KR101224318B1 - 투명 플라스틱 패널의 임계 관찰영역에서의 열 강화 - Google Patents

투명 플라스틱 패널의 임계 관찰영역에서의 열 강화 Download PDF

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KR101224318B1
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Abstract

본 발명은 투명한 플라스틱 글레이징 패널의 임계 관찰영역에서 발생된 열의 양을 강화하기 위한 플라스틱 윈도우 및 성에제거 장치 조립체를 제공한다. 이러한 조립체는 투명한 플라스틱 패널과, 약 milliohms/square @ 25.4㎛ (1 mil) 이하의 시트 저항률을 갖는 도전성 잉크를 프린팅하므로써 형성된 도전성 히터 그리드를 포함한다.
그리드 라인, 히터, 버스바아, 잉크, 저항, 입자, 결합제

Description

투명 플라스틱 패널의 임계 관찰영역에서의 열 강화{HEAT ENHANCEMENT IN CRITICAL VIEWING AREA OF TRANSPARENT PLASTIC PANEL}
본 발명은 본 발명에 참조인용된 2004년 12월 10일자로 가출원된 미국 특허출원 제60/635.106호의 장점을 청구한다.
플라스틱 패널이나 윈도우용으로 설계된 히터 그리드에 비해, 글래스 패널이나 윈도우용으로 설계된 히터 그리드에 사용하기에 적합한 도전성 물질의 형태 사이에는 많은 차이점이 존재한다. 특히, 글래스 패널이나 윈도우에 대한 제조 처리과정에 의해, 히터 그리드를 형성하는데 사용되는 도전성 금속 반죽물은 고온( > 300℃)에서 소결된다. 고온에 금속 반죽물이 노출되면, 반죽물에서의 금속 입자는 연화되어 서로 용융되며, 이에 따라 매우 높은 레벨의 도전성과 낮은 전기 시트저항(S.R.≤ 2.5 milliohms/square @ 25.4㎛ [1 mil])을 나타내는 소결된 그리드 라인이 된다. 또한, 이러한 소결 처리과정은 소결된 금속 그리드 라인이 글래스 패널이나 윈도우의 표면에 적절히 고착되게 하는, 산화물 표면 기능성을 생성할 수 있다.
대부분의 폴리머 시스템에서 나타나는 글래스 천이온도(Tg)는 300℃ 처리온도에 비해 훨씬 낮다. 따라서, 플라스틱 패널이나 윈도우는 글래스 패널이나 윈도 우 제조 처리과정에 나타나는 매우 높은 온도에 노출될 수 없다. 플라스틱 패널이나 윈도우에 대해, 도전성 금속 반죽물은 전형적으로 플라스틱 패널에 의해 나타나는 온도(Tg) 보다 약 10℃ 높거나 낮은 온도에 노출될 수 있다. 예를 들어, 폴리카보네이트는 140℃의 온도(Tg)를 갖는다. 이 경우, 금속 반죽물에 대한 경화 온도는 약 130℃를 초과할 수 없다. 이러한 낮은 온도에서, 금속 입자는 연화되거나 서로 용융되지 않는다. 또한, 플라스틱 패널이나 윈도우에 고착되기 위하여, 도전성 반죽물에는 폴리머 상태가 존재해야만 한다. 이러한 폴리머물질은 밀착이격된 금속 입자들 사이에서 본질적으로 유전체로서 행동할 것이다. 따라서, 경화된 금속 반죽물에 의해 나타나는 도전성은 소결된 반죽물에 의해 나타나는 도전성 보다 낮을 것이다.
글래스에 비해 플라스틱에 의해 나타난 낮은 열전도성 뿐만 아니라, 고온 기판(예를 들어, 글래스)에 프린팅된 소결된 금속 반죽물에 비해 플라스틱 기판상에 경화된 도전성 반죽물에 의해 나타나는 낮은 전기전도성으로 인해, 히터 그리드의 기능성은 긴 그리드 라인이 요구될 때 심각하게 손상된다. 따라서, 본 기술분야에서는 대형 차량의 백라이트 및 후방 윈도우의 허용가능한 성에제거 장치를 제공하기 위해, 임계 관찰영역에서 발생되어 소산된 열량을 강화 및 최적화할 것이 요망되고 있다.
본 발명은 플라스틱 윈도우 조립체의 임계 관찰영역에서 발생된 열량 강화를 제공한다. 본 발명의 실시예는 플라스틱 윈도우 조립체에 대해 설명할 것이며; 이러한 윈도우 조립체는 투명한 플라스틱 패널과, 적어도 하나의 보호층과, "도전성이 높은" 잉크를 프린팅하므로써 형성된 도전성 히터 그리드를 포함하며; 상기 "도전성이 높은" 프린팅된 잉크는 8 milliohms/square @ 25.4㎛ (1 mil) 이하의 시트 저항률을 나타내도록 경화된다. 또 다른 특징에 따르면, 본 발명은 약 30 오옴 이하의 저항과 약 1 오옴 이하의 전체 히터 드리드에 대한 전체 저항을 나타내는 주-그리드 라인을 갖는 히터 그리드를 포함한다. 또 다른 특징에 있어서, 본 발명은 "가변폭" 접근방식, "수렴형 라인" 접근방식, 또는 "교차형 라인" 접근방식을 사용하므로써 주-그리드 라인을 통해 흐르는 전류량의 강화를 설명한다.
또한, 본 발명은 플라스틱 윈도우 조립체 표면의 성에제거 및 안개제거 방법을 설명한다. 이러한 방법에 따르면, 인쇄된 히터 그리드에 전압을 인가하면, 전류는 도전성 히터 그리드의 주-그리드 라인을 통해 흐르게 되며, 주-그리드 라인을 통한 전류의 흐름은 히터 그리드의 주-그리드 라인의 저항가열을 유발시키고, 주-그리드 라인의 저항가열은 투명한 플라스틱 글레이징 패널의 표면에서 성에 및 안개가 제거되게 하며, 주-그리드 라인을 통한 전류의 흐름은 약 0.4 암페어 이상이 되도록 제공되며, 주-그리드 라인에서 저항에 대한 전류밀도의 비율은 약 1amp/ohm-mm2 이상이며, 투명한 플라스틱 패널에서 성에 및 안개가 제거된 후 또는 한정된 시간간격후 히터 그리드로부터 전압을 끊는다.
도1은 SAE J953(1999) 자동차 산업기준을 사용하여 4mm 두께의 폴리카보네이 트 윈도우의 가시영역의 75%를 성에제거하는데 필요한 표면온도-시간을 도시한 그래프.
도2는 본 발명에 따른 플라스틱 윈도우조립체에 대한 다양한 구성을 도시한 단면도.
도3은 그리드 라인을 흐르는 전류의 함수로서, 0.6mm 폭을 갖는 그리드 라인의 온도 출력을 비교한 그래프로서; 상기 그리드 라인은 플라스틱 기판상의 종래의 도전성 잉크이거나, 플라스틱 기판상의 "상당히" 도전성인 잉크이거나, 글래스 기판상에 소결된 또는 프릿형 잉크를 도시한 도면.
도4는 그리드 라인을 흐르는 전류의 함수로서, 다양한 폭을 갖는 그리드 라인의 온도 출력을 비교한 그래프로서; 상기 그리드 라인은 "상당히" 도전성인 잉크를 도시한 도면.
도5는 40℃, 50℃, 60℃, 70℃의 온도 출력에서 "상당히" 도전성인 잉크 및 종래 도전성 잉크의 그리드 라인에 대한, 전류밀도-그리드 라인 저항을 도시한 도면,
도6은 멱수법칙 함수를 이용하여 "상당히" 도전성인 잉크 및 종래 도전성 잉크의 그리드 라인에 대한, 그리드 라인 저항-그리드 라인 체적을 도시한 도면.
도7은 "종래의" 접근방식에 비해 "가변폭" 접근방식을 이용하거나 "수렴형 라인" 접근방식을 이용하여 설정된 성에제거 지역을 나타낸 그리드 라인을 개략적으로 도시한 도면.
도8A 및 도8B는 임계 관찰영역에서의 전류를 강화하기 위해, "교차형 라인" 접근방식으로 히터 그리드를 개략적으로 도시한 도면.
도9는 "가변폭" 접근방식을 사용하여 임계 관찰영역에서의 전류를 강화하는 히터 그리드를 도시한 도면.
도10은 "가변폭" 접근방식 및 "수렴형 라인" 접근방식을 사용하여 임계 관찰영역에서 전류를 강화하는 히터 그리드를 개략적으로 도시한 도면.
