사 동연선의 금속사에 적당한 장력이 가해지도록 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 면상발열장치에서는, 전극부(20)를 발열부(10)를 관통하도록 박음질하지 않고, 직물층(11)의 직조시에 금속사를 섬유사와 직조하여 형성할 있다. 도 4는 도 1의 B-B선에 의한 단면도로서 합사 동연선의 금속사(22)가 섬유사(12)와 직조되어 직물층(11)을 형성한 예를 도시한다. 본 실시예에서 금속사(22)의 각 치수와 가닥수는 전술한 합사 동연선과 동일한 치수와 가닥수를 이용할 수 있다. 이때 금속사(22)의 가닥간 피치는 0.2mm 내지 0.5mm로하여 직조하여도 좋다. 이와 같이 전극부(20)를 직물층(11)의 직조와 동시에 형성할 경우에는 발열부(10)에 전극부(20)을 박음질하는 과정이 필요없으므로, 상술과 같이 발열층(13, 15)을 직물층(11)에 소정의 균일한 두께로 코팅한 후, 비전도성 피복부(30)를 피복하게 된다.
이하에서 발열층(13, 15)을 직물층(11)에 코팅하여 발열부(10)를 형성하고, 비전도성 피복부(30)를 발열부(10)에 피복하는 과정을 보다 상세히 설명한다.
상술과 같이 준비된 발열재료와 바인더를 고루 분산시키기 위하여 고속 믹서 를 이용하여 혼합하며, 적정한 점도를 갖도록 온도, 작업시간, 보관시간, 작업여건 등을 고려하여 용제와 물의 사용량을 가감하여 조정한다. 또한 공기의 유입을 방지하고 빠른 배기를 위하여 진공 믹서를 이용한다.
혼합된 재료를 이용하여 복수의 가이드롤러와 양 사이드클립형 장력조정장치를 갖는 소정의 코팅장치를 이용하여 발열층을 코팅한다. 이에 따라 사방의 장력을 일정한 상태로 유지하여 분당 대략 15m이하의 속도로 발열층을 코팅하면서, 용도에 따라 미리 설정된 코팅량과 코팅두께에 따라 균일한 발열층을 형성하도록 한다. 여기서 발열층(13, 15)의 균일한 코팅 두께를 형성하도록 스크래핑하는 과정을 거칠 수 있으며, 이를 위하여 별도의 스크래퍼나 스크랩 롤러를 이용할 수 있다. 이는 발열층(13, 15)에서 국부적인 두께 변이에 따라 발생할 수 있는 열집중 현상을 방지하기 위한 것이다.
발열층(13, 15)이 코팅되면, 건조로에서 비교적 저온 조건(대략 150도 이하)에서 저속 건조한다. 고온에서 고속으로 건조하는 경우 최종 제품에서 발열층의 쭈글거림이 발생될 수 있다. 여기서 건조되어 중간제품으로 제공되는 발열부(10)를 장기보관할 경우에는 제품 특성의 변화를 방지하도록 방수밀폐하여 보관하는 것이 좋다.
이와 같이 건조과정을 거친 후 발열재료의 안정된 분자배열을 확보하고, 온도분포의 균일성, 온도편차의 방지, 최종 사용제품의 품질 향상 등을 위하여 적당한 열과 압축에 의해 숙성(에이징)하는 과정을 거친다.
먼저 코팅된 발열층(13, 15)의 안정화를 위하여 대략 섭씨 180도 이하에서 소정 시간 동안(대략 1시간 이하, 대략 40분 이하) 1차 숙성하고, 대략 섭씨 110도 이하에서 대략 24시간 정도 2차 숙성시킨다.
이와 같이 직물층(11)에 발열층(13, 15)을 코팅하고 건조 및 숙성 과정을 거쳐 발열부(10)가 마련되면, 발열층(13, 15)의 외부에 폴리에테르술폰 수지를 적정 온도로 가열용해하여 진공 코팅하여 비전도성 피복부(30)를 형성한다. 이때 피복부(30)는 균일한 두께를 가지면 대략 1.5mm 내지 2mm의 두께를 갖도록 형성된다. 폴리에테르술폰 수지는 대략 섭씨 140도 이상의 조건에서 열안정성을 갖고 있어, 열변형성이 우수한 면상발열장치를 제공할 수 있게 된다. 또한 폴리에테르술폰 수지는 내열성 이외에 견고성과 탄성이 좋아 접힘에 대한 복원성이 뛰어나며, 유연성, 견고성, 전단성, 강도, 인장성에서 우수한 기계적 물리적 특성을 갖고 있다.
