KR101931084B1 - 면상발열필름 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 면상발열필름 및 이의 제조방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 발열온도는 높고, 전기저항은 낮을 뿐만 아니라, 온도상승 및 냉각이 빠른 면상발열필름 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 면상발열필름 및 이의 제조방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 발열온도는 높고, 전기저항은 낮을 뿐만 아니라, 온도상승 및 냉각이 빠른 면상발열필름 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
면상발열체는 전극이 형성된 발열체에 외부에서 전류를 가해주면 전기에너지를 열에너지로 변환하여 열을 발생시키는 물질이다.
면상발열체는 일반적인 전열장치에 비해 20~40% 범위까지 전력소모율이 매우 낮으면서, 발열 효율이 상대적으로 우수하다. 또한, 평활성 및 내구성 역시 매우 탁월한 구조적 특성을 갖는다.
이러한 면상발열체는 침구용 매트, 방석, 가정용 건식 사우나기 등과 같은, 주거용 난방장치는 물론, 각종 산업용 난방장치, 예컨대, 자동차 유리의 김서리 방지장치, 냉장고용 결로방지장치, 농산물 건조시스템, 도로용 결빙 방지장치 등에 이르기까지, 다양한 분야에 널리 이용되고 있다.
일반적으로, 면상발열체는 열이 발생되는 절연기판 위에 발열체를 형성하고, 발열체 위에 전극을 형성하는 구조로 되어 있으며, 주로 발열체의 소재가 개발의 중점이 되어왔다.
발열체로 이용되는 전도성 발열 물질은 다양하며, 주로 이용되는 것은 철, 니켈, 크롬, 백금 등과 같은 금속 발열체이고, 전도성 금속산화물이나 탄소와 같은 비금속 발열체도 이용된다. 또한, 절연기판으로는 주로 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 세라믹 또는 실리콘 고무 소재가 많이 사용됐으며, 전극으로는 은을 주로 사용하고 있다.
하지만, 이와 같은 종래의 면상발열체는 전기전도도가 균일하지 못하여 발열체의 온도 제어가 용이하지 못할 뿐만 아니라, 회로패턴으로 인한 제조공정이 복잡하여 제조단가가 올라간다. 또한, 전류를 가할 시 온도의 상승시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라, 냉각도 오래 걸린다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로, 발열온도는 높고, 전기저항은 낮을 뿐만 아니라, 온도상승 및 냉각이 빠른 면상발열필름 및 이의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 면상발열필름의 제조방법은 베이스 수지 100 중량부에 대하여, 도전성 필러 15 ~ 55 중량부를 혼합하여 혼합물을 제조하고, 상기 혼합물을 필름화하여 발열층을 제조하는 제1단계 및 상기 발열층 일면 또는 양면에 전극층을 형성하는 제2단계를 포함한다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 전극층은 발열층 일면 또는 양면에 전도성 테이프를 도포하고 프레싱(pressing)하여 형성할 수 있다. 이 때, 상기 발열층의 두께는 50 ~ 90㎛이고, 상기 전극층의 두께는 50 ~ 70㎛일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 전도성 테이프는 Al, Cu 및 Ni 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 전극층은 상기 발열층 일면 또는 양면에 전도성 물질을 도금하여 형성할 수 있다. 이 때, 상기 발열층의 두께는 50 ~ 90㎛이고, 상기 전극층의 두께는 4 ~ 30㎛일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 전도성 물질은 Ni 또는 Cu를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 베이스 수지는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서, R1은 2가의 방향족 또는 지방족 유기기, R2는 2가의 방향족 또는 지방족 유기기이고, n는 3 ~ 1000의 정수이다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 도전성 필러는 카본블랙, 카본나노파이버 및 카본나노튜브 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 카본나노파이버의 평균길이는 2 ~ 8㎛일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 제1단계는 디아민 및 산무수물을 중합반응하고, 이미드화(imidization) 반응하여 베이스 수지를 제조하는 제1-1단계, 상기 베이스 수지 100 중량부에 대하여 도전성 필러 15 ~ 55 중량부를 혼합하여 혼합물을 제조하는 제1-2단계 및 상기 혼합물을 필름화하여 발열층을 제조하는 제1-3단계를 포함하고, 상기 디아민은 p-PDA(p-Phenylenediamine), 4,4’-ODA(4,4’-Oxydianiline) 및 TPE-R(1,3-Bis(4-aminophenoxy)Phenyl) 중 1종 이상을 포함하고, 상기 산무수물은 PMDA(Pyromellitic Dianhydride), BPDA(3,3’,4,4’-Biphenyl Tetracarboxylic Acid Dianhydride) 및 ODPA(4,4’-Oxydiphthalic Anhydride) 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 디아민 및 산무수물은 1 : 0.8 ~ 1.2의 몰비를 가질 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 전극층 일면에 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 코팅하여 절연층을 형성하는 제3단계를 더 포함할 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서, R1은 2가의 방향족 또는 지방족 유기기, R2는 2가의 방향족 또는 지방족 유기기이고, n는 3 ~ 1000의 정수이다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 상기 절연층의 두께는 3 ~ 60㎛일 수 있다.