본 발명은 투명한 플라스틱 글레이징 패널에 적용되는 히터 그리드에 관한 것으로서, 패널은 "승용차 백라이트 성에제거 시스템"으로 명명된 SAE J953(1999) 테스트 프로토콜(Society of Automotive Engineers, Warrendale, PA)의 형태로 허용된 자동차 성에제거 표준에 부합하도록 성에제거될 수 있다. 이러한 테스트에 부합하기 위하여, 플라스틱 윈도우 조립체의 일부인 히터 그리드는 윈도우 또는 패널의 임계 관찰영역에서 발생된 열량을 강화 및 최적화하기 위해 하나이상의 구성을 이용한다. 이들중 일부는 도전성 금속 반죽물이나 잉크의 사용을 포함하며, 상기 반죽물이나 잉크는 히터 그리드 디자인에 의해 나타나는 전체적인 전기저항과 주-그리드 라인에 의해 나타난 시트 저항률에 대해 특정한 요구사항에 부합하거나 이를 초과한다. 또한, 이들중 다른 일부는 주-그리드 라인에 수렴하여 이와 교차하는 비임계 관찰영역에서 부가적인 제2차 그리드 라인의 사용을 포함한다. 그리고 또 다른 일부는 임계 관찰영역에서 주-그리드 라인의 가열 프로필(profile)을 강화하기 위해 가변형 그리드 라인폭을 이용한다.
자동차 산업에서 채택된 SAE J953(1999) 표준 테스트는 윈도우상에 성에나 아이스를 생성하는 단계로부터 시간의 함수로서 깨끗해진 가시 영역의 비율을 측정하는 단계까지 모두 10가지 단계를 포함한다. 전체적인 처리과정은 하기의 표1에 도시되어 있다. 이러한 표준에 따라, 30분 이내에 가시 영역의 적어도 75%를 성에제거할 수 있는 히터 그리드를 포함하는 윈도우는 자동차용으로 사용하기에 적합하다. 그러나, 많은 자동차 제조업자들은 히터 그리드가 20분, 양호하기로는 10분 이내 등과 같이 훨씬 협소하게 한정된 시간 프레임에서 윈도우를 성에제거할 수 있기를 선호한다.
표1
1. -18℃ 내지 -20℃에서 수시간동안 윈도우를 침잠시킨다.
2. 윈도우를 물로 여러번 스프레이한다.
3. 평형이 되도록 윈도우를 1시간 이상 물/아이스에 침잠시킨다.
4. 윈도우가 수직위치인 것을 보장한다.
5. 온도 및 에어 운동(2.24 미터/초)을 관찰한다.
6. 성에제거 장치를 ON 으로 한다(13.1 볼트 인가)
7. 시간 0에서 전압, 전류, 열전쌍(T)을 기록한다.
8. 적어도 매 5분마다 "돌파(break-through)"를 측정한다(그림 등)
9. 가시 영역이 100% 깨끗해졌거나 또는 30분일 때 테스트를 종료한다.
10. 가시 영역의 75%를 깨끗하게 하는데 필요한 시간을 분석한다.
본 발명에 참조인용된 미국 특허출원 제2005-0252908호에 개시된 바와 같이 플라스틱 패널용(폴리카보네이트, 4mm 두께)으로 설계된 히터 그리드는 히터 그리드가 패널의 내측면에 위치되었을 때, SAE J953(1999)에 부합할 수 있으며; 성에제거될 아이스는 패널의 대향측 외측면에 존재한다. 이러한 히터 그리드에 의해, 약 55℃의 주-그리드 라인 온도는 플라스틱 패널을 30분에 성에제거할 수 있다. 약 60℃에서는 성에제거가 20분동안 실행되었고, 약 70℃에서는 성에제거가 약 10분동안 실행되었다. 패널의 외측면(성에낀 표면)의 온도와 플라스틱 패널의 내측면(히트 그리드가 이송되는 표면)의 그리드 라인의 온도는 도1에 각각 10 및 12로 도시되었다. 그리드 라인 온도 측정(열 프로필)은 편리함을 위해 주변의 대기온도(22.5℃)에서 실행되었다. 또한, 22.5℃의 주변온도에서 플라스틱 패널의 외측면에 의해 나타나는 온도도 측정되었다. 도1에 도시된 바와 같이, 외측의 플라스틱 표면(아이스 또는 성에와 접촉하고 있는 표면)의 평형 온도는 플라스틱 패널의 내측면에 있는 그리드 라인의 온도 보다 낮은 약 15-20℃ 이었다.
10분, 20분, 또는 30분내에 플라스틱 패널을 성에제거하기 위해서는 패널의 외측면 온도가 각각 약 50℃, 45℃, 40℃에 도달되어야만 한다. 이에 의해, 열비율은 22.5℃의 주변 대기온도에 대해 플라스틱 패널의 외측면을 성에제거하는데 필요한 내측면 온도로서(SAE J953 프로토콜에 따라 결정된 바와 같이) 한정될 수 있다. 따라서, 10분, 20분, 또는 30분내에 플라스틱 패널을 성에제거하기 위해, 주-그리드 라인 및 외측면은 각각 약 2.2, 2.0, 1.8 의 열비율을 나타내야만 한다. 본 발명자는 그리드 라인 온도(패널의 내측면)와 외측면 온도(패널의 외측면) 사이의 온도편차에 대한 이유로는 플라스틱 패널에 의해 나타나는 매우 빈약한 열전도 성 또는 열 확산도라고 믿고 있다.
테스트 프로토콜을 사용하여, 차량용 플라스틱 윈도우를 성에제거하기 위한 양호한 디자인 영역(14)은 예를 들어, 성에 또는 아이스와 접촉하고 있고 40℃ 내지 70℃ 사이에 온도인 윈도우 외부의 표면 온도를 설정하기 위해 도1에 도시될 수 있다. 안전상의 관점으로 인해, 플라스틱 패널상에서 히터 그리드의 버스바아 및 주-그리드 라인에 허용가능한 최대 온도가 70℃ 이기 때문에, 윈도우의 외측면에 대한 히터 그리드의 위치는 히터 그리드에 의해 나타나는 성에제거 및 안개제거 능력을 최적화하는데 매우 중요한 디자인 고려사항이 된다.
도2A 내지 도2D에 도시된 바와 같이, 히트 그리드(16)는 플라스틱 윈도우 조립체(20)의 내측면(22)(도2B 및 도2C)에서 플라스틱 윈도우 조립체(20)(도2A)의 외측면 근처에 배치되거나, 플라스틱 패널로 둘러싸인다(도2D). 히터 그리드(16)에 대한 각각의 가능한 위치는 전체적인 성능 및 경비에 관해 상이한 장점을 제공한다. 플라스틱 패널(24)의 안개제거에 필요한 시간을 최소화하기 위해서는 플라스틱 윈도우 조립체(20)의 외측면(18)(도2A) 근처에 히터 그리드(16)를 배치하는 것이 바람직하다. 시스템 전체의 용이한 적용과 낮은 제조경비로 인해, 플라스틱 윈도우 조립체의 내측면(22)(도2C)에 히터 그리드(16)를 배치하는 것이 바람직하다.
투명한 플라스틱 패널(24)은 열가소성 폴리머 수지 또는 이들의 혼합물 또는 조합물로 구성된다. 열가소성 수지는 코폴리머 및 이들의 혼합물 뿐만 아니라, 폴리카보네이트 수지, 아크릴 수지, 폴리아릴레이트 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리설폰 수지를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 투명한 패널(24)은 본 기술분야 에 공지되어 있는 기법, 예를 들어 성형 등과 같은 기법을 사용하여 윈도우에 성형된다. 상기 투명한 패널(24)은 불투명 수지를 사용하여 경계부를 성형하거나 불투명 잉크를 프린팅하므로써 인가된, 블랙아웃(black-out) 경계부(26) 및 로고 등과 같은 불투명 영역을 부가로 포함한다.
히터 그리드(16)는 도전성 잉크 또는 반죽물을 사용하여 또는 스크린 프린팅, 잉크 제트, 또는 자동 분배기법 등과 같이 본 기술분야에 공지된 방법(그러나, 이러한 방법에 한정되지 않는다)을 사용하여 보호층(32)의 표면이나 플라스틱 패널(24)의 내측면 또는 외측면(28, 30)에 직접적으로 일체로 프린팅된다. 자동 분배기법은 드립 앤 드래그, 스트리밍, 간단한 흐름 분배기법 등과 같이 접착제 적용분야의 숙련자에게 알려진 기법 등을 포함한다.
플라스틱 패널(24)은 패널(24)의 외측이나 내측에서 단일의 보호층(32)이나 부가의 선택적 보호층(34)의 사용에 의한 마찰, 산화, 자외선 조사 등에 노출되었을 때 이러한 자연적인 사건으로부터 보호된다. 적어도 하나의 보호층(32)을 갖는 투명한 플라스틱 패널(24)은 투명한 플라스틱 글레이징 패널로서 한정된다.
보호층(32, 34)은 플라스틱 필름과, 유기 코팅과, 무기 코팅, 또는 이들의 혼합물로 구성된다. 플라스틱 필름은 투명한 패널로서, 동일하거나 상이한 조성물을 포함한다. 필름 및 코팅은 광학적, 화학적 또는 물리적 특성을 변경하기 위한 기타 다른 첨가제 뿐만 아니라, 마찰저항을 강화하기 위하여, 자외선 흡수기(UVA) 분자와; 분산제, 계면활성제, 투명한 필러(예를 들어, 실리카, 알루미늄 산화물 등) 등과 같은 유동 제어 첨가제를 포함한다.
