KR100977479B1 - 발열체용 전도성 조성물 및 이를 이용한 면상발열체 - Google Patents
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- H05B3/20—Heating elements having extended surface area substantially in a two-dimensional plane, e.g. plate-heater
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Abstract
본 발명은 전기 발열체용 전도성 조성물 및 이를 이용한 면상발열체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 카본블랙의 표면에 전도성 고분자가 코팅된 전도성 고분자 복합 분말을 포함하여, 우수한 전기전도도를 가지면서 온도 조절이 용이하고, 온도 상승속도가 높으며, 유연성을 갖게 할 수 있는 발열체용 전도성 조성물 및 이를 이용한 면상발열체를 제공한다.
면상발열체, 전도성고분자, 카본블랙, 전도성페이스트
Description
본 발명은 전기 발열체용 전도성 조성물 및 이를 이용한 면상발열체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 카본 블랙의 표면에 전도성 고분자가 코팅된 전도성 고분자 복합 분말을 포함하여, 온도 조절이 용이하고, 온도 상승속도가 높으며, 유연성을 갖게 할 수 있는 발열체용 전도성 조성물 및 이를 이용한 면상발열체를 제공한다.
에너지 자원의 고갈에 따라 세계 각국은 에너지 절약 부분에 많은 투자를 하고 있다. 이러한 흐름에 맞춰 최근 부각되고 있는 면상발열체는 일반적으로 사용하고 있는 전기발열체보다 20~40%의 전력을 감소하는 제품으로 전기 에너지 절약 및 경제적 파급효과가 클 것으로 예상된다.
일반적으로 면상발열체는 전기통전에 의해 발생하는 복사열을 이용하고 있어 온도조절이 용이하고, 공기를 오염시키지 않아 위생과 소음 면에서 장점이 있어 히팅 매트나 패드 등의 침구류에 이용되고 왔다. 또한 주택의 바닥 난방, 사무실 및 작업장 등의 산업용 난방, 도장 건조 등 각종 산업장의 가열장치, 비닐하우스나 축사, 농업용 설비, 자동차용 백밀러, 주차장의 동결방지장치, 레저용 방한용 장비, 가전제품 등 폭넓게 이용되고 있다.
면상발열체는 특히, 최근에 그 이용이 활발하여 유럽의 주택난방의 많은 부분을 대체하고 있으며 주택분야 외에 산업용 건조기, 농산물 건조기, 건장의료 보조제품 및 건축부자재 등으로 응용이 가능한 신소재로 국내뿐만 아니라 수출주력이 가능한 제품으로 평가받고 있다.
따라서 국내 발열체시장의 10%만 공급 시에도 매출금 수백억에서 수천억의 수입대체효과와 응용제품 개발로 수출이 기대된다. 국내 발열체 시장규모는 가전 쪽 발열체가 대략 200억 정도이고 주택 난방용 발열체 시장은 500억 정도가 예상되며, 면상발열체를 이용한 폭넓은 응용제품 개발로 그 시장 규모는 수천억원 이상으로 세계시장 규모를 감안할 때 면상발열체 기술의 고부가가치성과 부품ㆍ소재 산업에서의 중요성이 부각되고 있다.
통상적으로 면상발열체는 철, 니켈, 크롬, 백금 등의 금속 박판을 에칭한 금속 발열체와 탄화규소, 지르코니아, 탄소 등의 비금속 발열체 등이 주류를 이루고 있었다. 그러나 이들은 열과 내구성이 약하고 제작이 어려운 문제점이 지적되어 왔다. 이에 따라, 최근에는 열과 내구성이 강하고, 열전도도가 좋으며, 열팽창계수가 낮고 가벼운 특징이 있는 카본블랙이 많이 이용되고 있다. 또한, 카본블랙을 이용한 방법은 제작이 쉽고 가격이 저렴하여 면상발열체 연구에 많이 사용되고 있다.
