KR100979538B1 - 도전성 박막과 전극을 구비한 발열기판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 우수한 도전성과 발열 성능을 갖고, 국부적인 과열 현상을 최소화하여 전면에 걸쳐 발열이 균일하게 이루어지도록, 기판과, 상기 기판의 한쪽 면에 형성되는 도전성 박막, 기판 일측에 설치되는 제1 메인전극과 제2 메인전극, 상기 제1 메인전극과 제2 메인전극에서부터 각각 단계적으로 분기되어 상기 도전성 박막을 복수 개의 구역으로 분할하고 각 구역을 사이에 두고 전기적으로 연결되는 가지전극을 포함하는 발열기판을 제공한다.

메인전극, 가지전극, 분기, 전기단열대

Description

도전성 박막과 전극을 구비한 발열기판{HEATING SUBSTRATE EQUIPPED WITH CONDUCTIVE-THIN-FILM AND ELECTRODE}

본 발명은 도전성 박막과 전극을 구비한 발열기판 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 도전성 박막에 전극을 형성시키고, 이 전극과 도전성 박막으로 전류가 통하면서 열이 발생되는 도전성 박막과 전극을 구비한 발열기판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 발열기판은 부도체 기판에 전기전도성을 가진 발열물질을 입히고 그 위에 전극을 배치한 구조로 되어 있다. 이에 전극의 양단에 직류 또는 교류 전압을 걸어주면 전기전도성 발열물질로 전류가 흐르면서 열이 발생된다.

상기 전기전도성 발열물질에서 발생되는 발열량은 전기전도성 발열물질의 전기 저항에 의해서 제한된다. 보다 많은 발열량을 내야 하는 발열장치에 있어서 전기저항에 의해서 발열량이 제한되는 것은 결정적인 문제점이 될 수 있다.

일 예로 발열장치는 폴리에스테르(polyester, PET) 기판 위에 도전성 박막을 도포하고 양 가장자리에 금속 성분의 전극을 형성시킴으로써 만들어지게 되는데, 이때 도전성 박막의 저항이 커서 발열량을 증가시키는데 한계가 있다.

자동차의 전면유리나 후면 유리와 같이 넓은 면적에 발열장치를 적용하려면 발열양이 충분해야 성에 제거(Defrosting) 효과를 얻을 수 있다. 특히, 일반적으로 자동차는 12 V 전압을 사용하는데, 이러한 크기의 전압으로 발열량을 증가시키는 데에는 한계가 있다.

대표적인 도전성 박막의 재료인 산화인듐주석(ITO: indium tin oxide)의 경우에는 대략 표면저항이 제조 조건에 따라 수 오옴(Ω)에서 수천 오옴(Ω) 까지 변화시키는 것이 가능하지만 수 오옴(Ω)까지 낮추기 위해서는 많은 비용과 까다로운 공정이 필요하다.

일부 응용분야에서 저항의 크기라는 것은 큰 문제가 되지 않지만 낮은 저항이 요구되는 제품에서는 적용에 큰 장애가 되곤 한다. 따라서 현재 도전성 박막의 투명도를 유지하면서 저항을 낮추는 연구가 많이 진행되고 있다.

이에 도전성 박막의 저항을 낮춤으로써 우수한 도전성과 발열 성능을 갖는 도전성 박막과 전극을 구비한 발열기판을 제공한다.

또한, 국부적인 과열 현상을 최소화하여 전면에 걸쳐 발열이 균일하게 이루어지도록 함으로써 온도 분포가 균일한 도전성 박막과 전극을 구비한 발열기판을 제공한다.

이를 위해 본 장치는 기판과, 상기 기판의 한쪽 면에 형성되는 도전성 박막, 기판 일측에 설치되는 제1 메인전극과 제2 메인전극, 상기 제1 메인전극과 제2 메인전극에서부터 각각 단계적으로 분기되어 상기 도전성 박막을 복수 개의 구역으로 분할하고 각 구역을 사이에 두고 전기적으로 연결되는 가지전극을 포함할 수 있다.

이 때, 복수 개의 구역들로 분할된 도전성 박막에서, '분할'의 의미는 물리적으로 분리되어 거리를 두고 배치되는 것뿐만 아니라, 전극 등을 경계로 하여 서로 인접하면서도 구분되는 구역들로 나누어지는 것을 포함하는 것이다.

상기 가지전극은 상기 제1 메인전극에서 분기되고 상기 도전성 박막에 접하여 상기 도전성 박막의 일측을 가로질러 상기 제2 메인전극을 향해 신장되어 형성되는 복수 개의 제1차 가지전극, 상기 제2 메인전극에서 분기되고 상기 도전성 박막에 접하여 상기 제1차 가지전극과 대응하여 형성되는 복수개의 제2차 가지전극, 상기 제1차 가지전극에서 분기되고 상기 도전성 박막에 접하여 상기 도전성 박막의 일측을 가로질러 상기 제2차 가지전극을 향해 신장되어 형성되는 복수 개의 제3차 가지전극, 상기 제2차 가지전극에서 분기되고 상기 도전성 박막에 접하여 상기 제3차 가지전극과 대응하여 형성되는 복수 개의 제4차 가지전극을 포함할 수 있다.

