KR101931254B1 - 탄소 함유형 면상발열 구조체 - Google Patents

탄소 함유형 면상발열 구조체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소 함유형 면상발열 구조체에 관한 것으로, 탄소 함유형 면상발열 구조체는 폴리이미드(Polyimide, PI) 재질로 마련되는 베이스 필름; 상기 베이스 필름의 길이 방향을 따라 일면에 위치하되, 상기 베이스 필름의 너비 방향을 기준으로 하여 중앙부에 탄소 소재의 제1발열 페이스트층을 형성하는 탄소발열부; 및 상기 베이스 필름의 길이 방향을 따라 일면에 위치하되, 상기 제1발열 페이스트층의 양 단부의 일부 영역과 겹치도록 탄소 소재의 제2발열 페이스트층을 형성하고, 전원과 연결되는 한 쌍의 전극부;를 포함하고, 상기 탄소발열부는 상기 한 쌍의 전극부 각각의 표면저항값 보다 큰 표면저항값을 가지며, 그로 인해 200℃ 이상의 고온 환경에서도 안정적인 내열성을 유지할 수 있고, 면상발열체 표면에 형성되는 발열부분과 전원인가 부분 간의 분균일한 발열 성능의 편차를 해소하여, 면 전체적으로 균일한 발열 성능을 발현할 뿐만 아니라 제조단가를 절감하는 기술을 제공한다.
본 발명에 의하면, 면상발열체의 내열성 및 발열 성능이 향상되고, 제조 단가가 절감되는 효과가 있다.

Description

탄소 함유형 면상발열 구조체{PLANAR HEATER STRUCTURE CONTAINING CARBON}
본 발명은 탄소 함유형 면상발열 구조체에 관한 것이다.
최근, 그래파이트(Graphite), 탄소나노튜브(CNT, Carbon Nanotube), 그래핀(Graphine), 풀러렌(Fullerene) 등과 같이 나노탄소(Nano-sized Carbon) 기반의 발열성 충진 재료에 관한 각종 연구가 진행됨에 따라, 특정 기재면 상에 액상 박막을 코팅한 고효율 면상발열체의 개발 또한 활발히 진행되고 있는 추세이다.
이러한 면상발열체의 경우, 바닥 난방 분야, 건조 혹은 가열 혹은 동결방지 장치, 방한용 장비 혹은 설비 분야를 비롯해 더 나아가 전기밥솥과 같은 가전제품에도 폭넓게 널리 이용되고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-0574721호(이하, '종래기술'이라 함)에는 고온 면상발열체에 관한 기술이 제시된 바 있으며, 종래기술은 면상발열지의 표면에 실버페이스트를 인쇄시키는 특징을 가지고 있었다.
그리고, 종래의 전기밥솥과 같은 가전제품 내의 특정 구조체를 발열대상으로 하는 면상발열체의 경우, 바인딩 성분으로서의 고분자 수지 재료와 발열 성분으로서의 나노탄소 기반의 발열성 충진 재료를 포함하는 페이스트를 이용해 발열기능을 제공하는 코팅박막을 형성하고, 은(sliver, Ag)과 같은 금속 페이스트를 이용해 전원으로부터의 전기인가 기능을 제공하는 코팅박막을 형성하여 면상발열체를 이루는 방식으로 구현되어 왔다.
하지만, 은과 같은 금속 페이스트를 이용해 전기인가 기능을 제공하는 코팅박막은 200℃ 이상의 고온 환경에서의 구조적 안정성이 확보되지 않아 도1에 도시된 바와 같이, 취약한 내열성으로 인해 전극부가 손상되거나 변형되는 문제가 발생하였으며, 고가의 은을 이용한 금속 페이스트는 전체 면상발열체의 생산 단가를 상승시키는 결과를 초래하였다.
특히, 발열 대상이 200℃ 이상의 고온 환경에 빈번히 노출될 수 밖에 없는 전기 밥솥의 내솥과 같은 부품은 면상발열체의 구조상 발열이 이루어지는 모든 부분에서 안정적인 내열성을 갖춰야만 적용이 가능하다.
한편, 은과 같은 금속 페이스트를 이용하는 기존의 면상발열체는 나노탄소 기반의 발열성 충진 재료를 포함하는 페이스트를 이용해 발열기능을 제공하는 코팅박막과 은과 같은 금속 페이스트를 이용해 전원으로부터의 전기인가 기능을 제공하는 코팅박막 간의 발열 온도의 편차가 형성되어 발열이 면상발열체의 전 영역에 균일하게 이루어지지 못하는 문제점이 있었다.