카본블랙 분말을 분산시킨 발열체가 우수한 발열특성을 나타내기 위해서는 고분자 발열시트 내에서 카본블랙 분말들 간의 연속적인 접촉이 이루어져 높은 전기 전도성이 확보되어야 한다. 그러나 카본블랙의 분산 시 입자 형상의 카본블랙 분말 간에 접촉이 어렵기 때문에 전기 전도성이 떨어지고, 저온에서 고온까지 온도 조절이 용이하지 못하며, 온도 상승속도가 느린 문제점이 있다. 또한, 전기 전도성을 높이기 위해서는 많은 양의 카본블랙을 분산시켜야 하는 데, 많은 양의 카본블랙을 균일하게 분산시키기는 용이하지 않다. 아울러, 많은 양의 카본블랙 페이스트를 제조한다고 할지라도 이를 소재로 한 면상발열체는 유연성이 부족하여 접거나 구부리는 경우 부서지거나 크랙(crack)현상이 발생되어 전기 전도성에 치명적인 문제가 발생할 수 있다.
이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전도성이 우수함은 물론 온도 조절이 용이하고, 온도 상승속도가 높으며, 또한 우수한 유연성을 확보하여 접거나 구부리는 경우 부서지거나 크랙(crack)현상이 방지될 수 있는 발열체용 전도성 조성물 및 이를 이용한 면상발열체를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
카본블랙의 표면에 전도성 고분자가 코팅된 전도성 고분자 복합 분말; 및 바인더를 포함하는 발열체용 전도성 조성물을 제공한다.
이때, 상기 전도성 고분자는 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리(3,4-에틸렌옥시티오펜) 및 이들의 유도체(또는 공중합체) 등으로부터 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 발열체용 전도성 조성물은 페이스트상(paste phase)이 바람직하며, 분산제, 증점제 등으로부터 선택된 하나 이상의 성분을 더 포함하는 것이 바람직하다. 아울러, 본 발명에 따른 발열체용 전도성 조성물은 활성탄, 탄소, 세라믹, 황토, 숯, 천연석, 인상흑연 및 토상흑연으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상의 분말을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은,
기재;
상기 기재 상에 형성된 발열층; 및
상기 발열층에 형성된 전극;을 포함하되,
상기 발열층이 상기 본 발명에 따른 전도성 조성물을 포함하는 면상발열체를 제공한다. 이때, 상기 기재는 유연성을 갖는 것으로서, 합성수지 필름 또는 섬유 시트(직물, 부직포) 및 종이 등으로부터 선택될 수 있다.
본 발명에 따르면, 전도성 카본블랙의 표면에 전도성 고분자가 코팅된 전도성 고분자 복합 분말이 포함되어, 이에 의해 온도 조절이 용이하고, 온도 상승속도가 높으며, 우수한 전기 전도성을 갖는다. 또한, 상기 전도성 고분자 복합 분말이 10중량% 이하로 소량 포함되어도 우수한 전기 전도성 및 발열 특성을 가지면서 유연성을 확보하여 접거나 구부리는 경우에도 부서지거나 크랙(crack) 현상이 방지되는 효과를 갖는다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 전도성 조성물은, 전도성 고분자 복합 분말 및 바인더를 적어도 포함한다. 이때, 상기 전도성 고분자 복합 분말은 카본블랙의 표면에 전도성 고분자가 코팅되어 구성된다. 보다 구체적으로, 상기 전도성 고분자 복합 분말은, 전도성 고분자가 카본블랙의 표면에서 합성되어 카본블랙의 표면에 코팅된 코어-셀(core-shell) 구조를 갖는다. 상기 전도성 고분자는 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리(3,4-에틸렌옥시티오펜) 및 이들의 유도체(또는 공중합체) 등으로부터 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다. 또한, 전도성 고분자는 π-공액계를 유용하게 사용할 수 있다.