한편, 본 발명의 면상발열필름은 발열층 및 상기 발열층 일면 또는 양면에 적층된 전극층을 포함하고, 상기 발열층은 베이스 수지 100 중량부에 대하여, 도전성 필러 15 ~ 55 중량부를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 면상발열필름의 상기 베이스 수지는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서, R1은 2가의 방향족 또는 지방족 유기기, R2는 2가의 방향족 또는 지방족 유기기이고, n는 3 ~ 1000의 정수이다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 면상발열필름은 상기 전극층 일면에 적층된 절연층을 더 포함하고, 상기 절연층은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서, R1은 2가의 방향족 또는 지방족 유기기, R2는 2가의 방향족 또는 지방족 유기기이고, n는 3 ~ 1000의 정수이다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 면상발열필름의 전극층의 두께는 50 ~ 70㎛이고, 전극층은 Al, Cu 및 Ni 중 1종 이상을 포함하는 전도성 테이프일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 면상발열필름의 전극층의 두께는 4 ~ 30㎛이고, 전극층은 Ni 또는 Cu를 포함하는 전도성 물질일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예로서, 본 발명의 면상발열필름의 발열 온도는 80 ~ 150℃, 전기저항은 1 ~ 12 Ω, 온도상승률은 20 ~ 30℃/sec, 온도냉각률은 3 ~ 10℃/sec일 수 있다.
본 발명의 면상발열필름 및 이의 제조방법은 발열온도는 높고, 전기저항은 낮을 뿐만 아니라, 온도상승 및 냉각이 빠르다.
도 1은 본 발명의 바람직한 구체적인 일구현예로서, 본 발명의 면상발열필름의 개략적인 단면도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 구체적인 일구현예로서, 본 발명의 발열층 상부에 일정한 패턴으로 형성된 전극층을 도시한 개략도이다.
도 3a, 3b 및 3c는 본 발명의 바람직한 구체적인 일구현예로서, 전극층에 전원이 인가되는 본 발명의 면상발열필름의 개략적인 단면도를 나타낸 것이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 바람직한 구체적인 일구현예로서, 절연층이 적층된본 발명의 면상발열필름의 개략적인 단면도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 구체적인 일구현예로서, 본 발명의 발열층 상부에 일정한 패턴으로 형성된 전극층을 도시한 개략도이다.
도 3a, 3b 및 3c는 본 발명의 바람직한 구체적인 일구현예로서, 전극층에 전원이 인가되는 본 발명의 면상발열필름의 개략적인 단면도를 나타낸 것이다.
도 4a 및 4b는 본 발명의 바람직한 구체적인 일구현예로서, 절연층이 적층된본 발명의 면상발열필름의 개략적인 단면도를 나타낸 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 부가한다.
본 발명의 면상발열필름의 제조방법은 제1단계 및 제2단계를 포함한다.
먼저, 제1단계에서 베이스 수지 100 중량부에 대하여, 도전성 필러 15 ~ 55 중량부, 바람직하게는 25 ~ 50 중량부, 더욱 바람직하게는 30 ~ 40 중량부를 혼합하여 혼합물을 제조할 수 있다.
만일, 베이스 수지 100 중량부에 대하여 도전성 필러 15 중량부 미만으로 포함된다면 제1단계에서 제조된 발열층의 저항이 너무 높아져, 적은 전류에도 제2단계에서 제조된 전극층이 타버리는 현상이 나타나는 문제가 발생할 수 있고, 55 중량부를 초과하여 포함된다면 베이스 수지의 점도가 높아져, 도전성 필러의 분산성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
그 후, 제조된 혼합물은 필름화하여 발열층을 제조할 수 있다.
이 때, 발열층의 두께는 50 ~ 90㎛, 바람직하게는 60 ~ 80㎛, 더욱 바람직하게는 65 ~ 75㎛일 수 있으며, 만일 발열층의 두께가 50㎛ 미만이면 얇은 두께로 인해 기포층이 생기거나 제조된 면상발열필름이 쉽게 찢어지는 문제가 발생할 수 있고, 90㎛를 초과하면 제조단가가 급격히 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 제1단계를 더욱 구체적으로 설명하면, 제1-1단계, 제1-2단계 및 제1-3단계를 포함할 수 있다.
먼저, 제1-1단계에서 디아민 및 산무수물을 중합반응하고, 이미드화(imidization) 반응하여 베이스 수지를 제조할 수 있다.
이 때, 중합반응은 촉매 및/또는 용매 하에서 진행될 수 있으며, 상기 촉매 및/또는 용매는 NMP(N-methylpyrrolidone), NEP(N-ethylpyrrolidone), DMAc(Dimethylacetamide), 3-메톡시-N,N-다이메티프로피온아마이드(3-Metoxy-N,N-Dimethylpropionamide) 및 3-뷰톡시-N,N-다이메틸프로피온아마이드(3-butoxy-N,N-Dimethylpropionamide) 중 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 NMP 및 DMAc 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
디아민은 p-PDA(p-Phenylenediamine), 4,4’-ODA(4,4’-Oxydianiline) 및 TPE-R(1,3-Bis(4-aminophenoxy)Phenyl) 중 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 4,4’-ODA(4,4’-Oxydianiline)를 포함할 수 있다.
또한, 산무수물은 PMDA(Pyromellitic Dianhydride), BPDA(3,3’,4,4’-Biphenyl Tetracarboxylic Acid Dianhydride) 및 ODPA(4,4’-Oxydiphthalic Anhydride) 중 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 BPDA(3,3’,4,4’-Biphenyl Tetracarboxylic Acid Dianhydride)를 포함할 수 있다.
