KR101481529B1 - 투명 면상 발열체 및 제조방법 - Google Patents
투명 면상 발열체 및 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
투명 면상 발열체 및 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 면상 발열체는 투명 기판; 투명 기판 상부에 증착되는 투명 발열층; 및 투명 발열층 상부에 형성되는 것으로, 투명 발열층에서 발생된 열이 외부로 전달 되는 것을 방지하는 축열층을 포함하고, 축열층은 투명성을 갖는 금속산화물 또는 세라믹 물질로 형성된다.
Description
본 발명은 투명 면상 발열체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
면상 발열체(planar heater)는 히팅 매트, 히팅 패드와 같은 침구류, 주택의 바닥 난방, 사무실/작업장 등의 산업용 난방, 각종 산업장의 가열장치, 비닐하우스, 축사, 농업용 설비, 자동차용 사이드미러, 냉동 진열장 표면, 창호 시스템, 욕실 거울, 가전제품 등과 같이 다양한 산업에서 다양한 형태로 이용된다.
면상 발열체는 일반적으로 투명 부도체 기판에 전도성 발열 물질을 코팅한다. 전도성 발열 물질의 양단에는 전극을 설치한다. 그리고 양 전극에 직류 전압 또는 교류 전압을 걸어주면 전도성 발열 물질에 전류가 흐르게 되어 발열한다.
면상 발열체에 이용되는 전도성 발열 물질은 다양하다. 주로 이용되는 것은 철, 니켈, 크롬, 백금 등과 같은 금속 발열체이고, 전도성 금속산화물이나 탄소와 같은 비금속 발열체도 이용된다.
최근에는 탄소계 물질을 전도성 발열 물질로 이용하려는 시도가 많이 이루어지고 있다. 대표적으로는 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nano Tube)가 있다. 그런데 탄소나노튜브는 높은 분산성 및 전기 전도도를 가지고 있음에도 불구하고 단독으로 발열체에 이용되기는 어렵다. 저항이 높아 고온에서 장시간 발열을 견디지 못하므로 발열체가 파손되는 문제가 있기 때문이다.
그래서 탄소나노튜브의 저항을 낮추기 위해 탄소나노튜브와 은(Ag) 나노와이어를 혼합하여 발열체로 이용하는 경우가 있으나, 은 나노와이어는 고온에서 응집되어 특성이 저하되는 문제가 있다.
한편, 전기적 특성이 우수한 ITO(산화인듐주석)가 전도성 발열 물질로 이용되는 경우도 있다. 그러나 ITO의 경우 열전도 및 대류가 크기 때문에 전류를 인가하여 고온의 발열체로 사용하기에는 한계가 있다. ITO를 발열체로 사용하기 위해서는 별도의 고온 열처리 공정을 걸쳐 저항을 조절해야 하기 때문이다.
본 발명의 실시예들은 제조 비용을 낮추면서도 전기적 특성이 우수한 투명 면상 발열체 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 투명 기판; 상기 투명 기판 상부에 증착되는 투명 발열층; 및 상기 투명 발열층 상부에 형성되는 것으로, 상기 투명 발열층에서 발생된 열이 외부로 전달 되는 것을 방지하는 축열층을 포함하고, 상기 축열층은 투명성을 갖는 금속산화물 또는 세라믹 물질로 형성되는 투명 면상 발열체가 제공될 수 있다.
또한, 상기 투명 발열층 양단 상부에 상기 축열층과 소정 간격 이격되어 각각 형성되는 전극을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 축열층은 산화아연(ZnO)으로 형성되어 상기 투명 발열층 상부 전면에 형성되고, 상기 축열층 양단 상부에는 전극이 형성될 수 있다.
또한, 상기 투명 발열층은 SnO2, SnO2:F, ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 주석계 산화물, ZnO:Al, AgO, FTO(Fluorine Tin Oxide) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
또한, 상기 금속산화물 및 세라믹 물질은 인듐, 아연, 주석, 갈륨, 탈륨, 마그네슘, 알루미늄, 티타늄, 카드뮴 및 흑연으로 이루어진 군에서 선택되는 산화물 또는 이들의 복합 산화물일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상부면에 투명 발열층이 증착되어 있는 투명 기판을 마련하는 1단계; 상기 투명전극 상부에 투명성을 갖는 금속산화물 또는 세라믹 물질로 형성되는 축열층을 형성하는 2단계를 포함하고, 상기 금속산화물 또는 세라믹 물질은 인듐, 아연, 주석, 갈륨, 탈륨, 마그네슘, 알루미늄, 티타늄, 카드뮴 및 흑연으로 이루어진 군에서 선택되는 산화물 또는 이들의 복합 산화물인 투명 면상 발열체 제조방법이 제공될 수 있다.
