KR102027931B1

KR102027931B1 - 발열 저감을 갖는 면상발열체

Info

Publication number: KR102027931B1
Application number: KR1020180072061A
Authority: KR
Inventors: 손정현; 박봉규
Original assignee: 주식회사 명신메디칼
Priority date: 2018-06-22
Filing date: 2018-06-22
Publication date: 2019-10-02

Abstract

본 발명은 발열 저감을 갖는 면상발열체에 관한 것으로, 발열지와 동테이프의 접합 부위에 다수로 형성된 천공들과 함께 실버페이스트의 적용 및 천공들 간의 간격 조절치(値)를 제시하여 면상발열체에 대한 전기적 통전 유지시에도 발열을 실질적이고도 효율적으로 저감시켜 면상발열체의 화재 발생을 최소화할 수 있는 발열 저감을 갖는 면상발열체를 제공하고자 한다.

Description

발열 저감을 갖는 면상발열체{Sheet Type Heating Element for reducing heating}

본 발명은 발열 저감을 갖는 면상발열체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발열지와 동테이프의 접합 부위로 다수의 천공을 형성하며 접촉 저항을 최소화하여 전기적 통전 유지시에도 동테이프 주변으로 야기될 수 있는 화재 발생을 방지하는 발열 저감을 갖는 면상발열체에 관한 것이다.

종래에는 발열원으로서 도전성 카본페이스트를 이용하게 되는데, 이러한 도전성 카본페이스트는 구 형상의 카본블랙에 연속적인 도전성을 부여하기 위하여 여러 바인더와 도전성 분말을 혼합하는 방식으로 제작되는 관계로, DC용 발열체를 제작하기 위한 낮은 저항값의 발열체 제작이 어렵다. 카본페이스트의 체적저항은 예컨대 500 Ω/㎝ 일 수 있고, 인쇄 및 함침에 따른 체적 저항은 40 Ω/㎝ ㆍ25㎛ 일 수 있다. 이러한 도전성 카본페이스가 적용된 발열체는 80℃ 이상 장기 발열시에는 페이스트에 포함된 유기 바인더들의 산화 및 열화로 내구 수명이 짧은 문제점이 있다.

특히, 상기 도전성 카본페이스트는 예컨대 함침 방식과 코팅사 직조 방식의 제법으로 구현되는바, 함침 방식에서는 폴리(poly) 실이나 면사가 격자(그물) 형상으로 직조된 다음 카본잉크에 함침된 다음 건조 처리되고 이후 절연물로 코팅 처리되는 방식으로 도전성 카본페이스트가 제작되는바, 발열원인 카본액을 고정하는 기재인 면실의 가격이 높고, 면실의 두께와 격자 형상에 의해 상하 절연시트에 대한 접착 절연물의 양이 많아 그 두께가 두터워 가격 상승을 초래하며, 소량 생산의 어려움이 있다.

한편, 코팅사 직조 방식에서는 폴리(poly) 실의 표면에 전도성 화합물과 카본잉크로 코팅된 탄소사가 수천 가닥으로 꼬여져 재직(실 표면 코팅)된후, 재직된 탄소사가 일정 모양으로 배열된 다음 절연물로 코팅 또는 접착 처리되는 방식으로 도전성 카본페이스트가 제작되는바, 발열원이 선상(線狀)인 관계로 기존 열선과 같은 발열 특성을 가지며, 카본잉크 코팅 기술과 설비의 사양에 따라 품질의 차이가 발생되고, 저항 조절을 위해 수십에서부터 수척 가닥에 이르기까지 꼬여져 있어 일부 단락 시에 열점(熱點, hot spot)에 의한 국부 과열 및 화재 위험의 우려가 있다.

이처럼, 종래에 있어 특히 필름형 히터분야에서 카본함침 직조사 발열체가 시장을 주도하고 있으나, 제품의 품질은 안정화되지 못한 실정에 있다. 또한, 면상발열체 역시 전기적 통전 유지시에도 자체적으로 발열 발생을 저감시킬 수 없는 관계로, 면상발열체에서의 화재가 빈번히 발생되고 있는 추세이다.