디아민과 산무수물은 1 : 0.8 ~ 1.2의 몰비, 바람직하게는 1 : 0.9 ~ 1.1의 몰비, 더욱 바람직하게는 0.95 ~ 1.0의 몰비를 가질 수 있으며, 만일, 디아민 1몰에 대하여 산무수물 0.8 몰 미만이면, 베이스 수지의 중량평균분자량이 너무 낮아서 면상발열필름 제조 시 이미드화 반응이 저하되는 문제가 있을 수 있고, 1.2 몰을 초과하게 되면 미반응 산무수물이 과도하게 발생하므로 상기 범위 내로 디아민 및 산무수물을 중합반응시키는 것이 좋다.
더욱 구체적으로, 제1-1단계는 용매에 디아민을 10 ~ 30℃, 바람직하게는 15 ~ 25℃의 온도, 100 ~ 200rpm, 바람직하게는 125 ~ 175rpm의 속도에서 20 ~ 40분, 바람직하게는 25 ~ 35분 동안 혼합할 수 있다. 그 뒤, 산무수물을 3 ~ 7회, 바람직하게는 4 ~ 6회 나눠서 투입하고, 2 ~ 6시간, 바람직하게는 3 ~ 5시간 혼합하여 베이스 수지를 제조할 수 있다.
제1-1단계에서 제조된 베이스 수지는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서, R1은 2가의 방향족 유기기 또는 지방족 유기기, 바람직하게는 2가의 방향족 유기기일 수 있고, R2는 2가의 방향족 또는 지방족 유기기, 바람직하게는 2가의 방향족 유기기일 수 있다. 또한, n는 3 ~ 1000의 정수일 수 있다.
다음으로, 제1-2단계는 제1-1단계에서 제조된 베이스 수지 100 중량부에 대하여, 도전성 필러 15 ~ 55 중량부, 바람직하게는 25 ~ 50 중량부, 더욱 바람직하게는 30 ~ 40 중량부를 혼합하여 혼합물을 제조할 수 있다. 이 때, 혼합은 20 ~ 40분, 바람직하게는 25 ~ 35분 동안 진행될 수 있다.
도전성 필러는 베이스 수지와 혼합되어 매트릭스 형태의 구조를 형성시킴으로서 전기 전도성을 향상시킬 수 있는 물질로서, 카본블랙(carbon black), 카본나노파이버(carbon nano fiver) 및 카본나노튜브(carbon nanotube) 중 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 카본나노파이버를 포함할 수 있다.
카본나노파이버의 평균길이는 2 ~ 8㎛, 바람직하게는 3 ~ 7㎛, 더욱 바람직하게는 4 ~ 5㎛일 수 있다. 만일, 카본나노파이버의 평균길이가 2㎛ 미만이면 발열층의 전기전도성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있고, 8㎛를 초과한다면 발열층의 전기 전도성이 너무 높아져 발열현상을 억제하는 문제가 발생할 수 있다.
카본블랙은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 바람직하게는 입자크기 10 ~ 50nm, 표면적 60 ~ 150m2/g일 수 있고, 더욱 바람직하게는 아세틸렌 블랙 또는 퍼니스 블랙을 포함할 수 있다.
카본나노튜브는 단중벽, 이중벽, 다중벽 및 다발형 카코나노튜브 중 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 5 ~ 40nm의 직경을 갖고, 아스팩트비(길이/직경)가 100 ~ 1000인 다중벽 카본나노튜브를 포함할 수 있다.
마지막으로, 제1-3단계는 제1-2단계에서 제조된 혼합물을 필름화하여 발열층을 제조할 수 있다. 이 때, 필름화는 롤투롤(Roll to Roll) 코팅 방법에 의해 진행될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
결론적으로 제1단계에서 제조된 발열층은 간단한 공정을 통해 제조된 일정한 두께를 가지는 필름이며, 이는 기존 복잡한 공정을 통해 회로패턴을 형성된 페이스트 형태의 발열체보다 공정이 단순 용이하고, 이와 같이 제조된 발열층을 포함하는 본 발명의 면상발열필름은 기존의 면상발열필름보다 발열온도가 높고, 전기저항이 우수할 뿐만 아니라, 온도상승 및 냉각이 빠른 면상발열필름을 제조할 수 있다.
다음으로, 제2단계는 제1단계에서 제조된 발열층 일면 또는 양면에 전극층을 형성할 수 있다.
구체적으로, 전극층은 제1단계에서 제조된 발열층 일면 또는 양면에 전도성 테이프를 도포하고 프레싱(pressing)하여 형성할 수 있다.
또한, 전극층은 제1단계에서 제조된 발열층 일면 또는 양면에 전도성 물질로 도금하여 형성할 수 있다.
상기 전도성 테이프는 Al, Cu 및 Ni 중 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 Al을 포함할 수 있다. 또한, 프레싱은 0.3 ~ 0.8Mpa, 바람직하게는 0.5 ~ 0.6Mpa의 압력으로 진행될 수 있다. 전도성 테이프로 전극층을 형성시, 전극층의 두께는 50 ~ 70㎛일 수 있으며, 두께의 사용에 제한은 없지만 100㎛이상의 두께를 가지는 경우 제조 단가가 높아지므로 50 ~ 70㎛ 두께를 가지는 것이 좋다.