유기 코팅의 실시예는 우레탄, 에폭시드(epoxide), 아크릴레이트 및 이들의 혼합물이나 화합물을 포함하지만; 이에 한정되지 않는다. 무기 코팅의 일부 실시예는 실리콘, 알루미늄 산화물, 바륨 불화물, 붕소 질화물, 하프늄 산화물, 란탄 불화물, 마그네슘 불화물, 마그네슘 산화물, 스칸듐 산화물, 실리콘 일산화물, 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산화-질화물(oxy-nitride), 실리콘 산화-탄화물, 실리콘 탄화물, 탄탈륨 산화물, 티타늄 산화물, 주석 산화물, 인듐 주석 산화물, 이트륨 산화물, 아연 산화물, 아연 셀렌, 아연 황화물, 지르코늄 산화물, 지르코늄 티탄산염, 또는 그랠스, 또는 이들의 혼합물이나 화합물을 포함한다.
코팅은 본 기술분야의 숙련자에게 공지된 적절한 기법에 의해 인가된다. 이러한 기법은 진공의 도움을 받는 침착 처리과정에 사용되는 바와 같은, 또한 기판에 졸-겔 코팅을 인가하는데 사용되는 바와 같은 반응성 종으로부터의 침착을 포함한다. 진공의 도움을 받는 침착 처리과정의 실시예는 플라즈마 강화 화학 증착, 이온을 도움을 받는 플라즈마 침착, 마그네트론 스퍼터링, 전자비임 증착, 이온이임 스퍼터링을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다. 대기압 코팅 처리과정의 실시예는 커튼 코팅, 스프레이 코팅, 스핀 코팅, 딥 코팅, 유동 코팅 등을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
상술한 바와 같이, 히터 그리드는 플라스틱 패널상에, 보호층(32)에, 또는 이러한 두개의 층들 사이에 그리드 패턴을 인가하므로써 윈도우 조립체(20)의 내측면 또는 외측면(22, 18)의 근처에 배치된다. 일구조에 있어서, 히터 그리드(16)는 플라스틱 패널의 내측면(28)상에 그리고 보호층(32, 34)의 아래에(도2B) 프린팅되 며; 또 다른 구조에서 히터 그리드(16)는 보호층(34)의 최내측(차량의 내측)의 표면상에 프린팅된다(도2C). 예를 들어, 인쇄된 성에제거 장치(16)가 구비된 Exatec? 자동차 윈도우 글레이징 시스템을 포함하는 폴리카보네이트 패널(24)은 도2C의 실시예에 대응한다. 이러한 특별한 경우에 있어서, 투명한 폴리카보네이트 패널(24)은 다층 코팅 시스템(Exatec? SHP-9X, Exatec? SHX)과, 글래스형 코팅(SiOxCyHz)의 침착층으로 보호되며; 상기 글래스형 코팅은 차량의 내측과 대면하는 보호층(34)의 노출면상에서 히터 그리드(16)로 프린팅된다. 또 다른 선택적 구성에 따르면, 히터 그리드(16)는 보호 코팅(또는 코팅들)의 층(또는 층들)의 상부에 배치된 후, 보호 코팅(또는 코팅들)의 부가의 층(또는 층들)로 오버코팅된다. 예를 들어, 히터 그리드(16)는 실리콘 보호 코팅(예를 들어, AS4000, GE Silicones)의 상부에 배치된 후, "글래스형" 필름으로 오버코팅된다.
도2A의 구성에 있어서, 히터 그리드(16)는 조립체(20)의 외측면(18)의 근처에 배치되는 반면에, 또 다른 실시예(도2D)에서 히터 그리드(16)는 플라스틱 패널(24)의 자체내에 배치된다. 이러한 두 실시예는 히터 그리드(16)를 투명한 플라스틱의 얇은 필름이나 패널에 초기에 인가하는 단계를 포함한다. 투명한 필름 또는 패널은 윈도우의 형태로 가열성형된 후, 플라스틱 패널 또는 윈도(20)를 성형하기 위해 사출성형을 통해 주형에 배치되어 플라스틱 용융물에 노출된다. 얇은 필름 및 투명한 패널(24) 또는 두개의 투명한 패널(24)은 라미네이트되거나 또는 서로 접착가능하게 고착된다. 히터 그리드(16)가 배치되어 있는 얇은 플라스틱 패널(24) 또는 필름은 기타 다른 부가의 기능성과 마찬가지로, 장식성 잉크나 블랙아 웃 경계부(26)를 포함한다. 히터 그리드(16)의 주-그리드 라인이 허용가능한 성에제거 및 안개제거 성능을 달성하는데 필요한 온도에 도달하기 위해서는(도1 참조) 도전성이 높은 반죽물이나 잉크가 필요한 것으로 밝혀졌다. 종래의 도전성 반죽물이나 잉크는 플라스틱 차량용 윈도우를 위한 성에제거 장치로서 작동하기에는 그 능력이 매우 한정되었었다. 우선적으로, 종래의 도전성 잉크 및 반죽물에 의해 나타나는 상대적으로 낮은 도전성은 적절히 기능하기 위한 히터 그리드(16)의 수치로서 그리드의 길이를 약 750mm(∼30")로 한정하였다. 불행하게도, 대부분의 차량의 후방 윈도우의 폭은 750mm 로 넓으며, 750mm을 초과하는 그리드 라인을 갖는 히터 그리드(16)를 필요로 한다. 그 관련의 제조자에 따른 종래의 도전성 잉크 또는 반죽물의 실시예가 표2에 도시되어 있다. 표2에 도시된 바와 같이, 종래의 도전성 잉크나 반죽물에 의해 나타나는 시트 저항률은 10.0 milliohms/square @ 25.4㎛ (1 mil) 이상이다.
표2
종래 잉크 시트 저항률
(milliohms/square @ 1 mil)
1. CSS-015A 20 Precisia LLC(Ann Arbor, MI)
2. CSS-010A 32-35 Precisia LLC(Ann Arbor, MI)
3. AG-755 23 도전성 컴파운드(Londonderry, NH)
4. PI-2500 11-22 Dow Corning Corp.(Midland, MI)
5. Electrodag?PF-007 20 Acheson Colloids Co.(Port Huron, MI)
6. Electrodag?28RF107 10 Acheson Colloids Co.(Port Huron, MI)
7. Electrodag?SP-405 60 Acheson Colloids Co.(Port Huron, MI)
8. 118-09 19 Creative Materials Inc.(Tyngsboro, MA)
9. PTF-12A/B 20 Advanced Conductive Materials
(Atascadero, CA)
10. Silver 26-8204 >20 Coates Screen(St. Charles, IL)
11. 5000 15 DuPont Microcircuit Materials
(Research Triangle Park, NC)
12. 5029 10 DuPont Microcircuit Materials
(Research Triangle Park, NC)
13. 5021 15-17 DuPont Microcircuit Materials
(Research Triangle Park, NC)
잉크-본 발명
1. Exatec 3064 4-8 Fujikura Kasei Co. Ltd.(Tokyo, JP)
2. Exatec 100/101 4-8 Parelec Inc,.(Rocky Hill, NJ)
3. Exatec 31-3A 4-8 Methode Development Company(Chicago, IL)
다양한 물질의 최적의 분석 성능, 성에제거기의 프린팅된 및 소결된 그리드 라인에 의해 나타난 것과 유사한 허용가능한 성능도. 한편, 상술한 바와 같이 종 래의 실버 반죽물이나 잉크에 의해 나타난 것처럼, 허용불가능한 성능이 관찰되었다. 도3에는 0.6mm의 폭과, 약 8-10㎛의 높이와, 약 1000mm(∼35")의 길이를 갖는 다양한 형태의 그리드 라인의 성능비교가 도시되어 있다. 도면부호 36과 유리 윈도우상의 소결된 그리드 라인은 약 40℃의 온도를 달성하기 위해 약 0.85 암페어의 전류를 필요로 한다. 비교하였을 때, 도면부호 38과 폴리카보네이트 표면상에 프린팅된 종래의 잉크를 포함하는 이와 유사한 칫수의 그리드 라인은 약 40℃의 온도를 달성하기 위해 약 0.28 암페어의 전류만을 필요로 하였다. 이에 대한 주요한 원인은 폴리카보네이트상에 프린팅된 잉크에 의해 나타나는 높은 시트 저항률[10 milliohms/square @ 25.4㎛ (1 mil) 이상]-유리상에 프린팅된 잉크[2.5 milliohms/square @ 25.4㎛ (1 mil) 보다 이하]에 의한 것으로 여겨진다. 각각의 가열에 있어서, 발생된 열량은 그리드 라인의 저항과 그리드를 통해 흐르는 전류량에 상당히 의존한다. 더 많은 각각의 그리드 라인은 필요한 온도를 발생하기 위해 전류량을 적게 요구할 것이지만, 그러나 오옴의 법칙에 따라 전류를 설정하기 위해 더 많은 양의 전압을 필요로 할 것이다.