따라서, 200℃ 이상의 고온 환경에서도 내열성이 뛰어나며, 면상발열체의 제조 단가를 절감하고, 발열 온도의 편차를 개선하여 발열 성능을 향상시킬 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 200℃ 이상의 고온 환경에서도 안정적인 내열성을 유지할 수 있고, 면상발열체 표면에 형성되는 발열부분과 전원인가 부분 간의 분균일한 발열 성능의 편차를 해소하여, 면 전체적으로 균일한 발열 성능을 발현할 뿐만 아니라 제조단가를 절감하는 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 전술한 과제로 제한되지 아니하며, 언급되지 아니한 또 다른 기술적 과제들은 후술할 내용으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 태양으로 탄소 함유형 면상발열 구조체는 폴리이미드(Polyimide, PI) 재질로 마련되는 베이스 필름; 상기 베이스 필름의 길이 방향을 따라 일면에 위치하되, 상기 베이스 필름의 너비 방향을 기준으로 하여 중앙부에 탄소 소재의 제1발열 페이스트층을 형성하는 탄소발열부; 및 상기 베이스 필름의 길이 방향을 따라 일면에 위치하되, 상기 제1발열 페이스트층의 양 단부의 일부 영역과 겹치도록 탄소 소재의 제2발열 페이스트층을 형성하고, 전원과 연결되는 한 쌍의 전극부;를 포함하고, 상기 탄소발열부는 상기 한 쌍의 전극부 각각의 표면저항값 보다 큰 표면저항값을 갖도록 마련될 수 있다.
그리고, 제1발열 페이스트층 및 제2발열 페이스트층은 발열 페이스트 조성물이 각각 코팅되어 형성되고, 상기 제1발열 페이스트층을 형성하는 발열 페이스트 조성물(이하, '제1발열 페이스트 조성물') 내의 탄소 재료의 함량은 상기 제2발열 페이스트층을 형성하는 발열 페이스트 조성물(이하, '제2발열 페이스트 조성물') 내의 탄소 재료의 함량에 비해 적게 마련될 수 있다.
또한, 제1발열 페이스트 조성물은 바인더 50~70 중량%; 및 탄소 재료 30~50 중량%;를 포함할 수 있다.
여기서, 탄소 재료는 그래파이트(graphite) 96~98 중량%; 및 탄소 나노 튜브(carbon nano tube) 2~4 중량%;를 포함할 수 있다.
그리고, 제2발열 페이스트 조성물은 바인더 30~50 중량%; 및 탄소 재료 50~70 중량%;를 포함할 수 있다.
아울러, 탄소 재료는 그래파이트 98~99 중량%; 및 탄소 나노 튜브 1~2 중량%를 포함할 수 있다.
또한, 바인더는 액상의 폴리이미드 수지로 마련될 수 있다.
한편, 제1발열 페이스트 조성물과 상기 제2발열 페이스트 조성물 간의 탄소 재료의 함량 차이는 20~40 중량%로 마련될 수 있다.
그리고, 탄소 함유형 면상발열 구조체는, 폴리이미드 재질로 마련되며, 상기 탄소발열부 및 한 쌍의 전극부의 일면에 부착되는 절연성 코팅 필름;을 더 포함할 수 있다.
또한, 탄소 함유형 면상발열 구조체는, 알루미늄 재질로 마련되며, 상기 코팅 필름의 일면에 부착되어 상기 탄소발열부 및 한 쌍의 전극부로부터 발현되는 열에너지가 상기 베이스 필름 측으로 전달되도록 하는 단열 필름;을 더 포함할 수 있다.
아울러, 탄소 함유형 면상발열 구조체는, 열전도성 재질로 마련되어 발열 대상 외주면에 부착되는 기판; 및 상기 기판 및 베이스 필름의 사이에 위치하고, 양면에 점착면을 구비하여 상기 베이스 필름의 타면과 상기 기판의 일면이 부착되어 상호 결합되도록 하는 부착 필름;을 더 포함할 수 있다.
상술한 과제의 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본 발명을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 전원과 연결되어 탄소발열부에 전기에너지를 전달하고, 탄소재료 기반의 저항 수준에 의해 발열이 이루어지도록 하는 한 쌍의 전극부가 액상의 폴리이미드 수지 및 탄소 소재의 제2발열 페이스트를 이용한 코팅박막 형태로 마련됨에 따라, 200℃ 이상의 고온 환경에서 안정적인 내열성을 갖추어 고온 환경에서 전극부가 손상되거나 변형되는 문제를 해결할 수 있다.
둘째, 각 발열 페이스트층을 형성하는 제1발열 페이스트 조성물과 제2발열 페이스트 조성물은 액상의 폴리이미드 수지 및 탄소 재료를 포함하되, 둘 간의 탄소재료의 함량은 제1발열 페이스트 조성물이 제2발열 페이스트 조성불에 비해 적게 마련될 수 있다.