또한, 상기 가지전극은 상기 제3차 가지전극에서 분기되고 상기 도전성 박막에 접하여 상기 도전성 박막의 일측을 가로질러 상기 제4차 가지전극을 향해 신장되어 형성되는 복수 개의 제5차 가지전극, 상기 제4차 가지전극에서 분기되고 상기 도전성 박막에 접하여 상기 제5차 가지전극과 대응하여 형성되는 복수 개의 제6차 가지전극을 더욱 포함할 수 있다.

상기 가지전극은 가지전극에서 다음 가지전극이 수회에 걸쳐 단계적으로 분 기되는 구조로, 제1 메인전극에서부터 단계적으로 복수 회 분기되고 상기 도전성 박막에 접하여 형성되는 복수 개의 제n차 가지 전극과, 상기 제2 메인전극에서부터 단계적으로 복수 회 분기되고 상기 도전성 박막에 접하여 상기 제n차 가지전극과 대응하여 형성되는 제n+1차 가지전극을 포함할 수 있다. 여기서 n은 분기 횟수에 따라 1에서부터 증가하는 1,3,5,7...순서로 홀수로 설정된다. 이에 1회 분기시에는 메인전극으로부터 제1차 가지전극과 제2차 가지전극이 분기되고, 2회 분기시에는 제3,4차 가지전극이 제1,2차 가지전극으로부터 분기된다.

이와같이, 단계적으로 분기된다는 의미는 메인전극으로부터 가지전극이 분기되고 이 가지전극에서 다음 가지전극이 분기되고 다음 가지전극에서 또 다음 가지전극이 분기되는 것으로, 가지에 가지를 치듯이 단계적으로 가지전극이 계속 분기된다는 것을 뜻한다.

여기서 상기 제1 메인전극과 상기 제2 메인전극은 마주보도록 배치될 수 있다.

또한, 상기 제n차 가지전극과 상기 제n+1차 가지전극은 서로 교대로 배치되도록 형성될 수 있으며, 상기 제n차 가지전극과 상기 n+1차 가지전극은 서로 평행하게 배치될 수 있다.

상기 제2차 가지전극의 끝단과 상기 제1 메인전극 사이 또는 상기 제1차 가지전극의 끝단과 상기 제2 메인전극 사이에는 전기의 흐름을 차단하는 전기단열대가 형성될 수 있다.

또한, 상기 제3차 가지전극의 끝단과 상기 제2차 가지전극 사이 또는 상기 제4차 가지전극의 끝단과 상기 제1차 가지전극의 끝단 사이에는 전기의 흐름을 차단하는 전기단열대가 형성될 수 있다.

또한, 상기 제5차 가지전극의 끝단과 상기 제4 가지전극 사이 또는 상기 제6 가지전극의 끝단과 상기 제3 가지전극 사이에는 전기의 흐름을 차단하는 전기단열대가 형성될 수 있다.

상기 전기단열대는 상기 도전성 박막이 형성되지 않은 비도전구역을 포함할 수 있다. 또한, 상기 전기단열대는 상기 도전성 박막이 형성되지 않은 비도전구역 내에 채워지는 비도전성 전기 절연재를 더욱 포함할 수 있다.

상기 비도전성 전기 절연재는 기판과 동일한 재질이나 알루미늄 합금 재질 또는 유리 또는 폴리머 재질 또는 PVB수지(polyvinyl butyral resin) 또는 실리콘카바이드(SiC; silicon carbide)에서 선택될 수 있다.

아울러, 본 발열기판을 제조하는 방법은, 기판 위에 전기단열대를 갖는 도전성 박막을 형성하는 도전성 박막 형성단계, 상기 기판 위에 메인전극을 형성하는 메인전극 형성단계 및 상기 메인전극에서 연장되고 상기 도전성 박막에 접하여 상기 도전성 박막의 일측을 가로질러 가지전극을 형성하는 가지전극 형성단계를 포함한다.

또한, 본 제조방법은 상기 전기단열대에 전기 절연재를 도포하는 공정을 더욱 포함할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발열기판에 의하면, 기판 위에 형성된 메인전극 사이에 도전성 박막에 형성되고, 이 도전성 박막에 가지전극이 형성되어 이 도전성 박막은 전기적으로 병렬 연결된다. 따라서 메인전극 사이에 도전성 박막의 전기적인 저항은 줄어들게 된다. 결과적으로, 도전성 박막을 통하여 보다 많은 전류가 흘러 도전성 박막의 발열량이 향상된다.

또한, 도전성 박막이 여러 개로 나누어지고, 이렇게 나뉜 도전성 박막에 각각 가지전극들이 형성된다. 따라서 도전성 박막을 통하여 전류가 더욱 용이하게 흘러 도전성 박막의 발열성능이 더욱 향상된다.

또한, 가지전극 끝단에서의 국부적인 과열을 방지함으로써, 도전성 박막 전면에 걸쳐 균일한 발열이 이루어져 온도 균일도를 높일 수 있게 된다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 다른 실시예에서 대응하거나 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다. 어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.