본 발명에 따른 면상발열장치는 의료용이나 일반가정용, 농업용, 축산용, 건축용 용도로 사용가능하며, 비닐하우스, 자동차용, 항공기 등에도 활용가능하다. 그리고 발열시에 4~10미크론 파장의 원적외선과 2000cc/㎠ 이상의 음(-)이온을 방사할 수 있다. 또 다양한 설치환경에서도 내부 발열부의 손상을 방지하는 구조를 갖고 있으며, 저온(섭씨 영하 40도 이하) 환경과 고온 환경(섭씨 150도 이하)에서의 사용가능한 구조를 갖고 있다.
이에 따라 본 발명의 실시예에 따른 면상발열장치는 직류전원을 이용하여 중형, 소형 제품을 제조할 수 있으며, 교류전원을 이용하는 경우 대형, 중형 제품을 제조할 수 있다. 또한 전극부(20)를 직물층(11)에 직조하여 형성된 제품을 직류전원용으로, 전극부(20)를 발열부(10)에 박음질하여 형성된 제품을 교류전원용으로 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 아니한다.
비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
본 발명에 따라 면상발열장치는 발열부와의 밀착성이 향상된 피복부를 마련하여 높은 내열성과 유연성을 갖는다. 또한 균일한 두께로 코팅된 발열부와, 보다 효과적으로 단선을 방지할 수 있는 전극부를 마련하여 유연성과 함께 열효율을 향상시킬 수 있다.
Claims (9)
- 전극부를 통하여 소정의 전원을 공급받아 발열되는 전도성 발열부와, 상기 전도성 발열부를 피복하는 비전도성 피복부를 갖는 면상발열장치에 있어서,상기 전도성 발열부는, 내열성 섬유 소재로 형성된 직물층과, 발열용 복합재료를 수용성의 전도성 페놀수지 바인더를 매개로 혼합하여 상기 직물층의 적어도 한쪽 면에 소정의 균일한 두께로 코팅하여 형성되는 발열층을 포함하며,상기 비전도성 피복부는 상기 전도성 발열부를 고내열성 폴리에테르술폰 수지로 소정 두께로 균일하게 피복하여 형성되는 것을 특징으로 하는 면상발열장치.
- 제1항에 있어서,상기 발열층은, 탄소섬유와 흑연을 포함하는 도전성 반도체 미립체와, 토르말린 함유 원적외선 방사 세라믹 미립체와, 열전도성이 높은 보론나이트라이드계 복합고분자 미립체를 수용성의 전도성 페놀수지 바인더를 매개로 혼합하여 상기 직물층의 적어도 한쪽 면에 소정의 균일한 두께로 코팅하여 형성되는 면상발열장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 전극부는 상기 전도성 발열부에 합사 동연선을 박음질하여 형성되는 면상발열장치.
- 제1항에 있어서,상기 전극부는 상기 직물층의 직조시에 복수 가닥의 합사 동연선을 가닥간 피치가 0.2 내지 0.5mm 간격이 되도록 직조하여 형성되는 면상발열장치.
- 전극부를 통하여 소정의 전원을 공급받아 발열되는 전도성 발열부와, 상기 전도성 발열부를 피복하는 비전도성 피복부를 갖는 면상발열장치의 제조방법에 있어서,발열용 복합재료를 수용성의 전도성 바인더를 매개로 혼합하여 내열성 섬유소재로 형성된 직물층의 적어도 한쪽 면에 발열층을 코팅하여 전도성 발열부를 형성하고,상기 코팅된 발열층의 외부에 소정 두께로 비전도성 폴리에테르술폰수지를 피복하여 비전도성 피복부를 형성하는 면상발열장치의 제조방법.
- 제6항에 있어서,상기 전도성 발열부를 형성하는 과정은, 상기 코팅된 발열층의 두께가 균일하도록 스크래핑하고, 발열층의 코팅 완료후 소정 제1온도 조건에서 저속 건조하고, 건조 후 소정의 제2온도 조건에서 소정 시간 동안 코팅이 안정화 되도록 숙성 하는 과정을 더 포함하는 면상 발열장치의 제조방법.
- 제7항에 있어서,상기 발열층의 건조 후 합사 동연선을 상기 전도성 발열부에 박음질하여 상기 전극부를 형성하는 것을 더 포함하는 면상 발열 장치의 제조방법.
- 제6항에 있어서,상기 직물층의 직조시에 복수 가닥의 합사 동연선을 가닥간 피치가 0.2 내지 0.5mm 간격이 되도록 직조하여 상기 전극부를 형성하는 것을 더 포함하는 면상발열장치의 제조방법.
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