이러한 탄소 재료의 함량 차이로 인해 탄소발열부는 한 쌍의 전극부에 비해 더욱 큰 저항 수준을 갖춤으로써, 면상발열 구조체 표면상에 전체적으로 균일하게 발열이 이루어질 수 있으므로 발열 온도 편차가 줄어들고 발열 성능이 향상되는 효과가 있다.
셋째, 한 쌍의 전극부에는 은 페이스트가 사용되지 않아 전체 면상발열체 생산에 소요되는 제조 단가의 절감이 가능하다.
넷째, 베이스 필름 및 코팅 필름을 형성하는 재질 성분이 폴리이미드로 마련되므로 면상발열체가 200℃ 이상의 고온 환경에서도 안정적인 내열성을 갖는다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도1은 은 페이스트를 이용해 제조한 종래의 면상발열체가 200℃ 이상으로 발열시 변형된 모습을 촬영한 것이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열 구조체의 적층구조를 도시한 측면도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열 구조체의 베이스 필름 상에 층을 형성한 탄소발열부와 한 쌍의 전극부의 구조를 도시한 상부도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열 구조체를 특정 발열 대상에 적용시킨 하나의 실시형태를 도시한 분해사시도이다.
도5는 종래의 면상발열 구조체의 발열 성능을 확인하기 위해 종래의 면상발열 구조체의 발열 중인 모습을 열화상 카메라로 촬영한 사진이다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열 구조체의 발열 성능을 확인하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열 구조체의 발열 중인 모습을 열화상 카메라로 촬영한 사진이다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열 구조체를 구성하는 발열 페이스트 내 탄소 함량 변화에 따른 면저항 크기 변화를 나타내는 그래프이다.
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열 구조체와 비교예의 발열 중인 모습을 열화상 카메라로 촬영한 사진이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지되어진 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 함유형 면상발열 구조체에 대하여 도2 내지 도8에 도시된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 함유형 면상발열 구조체는 전기밥솥의 내솥과 같은 특정 발열 대상과 결합하여, 전기에너지의 인가에 기초하여 발생하는 저항열을 발열 대상에 제공하기 위한 구조체로 사용될 수 있다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열 구조체의 적층구조를 도시한 측면도이다. 도2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 함유형 면상발열 구조체는 베이스 필름(110), 탄소발열부(120), 한 쌍의 전극부(130), 코팅 필름(140), 단열 필름(150), 기판(160) 및 부착 필름(170)을 포함할 수 있다.
베이스 필름(110)은 폴리이미드(Polyimide, PI) 재질로 마련되는 필름 형태의 기재이다. 즉, 베이스 필름(110)은 탄소발열부(120)와 한 쌍의 전극부(130)가 스크린 프린팅 방식을 통해 베이스 필름(110)의 일면에 도포되어 층을 형성하기 위해 마련되는 기재 필름이다.
탄소발열부(120)는 베이스 필름(110)의 길이 방향을 따라 일면에 위치하되, 베이스 필름(110)의 너비 방향을 기준으로 하여 너비 방향의 중앙부에 탄소 소재의 제1발열 페이스트층을 형성할 수 있다.
일 실시예에서 탄소발열부(120)는 전극부(130)로부터 공급받은 전기에너지를 열에너지로 전환시키는 저항체로서 적용될 수 있다. 제1발열 페이스트층은 제1발열 페이스트 조성물이 베이스 필름(110)의 일면에 코팅되어 형성될 수 있다.
여기서, 제1발열 페이스트 조성물은 바인더 및 탄소 재료를 포함할 수 있으며, 일 실시예에서 바인더는 액상의 폴리이미드 수지로 적용될 수 있다.
구체적으로, 폴리이미드 수지는 폴리이미드 고형분 및 잔부의 유기용제로 구성된 액상의 폴리이미드 수지로 적용될 수 있다.
이때, 폴리이미드 고형분은 5~20 중량%으로 적용될 수 있으며, 만일 폴리이미드 고형분의 함량이 5 중량% 미만일 경우에는 내열성이 떨어지고, 20 중량%를 초과할 경우에는 내열성은 좋으나 액상 수지의 점도가 상승하여 제1발열 페이스트 조성물의 코팅시 작업성이 저하될 수 있으므로 전술한 범위 이내에서 적용되는 것이 바람직하다.
유기용제는 액상의 폴리이미드 수지 내에서 폴리이미드 고형분을 제외한 나머지 잔량으로 마련될 수 있다. 즉, 전체 폴리이미드 수지 조성물에서 폴리이미드 고형분 함량이 5~20 중량%가 되도록 유기용제의 양을 조절할 수 있다.
예를 들어, 폴리이미드 수지 전체를 100 중량%라고 할 때, 수지 내에서 폴리이미드 고형분의 함량은 5~20 중량%이고, 유기용제가 나머지 함량(구체적으로는 80~95 중량%)으로 포함될 수 있다.