본 발명자는 플라스틱 패널에 사용되었을 때 이러한 형태의 도전성 잉크 또는 반죽물이 유리 패널상의 소결된 잉크에서 관찰된 성능과 훨씬 유사한 성능을 유도할 수 있다는 것을 발견하였다. 본 발명자는 약 8 milliohms/square @ 25.4㎛ (1 mil) 이하, 양호하기로는 약 6 milliohms/square @ 25.4㎛ (1 mil)의 시트 저항을 나타내는 "도전성이 높은" 프린팅된 잉크는 750mm(30")을 초과하는 그리드 라인을 갖는 플라스틱 패널상에서 기능적인 성에제거 장치를 제조하는데 사용될 수 있 다는 것을 발견하였다. 도3에 도면부호 40으로 도시된 바와 같이, 그리드 라인("도전성이 높은" 잉크를 사용하여 준비되고 0.6mm의 폭을 갖는)은 40℃의 최소한의 온도를 달성하기 위해 약 0.6 암페어 이상의 전류를 필요로 한다. 약 0.8 암페어 및 1 암페어 이상의 전류가 그리드 라인에 각각 흘렀을 때는 더욱 양호한 50℃ 및 60℃의 온도가 달성될 수 있다.
전형적인 차량용 12볼트(13.1 볼트의 출력) 배터리를 약 0.225mm 이상의 폭을 갖는 "도전성이 높은" 잉크의 그리드 라인에 연결함에 따라, 도4에 도시된 바와 같이 그리드 라인을 통과하는 전류가 약 0.4 암페어 이상일 때 40℃의 최소한의 온도가 달성될 수 있다. 폭이 더 넓은, 약 0.3mm의 "도전성이 높은" 잉크 그리드 라인에 0.6 암페어 이상으로 증가된 전류가 통과할 때는 더욱 양호한 50℃의 온도가 달성될 수 있다. 약 0.5mm의 "도전성이 높은" 잉크 그리드 라인을 0.85 암페어 이상으로 증가된 전류가 통과할 때는 더욱 양호한 60℃의 온도가 달성될 수 있다. 약 0.6mm의 "도전성이 높은" 잉크 그리드 라인을 1 암페어 이상으로 증가된 전류가 통과할 때는 70℃의 최대 온도가 달성될 수 있다. 따라서, 도4에 화살표 42로 도시된 "도전성이 높은" 잉크에 대한 양호한 설계 기준은 적어도 0.225mm의 폭과 0.4 암페어 이상의 전류이다.
"도전성이 높은" 잉크는 캐리어 매체에 분산된 도전성 입자(예를 들어, 플레이크 또는 분말)로 구성된다. "도전성이 높은" 잉크는 폴리머 결합제를 부가로 포함하며; 이러한 폴리머 결합제는 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리비닐 아세테이트 수지, 폴리비닐클로라이드 수지, 폴리우레탄 수지 또는 이들의 혼합물 및 코폴리머 등을 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다. 분산제, 틱소트로피, 살생제, 산화방지제, 금속염, 금속 화합물, 이른바 금속 분해물 등과 같은 기타 다른 다양한 첨가제가 "도전성이 높은" 잉크에 제공된다. 금속염 및 금속 화합물의 실시예는 3가 지방산 은 염, 금속 카보네이트, 금속 아세테이트 화합물을 포함한다. 금속-유기 분해제 제품은 카르복실산 금속 비누, 네오데카논산 은, 금 아미노 2-에틸헥사노에이트를 포함한다. 금속염과 금속 화합물 및 분해제품 뿐만 아니라, "도전성이 높은" 잉크의 또 다른 실시예는 본 발명에 참조인용된 유럽특허 제01493780호, 미국 특허공보 제2004/0248998, 미국특허 제5.882.722호, 제6.036.889호, 제6.379.745호, 제6.824.603호에 개시되어 있다.
본 발명에 적용할 수 있는 도전성이 "높은" 반죽물 또는 잉크에 존재하는 도전성 입자는 금속 이황화합물 등의 금속 화합물뿐만 아니라; 은, 은 산화물, 구리, 아연, 알루미늄, 마그네슘, 니켓, 주석, 또는 이들의 혼합물 및 유사 합금을 포함하는 금속으로 구성된다. 이러한 도전성 입자, 플레이크, 또는 분말은 폴리아닐린 비정질 탄소, 탄소-그라파이트처럼 본 기술분야에 공지되어 있는 일부 도전성 유기물질을 포함한다. 입자, 플레이크, 또는 분말의 입자크기는 변화되며, 약 40㎛ 이하의 직경이 바람직하며, 약 1㎛ 이하의 직경은 특히 바람직하다. 입자 패킹을 최적화하므로써 도전성 및 낮은 시트저항률을 강화하기 위하여, 입자 형태 및 크기의 혼합물이 이용된다. "도전성이 높은" 반죽물이나 잉크에서 캐리어 매체로서 작용하는 솔벤트는 유기 수지, 첨가제, 또는 도전성 입자에 용해성 및 분산 안정성을 제공하는 유기 전색제의 혼합물이다.
본 발명자는 본 발명에 적용할 수 있는 "도전성이 높은" 잉크를 위하여, 그리드 라인의 저항에 대한 전류밀도의 비율(amps/mm2 로 주어진 그리드 라인의 단면적을 통과하는 전류)은 도5에 점선 및 화살표(43)로 도시된 바와 같이 1 amp/ohm-mm2 , 양호하기로는 2 amp/ohm-mm2 보다 큰 것이 바람직하다는 것을 발견하였다. 또한, 각각의 그리드 라인은 약 30 오옴 이하의 전기저항(R)을 나타낸다. 전류밀도와 저항은 본 기술분야의 숙련자에 의해 용이하게 측정될 수 있는 물질 및 회로 디자인의 알려진 전기 특성이다. 종래의 도전성 잉크(44)와 본 발명에 이용된 바와 같은 "도전성이 높은" 잉크(46)로 구성되고 40℃ 와 70℃ 사이에서 다양한 온도를 나타내는 그리드 라인에 대한 전류밀도-저항이 도5에 도시되어 있다.
주어진 각각의 온도에 대하여, 전류밀도-그리드 라인 저항은 종래의 선형 복귀분석 툴을 이용하여 직선으로 맞추어진 곡선이다. 곡선형 라인의 경사도는 전류밀도-저항 비율을 제공한다. 도5에 도시된 바와 같이, 10 milliohms/square @ 25.4㎛ (1 mil) 이상의 시트 저항률을 갖는 종래의 도전성 잉크는 1 amp/ohm-mm2 이하의 전류밀도-저항 비율을 나타내는 반면에, 8 milliohms/square @ 25.4㎛ (1 mil) 이하의 시트 저항률을 가지며 본 발명에 적용할 수 있는 "도전성이 높은" 잉크는 1 amp/ohm-mm2 이상, 양호하기로는 2 amp/ohm-mm2 이상, 더욱 양호하기로는 3 amp/ohm-mm2 이상의 전류밀도-저항 비율을 나타낸다.
본 발명자는 그리드 라인 체적의 함수로 도시되었을 때 측정된 그리드 라인 저항 데이터는 도6에 도시된 바와 같이 멱수법칙 함수(Power Law Function)를 사용하여 측정될 수 있음을 발견하였다. 도면부호(48)로 도시된 바와 같이, 10 milliohms/square @ 25.4㎛ (1 mil) 이상의 시트 저항률을 갖는 종래의 도전성 잉크로 구성된 그리드 라인에 대해, 비례상수(y)는 약 510 인 반면에, 멱수법칙 함수와 연관된 멱지수는 약 -1.28 이다. "도전성이 높은" 잉크로 구성된 그리드 라인은 약 500 이하가 바람직한, 양호하기로는 약 300 이하가 바람직한, 더욱 양호하기로는 약 200 이하가 더욱 바람직한 비례상수를 갖는, 상당히 상이한 멱수관계를 나타낸다. 도6에 도시된 바와 같이, 이러한 비례상수는 약 145 이다. 이와 마찬가지로, 멱지수는 "도전성이 높은" 잉크에 대한 멱수법칙 함수와 연관되며, 약 8 milliohms/square @ 25.4㎛ (1 mil) 이하의 시트 저항률은 약 -1.0 이다. 멱수법칙 모델을 측정된 데이터에 대한 적용능력은 도6의 서브그래프(subgraph)에 도시되어 있다. 로그-로그 그래프에 도시되었을 때 멱수법칙 합수는 도시된 바와 같은 비례상수인 y-절편과, 멱지수 또는 함수의 멱수를 나타내는 라인의 경사도를 갖는 직선을 나타낼 것이다.
본 발명자는 주-그리드 라인 또는 주-그리드 라인의 세그먼트를 흐르는 전류의 양은 "가변폭" 접근방식과 "수렴형 라인" 접근방식, 또는 이러한 접근방식들의 조합을 이용하여 강화될 수 있음을 발견하였다. 도7은 (ⅰ)가변폭 접근방식과, (ⅱ) 수렴형 라인 접근방식과, (ⅲ)폭(74)의 변화나 수렴형 라인을 갖지 않는 종래의 그리드 라인(72) 구성을 나타내는 그리드 라인의 비교를 도시하고 있다.
