KR101171470B1 - 저전압 면상 발열 시트의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 면상 발열 시트 - Google Patents

저전압 면상 발열 시트의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 면상 발열 시트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저전압 면상 발열 시트의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조된 면상 발열 시트에 관한 것으로, 외피재의 내부에 발열부를 가지는 면상 발열 시트를 제조하는 방법에 있어서, 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube) 필름을 이용하여 발열부를 형성하는 단계와, 상기 발열부의 표면에 전원 공급을 위한 (+)메인 전극부와 (-)메인 전극부를 서로 이격된 형태로 형성하는 단계와, 상기 각 메인 전극부에서 서로 마주 보는 방향으로 연장되는 하나 이상의 (+)서브 전극부와 (-)서브 전극부를 각각 형성하되 서로 마주 보는 한 쌍의 상기 (+)서브 전극부와 (-)서브 전극부 간격이 1.5 ~ 20mm가 되도록 하는 단계와, 상기 (+)서브 전극부와 (-)서브 전극부에 의해서 정의되는 발열 영역의 상부에 온도제어부를 형성하되, 상기 발열 영역과 중첩되는 상기 온도제어부의 면적이 상기 온도제어부의 자체 평면 면적에 대해 15 ~ 100%가 되도록 형성하는 단계 및 상기 온도제어부 하부에 상기 온도제어부 크기의 부직포층을 형성하여, 상기 온도제어부에서 측정되는 온도가 상기 외피재의 표면에서 측정되는 온도와 일치될 수 있도록 하는 단계를 포함하여, 저전압 발열이 가능하고, 우수한 온도 제어 능력을 발휘할 수 있도록 하는 발명에 관한 것이다.

Description

저전압 면상 발열 시트의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 면상 발열 시트 {METHOD FOR FABRICATING LOW VOLTAGE PLANE HEATING SHEET AND PLANE HEATING SHEET FABRICATED USING THE SAME}
본 발명은 저전압 면상 발열 시트의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 면상 발열 시트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube; CNT) 필름을 이용하여 저전압에서도 작동이 가능한 면상 발열시트를 형성하되, 온도제어부의 위치를 조절함으로써, 표면 발열성이 우수하면서도 온도 제어가 용이해질 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
일반적으로 전기의 통전에 의한 면상발열체는 공기가 오염되지 않아 위생적이며, 소음이 없기 때문에 아파트나 일반주택 등의 주거용 난방장치 등에 폭넓게 이용되고 있다.
또한, 이러한 면상발열체는 상업용 건물의 난방장치, 작업장이나 창고 및 막사 등의 산업용 난방장치, 각종 산업용 가열장치, 비닐 하우스와 농산물 건조시스템의 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.
전술한 바와 같은 면상발열체의 발열원으로는 니크롬 등의 발열선이 많이 사용되고 있으나, 니크롬 등의 발열선으로 만든 면상발열체에서는 전기가 한 선을 통해 흐르기 때문에 발열선의 어느 한 부분이라도 끊어지면 전기가 통하지 않게 되어 면상발열체가 작동을 하지 않는 사용상의 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 면상발열체에서는 발열선 부위만이 부분발열이기 때문에 온도분포가 불균일하며, 니크롬 등의 금속들은 원적외선의 방사율이 낮기 때문에 이들을 이용한 면상발열체는 가열효율이 낮다는 문제점이 있다.
아울러, 상기와 같은 면상 발열체는 110V 이상의 높은 전압에서 작동하는 경우가 대부분이며, 대부분 300℃ 이상의 높은 온도까지 발열되고 있어, 소형 가전 매트나 자동차 시트와 같은데 용이하게 적용하지 못하는 문제가 있다.
