KR100991376B1 - 면상 발열체 및 이를 구비한 난방장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 절연제 상부의 소정영역에 형성된 발열저항체를 포함하여 이루어진 면상 발열체로서, 상기 발열저항체는 결합제가 용제에 용해된 상태에서 탄소가 분산되어 이루어진 용해형 전극 혼합재를 절연제 상부에 도포하여 제조되고, 상기 발열저항체에 함유되는 탄소의 중량은 5~40 중량부인 면상 발열체를 제공하며, 결합제를 용제에 용해시킨 후 탄소를 고르게 분산시킨 후 절연제에 도포하여 발열저항체를 제조함으로써, 발열저항체의 균일한 비저항을 도모하고 단선을 방지할 뿐 아니라 용융 압출 가공시에 기재와 전극의 접착시 압력 및 열에 의해 전극의 물성이 변화하고 손상이 가는 문제점을 해결할 수 있고, 매우 얇고 유연성이 있는 필름 또는 시트형으로도 면상 발열체의 구현이 가능해진다.
면상 발열체, 발열저항체
Description
본 발명은 발열저항체를 구비한 면상 발열체 및 이를 구비한 난방장치에 관한 것이다.
지능형 홈 개발에서 통신 서비스 보다 먼저 개발해야 될 것이 환경 관리 서비스이다. 2005에 발간된 경상남도 지역산업 기술로드맵(지능형 홈 산업)에서는 환경 관리 서비스는 지능형 홈 사용자에게 안락감과 윤택감을 주는 서비스이므로 지능형 홈의 가치 제고를 위해 통신 서비스보다 먼저 구현되어야 지능형 홈 산업에 기여할 수 있을 것이라고 나타내고 있다. 환경 관리 서비스 중 난방이 차지하는 비중은 여름철은 비교적 낮지만 그 이외의 계절에서는 매우 크다. 현재의 보일러식은 온도 제어 시간이 상당히 길고 물을 가열하여 이의 복사열을 이용함으로써 에너지 효율이 낮고 시공이 복잡하며 철거 시에도 많은 폐기물이 나오는 단점을 갖고 있다. 반면 전기적 발열체를 사용하는 경우는 제어시간이 짧을 뿐만 아니라 시공이 간단한 장점이 있지만 우리나라의 전기 가격을 고려할 때 비용이 많이 드는 단점이 있다. 현재까지 개발된 발열체의 경우 대부분 산업용으로 개발된 것을 개량하여 주택용으로 적용함으로써 두께도 두껍고 전기 소모량이 많은 단점을 지니고 있다. 효율적인 에너지 이용을 위해서는 보다 사용자가 필요한 시간에 즉시 난방이 되고 사용가가 떠나는 경우에는 즉시 중단함으로써 에너지 효율을 높일 수 있는 난방장치가 필요하다.
현재까지 개발된 전기적 난방장치로 활용되는 것은 대부분 산업용 가열장치로 개발되었기 때문에 이를 개선하여 지능형 홈에 적합한 스마트 난방장치의 개발이 필요하다. 스마트 난방장치를 개발함으로써 지능형 홈 산업의 한 부분을 완성할 수 있다.
근래에 면상 발열체에 대한 연구로서, 세라믹볼을 채용하는 것이 있으나 세라믹볼의 채용으로 발열체와 세라믹볼 사이의 열전도가 원활하지 못한 문제점을 가지고 있으며, 카본직조발열체를 이용하는 것이 있으나 고가의 카본직조발열체를 사용하는 것과 발열체가 공기에 직접 노출되어 작동하므로 전극 접합부의 산화가 용이하게 진행되는 문제점을 예견할 수 있으며, 옥이 첨가된 면상 발열체도 연구되고 있으나, 구성에 있어서 발열부는 카본층으로 구성하였으며, 카본층에서의 발열량 손실을 막기 위하여 하단에 알루미늄 단열부를 위치시키고, 카본층 발열부의 상단에는 별도로 제작한 옥분말 층을 덮어서 원적외선을 방사할 수 있도록 구성되어 발열부와 원적외선 변환부를 별도로 구성함으로서 열전달이 원활하지 못할 뿐만 아니 라, 제조에 있어서도 별개의 구성 판(sheet)를 제작하여 다시 적층하는 제조상의 어려움도 예견할 수 있다.