"가변폭" 접근방식은 플라스틱 윈도우 조립체의 임계 관찰영역(54)에 진입함 에 따라 주-그리드 라인(52)의 폭(51)을 감소시키는 단계를 포함한다. 상기 임계 관찰영역(54)은 차량의 디자인에 기초하여 차량 제조자에 의해 결정된다. 그러나, 이러한 임계 관찰영역(54)은 통상적으로 후사경을 사용하였을 때 운전자에 의해 관찰될 수 있는 역광의 영역을 나타낸다. 달리 말하면, 주-그리드 라인(52)의 폭(51)은 임계 관찰영역(54)에서 라인 세그먼트(58)와 각각의 버스바아 또는 단부 라인 세그먼트(56) 사이에서 적어도 한번 감소된다.
"수렴형 라인" 접근방식은 부-그리드 라인(60)이 주-그리드 라인(62)의 일정한 폭(61)과, 양호하기로는 비임계 관찰영역에서 또는 임계 관찰영역(54)의 외부에서 교차되게 한다. 이러한 접근방식에서, 수렴형 라인 세그먼트(66)[부-그리드 라인(60)의] 수렴형 라인 세그먼트(66)의 폭과 조합되었을 때 단부 라인 세그먼트(64)[주-그리드 라인(62)의] 폭(61)은 주-그리드 라인(62)의 중앙 라인 세그먼트(58)의 폭(61) 보다 크다. 임계 관찰영역에서 주-그리드 라인(52, 62) 또는 주-그리드 라인의 세그먼트(58)를 통과하는 전류의 강화는 이러한 영역에서 그리드 라인의 저항성 가열의 관련의 감소를 유발시키므로써, 플라스틱 윈도우 시스템의 성에제거 또는 안개제거에 필요한 시간의 양을 감소시킨다.
"가변폭" 접근방식은 주-그리드 라인(52)의 길이에 대해 여러번 사용될 수 있다. 달리 말하면, 주-그리드 라인(52)의 폭(57)은 임계 관찰영역(54)에서 주-그리드 라인(52)의 세그먼트를 통해 흐르는 전류를 최적화하기 위해 여러번 감소된다. 주-그리드 라인의 전류는 만일 그리드 라인의 폭에 대한 각각의 단계에서의 변화가 각각의 주-그리드 라인(52)의 대향의 좌측 단부 및 우측 단부에 대해 대칭 적으로 실행될 경우 최적화된다. 이와 마찬가지로, "수렴형 라인" 접근방식에서 부-라인(60)의 사용은 주-그리드 라인(62)의 좌측 단부 및 우측 단부에서 부-그리드 라인(60)의 사용에 의해 대칭적으로 실행된다. 이러한 두 접근방식은 주-그리드 라인을 통과하는 전류의 증가를 약 10% 이상 제공하는 것으로 나타난다.
전류의 양을 최적화하기 위하여 "가변폭" 접근방식 또는 "수렴형 라인" 접근방식의 사용상의 장점을 나타내는 일실시예는 표3에 도시되어 있으며, 이것은 도7에 도시된 그리드 라인을 이용하고 있다. 이러한 실시예에서는 각각의 그리드 라인 세그먼트(58, 64, 66, 56)가 각각 표시되었으며, 약 9.0㎛의 높이 또는 두께에서 8 milliohms/square @ 25.4㎛ (1 mil) 이하의 시트 저항률을 나타내는 도전성이 높은 잉크를 사용하여 프린팅되었다. 표3에는 각각의 그리드 라인 세그먼트의 길이 및 폭이 도시되어 있다. 그후, 도7에 도시된 각각의 그리드 라인에 대한 전체적인 저항 접근방식에 따라, 각각의 라인 세그먼트의 저항이 결정된다. 그리드 라인 구조에 대한 "종래의" 접근방식(ⅲ)의 전체적인 저항은 16.80 오옴에서 가장 높았으며, "수렴형 라인" 접근방식(ⅱ) 및 "가변폭" 접근방식(ⅰ)을 이용한 그리드 라인은 12.06 오옴 및 14.10 오옴에서 각각 전체적으로 작았다. 13.1 볼트를 인가하므로써, 각각의 주-그리드 라인을 통과하는 전류는 오옴의 법칙을 이용하여 각각의 접근방식[(ⅰ), (ⅱ), (ⅲ)]에 대해 0.93, 1.09, 0.78 로 결정되었다. 따라서, "가변폭" 접근방식과 "수렴형 라인" 접근방식은 임계 관찰영역에서 주-그리드 라인을 통과하는 전류를 약 10% 이상 증가시킬 수 있다.
표3
라인 세그먼트 폭(mm) 길이(mm) 세그먼트 저항(오옴)
A 0.8 625 11.00
B 0.8 325 5.73
C 1.0 225 3.18
D 1.5 325 3.06
접근방식 전체세그먼트 전체저항 13.1볼트가 인가된 전류(암페어) 전류증가(%)
ⅰ 2D+A 14.10 0.93 19.1%
ⅱ 2B+2C+A 12.06 1.09 39.3%
ⅲ 2B+A 16.80 0.78 X
선택적 구성에 있어서, "가변폭" 접근방식은 인쇄된 그리드 라인(52)의 폭에 대해 여러번의 변화를 포함하므로써, 시간에 대한 성에제거 성능의 차이점을 나타내는 다수 지역을 설정한다. 예를 들어, 만일 인쇄된 그리드 라인(52)의 폭이 각각의 단부로부터 두번 감소된다면, 모두 5개 지역이 코팅되며, 이러한 지역의 3개만 성에제거 능력이 상이하다. 그리드 라인폭의 각각의 감소는 급작스럽게 실행되며(계단형 폭), 수 밀리미터의 길이에 대해 점진적으로 실행된다(경사형 폭). 그리드 라인폭의 연속적인 감소는 동일한 효과를 나타낼 수 있다. 이러한 특정의 실 시예에서, 임계 관찰영역의 중앙에 근접한 각각의 그리드 라인의 부분과 라인 세그먼트(58)는 가장 작은 폭을 가지며, 각각의 그리드 라인의 폭은 하나가 각각의 그리드 라인의 중앙으로부터 각각의 그리드 라인의 양단부[라인 세그먼트(56)]로 이동함에 따라 점진적으로 넓어진다.
"수렴형 라인" 접근방식(ⅱ)은 동일한 주-그리드 라인(62)에 수렴하는 다수의 부-라인(60)과 마찬가지로, 또 다른 주-그리드 라인(62)에 수렴하기 전에 적어도 하나의 그리드 라인(62)과 교차하는 부-라인(60)을 선택적으로 포함한다. 부-그리드 라인(60)은 주-그리드 라인(62)과는 달리 동일하거나 상이한 폭을 갖는다. 또한, 부-그리드 라인(60)은 부-그리드 라인(60)의 길이에 대한 폭 변화를 나타낸다. 따라서, 부-그리드 라인(60)은 부-그리드 라인(60)의 길이에 대해 가변폭 접근방식과 함께 사용된다.
또한, 본 발명자는 주-그리드 라인(74)의 세그먼트 또는 주-그리드 라인(74)을 흐르는 전류의 양은 도8에 도시된 바와 같이 "교차형 라인" 접근방식을 사용하므로써 강화될 수 있다는 것을 발견하였다. 상기 "교차형 라인" 접근방식은 부-그리드 라인(76)이 임계 관찰영역이나 비임계 관찰영역에서 하나이상의 주-그리드 라인(74)과 교차되게 한다. "교차형 라인" 접근방식과 "수렴형 라인" 접근방식 사이의 차이점은 부-라인(76)이 주-그리드 라인(74)에 수렴하지 않고, 오히려 "교차형 라인" 접근방식의 부-라인(76)이 제1버스바아(78)에서 발원되어 상기 버스바아(78) 또는 제2버스바아(80)와의 교차부에서 종료된다는 점이다. 만일 두개 이상의 버스바아(78, 80)가 성에제거 디자인에 존재한다면, 제1 및 제2버스바아(78, 80)는 모 두 네거티브 및 포지티브 버스바아를 각각 나타낼 것이다. 부-라인(76)은 주-라인(74)과 수직하거나 또는 약간의 각도를 이루어 주-라인(74)과 교차된다. "교차형 라인" 접근방식은 "가변폭" 접근방식 또는 "수렴형 라인" 접근방식중 하나 또는 이들 둘 모두와 함께 조합되어 사용될 수 있다.
하기의 특정한 실시예는 본 발명을 나타내기 위해 사용되었으며, 본 발명의 범주를 한정하지 않는다.