본 발명은 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube)를 그라비아로 인쇄한 필름을 발열부로 사용함으로써, 6 ~ 24볼트의 저전압에서도 용이하게 면상 발열이 일어 날 수 있도록 하고, 시트의 전면에서 고르게 발열이 일어 날 수 있도록 하는 면상 발열 시트를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
아울러, 상기 면상 발열 시트를 -20℃의 조건에 노출시킨 후 1분 이내에 30℃까지 가열시킬 수 있도록 하며, 10분 이내에 40℃까지 가열될 수 있도록 하고, 15분 이후에는 43℃ 전후의 온도를 유지할 수 있도록 하고, 최대 온도가 45℃를 초과하는 경우 전류 공급이 오프(Off) 되고, 최하 온도가 32℃가 되면 다시 온(On) 상태로 전환될 수 있도록 온도제어부를 서브 전극부의 상부에 위치시키되, 발열 부분과 온도제어부가 중첩되는 영역의 크기를 조절하여, 제품의 온도 조절이 최적의 상태로 이루어 질 수 있도록 하는 저전압 면상 발열 시트의 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저전압 면상 발열 시트의 제조 방법은 외피재의 내부에 발열부를 가지는 면상 발열 시트를 제조하는 방법에 있어서, 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube) 필름을 이용하여 발열부를 형성하는 단계와, 상기 발열부의 표면에 전원 공급을 위한 (+)메인 전극부와 (-)메인 전극부를 서로 이격된 형태로 형성하는 단계와, 상기 각 메인 전극부에서 서로 마주 보는 방향으로 연장되는 하나 이상의 (+)서브 전극부와 (-)서브 전극부를 각각 형성하되 서로 마주 보는 한 쌍의 상기 (+)서브 전극부와 (-)서브 전극부 간격이 1.5 ~ 20mm가 되도록 하는 단계와, 상기 (+)서브 전극부와 (-)서브 전극부에 의해서 정의되는 발열 영역의 상부에 온도제어부를 형성하되, 상기 발열 영역과 중첩되는 상기 온도제어부의 면적이 상기 온도제어부의 자체 평면 면적에 대해 15 ~ 100%가 되도록 형성하는 단계 및 상기 온도제어부 하부에 상기 온도제어부 크기의 부직포층을 형성하여, 상기 온도제어부에서 측정되는 온도가 상기 외피재의 표면에서 측정되는 온도와 일치될 수 있도록 하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 제조 방법에 대한 일실시예로 상기 (+), (-)메인 전극부 및 (+), (-)서브 전극부는 상기 발열부의 하부 표면에 형성하는 것을 특징으로 하고, 상기 (+), (-)메인 전극부 및 (+), (-)서브 전극부 하부에 양면 접착층을 더 형성하고, 상기 양면 접착층 하부에 더 단열층을 형성하는 것을 특징으로 하고, 상기 발열부 상부에 베이스 필름층을 더 형성하고, 상기 베이스 필름층 상부에 상기 부직포 및 상기 온도제어부의 순서로 적층하는 것을 특징으로 하고, 상기 부직포는 상기 베이스 필름층 상부에 접착층을 이용하여 고정시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제조 방법에 대한 다른 실시예로 상기 (+), (-)메인 전극부 및 (+), (-)서브 전극부는 상기 발열부의 상부 표면에 형성하는 것을 특징으로 하고, 상기 발열부 하부에 베이스 필름층을 더 형성하는 것을 특징으로 하고, 상기 (+), (-)메인 전극부 및 (+), (-)서브 전극부 상부에 양면 접착층을 더 형성하고, 상기 양면 접착층 상부에 상기 부직포 및 상기 온도제어부를 순차적으로 적층하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 부직포는 상기 온도제어부 면적의 1 ~ 1.5배 되는 면적이 되도록 형성하는 것을 특징으로 하고, 상기 부직포는 단위면적당 100 ~ 200g의 질량을 가지는 제품을 사용하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상술한 방법을 이용하여 제조된 본 발명의 일실시예에 따른 면상 발열 시트는 하부 외피재와, 상기 하부 외피재 상부에 형성되는 시트 형태의 단열층과, 상기 단열층의 상부에 형성되는 양면 접착층과, 상기 양면 접착층 상부에 형성되는 (+)메인 전극부와 (-)메인 전극부와, 상기 (+)메인 전극부와 (-)메인 전극부에서 각각 서로 마주 보는 방향으로 연장되되, 서로 마주 보는 간격이 1.5 ~ 20mm가 되도록 형성되는 (+), (-)서브 전극부와, 상기 (+)메인 전극부, (-)메인 전극부, (+)서브 전극부 및 (-)서브 전극부 상부에 형성되며, 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube) 필름으로 이루어지는 발열부와, 상기 발열부 상부에 형성되는 베이스 필름과, 상기 베이스 필름의 상부에 형성되되, (+)서브 전극부 및 (-)서브 전극부 사이의 간격과 중첩되는 부분의 면적이 자체 평면 면적에 대해 15 ~ 100%가 되도록 형성되는 온도제어부와, 상기 온도제어부 하부 및 상기 베이스 필름 사이에 상기 온도제어부의 평면과 대응되는 크기로 형성되는 부직포 및 상기 온도제어부 상부에 형성되는 상부 외피재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 온도제어부는 온도 센서 또는 열동소자를 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 열동소자의 지름은 15 ~ 22mm인 것을 특징으로 하고, 상기 면상 발열 시트는 6 ~ 24볼트의 전압에서 동작되는 것을 특징으로 하고, 상기 면상 발열 시트는 외부 온도가 -20℃인 조건에서 작동된 후 1분 이내에 30℃까지 가열되도록 하며, 10분 이내에 40℃까지 가열될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하고, 상기 온도제어부는 45℃의 온도에서 오프(Off) 상태로 전환되도록 하고, 32℃의 온도에서 다시 온(On) 상태로 전환되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명의 다른 실시예에 따른 면상 발열 시트는 하부 외피재와, 상기 하부 외피재 상부에 형성되는 시트 형태의 베이스 필름과, 상기 베이스 필름의 상부에 형성되며, 