KR101963351B1 - 발열속도 및 발열균일성이 개선된 ptc 면상발열체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발열속도 및 발열균일성이 개선된 PTC 면상발열체에 관한 것이며, 면상발열체의 발열속도가 획기적으로 개선됨과 동시에, 면상발열필름의 일정 부분만 불균일하게 발열되는 국부적 발열의 문제 또한 획기적으로 개선된 면상발열체에 관한 것이다. 본 발명의 면상발열체는 하부베이스필름(10); 상기 하부베이스필름상에 적층구비되며, 전압의 인가에 따라 발열하는 면상발열필름(20); 상기 면상발열필름의 양단에 전기적으로 연결되도록 구비된 전극(30); 및 상기 면상발열필름상에 적층구비되며, 면상발열필름을 보호하는 보호필름(40);을 포함하며 정온특성 (PTC, Positive Temperature Coefficient)을 나타내는 면상발열체로서, 상기 면상발열필름은 카본블랙(carbon black); 주석(Sn); 산화주석(SnO2); 그래핀(graphene); 인상흑연 (graphite); 열가소성 우레탄수지; 및 희석 용제를 포함하고, 상기 주석은 상기 카본블랙 100중량당 50 내지 100중량의 비율로 포함되고, 상기 그래핀은 상기 카본블랙 100중량당 5 내지 20중량의 비율로 포함되어 면상발열체의 발열속도 및 발열균일성이 획기적으로 개선된 장점을 갖는다.
Description
본 발명은 발열속도 및 발열균일성이 개선된 PTC 면상발열체에 관한 것이며, 더욱 구체적으로 선상발열체에 비하여 발열속도가 상대적으로 느린 면상발열체의 발열속도가 획기적으로 개선됨과 동시에, 면상발열필름의 일정 부분만 불균일하게 발열되는 국부적 발열의 문제 또한 획기적으로 개선된 PTC 면상발열체에 관한 것이다.
종래 전도성 금속코일 등에 전압을 인가하고, 이러한 금속코일이 갖는 저항에 의하여 전하의 흐름이 방해받음에 따라 발생하는 열을 이용하여 발열하는 선상발열 방식은 발열체의 부분 파괴 등이 발생할 경우 전기적 흐름이 차단되어 더 이상 발열 현상이 발생하지 않게 되는 등의 문제점이 있었으며, 이러한 문제를 해결하기 위하여 최근에는 전도성 물질을 면상(plane type)으로 형성하고 면상 물질의 양극에 전극을 배치한 후, 이들 전극에 (+) 및 (-) 전압을 각각 인가하여 이러한 면상 물질을 전하가 통과할 때 발생하는 저항에 의하여 발열시키는 방식의 면상발열 기술이 개발되었다.
한편, 하기 특허문헌 1은 베이스필름과; 상기 베이스필름의 가로방향으로 소정간격으로 도포되는 카본층과; 상기 베이스필름 양측에 빗형상으로 실버베이스트를 도포하여 형성된 실버층과; 상기 카본층과 이격되게 실버층 위에 적층되는 구리박판과; 상기 베이스필름과 접착되어 상기 카본층, 실버층 및 구리박판을 마감하는 마감필름을 포함하되, 상기 빗형상의 실버층은 상기 카본층과 이격되어 베이스필름의 양단에 세로방향으로 형성된 빗대와, 상기 카본층과 접하도록 베이스 필름의 가로방향으로 소정간격 형성된 빗살로 구성된 것을 특징으로 하는 면상발열체를 개시하고 있으며, 하기 특허문헌 2는 피티씨(PTC, positive temperature coefficient) 소자의 제조방법에 있어서, a) 에틸렌부틸아크릴레이트 공중합체, 에틸렌비닐아세테이트 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 고분자수지 20 ~ 70 중량% , 평균입경이 70 ~ 300nm인 카본블랙 30 ~ 80 중량%, 및 산화방지제, UV안정제와 가교제에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물인 첨가제 0.1 ~ 3 중량%를 혼합하여 컴파운딩 조성물을 제조하는 단계; b) 상기 조성물 양면에 전극을 형성하는 단계; c) 상기 전극이 형성된 조성물을 0.2 ~ 3mm 두께의 시트로 형성하는 단계; d) 상기 시트에 5 ~ 320keV의 전자선을 조사하여 가교처리 함으로써, 피티씨 작동온도 60 내지 100℃에서 피티씨 세기가 104 이상인 피티씨 소자를 제조하는 단계; 및 e)상기 가교후 어닐링하는 단계를 포함하는 피티씨 소자의 제조방법을 개시하고 있다.
그러나, 이들 종래의 면상발열 기술은 여전히 느린 발열속도를 나타낼 뿐만 아니라 전체 면에서 일부분만 국부적으로 과열되는 현상이 발생하는 등의 문제점을 지니고 있었다.
따라서, 발열속도 및 전체면의 발열 균일성을 개선시킨 면상발열체의 개발이 절실히 요구되는 실정이다.
[특허문헌]
특허문헌 1: 대한민국 특허등록 제10-0747040호 (2007.08.07)
특허문헌 2: 대한민국 특허등록 제10-1129251호 (2012.03.26)
이에 본 발명에서는 상기 문제점을 해결하고자 발열속도 및 발열균일성이 개선된 면상발열필름이 적용된 면상발열체를 개발하였으며, 본 발명에 적용되는 면상발열필름이 카본블랙(carbon black); 주석(Sn); 산화주석(SnO2); 그래핀(graphene); 인상흑연 (graphite); 열가소성 우레탄수지; 및 희석 용제를 포함하고, 상기 주석은 상기 카본블랙 100중량당 50 내지 100중량의 비율로 포함되고, 상기 그래핀은 상기 카본블랙 100중량당 5 내지 20중량의 비율로 포함되도록 구성함으로써 면상발열체의 발열속도 및 발열균일성을 동시에 획기적으로 개선시킬 수 있음을 발견하였고, 본 발명은 이에 기초하여 완성되었다.