유기용제는 디메틸포름아미드(DMF, N,N,-Dimethylformamide), 메틸피롤리디논(NMP, 1-Methyl-2-pyrrolidinone) 및 디메틸아세트아미드(DMAc, N,N-Dimethylacetamide) 중 적어도 어느 하나로 적용될 수 있으나, 이에 국한되지 않는다.
일 실시예에서 탄소 재료는 그래파이트(graphite) 및 탄소 나노 튜브(carbon nano tube, CNT)의 혼합물로 적용될 수 있다.
면상발열체(100)의 길이가 신장될 때, 판형으로 형성된 그래파이트는 다수의 파단면이 발생할 수 있고, 그로 인해 저항이 증가하여 전류의 흐름이 약해질 수 있다. 탄소 나노 튜브는 그래파이트의 파단면 사이를 연결할 수 있으므로 전류의 흐름이 원활하게 유지되며 발열 성능을 일정하게 유지하는 측면에서 신축성이 우수한 탄소 나노 튜브를 그래파이트와 함께 적용하는 것이 바람직하다.
일 실시예의 탄소 재료에 포함되는 탄소 나노 튜브는 단일벽 탄소 나노 튜브(Single wall Carbon nano tube), 이중벽 탄소 나노 튜브(Double wall Carbon nano tube), 다중벽 탄소 나노 튜브(Multi wall Carbon nano tube) 및 얇은 다중벽 탄소 나노 튜브(Thin Multi wall Carbon nano tube) 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 마련될 수 있다.
또한, 탄소 재료는 전술한 그래파이트 및 탄소 나노 튜브 외에도 나노 탄소를 기본 단위체로 하여 저항을 형성할 수 있는 풀러렌(Fullerene), 카본 블랙(Carbon Black), 탄소섬유(Carbon fiber) 등이 포함될 수 있으나, 이에 국한되지 않는다. 탄소 재료는 후술할 탄소발열부(120) 및 한 쌍의 전극부(130) 상에 균일한 발열 성능을 제공할 수 있다.
일 실시예에서 제1발열 페이스트 조성물은 바인더 50~70 중량%를 포함할 수 있다. 만일, 바인더가 50 중량% 미만일 경우에는 부착성이 저하되어 베이스 필름(110) 상에 제1발열 페이스트층을 형성하기가 어렵고, 바인더가 70 중량%를 초과할 경우에는 전도성 물질인 탄소 재료의 함량 대비 바인더 함량이 높아져서 탄소발열부(120)의 발열 특성이 저하될 우려가 있으므로 전술한 범위 이내에서 적용되는 것이 바람직하다.
일 실시예에서 제1발열 페이스트 조성물을 구성하는 바인더인 액상의 폴리이미드 수지 전체를 100 중량%라고 할 때, 전체 바인더 수지 내에서 유기용제는 80~95 중량%으로 포함될 수 있다. 만일, 유기용제의 함량이 80 중량% 미만일 경우에는 탄소 재료의 분산성이 떨어져 코팅 공정의 효율이 저하되고, 95 중량%를 초과할 경우에는 발열 특성이 저하될 수 있으므로 전술한 범위 이내에서 적용되는 것이 바람직하다.
또한, 일 실시예에 따른 제1발열 페이스트 조성물은 탄소 재료 30~50 중량%를 포함할 수 있다. 만일, 제1발열 페이스트 조성물 100 중량% 내에서 탄소 재료가 30 중량% 미만일 경우에는 탄소발열부(120)의 발열 특성이 저하될 우려가 있고, 50 중량%를 초과할 경우에는 제1발열 페이스트 조성물 내에서 탄소 재료의 분산성이 감소되고 제1발열 페이스트 조성물의 점도가 상승하여 작업성이 현저하게 저하될 우려가 있으므로 전술한 범위 이내에서 적용되는 것이 바람직하다.
아울러, 일 실시예에 따른 탄소 재료는 탄소 재료 100 중량%를 기준으로, 그래파이트 96~98 중량% 및 탄소 나노 튜브 2~4 중량%로 적용될 수 있다.
만일, 그래파이트 함량이 96 중량% 미만일 경우에는 면상발열체(100)의 유연성과 신축성이 저하되거나 페이스트(paste) 조성물로 형성되기가 어려워 베이스 필름(110)에 프린팅하기 까다롭고, 98 중량%를 초과할 경우에는 탄소 재료 총량에서 탄소 나노 튜브의 양이 상대적으로 줄어들기 때문에 발열 성능이 저하될 수 있으므로 전술한 범위 이내에서 적용되는 것이 바람직하다.