한편, 발열저항체로 카본층을 사용함으로써 절연제와 발열저항체간의 접합이 불안정하여 쉽게 탈리되는 등 내구성 및 단수명의 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 스마트 난방장치에서 필요로 하는 전기적 제어가 용이하고, 절연제와의 결합력이 우수한 필름형 발열저항체와 이를 이용한 면상 발열체를 제공하며, 이를 토대로 옥분말이나 탄소나노튜브를 탄소/폴리머 전극에 첨가하여 원적외선 방사부가 전극의 전범위에 걸쳐 방사되도록 하고, 기계 및 전기적 특성을 향상시킨 면상 발열체 및 이를 구비한 난방장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 결합제를 용제에 용해시킨 후 탄소를 고르게 분산시킨 후 절연제에 도포하여 발열저항체를 제조함으로써, 발열저항체의 균일한 비저항을 도모하고 단선을 방지할 뿐 아니라 용융 압출 가공시에 기재와 전극의 접착시 압력 및 열에 의해 전극의 물성이 변화하고 손상이 가는 문제점을 해결할 수 있는 면상 발열체 및 이를 구비한 난방장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 결합제를 용제에 용해시킨 후 탄소를 고르게 분산시킨 후 절연제에 도포하여 발열저항체를 제조함으로써, 매우 얇고 유연성이 있는 필름 또는 시트형으로도 면상 발열체를 제공할 수 있는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 수단으로서,
본 발명은 절연제 상부의 소정영역에 형성된 발열저항체를 포함하여 이루어진 면상 발열체로서, 상기 발열저항체는 결합제를 용제에 용해시킨 용액에 탄소를 포함한 전극 구성 재료를 고르게 분산시킨 슬러리를 제조하고, 제조한 슬러리를 절연제에 도포하여 제조되고, 상기 발열저항체에 함유되는 탄소의 중량은 5~40 중량부인 면상 발열체를 제공한다.
또한, 상기 용제는 N-메틸피롤리돈(N-Methyl pyrrolidone, NMP)인 것을 특징으로 하는 면상 발열체를 제공한다. 이외에도 결합제를 용해할 수 있는 용제라면 제한되지 않는다.
또한, 상기 탄소는 천연흑연, 인조흑연, 카본블랙, 덴카블랙, 슈퍼-피 블랙, 활성탄, 기상성장탄소섬유, 탄소섬유, 흑연나노섬유, 탄소나노섬유로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 혹은 그 이상의 도전성 카본을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 면상 발열체를 제공한다.
또한, 상기 결합제는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리알킬렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리설폰, 폴리우레탄, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리부타디엔, 셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 나일론, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 비닐리덴플루오라이드와 헥사플루오로프로필렌의 공중합체, 비닐리덴플루오라이드와 트리플루오로에틸렌의 공중합체, 비닐리덴플루오라 이드와 테트라플루오로에틸렌의 공중합체, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸메타크릴레이트, 폴리부틸아크릴레이트, 폴리부틸메타크릴레이트, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알콜, 전분, 한천, 및 나피온으로 이루어지는 군에서 적어도 하나 이상 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 면상 발열체를 제공한다.
또한, 상기 발열저항체는 원적외선 방사물질이 포함되는 것을 특징으로 하는 면상 발열체를 제공한다.
또한, 상기 발열저항체는 탄소나노튜브(CNT)가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 면상 발열체를 제공한다.
또한, 상기 발열저항체는 VGCF(기상성장탄소섬유), 카본나노혼, 플러렌 중에서 적어도 하나가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 면상 발열체를 제공한다.
또한, 상기 발열저항체는 비저항이 3 Ω㎝이하인 것을 특징으로 하는 면상 발열체를 제공한다.
또한, 상기 발열저항체는 유연성이 있는 필름 또는 시트형인 것을 특징으로 하는 면상 발열체를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 면상 발열체를 구비한 난방장치를 제공한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 면상 발열체는 절연제 상부의 소정영역에 형성된 발열저항체를 포함하여 이루어진 면상 발열체로서, 상기 발열저항체는 결합제를 용제에 용해시킨 용액에 탄소를 포함한 전극 구성 재료를 고르게 분산시킨 슬러리를 제조하고, 제조한 슬러리를 절연제에 도포하여 제조되고, 상기 발열저항체에 함유되는 탄소의 중량은 5~40 중량부 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 면상 발열체의 일례를 도시한 도이다. 도시된 바와 같이, 절연제(2)의 전면에 발열저항체(3)를 소정영역에 형성하고, 발열저항체(3)에 전원공급부(1)를 연결하여 구성된다. 이외에도 본 기술분야에서 알려진 구성들을 더 포함할 수 있으며, 본 발명에 포함된다. 상기 발열저항체는 도시된 것처럼 소정간격 이격되어 위치될 수도 있으며, 전면적으로 형성될 수도 있으며 제한되지 않는다.