상기 전도성 물질은 Ni, Ni/Cu 및 Sn/Cu 중 1종 이상을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 Ni/Cu를 포함할 수 있다. 전도성 물질로 전극층을 형성시, 전극층의 두께는 4 ~ 30㎛, 바람직하게는 5 ~ 15㎛, 더욱 바람직하게는 6 ~ 10㎛일 수 있으며, 만일 전극층의 두께가 4㎛ 미만이면 전극층에 공극이 발생하여 부분적으로 절연이 되므로 발열현상이 균일하지 않게 되는 문제가 발생할 수 있고, 30㎛를 초과하면 공정시간이 길어지고, 발열층으로 전기전도 시간이 길어지므로 발열 및 냉각 시간이 길어지는 문제가 발생할 수 있다.
일반적으로, 기존에는 발열체 상에 전극물질을 형성할 때, 전도성 물질을 증착하거나, 복잡한 패턴을 코팅하는 방법으로 발열체 상에 형성하였으며, 이는 공정시간이 길거나 공정이 복잡할 뿐만 아니라, 제조 단가도 현저히 비싸다. 하지만, 본 발명은 1) 발열층 상에 전도성 테이프를 도포하여 전극층을 형성하거나, 2) 단순한 패턴으로 도금하여 전극층을 형성하기 때문에, 공정이 단순 용이하고, 이와 같은 제조방법으로 제조된 전극층을 포함하는 본 발명의 면상발열필름은 기존의 면상발열필름보다 발열온도가 높고, 전기저항이 낮을 뿐만 아니라, 온도상승 및 냉각이 빠른 면상발열필름을 제조할 수 있다.
한편, 본 발명의 면상발열필름의 제조방법은 전극층 일면에 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 코팅하여 절연층을 형성하는 제3단계를 더 포함할 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서, R1은 2가의 방향족 또는 지방족 유기기, 바람직하게는 2가의 방향족 유기기일 수 있고, R2는 2가의 방향족 또는 지방족 유기기, 바람직하게는 2가의 방향족 유기기일 수 있다. 또한, n는 3 ~ 1000의 정수일 수 있다.
절연층에 포함되는 화학식 1로 표시되는 화합물은 앞서 언급한 발열층의 베이스 수지와 동일 물질 및 동일한 방법으로 제조된 물질일 수 있다.
일반적으로, 면상발열필름을 제조하는데 있어서 전극물질에 절연물질을 형성하기 위해선, 절연물질로 폴리이미드 필름을 사용하고, 프레싱을 이용하여 형성하였다. 이와 같은 방법은 공정이 간단한 장점이 있지만, 프레싱에 의해서 발열체와 전극물질 사이에 기포가 생성되어 이격이 발생하는 문제점이 발생하고, 또한 발열체와 전극물질 사이에 접합성을 위해서 별도의 점착물질이 포함되어야 한다는 단점이 있다.
하지만, 본 발명의 전극층 일면에 절연층을 형성하는데 있어서, 화학식 1로 표시되는 화합물을 이용하여 코팅시키기 때문에, 별도의 점착물질이 필요없을 뿐만 아니라, 발열체와 전극물질 사이에 이격이 발생하지 않는 장점이 있다.
절연층의 두께는 3 ~ 60㎛, 바람직하게는 4 ~ 30㎛, 더욱 바람직하게는 5 ~ 10㎛일 수 있으며, 만일, 두께가 3㎛ 미만이면 절연층에 기포가 발생하여 절연을 방해하는 문제가 발생할 수 있고, 60㎛를 초과하면 제조단가가 올라가는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 본 발명은 면상발열필름을 포함한다.
구체적으로, 도 1을 참조하여 본 발명의 면상발열필름을 설명하면, 발열층(10) 및 발열층(10) 일면 또는 양면에 적층된 전극층(20)을 포함한다.
발열층(10)은 전원이 인가되면 열을 발생시키는 부분으로서, 베이스 수지 및 도전성 필러를 포함하며, 베이스 수지 100 중량부에 대하여 도전성 필러 15 ~ 55 중량부, 바람직하게는 25 ~ 50 중량부, 더욱 바람직하게는 30 ~ 40 중량부를 포함할 수 있다. 만일, 베이스 수지 100 중량부에 대하여 도전성 필러 15 중량부 미만으로 포함된다면 발열층(10)의 저항이 너무 높아져, 적은 전류에도 전극층(20)이 타버리는 현상이 발생할 수 있고, 55 중량부를 초과하여 포함된다면 베이스 수지의 점도가 높아져, 도전성 필러의 분산성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
베이스 수지는 폴리이미드 수지 및 폴리우레탄 이미드 수지 중 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 산무수물과 디아민 화합물로부터 합성된 폴리아미드산을 열 및 촉매 등에 의해 이미드화하여 제조된 화합물을 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는 디안하이드라이드계 모노머와 디아민 모노머를 1종 또는 2종을 사용하여 합성한 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서, R1은 2가의 방향족 또는 지방족 유기기, 바람직하게는 2가의 방향족 유기기일 수 있고, R2는 2가의 방향족 또는 지방족 유기기, 바람직하게는 2가의 방향족 유기기일 수 있다. 또한, n는 3 ~ 1000의 정수일 수 있다.