따라서, 본 발명의 하나의 관점은 발열속도 및 발열균일성이 동시에 획기적으로 개선된 면상발열필름이 적용된 면상발열체를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 PTC 면상발열체는 하부베이스필름; 상기 하부베이스필름상에 적층구비되며, 전압의 인가에 따라 발열하는 면상발열필름; 상기 면상발열필름의 양단에 전기적으로 연결되도록 구비된 전극; 및 상기 면상발열필름상에 적층구비되며, 면상발열필름을 보호하는 보호필름;을 포함하며 정온특성 (PTC, Positive Temperature Coefficient)을 나타내고 발열속도 및 발열균일성이 개선된 면상발열체로서, 상기 면상발열필름은 카본블랙(carbon black); 주석(Sn); 산화주석(SnO2); 그래핀(graphene); 인상흑연 (graphite); 열가소성 우레탄수지; 및 희석 용제를 포함하고, 상기 주석은 상기 카본블랙 100중량당 50 내지 100중량의 비율로 포함되고, 상기 그래핀은 상기 카본블랙 100중량당 5 내지 20중량의 비율로 포함된다.
본 발명의 다른 구현예에 따른 PTC 면상발열체에 있어서, 상기 주석 및 산화주석은 주석:산화주석이 1:0.1 내지 1: 0.3의 중량비로 포함되며, 상기 그래핀 및 인상흑연은 그래핀:인상흑연이 1:10 내지 1:15의 중량비로 포함될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따른 PTC 면상발열체에 있어서, 상기 면상발열필름은 1 내지 10㎛의 평균입경을 갖는 자수정 분쇄물; 및 1 내지 10㎛의 평균입경을 갖는 다이아몬드 분쇄물;을 더욱 포함하며, 상기 자수정 분쇄물은 주석 1중량당 1 내지 1.5중량의 비율로 포함되고, 상기 자수정 분쇄물:다이아몬드 분쇄물은 1:0.1 내지 1:0.3의 중량비로 포함된다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따른 PTC 면상발열체에 있어서, 상기 자수정 분쇄물 및 다이아몬드 분쇄물 각각의 표면에는 평균두께 30 내지 50㎚로 백금(platinum) 코팅층이 형성되고, 상기 백금 코팅층 상에는 평균두께 10 내지 30㎚로 그래핀 코팅층이 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따른 PTC 면상발열체에 있어서, 상기 면상발열필름은 1 내지 10㎛의 평균입경을 갖는 텅스텐 분말을 더욱 포함하며, 상기 텅스텐 분말은 주석 1중량당 0.1 내지 0.5중량의 비율로 포함될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따른 PTC 면상발열체에 있어서, 상기 텅스텐 분말의 표면에는 평균두께 40 내지 50㎚로 순도 99.99%의 순금(Au) 코팅층이 형성되고, 상기 순금 코팅층 상에는 평균두께 10 내지 20㎚로 순도 99.99%의 순은(Ag) 코팅층이 형성된다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따른 PTC 면상발열체에 있어서, 상기 면상발열필름은 1 내지 10㎛의 평균입경을 갖는 황토 분말을 더욱 포함하며, 상기 황토 분말은 주석 1중량당 0.1 내지 0.5중량의 비율로 포함될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따른 PTC 면상발열체에 있어서, 상기 면상발열필름은 20 내지 30㎛의 평균입경을 갖는 아연 분말을 더욱 포함하며, 상기 아연 분말은 주석 1중량당 0.5 내지 1중량의 비율로 포함될 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따른 PTC 면상발열체에 있어서, 상기 아연 분말의 표면에는 평균두께 10 내지 50㎚로 코발트메탈(cobaltmetal) 코팅층이 형성될 T수 있다.
본 발명에 따른 PTC 면상발열체는 면상발열체를 구성하는 면상발열필름의 발열속도가 획기적으로 개선됨과 동시에, 면상발열필름의 일정 부분만 불균일하게 발열되는 국부적 발열의 문제 또한 획기적으로 개선된 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 PTC 면상발열체의 단면 구조를 개략적으로 나타내는 그림이다.
도 2는 본 발명에 따른 PTC 면상발열체에 포함되는 면상발열필름(20)의 양단에 전극(30)이 연결된 것을 개념적으로 나타내는 그림이다.
도 3은 상기 자수정 분쇄물(100) 및 다이아몬드 분쇄물(200) 각각의 표면에 백금 코팅층(110, 210) 및 그래핀 코팅층(120, 220)이 형성된 입자를 개념적으로 설명하는 그림이다.
도 4는 본 발명의 조성물에 포함되는 상기 텅스텐 분말(300)의 표면에 순금 코팅층(310) 및 순은 코팅층(320)이 형성된 입자를 개념적으로 설명하는 그림이다.
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도 4는 본 발명의 조성물에 포함되는 상기 텅스텐 분말(300)의 표면에 순금 코팅층(310) 및 순은 코팅층(320)이 형성된 입자를 개념적으로 설명하는 그림이다.
본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하기 전에, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니되며, 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예의 구성은 본 발명의 바람직한 하나의 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다.
본 발명은 발열속도 및 발열균일성이 개선된 PTC 면상발열체에 관한 것이며, 더욱 구체적으로 선상발열체에 비하여 발열속도가 상대적으로 느린 면상발열체의 발열속도가 획기적으로 개선됨과 동시에, 면상발열필름의 일정 부분만 불균일하게 발열되는 국부적 발열의 문제 또한 획기적으로 개선된 면상발열필름이 적용된 PTC 면상발열체에 관한 것이다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 PTC 면상발열체는 도 1에 개념적으로 단면이 도시된 바와 같이, 하부베이스필름(10); 상기 하부베이스필름상에 적층구비되며, 전압의 인가에 따라 발열하는 면상발열필름(20); 상기 면상발열필름(20)의 양단에 전기적으로 연결되도록 구비된 전극(30); 및 상기 면상발열필름(20)상에 적층구비되며, 면상발열필름(20)을 보호하는 보호필름(40);을 포함한다.