실시예1-시트 저항률 측정방법
그리드 라인은 본 발명에 적용할 수 있는 도전성이 높은 잉크를 사용하여 플라스틱 기판에 프린팅된다. 이러한 실시예에서, 도전성이 높은 잉크는 은이 충진된 도전성 잉크로서, Exatec? 100/101(표2)로 확인되었다. 그후, 프린팅된 잉크는 약 129℃에서 약 1시간동안 열경화된다. 그리드 라인의 길이는 마이크로 캘리퍼를 사용하여 측정되었으며, 그리드 라인의 폭 및 높이는 형 분석기를 사용하여 측정되었다. 그리드 라인의 전체적인 전기저항은 저항계를 사용하여 측정되었다. 이러한 실시예에서 그리드 라인에 대해 얻어진 측정값은 "도전성이 높은" 잉크에 의해 나타난 시트 저항률을 얻는데 필요한 연산에 따라 표4에 도시되어 있다.
먼저, 그리드 라인의 측정 길이를 그리드 라인의 측정 폭으로 나누므로써, 그리드 라인에 제공된 스퀘어(square)가 연산된다. 이러한 실시예에서 그리드 라인은 181.8의 스퀘어로 판명되었다. 그후, 25.4㎛(1 mil)의 기준 높이로 조정된 그리드 라인의 측정 높이와 그리드 라인의 측정 저항을 곱한 후 이어서 연산된 스퀘어로 나누므로써, 시트 저항률이 연산된다. 이러한 실시예에서 사용된 잉크에 대해, 4.8 milliohms/square 의 시트 저항률이 얻어졌다. 따라서, 이러한 실시예에서는 종래의 도전성 잉크 또는 "도전성이 높은" 잉크에 의해 나타난 시트 저항률을 결정하는데 사용된 방법을 나타내고 있다.
표4
측정값
그리드 라인 길이 = 200.0 mm
그리드 라인 폭 = 1.1 mm
그리드 라인 높이 = 9.41 ㎛
그리드 라인 저항 = 2.375 오옴
연산값
스퀘어 = 길이/폭 = 200.0 mm/1.1 mm = 181.8 square
시트 저항률 = (저항 × (높이/25.4 ㎛))/스퀘어
시트 저항률 = (2.375 오옴 × (9.41㎛/25.4㎛))/181.8 스퀘어
시트 저항률 = 0.0048 오옴/square = 408 milliohms/square
실시예2-도전성 잉크의 비교
본 발명에 적용할 수 있는 도전성이 높은 잉크에 대한 3개의 실시예에 따라 표2에 도시된 바와 같이 다양한 제조자로부터 13개의 종래 도전성 잉크가 얻어졌 다. 그리드 라인은 각각의 상이한 도전성 잉크를 사용하여 폴리카보네이트 기판상에 프린팅되었다. 각각의 프린팅된 잉크는 제조자가 추천한 처리과정에 따라 경화된다. 도전성이 높은 잉크는 약 129℃에서 약 1시간동안 경화되었다. 그후, 실시예1에 서술된 방법에 따라 각각의 경화된 잉크에 의해 나타나는 시트 저항률이 결정된다. 각각의 종래의 도전성 은 잉크에 의해 나타난 시트 저항률 및 도전성이 높은 잉크의 시트 저항률이 표2에 도시되었다. 이러한 실시예에 따르면, 종래의 도전성 잉크는 10 milliohms/square @ 25.4㎛ (1 mil) 이상의 시트 저항률값을 나타내며; 본 발명에 적용할 수 있는 도전성이 높은 잉크는 약 8 milliohms/square @ 25.4㎛ (1 mil) 이하, 양호하기로는 약 6 milliohms/square @ 25.4㎛ (1 mil) 이하의 시트 저항률을 나타내고 있다.
실시예3-"가변폭" 접근방식
본 발명에 참조인용된 2004년 5월 17일자 출원된 미국 특허출원 제10/847.250호에 개시된 기본적인 히터 그리드 디자인을 이용하여 자동차(세버링 컨버터블, 크라이슬러 코포레이션)에 삽입되는 플라스틱 윈도우 시스템을 위해 히터 그리드가 설계되었다. 이러한 히터 그리드 디자인(81)은 메이저-그리드 라인 세트와 마이너-그리드 라인 세트(82, 84)를 포함하며, 이들은 그 폭이 0.4mm 이상일 경우 본 발명에서 "주" 그리드 라인인 것으로 간주된다. 도9에 도시된 바와 같이, 히터 그리드(84)에서 9개의 메이저-그리드 라인(82)은 약 0.9 내지 1.5mm의 폭으로 분류되고, 24개의 마이너 그리드 라인(84)은 약 0.25 내지 0.30mm의 폭으로 분류된다. 따라서, 이러한 특정한 실시예에서는 오직 메이저 그리드 라인(82)이 본 발명 의 범주내에 한정되는 주-그리드 라인으로 간주된다. 성에제거 장치(81)는 8 milliohms/square @ 25.4㎛ (1 mil) 이하의 시트 저항률을 나타내는 도전성이 높은 잉크(Exatec? 100/101)를 사용하여 프린팅되었다. 전류 흐름은 일반적으로 이중선(86)에서 발생되는 폭 변화와 함께, "가변폭" 접근방식을 사용하므로써 상기 성에제거 장치에 의해 최적화되었다.
성에제거 장치 디자인(81)에서 모든 그리드 라인(82, 84)의 폭은 각각의 그리드 라인의 양단부로부터 대칭적으로 한번 감소되며, 이에 따라 상이한 가열 지역(A, B)을 생성하며, 상기 지역(B)은 성에제거 장치의 각각의 측부에서 접혀진다. 그리드 라인(82, 84) 사이에서 변화된 폭 감소는 도9의 표에 도시된 바와 같이, 메이저 그리드 라인 및 마이너 그리드 라인(82, 84)에 대해 약 0.40mm 및 0.05mm 이다. 지역(A)은 임계 관찰영역으로 간주되는 지역을 나타낸다. 메이저/주-그리드 라인은 지역(A)에 존재하는 약 600mm의 각각의 그리드 라인을 갖는 710mm 내지 약 778mm의 길이로 분류된다. 각가의 그리드 라인의 프린팅된 높이는 메이저 주-그리드 라인(82)에 대해 9㎛로 측정되었으며, 마이너 그리드 라인(84)에 대해서는 약 11㎛로 측정되었다.
성에제거 장치(81)가 4mm 두께의 폴리카보네이트 기판의 표면상에 프린팅된 후에는 약 1시간동안 129℃로 경화되고, 이어서 Exatec? 900 Glazing System(Exatec LLC, Wixom, MI)으로 코팅된다. 히터 그리드의 성에제거 장치의 특성은 SAE J953에 따라 검사되었으며, 약 8분동안 전체 관찰영역에서 약 75%의 성에가 제거되는 것으로 판명되었다.
표5에는 "가변폭" 접근방식을 통해 전기전류를 강화하므로써 13.1볼트의 인가에 의해 메이저 그리드 라인(82)에 설정된 전기전류의 흐름이 도시되어 있다. 비교를 위하여, 지역(B)에서 그 어떤 라인폭 변화없이 동일한 성에제거 장치 디자인에 대한 전류흐름이 표5에 제공되었으며, 종래의 성에제거 장치 접근방식으로 입증되었다. 종래의 접근방식에서, 지역(A)에 설정된 그리드 라인폭은 지역(B)에서는 일정하게 유지되었다.
표5
Figure 112007050144083-pct00001
9개의 메이저 그리드 라인(82)을 통해 흐르는 전기전류는 표5에 도시된 바와 같이 "가변폭" 접근방식을 사용하였을 때 평균 1.19 암페어 이다. 비교시, 종래의 접근방식(라인폭의 변화가 없는)을 이용하는 동일한 메이저 그리드 라인은 유사한 조건하에서 1.07 암페어의 평균 전류를 나타내었다. 따라서, 이러한 실시예의 "가변폭" 접근방식은 각각의 메이저 그리드 라인(82)을 통해 흐르는 전류의 양을 10% 증가(∼0.12 암페어)시키는 것으로 나타났다. 마찬가지로, 종래 접근방식(평균 = 0.28 암페어)에 비해, "가변폭" 접근방식(평균 = 0.30 암페어)을 사용하므로써 마이너 그리드 라인(84)에서 약 10%의 전류 증가가 관찰되었다. 그러나, 마이너 그리드 라인(84)(0.40 mm 이하의 폭을 갖는)에서 0.002 암페어의 소규모 증가는 메이저 그리드 라인(82)에서 관찰된 저항 가열에서의 실질적인 증가를 제공할 정도로 충분히 크지 않다.
이러한 실시예는 본 발명에 따른 히터 그리드가 표5에 도시된 바와 같이 약 1 오옴 이하, 양호하기로는 약 0.8 오옴 이하의 전체적인 패턴 저항을 나타낼 수 있다는 것을 부가로 알려주고 있다. 또한, 히터 그리드의 전력 출력은 약 200 와트 이상이며, 관찰 영역의 약 600 Watts/m2 이상을 제공한다.