한편, 도전성 필러는 베이스 수지와 혼합되어 매트릭스 형태의 구조를 형성시킴으로서 전기 전도성을 향상시킬 수 있는 물질로서, 카본블랙(carbon black), 카본나노파이버(carbon nano fiver) 및 카본나노튜브(carbon nanotube) 중 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 카본나노파이버를 포함할 수 있다.
카본나노파이버의 평균길이는 2 ~ 8㎛, 바람직하게는 3 ~ 7㎛, 더욱 바람직하게는 4 ~ 5㎛일 수 있다. 만일, 카본나노파이버의 평균길이가 2㎛ 미만이면 발열층의 전기전도성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있고, 8㎛를 초과한다면 발열층의 전기 전도성이 너무 높아져 발열현상을 억제하는 문제가 발생할 수 있다.
카본블랙은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 바람직하게는 입자크기 10 ~ 50nm, 표면적 60 ~ 150m2/g일 수 있고, 더욱 바람직하게는 아세틸렌 블랙 또는 퍼니스 블랙을 포함할 수 있다.
카본나노튜브는 단중벽, 이중벽, 다중벽 및 다발형 카본나노튜브 중 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는 5 ~ 40nm의 직경을 갖고, 아스팩트비(길이/직경)가 100 ~ 1000인 다중벽 카본나노튜브를 포함할 수 있다.
발열층(10)의 두께는 50 ~ 90㎛, 바람직하게는 60 ~ 80㎛, 더욱 바람직하게는 65 ~ 75㎛일 수 있으며, 만일 발열층의 두께가 50㎛ 미만이면 얇은 두께로 인해 기포층이 생기거나 제조된 면상발열필름이 쉽게 찢어지는 문제가 발생할 수 있고, 90㎛를 초과하면 제조단가가 급격히 증가하는 문제가 발생할 수 있다. 다만, 발열층(10)의 두께는 제조된 면상발열필름의 용도에 따라 달라질 수 있다.
한편, 전극층(20)은 발열층(10)의 일면 또는 양면에 적층되어 형성된다.
전극층(20)은 전원이 인가되는 층으로, 일정한 패턴형태로 발열층(10)의 일면 또는 양면에 형성될 수 있는데, 특별한 한정없이 다양한 형태로 패턴이 형성될 수 있으며, 하나의 일 실시예로서 도 2에 도시된 것처럼 단순한 패턴형태로 형성될 수 있다.
또한, 전극층(20)은 다양한 형태로 전원이 연결되어 인가될 수 있는데, 하나의 일 실시예로서, 도 3a에 도시된 것처럼 전극층(20)이 발열층(10) 일면에만 적층되어 형성될 때, 전극층(20)에 전원이 연결되어 있을 수 있고, 도 3b에 도시된 것처럼 전극층(20)이 발열층(20) 양면에 적층되어 형성될 때, 양면에 적층된 전극층(20', 20") 중 하나의 전극층(20')에만 전원이 연결되어 있을 수 있고, 도 3c에 도시된 것처럼 전극층(20)이 발열층(20) 양면에 적층되어 형성될 때, 양면에 적층된 전극층(20', 20") 모두에 전원이 연결되어 있을 수 있다.
전극층(20)은 Al, Cu 및 Ni 중 1종 이상을 포함하는 전도성 테이프가 도포되고 프레싱(pressing)하여 형성될 수 있으며, 바람직하게는 Al을 포함하는 전도성 테이프가 도포되고 프레싱하여 형성될 수 있다. 상기 전도성 테이프로 전극층(20)을 형성할 때, 전극층(20)의 두께는 50 ~ 70㎛일 수 있으며, 두께의 사용에 제한은 없지만 100㎛이상의 두께를 가지는 경우 제조 단가가 높아지므로 50 ~ 70㎛ 두께를 가지는 것이 좋다.
또한, 전극층(20)은 Ni로 형성되거나 또는 Cu도금층 일면에 Ni이 도금되어 형성된 것일 수 있으며, 바람직하게는 Cu도금층 일면에 Ni이 도금되어 형성된 것일 수 있다. 상기 전도성 물질로 전극층(20)을 형성할 때, 전극층(20)의 두께는 4 ~ 30㎛, 바람직하게는 5 ~ 15㎛, 더욱 바람직하게는 6 ~ 10㎛일 수 있으며, 만일 전극층의 두께가 4㎛ 미만이면 전극층에 공극이 발생하여 부분적으로 절연이 되므로 발열현상이 균일하지 않게되는 문제가 발생할 수 있고, 30㎛를 초과하면 공정시간이 길어지고, 발열층으로 전기전도 시간이 길어지므로 발열 및 냉각 시간이 길어지는 문제가 발생할 수 있다.
나아가, 본 발명의 면상발열필름은 전극층 일면에 적층된 절연층을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 도 4a를 참조하면, 전극층(20)이 발열층(10)의 일면에 적층되어 형성되어 있을 때, 절연층(30)은 전극층(20)에 일면에 적층되어 형성될 수 있다. 또한, 도 4b를 참조하면, 전극층(20', 20")이 발열층(10) 양면에 적층되어 형성되어 있을 때, 전극층(20', 20") 각각의 일면에 절연층(30', 30")이 적층되어 형성될 수 있다.