본 발명의 PTC 면상발열체는 정온특성 (PTC, Positive Temperature Coefficient)을 나타낸다.
본 발명의 PTC 면상발열체는 발열속도 및 발열균일성이 개선된 면상발열체로서, 본 발명에 적용되는 상기 면상발열필름은 카본블랙(carbon black); 주석(Sn); 산화주석(SnO2); 그래핀(graphene); 인상흑연 (graphite); 열가소성 우레탄수지; 및 희석 용제를 포함하고, 상기 주석은 상기 카본블랙 100중량당 50 내지 100중량의 비율로 포함되고, 상기 그래핀은 상기 카본블랙 100중량당 5 내지 20중량의 비율로 포함된다.
한편, 상기 주석:산화주석은 1:0.1 내지 1: 0.3의 중량비로 포함되며, 상기 그래핀:인상흑연은 1:10 내지 1:15의 중량비로 포함된다.
본 발명의 일 구현 예에 따른 PTC 면상발열체에 적용되는 면상발열필름은 카본블랙을 포함함에 따라 정온특성 (PTC, Positive Temperature Coefficient)을 나타낸다.
즉, 본 발명에 따른 면상발열체에 적용되는 면상발열필름은 온도의 증가에 따라 자체 저항값이 점차 높아지게 되고, 이에 따라 특정 온도 이상에서는 높아진 저항에 의하여 전하의 이동량이 감소하고, 이에 따라 발열량이 감소되며, 감소된 발열량에 따라 온도가 낮아진 필름의 저항값이 다시 상승하면 전하의 이동량이 증가하여 발열량이 다시 증가되는 특성을 갖는다.
즉, 본 발명에 따른 면상발열체에 적용되는 면상발열필름은 자기 온도 제어가 가능한 PTC 타입의 면상발열필름에 해당한다.
한편, 본 발명에 따른 면상발열체에 적용되는 면상발열필름은 종래의 면상발열필름에 비하여 발열속도가 매우 빠른 특성을 지니며, 동시에 면상발열필름 전체적으로 매우 균일한 발열을 나타낼 수 있는 장점을 갖는다.
특히, 본 발명에 따른 면상발열체에 적용되는 면상발열필름은 필름의 특정 위치에 일정 물건을 올려두더라도 물건을 올려둔 부분이 다른 부분에 비하여 더욱 국부적으로 가열되는 문제점이 개선됨으로써, 면상발열체가 바닥에 시공되는 경우 바닥 위에 장시간 동안 특정 물건을 바닥과 접촉되도록 위치시켜 두더라고 그 부분이 국부적으로 과열손상되는 문제를 획기적으로 방지할 수 있는 장점을 갖는다.
본 발명자는 발열속도를 개선함과 동시에 국부적 발열의 문제를 동시에 해결하기 위하여 집중적인 연구와 시행착오를 거듭한 끝에 면상발열필름을 제조하기 위한 조성물로 주석 및 산화주석을 특정비율로 혼합사용함과 동시에 그래핀과 인상흑연을 특정비율로 혼합사용함으로써 위의 과제를 해결할 수 있음을 우연히 발견하게 되었다.
즉, 본 발명의 면상발열체에 적용되는 면상발열필름은 발열속도 및 발열균일성을 동시에 개선할 수 있도록 카본블랙(carbon black); 주석(Sn); 산화주석(SnO2); 그래핀(graphene); 인상흑연 (graphite); 열가소성 우레탄수지; 및 희석 용제를 포함한다.
이때, 상기 주석은 상기 카본블랙 100중량당 50 내지 100중량의 비율로 포함되고, 상기 그래핀은 상기 카본블랙 100중량당 5 내지 20중량의 비율로 포함된다.
여기서, 상기 주석:산화주석은 1:0.1 내지 1: 0.3의 중량비로 포함되며, 상기 그래핀:인상흑연은 1:10 내지 1:15의 중량비로 포함된다.
한편, 본 발명자는 추가적인 실험과 다양한 시행착오를 거쳐 후술하는 바와 같이, 상기 본 발명의 일 구현예에 따른 면상발열체에 적용되는 면상발열필름 제조를 위한 조성물에 자수정 분쇄물, 다이아몬드 분쇄물, 텅스텐 분말, 황토 분말, 및 아연 분말 등을 첨가함으로써 발열속도를 더욱 획기적으로 개선함과 동시에 발열균일성 또한 더욱 향상시킬 수 있음을 우연히 발견하게 되었다.
또한, 본 발명자는 이와 더불어 추가적인 실험을 통하여 후술하는 바와 같이, 상기 자수정 분쇄물 및 다이아몬드 분쇄물 입자 표면에 각각 일정 두께로 백금 코팅층 및 그래핀 코팅층을 형성함으로써 발열속도를 더욱 개선할 수 있으며, 발열균일성 또한 더욱 향상시킬 수 있음을 우연히 발견하게 되었다.
또한, 본 발명자는 이와 더불어 추가적인 실험을 통하여 후술하는 바와 같이, 상기 아연 분말의 입자 표면에 일정 두께로 코발트메탈(cobaltmetal) 코팅층을 형성함으로써 발열속도를 더욱 개선할 수 있으며, 발열균일성 또한 더욱 향상시킬 수 있음을 우연히 발견하게 되었다.
본 발명의 면상발열체에 적용되는 면상발열필름에 포함되는 카본블랙(carbon black)은 주요 전도성 물질에 해당하며, 필름 양단에 일정 전압을 인가할 경우 카본블랙을 통하여 전하가 이동하게 된다. 한편, 전술한 바와 같이 전도성 물질로 카본블랙을 사용할 경우 온도의 상승에 따라 저항값이 감소하는 정온특성을 나타내게 된다.
본 발명의 면상발열체에 적용되는 면상발열필름에 포함되는 주석(Sn) 및 산화주석(SnO2)은 필름의 국부과열성을 현저히 저하시키는 작용을 한다.