아울러, 탄소 나노 튜브의 함량이 2 중량% 미만일 경우에는 면상발열체(100)의 길이가 신장되어 그래파이트의 파단면이 발생해도 그래파이트의 파단면들을 제대로 연결시키기가 제한적이며, 4 중량%를 초과할 경우에는 제조 단가가 상승하고, 페이스트 조성물로 형성되기가 어려워 코팅 공정상 작업성이 저하될 수 있으므로 전술한 범위 이내에서 실시되는 것이 바람직하다.
한편, 한 쌍의 전극부(130)는 베이스 필름(110)의 길이 방향을 따라 일면에 위치하되, 제1발열 페이스트층의 양 단부의 일부 영역과 겹치는 탄소 소재의 제2발열 페이스트층에 의해 코팅박막 형태로 형성된다. 전극부(130)의 타측에는 전력을 공급하는 전원(미도시)과 연결될 수 있다.
한 쌍의 전극부(130)는 제1발열 페이스트층 및 전원과 연결되므로 전원부로부터 공급받은 전력을 제1발열 페이스트로 전달할 수 있다. 제2발열 페이스트층은 제2발열 페이스트 조성물이 베이스 필름(110)의 일면에 코팅되어 형성될 수 있다.
일 실시예에서 탄소발열부(120)는 한 쌍의 전극부(130)가 갖는 각각의 표면저항값 보다 상대적으로 큰 표면저항값을 갖도록 적용될 수 있으며, 이러한 표면저항값의 차이는 발열 페이스트 조성물 내의 탄소 재료의 함량을 차등적으로 설정함으로써 구현될 수 있다.
즉, 제1발열 페이스트 조성물 내의 탄소 재료의 함량이 제2발열 페이스트 조성물 내의 탄소 재료의 함량에 비해 적게 마련되도록 설정하여 표면저항값의 차이를 구현할 수 있다.
보다 구체적으로, 일 실시예에서 제1발열 페이스트 조성물과 제2발열 페이스트 조성물 간의 탄소 재료의 함량 차이는 20~40 중량%로 설정할 수 있다.
즉, 제2발열 페이스트 조성물 내의 탄소 재료 함량에서 제1발열 페이스트 조성물 내의 탄소 재료 함량을 뺄 때, 도출된 계산값이 20 중량% 미만일 경우에는 탄소발열부(120) 및 전극부(130) 간의 표면저항값의 차이가 크지 않아서 면상발열체(100)의 영역별로 발열 온도의 편차가 발생할 우려가 있고, 도출된 계산값이 40 중량%를 초과할 경우에는 탄소발열부(120)의 표면저항값이 너무 커져서 탄소발열부(120)의 과열로 인한 손상이 올 수 있고, 전극부(130)의 소비전력이 증가할 우려가 있으므로 전술한 범위 이내에서 구현되는 것이 바람직하다.
한편, 일 실시예에서 제2발열 페이스트 조성물은 바인더, 유기용제 및 탄소 재료를 포함할 수 있으며, 제1발열 페이스트 조성물에서 언급된 내용과 중복되는 내용은 생략하기로 한다.
일 실시예에서 제2발열 페이스트 조성물은 바인더 30~50 중량%를 포함할 수 있다. 바인더가 30 중량% 미만일 경우에는 부착성이 저하되어 베이스 필름(110) 상에 제2발열 페이스트층을 형성하기가 어렵고, 바인더가 50 중량%를 초과할 경우에는 전도성 물질인 탄소 재료의 함량 대비 바인더 함량이 높아져서 전극부(130)의 전도성이 저하될 우려가 있으므로 전술한 범위 이내에서 적용되는 것이 바람직하다.
일 실시예에서 제2발열 페이스트 조성물을 구성하는 바인더인 액상의 폴리이미드 수지 전체를 100 중량%라고 할 때, 전체 바인더 수지 내에서 유기용제는 80~95 중량%으로 포함될 수 있다. 만일, 유기용제의 함량이 80 중량% 미만일 경우에는 탄소 재료의 분산성이 떨어져 코팅 공정의 효율이 저하되고, 95 중량%를 초과할 경우에는 전극부(130)의 전도성이 저하될 수 있으므로 전술한 범위 이내에서 적용되는 것이 바람직하다.
아울러, 일 실시예에 따른 제2발열 페이스트 조성물은 탄소 재료 50~70 중량%를 포함할 수 있다. 만일, 제2발열 페이스트 조성물 100 중량% 내에서 탄소 재료가 50 중량% 미만일 경우에는 전극부(130)의 전도성이 저하될 우려가 있고, 70 중량%를 초과할 경우에는 전극부(130)의 표면저항값이 작아져 소비전력이 높아질 우려가 있으므로 전술한 범위 이내에서 적용되는 것이 바람직하다.