절연층(30)은 발열층(10)에 인가되는 전원이 외부로 빠져나가는 것을 억제하는 기능을 하며, 전극층(20)에 코팅되어 형성될 수 있다.
절연층(30)은 산무수물과 디아민 화합물로부터 합성된 폴리아미드산을 열 및 촉매 등에 의해 이미드화하여 제조된 화합물을 포함할 수 있고, 더욱 바람직하게는 디안하이드라이드계 모노머와 디아민 모노머를 1종 또는 2종을 사용하여 합성한 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서, R1은 2가의 방향족 또는 지방족 유기기, 바람직하게는 2가의 방향족 유기기일 수 있고, R2는 2가의 방향족 또는 지방족 유기기, 바람직하게는 2가의 방향족 유기기일 수 있다. 또한, n는 3 ~ 1000의 정수일 수 있다.
절연층(30)의 두께는 3 ~ 60㎛, 바람직하게는 4 ~ 30㎛, 더욱 바람직하게는 5 ~ 10㎛일 수 있으며, 만일, 두께가 3㎛ 미만이면 절연층(30)에 기포가 발생하여 절연을 방해하는 문제가 발생할 수 있고, 60㎛를 초과하면 제조단가가 올라가는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 본 발명의 면상발열필름은 70 ~ 160℃의 발열온도, 바람직하게는 80 ~ 150℃의 발열온도, 더욱 바람직하게는 80 ~ 120℃의 발열온도를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 면상발열필름은 1 ~ 25 Ω의 전기저항, 바람직하게는 1 ~ 12 Ω의 전기저항, 더욱 바람직하게는 3 ~ 12 Ω의 전기저항를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 면상발열필름은 20 ~ 30℃/sec의 온도상승률, 3 ~ 10℃/sec의 온도냉각률을 가질 수 있다.
나아가, 본 발명의 면상발열필름은 차량용, 건설용, 난방용, 의료용 등에 사용될 수 있으며, 구체적으로, 차량용 차량시트, 차량용 사이드미러, 차량용 핸들, 차량용 연료전지, 동파방지를 위한 건설용 배관, 고속도로 제설용, 난방용 매트, 난방용 매트, 난방용 카페트, 난방용 의류, 농산물 건조용, 의료용 발열테이블, 의료용 인큐베이터, 변기커버 또는 욕실용 거울 등에 사용될 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 구현예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명의 구현예를 한정하는 것이 아니며, 본 발명의 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 구현예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
준비예
1 : 베이스 수지 제조
(1) NMP(N- Methylpyrrolidone) 480g에 4,4'-ODA(4,4'-Oxydianiline) 48,75g을 넣고 20℃의 온도에서 150rpm의 속도로 30분간 교반하였다.
(2) 그 뒤, BPDA(3,3',4,4'-Biphenyl Tetracarboxylic Acid Dianhydride) 71.49g을 5회 나눠서 소분하여 투입하고, 4시간 동안 교반하여 중합반응을 진행하였다.
(3) 중합반응 진행 후, 280℃에서 이미드화(imidization) 반응을 진행하여 베이스 수지를 제조하였다.
실시예 1 : 면상발열필름의 제조
(1) 준비예 1에서 제조된 베이스 수지 100 중량부에 대하여, 평균 길이 5㎛의 카본나노파이버 30 중량부를 혼합하여 혼합물을 제조하고, 제조된 혼합물을 필름화 하여 두께 70㎛의 발열층을 제조하였다.
(2) 제조된 발열층 일면에 Al 테이프를 도포하고, 0.55 Mpa의 압력으로 프레싱하여 두께 65㎛의 전극층을 형성하였다.
(3) 형성된 전극층 일면에 준비예 1에서 제조된 베이스 수지로 코팅하여 두께 10㎛의 절연층이 성형된 면상발열필름을 제조하였다.
실시예 2 : 면상발열필름의 제조
실시예 1과 동일한 방법으로 면상발열필름을 제조하였다. 다만, 혼합물을 제조할 때, 베이스 수지 100 중량부에 대하여, 평균 길이 5㎛의 카본나노파이버 40 중량부를 혼합하였다.
실시예 3 : 면상발열필름의 제조
실시예 1과 동일한 방법으로 면상발열필름을 제조하였다. 다만, 혼합물을 제조할 때, 베이스 수지 100 중량부에 대하여, 평균 길이 5㎛의 카본나노파이버 50 중량부를 혼합하였다.
실시예 4 : 면상발열필름의 제조
실시예 1과 동일한 방법으로 면상발열필름을 제조하였다. 다만, 혼합물을 제조할 때, 베이스 수지 100 중량부에 대하여, 평균 길이 5㎛의 카본나노파이버 20 중량부를 혼합하였다.
실시예 5 : 면상발열필름의 제조
(1) 준비예 1에서 제조된 베이스 수지 100 중량부에 대하여, 평균 길이 5㎛의 카본나노파이버 30 중량부를 혼합하여 혼합물을 제조하고, 제조된 혼합물을 필름화 하여 두께 70㎛의 발열층을 제조하였다.
(2) 제조된 발열층 일면에 6㎛의 두께로 Cu를 도금하고, Cu 일면에 1㎛의 두께로 Ni를 도금하여 전극층을 형성하였다.
(3) 형성된 전극층 일면에 준비예 1에서 제조된 베이스 수지로 코팅하여 두께 10㎛의 절연층이 성형된 면상발열필름을 제조하였다.