즉, 기존 면상발열체의 동테이프와 발열지 접합 부위에서 야기되는 전기저항열로 인하여 면상발열체의 화재는 빈번히 발생되고 있는 실정에 있다.

특히, 이러한 면상발열체에 대한 화재를 줄이기 위한 방안으로 본 발명의 출원인으로부터 출원되어 등록된 등록특허 제10-1813685호('면상발열체의 제조방법 및 이로부터 제조된 면상발열체')가 개시된 바 있다.

하지만, 이러한 상기의 등록특허에서도 단순히 발열지와 동테이프의 접합 부위에 천공들을 형성시키는 방안으로 면상발열체의 화재를 줄일 수 있을지 모르나, 구체적으로 면상발열체의 전기적 통전 유지 시 자체적으로 야기되는 발열을 저감하기 위한 실질적인 주요인들을 제시하지 못하고 있다.

한편, 하기의 선행기술문헌에 개시된 특허문헌들은 면상 발열에 관한 기술들임을 참고할 수 있다.

특허문헌 001 : 특허출원 제10-2015-0159281호 특허문헌 002 : 특허출원 제10-2016-0183585호 특허문헌 003 : 특허출원 제10-2013-0093265호 특허문헌 004 : 특허출원 제10-2012-0055888호 특허문헌 005 : 특허출원 제10-2016-0081464호 특허문헌 006 : 특허출원 제10-2014-0044393호 특허문헌 007 : 등록특허 제10-1813685호

전술된 문제점들을 해소하기 위한 본 발명은, 면상발열체의 동테이프에 대한 전기적 통전 유지 시에도 동테이프의 주변에서 야기되는 발열을 저감시켜 궁극적으로 화제 발생을 억제하여 최소화할 수 있는 발열 저감을 갖는 면상발열체를 제공하고자 함에 그 목적을 두고 있다.

전술된 목적들을 달성하기 위한 본 발명은, 발열지와 동테이프의 접합 부위에 다수의 천공이 형성되며, 상기 발열지와 상기 동테이프는 실버페이스트로 접합되고, 상기 실버페이스트는 실버(silver)가 함유되며, 상기 동테이프는 다수의 천공 부위 내주면을 감싸는 형태이고, 상기 동테이프는 에폭시에 의해 견고히 가압 지지받는 구조 형태이며, 상기 에폭시는 상기 다수의 천공 부위에 이르기까지 메워지는 구조 형태이고, 상기 천공의 크기는 1 내지 1.5 mm 범위이며, 상기 천공들 간의 간격은 10 mm 이고, 상기 에폭시의 표면에는 PET 필름이 더 접합되어 있으며, 상기 발열지와 상기 동테이프의 접합 부위에 형성된 상기 천공들의 직경 크기, 상기 천공들 간의 간격 크기, 및 은의 함량에 따른 요인들에 의해 면상발열체의 발열 저감이 이루어지고, 상기 동테이프의 일면은 상기 발열지의 일측과 타측 부위 중 적어도 어느 한 부위의 방향에서 일정한 간격을 두며 뚫려 있는 천공들의 둘레를 밀착하는 방식으로 감싸며 상기 발열지의 상면과 하면에 이르기까지 접착되는 구조로 이루어지는 한편, 상기 동테이프의 타면은 상기 천공들의 내부로 채워지며 상기 발열지의 전체 부위를 감싸는 상기 에폭시의 내부에 매몰되는 구조로 이루어지는 발열 저감을 갖는 면상발열체에 일 특징이 있다.

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이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면, 면상발열체에 실버페이스트의 적용 및 실버의 함유량 반영과, 천공, 및 천공의 간격 조절을 통하여 기존의 면상발열체와 비교시 현저하게 발열을 저감할 수 있는 효과가 있다.