또한, 상기 2단계에서 축열층 형성 공정은 스핀 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅, 닥터블레이드 코팅, 바코팅 및 인쇄 공정 중에서 선택될 수 있다.
또한, 상기 발열층 또는 축열층 양단 상부에 은 나노와이어, 은 페이스트 또는 구리 페이스트로 전극을 형성하는 3단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 ITO 투명전극 상부면에 투명 금속산화물 및 투명 세라믹 물질을 상대적으로 저가의 코팅방법을 이용하여 형성하여 발열층에서 발생된 열이 외부로 전달 되는 것을 방지하는 축열층으로 이용함으로써, 제조 비용을 절감시키면서도 전기적 특성이 우수한 투명 면상 발열체를 수득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 면상 발열체를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 투명 면상 발열체를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 투명 면상 발열체를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 면상 발열체(100)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 투명 면상 발열체(100)는 투명 기판(110)과, 투명 기판(110) 상부에 증착되는 투명 발열층(120)과, 투명 발열층(120) 상부에 형성되는 축열층(130)을 포함한다. 또한, 투명 발열층(120) 양단 상부에 각각 형성되는 전극(140)을 더 포함할 수 있다.
투명 기판(110)은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에테르술폰(PES), 고리형 올레핀 고분자(COC), TAC(Triacetylcellulose) 필름, 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol; PVA) 필름, 폴리이미드(Polyimide; PI) 필름, 폴리스틸렌(Polystyrene; PS), 이축연신폴리스틸렌(K레진 함유 biaxially oriented PS; BOPS), 유리 또는 강화유리 등으로 형성될 수 있으며, 상기 열거된 물질로 한정되는 것은 아니고 투명성을 가진 기판 재료면 어느 것이나 사용될 수 있다. 투명 기판(110)은 투명성 이외에 플렉시블성(flexible)을 더 가질 수도 있다.
투명 기판(110)의 상부면에는 투명 발열층(120)이 증착된다. 투명 발열층(120)은 투명전극이 이용될 수 있으며, 이와 같은 투명전극은 SnO2, SnO2:F, ITO(Indium Tin Oxide)와 같은 주석계 산화물, ZnO:Al, AgO, FTO(Fluorine Tin Oxide) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있으며 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 투명성을 가지고, 면저항이 5~20 Ω/□ 범위 내에 해당되는 투명 전극이라면 모두 투명 발열층(111)에 이용될 수 있다. 한편, 투명 발열층(120)이 상부면에 증착되어 있는 투명 기판(110)을 사용하거나, 마련된 투명 기판(110) 위에 별도 공정으로 투명 발열층(120)을 증착시킬 수 있다.
축열층(130)은 투명 발열층(120) 상부에 형성되어 투명 발열층(121)으로부터 발생된 열이 외부로 전달되는 것을 방지하는 기능을 수행한다. 투명 발열층(121)으로 이용되는 투명전극의 경우 일반적으로 열전도도가 높고 면저항은 낮으므로 고온상태를 유지하기가 쉽지 않다. 발생된 열이 전도, 대류를 통해 외부로 전달되기 때문이다.
그러나, 본 발명의 실시예들에서와 같이 투명 발열층(121) 상부에 축열층(130)을 형성하는 경우, 투명 발열층(121)에서 발생된 열이 외부로 발생되는 것을 줄일 수 있으므로 면상 발열체가 고온상태를 유지할 수 있는 효과를 갖는다. 예컨대, 발열층으로 이용되는 ITO의 경우 저항조절을 위한 별도의 공정이 요구되는데, 본 발명에 따른 투명 면상 발열체(100)에서는 그와 같은 공정이 요구되지 않는다(제조비용 절감).
축열층(120)은 투명성을 갖는 금속산화물 또는 세라믹 물질로 형성된다. 상기 금속산화물 및 세라믹 물질은 낮은 열전도성을 가지는 바, 투명 발열층(120)으로부터 발생된 열이 외부로 전달되는 것을 상당 부분 차단 가능하다.
상기 금속산화물 또는 세라믹 물질은 투명성 및 낮은 열전도성을 갖는 금속산화물이나 세라믹 물질이면 되고, 특정 종류로 한정되지는 않는다. 추가적으로 상기 금속산화물 및 세라믹 물질은 내열성을 구비할 수 있다. 이는 투명 면상 발열체(100)가 300℃ 이상의 고온에서도 안정적이고 균일하게 구동될 수 있게 한다.
예를 들어, 상기 금속산화물 및 세라믹 물질은 인듐, 아연, 주석, 갈륨, 탈륨, 마그네슘, 알루미늄, 티타늄, 카드뮴 및 흑연으로 이루어진 군에서 선택되는 산화물 또는 이들의 복합 산화물일 수 있다. 이와 같은 물질의 구체적인 예로는 산화인듐, 산화주석, 산화아연, 산화카드뮴, 산화티타늄, 이산화규소, 산화알루미늄, 투명 PLZT, 투명 AION(Al2O3와 AlN의 혼합 분말로 성형체를 만들어서 반응소결을 거쳐 만들어짐) 등이 있다.