종래와 같이 카본블랙만을 사용하는 경우에 전도성 페이스트 제조 시 카본블 랙 입자들 사이의 접촉이 이루어져야 전도성을 나타내기 때문에 30 중량부(중량%) 이상 함유시켜야 하고, 이에 따라 면상발열체 제조 시 유연성이 떨어지고, 크랙이 발생하여 장기간 사용이 어려웠는데, 본 발명에 따르면, 전도성 고분자 복합 분말은 조성물 전체 중량 기준으로 10중량부(중량%) 이하로서 적은 양을 사용하여도 우수한 전도성 및 낮은 표면저항 특성을 갖는다. 이에 따라, 적은 양의 전도성 물질의 함유에 의해 면상발열체의 유연성을 확보할 수 있다. 구체적으로, 면상발열체의 유연성에 부정적인 영향을 미치지 않아 접거나 구부리는 경우에 발생되는 크랙 등을 방지하여 발열 특성을 저하시키지 않는다. 아울러, 높은 열적 안정성을 가지고 있어 발열체를 장기간 사용할 수 있게 한다. 또한, 상기 전도성 고분자 복합 분말은 높은 전기 전도도 및 열전도성을 갖는다. 이에 따라, 온도 조절이 용이하고, 온도 상승속도가 높은 등의 우수한 발열 특성을 발휘한다.
상기 전도성 고분자 복합 분말은 2 ~ 3000㎚ 범위의 나노 사이즈를 사용할 수 있으며, 상용화된 제품으로는 이오노머를 유용하게 사용할 수 있다. 이러한 상품 이오노머로서 30F, 20F, 300F 등을 사용할 수 있다. 이러한 전도성 고분자 복합 분말은 조성물 내에 0.5 ~ 20 중량부로 포함될 수 있다. 이때, 전도성 고분자 복합 분말의 함량이 0.5 중량부 미만이면 본 발명에서 목적하는 발열 특성이 양오하지 못하며, 20 중량부를 초과하여 너무 많이 함유되면 면상발열체의 유연성이 떨어져 바람직하지 않을 수 있다. 바람직하게는, 전도성 고분자 복합 분말은 이오노머 제품의 경우 조성물 내에 1 ~ 15중량부로 포함되는 것이 좋다.
상기 바인더는 전도성 고분자 복합 분말 간의 결합력 및 면상발열체의 기재 에 대한 부착력을 제공하기 위한 것으로, 이는 액상 및 분말 상을 포함한다. 이러한 바인더는 우레탄계, 아크릴계, 우레탄-아크릴계, 에스터계, 에테르계, 폴리비닐알콜계, 폴리비닐부티랄계, 셀룰로즈계 및 에폭시계로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 이때, 상기 셀룰로즈계는 에틸셀룰로즈, 메틸셀룰로즈, 니트로셀룰로즈, 카복시메틸셀룰로즈 등의 셀룰로즈 유도체 등을 예로 들 수 있다. 이들 중에서 바람직하게는 유연성 면에서 우수한 우레탄계가 좋다. 상기 바인더는 조성물 내에 5 ~ 50 중량부로 포함되며, 바인더의 함량이 5 중량부 미만이면 전도성 고분자 복합 분말의 결합력이 떨어져 바람직하지 않고, 50 중량부를 초과하면 상대적으로 전도성 고분자 복합 분말의 함량이 작아져 바람직하지 않을 수 있다. 바인더는, 바람직하게는 20 ~ 30 중량부로 포함되는 것이 좋다.
본 발명에 따른 발열체용 전도성 조성물은 액상, 페이스트상 및 분말상을 포함하며, 바람직하게는 면상발열체의 제조 공정에서 유리한 페이스트상이다. 이때, 본 발명에 따른 전도성 조성물은 페이스트상일 경우 유기용제를 포함하며, 바람직하게는 전도성 고분자 복합 분말의 균일한 분산을 위한 분산제를 더 포함하는 것이 좋다.