더욱이, 이러한 면상발열체의 발열 저감에 따라 동테이프 부위에서 야기될 수 있는 화재 발생을 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.

아울러, 면상발열체에 대한 실버페이스트의 반영 및 실버의 함유량 반영과 천공 및 천공 간격의 조절을 근거로 면상발열체의 발열 저감 효과 및 이로 인한 화재 발생의 방지 효과를 위한 면상발열체의 효율적인 제조 대응 방안에 그 효과가 있으며, 발열 저감에 따른 화재 발생이 방지되는 기능성 면상발열체의 제조 비용도 획기적으로 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 발열 저감을 갖는 면상발열체의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 면상발열체의 단면도로서 PET 필름 및 에폭시를 함께 분리하여 도시한 단면도이다.
도 3은 면상발열체의 각 포인트별 온도 측정 부위로서 T1 내지 T4에서의 온도 변화 추이를 파악하기 위해 도시한 도면이다.
도 4는 면상발열체에 실버페이스트 함유량에 따른 온도 측정에 대한 평균온도, 표준편차, 변화차 등을 용이하게 파악하기 위한 그래프이다.
도 5는 면상발열체에 천공 유무에 따른 온도 측정에 대한 평균온도, 표준편차, 변화차 등을 용이하게 파악하기 위한 그래프이다.
도 6은 면상발열체에 실버페이스트 적용 및 천공 간격에 따른 온도 측정에 대한 평균온도, 표준편차, 변화차 등을 용이하게 파악하기 위한 그래프이다.

본 발명에 있어 첨부된 도면은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되어 도시됨을 밝히고, 후술되는 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적 사항에 불과하며, 다른 여러 방식으로 변형 실시되는 점까지 감안한 명세서 전반에 걸친 기술적 사상을 포함하는 권리범위로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 발열 저감을 갖는 면상발열체는 이하 첨부된 도면을 참고로 상세히 설명된다.

본 발명에 따른 발열 저감을 갖는 면상발열체(1)는 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 발열지(10), 동테이프(20), 에폭시(30), 및 PET 필름(40)의 조합 구성으로 제조된 박막형 면상발열체이다.

특히, 상기 발열지(1)는 예컨대 탄소섬유와 펄프가 혼용된 제지인 것이 바람직하나 이에 국한될 필요는 없으며, 상기 에폭시(30)의 이용도 바람직하나 이에 국한될 필요없이 경우에 따라 TPU(Thermoplastic Poly Urethane)의 이용도 가능하고, 상기 PET 필름(40)의 이용도 바람직하나 이에 국한될 필요없이 경우에 따라 PE(polyethylene)의 이용도 가능하다.

본 발명에서의 발열 저감을 갖는 면상발열체(1)는 다수의 천공(P)들이 형성되는 특징이 있는데, 이들 천공(P)들의 구성에 기반하여 면상발열체(1)는 그 자체의 발열이 저감됨으로써 화제 발생을 현저히 줄일 수 있다.

이러한 본 발명의 발열 저감을 갖는 면상발열체(1)에 대하여 더욱 상세히 설명하자면, 발열지(10)와 동테이프(20)는 실버 페이스트(Silver Paste)를 통하여 상호 간 접합되는 특징이 있으며, 상기 발열지(10)에는 도 3과 같이 예컨대 그 폭이나 길이 방향을 향해 동테이프(20)가 형성될 수 있으며, 천공(P)이 일정 간격을 유지하며 다수로 형성될 수 있다.

이러한 상기 발열지(10)의 천공(P) 부위로는 상기 동테이프(20)가 감싸는 형태로 상기 발열지(10)의 상면과 하면에 이르기까지 접합될 수 있으며, 이러한 상기 동테이프(20)의 접합은 실버 페이스트(Silver Paste)로 가능하다.