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube) 필름으로 이루어지는 발열부와, 상기 발열부 상부에 형성되는 (+)메인 전극부와 (-)메인 전극부와, 상기 (+)메인 전극부와 (-)메인 전극부에서 각각 서로 마주 보는 방향으로 연장되되, 서로 마주 보는 간격이 1.5 ~ 20mm가 되도록 형성되는 (+), (-)서브 전극부와, 상기 (+)메인 전극부, (-)메인 전극부, (+)서브 전극부 및 (-)서브 전극부 상부에 형성되는 양면 접착층과, 상기 양면 접착층 상부에 형성되되, 상기 (+)서브 전극부와 (-)서브 전극부 사이의 간격과 중첩되는 부분의 면적이 자체 평면 면적에 대해 15 ~ 100%가 되도록 형성되는 온도제어부와, 상기 온도제어부 하부 및 상기 양면 접착층 사이에 상기 온도제어부의 평면과 대응되는 크기로 형성되는 부직포 및 상기 온도제어부 상부에 형성되는 상부 외피재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 저전압 면상 발열 시트의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 면상 발열 시트는 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube)를 그라비아로 인쇄한 필름을 발열부로 사용함으로써, 6 ~ 24볼트의 저전압에서도 용이하게 면상 발열이 일어 날 수 있도록 하고, 시트의 전면에서 고르게 발열이 일어 날 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
아울러, 상기 면상 발열 시트의 온도제어부를 서브 전극부의 상부에 위치시키되, 발열 부분과 온도제어부가 중첩되는 영역의 크기를 조절하여, 외부에서 느낄 수 있는 온도변화와 동일한 온도에서 제어가 이루어질 수 있도록 하고, 최대 온도가 45℃를 초과하는 경우 전류 공급이 오프(Off) 되고, 최하 온도가 32℃가 되면 다시 온(On) 상태로 전환될 수 있도록 함으로써, 휴대용 방석과 같은 소형 전열기구 등의 안전 제품으로써의 사용 승인을 용이하게 받을 수 있도록 하고, 자동차의 열선시트와 같은 제품에도 용이하게 적용할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 면상 발열 시트는 상기와 같이 저전압을 사용하고 온도제어를 효율적으로 수행할 수 있음으로 소모 에너지를 절약할 수 있고, 과전류에 의한 손상의 위험도 없으므로 면상 발열 시트의 수명을 연장시킬 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 면상 발열 시트를 부분적으로 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 면상 발열 시트를 부분적으로 나타낸 단면도.
도 3 및 도 4는 상기 실시예들과 비교되는 예를 도시한 단면도들.
도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 실시예들 및 비교예들의 온도 특성을 나타낸 그래프들.
도 9는 본 발명에 따른 면상 발열 시트를 나타낸 평면도.
도 10은 본 발명에 따른 면상 발열 시트의 제조 방법을 나타내기 위하여 온도제어부의 위치 관계를 부분 적으로 확대한 평면도.
도 11은 본 발명에 따른 면상 발열시트의 온도 제어 방법을 나타낸 그래프.
도 12는 본 발명에 제 3 실시예에 따른 면상 발열 시트를 나타낸 평면도.
도 13은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 면상 발열 시트를 나타낸 평면도.
도 14는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 면상 발열 시트를 나타낸 평면도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 저전압 면상 발열 시트의 제조 방법 및 이를 이용하여 제조한 면상 발열 시트에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
먼저, 본 발명에 따른 면상 발열 시트를 제조하는 방법은 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube) 필름을 이용하여 발열부의 표면에 전원 공급을 위한 (+)메인 전극부, (-)메인 전극부, (+)서브 전극부 및 (-)서브 전극부를 각각 형성하되 서로 마주 보는 한 쌍의 상기 (+)서브 전극부와 (-)서브 전극부 간격이 1.5 ~ 20mm가 되도록 하는 것을 특징으로 한다.
다음으로, 상기 (+)서브 전극부와 (-)서브 전극부에 의해서 정의되는 발열 영역의 상부에 온도제어부를 형성하되, 상기 발열 영역과 중첩되는 상기 온도제어부의 면적이 상기 온도제어부의 자체 평면 면적에 대해 15 ~ 100%가 되도록 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 온도제어부에서 측정되는 온도가 상기 외피재의 표면에서 측정되는 온도와 일치될 수 있도록 상기 온도제어부 하부에 상기 온도제어부 크기의 부직포층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 방법에 의해 제조된 면상 발열 시트는 6 ~ 24볼트의 저전압에서도 용이하게 면상 발열이 일어 날 수 있고, -20℃의 조건에 노출시킨 후 1분 이내에 30℃까지 가열될 수 있으며, 10분 이내에 40℃까지 가열될 수 있도록 하고, 15분 이후에는 43℃ 전후의 온도를 유지할 수 있게 된다. 또한, 최대 온도가 45℃를 초과하는 경우 전류 공급이 오프(Off) 되고, 최하 온도가 32℃가 되면 다시 온(On) 상태로 전환될 수 있다. 이하에서는 상술한 방법에 의해 제조된 면상 발열 시트에 대하여 구체적으로 설명하는 것으로 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 면상 발열 시트를 부분적으로 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 먼저 본 발명에 따른 면상 발열 시트는 상부 및 하부 외피재에 의해서 보호가 되고 있다. 그러나 하부 외피재는 반드시 필요한 사항이 아니므로 여기서는 생략하는 것으로 한다.
다음으로, 하부 외피재 상부에는 시트 형태의 단열층(100)이 형성된다.
그 다음으로, 단열층(100) 상부에는 발열층의 접착을 위한 양면 접착층(120)이 형성된다.