본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형, 예를 들면 제조 방법 및/또는 사양의 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다. 예를 들면, 편평하다고 도시되거나 설명된 영역은 일반적으로 거칠거나/거칠고 비선형인 특성을 가질 수 있다. 또한, 날카로운 각도를 가지는 것으로 도시된 부분은 라운드질 수 있다. 따라서 도면에 도시된 영역은 원래 대략적인 것에 불과하며, 이들의 형태는 영역의 정확한 형태를 도시하도록 의도된 것이 아니고, 본 발명의 범위를 좁히려고 의도된 것이 아니다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 도전성 박막과 전극을 구비한 발열기판을 도시한 평면도로서, 도전성 박막과 전극의 구조를 예시하고 있다.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 발열기판은, 기판(100)과, 이 기판(100) 위에 얇게 형성되는 도전성 박막(105), 이 기판(100)의 양쪽 가장자리에 형성되는 메인전극들(110, 115) 및 이 메인전극들(110, 115)에서 각각 분기되어 형성되는 가지전극들(120, 125)을 포함한다.

본 실시예에서, 도전성 박막(105)은 사각형 형태로 기판(100) 위에 형성된다. 또한 도 1에 도시한 바와 같이, 메인전극 중 제1 메인전극(110)은 도전성 박막(105)의 상단에서 y축 방향을 따라 길게 형성되고, 제2 메인전극(115)은 도전성 박막(105)의 하단에서 y축 방향을 따라 길게 형성된다.

또한 가지전극은 제1차 가지전극들(120)과 제2차 가지전극들(125)을 포함한다. 상기 제1차 가지전극들(120)은 제1 메인전극(110)에서 분기되어 제2 메인전극(115) 방향으로 신장되어 도전성 박막(105) 위에 형성된다. 또한 제2차 가지전극들(125)은 제2 메인전극(115)에서 분기되어 제1 메인전극(110) 방향으로 신장되어 도전성 박막(105) 위에 형성된다.

이하 설명의 편의를 위해 제1 메인전극과 제2 메인전극을 구분하지 않을 경우에는 제1과 제2를 생략하고 단지 메인전극으로만 기재한다. 가지전극 역시 각각의 가지전극을 구분하지 않을 경우에는 제1 차나 제 2차, 제3 차 등 차수를 생략하고 단지 가지전극으로만 기재한다.

여기서 상기 가지전극의 전기전도도는 발열물질인 도전성 박막보다 상당히 커야 한다. 이와 같이 동일한 두께의 전극의 저항이 박막의 저항보다 커야 가지전극이 메인전극 사이의 저항을 줄이는 역할을 수행하게 된다.

또한, 상기 가지전극은 도전성 박막에 비해 아주 미미한 수준의 발열이 일어나므로 가지전극에 의해 박막의 면적이 줄어들지 않아야 한다. 따라서 본 발열기판은 상기 가지전극이 보다 미세하게 가공되어, 발열면인 도전성 박막의 면적을 최대한 확보할 수 있는 구조로 되어 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 가지전극들(120, 125)은 서로 평행하게 배치되고, 제1 메인전극(110)에서 시작되는 제1차 가지전극들(120)과 제2 메인전극(115)에서 시작되는 제2차 가지전극들(125)은 서로 교대로 배치된다.

여기서 상기 제1차 가지전극(120)과 제2차 가지전극(125) 사이의 폭(L)은 제1 메인전극(110)과 제2 메인전극(115) 사이의 폭보다 좁게 형성된다.

본 실시예에서, 전류는 제1 메인전극(110)에서 가지전극들(120, 125)을 통하여 제2 메인전극(115)으로 흐르게 된다. 좀 더 상세하게 설명하면, 전류는 제1 메인전극(110)에서 제1차 가지전극(120)으로 흐르고, 가지전극들 사이의 도전성 박막(105)을 통해 제2차 가지전극(125)으로 흘러 제2 메인전극(115)으로 유도된다.

여기서 본 발열기판은 상기 제2차 가지전극(125)의 끝단과 상기 제1 메인전극(110) 사이에 전기의 흐름을 차단하는 전기단열대(130)가 형성된다. 또한 이와 대응되도록 상기 제1차 가지전극(120)의 끝단과 상기 제2 메인전극(115) 사이에는 전기의 흐름을 차단하는 전기단열대(130)가 형성된다.

상기 전기단열대(130)는 메인전극(110,115)을 따라 평행하게 연속적으로 형성되어, 띠형태를 이룬다.

본 실시예에 따르면 상기 전기단열대(130)는 도전성 박막이 형성되지 않은 비도전구역으로 이루어진다.

도 2는 도 1의 A-A선 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 기판(100) 상에는 제1 메인전극(110)과 도전성 박막(105) 사이에 전기단열대(130)가 구비되어 도전성 박막(105)이 제1 메인전극(110)과 전기적으로 절연된다. 이에 제2차 가지전극(125)의 끝단이 제1 메인전극(110)과 전기장을 형성하지 못하게 된다.

이와같이 전기단열대(130)에서는 도전성 박막(105)과 메인전극(110,115)이 서로 전기적으로 연결되지 않아 전류가 흐르지 않는다. 따라서 전류는 오로지 제1 차 가지전극들(120)에서 도전성 박막(105)을 통해 제2차 가지전극들(125)로만 흐르게 된다.