상기 유기용제로는 메틸알콜, 에틸알콜, 이소프로필알콜, 부탄올 등의 알콜류, 벤젠, 크실렌, 텍사놀, 에틸렌글리콜, 부틸카비톨, 에틸셀로솔브, 글리세롤, 및 디메틸술폭시드 등으로부터 선택된 단독 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며, 이는 특별히 한정하는 것은 아니지만 조성물 내에 5 ~ 40 중량부로 포함되는 것이다. 또한, 이러한 유기용제 대신에 수성(물)을 용제로 사용할 수 있다.
상기 분산제는 우레탄계, 아크릴계, 인계, 유기산염계 및 무기산염계로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 이러한 분산제는 조성물 내에 0.2 ~ 10 중량부로 포함되는 것이 좋다. 분산제의 함량이 0.2 중량부 미만이면 전도성 고분자 복합 분말이 페이스트 조성물 내에 균일하게 분산되도록 하는 것이 어려우며, 10 중량부를 초과하면 과잉 함유에 따른 상승효과가 없어 바람직하지 않다.
또한, 본 발명에 따른 전도성 조성물은 증점제를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 증점제는 페이스트상에서의 점도를 증가시켜 면상발열체의 제조 시 코팅성 등의 가공성을 위한 것으로, 이는 셀룰로즈계, 폴리아크릴아미드계, 폴리우레탄계, 폴리사카라이드계 및 이들의 공중합체로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 이때, 상기 셀룰로즈계로는 메틸 셀룰로즈, 하이드록시 에틸셀룰로즈, 하이드록시 프로필셀룰로즈 등을 예로 들 수 있으며, 상기 폴리아크릴아미드계로는 폴리아크릴아미드 및 이의 공중합체 등을 예로 들 수 있다. 또한 상기 폴리우레탄계로는 폴리우레탄, 폴리우레탄-아크릴 및 이들의 공합체 등을 예로 들 수 있으며, 상기 폴리사카라이드계는 웰란검, 커들란 등의 바이오 고분자 등을 예로 들 수 있다. 이러한 증점제는 조성물 내에 0.2 ~ 10 중량부로 포함될 수 있으며, 이러한 증점제의 함량이 0.2 중량부 미만이면 그의 함유에 따른 점도 상승의 효과가 미미하며, 10 중량부를 초과하면 점도가 너무 높아 코팅성 등의 가공성이 떨어져 바람직하지 않다.
또한, 본 발명에 따른 전도성 조성물은 활성탄, 탄소, 세라믹, 황토, 숯, 천 연석, 인상흑연 및 토상흑연 등으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상의 분말을 더 포함할 수 있으며, 이러한 분말은 0.05 ~ 5 중량부로 포함되는 것이 좋다. 이때, 상기 세라믹으로는 알루미나 분말, 탄화규소 분말, 질화알루미나 분말 또는 이들의 혼합을 예로 들 수 있으며, 상기 천연석으로는 맥반석, 제올라이트, 지르코니움 등을 예로 들 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 전도성 조성물은 전원 인가에 의해 열을 발생시키는 발열체의 재료로 유용하게 사용된다. 본 발명에 따른 전도성 조성물은 판상의 시트나 입체적 형상을 가지는 성형체의 발열체로 제조될 수 있으며, 바람직하게는 이하에서 설명되는 본 발명에 따른 면상발열체의 발열층으로 적용된다.
도 1은 본 발명의 구현예에 따른 면상발열체의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 구현예에 따른 면상발열체의 평면구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 면상발열체는 기재(10);상기 기재(10) 상에 형성된 발열층(20); 및 상기 발열층(20)에 형성된 전극(30);을 적어도 포함한다. 이때, 상기 발열층(20)은 전술한 바와 같은 본 발명의 전도성 조성물을 포함한다. 바람직하게는, 상기 발열층(20)은 페이스트상의 본 발명에 따른 전도성 조성물이 도포되어 형성된다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 면상발열체는,
용제에 전도성 고분자 분말(이오노머) 및 바인더를 혼합, 분산하여 전도성 페이스트를 제조하는 단계(제1공정)와;
상기 제1공정에서 제조된 전도성 페이스트를 기재(10)에 도포하는 도포단계 (제2공정)와;
상기 도포단계 후에 전극(30)을 형성시키는 전극형성단계(제3공정);를 포함하는 공정을 통하여 제조될 수 있다.