한편, 본 발명의 면상발열체에 적용되는 면상발열필름에 포함되는 그래핀(graphene) 및 인상흑연(graphite)은 필름의 발열속도를 현저히 증가시키는 작용을 한다.
즉, 본 발명자는 하기 실험 1을 통하여 본 발명의 면상발열체에 적용되는 면상발열필름에 포함되는 주석(Sn) 및 산화주석(SnO2)이 필름의 발열 균일성을 향상시키는 작용을 하며, 그래핀(graphene) 및 인상흑연(graphite)이 필름의 발열속도를 현저히 증가시키는 작용을 한다는 사실을 발견하였다.
[실험 1]
<실시예 1>
본 발명의 면상발열체에 적용되는 면상발열필름 제조를 위한 조성물로서, 카본블랙(carbon black) 1,000g, 주석(Sn) 500g, 산화주석(SnO2) 50g, 그래핀(graphene) 50g, 인상흑연 (graphite) 500g, 열가소성 우레탄수지 500g, 및 희석 용제 1,000g을 고르게 혼합하여, 실시예 1의 필름 조성물을 준비하였다.
<비교예 1> - 주석 제거
카본블랙(carbon black) 1,000g, 산화주석(SnO2) 50g, 그래핀(graphene) 50g, 인상흑연 (graphite) 500g, 열가소성 우레탄수지 500g, 및 희석 용제 1,000g을 고르게 혼합하여, 비교예 1의 필름 조성물을 준비하였다.
<비교예 2> - 산화주석 제거
카본블랙(carbon black) 1,000g, 주석(Sn) 500g, 그래핀(graphene) 50g, 인상흑연 (graphite) 500g, 열가소성 우레탄수지 500g, 및 희석 용제 1,000g을 고르게 혼합하여, 비교예 2의 필름 조성물을 준비하였다.
<비교예 3> - 주석 및 산화주석 제거
카본블랙(carbon black) 1,000g, 그래핀(graphene) 50g, 인상흑연 (graphite) 500g, 열가소성 우레탄수지 500g, 및 희석 용제 1,000g을 고르게 혼합하여, 비교예 3의 필름 조성물을 준비하였다.
<비교예 4> - 그래핀 제거
카본블랙(carbon black) 1,000g, 주석(Sn) 500g, 산화주석(SnO2) 50g, 인상흑연 (graphite) 500g, 열가소성 우레탄수지 500g, 및 희석 용제 1,000g을 고르게 혼합하여, 비교예 4의 필름 조성물을 준비하였다.
<비교예 5> - 인상흑연 제거
카본블랙(carbon black) 1,000g, 주석(Sn) 500g, 산화주석(SnO2) 50g, 그래핀(graphene) 50g, 열가소성 우레탄수지 500g, 및 희석 용제 1,000g을 고르게 혼합하여, 비교예 5의 필름 조성물을 준비하였다.
<비교예 6> - 그래핀 및 인상흑연 제거
카본블랙(carbon black) 1,000g, 주석(Sn) 500g, 산화주석(SnO2) 50g, 열가소성 우레탄수지 500g, 및 희석 용제 1,000g을 고르게 혼합하여, 비교예 6의 필름 조성물을 준비하였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 6의 필름 조성물을 이용하여 가로×세로×두께가 10㎝×10㎝×1㎜인 면상발열필름 샘플을 제조하였으며, 이와 같이 준비된 각각의 면상발열필름 샘플 양단에 구리로 전극을 형성하여 양단 전극에 220V의 교류 전압을 인가하였으며, 1분 후 열감지센서를 이용하여 발열필름 샘플에 고르게 위치시킨 9개의 구간에서의 표면 온도를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
한편, 도 2는 면상발열필름(10)의 양단에 전극(20)이 연결된 것을 개념적으로 나타내고 있으며, 본 실험 1에서 발열필름 샘플에서 온도가 측정된 9개의 위치 (도 2 및 하기 표 1에서 (1) 내지 (9)로 나타냄)를 나타내고 있다.
구분 | (1) | (2) | (3) | (4) | (5) | (6) | (7) | (8) | (9) |
실시예 1 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 |
비교예 1 | 58 | 60 | 62 | 59 | 60 | 60 | 58 | 61 | 61 |
비교예 2 | 60 | 62 | 61 | 59 | 60 | 59 | 58 | 59 | 58 |
비교예 3 | 54 | 52 | 60 | 52 | 55 | 60 | 52 | 54 | 65 |
비교예 4 | 42 | 43 | 44 | 42 | 43 | 42 | 42 | 43 | 41 |
비교예 5 | 42 | 42 | 43 | 41 | 42 | 44 | 42 | 42 | 41 |
비교예 6 | 38 | 39 | 40 | 39 | 38 | 37 | 38 | 39 | 40 |
(단위: ℃ (소숫점 이하 반올림))
상기 표 1에 나타난 실험 1의 결과를 살펴보면, 본 발명의 실시예1 에 따른 필름조성물이 발열 균일성 및 발열 속도 면에서 모두 비교예 1 내지 6에 비하여 현저하게 우수한 것을 확인할 수 있다.
특히, 본 발명자는 상기 주석:산화주석이 1:0.1 내지 1: 0.3의 중량비로 포함될 때, 이러한 중량비의 범위에서 임계적으로 필름의 국부과열성 감소가 가장 효율적으로 개선될 수 있음을 하기 실험 2를 통하여 우연히 발견하게 되었다.
[실험 2] - 주석:산화주석의 비율이 필름의 발열 균일성에 미치는 영향
카본블랙(carbon black) 1,000g, 그래핀(graphene) 50g, 인상흑연 (graphite) 500g, 열가소성 우레탄수지 500g, 및 희석 용제 1,000g과 하기 표 2에 따른 중량으로 주석(Sn) 및 산화주석(SnO2)을 고르게 혼합하여 필름 조성물을 준비하였다.