그 다음으로, 양면 접착층(120) 상부에는 시트의 최외곽 모서리 부분 중 선택된 2부분에 맞추어 (+)메인 전극부와 (-)메인 전극부가 형성된다. 이때, (+)메인 전극부와 (-)메인 전극부는 서로 평행하게 형성되는 것이 바람직하며, Ag 또는 Cu와 같은 고 전도성 물질로 형성되는 것이 바람직하다.
그 다음으로, (+)메인 전극부와 (-)메인 전극부에서 각각 서로 마주 보는 방향으로 연장되되, 서로 마주 보는 간격이 1.5 ~ 20mm가 되도록 (+), (-)서브 전극부가 형성된다. 이때 층간 구조를 설명하는 본 단면도에서는 (+), (-)메인 전극부 및 (+), (-)서브 전극부가 나타나지 않으므로 이들을 통칭하여 전극부층(120)로 표시하였다.
그 다음으로, 전극부층(120) 상부에 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube) 필름으로 이루어지는 발열부(130)가 형성된다. 이때, 탄소나노튜브 필름에 의해서 6 ~ 24볼트의 저전압 작동이 가능한 면상 발열 시트 제조가 가능하게 되었으며, 그 구체적 조건으로 상기 (+), (-)서브 전극부 사이의 간격을 들 수 있다. (+), (-)서브 전극부의 간격이 1.5mm 미만으로 형성되는 경우에는 원하는 발열량을 얻을 수 없었으며, (+), (-)서브 전극부의 간격이 20mm를 초과하는 경우에는 저전압 작동이 불안전하게 일어나는 문제가 있었다.
그 다음으로, 발열부(130) 상부에 베이스 필름(140)이 형성된다. 이때, 베이스 필름(140)은 PET 필름을 이용하여 형성하는 것이 바람직하며, 발열부(130)의 열을 효율적으로 상부 외피재까지 전달할 수 있는 역할을 하는 동시에, 발열부(130)를 보호하는 기능을 수행한다.
따라서, 베이스 필름(140) 상부에는 외피재(180)가 형성된다. 그리고, 발열부(130)의 열을 감지하여, 전극부층(120)에 전달되는 전압을 끊었다가 소정 온도 이하로 내려갈 경우 다시 전압을 연결하여 발열이 일어날 수 있도록 하는 온도조절부(170)를 외피재(180) 및 베이스 필름(140) 사이의 영역에 형성한다.
이때, 온도조절부(170)가 베이스 필름(140)과 직접 접속되는 경우, 외피재(180)를 통하여 사용자가 느끼는 온도와 온도조절부(170)에서 측정되는 온도 사이에 차이가 발생할 수 있으므로, 이를 방지하기 위하여 본 발명에서는 온도제어부(170)의 하부 및 상기 베이스 필름(140) 사이에 부직포(160)를 형성한다.
여기서, 부직포(170)는 온도제어부(170)의 평면과 대응되는 크기로 형성하며, 부직포접착층(150)에 의해서 베이스 필름(140) 상부에 고정될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 이때, 부직포(160)의 면적은 온도제어부(170) 면적의 1 ~ 1.5배 되는 면적이 되도록 하고, 단위면적당 100 ~ 200g의 질량을 가지는 제품을 사용하는 바람직하다. 부직포(160)의 단위 면적이 온도제어부(170) 보다 작거나, 1.5배를 초과하는 크기로 더 커지는 경우, 부직포가(160) 없는 상태와 동일하게 온도차가 발생하였으며, 부직포(160)의 단위 면적당 질량이 100g 미만이거나, 200g을 초과하는 제품을 사용하였을 때에도 부직포(160)가 없는 상태와 동일하게 온도차가 발생하였다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 면상 발열 시트를 부분적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube) 필름으로 이루어지는 발열부(210) 상부에 (+), (-)메인 전극부 및 (+), (-)서브 전극부를 포함하는 전극부층(220)이 형성되는 실시예를 나타낸 것으로, 제 2 실시예에서는 발열부(210)의 하부에 베이스 필름(200)을 형성하여, 베이스 필름(200)에 의해서 상부의 발열부(210) 및 전극부층(220)이 보호될 수 있는 구조로 형성한다.
다음으로, 전극부층(220) 상부에 양면 접착층(230)을 형성하고 그 상부에 외피재(260)를 형성하되, 상술한 제 1 실시예에서와 같이 온도제어부(250) 및 부직포(240)를 외피재(260)와 양면 접착층(230) 사이에 형성한다.
도 3 및 도 4는 상기 실시예들과 비교되는 예를 도시한 단면도들이다.
도 3은 부직포의 기능을 비교하기 위하여 상술한 제 1 실시예에서 부직포를 제외한 구조로 형성한 면상 발열 시트를 나타낸 것이고, 도 4는 온도제어부의 기능을 비교하기 위하여 제 1 실시예에서 온도제어부 및 부직포를 제외한 구조로 형성한 면상 발열 시트를 나타낸 것이다.
따라서, 도 3의 비교예1은 하부에서부터 단열층(300), 양면 접착층(310), 전극부층(320), 발열부(330), 베이스 필름(340) 및 외피재(360)의 구조로 형성하되, 베이스 필름(340)과 외피재(360) 사이에 부직포를 제외시킨 형태의 단순 온도조절부(350)만을 삽입한 구조로 형성하였다.