상기 기재(10)는 유연성을 갖는 것으로서, 합성수지 필름, 섬유시트 또는 종이로부터 선택될 수 있다. 이때, 상기 합성수지 필름은 PE(폴리에틸렌), PP(폴리프로필렌), PS(폴리스티렌), PC(폴리카보네이트), PA(폴리아미드), PET(폴리에스트), PU(폴리우레탄) 또는 불소 수지 등으로의 구성된 필름 및 이들의 발포 시트(발로 PS 시트 등)를 예로 들 수 있다. 또한, 상기 섬유시트는 천연섬유나 합성섬유로부터 제조된 직포 및 부직포를 포함한다.
위와 같은 전도성 페이스트를 기재(10) 상에 도포함에 있어서, 스크린 프린팅방식을 이용하여 기재(10) 상에 균일하게 코팅하는 것이 바람직하다. 그러나 본 발명에서의 도포 방법은 스크린 프린팅방식에 한정하는 것은 아니며, 롤, 그라비아, 나이프, 분사, 침지코팅방식 등을 사용할 수 있다.
또한, 상기 전극(30)은 알루미늄, 은, 금, 철, 백금, 및 구리 등으로 이루어진 군중에서 선택된 단일 금속 또는 합금을 이루어질 수 있으며, 이러한 전극(30)은 띠 형상으로 증착에 의하거나 소정의 폭으로 절단된 후 부착될 수 있다. 아울러, 상기 전극(30)은 발열층(20) 상에 적층 부착(또는 증착)되거나, 발열층(20)에 내삽될 수 있다. 도면에서 미설명부호 40은 직류전원이 인가되는 전기접점을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 예시한다. 이하의 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것을 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.
[전도성 고분자 페이스트 제조]
<실시예 1>
에탄올 80g과 분산제 1g를 저스트밀을 사용하여 프리 믹싱한 후, 여기에 전도성 고분자 복합 분말(이오노머 20F) 19g을 첨가하여 고속 교반하여 전도성 고분자 페이스트를 제조하였다.
<실시예 2>
에탄올 93g과 분산제 2g를 저스트밀을 사용하여 프리 믹싱한 후, 여기에 전도성 고분자 복합 분말(이오노머 30F) 5g을 첨가하여 고속 교반하여 전도성 고분자 페이스트를 제조하였다.
[면상발열체의 제조]
<실시예 3>
실시예 1에서 제조된 전도성 고분자 페이스트를 PE 섬유에 양면 코팅한 후, Ag Paste를 양 끝단에 코팅하여 전극을 제작하였다. 이 전극에 AC 전력을 인가한 후, 인가된 전압에 따른 1분후의 온도를 비접촉식 온도계를 사용하여 측정하 였다. 그 측정값을 도 3에 나타내었다.
<실시예 4>
실시예 1에서 제조된 전도성 고분자 페이스트에 부직포를 함침하여 양면 코팅한 후 100℃에서 10분간 건조시켰다. 건조 후, 부직포 섬유 양단에 전극으로 Cu 동박을 부착한 후 라미네이팅 하여 전극과 부직포를 밀착시켰다. 그리고 양 전극간 저항을 측정한 후, 양 전극에 AC를 1분 동안 인가하여 발열 온도를 비접촉시 온도계를 사용하여 측정하였다. 그 측정값을 하기 [표 1]에 나타내었다. 또한 함침된 부직포의 열적 특성을 도 4에 나타내었다.