상기 필름 조성물을 이용하여 가로×세로×두께가 10㎝×10㎝×1㎜인 면상 발열필름 샘플을 각각 제조하였으며, 이와 같이 준비된 각각의 면상 발열필름 샘플 양단에 구리로 전극을 형성하여 양단 전극에 220V의 교류 전압을 인가하였으며, 1분 후 열감지센서를 이용하여 발열필름 샘플에 고르게 위치시킨 9개의 구간 (실험 1과 동일한 위치)에서의 표면 온도를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구분 | (1) | (2) | (3) | (4) | (5) | (6) | (7) | (8) | (9) | |
주석 (g) |
산화주석 (g) |
단위: ℃ (소수점 이하 반올림) | ||||||||
500 | 30 | 60 | 61 | 59 | 60 | 61 | 59 | 60 | 59 | 61 |
500 | 40 | 59 | 62 | 58 | 59 | 61 | 60 | 61 | 59 | 58 |
500 | 50 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 |
500 | 60 | 60 | 60 | 61 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 |
500 | 70 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 |
500 | 80 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 |
500 | 90 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 |
500 | 100 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 |
500 | 110 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 |
500 | 120 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 |
500 | 130 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 |
500 | 140 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 |
500 | 150 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 | 60 |
500 | 160 | 61 | 59 | 58 | 59 | 61 | 60 | 59 | 58 | 58 |
500 | 170 | 61 | 59 | 58 | 59 | 60 | 60 | 58 | 59 | 58 |
500 | 180 | 60 | 61 | 59 | 58 | 61 | 60 | 59 | 58 | 59 |
500 | 190 | 61 | 59 | 58 | 58 | 59 | 58 | 60 | 61 | 61 |
상기 표 2의 결과를 살펴보면, 주석:산화주석이 1:0.1 내지 1: 0.3의 중량비로 포함될 때, 필름의 국부과열성 감소가 가장 효율적으로 개선된다는 점이 임계적으로 확인된다.
한편, 본 발명자는 그래핀:인상흑연이 1:10 내지 1:15의 중량비로 포함될 때, 이러한 중량비의 범위에서 임계적으로 필름의 발열속도가 가장 효율적으로 증가됨을 하기 실험 3을 통하여 우연히 발견하게 되었다.
[실험 3]
카본블랙(carbon black) 1,000g, 주석(Sn) 500g, 산화주석(SnO2) 50g, 열가소성 우레탄수지 500g, 및 희석 용제 1,000g과 하기 표 3에 따른 중량으로 그래핀(graphene) 및 인상흑연 (graphite)을 고르게 혼합하여 필름 조성물을 준비하였다.
상기 필름 조성물을 이용하여 가로×세로×두께가 10㎝×10㎝×1㎜인 면상 발열필름 샘플을 각각 제조하였으며, 이와 같이 준비된 각각의 면상발열필름 샘플 양단에 구리로 전극을 형성하여 양단 전극에 220V의 교류 전압을 인가하였으며, 열감지센서를 이용하여 발열필름 샘플의 특정위치 (도 2의 (5) 위치)에서 시간의 흐름에 따른 표면 온도를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
구분 | 10초 | 20초 | 30초 | 40초 | 50초 | 60초 | |
그래핀 (g) |
인상흑연 (g) |
단위: ℃ (소수점 이하 반올림) | |||||
50 | 400 | 26 | 33 | 38 | 45 | 52 | 55 |
50 | 450 | 26 | 32 | 38 | 45 | 52 | 55 |
50 | 500 | 30 | 35 | 44 | 50 | 56 | 60 |
50 | 550 | 30 | 36 | 45 | 50 | 56 | 60 |
50 | 600 | 29 | 35 | 44 | 49 | 56 | 60 |
50 | 650 | 30 | 35 | 45 | 50 | 56 | 60 |
50 | 700 | 30 | 35 | 44 | 50 | 56 | 60 |
50 | 750 | 30 | 35 | 45 | 49 | 56 | 60 |
50 | 800 | 27 | 33 | 38 | 46 | 53 | 55 |
50 | 850 | 28 | 34 | 38 | 45 | 52 | 54 |
50 | 900 | 28 | 34 | 38 | 45 | 53 | 55 |
상기 표 3의 결과를 살펴보면, 그래핀:인상흑연이 1:10 내지 1:15의 중량비로 포함될 때, 필름의 발열속도가 가장 효율적으로 증가된다는 점이 임계적으로 확인된다.
상기 열가소성 우레탄수지로는 본 발명의 조성물과 혼합이 가능한 면상 발열체 분야에 사용되는 다양한 공지의 열가소성 우레탄수지가 사용될 수 있으며, 이는 필름을 구성하는 베이스 재질 역할을 수행한다.
한편, 상기 다양한 성분을 혼합하기 위하여 희석 용제가 사용되며, 상기 희석 용제로는 면상 발열체 분야에서 통상적으로 사용되며 상기 다양한 성분을 균일하게 혼합시킬 수 있는 공지의 다양한 희석 용제가 사용될 수 있다.
본 발명자는 추가적인 하기 실험 4를 통하여 본 발명의 상기 면상발열필름용 조성물에 자수정 분쇄물 및 다이아몬드 분쇄물을 첨가함으로써 필름의 발열균일성을 더욱 향상시킬 수 있음을 우연히 발견하게 되었다.
[실험 4]
본 발명의 상기 실시예 1에 따른 조성물을 준비하였다.
한편, 카본블랙(carbon black) 1,000g, 주석(Sn) 500g, 산화주석(SnO2) 50g, 그래핀(graphene) 50g, 인상흑연 (graphite) 500g, 열가소성 우레탄수지 500g, 자수정 분쇄물 500g, 공업용 다이아몬드 분쇄물 50g 및 희석 용제 1,000g을 고르게 혼합하여, 실시예 2의 필름 조성물을 준비하였다.