상기 발열저항체(2)는 결합제를 용제에 용해시킨 후 탄소 및 기타 전극 재료로 첨가될 수 있는 재료 등을 고르게 분산시킨 슬러리를 제조한 후 방사 등의 방법으로 도포함으로써 전기적 특성의 균일성을 도모하고 불균일로 발생할 수 있는 단선을 방지할 수 있으며, 매우 얇은 필름 등의 형태로 제조가 용이하고 유연성이 있는 필름이나 시트등의 형태에서도 동일한 전기적 특성을 제공하며, 특히 절연제와의 접착력이 우수하여 내구성 및 장수명을 제공할 수 있다.
상기 발열저항체는 총 100 중량부에 대하여, 탄소가 5~80 중량부, 결합제가 20~95 중량부 포함되어 이루어진 것이 특징이다. 특히, 상기 발열저항체에 함유되는 탄소의 중량은 5~40 중량부, 상기 발열저항체에 함유되는 결합재의 중량은 60~95 중량부인 것이 좋다. 상기 범위보다 탄소의 함량이 클 경우, 절연제와의 결합력 및 내구성에 문제가 있게 되며, 탄소의 함량이 작을 경우 전극의 전기전도성에 문제가 있을 수 있다. 또한, 상기 범위보다 결합제의 함량이 클 경우 전극의 전기전도성에 문제가 있을 수 있으며, 결합제의 함량이 작을 경우 결합력 및 내구성에 문제가 있을 수 있다.
상기 탄소는 발열성 및 전도성을 제공해 줄 수 있는 재료가 바람직하며, 일례로 천연흑연, 인조흑연, 카본블랙, 덴카블랙, 슈퍼-피 블랙, 활성탄, 기상성장탄소섬유, 탄소섬유, 흑연나노섬유, 탄소나노섬유로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 혹은 그 이상의 도전성 카본을 포함하여 이루어지는 것이 좋다.
상기 결합제는 발열저항체와 절연제와의 결합력 증가를 제공해 줄 수 있는 고분자 결합제가 바람직하며, 일례로 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리알킬렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리설폰, 폴리우레탄, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리부타디엔, 셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 나일론, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 비닐리덴플루오라이드와 헥사플루오로프로필렌의 공중합체, 비닐리덴플루오라이드와 트리플루오로에틸렌의 공중합체, 비닐리덴플루오라이드와 테트라플루오로에틸렌의 공중합체, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸메타크릴레이트, 폴리부틸아크릴레이트, 폴리부틸메타크릴레이트, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알콜, 전분, 한천, 및 나피온으로 이루어지는 군에서 적어도 하나 이상 포함되어 이루어질 수 있다.
상기 용제는 상기 결합제를 용해할 수 있는 것이라면 제한되지 않고 사용될 수 있다. 바람직하기로는 N-메틸피롤리돈(N-Methyl pyrrolidone)인 것이 좋다. 용제의 양은 결합제를 용해할 수 있는 양이면 적당하며 도포 방식에 따라 점도 조절을 위해 그 양을 조절할 수 있다.
상기 절연제는 일반적인 절연재료를 사용할 수 있으며, 바람직하기로는 합성수지가 좋다. 일례로는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리알킬렌테레프탈레이트, 폴리에스테르계 고분자, 폴리올레핀계 고분자, 셀룰로오스계 고분자, 나일론계 고분자, 폴리이미드, 베클라이트 수지, 요소수지, 멜라민수지, 또는 이들의 조합으로 이루어지는 절연제를 사용할 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 발열저항체에 원적외선 방사물질이 더 포함될 수 있다. 원적외선 방사물질이 포함됨으로써, 원적외선이 방출되게 된다. 원적외선은 각종 질병의 원인이 되는 세균을 없애는 데 도움이 되고, 모세혈관을 확장시켜 혈액순환과 세포조직 생성에 도움을 준다. 또 세포를 구성하는 수분과 단백질 분자에 닿으면 세포를 1분에 2,000번씩 미세하게 흔들어줌으로써 세포조직을 활성화하여 노화방지, 신진대사 촉진, 만성피로 등 각종 성인병 예방에 효과가 있는 것으로 알려져 있다.