전극(140)은 투명 면상 발열체(100)에 전압을 걸어주기 위해 형성되는 것으로 하나는 (+) 전극으로, 다른 하나는 (-) 전극으로 기능할 수 있다.
전극(140)은 투명 발열층(120) 양단 상부에 형성될 수 있다. 예컨대, 도 1에 도시된 것처럼 축열층(130)과 양측 방향으로 소정 간격 이격되어 투명 발열층(120) 양단 상부에 각각 형성될 수 있다.
전극(140)은 은(Ag) 나노와이어/페이스트와 같은 투명성을 갖는 금속, ITO(산화인듐주석), ZnO(산화아연), SnO2(산화주석)과 같은 산화물 투명 전극 또는 카본나노튜브, 그래핀과 같은 비산화물 투명 전극 등을 사용하여 형성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 투명 면상 발열체(200)를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 투명 면상 발열체(200)는 투명 기판(210)과, 투명 기판(210) 상부면에 증착되는 투명 발열층(220)과, 투명 발열층(220) 상부에 형성되는 축열층(230)을 포함한다. 또한, 축열층(230) 양단 상부에 각각 형성되는 전극(240)을 더 포함할 수 있다.
이 때, 투명 발열층(220)을 이루는 소재는 산화아연(ZnO)일 수 있다. 전술한 실시예에서 언급한 축열층(130, 230)을 이루는 물질들은 대부분 부도체에 가까운 것이므로, 축열층(130, 230) 상부면에 전극(140, 240)을 형성할 수는 없다. 투명 발열층(120, 220)과 통전될 수 없기 때문이다. 전술한 실시예에서 전극(140)이 축열층(130)과 소정 간격 이격되어 투명 발열층(120) 상부에 형성되는 이유다(도 1 참조).
그러나, 축열층(130)이 산화아연(ZnO)으로 형성되는 경우에는 다르다. 산화아연(ZnO)은 Z축 방향(0002)만 전기전도도가 높고, X축,Y축 방향으로는 전자 흐름이 거의 일어나지 않는 특성이 있기 때문이다. 따라서 축열층(230)이 산화아연으로 형성되는 경우에는, 축열층(230)을 도 2에 도시한 것과 마찬가지로 투명 발열층(220) 상부 전면(全面)에 형성시킬 수 있고, 축열층(230) 양단 상부에 전극(240)을 형성하는 것이 가능하다.
이를 제외한 나머지 내용들은 전술한 실시예에서와 동일하므로, 중복 설명은 생략하도록 한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 투명 면상 발열체 제조방법에 대하여 설명하도록 한다. 설명의 편의를 위해서 도 1을 중심으로 투명 면상 발열체 제조방법을 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 투명 면상 발열체 제조방법은 상부면에 투명발열층(120)이 증착되어 있는 투명 기판(110)을 마련하는 1단계와, 투명 발열층(120) 상부에 투명성을 갖는 금속산화물 또는 세라믹 물질로 형성되는 축열층(130)을 형성하는 2단계를 포함한다.
투명 기판(110)은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리에테르술폰(PES), 고리형 올레핀 고분자(COC), TAC(Triacetylcellulose) 필름, 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol; PVA) 필름, 폴리이미드(Polyimide; PI) 필름, 폴리스틸렌(Polystyrene; PS), 이축연신폴리스틸렌(K레진 함유 biaxially oriented PS; BOPS), 유리 또는 강화유리 등에서 선택될 수 있으며, 투명전극(투명 발열층(120)으로 기능함)이 증착되어 있는 투명 기판(110)을 사용할 수 있다.
투명 발열층(111) 상부에 축열층(120)을 형성하는 공정은 진공증착 공정보다 상대적으로 저비용으로 수행할 수 있는 용액 공정을 이용할 수 있다. 이러한 용액 공정의 예로는 스핀 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅, 닥터블레이드 코팅, 바코팅 및 인쇄 공정 등이 있다.
상기 용액 공정을 수행하기 위해서는 축열층(120)을 이루는 금속 산화물 또는 세라믹을 액상화할 필요가 있다. 이를 위해서 인듐, 아연, 주석, 갈륨, 탈륨, 마그네슘, 알루미늄, 티타늄, 카드뮴 및 흑연으로 이루어진 군에서 선택되는 물질의 전구체 물질을 용매에 용해시켜 금속 전구체 용액 또는 세라믹 전구체 용액을 얻은 후에 이들 용액을 상기 용액 공정을 통해 투명 발열층(120) 상부에 축열층(130)을 코팅한다. 코팅 후에는 150℃ 이하의 상대적 저온에서 건조 내지 소결시킴으로써 축열층(130)을 완성한다.