상기 실시예 1 및 2의 필름 조성물을 이용하여 가로×세로×두께가 10㎝×10㎝×1㎜인 면상 발열필름 샘플을 제조하였으며, 이와 같이 준비된 각각의 면상 발열필름 샘플 양단에 구리로 전극을 형성하여 양단 전극에 220V의 교류 전압을 인가하였으며, 1분 후 열감지센서를 이용하여 발열필름 샘플에 고르게 위치시킨 9개의 구간에서의 표면 온도를 소숫점 이하 1자리까지 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
표면 온도는 실험 1과 동일한 9개의 위치 (도 2 및 하기 표 4에서 (1) 내지 (9)로 나타냄)에서 측정하였다.
구분 | (1) | (2) | (3) | (4) | (5) | (6) | (7) | (8) | (9) |
실시예 1 | 60.2 | 60.4 | 59.8 | 59.7 | 60.2 | 60.2 | 60.1 | 59.7 | 59.8 |
실시예 2 | 60.0 | 60.2 | 60.1 | 60.1 | 59.9 | 59.9 | 60.0 | 60.1 | 60.0 |
(단위: ℃)
상기 표 4에 나타난 실험 4의 결과를 살펴보면, 본 발명의 실시예 2에 따른 발열필름이 실시예 1에 따른 발열필름에 비하여 발열 균일성이 더욱 향상되었음이 확인된다.
한편, 본 발명자는 추가적인 실험을 통하여 상기 자수정 분쇄물 및 다이아몬드 분쇄물의 평균입경이 필름의 발열균일성 향상에 중요한 요소로 작용함을 우연히 발견하게 되었으며, 특히 이들 분쇄물의 평균입경이 각각 1 내지 10㎛일 때, 이러한 평균입경 범위 내에서 필름의 발열균일성 향상에 임계적으로 긍정적 영향을 미침을 우연히 발견하게 되었다.
또한, 본 발명자는 추가적인 실험을 통하여 상기 자수정 분쇄물 및 다이아몬드 분쇄물의 함유량이 상기 주석 함유량에 비하여 특정 중량비로 포함될 때, 필름의 발열균일성 향상에 임계적으로 긍정적 영향을 준다는 사실 또한 추가적인 실험을 통하여 우연히 발견하였다.
즉, 본 발명자는 실험을 통하여 상기 자수정 분쇄물이 주석 1중량당 1 내지 1.5중량의 비율로 포함되고, 상기 자수정 분쇄물:다이아몬드 분쇄물이 1:0.1 내지 1:0.3의 중량비로 포함될 때, 이러한 중량비의 범위 내에서 필름의 발열균일성이 임계적으로 증가되는 결과를 우연히 발견하게 되었다.
한편, 본 발명자는 추가적인 실험 5를 통하여 본 발명의 면상발열필름용 조성물에 포함되는 상기 자수정 분쇄물 및 다이아몬드 분쇄물 각각의 표면에 백금 코팅층을 형성하고 상기 백금 코팅층에 추가적으로 그래핀 코팅층을 형성함으로써 필름의 발열속도가 더욱 현저하게 개선됨 우연히 발견하였다.
도 3은 상기 자수정 분쇄물(100) 및 다이아몬드 분쇄물(200) 각각의 표면에 백금 코팅층(110, 210) 및 그래핀 코팅층(120, 220)이 형성된 입자를 개념적으로 설명하는 그림이다.
[실험 5]
상기 실시예 2에 따른 필름 조성물을 준비하였다.
한편, 카본블랙(carbon black) 1,000g, 주석(Sn) 500g, 산화주석(SnO2) 50g, 그래핀(graphene) 50g, 인상흑연 (graphite) 500g, 열가소성 우레탄수지 500g, 30㎚두께로 백금 코팅층이 형성되고, 상기 백금 코팅층 상에 10㎚두께의 그래핀 코팅층이 형성된 자수정 분쇄물 500g, 30㎚두께로 백금 코팅층이 형성되고, 상기 백금 코팅층 상에 10㎚두께의 그래핀 코팅층이 형성된 공업용 다이아몬드 분쇄물 50g 및 희석 용제 1,000g을 고르게 혼합하여, 실시예 3의 필름 조성물을 준비하였다.
상기 실시예 2 및 3의 필름 조성물을 이용하여 가로×세로×두께가 10㎝×10㎝×1㎜인 면상 발열필름 샘플을 제조하였으며, 이와 같이 준비된 각각의 면상 발열필름 샘플 양단에 구리로 전극을 형성하여 양단 전극에 220V의 교류 전압을 인가하였으며, 1분 후 열감지센서를 이용하여 발열필름 샘플에 고르게 위치시킨 9개의 구간에서의 표면 온도를 소숫점 이하 1자리까지 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
표면 온도는 실험 1과 동일한 9개의 위치 (도 2 및 하기 표 5에서 (1) 내지 (9)로 나타냄)에서 측정하였다.
구분 | (1) | (2) | (3) | (4) | (5) | (6) | (7) | (8) | (9) |
실시예 2 | 60.0 | 60.2 | 60.1 | 60.1 | 59.9 | 59.9 | 60.0 | 60.1 | 60.0 |
실시예 3 | 60.0 | 60.0 | 60.1 | 60.0 | 60.0 | 60.0 | 60.0 | 60.1 | 60.0 |
(단위: ℃)
상기 표 5에 나타난 실험 5의 결과를 살펴보면, 본 발명의 실시예 3에 따른 발열필름이 실시예 2에 따른 발열필름에 비하여 발열 균일성이 더욱 향상되었음이 확인된다.
특히, 본 발명자는 추가적인 하기 실험을 통하여 상기 백금 코팅층 및 그래핀 코팅층의 평균두께가 필름의 발열속도 향상에 매우 중요한 영향을 미친다는 사실을 우연히 발견하게 되었다.
즉, 본 발명자는 실험을 통하여 상기 백금(platinum) 코팅층을 평균두께가 30 내지 50㎚가 되도록 형성하고, 상기 백금 코팅층 상에는 그래핀 코팅층을 평균두께가 10 내지 30㎚가 되도록 형성할 때, 이러한 평균두께의 범위 내에서 필름의 발열속도가 임계적으로 증가되는 결과를 우연히 발견하게 되었다.