상기 원적외선 방사물질로는 원적외선이 방사되는 재료라면 모두 제한되지 않고 사용될 수 있으며, 일례로 연옥, 맥반석, 맥섬석, 숯, 목초액 중에서 적어도 하나 선택되어 사용될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 발열저항체에 탄소나노튜브(CNT)가 더 포함될 수 있다. 입자크기가 나노 스케일로서 분산성이 좋고 표면적이 극대화되어, 투입량을 최소화함으로써 첨가제 투입으로 인한 물성저하를 막을 수 있으며, 기존 수지의 내충격성, 인장성 등의 손실 없이도 강도나 내마모성 등의 기계적 성능과 전기적 성능을 한층 높일 수 있다. 특히 전극의 경도를 증가시킬 수 있어 바람직하다.
상기 탄소나노튜브는 MWCNT(다중벽탄소나노튜브), SWCNT(단층탄소나노튜브) 등 한 가지 물질이나 두 물질 이상의 조합을 탄소/결합제에 첨가하는 것이 좋다.
또한, 상기와 같은 효과를 위해, 상기 발열저항체에 VGCF(기상성장탄소섬유), 카본나노혼, 플러렌 중에서 적어도 하나가 더 포함될 수 있다.
본 발명은 또한, 전술한 면상발열체를 구비한 난방장치를 제공한다. 난방장치는 면상발열체가 그 내부에 구비되어 면상발열체로부터 발생하는 열을 이용하는 장치라면 제한되지 않으며 모두 본 발명에 포함된다. 일례로는 난방 매트, 난방 의자, 난방 침대, 난방 온돌 등을 들 수 있다. 그 구체적 구성은 당업자에게 잘 알려져 있으므로 자세한 설명을 생략한다.
상기와 같이 본 발명은 탄소/결합재를 이용하여 우수한 발열저항체 및 면상 발열체를 제조하는 것이 가능하게 되며, 원적외선 방사물질이 첨가된 면상 발열체는 구동시 발열체의 전범위에서 원적외선을 방사할 수 있게 되며, 고강도 특성을 가진 탄소나노튜브를 첨가한 전극의 경우 기계 및 전기적으로 우수한 발열저항체 및 면상 발열체의 구현이 가능해 진다.
또한, 결합제를 용제에 용해시킨 후 탄소 등 전극 재료를 고르게 분산시켜 슬러리를 제조한 후 절연제에 도포하여 발열저항체를 제조함으로써, 발열저항체의 균일한 비저항을 도모하고 단선을 방지할 뿐 아니라 용융 압출 가공시에 기재와 전극의 접착시 압력 및 열에 의해 전극의 물성이 변화하고 손상이 가는 문제점을 해결할 수 있고, 매우 얇고 유연성이 있는 필름 또는 시트형으로도 면상 발열체를 제공할 수 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 설명한다. 하기의 실시예는 본 발명의 일례로서, 이에 한정되지 않는다.
(1) 발열저항체의 제조
제조예 1
탄소 재료로 S.P.B(Super-pure-Black)를, 결합제로서 PVDF(Poly vinylidene fluoride)를 사용하여 탄소재료가 전극 100중량부에 대해 5~30 중량부 범위내에 포함되도록 다수의 전극 혼합재를 제조하고 이를 용제(N-Methyl pyrrolidone)와 함께 혼입하여 씽키혼합기(thinky mixer)를 이용하여 다수의 발열저항체를 제조한다.
구체적으로, 바인더인 PVDF를 용제인 NMP(N-methylpyrrolidone)에 넣어 1~2 시간 동안 교반하여 녹인 후 탄소재료인 수퍼피블렉(super pure black)을 넣어 1~2 시간 동안 교반하여 제조한다.
제조예 2
또 다른 전극제조예로서, 제조예 1에서 탄소재료:결합제 중량비가 13:87인 전극 재료에 연옥분말을 첨가하여 상기와 같은 방법으로 발열저항체를 제조한다. 연옥분말 첨가량은 탄소/결합제 전극의 중량비가 100 일 때 3~15 중량비로 첨가하여 다수의 전극을 제조한다.