또한, 일 실시예에 따른 탄소 재료는 탄소 재료 100 중량%를 기준으로, 그래파이트 98~99 중량% 및 탄소 나노 튜브 1~2 중량%로 적용될 수 있다.
만일, 그래파이트 함량이 98 중량% 미만일 경우에는 면상발열체(100)의 유연성과 신축성이 저하되거나 페이스트(paste) 조성물로 형성되기가 어려워 베이스 필름(110)에 프린팅하기 까다롭고, 99 중량%를 초과할 경우에는 탄소 재료 총량에서 탄소 나노 튜브의 양이 상대적으로 줄어들기 때문에 전극부(130)의 전도성이 저하될 수 있으므로 전술한 범위 이내에서 적용되는 것이 바람직하다.
아울러, 탄소 나노 튜브의 함량이 1 중량% 미만일 경우에는 면상발열체(100)의 길이가 신장되어 그래파이트의 파단면이 발생해도 그래파이트의 파단면들을 제대로 연결시키기가 제한적이며, 2 중량%를 초과할 경우에는 제조 단가가 상승하고, 페이스트 조성물로 형성되기가 어려워 코팅 공정상 작업성이 저하될 수 있으므로 전술한 범위 이내에서 실시되는 것이 바람직하다.
코팅 필름(140)은 폴리이미드 재질로 마련되며, 탄소발열부(120) 및 한 쌍의 전극부(130)의 일면에 부착되는 절연성 코팅 필름(140)이다. 즉, 코팅 필름(140)은 베이스 필름(110)의 일측 상면에 도포되어 발열 페이스트 층을 형성한 탄소발열부(120)와 한 쌍의 전극부(130)를 보호하기 위한 구성으로 적용될 수 있다.
단열 필름(150)은 알루미늄 재질로 마련되며, 코팅 필름(140)의 일면에 부착되어 탄소발열부(120) 및 한 쌍의 전극부(130)로부터 발현되는 열에너지가 베이스 필름(110) 측으로 전달되도록 단열성을 제공할 수 있다.
즉, 단열 필름(150)은 면상발열 구조체의 외측방향이 아닌 면상발열 구조체가 적용될 발열 대상(H)측으로 열이 전달되도록 단열성을 제공할 수 있다.
여기서, 단열 필름(150)은 직접적인 발열 성능을 제공하는 탄소발열부(120) 및 한 쌍의 전극부(130)의 전체 너비와 동일하게 마련되어 발열 대상(H)측으로의 열전달 효율을 증대시키는 것이 바람직하다.
기판(160)은 열전도성 재질로 마련되어 발열 대상(H) 외주면에 부착될 수 있고, 전기밥솥의 내솥과 같은 발열 대상(H)의 외주면 상에 적용되기 위해 열전도성이 우수한 재질로 마련될 수 있다. 일 예로, 기판(160)의 재질은 스테인리스 스틸로 적용될 수 있다.
부착 필름(170)은 기판(160) 및 베이스 필름(110)의 사이에 위치하고, 양면에 점착면을 구비하여 베이스 필름(110)의 타면과 기판(160)의 일면이 부착되어 상호 결합되도록 한다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열 구조체의 베이스 필름(110) 상에 층을 형성한 탄소발열부(120)와 한 쌍의 전극부(130)의 구조를 도시한 상부도이다. 도3을 참조하면, 베이스 필름(110)의 너비 방향의 중앙부에 탄소발열부(120)가 위치하되, 베이스 필름(110)의 길이 방향을 따라 탄소발열부(120)가 형성될 수 있다.
또한, 베이스 필름(110)의 길이 방향을 따라 한 쌍의 전극부(130)가 위치하되, 한 쌍의 전극부(130)의 일부 영역은 탄소발열부(120)의 양 단부의 일부 영역과 겹쳐지도록 형성될 수 있다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열 구조체를 특정 발열 대상(H)에 적용시킨 하나의 실시형태를 도시한 사시도이다. 도4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열 구조체는 특정 발열 대상(H)(예를 들어, 전기밥솥의 내솥)의 외주면에 결합되어 발열 대상(H)에 소정의 열을 공급할 수 있다.
도5는 종래의 면상발열 구조체의 발열 성능을 확인하기 위해 종래의 면상발열 구조체의 발열 중인 모습을 열화상 카메라로 촬영한 사진이다. 도5의 종래의 면상발열 구조체(10)는 은 페이스트 조성물을 베이스 필름에 코팅하여 한 쌍의 전극부(12)를 구현한 것으로, 탄소발열부(11)의 온도가 각 전극부(12)의 발열 온도에 비해 높아 발열 온도의 편차가 발생함을 확인할 수 있다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열 구조체를 구성하는 발열 페이스트 내 탄소 함량 변화에 따른 면저항 크기 변화를 나타내는 그래프이다. 도7을 참조하면, 면상발열 구조체 내에 포함된 탄소 함량이 많아질수록 면저항 수치가 낮아짐을 확인할 수 있다.