한편, 본 발명자는 추가적인 하기 실험 6을 통하여 본 발명의 상기 면상발열필름용 조성물에 텅스텐 분말을 더욱 첨가함으로써 필름의 발열속도를 더욱 향상시킬 수 있음을 우연히 발견하게 되었다.
[실험 6]
실시예 1에 따른 필름 조성물을 준비하였다.
한편, 카본블랙(carbon black) 1,000g, 주석(Sn) 500g, 산화주석(SnO2) 50g, 그래핀(graphene) 50g, 인상흑연 (graphite) 500g, 열가소성 우레탄수지 500g, 텅스텐분말 50g 및 희석 용제 1,000g을 고르게 혼합하여, 실시예 4의 필름 조성물을 준비하였다.
상기 필름 조성물을 이용하여 가로×세로×두께가 10㎝×10㎝×1㎜인 면상 발열필름 샘플을 각각 제조하였으며, 이와 같이 준비된 각각의 면상 발열필름 샘플 양단에 구리로 전극을 형성하여 양단 전극에 220V의 교류 전압을 인가하였으며, 열감지센서를 이용하여 발열필름 샘플의 특정위치 (도 2의 (5) 위치)에서 시간의 흐름에 따른 표면 온도를 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 6에 나타내었다.
구분 | 10초 | 20초 | 30초 | 40초 | 50초 | 60초 |
실시예 1 | 30 | 35 | 44 | 50 | 56 | 60 |
실시예 4 | 32 | 38 | 50 | 53 | 60 | - |
상기 표 6의 결과를 살펴보면, 실시예 4에 따라 제조된 발열필름이 실시예 1에 따라 제조된 발열필름에 비하여 발열속도가 현저하게 증가되었음을 확인할 수 있다.
특히, 본 발명자는 추가적인 실험을 통하여 상기 텅스텐 분말의 평균입경이 필름의 발열속도 향상에 매우 중요한 영향을 미친다는 사실을 우연히 발견하게 되었다.
즉, 본 발명자는 실험을 통하여 1 내지 10㎛의 평균입경을 갖는 텅스텐 분말을 사용할 때, 이러한 평균입경의 범위에서 임계적으로 필름의 발열속도가 향상되는 결과를 우연히 발견하였다.
또한, 본 발명자는 추가적인 실험을 통하여 상기 텅스텐 분말과 상기 주석의 중량비가 필름의 발열속도 향상에 매우 중요한 영향을 미친다는 사실을 우연히 발견하게 되었다.
즉, 본 발명자는 실험을 통하여 상기 주석 1중량당 0.1 내지 0.5중량의 비율로 텅스텐 분말을 포함시킬 때, 이러한 중량비의 범위에서 임계적으로 필름의 발열속도가 향상되는 결과를 우연히 발견하였다.
본 발명자는 또한, 상기 텅스텐 분말의 표면에 순금과 순은을 이용하여 추가적인 코팅층을 형성함으로써 필름의 발열 균일성이 더욱 현저하게 향상됨을 추가적인 실험을 통하여 우연히 발견하였다.
도 4는 본 발명의 조성물에 포함되는 상기 텅스텐 분말(300)의 표면에 순금 코팅층(310) 및 순은 코팅층(320)이 형성된 입자를 개념적으로 설명하는 그림이다.
한편, 본 발명자는 본 발명의 필름의 발열 균일성을 더욱 향상시키기 위하여 상기 텅스텐 분말의 각 입자 표면의 코팅에 사용되는 금 및 은의 순도가 발열 균일성에 매우 중요한 영향을 미침을 추가적인 실험을 통하여 우연히 발견하게 되었다.
즉, 본 발명자는 순도 99.99%의 순금(Au)과 순도 99.99%의 순은(Ag)을 이용하여 상기 순금 및 순은 코팅층을 형성할 때, 상기 순도에서 임계적으로 필름의 발열 균일성이 현저하게 개선된다는 사실을 실험을 통하여 우연히 발견하였다.
또한, 본 발명자는 상기 순금 및 순은 코팅층의 평균두께가 필름의 발열 균일성에 중요한 요소로 영향을 준다는 사실을 추가적인 실험을 통하여 우연히 발견하였다.
즉, 본 발명자는 추가적인 실험을 통하여 순금 코팅층의 평균두께를 40 내지 50㎚로 형성하고, 순은 코팅층의 평균두께를 10 내지 20㎚로 형성할 때, 상기 두께 범위에서 필름의 발열 균일성이 임계적으로 향상된다는 사실을 실험을 통하여 우연히 발견하였다.
또한, 본 발명자는 본 발명의 면상발열체에 적용되는 면상발열필름에 황토 분말을 더욱 첨가함으로써 필름의 발열 균일성을 더욱 향상시킬 수 있음을 추가적인 실험을 통하여 우연히 발견하게 되었으며, 추가적인 또 다른 실험을 통하여 상기 황토 분말의 평균입경이 필름의 발열 균일성 향상에 매우 중요한 영향을 미친다는 사실 또한 우연히 발견하게 되었다.
즉, 본 발명자는 실험을 통하여 1 내지 10㎛의 평균입경을 갖는 황토 분말을 사용할 때, 이러한 평균입경의 범위에서 임계적으로 필름의 발열 균일성이 향상되는 결과를 우연히 발견하였다.
또한, 본 발명자는 추가적인 실험을 통하여 상기 황토 분말과 상기 주석의 중량비가 필름의 발열 균일성 향상에 매우 중요한 영향을 미친다는 사실을 우연히 발견하게 되었다.
즉, 본 발명자는 실험을 통하여 상기 주석 1중량당 0.1 내지 0.5중량의 비율로 황토 분말을 포함시킬 때, 이러한 중량비의 범위에서 임계적으로 필름의 발열 균일성이 향상되는 결과를 우연히 발견하였다.
한편, 본 발명자는 추가적인 실험을 통하여, 본 발명의 면상발열체에 적용되는 면상발열필름에 아연 분말을 더욱 첨가함으로써 필름의 발열 균일성을 더욱더 향상시킬 수 있음을 우연히 발견하게 되었다.