즉, 전류는 가지전극들이 배열된 방향인 y축 방향으로만 흐르게 된다. 이와같이 전기단열대(130)가 형성됨으로써 도전성 박막(105)에서의 전기 포텐셜 구배의 방향을 일정하게 유지할 수 있다. 이에 가지전극들의 끝단에서의 국부적 과열이 발생하지 않아 균일한 발열이 가능하게 되는 것이다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 발열기판을 도시하고 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 발열기판은 기판(100) 상에 형성되는 전기단열대(130) 내에 비도전성 전기 절연재(135)가 충진된 구조로 되어 있다. 상기 비도전성 전기 절연재(135)는 기판과 동일한 재질이나 알루미늄 합금 재질 또는 유리 또는 폴리머 재질 또는 PVB수지(polyvinyl butyral resin) 또는 실리콘카바이드(SiC;silicon carbide)에서 선택될 수 있다.

제2 실시예의 발열기판에서 상기 비도전성 절연재 외에 다른 구조는 제1 실시예의 발열기판과 동일하므로 이하 설명을 생략한다.

도 4는 상기한 구조의 발열기판에 있어서 전기단열대를 적용한 경우(실시예)와 적용하지 않은 경우(비교예)에 단위 면적당 발열량과 온도 분포를 비교하여 나타내고 있다.

도 4에서 본 실험에 사용된 발열기판은 가로 100mm, 세로 100mm, 두께 3mm인 유리기판에 전도성 발열물질로 탄소나노튜브(CNT)막을 형성하고, 가지전극의 간격(도 1의 L 참조)은 20mm인 구조로 되어 있다. 상기 발열기판에 10V의 전압을 걸어 실험을 실시하였다. 또한, 본 실시예는 상기와 같이 전기단열대가 구비된 발열기판이고, 비교예는 전기단열대가 구비되지 않은 발열기판이다. 양자는 전기단열대의 유무만이 상이할 뿐 나머지 구조는 동일하다.

도시된 바와 같이, 본 실시예의 발열기판은 전기단열대가 구비되지 않은 경우와 비교하여 도전성 박막 전면에서 균일한 발열이 일어남을 알 수 있다. 이에 따라 발열기판의 중심부에서의 온도 균일도도 크게 향상되었음을 확인할 수 있다.

여기서 상기와 같이 메인전극에서 가지전극을 분기하여 전극배치를 하는 경우 저항이 감소하여 단위 면적당 발열량은 증가하게 된다.

상기 제1 실시예에 따른 발열기판의 경우, 가지전극들이 없을 때 전체 도전성 박막(105)의 전기적인 저항이 R이라고 가정하면, 가지전극(120,125)들에 의해 3개로 분할된 도전성 박막(105)의 전기적인 저항은 R/9로 줄어든다. 즉, 가지전극(120,125)들에 의해 각 도전성 박막(105)의 폭이 줄어들어 각 도전성 박막(105)의 저항은 R/3로 줄어든다. 이들이 다시 병열 연결되므로 전기적인 저항은 R/9로 더욱 줄어들게 된다. 전압(V)이 일정할 때, 저항(R)이 감소하면 전류(I)의 크기는 증가한다. 이와 같이 전류(I)의 크기가 증가하면 전력량(P)은 증가하게 되어 단위 면적당 발열량이 커지게 된다.

이에 상기 가지전극들 사이의 거리를 더욱 줄이게 되면 메인전극들 사이의 저항은 더욱 감소하게 된다. 따라서 발열기판의 단위 면적당 발열량이 극대화될 수 있다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 발열기판으로서, 단위 면적당 발열량을 극대화할 수 있도록 가지전극에서 또다른 가지전극을 분기시킨 구조를 예시하고 있다.

상기 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발열기판은 기판(500)과, 이 기판(500) 위에 얇게 형성되는 도전성 박막(505), 이 기판(500)의 양 가장자리쪽에 형성되는 메인전극들(510, 515) 및 이 메인전극들(510, 515)에서부터 단계적으로 분기되어 형성되는 가지전극(520,525,530,535)들을 포함한다.

본 실시예에서, 도전성 박막(505)은 사각형 형태로 기판(500) 위에 형성된다. 또한 도 5에 도시한 바와 같이, 메인전극 중 제1 메인전극(510)은 도전성 박막(505)의 상단에서 y축 방향을 따라 길게 형성되고, 제2 메인전극(515)은 도전성 박막(505)의 하단에서 y축 방향을 따라 길게 형성된다.

상기 가지전극은 상기 제1 메인전극(510)에서 분기되고 상기 도전성 박막(505)에 접하여 상기 도전성 박막의 일측을 가로질러 상기 제2 메인전극(515)을 향해 신장되어 형성되는 복수 개의 제1차 가지전극(520), 상기 제2 메인전극(515)에서 분기되고 상기 도전성 박막(505)에 접하여 상기 제1차 가지전극(520)과 대응하여 형성되는 복수개의 제2차 가지전극(525), 상기 제1차 가지전극(520)에서 분기되고 상기 도전성 박막(505)에 접하여 상기 도전성 박막의 일측을 가로질러 상기 제2차 가지전극(525)을 향해 신장되어 형성되는 복수 개의 제3차 가지전극(530), 상기 제2차 가지전극(525)에서 분기되고 상기 도전성 박막(505)에 접하여 상기 제3차 가지전극(530)과 대응하여 형성되는 복수 개의 제4차 가지전극(535)을 포함한다.