또한, 도7에서는 면상발열 구조체의 탄소 함량을 38%~49%까지 차등적으로 설정하여 면저항 크기를 측정한 결과, 47%인 샘플을 기점(HP)으로 급격하게 면저항 수치가 낮아짐을 알 수 있다.
따라서, 도7의 실험 결과를 통해 면상발열 구조체의 탄소 함량을 조절함으로써 면상발열체(100)의 저항값을 용이하게 조절할 수 있고, 그로 인해 발열 온도의 조절이 가능함을 알 수 있다.
이하에서는 탄소 함유형 면상발열 구조체의 구체적인 실시예 및 비교예를 통해 보다 상세하게 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 하나의 예시에 불과하므로 본 발명의 권리범위가 이에 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
1. 실시예 및 비교예의 준비
하기 [표 1]에 기재된 함량대로 실시예 및 비교예를 준비하였다. 실시예 및 비교예는 [표 1]의 조성에 따라 혼합하였다. 혼합물은 분산용 임펠러로 교반하고, 3롤밀(3 roll mill)을 이용하여 밀링함으로써 각 실시예 및 비교예별로 제1발열 페이스트 조성물과 제2발열 페이스트 조성물을 완성하였다.
하기 표1에서 각 수치 단위는 그램(g)이고, 제1발열 페이스트 조성물 내의 바인더 및 탄소 재료는 각각 제1바인더, 제1탄소재료라 표기하고, 제2발열 페이스트 조성물 내의 바인더 및 탄소 재료는 제2바인더, 제2탄소재료라고 표기하였다.
실시예 비교예
제1바인더 70(폴리이미드 고형분 11, 유기용제 59) 50(폴리이미드 고형분 8, 유기용제 42)
제1탄소재료 30(그래파이트 29, 탄소나노튜브 1) 50(그래파이트 49, 탄소나노튜브 1)
제2바인더 30(폴리이미드 고형분 4.8, 유기용제 25.2) 55(폴리이미드 고형분 8.8, 유기용제 46.2)
제2탄소재료 70(그래파이트 69, 탄소나노튜브 1) 45(그래파이트 44, 탄소나노튜브 1)
2. 면상발열체의 특성 평가
실시예 및 비교예에 따른 각 발열 페이스트 조성물을 3x70cm의 크기로 베이스 필름 위에 스크린 인쇄 및 경화하여 제1발열 페이스트층 및 제2발열 페이스트층을 구현하였고, 발열 페이스트층이 구현된 베이스 필름에 코팅 필름, 단열 필름, 기판, 부착 필름을 결합하여 면상발열체 샘플을 제조하였다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열 구조체의 발열 성능을 확인하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열 구조체의 발열 중인 모습을 열화상 카메라로 촬영한 사진이다. 도6을 참조하면, 실시예에 의해 제조된 면상발열 구조체는 전극부(130) 및 탄소발열부(120)의 발열 온도가 균일하게 구현되고 있음을 확인할 수 있다.
도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열 구조체와 비교예의 발열 중인 모습을 열화상 카메라로 촬영한 사진이다. 도8을 참조하면, 도8의 (a)는 실시예의 면상발열 구조체이며, 도8의 (b)는 비교예의 면상발열 구조체이다.
도8의 (a)는 전극부(130)의 탄소 재료의 함량이 탄소발열부(120)보다 많은 면상발열 구조체이고, 도8의 (b)는 전극부(20)의 탄소 재료 함량이 탄소발열부(30)보다 적은 면상발열 구조체이다. 전술한 표1의 실시예 및 비교예의 탄소 함량을 참조하면, 실시예는 전극부(130)의 탄소 재료 함량이 탄소발열부(120)보다 40g이 더 많고, 비교예는 탄소발열부(30)의 탄소 재료 함량이 전극부(20)보다 5g이 많은 것을 알 수 있다.
즉, 도8의 열화상 이미지 촬영 결과를 통해서 한 쌍의 전극부(130)의 표면저항값보다 탄소발열부(120)의 표면저항값이 더 크고, 제1발열 페이스트 조성물과 제2발열 페이스트 조성물 간의 탄소 재료의 함량 차이가 20~40 중량%일 경우에 발열 온도의 편차가 적고, 면상발열체(100)의 전 영역에 고른 발열 성능을 발휘함을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명은 베이스 필름(110), 코팅 필름(140), 탄소발열부(120) 및 한 쌍의 전극부(130)가 폴리이미드 수지로 마련됨에 따라, 면상발열체(100)가 200℃ 이상의 고온 환경에서도 안정적인 내열성을 갖추며, 고온 환경에서 전극부(130)가 손상되거나 변형되는 문제를 방지하는 효과가 있다.