다음으로, 도 4의 비교예2는 하부에서부터 단열층(400), 양면 접착층(410), 전극부층(420), 발열부(430), 베이스 필름(440) 및 외피재(460)의 구조로 형성하고, 온도조절부를 삽입하지 않은 구조로 형성하였다.
상술한 바와 같이, 실시예1(제 1 실시예), 실시예2(제 2 실시예), 비교예1 및 비교예2의 면상 발열 시트를 5×5㎠의 크기로 제조한 후에 온도조절부에서의 온도와 외피재에서의 온도를 각각 측정하여 그래프에 표시하였다. 이때, 온도조절부를 사용하는 실시예 및 비교예는 경인전자의 제품명 104S인 열동소자를 사용하였고, 서브 전극부와의 중첩면적이 40%가 되도록하였고, 6 ~ 24볼트의 전원을 이용하여 43℃에서 전류가 차단되고, 34℃에서 전류가 다시 흐르도록 제어하였다.
도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 실시예들 및 비교예들의 온도 특성을 나타낸 그래프들이다.
도 5는 실시예1에 대한 결과 그래프이고, 도 6은 실시예2에 대한 결과 그래프이고, 도 7은 비교예1에 대한 결과 그래프이고, 도 8은 비교예2에 대한 결과 그래프이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 실시예1 및 실시예2의 경우 온(On), 오프(Off)가 수행되고 있는 온도조절부의 온도는 40℃를 전후하여 일정한 패턴을 가지고 있으며, 이에 따라서 외피재에서 측정되는 온도 또한 45 ~ 50℃ 사이에서 일정하게 유지되고 있는 것을 알 수 있다.
그러나, 비교예1의 결과인 도 7의 경우에는 부직포가 존재하지 않으므로, 온(On), 오프(Off) 온도가 일정하게 유지되지 못하고 있으며, 이에 따라서 외피재에서 측정되는 온도가 50℃를 초과하고 매우 불규칙적으로 변화되고 있음을 알 수 있다.
또한, 온도조절부가 구비되지 않은 비교예2의 결과인 도 8의 경우에는 외피재에서의 온도가 지속적으로 증가하여 80℃까지 상승하는 것을 볼 수 있다.
이는 온도조절부 하부에 형성된 부직포가 온도의 급격한 변동을 조절하기 때문이다. 즉, 온도조절부의 온도가 급격히 가열되어 외피재의 온도보다 먼저 오프(Off)가 되고, 반대로 온도조절부의 온도가 외피재보다 더 빨리 냉각되어, 외피재의 온도가 충분히 내려가지 않은 상태에서 다시 온(On) 상태로 되어 불규칙한 가열이 이루어지지 않도록 하기 때문이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 면상 발열 시트는 온도조절부를 외피재 하부에 위치시키되, 온도조절부의 하부에 부직포를 더 형성함으로써, 면상 발열 시트의 온도 제어 특성을 향상시킬 수 있도록 한다.
이때, 서브 전극부 사이의 가열 영역과 온도조절부가 중첩되는 영역의 넓이에 따라서도 면상 발열 시트의 온도 조절 능력이 변화할 수 있는데, 그 구체적인 사항을 살펴보면 다음과 같다.
도 9는 본 발명에 따른 면상 발열 시트를 나타낸 평면도이다.
도 9는 본 발명에서 주요 구성을 나타낸 것으로, 면상 발열부(500) 상부에 (+)메인 전극부(510), (-)메인 전극부(515), (+)서브 전극부(525) 및 (-)서브 전극부(520)가 구비된 형태를 나타낸 것이다. 이때, 메인 전극부 및 서브 전극부는 발열부의 상부 표면 또는 하부 표면에 형성될 수 있다.
여기서, (+)서브 전극부(525) 및 (-)서브 전극부(520)는 서로 마주 보는 방향으로 각각 메인 전극부로부터 연장되는 형태가 되고, 서로 마주 보는 한 쌍의 서브 전극부 사이의 영역이 발열 영역(550)이 되고 있으며, 발열 영역(550) 상부에 온도조절부(600)가 형성된다. 이때, 발열 영역(550)은 한 쌍의 서브 전극부에 의해서 형성될 수도 있지만, 복수 쌍이 서브 전극부에 의해서 형성될 수도 있다. 이에 관한 구체적 실시예는 하기 도 12 내지 도 14에서 설명하는 것으로 하며, 이하에서는 한 쌍의 서브 전극부를 기준으로 설명하는 것으로 한다.
도 10은 본 발명에 따른 면상 발열 시트의 제조 방법을 나타내기 위하여 온도제어부의 위치 관계를 부분 적으로 확대한 평면도이다.
도 10을 참조하면, (+)서브 전극부(525) 및 (-)서브 전극부(520) 사이의 간격(D1)이 1.5 ~ 20mm가 되도록 형성하는 것이 바람직하며, 온도조절부(600)의 평면 면적과 중첩되는 발열 영역의 면적이 온도조절부(600) 면적의 15 ~ 100%가 되도록 형성하는 것이 바람직하다.