첨가된 연옥분말은 그 입자가 1500~10000 mesh사이의 고운입자를 사용하였다.
제조예 3
제조예 2에서, 연옥분말 대신에 MWCNT를 사용하고, 탄소/결합제 전극의 중량비가 100 일 때 2~14 중량비로 첨가하여 다수의 전극을 제조한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 발열저항체를 제조하였다.
(2) 면상 발열체의 제조
상기 제조된 발열저항체를 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET, polyester) 필름위에 일정 간격으로 방사한 후 건조한 후, 발열저항체에 전원 공급부를 부착하여 면상 발열체를 제조한다.
도 2는 상기 제조예 1로부터 제조된 전극의 비전도도 및 비저항 특성을 나타낸 것이며, 도 3은 옥의 첨가에 따른 특성을 보기 위한 것으로, 제조예 2로부터 제조된 전극의 전도도 및 비저항 특성을 나타낸 것이다. 도 4는 탄소나노튜브의 첨가에 따른 특성을 보기 위한 것으로, 제조예 3으로부터 제조된 전극의 전도도 및 비저항 특성을 나타낸 것이다. 도 5는 MWCNT 첨가에 따른 전극의 경도 변화를 보기 위한 것으로 제조예 3으로부터 제조된 전극의 경도 측정 결과이다. 결과에 나타난 바와 같이 비저항은 3 Ω㎝이하로서 매우 우수한 것을 볼 수 있고, MWCNT의 양이 증가할수록 전극의 경도가 커지는 것을 알 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 탄소/결합제 전극을 이용한 면상 발열체의 정면도,
도 2는 제조예 1에 의해 제조된 전극의 비전도도 및 비저항 특성을 나타낸 도,
도 3은 제조예 2에 의해 제조된 전극의 비전도도 및 비저항 특성을 나타낸 도,
도 4는 제조예 3에 의해 제조된 전극의 비전도도 및 비저항 특성을 나타낸 도,
도 5는 제조예 3에 의해 제조된 전극의 경도특성을 나타낸 도이다.
**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**
1: 전원 공급부
2: 절연제
3: 발열저항체
Claims (10)
- 절연제 상부의 소정영역에 형성된 발열저항체를 포함하여 이루어진 면상 발열체로서,상기 발열저항체는 결합제를 용제에 용해시킨 용액에 탄소를 포함한 전극 구성 재료를 고르게 분산시킨 슬러리를 제조하고, 제조한 슬러리를 절연제에 도포하여 제조되고, 상기 발열저항체에 함유되는 탄소의 중량은 5~40 중량부이며,상기 발열저항체는 원적외선 방사물질이 포함되고, 기계적 강도 향상을 위해 다중벽탄소나노튜브(MWCNT)가 더 포함되고, VGCF(기상성장탄소섬유), 카본나노혼, 플러렌 중에서 적어도 하나가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 면상 발열체.
- 제1항에 있어서, 상기 용제는 N-메틸피롤리돈(N-Methyl pyrrolidone, NMP)인 것을 특징으로 하는 면상 발열체.
- 제1항에 있어서, 상기 탄소는 슈퍼-피 블랙인 것을 특징으로 하는 면상 발열체.
- 제1항에 있어서, 상기 결합제는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리알킬렌테레 프탈레이트, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리설폰, 폴리우레탄, 폴리염화비닐, 폴리스티렌, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리프로필렌옥사이드, 폴리부타디엔, 셀룰로오스, 카르복시메틸셀룰로오스, 나일론, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 비닐리덴플루오라이드와 헥사플루오로프로필렌의 공중합체, 비닐리덴플루오라이드와 트리플루오로에틸렌의 공중합체, 비닐리덴플루오라이드와 테트라플루오로에틸렌의 공중합체, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸메타크릴레이트, 폴리부틸아크릴레이트, 폴리부틸메타크릴레이트, 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알콜, 전분, 한천, 및 나피온으로 이루어지는 군에서 적어도 하나 이상 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 면상 발열체.
- 삭제
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- 제1항에 있어서, 상기 다중벽탄소나노튜브는 탄소/결합제 전극의 중량에 대해 2~14 중량비로 첨가되는 것을 특징으로 하는 면상 발열체.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발열저항체는 비저항이 3 Ω㎝이하인 것을 특징으로 하는 면상 발열체.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 면상 발열체를 구비한 난방장치.
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