도 5에 도시한 바와 같이, 쌍을 이루는 제1차 가지전극(520)과 제2차 가지전극(525)는 서로 교대로 배열되어 평행하게 배치된다. 제3차 가지전극(530)과 제4차 가지전극(535) 역시 쌍을 이루어 서로 교대로 배열되어 평행하게 배치된다.

본 실시예에서, 전류는 제1 메인전극(510)에서 가지전극들(530,535)을 통하여 제2 메인전극(515)으로 흐르게 된다. 좀 더 상세하게 설명하면, 전류는 제1 메인전극(510)에서 제1차 가지전극(520)으로 흐르고, 제1차 가지전극(520)에서 제3차 가지전극(530)으로 흐른다. 제3차 가지전극(530)으로 흐른 전류는 가지전극들 사이의 도전성 박막(505)을 통해 제4차 가지전극(535)으로 흐른다. 제4차 가지전극(535)으로 흐른 전류는 연결된 제2차 가지전극(525)을 통해 제2 메인전극(515)으로 흐르게 된다.

여기서 상기 제3차 가지전극(530)과 제4차 가지전극(535) 사이의 폭(L')은 제1차 가지전극(520)과 제2차 가지전극(525) 사이의 폭(L)보다 좁게 형성된다.

이에 본 실시예에 따른 발열기판은 도전성 박막(505)을 통해 전류가 흐르는 가지전극들 사이의 거리가 더욱 줄게 되어 발열기판의 단위 면적당 발열량이 보다 커지게 된다. 이에 대한 실험결과는 뒤에서 다시 설명하도록 한다.

또한, 본 발열기판은 상기 제3차 가지전극(530)의 끝단과 상기 제2차 가지전극(525) 사이에 전기의 흐름을 차단하는 전기단열대(540)가 형성된다. 또한 이와 대응되도록 상기 제4차 가지전극(535)의 끝단과 상기 제1차 가지전극(520) 사이에 전기의 흐름을 차단하는 전기단열대(540)가 형성된다.

상기 전기단열대(540)는 제1차 가지전극(520)과 제2차 가지전극(525)을 따라 평행하게 연속적으로 형성되어, 띠형태를 이룬다.

본 실시예에 따르면 상기 전기단열대(540)는 도전성 박막이 형성되지 않은 비도전구역으로 이루어진다. 상기 전기단열대(540) 내에는 비도전성 절연재(도시되지 않음)가 더욱 충진될 수 있다.

이와같이 기판(500) 상에는 가지전극들(520,525)과 도전성 박막(505) 사이에 전기단열대(540)가 구비되어 도전성 박막(505)이 가지전극들(520,525)과 전기적으로 절연된다. 이에 제3차 가지전극(530)의 끝단이 제2차 가지전극(525)과 전기장을 형성하지 못하게 된다. 마찬가지로 제4차 가지전극(535)의 끝단이 제1차 가지전극(520)과 전기장을 형성하지 못하게 된다. 따라서 전류는 제3차 가지전극(530)에서 도전성 박막(505)을 통해 제4차 가지전극(535)로 흐르게 된다.

즉, 전류는 가지전극(530,535)들이 배열된 방향인 x축 방향으로만 흐르게 된다. 이와같이 전기단열대(540)가 형성됨으로써 도전성 박막(505)에서의 전기 포텐셜 구배의 방향을 일정하게 유지할 수 있다. 이에 가지전극들의 끝단에서의 국부적 과열이 발생하지 않아 균일한 발열이 가능하게 된다.

도 6은 상기 도 5에 도시한 제3 실시예의 발열기판에 있어서 단위 면적당 발열량과 온도 분포를 도시하고 있다.

도 6에서 본 실험에 사용된 발열기판은 가로 100mm, 세로 100mm, 두께 3mm인 유리기판에 전도성 발열물질로 탄소나노튜브(CNT)막을 형성한 것으로 도 4에 도시된 제2실시예의 발열기판과 동일하다. 제1차 가지전극과 제2차 가지전극의 간격(도 5의 L 참조)은 20mm이고, 제3차 가지전극(530)과 제4차 가지전극(535)의 간격(도 5 의 L' 참조)은 5mm이다. 상기 발열기판에 10V의 전압을 걸어 실험을 실시하였다.

단위면적당 발열량 분포 결과에서 보듯이, 본 실시예의 발열기판은 제3차 가지전극과 제4차 가지전극이 형성되지 않은 제2실시예의 발열기판과 비교하여 발열량이 증가한 것을 확인할 수 있다.

즉, 제1차 가지전극과 제2차 가지전극만이 형성된 제2실시예의 발열기판은 600W/㎡의 발열량(도 4 참조)이 발생하는 것에 비하여 본 실시예의 발열기판은 10000W/㎡의 발열량이 균일하게 나타난다. 이에 따라 온도는 제2실시예의 경우 40℃ 정도이나 본 실시예는 170℃ 이상 상승하게 된다. 이와같이 가지전극에서 다시 가지전극을 분기하여 전류가 흐르는 가지전극 사이의 간격을 줄임으로써 발열량을 증대시킬 수 있게 되는 것이다.

더불어, 온도분포 결과에서 보듯이 본 실시예의 발열기판 역시 전기단열대에 의해 도전성 박막 전면에서 균일한 발열이 일어남을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 발열기판을 도시하고 있다.