축열층(130)의 형성은 축열층(130)이 산화아연(ZnO)으로 형성되는 경우에 한해 투명 발열층(120)의 상부면 전면에 대하여 형성될 수 있고, 그렇지 않은 경우에는 투명 발열층(120)의 상부면 양단에 소정 공간을 남겨둔 채로 형성될 수 있다. 후자의 경우 상기 소정 공간에는 전극(140)이 형성될 수 있다.
축열층(130)의 형성 후에는 전극(140)을 형성한다. 전극(140)은 은(Ag) 나노와이어/페이스트와 같은 투명성을 갖는 금속, ITO(산화인듐주석), ZnO(산화아연), SnO2(산화주석)과 같은 산화물 투명 전극 또는 카본나노튜브, 그래핀과 같은 비산화물 투명 전극 등을 사용하여 형성될 수 있으며, 발열층(120)과 마찬가지로 동일한 용액 공정을 사용하여 형성하는 것이 가능하다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예들은 ITO 투명전극 상부면에 투명 금속산화물 및 투명 세라믹 물질을 상대적으로 저가의 코팅방법을 이용하여 형성하여 발열층에서 발생된 열이 외부로 전달 되는 것을 방지하는 축열층으로 이용함으로써, 제조 비용을 절감시키면서도 전기적 특성이 우수한 투명 면상 발열체를 수득할 수 있다.
본 발명에서 제공되는 투명 면상 발열체는 히팅 매트나 패드 등의 침구류, 주택의 바닥 난방, 사무실/작업장 등의 산업용 난방, 각종 산업장의 가열장치, 비닐하우스나 축사, 농업용 설비, 자동차용 사이드미러, 냉동 진열장의 유리 표면, 창호 시스템, 욕실 거울, 가전제품 등의 다양한 산업에 이용될 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100, 200: 투명 면상 발열체
110, 210: 투명 기판
120, 220: 투명 발열층
130, 230: 축열층
140, 240: 전극
110, 210: 투명 기판
120, 220: 투명 발열층
130, 230: 축열층
140, 240: 전극
Claims (8)
- 투명 기판;
상기 투명 기판 상부에 증착되는 투명 발열층; 및
상기 투명 발열층 상부에 형성되는 것으로, 상기 투명 발열층에서 발생된 열이 외부로 전달 되는 것을 방지하는 축열층을 포함하고,
상기 축열층은 투명성을 갖는 금속산화물 또는 세라믹 물질로 형성되되,
상기 축열층은 산화아연(ZnO)으로 형성되어 상기 투명 발열층 상부 전면에 형성되고, 상기 축열층 양단 상부에는 전극이 형성되는 투명 면상 발열체. - 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 투명 발열층은 SnO2, SnO2:F, ITO(Indium Tin Oxide), ZnO:Al, AgO, FTO(Fluorine Tin Oxide) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 투명 면상 발열체. - 삭제
- 상부면에 투명 발열층이 증착되어 있는 투명 기판을 마련하는 1단계;
상기 투명발열층 상부 전면에 투명성을 갖는 산화아연(ZnO)으로 형성되는 축열층을 형성하는 2단계; 및
상기 축열층 양단 상부에 전극을 형성하는 3단계;를 포함하는 투명 면상 발열체 제조방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 2단계에서 축열층 형성 공정은 스핀 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅, 닥터블레이드 코팅, 바코팅 및 인쇄 공정 중에서 선택되는 투명 면상 발열체 제조방법. - 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
상기 전극은 은 나노와이어, 은 페이스트 또는 구리 페이스트로 형성하는 것인 투명 면상 발열체 제조방법.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10070515B2 (en) | 2015-08-10 | 2018-09-04 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Transparent electrode using amorphous alloy and method of manufacturing the same |
| KR20240024645A (ko) | 2022-08-17 | 2024-02-26 | 가천대학교 산학협력단 | 투명 면상 발열체, 라이다 장치 및 투명 면상 발열체 제조방법 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08255680A (ja) * | 1995-03-17 | 1996-10-01 | Idemitsu Kosan Co Ltd | 面状発熱体 |
| KR0180910B1 (ko) * | 1992-08-03 | 1999-05-15 | 사토 아키오 | 투명 면상 히터 및 그 제조방법 |
| KR20120022225A (ko) * | 2010-09-01 | 2012-03-12 | 한밭대학교 산학협력단 | 전기식 히팅패널 및 온도 조절방법 |
-
2013
- 2013-10-24 KR KR20130127041A patent/KR101481529B1/ko active IP Right Grant
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