실시예
6 :
면상발열필름의
제조
실시예 4과 동일한 방법으로 면상발열필름을 제조하였다. 다만, 혼합물을 제조할 때, 베이스 수지 100 중량부에 대하여, 평균 길이 5㎛의 카본나노파이버 40 중량부를 혼합하였다.
비교예 1 : 면상발열필름의 제조
실시예 1과 동일한 방법으로 면상발열필름을 제조하였다. 다만, 혼합물을 제조할 때, 베이스 수지 100 중량부에 대하여, 평균 길이 5㎛의 카본나노파이버 10 중량부를 혼합하였다.
비교예 2 : 면상발열필름의 제조
실시예 1과 동일한 방법으로 면상발열필름을 제조하였다. 다만, 혼합물을 제조할 때, 베이스 수지 100 중량부에 대하여, 평균 길이 5㎛의 카본나노파이버 60 중량부를 혼합하였다.
비교예 3 : 면상발열필름의 제조
실시예 1과 동일한 방법으로 면상발열필름을 제조하였다. 카본나노파이버를 혼합하지 않고 발열층을 제조하였다.
비교예 4 : 면상발열필름의 제조
(1) 준비예 1에서 제조된 베이스 수지 100 중량부에 대하여, 평균 길이 5㎛의 카본나노파이버 30 중량부를 혼합하여 혼합물을 제조하고, 제조된 혼합물을 필름화 하여 두께 70㎛의 발열층을 제조하였다.
(2) 제조된 발열층 일면에 2㎛의 두께로 Ni을 증착하여 전극층을 형성하였다.
(3) 형성된 전극층 일면에 준비예 1에서 제조된 베이스 수지로 코팅하여 두께 10㎛의 절연층이 성형된 면상발열필름을 제조하였다.
비교예 5 : 면상발열필름의 제조
(1) 준비예 1에서 제조된 베이스 수지 100 중량부에 대하여, 평균 길이 5㎛의 카본나노파이버 30 중량부를 혼합하여 혼합물을 제조하고, 제조된 혼합물을 필름화 하여 두께 70㎛의 발열층을 제조하였다.
(2) 제조된 발열층 일면에 3㎛의 두께로 Cu를 도금하고, Cu 일면에 0.5㎛의 두께로 Ni를 도금하여 전극층을 형성하였다.
(3) 형성된 전극층 일면에 준비예 1에서 제조된 베이스 수지로 코팅하여 두께 10㎛의 절연층이 성형된 면상발열필름을 제조하였다.
실험예
1
실시예 및 비교예에서 제조된 면상발열필름을 각각 다음과 같은 물성평가법을 기준으로 하여 평가를 실시하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
(1) 발열 온도(℃)
발열온도를 측정하기 위하여 DC 파워서플라이로 전극층의 양끝단에 DC 전원을 인가하였고, 이 때 가해주는 전원은 25V, 0~3A였다. 발열온도는 적외선 온도측정기를 이용하여 측정하였다.
(2) 전기저항(Ω)
Trinix사의 ‘Tx7520’ LCR미터를 이용하여, 1V, 60Hz 에서의 전기저항을 측정하였다.
(3) 온도 상승률/냉각률(℃/sec)
온도 상승 및 냉각률은 상기에서 언급한 적외선 온도측정기를 이용하여 10sec 동안 상승하거나 냉각한 온도를 기록하여 측정하였다.
상기 표 1에서 확인할 수 있듯이, 실시예 1 ~ 6에서 제조된 면상발열필름을 발열 온도는 높고, 전기저항은 낮을 뿐만 아니라 온도 상승률 및 온도 냉각률이 빠름을 확인할 수 있었다.
특히, 실시예 1 ~ 3에서 제조된 면상발열필름은 실시예 4에서 제조된 면상발열필름보다 전기저항이 현저히 낮음을 확인할 수 있었다.
또한, 비교예 1에서 제조된 면상발열필름은 높은 전기저항으로 인하여 전극층이 타버렸음을 확인할 수 있었다.
또한, 비교예 2에서 제조된 면상발열필름은 높은 점도로 인해 굳어버려 발열층의 제조가 불가능함을 확인할 수 있었다.
또한, 비교예 3에서 제조된 면상발열필름은 전기저항이 현저히 높아 절연 특성이 발현되어 면상발열필름으로 사용이 불가능함을 확인할 수 있었다.
또한, 비교예 4에서 제조된 면상발열필름은 전극층에 부분적으로 공극이 발생하여 발열현상이 일어나지 않음을 확인할 수 있었다.
또한, 비교예 5에서 제조된 면상발명필름은 발열현상이 일어나지 않음을 확인할 수 있었다.