도 7을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 발열기판은, 기판(700)과, 이 기판(700) 위에 얇게 형성되는 도전성 박막(705), 이 기판(700)의 양쪽 가장자리에 형성되는 메인전극들(710, 715) 및 이 메인전극들(710, 715)에서부터 단계적으로 분기되어 형성되는 가지전극(720,725,730,735,740,745)들을 포함한다.

본 실시예에서, 도전성 박막(705)은 사각형 형태로 기판(700) 위에 형성된다. 또한 도 7에 도시한 바와 같이, 메인전극 중 제1 메인전극(710)은 도전성 박막(705)의 상단에서 y축 방향을 따라 길게 형성되고, 제2 메인전극(715)은 도전성 박막(705)의 하단에서 y축 방향을 따라 길게 형성된다.

상기 가지전극은 상기 제1 메인전극(710)에서 분기되고 상기 도전성 박막(705)에 접하여 상기 도전성 박막의 일측을 가로질러 상기 제2 메인전극(715)을 향해 신장되어 형성되는 복수 개의 제1차 가지전극(720), 상기 제2 메인전극(715)에서 분기되고 상기 도전성 박막(705)에 접하여 상기 제1차 가지전극(720)과 대응하여 형성되는 복수개의 제2차 가지전극(725), 상기 제1차 가지전극(720)에서 분기되고 상기 도전성 박막(705)에 접하여 상기 도전성 박막의 일측을 가로질러 상기 제2차 가지전극(725)을 향해 신장되어 형성되는 복수 개의 제3차 가지전극(730), 상기 제2차 가지전극(725)에서 분기되고 상기 도전성 박막(705)에 접하여 상기 제3차 가지전극(730)과 대응하여 형성되는 복수 개의 제4차 가지전극(735), 상기 제3차 가지전극(730)에서 분기되고 상기 도전성 박막(705)에 접하여 상기 도전성 박막의 일측을 가로질러 상기 제4차 가지전극(735)을 향해 신장되어 형성되는 복수 개의 제5차 가지전극(740), 상기 제4차 가지전극에서 분기되고 상기 도전성 박막(705)에 접하여 상기 제5차 가지전극(740)과 대응하여 형성되는 복수 개의 제6차 가지전극(745)을 포함한다.

도 7에 도시한 바와 같이, 쌍을 이루는 제1차 가지전극(720)과 제2차 가지전극(725)는 서로 교대로 배열되어 평행하게 배치된다. 제3차 가지전극(730)과 제4차 가지전극(735) 역시 쌍을 이루어 서로 교대로 배열되어 평행하게 배치된다. 제5차 가지전극(740)과 제6차 가지전극(745) 역시 쌍을 이루어 서로 교대로 배열되어 평행하게 배치된다.

본 실시예에서, 전류는 제1 메인전극(710)에서 가지전극들(740,745)을 통하여 제2 메인전극(715)으로 흐르게 된다. 좀 더 상세하게 설명하면, 전류는 제1 메인전극(710)에서 제1차 가지전극(720)으로 흐르고, 제1차 가지전극(720)에서 제3차 가지전극(730)으로 흐르고, 제3차 가지전극(730)에서 제5차 가지전극(740)으로 흐른다. 제5차 가지전극(740)으로 흐른 전류는 가지전극들 사이의 도전성 박막(705)을 통해 제6차 가지전극(765)으로 흐른다. 제6차 가지전극(745)으로 흐른 전류는 연결된 제4차 가지전극(735)과 제2차 가지전극(725)을 통해 제2 메인전극(715)으로 흐르게 된다.

여기서 상기 제5차 가지전극(740)과 제6차 가지전극(745) 사이의 폭(L")은 제3차 가지전극(730)과 제4차 가지전극(735) 사이의 폭(L')보다 좁게 형성된다.

이에 본 실시예에 따른 발열기판은 도전성 박막(705)을 통해 전류가 흐르는 가지전극들 사이의 거리가 더욱 줄게 되어 발열기판의 단위 면적당 발열량이 보다 커지게 된다.

또한, 본 발열기판은 상기 제5차 가지전극(740)의 끝단과 상기 제4차 가지전극(725) 사이에 전기의 흐름을 차단하는 전기단열대(750)가 형성된다. 또한 이와 대응되도록 상기 제6차 가지전극(745)의 끝단과 상기 제3차 가지전극(730) 사이에 전기의 흐름을 차단하는 전기단열대(750)가 형성된다.

상기 전기단열대(750)는 제2차 가지전극(730)과 제3차 가지전극(735)을 따라 평행하게 연속적으로 형성되어, 띠형태를 이룬다.

본 실시예에 따르면 상기 전기단열대(750)는 도전성 박막이 형성되지 않은 비도전구역으로 이루어진다. 상기 전기단열대(750) 내에는 비도전성 절연재(도시되지 않음)가 더욱 충진될 수 있다.

이와같이 기판(700) 상에는 가지전극들(730,735)과 도전성 박막(705) 사이에 전기단열대(750)가 구비되어 도전성 박막(705)이 가지전극들(730,735)과 전기적으로 절연된다. 이에 제5차 가지전극(740)의 끝단이 제4차 가지전극(735)과 전기장을 형성하지 못하게 된다. 마찬가지로 제6차 가지전극(745)의 끝단이 제3차 가지전극(730)과 전기장을 형성하지 못하게 된다. 따라서 전류는 제5차 가지전극(740)에서 도전성 박막(705)을 통해 제6차 가지전극(745)로 흐르게 된다.