이때, 발열 영역(550) 식별을 위하여 각 서브 전극부의 외각에 표시를 하였으나, 이는 실제 적용되는 사항이 아니므로, 온도조절부(600)의 발열 중첩 영역(620)은 도시된 영역에 의해서 정의되는 것으로 한다.
여기서, 발열 중첩 영역(620)의 면적 비율에 따른 면상 발열 시트의 온도 제어 방법을 살펴보면, 다음과 같이 설명될 수 있다.
실험 조건은 상술한 실시예1과 동일하게 유지하였으며, 상기 도 9에 도시된 구조에서 (+)서브 전극부(525) 및 (-)서브 전극부(520) 사이의 간격(D1)을 조절하여 발열 중첩 영역(620)이 12%, 13%, 40%, 60% 및 100%가 되도록 하여 각각 실험을 진행하였고, 그 결과는 다음과 같다.
도 11은 본 발명에 따른 면상 발열시트의 온도 제어 방법을 나타낸 그래프이다.
도 11을 참조하면, 온도조절부에 대하여 서브 전극부 사이의 간격이 중첩되는 면적의 비율이 13 ~ 100%인 경우 43±2℃의 범위에서 정상적으로 오프(Off)가 수행되고 있으며, 34±2℃의 범위에서 정상적으로 온(On)이 수행되고 있다.
바람직하게는 발열 중첩 영역이 40%인 결과 그래프(-▲-)가 가장 안정적이고 우수한 온도 제어 특성을 나타내고 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 면상 발열 시트 및 이를 이용하여 온도를 제어하는 방법은 온도조절부와 발열 영역이 중첩되는 면적을 조절하는 것에 의해서도 그 특성을 향상시킬 수 있다.
이와 관련하여, 본 발명에 따른 면상 발열 시트는 (+), (-)서브 전극부의 선폭 조절에 의한 (+)서브 전극부와 (-)서브 전극부 사이의 간격 조절도 가능하며, 그에 따른 구체적 실시예를 살펴보면 다음과 같다.
도 12는 본 발명에 제 3 실시예에 따른 면상 발열 시트를 나타낸 평면도이다.
도 12를 참조하면, 탄소나노튜브를 이용하여 형성된 면상 발열부(700) 상부에 코일 형태로 구비되는 (+)메인 전극부(710)와 (-)메인 적극부(715)가 구비되고, 각 메인 전극부의 코일에서 연장되어 (+)서브 전극부(725) 및 (-)서브 전극부(715)가 형성된다.
이와 같은 실시예의 적용 가능 여부를 실험하기 위하여 한 쌍의 서브 전극부의 두께(T1)는 1mm로 형성하였으며, (+)서브 전극부(725) 및 (-)서브 전극부(715) 사이의 간격(D2)은 4mm로 형성하였다.
다음으로, 발생되는 발열 영역(750)을 4mm로 정의하고, 상기 실시예1의 구조를 가지는 면상 발열 시트를 적용하였다. 온도조절부인 열동소자는 지름이 20mm인 제품을 사용하였으며, 작동 전압은 6 ~ 24볼트로 하여 실험을 진행하였다.
그 결과 평균 44℃의 온도에서 오프(Off)가 수행되었으며, 34℃의 온도에서 온(On)이 수행되었다.
아울러, 상기와 같은 제 3 실시예의 형태로 (+)서브 전극부(725) 및 (-)서브 전극부(715) 사이의 간격(D2)이 1.5mm인 전극부를 형성할 수 있었으며, 이때 중첩영역이 13%가 될 수 있도록 열동소자의 지름이 15mm인 제품을 사용한 실험도 진행하였다.
그 결과 평균 45℃의 온도에서 오프(Off)가 수행되었으며, 34℃의 온도에서 온(On)이 수행되었다.
아울러, 상기 실험 조건을 기준으로 (+)서브 전극부(725) 및 (-)서브 전극부(715) 사이의 간격(D2)이 1.4mm, 1mm, 0.5mm인 경우에도 실험을 진행하였으며, 그 결과는 하기 표 1에 표시하였다.
도 13은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 면상 발열 시트를 나타낸 평면도이다.
도 13을 참조하면, 상기 제 3 실시예와 같이 코일 형태의 (+), (-)메인 전극부(810, 815)와 (+), (-)서브 전극부(825, 820)를 형성하되, 한 쌍의 서브 전극부의 두께(T2)는 0.5mm로 형성하였으며, (+)서브 전극부(825) 및 (-)서브 전극부(815) 사이의 간격(D3)은 2mm로 형성하였다.
그리고, 여기서의 발열 영역(850)은 한 쌍의 서브 전극부를 이용한 것이 아니라, 각 서브 전극부가 서로 엇갈리게 배열된 복수개의 서브 전극부들 사이의 간격(D3×3=6mm)으로 정의하였다.
아울러, 상기와 같은 조건에서 서브 전극부의 두께는 자유롭게 조절이 가능하며, (+)서브 전극부 및 (-)서브 전극부 사이의 간격은 최하 1.5mm이상이 되도록 하면, 본 발명에 따른 면상 발열 시트의 작동 조건을 충족시킬 수 있는 것으로 조사되었다.
도 14는 본 발명의 제 5 실시예에 따른 면상 발열 시트를 나타낸 평면도이다.