본 발명의 단순한 변형이나 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해서 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
10 : 발열층
20, 20', 20" : 전극층
30, 30', 30" : 절연층
20, 20', 20" : 전극층
30, 30', 30" : 절연층
Claims (20)
- 디아민 및 산무수물을 중합반응하고, 이미드화(imidization) 반응하여 베이스 수지를 제조하는 제1-1단계;
상기 베이스 수지 100 중량부에 대하여 도전성 필러 15 ~ 55 중량부를 혼합하여 혼합물을 제조하는 제1-2단계;
상기 혼합물을 필름화하여 발열층을 제조하는 제1-3단계; 및
상기 발열층 일면 또는 양면에 전극층을 형성하는 제2단계; 를 포함하고,
상기 디아민은 p-PDA(p-Phenylenediamine), 4,4’-ODA(4,4’-Oxydianiline) 및 TPE-R(1,3-Bis(4-aminophenoxy)Phenyl) 중 1종 이상을 포함하고,
상기 산무수물은 PMDA(Pyromellitic Dianhydride), BPDA(3,3’,4,4’-Biphenyl Tetracarboxylic Acid Dianhydride) 및 ODPA(4,4’-Oxydiphthalic Anhydride) 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 면상발열필름의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 전극층은 발열층 일면 또는 양면에 전도성 테이프를 도포하고 프레싱(pressing)하여 형성하는 것을 특징으로 하는 면상발열필름의 제조방법.
- 제2항에 있어서,
상기 발열층의 두께는 50 ~ 90㎛이고,
상기 전극층의 두께는 50 ~ 70㎛인 것을 특징으로 하는 면상발열필름의 제조방법.
- 제2항에 있어서,
상기 전도성 테이프는 Al, Cu 및 Ni 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 면상발열필름의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 전극층은 상기 발열층 일면 또는 양면에 전도성 물질을 도금하여 형성하는 것을 특징으로 하는 면상발열필름의 제조방법.
- 제5항에 있어서,
상기 발열층의 두께는 50 ~ 90㎛이고,
상기 전극층의 두께는 4 ~ 30㎛인 것을 특징으로 하는 면상발열필름의 제조방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 베이스 수지는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 면상발열필름의 제조방법.
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서, R1은 2가의 방향족 또는 지방족 유기기, R2는 2가의 방향족 또는 지방족 유기기이고, n는 3 ~ 1000의 정수이다.
- 제1항에 있어서,
상기 도전성 필러는 카본블랙, 카본나노파이버 및 카본나노튜브 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 면상발열필름의 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 카본나노파이버의 평균길이는 2 ~ 8㎛인 것을 특징으로 하는 면상발열필름의 제조방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 디아민 및 산무수물은 1 : 0.8 ~ 1.2의 몰비를 가지는 것을 특징으로 하는 면상발열필름의 제조방법.
- 제1항에 있어서,
상기 전극층 일면에 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 코팅하여 절연층을 형성하는 제3단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 면상발열필름의 제조방법;
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서, R1은 2가의 방향족 또는 지방족 유기기, R2는 2가의 방향족 또는 지방족 유기기이고, n는 3 ~ 1000의 정수이다.
- 제13항에 있어서,
상기 절연층의 두께는 3 ~ 60㎛인 것을 특징으로 하는 면상발열필름의 제조방법.
- 발열층; 및
상기 발열층 일면 또는 양면에 적층된 전극층; 을 포함하고,
상기 발열층은 베이스 수지 100 중량부에 대하여, 도전성 필러 15 ~ 55 중량부를 포함하며,
상기 베이스 수지는 디아민 및 산무수물을 중합반응하고, 이미드화(imidization) 반응하여 제조되며,
상기 디아민은 p-PDA(p-Phenylenediamine), 4,4’-ODA(4,4’-Oxydianiline) 및 TPE-R(1,3-Bis(4-aminophenoxy)Phenyl) 중 1종 이상을 포함하고,
상기 산무수물은 PMDA(Pyromellitic Dianhydride), BPDA(3,3’,4,4’-Biphenyl Tetracarboxylic Acid Dianhydride) 및 ODPA(4,4’-Oxydiphthalic Anhydride) 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 면상발열필름.
- 제15항에 있어서,
상기 베이스 수지는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 면상발열필름;
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서, R1은 2가의 방향족 또는 지방족 유기기, R2는 2가의 방향족 또는 지방족 유기기이고, n는 3 ~ 1000의 정수이다.
- 제15항에 있어서,
상기 전극층 일면에 적층된 절연층;
을 더 포함하고,
상기 절연층은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 면상발열필름;
[화학식 1]
상기 화학식 1에 있어서, R1은 2가의 방향족 또는 지방족 유기기, R2는 2가의 방향족 또는 지방족 유기기이고, n는 3 ~ 1000의 정수이다.
- 제15항에 있어서,
상기 전극층의 두께는 50 ~ 70㎛이고,
상기 전극층은 Al, Cu 및 Ni 중 1종 이상을 포함하는 전도성 테이프인 것을 특징으로 하는 면상발열필름.
- 제15항에 있어서,
상기 전극층의 두께는 4 ~ 30㎛이고,
상기 전극층은 Ni로 형성되거나 또는 Cu도금층 일면에 Ni이 도금되어 형성된 것을 특징으로 하는 면상발열필름.
- 제17항에 있어서,
상기 면상발열필름의 발열 온도는 80 ~ 150℃, 전기저항은 1 ~ 12 Ω, 온도상승률은 20 ~ 30℃/sec, 온도냉각률은 3 ~ 10℃/sec인 것을 특징으로 하는 면상발열필름.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020170079124A KR101931084B1 (ko) | 2017-06-22 | 2017-06-22 | 면상발열필름 및 이의 제조방법 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005317524A (ja) * | 2004-03-30 | 2005-11-10 | Toray Ind Inc | 面状発熱体 |
-
2017
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