즉, 전류는 가지전극(740,745)들이 배열된 방향인 y축 방향으로만 흐르게 된다. 이와같이 전기단열대(540)가 형성됨으로써 도전성 박막(705)에서의 전기 포텐셜 구배의 방향을 일정하게 유지할 수 있다. 이에 가지전극들의 끝단에서의 국부적 과열이 발생하지 않아 균일한 발열이 가능하게 된다.

본 발명의 발열기판은 이상 언급한 바와 같이 단계적 분기 횟수가 제5차 가지전극과 제6차 가지전극에 한정되지 않는다. 즉, 제5,6차 가지전극에서 다음 가지전극을 단계적으로 계속 분기하여 가지전극 사이의 폭을 더욱 줄일 수 있다. 이러한 구조 역시 전기단열대를 형성함으로써 전류의 흐름을 일방향으로 유지함으로써 발열의 균일성을 유지하면서 단위면적당 발열량을 극대화할 수 있게 된다.

도 8은 본 발명의 실시예들에 따른 도전성 박막과 전극을 구비한 발열기판의 제조 순서도이다.

도 1과 도 8을 참조하여 설명하면, 도전성 박막과 전극을 이용한 발열기판의 제조 형성단계는, 기판(100) 위에 전기단열대(130)를 구비하는 도전성 박막(105)을 형성하는 도전성 박막 형성단계(S100)와, 기판(100) 상에 메인전극들(110, 115)을 형성하는 메인전극 형성단계(S200) 및 메인전극들(110, 115)에서 시작되어 도전성 박막(105) 위에 신장되어 가지전극들(120)을 형성하는 가지전극 형성단계(S400)를 포함한다.

또한, 본 제조 단계는 상기 전기단열대(130) 내에 비도전성 절연재를 충진하는 단계(S300)를 더욱 포함한다. 상기 절연재 충진단계(S400)는 가지전극 형성 단계(S400) 전에 형성될 수 있다.

상기 도전성 박막 형성단계(S100)는 가지전극의 단계적 분기 횟수에 맞춰 가지전극을 통한 전류의 흐름 방향이 일정하도록 전기단열대의 형성 위치를 계산하여 도전상 박막을 형성한다. 이에 도전성 박막과 메인전극(또는 가지전극) 사이에 전기단열대가 형성된 상태로 도전상 박막이 기판 상에 형성된다.

도 8에서는 도전성 박막 형성단계(S100), 메인전극 형성단계(S200), 절연재 충진단계(S300) 및 가지전극 형성단계(S400)가 순차적으로 기재되어 있으나, 이들의 순서는 서로 바뀔 수 있다.

도 9 내지 도 12은 본 발명의 실시예에 따른 도전성 박막과 전극을 이용한 발열장치의 제조 공정도이다.

도 9에 도시한 바와 같이, 기판(100) 위에 도전성 박막(105)을 얇게 도포하여 형성한다. 이때 메인전극과 도전성 박막(105) 사이에 절연이 이루어져야 할 위치에는 도전성 박막이 도포되지 않도록 하여 전기단열대(130)를 형성한다.

다음 도 10에 도시한 바와 같이, 도전성 박막(105)과 전기단열대(130)를 사이에 두고 메인전극(110, 115)을 형성한다. 다음 도 11에 도시한 바와 같이, 전기단열대(130) 내에 비도전성 절연재(135)를 충진한다. 다음으로 도 12에 도시된 바와 같이 메인전극(110, 115)에서 시작되어 도전성 박막(105)을 따라서 가지전극(120, 125)을 형성한다.

도 9 내지 도 12는 도 8에서 대표적으로 개시된 순서도를 참고하여 설명한 것이나, 공정 순서가 바뀜에 따라 제조 공정이 바뀔 수 있음은 당연하다.

먼저 도전성 박막(105)은 산화인듐주석(ITO), 탄소나노튜브 및 도전성 폴리머와 같은 재료를 스퍼터링(Sputtering), 스핀 코팅(spin coating), 그라비아 인쇄, 스프레이 코팅(Spray coating), 슬릿 코팅(Slit coating) 및 딥 코팅(Dip coating)을 포함하는 다양한 방법에 의해 기판(100) 위에 형성될 수 있다.

특히 미세한 전극(110, 115, 120, 125)의 재료로는 투명하지 않은 대부분의 금속재질도 사용할 수 있으며, 투명성을 고려하는 경우에는 기존의 산화인듐주석(ITO)을 비롯한 다양한 투명한 도전성 재료들이 사용될 수 있다.

전극들(110, 115, 120, 125)을 만드는 방법으로는 잉크젯(Inkjet printing), 스크린 프린팅(screen printing), 그라비아 인쇄 및 옵티컬 리소그라피(optical lithography)가 있으며, 전극들의 두께, 폭에 따라 적절한 방법을 선택하여 이용할 수 있다. 특히 가지전극의 경우에는 와이어형태로 제작된 금속선을 부착하는 방식으로 제작이 가능하다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 도전성 박막과 전극을 구비한 발열기판의 평면도이다.