도 14를 참조하면, 상기 제 3 실시예와 같이 코일 형태의 (+), (-)메인 전극부(910, 915)와 (+), (-)서브 전극부(925, 920)를 형성하되, 한 쌍의 서브 전극부의 두께(T3)는 0.2mm로 형성하였으며, (+)서브 전극부(925) 및 (-)서브 전극부(915) 사이의 간격(D4)은 1.5mm로 형성하였다.
그리고, 여기서의 발열 영역(950)은 한 쌍의 서브 전극부를 이용한 것이 아니라, 각 서브 전극부가 서로 엇갈리게 배열된 복수개의 서브 전극부들 사이의 간격(D4×13=19.5mm)으로 정의하였다.
아울러, 상기 제 3 및 제 4 실시예와 같은 조건에서 (+)서브 전극부 및 (-)서브 전극부 사이의 간격을 최하 0.5mm까지 조절하여 전체 간격이 22mm가 되는 시점까지 실험을 진행하였으며, 그 종합적인 결과들은 하기 표 1에 나타내었다.
간격
(mm)		 0.5 1 1.4 1.5 2 4 6 8 10 12 14 16 18 19.5 20.1 22
On 35.5 35 34.5 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 34 33.5 33
Off 48 46.5 46 45 44 44 43 43 43 42 42 42 42 42 41 40.5
상기 표 1을 참조하면, 단일 서브 전극부 또는 복수개의 서브 전극부 사이의 간격이 1.5mm 인 경우에 오프(Off) 온도가 45℃이고, 온(On) 온도가 34℃로 나타나고 있어, 서브 전극부 사이의 간격이 1.5mm 미만인 경우 온도 제어 특성이 떨어지고 있음을 알 수 있다.
또한, 온도제어부의 최대 지름이 되는 20mm를 초과한 20.1mm의 간격을 갖는 경우 오프(Off) 온도가 41℃이고, 온(On) 온도가 33.5℃로 나타나고 있어, 온도 제어 특성이 저하되고 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 면상 발열 시트는 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube)를 그라비아로 인쇄한 필름을 발열부로 사용함으로써, 6 ~ 24볼트의 저전압에서도 용이하게 면상 발열이 일어 날 수 있도록 하고, 시트의 전면에서 고르게 발열이 일어 날 수 있도록 한다.
아울러, 본 발명은 상기 면상 발열 시트의 온도제어부를 서브 전극부의 상부에 위치시키되, 발열 부분의 크기를 1.5 ~ 20mm로 형성하고, 여기에 온도제어부가 중첩되는 영역의 크기를 13 ~ 100%가 되도록 조절하여, 온도 제어 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 온도제어부의 하부에 부직포를 형성함으로써, 외부에서 느낄 수 있는 온도변화와 동일한 온도에서 제어가 이루어질 수 있도록 하고, 최대 온도가 45℃를 초과하는 경우 전류 공급이 오프(Off) 되고, 최하 온도가 32℃가 되면 다시 온(On) 상태로 전환될 수 있도록 함으로써, 휴대용 방석과 같은 소형 전열기구 및 자동차의 열선시트와 같은 제품에도 용이하게 적용할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100, 300, 400 : 단열층
110, 230, 310, 410 : 양면접착 필름
120, 220, 320, 420 : 전극부층
130, 210, 500, 700, 800, 900 : 발열부
140, 340, 440 : 베이스 필름
150 : 부직포접착층
160, 240 : 부직포
170, 250, 350, 600 : 온도제어부
180, 260, 360, 450 : 외피재
510, 710, 810, 910 : (+)메인 전극부
515, 715, 815, 915 : (-)메인 전극부
520, 720, 820, 920 : (-)서브 전극부
525, 725, 825, 925 : (+)서브 전극부
550, 750, 850, 950 : 발열 영역
620 : 발열 중첩 영역

Claims (17)

  1. 외피재의 내부에 발열부를 가지는 면상 발열 시트를 제조하는 방법에 있어서,
    탄소나노튜브(Carbon Nano Tube) 필름을 이용하여 발열부를 형성하는 단계;
    상기 발열부의 표면에 전원 공급을 위한 (+)메인 전극부와 (-)메인 전극부를 서로 이격된 형태로 형성하는 단계;
    상기 각 메인 전극부에서 서로 마주 보는 방향으로 연장되는 하나 이상의 (+)서브 전극부와 (-)서브 전극부를 각각 형성하되 서로 마주 보는 한 쌍의 상기 (+)서브 전극부와 (-)서브 전극부 간격이 1.5 ~ 20mm가 되도록 하는 단계;
    상기 (+)서브 전극부와 (-)서브 전극부에 의해서 정의되는 발열 영역의 상부에 온도제어부를 형성하되, 상기 발열 영역과 중첩되는 상기 온도제어부의 면적이 상기 온도제어부의 자체 평면 면적에 대해 15 ~ 100%가 되도록 형성하는 단계; 및
    상기 온도제어부 하부에 상기 온도제어부 크기의 부직포층을 형성하여, 상기 온도제어부에서 측정되는 온도가 상기 외피재의 표면에서 측정되는 온도와 일치될 수 있도록 하는 단계를 포함하는 저전압 면상 발열 시트의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (+), (-)메인 전극부 및 (+), (-)서브 전극부는 상기 발열부의 하부 표면에 형성하는 것을 특징으로 하는 저전압 면상 발열 시트의 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 (+), (-)메인 전극부 및 (+), (-)서브 전극부 하부에 양면 접착층을 더 형성하고, 상기 양면 접착층 하부에 더 단열층을 형성하는 것을 특징으로 하는 저전압 면상 발열 시트의 제조 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 발열부 상부에 베이스 