또한, 각 발열 페이스트층을 형성하는 제1발열 페이스트 조성물과 제2발열 페이스트 조성물의 탄소 재료의 함량 차이로 인해 탄소발열부(120)는 한 쌍의 전극부(130)에 비해 더욱 큰 저항 수준을 갖춤으로써, 면상발열 구조체 표면상에 전체적으로 균일하게 발열이 이루어질 수 있으므로 발열 온도 편차가 줄어들고 발열 성능이 향상되는 효과가 있다.
더욱이, 한 쌍의 전극부(130)에는 은 페이스트가 사용되지 않아 전체 면상발열체(100) 생산에 소요되는 제조 단가의 절감이 가능하다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 균등개념으로 이해되어져야 할 것이다.
10 : 종래의 면상발열체
11 : 탄소발열부
12 : 전극부
20 : 비교예의 전극부
30 : 비교예의 탄소발열부
100 : 면상발열체
110 : 베이스 필름
120 : 탄소발열부
130 : 전극부
140 : 코팅 필름
150 : 단열 필름
160 : 기판
170 : 부착 필름
H : 발열 대상

Claims (11)

  1. 폴리이미드(Polyimide, PI) 재질로 마련되는 베이스 필름;
    상기 베이스 필름의 길이 방향을 따라 일면에 위치하되, 상기 베이스 필름의 너비 방향을 기준으로 하여 중앙부에 탄소 소재의 제1발열 페이스트층을 형성하는 탄소발열부; 및
    상기 베이스 필름의 길이 방향을 따라 일면에 위치하되, 상기 제1발열 페이스트층의 양 단부의 일부 영역과 겹치는 탄소 소재의 제2발열 페이스트층에 의해 코팅박막 형태로 형성된 한 쌍의 전극부;를 포함하고,
    상기 탄소발열부는 상기 한 쌍의 전극부 각각의 표면저항값 보다 큰 표면저항값을 가지며,
    상기 제1발열 페이스트층 및 제2발열 페이스트층은 발열 페이스트 조성물이 각각 코팅되어 형성되고,
    상기 제1발열 페이스트층을 형성하는 발열 페이스트 조성물(이하, '제1발열 페이스트 조성물') 내의 탄소 재료의 함량은 상기 제2발열 페이스트층을 형성하는 발열 페이스트 조성물(이하, '제2발열 페이스트 조성물') 내의 탄소 재료의 함량에 비해 적게 마련되며,
    상기 제1발열 페이스트 조성물과 상기 제2발열 페이스트 조성물 간의 탄소 재료의 함량 차이는 20~40 중량%이고,
    상기 제1발열 페이스트 조성물은
    바인더 50~70 중량%; 및
    탄소 재료 30~50 중량%;를 포함하고,
    상기 제2발열 페이스트 조성물은
    바인더 30~50 중량%; 및
    탄소 재료 50~70 중량%;를 포함하는 것을 특징으로 하는
    탄소 함유형 면상발열 구조체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1발열 페이스트 조성물의 탄소 재료는
    그래파이트(graphite) 96~98 중량%; 및
    탄소 나노 튜브(carbon nano tube) 2~4 중량%;를 포함하는 것을 특징으로 하는
    탄소 함유형 면상발열 구조체.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2발열 페이스트 조성물의 상기 탄소 재료는
    그래파이트 98~99 중량%; 및
    탄소 나노 튜브 1~2 중량%;를 포함하는 것을 특징으로 하는
    탄소 함유형 면상발열 구조체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 바인더는 액상의 폴리이미드 수지로 마련되는 것을 특징으로 하는
    탄소 함유형 면상발열 구조체.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 함유형 면상발열 구조체는,
    폴리이미드 재질로 마련되며, 상기 탄소발열부 및 한 쌍의 전극부의 일면에 부착되는 절연성 코팅 필름;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    탄소 함유형 면상발열 구조체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 탄소 함유형 면상발열 구조체는,
    알루미늄 재질로 마련되며, 상기 코팅 필름의 일면에 부착되어 상기 탄소발열부 및 한 쌍의 전극부로부터 발현되는 열에너지가 상기 베이스 필름 측으로 전달되도록 하는 단열 필름;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    탄소 함유형 면상발열 구조체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 함유형 면상발열 구조체는,
    열전도성 재질로 마련되어 발열 대상 외주면에 부착되는 기판; 및
    상기 기판 및 베이스 필름의 사이에 위치하고, 양면에 점착면을 구비하여 상기 베이스 필름의 타면과 상기 기판의 일면이 부착되어 상호 결합되도록 하는 부착 필름;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    탄소 함유형 면상발열 구조체.
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