한편, 본 발명자는 추가적인 실험을 통하여 상기 아연 분말의 평균입경이 필름의 발열 균일성 향상에 매우 중요한 영향을 미친다는 사실을 우연히 발견하게 되었다.
즉, 본 발명자는 실험을 통하여 20 내지 30㎛의 평균입경을 갖는 아연 분말을 사용할 때, 이러한 평균입경의 범위에서 임계적으로 필름의 발열 균일성이 향상되는 결과를 우연히 발견하였다.
또한, 본 발명자는 추가적인 실험을 통하여 상기 아연 분말과 상기 주석의 중량비가 필름의 발열 균일성 향상에 매우 중요한 영향을 미친다는 사실을 우연히 발견하게 되었다.
즉, 본 발명자는 실험을 통하여 상기 주석 1중량당 0.5 내지 1중량의 비율로 아연 분말을 포함시킬 때, 이러한 중량비의 범위에서 임계적으로 필름의 발열 균일성이 향상되는 결과를 우연히 발견하였다.
한편, 본 발명자는 추가적인 실험을 통하여 상기 아연 분말 입자 표면에 코발트메탈을 이용하여 코팅층을 형성함으로써, 필름의 발열 균일성을 더욱 향상시킬 수 있음을 우연히 발견하였으며, 추가적인 또 다른 실험을 통하여 상기 아연 분말 입자 표면에 형성된 코발트메탈 코팅층의 평균두께가 필름의 발열 균일성 향상에 중요한 영향을 미친다는 사실을 우연히 발견하였다.
즉, 본 발명자는 실험을 통하여 상기 코발트메탈 코팅층의 평균두께가 10 내지 50㎚일 때, 이러한 평균두께의 범위에서 임계적으로 필름의 발열 균일성이 더욱 향상되는 것을 우연히 발견하였다.
Claims (9)
- 하부베이스필름(10); 상기 하부베이스필름상에 적층구비되며, 전압의 인가에 따라 발열하는 면상발열필름(20); 상기 면상발열필름(20)의 양단에 전기적으로 연결되도록 구비된 전극(30); 및 상기 면상발열필름(20)상에 적층구비되며, 면상발열필름(20)을 보호하는 보호필름(40);을 포함하며 정온특성 (PTC, Positive Temperature Coefficient)을 나타내는 면상발열체로서,
상기 면상발열필름(20)은 카본블랙(carbon black); 주석(Sn); 산화주석(SnO2); 그래핀(graphene); 인상흑연 (graphite); 열가소성 우레탄수지; 및 희석 용제를 포함하고, 상기 주석은 상기 카본블랙 100중량당 50 내지 100중량의 비율로 포함되고, 상기 그래핀은 상기 카본블랙 100중량당 5 내지 20중량의 비율로 포함되는 발열속도 및 발열균일성이 개선된 PTC 면상발열체. - 청구항 1에 있어서,
상기 주석 및 산화주석은 주석:산화주석이 1:0.1 내지 1: 0.3의 중량비로 포함되며,
상기 그래핀 및 인상흑연은 그래핀:인상흑연이 1:10 내지 1:15의 중량비로 포함되는 발열속도 및 발열균일성이 개선된 PTC 면상발열체. - 청구항 2에 있어서,
상기 면상발열필름은
1 내지 10㎛의 평균입경을 갖는 자수정 분쇄물; 및
1 내지 10㎛의 평균입경을 갖는 다이아몬드 분쇄물;을 더욱 포함하며,
상기 자수정 분쇄물은 주석 1중량당 1 내지 1.5중량의 비율로 포함되고,
상기 자수정 분쇄물:다이아몬드 분쇄물은 1:0.1 내지 1:0.3의 중량비로 포함되는 발열속도 및 발열균일성이 개선된 PTC 면상발열체. - 청구항 3에 있어서,
상기 자수정 분쇄물 및 다이아몬드 분쇄물 각각의 표면에는 평균두께 30 내지 50㎚로 백금(platinum) 코팅층이 형성되고,
상기 백금 코팅층 상에는 평균두께 10 내지 30㎚로 그래핀 코팅층이 형성된 발열속도 및 발열균일성이 개선된 PTC 면상발열체. - 청구항 1 내지 4의 어느 한 항에 있어서,
상기 면상발열필름은 1 내지 10㎛의 평균입경을 갖는 텅스텐 분말을 더욱 포함하며,
상기 텅스텐 분말은 주석 1중량당 0.1 내지 0.5중량의 비율로 포함되는 발열속도 및 발열균일성이 개선된 PTC 면상발열체. - 청구항 5에 있어서,
상기 텅스텐 분말의 표면에는 평균두께 40 내지 50㎚로 순도 99.99%의 순금(Au) 코팅층이 형성되고,
상기 순금 코팅층 상에는 평균두께 10 내지 20㎚로 순도 99.99%의 순은(Ag) 코팅층이 형성된 발열속도 및 발열균일성이 개선된 PTC 면상발열체. - 청구항 1 내지 4의 어느 한 항에 있어서,
상기 면상발열필름은 1 내지 10㎛의 평균입경을 갖는 황토 분말을 더욱 포함하며,
상기 황토 분말은 주석 1중량당 0.1 내지 0.5중량의 비율로 포함되는 발열속도 및 발열균일성이 개선된 PTC 면상발열체. - 청구항 1 내지 4의 어느 한 항에 있어서,
상기 면상발열필름은 20 내지 30㎛의 평균입경을 갖는 아연 분말을 더욱 포함하며,
상기 아연 분말은 주석 1중량당 0.5 내지 1중량의 비율로 포함되는 발열속도 및 발열균일성이 개선된 PTC 면상발열체. - 청구항 8에 있어서,
상기 아연 분말의 표면에는 평균두께 10 내지 50㎚로 코발트메탈(cobaltmetal) 코팅층이 형성된 발열속도 및 발열균일성이 개선된 PTC 면상발열체.
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