실시예4-"수렴형 라인" 접근방식
본 발명에 따른 히터 그리드(88)는 2004년 5월 17일자 출원된 미국 특허출원 제10/847.250호에 개시된 히터 그리드 형태를 사용하여 자동차(Corvette, 제너럴 모터스 컴파니)에 삽입되는 플라스틱 윈도우 시스템을 위해 설계되었다. 이러한 히터 그리드(88)는 메이저 그리드 라인 세트 및 마이너 그리드 라인 세트(90, 92)를 포함하였으며, 이들은 그리드 라인의 폭이 0.4mm 이상일 경우 본 발명을 위한 주-그리드 라인으로 간주될 수 있다. 도10의 표에 도시된 바와 같이, 11개의 메이저 그리드 라인(90)은 약 0.70 내지 1.50 mm 범위의 폭으로 분류되고, 30개의 마이너 그리드 라인(92)은 약 0.23 내지 0.30 mm 범위의 폭으로 분류된다. 따라서, 이러한 특정의 실시예에서는 오직 메이저 그리드 라인(90)이 본 발명의 범주내에 형성된 주-그리드 라인으로 간주된다. 히터 그리드(88)는 전류 흐름을 강화하기 위하여, 8 milliohms/square @ 25.4㎛ (1 mil) 이하의 시트 저항률을 나타내는 "도전성이 높은" 잉크를 사용하여 프린팅되었다. 전류 흐름은 도10에 도시된 바와 같이 임계 관찰영역[지역(A)]에서의 전류 흐름을 강화하기 위하여, 상술한 바와 같이 "가변폭" 접근방식 및 "수렴형 라인" 접근방식을 사용하여 상기 성에제거 장치를 위해 최적화된다.
"수렴형 라인" 접근방식은 가장 긴 메이저 그리드 라인(90)(라인 번호 8-11, 도10)에 사용되었다. "가변폭" 접근방식은 모든 메이저 그리드 라인 및 마이너 그리드 라인(90, 92)을 위해 사용되었다. 성에제거 디자인에서 모든 그리드 라인의 폭은 일반적으로 이중선(94)에서 그리드 라인의 각각의 단부로부터 대칭적으로 한번 감소되며, 이에 따라 두개의 상이한 가열 지역(A, B)을 생성하며, 상기 지역(B)은 성에제거 장치의 각각의 측부에서 접혀진다. 그리드 라인 사이에서 변화된 폭 감소는 도10에 도시된 바와 같이, 메이저 그리드 라인 및 마이너 그리드 라인(90, 92)에 대해 약 0.45mm 및 0.07mm 이다. 그리드 라인(90, 92)은 그 길이가 689mm 내지 약 1391mm 의 범위에 속하고 각각의 그리드 라인의 약 520mm는 지역(A)에 존재한다. 각각의 그리드 라인의 프린팅된 높이는 메이저 그리드 라인(90)에 대해 9 ㎛ 로 측정되었으며, 마이너 그리드 라인(92)에 대해서는 약 11㎛ 로 측정되었다.
히터 그리드(88)가 4mm 두께의 폴리카보네이트 기판(96)에 프린팅된 후에는 129℃에서 약 1시간동안 열경화된 후, 이어서 Exatec? 900 Glazing System(Exatec LLC, Wixom, MI)으로 코팅된다. 히터 그리드(88)의 성에제거 장치의 특성은 SAE J953 포로토콜에 따라 검사되었으며, 약 10분동안 전체 관찰영역에서 약 75%의 성에가 제거되는 것으로 판명되었다.
표6은 3개의 상이한 접근방식[(a)"수렴형 라인 및 가변폭 접근방식", (b)"가변폭 접근방식", (c)"종래 접근방식"(그리드 라인폭의 변화가 없는)]을 사용하여 주-그리드 라인 및 마이너 그리드 라인(90, 92)에 대해 임계 관찰영역에 설정된 전류흐름을 비교하고 있다.
"가변폭 접근방식"은 모든 메이저 그리드 라인 및 마이너 그리드 라인(90, 92)을 통해 흐르는 전류를 "종래 접근방식"에 비해 약 10% 증가시키는 것으로 나타났다. 메이저 그리드 라인(90)에서의 전류는 "가변폭 접근방식"을 사용하므로써 약 0.2 암페어 증가시키는 것으로 관찰되었다. 그러나, 마이너 그리드 라인(92)(0.40 mm 이하의 폭)에서 0.02 암페어의 소규모 증가는 메이저 그리드 라인(90)에서 관찰된 저항 가열에서의 실질적인 증가를 제공할 정도로 충분히 크지 않다.
메이저 그리드 라인(90)(라인 번호 8-11)과 함께 수렴형 라인 및 가변폭 접근방식"을 사용하면 이러한 각각의 그리드 라인(90)을 통과하는 전류 흐름을 부가로 30% 강화시킨다. 수렴형 라인(98)을 채택하지 않는 그리드 라인(92)(라인 번호 1-7)에서는 그 어떤 강화도 관찰되지 않았다. 각각의 수렴형 그리드 라인(98)은 수렴되는 지역(B)에서 메이저 그리드 라인(90)과 동일한 폭을 사용하여 프린팅되었다.
표6
Figure 112007050144083-pct00002
이러한 실시예는 8 milliohms/square @ 25.4㎛ (1 mil) 이하의 시트 저항률을 갖는 "도전성이 높은" 잉크를 갖는 본 발명에 따른 히터 그리드(88)가 표6에 도시된 바와 같이 약 1 오옴 이하, 양호하기로는 약 0.8 오옴 이하의 전체적인 패턴 저항을 나타낼 수 있다는 것을 부가로 알려주고 있다. 또한, 히터 그리드(88)의 전력 출력은 약 200 와트 이상이며, 관찰 영역의 약 400 Watts/m2 이상을 제공한다.
실시예5 -"교차형 라인" 접근방식
도시되지 않은 히터 그리드는 자동차에 삽입되는 플라스틱 윈도우 시스템을 위해 구성되었으며, 약 0.50mm의 폭과 약 6.0㎛의 높이와 약 1100mm의 길이를 나타내는 17개의 주-그리드 라인을 포함한다. 성에제거 장치는 전류 흐름을 강화하기 위해, 8 milliohms/square @ 25.4㎛ (1 mil) 이하의 시트 저항률을 나타내며 본 발명에 적용가능한 "도전성이 높은" 잉크를 사용하여 프린팅된다. 전류 흐름은 임계 관찰영역에서 전류 흐름을 강화하기 위하여, "교차형 라인" 접근방식을 사용하므로써 상기 성에제거 장치를 위해 더욱 최적화된다. 이에 대해, 도8A에 도시된 바와 마찬가지로, 부-라인이 시작되는 동일한 버스바아와 교차되기 전에 약 90°의 각도로 모든 주-그리드 라인과 교차되는 두개의 부-라인이 프린팅된다. 상기 부-라인은 약 0.6mm의 폭과 약 30㎛의 높이를 갖는다.
성에제거 장치 원형이 4mm 두께의 폴리카보네이트 기판상에 프린팅된 후에는 129℃에서 1시간동안 열경화된다. "교차형 라인 접근방식"을 사용하거나 사용하지 않는 히터 그리드의 열 프로필은 IR 카메라의 사용을 통해 실행된다. 종래의 히터 그리드(부-라인이 없는)에 13.1볼트를 인가하므로써, 전체 히터 그리드를 통해 흐르는 전류는 5.2 암페어로 판명되어, 주위 온도(22.5℃)로부터 약 33℃까지 주-그리드 라인의 약간의 온도 상승으로 나타났다. 그러나, "교차형 라인" 접근방식을 이용하는 히터 그리드는 히터 그리드를 통과하는 전체 전류흐름을 약 10 암페어로 증가시키는 것으로 판명되었으며, 두개의 부-라인 사이에서 윈도우 중앙의 주-그리드 라인 세그먼트의 온도는 65-70℃ 사이를 나타낸다.
이러한 실시예는 주-그리드 라인의 세그먼터에서 전류를 강화하여 상당한 저항 가열(높은 열 출력, 즉 온도)로 나타나는 "교차형 라인" 접근방식의 능력을 나타낸다.
본 발명은 양호한 실시예를 참조로 서술되었기에 이에 한정되지 않으며, 본 기술분야의 숙련자라면 첨부된 청구범위로부터의 일탈없이 본 발명에 다양한 변형과 수정이 가해질 수 있음을 인식해야 한다.