필름층을 더 형성하고, 상기 베이스 필름층 상부에 상기 부직포 및 상기 온도제어부의 순서로 적층하는 것을 특징으로 하는 저전압 면상 발열 시트의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 부직포는 상기 베이스 필름층 상부에 접착층을 이용하여 고정시키는 것을 특징으로 하는 저전압 면상 발열 시트의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 (+), (-)메인 전극부 및 (+), (-)서브 전극부는 상기 발열부의 상부 표면에 형성하는 것을 특징으로 하는 저전압 면상 발열 시트의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 발열부 하부에 베이스 필름층을 더 형성하는 것을 특징으로 하는 저전압 면상 발열 시트의 제조 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 (+), (-)메인 전극부 및 (+), (-)서브 전극부 상부에 양면 접착층을 더 형성하고, 상기 양면 접착층 상부에 상기 부직포 및 상기 온도제어부를 순차적으로 적층하는 것을 특징으로 하는 저전압 면상 발열 시트의 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 부직포는 상기 온도제어부 면적의 1 ~ 1.5배 되는 면적이 되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 저전압 면상 발열 시트의 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 부직포는 단위면적당 100 ~ 200g의 질량을 가지는 제품을 사용하는 것을 특징으로 하는 저전압 면상 발열 시트의 제조 방법.
  11. 하부 외피재;
    상기 하부 외피재 상부에 형성되는 시트 형태의 단열층;
    상기 단열층의 상부에 형성되는 양면 접착층;
    상기 양면 접착층 상부에 형성되는 (+)메인 전극부와 (-)메인 전극부;
    상기 (+)메인 전극부와 (-)메인 전극부에서 각각 서로 마주 보는 방향으로 연장되되, 서로 마주 보는 간격이 1.5 ~ 20mm가 되도록 형성되는 (+)서브 전극부와 (-)서브 전극부;
    상기 (+)메인 전극부, (-)메인 전극부, (+)서브 전극부 및 (-)서브 전극부 상부에 형성되며, 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube) 필름으로 이루어지는 발열부;
    상기 발열부 상부에 형성되는 베이스 필름;
    상기 베이스 필름의 상부에 형성되되, (+)서브 전극부 및 (-)서브 전극부 사이의 간격과 중첩되는 부분의 면적이 자체 평면 면적에 대해 15 ~ 100%가 되도록 형성되는 온도제어부;
    상기 온도제어부 하부 및 상기 베이스 필름 사이에 상기 온도제어부의 평면과 대응되는 크기로 형성되는 부직포; 및
    상기 온도제어부 상부에 형성되는 상부 외피재를 포함하는 것을 특징으로 하는 면상 발열 시트.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 온도제어부는 온도 센서 또는 열동소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 면상 발열 시트.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 열동소자의 지름은 15 ~ 22mm인 것을 특징으로 하는 면상 발열 시트.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 면상 발열 시트는 6 ~ 24볼트의 전압에서 동작되는 것을 특징으로 하는 면상 발열 시트.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 면상 발열 시트는 외부 온도가 -20℃인 조건에서 작동된 후 1분 이내에 30℃까지 가열되도록 하며, 10분 이내에 40℃까지 가열될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 면상 발열 시트.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 온도제어부는 45℃의 온도에서 오프(Off) 상태로 전환되도록 하고, 32℃의 온도에서 다시 온(On) 상태로 전환되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 면상 발열 시트.
  17. 하부 외피재;
    상기 하부 외피재 상부에 형성되는 시트 형태의 베이스 필름;
    상기 베이스 필름의 상부에 형성되며, 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube) 필름으로 이루어지는 발열부;
    상기 발열부 상부에 형성되는 (+)메인 전극부와 (-)메인 전극부;
    상기 (+)메인 전극부와 (-)메인 전극부에서 각각 서로 마주 보는 방향으로 연장되되, 서로 마주 보는 간격이 1.5 ~ 20mm가 되도록 형성되는 (+)서브 전극부와 (-)서브 전극부;
    상기 (+)메인 전극부, (-)메인 전극부, (+)서브 전극부 및 (-)서브 전극부 상부에 형성되는 양면 접착층;
    상기 양면 접착층 상부에 형성되되, 상기 (+)서브 전극부와 (-)서브 전극부 사이의 간격과 중첩되는 부분의 면적이 자체 평면 면적에 대해 15 ~ 100%가 되도록 형성되는 온도제어부;
    상기 온도제어부 하부 및 상기 양면 접착층 사이에 상기 온도제어부의 평면과 대응되는 크기로 형성되는 부직포; 및
    상기 온도제어부 상부에 형성되는 상부 외피재를 포함하는 것을 특징으로 하는 면상 발열 시트.
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