도 2는 도 1의 A-A선에 따른 도전성 박막과 전극을 구비한 발열기판의 단면도이다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 도전성 박막과 전극을 구비한 발열기판의 단면도이다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 도전성 박막과 전극을 구비한 발열기판의 단위 면적당 발열량 분포와 온도 분포를 종래기술과 비교 도시한 그래프이다.

도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 도전성 박막과 전극을 구비한 발열기판의 평면도이다.

도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 도전성 박막과 전극을 구비한 발열기판의 단위 면적당 발열량 분포와 온도 분포를 도시한 그래프이다.

도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 도전성 박막과 전극을 구비한 발열기판의 평면도이다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 도전성 박막과 전극을 구비한 발열기판의 제조 순서도이다.

도 9 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 도전성 박막과 전극을 이용한 발열장치의 제조 공정도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100,500,700: 기판 105,505,705: 도전성 박막

110,510,710: 제1 메인전극 115,515,715: 제2 메인전극

120,520,720: 제1차 가지전극 125,525,725: 제2차 가지전극

130,540,750: 전기단열대 135: 비도전성 절연재

530,730: 제3차 가지전극 535,735: 제4차 가지전극

740: 제5차 가지전극 745: 제6차 가지전극

Claims (11)

1. 기판과,

   상기 기판의 한쪽 면에 형성되는 도전성 박막,

   상기 기판의 일측에 상호간 거리를 두고 설치되는 제1 메인전극과 제2 메인전극, 및

   상기 제1 메인전극과 제2 메인전극에서부터 각각 단계적으로 분기되어 상기 도전성 박막을 복수 개의 구역으로 분할하고 각 구역을 사이에 두고 전기적으로 연결되는 가지전극을 포함하고,

   상기 가지전극은,

   상기 제1 메인전극에서 분기되고 상기 도전성 박막에 접하여 상기 도전성 박막의 일측을 가로질러 상기 제2 메인전극을 향해 신장되어 형성되는 복수 개의 제1차 가지전극,

   상기 제2 메인전극에서 분기되고 상기 도전성 박막에 접하여 상기 제1차 가지전극과 대응하여 형성되는 복수개의 제2차 가지전극,

   상기 제1차 가지전극에서 분기되고 상기 도전성 박막에 접하여 상기 도전성 박막의 일측을 가로질러 상기 제2차 가지전극을 향해 신장되어 형성되는 복수 개의 제3차 가지전극, 및

   상기 제2차 가지전극에서 분기되고 상기 도전성 박막에 접하여 상기 제3차 가지전극과 대응하여 형성되는 복수 개의 제4차 가지전극

   을 포함하는 발열기판.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1차 가지전극과 상기 제2차 가지전극은 서로 교대로 배치된 발열기판.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제3차 가지전극과 상기 4차 가지전극은 서로 교대로 배치된 발열기판.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 가지전극은 상기 제3차 가지전극에서 분기되고 상기 도전성 박막에 접하여 상기 도전성 박막의 일측을 가로질러 상기 제4차 가지전극을 향해 신장되어 형성되는 복수 개의 제5차 가지전극,

   상기 제4차 가지전극에서 분기되고 상기 도전성 박막에 접하여 상기 제5차 가지전극과 대응하여 형성되는 복수 개의 제6차 가지전극

   을 더욱 포함하는 도전성 박막과 전극을 구비한 발열기판.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 제2차 가지전극의 끝단과 상기 제1 메인전극 사이 또는 상기 제1차 가지전극의 끝단과 상기 제2 메인전극 사이에는 전기의 흐름을 차단하는 전기단열대 가 더욱 형성된 도전성 박막과 전극을 구비한 발열기판.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 제3차 가지전극의 끝단과 상기 제2차 가지전극 사이 또는 상기 제4차 가지전극의 끝단과 상기 제1차 가지전극의 끝단 사이에는 전기의 흐름을 차단하는 전기단열대가 더욱 형성된 도전성 박막과 전극을 구비한 발열기판.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,

   상기 전기단열대는 상기 도전성 박막이 형성되지 않은 비도전구역을 포함하는 발열기판.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 전기단열대는 상기 비도전구역 내에 채워지는 비도전성 절연재를 더욱 포함하는 발열기판.
9. 기판과,

   상기 기판의 한쪽 면에 형성되는 도전성 박막,

   상기 기판의 일측에 상호간 거리를 두고 설치되는 제1 메인전극과 제2 메인전극,

   상기 제1 메인전극에서 분기되고 상기 도전성 박막에 접하여 상기 도전성 박 막의 일측을 가로질러 상기 제2 메인전극을 향해 신장되어 형성되는 복수 개의 제1차 가지전극, 및

   상기 제2 메인전극에서 분기되고 상기 도전성 박막에 접하여 상기 제1차 가지전극과 대응하여 형성되는 복수개의 제2차 가지전극,

   을 포함하고,

   상기 제2차 가지전극의 끝단과 상기 제1 메인전극 사이 또는 상기 제1차 가지전극의 끝단과 상기 제2 메인전극 사이에는 전기의 흐름을 차단하는 전기단열대가 더욱 형성된 발열기판.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 전기단열대는 상기 도전성 박막이 형성되지 않은 비도전구역을 포함하는 발열기판.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 전기단열대는 상기 비도전구역 내에 채워지는 비도전성 절연재를 더욱 포함하는 발열기판.

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