<실시예 5>
실시예 4와 같은 방법으로 실시하되 실시예 2에서 제조된 전도성 고분자 페이스트를 사용하였다. 그리고 발열 온도를 측정하여 그 측정값을 하기 [표 1]에 나타내었다.
| 인가전압 | 1분후의 발열 온도 | 비 고 | |
| 실시예 4 | 12V | 62℃ | |
| 실시예 5 | 12V | 55℃ |
<실시예 6>
실시예 1에서 제조된 전도성 고분자 페이스트를 PE 섬유에 바코터를 이용하 여 양면 코팅하여 100℃에서 10분간 건조시켰다. 건조 후, 전극으로 Cu 동박을 부착한 후 라미네이팅을 하여 Cu 전극과 PE 섬유를 밀착시켰다. 그리고 양 전극간의 저항을 측정한 후, 양 전극에 DC 12V를 인가하여 시간에 따른 발열 온도를 비접촉시 온도계를 사용하여 측정하였다. 그 측정값을 도 5에 나타내었다.
<실시예 7>
실시예 6과 동일한 방법으로 실시하되, 실시예 2에서 제조된 전도성 고분자 페이스트를 사용하였다. 그리고 발열 온도를 측정하여 그 측정값을 도 5에 나타내었다.
< 비교예 1>
실시예 6과 동일한 방법으로 실시하되, 카본블랙 페이스트를 사용하였다. 구체적으로, 종래와 같이 용제에 카본블랙 입자를 분산시킨 페이스트를 사용하였다. 그리고 발열 온도를 측정하여 그 측정값을 도 5에 나타내었다.
도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라서 카본블랙 표면에 전도성 고분자가 코팅된 복합 분말이 포함된 전도성 고분자 페이스트를 사용하는 경우, 종래와 같이 카본블랙 페이스트를 사용한 비교예보다 우수한 발열 특성을 가짐을 알 수 있었다.
도 1은 본 발명의 구현예에 따른 면상발열체의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 구현예에 따른 면상발열체의 평면구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 면상발열체의 인가된 전압에 따른 온도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 면상발열체의 전극에 AC를 1분 동안 인가하여 발열 온도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 면상발열체의 전극에 DC 12V를 인가하여 시간에 따른 발열 온도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 기재 20 : 발열층
30 : 전극 40 : 전기접점
Claims (7)
- 카본블랙의 표면에 전도성 고분자가 코팅된 전도성 고분자 복합 분말; 및 바인더를 포함하고,상기 바인더는 우레탄계, 아크릴계, 우레탄-아크릴계, 에스터계, 에테르계, 폴리비닐알콜계, 폴리비닐부티랄계, 셀룰로즈계 및 에폭시계로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 발열체용 전도성 조성물.
- 제1항에 있어서,상기 전도성 고분자는 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리(3,4-에틸렌옥시티오펜) 및 이들의 유도체(또는 공중합체)로부터 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 발열체용 전도성 조성물.
- 제1항에 있어서,전도성 조성물은 분산제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발열체용 전도성 조성물.
- 제1항에 있어서,전도성 조성물은 증점제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발열체용 전도성 조성물.
- 제1항에 있어서,전도성 조성물은 활성탄, 탄소, 세라믹, 황토, 숯, 천연석, 인상흑연 및 토상흑연으로 이루어진 군중에서 선택된 하나 이상의 분말을 더 포함하고,상기 세라믹은 알루미나 분말, 탄화규소 분말, 질화알루미나 분말 또는 이들의 혼합인 것을 특징으로 하는 발열체용 전도성 조성물.
- 기재;상기 기재 상에 형성된 발열층; 및상기 발열층에 형성된 전극;을 포함하고,상기 발열층은 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 따른 발열체용 전도성 조성물을 포함하는 것을 특징으로 하는 면상발열체.
- 제6항에 있어서,기재는 합성수지 필름, 섬유시트 또는 종이인 것을 특징으로 하는 면상발열체.
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