Claims (53)

  1. 투명한 플라스틱 패널(24)과,
    상기 투명한 패널(24)에 의해 지지되고 도전성 잉크로 형성되며 다수의 주-그리드 라인(52,62,74,82)을 갖는 도전성 히터 그리드(16)와,
    폐쇄된 전기회로를 설정하도록 제1 및 제2버스바아(78,80)로의 적어도 하나의 전기 연결부를 포함하며,
    상기 주-그리드 라인(52,62,74,82)의 각각의 대향 단부는 제1 및 제2버스바아(78,80)에 의해 연결되는 플라스틱 윈도우 및 성에제거 장치 조립체에 있어서,
    상기 도전성 잉크는 8 milliohms/square @ 25.4㎛ (1 mil) 이하의 시트 저항률을 나타내는 투명한 플라스틱 패널(24)에 의해 지지되고, 주-그리드 라인(52,62,74,82)의 저항은 30 오옴 이하이고, 히터 그리드의 전체 저항은 1 오옴 이하이며,
    상기 도전성 잉크는 캐리어 매체상에 분산된 도전성 입자 및 폴리머 결합제를 포함하며 130℃ 미만의 경화 온도를 갖는 제형물이고, 상기 폴리머 결합제는 에폭시 수지, 폴리에스테르 수지, 폴리비닐 아세테이트 수지, 폴리비닐클로라이드 수지, 폴리우레탄 수지, 및 이들의 코폴리머 및 혼합물로 이루어진 그룹중에서 선택된 하나이고; 상기 도전성 입자는 은, 은 산화물, 구리, 아연, 알루미늄, 마그네슘, 니켈, 주석 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹중에서 선택된 하나이며, 상기 캐리어 매체는 폴리머 결합제 및 도전성 입자의 분산 안정성을 위해제공되는 유기 비히클인 것을 특징으로 하는 플라스틱 윈도우 및 성에제거 장치 조립체(20).
  2. 제1항에 있어서, 도전성 잉크의 시트 저항률은 6 milliohms/square @ 25.4㎛ (1 mil) 이하인 것을 특징으로 하는 플라스틱 윈도우 및 성에제거 장치 조립체(20).
  3. 제1항에 있어서, 히터 그리드(16)의 전체 저항은 0.8 오옴 이하인 것을 특징으로 하는 플라스틱 윈도우 및 성에제거 장치 조립체(20).
  4. 제1항에 있어서, 각각의 주-그리드 라인(52,62,74,82)은 25 오옴 이하의 저항을 갖는 것을 특징으로 하는 플라스틱 윈도우 및 성에제거 장치 조립체(20).
  5. 제1항에 있어서, 도전성 입자는 40㎛ 이하의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 플라스틱 윈도우 및 성에제거 장치 조립체(20).
  6. 제1항에 있어서, 도전성 잉크는 금속염, 금속 화합물, 금속 분해물, 또는 이들의 혼합물인 첨가제를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 윈도우 및 성에제거 장치 조립체(20).
  7. 제6항에 있어서, 금속염은 3가 지방산 은염이고; 금속 화합물은 금속 탄산염, 금속 아세테이트 화합물, 또는 이들의 혼합물이며; 금속-유기 분해제 제품은 카르복실산 금속 비누, 네오데카논산 은, 금 아미노 2-에틸헥사노에이트, 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 플라스틱 윈도우 및 성에제거 장치 조립체(20).
  8. 제1항에 있어서, 도전성 히터 그리드(16)는 투명한 플라스틱 패널(24)의 표면(18,22,28,30)상에 직접 고착되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 윈도우 및 성에제거 장치 조립체(20).
  9. 제1항에 있어서, 도전성 히터 그리드(16)는 보호층(32,34)의 표면상에 직접 고착되는 것을 특징으로 하는 플라스틱 윈도우 및 성에제거 장치 조립체(20).
  10. 제1항에 있어서, 도전성 히터 그리드(16)는 제1 및 제2버스바아(78,80)에 연결된 한쪽 단부와, 주-그리드 라인(52,62,74,82)중 하나에 연결되는 다른쪽 단부를 갖는 적어도 하나의 부-그리드 라인(60)을 부가로 포함하여 중앙지역에서의 가열을 증강시키는 것을 특징으로 하는 플라스틱 윈도우 및 성에제거 장치 조립체(20).
  11. 제1항에 있어서, 주-그리드 라인(52,62,74,82)의 폭은 조립체의 중앙 영역에서 주-그리드 라인(52,62,74,82)의 중간 지점과 주-그리드 라인(52,62,74,82)의 단부에서 적어도 한번 감소되어 중앙지역에서의 가열을 증강시키는 것을 특징으로 하는 플라스틱 윈도우 및 성에제거 장치 조립체(20).
  12. 제1항에 있어서, 도전성 히터 그리드는 제1버스바아(78)에 연결된 한쪽 단부와, 제1 및 제2버스바아(78,80)중 하나에 연결되는 다른쪽 단부를 갖는 적어도 하나의 부-그리드 라인(60,76)을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 플라스틱 윈도우 및 성에제거 장치 조립체(20).
  13. 제10항 또는 제12항에 있어서, 부-그리드 라인(60,76)은 조립체의 중앙 영역에서 적어도 하나의 주-그리드 라인(52,62,74,82)과 교차되어 중앙지역에서의 가열을 증강시키는 것을 특징으로 하는 플라스틱 윈도우 및 성에제거 장치 조립체(20).
  14. 성에제거 장치 조립체 및 플라스틱 윈도우(20)를 인쇄된 도전성 히트 그리드(16)가 구비된 투명한 플라스틱 패널(24)로서 제공하는 단계로서, 이때 상기 히터 그리드(16)는 130℃ 이하의 온도에서 경화되며 8 milliohms/square @ 25.4㎛ (1 mil) 이하의 시트 저항률을 나타내는 도전성 잉크로 인쇄되고, 상기 도전성 잉크는 캐리어 매체상의 도전성 입자 및 폴리머 결합제를 포함하며, 상기 도전성 입자는 은, 은 산화물, 구리, 아연, 알루미늄, 마그네슘, 니켈, 주석 및 이들의 합금으로 이루어진 그룹중에서 선택되며, 상기 캐리어 매체는 폴리머 결합제 및 도전성 입자의 분산 안정성을 위해 제공되는 유기 비히클인 단계와,
    전기전류가 도전성 히터 그리드(16)의 주-그리드 라인(52,62,74,82)을 통해 흐르게 하는 경화된 도전성 잉크의 프린팅된 도전성 히터 그리드(16)에 전압을 인가하는 단계와,
    주-그리드 라인(52,62,74,82)의 저항 가열을 유발시키는 단계와,
    주-그리드 라인(52,62,74,82)의 저항 가열을 통해 투명한 플라스틱 글레이징 패널(24)의 표면을 성에제거 및 안개제거하는 단계와,
    투명한 플라스틱 글레이징 패널(24)의 표면이 성에제거 및 안개제어된 후, 히터 그리드(16)로부터 전압을 제거하는 단계를 포함하는 플라스틱 윈도우 및 성에제거 장치 조립체(20)의 표면을 성에제거 및 안개제거하는 방법에 있어서,
    주-그리드 라인(52,62,74,82)의 저항 가열은 0.4 암페어 이상에서 주-그리드 라인(52,62,74,82)의 세그먼트(56,58,64)를 통과하는 전기전류의 흐름을 통해 을 유발되며, 주-그리드 라인(52,62,74,82)에 대해 저항에 대한 전류밀도의 비율은 1 amp/ohm-mm2 이상인 것을 특징으로 하는 성에제거 및 안개제거 방법.
  15. 제14항에 있어서, 주-그리드 라인(52,62,74,82)의 세그먼트(56,58,64)를 통과하는 전기전류의 흐름은 0.7 암페어 이상으로 제공되는 것을 특징으로 하는 성에제거 및 안개제어 방법.
  16. 제14항에 있어서, 주-그리드 라인(52,62,74,82)의 세그먼트(56,58,64)를 통과하는 전기전류의 흐름은 0.85 암페어 이상으로 제공되는 것을 특징으로 하는 성에제거 및 안개제어 방법.
  17. 제14항에 있어서, 주-그리드 라인(52,62,74,82)의 세그먼트(56,58,64)를 통과하는 전기전류의 흐름은 1.0 암페어 이상으로 제공되는 것을 특징으로 하는 성에제거 및 안개제어 방법.
  18. 제14항에 있어서, 주-그리드 라인(52,62,74,82)의 세그먼트(56,58,64)에 대해 저항에 대한 전류밀도의 비율이 2 amp/ohm-mm2 이상이 되도록, 전류가 제공되는 것을 특징으로 하는 성에제거 및 안개제어 방법.
  19. 제14항에 있어서, 주-그리드 라인(52,62,74,82)의 세그먼트(56,58,64)에 대해 저항에 대한 전류밀도의 비율이 3 amp/ohm-mm2 이상이 되도록, 전류가 제공되는 것을 특징으로 하는 성에제거 및 안개제어 방법.
  20. 제14항에 있어서, 도전성 히터 그리드(16)의 주-그리드 라인(52,62,74,82)은 0.4mm 이상의 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 성에제거 및 안개제어 방법.
  21. 제14항에 있어서, 주-그리드 라인(52,62,74,82)은 1.8 이상의 열비율을 나타내도록 형성되는 것을 특징으로 하는 성에제거 및 안개제어 방법.
  22. 제14항에 있어서, 주-그리드 라인(52,62,74,82)은 2.0 이상의 열비율을 나타내도록 형성되는 것을 특징으로 하는 성에제거 및 안개제어 방법.
  23. 제14항에 있어서, 주-그리드 라인(52,62,74,82)은 2.2 이상의 열비율을 나타내도록 형성되는 것을 특징으로 하는 성에제거 및 안개제어 방법.
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