이처럼, 상기 동테이프(20)가 발열지(10)의 천공(P)의 내주 면에 이르기까지 기밀하게 접합된 상태에서는 에폭시(30)(30')가 상기 발열지(10)와 상기 동테이프(20)의 상면 및 하면뿐만 아니라 상기 천공(P) 부위에 이르기까지 기밀하게 메워지는 방식으로 접합되는데, 이때 에폭시(30)(30')가 천공(P) 부위까지 메워지는 방식으로 기밀하게 접합되기 위해 에폭시(30)(30')에 가열 및 가압이 동시에 가해지는 방식으로 접합될 수 있다. 더욱이, 상기 에폭시(30)(30')의 상면과 하면에는 PET 필름(40)(40')이 각각 접합되는 형태로 이루어질 수 있다.

특히, 여기서 상기 발열지(10)에는 동테이프(20)가 천공(P) 부위로 접혀지는 방식으로 천공(P)의 내주면을 감싸며 견고하면서도 기밀하게 접촉될 수 있는 관계로, 그 접촉 저항이 감소하는 효과가 있으며, 별도의 접착제가 필요 없는 이점이 있다.

천공(P) 부위로 접혀진 동테이프(20)는 가열 및 가압에 의해 용융된 에폭시(30)(30')에 의해 감싸져 있는 관계로 구조적으로 견고한 지지를 받을 수 있고, 이로 인하여 발열지(10)와 동테이프(20) 간에는 그 접촉 저항을 더욱 감소시킬 수 있다.

하기에 개시된 표들을 통한 본 발명의 면상발열체에 대한 다양한 실시 예로서, 면상발열체에 대한 전기적 접촉 저항 감소를 위해 착안된 요인들을 규명하면서 면상발열체의 발열 저감을 통한 화재 발생을 현저히 줄일 수 있는 이유들을 개시하고 있다.

하기의 표들에 개시된 T1, T2, T3, T4는 도면 3에 도시된 바와 같이 면상발열체의 동테이프(20)에 전기적 통전을 가한 후 면상발열체의 온도가 100℃를 유지하는 상태에서 임의의 특정 포인트를 지정하여 그 각 포인트에서 변화되는 온도를 측정한 것을 의미한다. 이는 도 3을 참고할 수 있다.

즉, 동테이프(20)의 각 부위별 온도 변화 추이를 파악하기 위하여 동테이프(20)의 각 부위별로 임의 특정 포인트들을 지정하여 온도 변화 추이를 파악하게 되는데, 이러한 특정 포인트들이 바로 각각 T1, T2, T3, T4를 의미하게 되는 것이다.

하기의 표 1 및 표 2 및 도면 4는 일 실시예로서 실버페이스트 함유량에 따른 동테이프의 온도 측정을 통하여 면상발열체의 발열 저감 효과 기대 및 이로 인한 면상발열체의 화재 발생을 줄이고자 하는 취지로 실시된 예이다. 하기 표 1은 실버페이스트 함유량에 따른 온도측정을 나타낸 표이며, 하기 표 2는 데이터 분석을 나타낸 표이다.

실버 함유량	발열체 온도	전극(동테이프) 온도변화			전극(동테이프) 온도변화			전극(동테이프) 온도변화			전극(동테이프) 온도변화
		T1			T2			T3			T4
		시작	종료	변화	시작	종료	변화	시작	종료	변화	시작	종료	변화
x	100	25.2	45.4	20.2	25.6	51.6	26	24.8	42.7	17.9	25.9	44	18.1
O	100	25.6	40.4	14.8	24.8	41.8	17	24.2	31.6	7.4	25.2	37	11.8

실버 함유량	발열체 온도	종료시 온도		시작-종료 온도변화에 따른 계산
실버 함유량	발열체 온도	평균온도	표준편차	온도변화	변화차	평균온도	표준편차
x	100	45.9	3.9	17.9~26	8.1	20.6	3.8
O	100	37.7	4.5	7.4~17	9.6	12.8	4.2

상기 표 1 및 표 2 및 도면 4를 참고로 할 경우, 발열지와 동테이프 간의 상호 접촉면의 접촉 저항을 감소시켜 동테이프의 접촉저항 감소 및 온도감소를 유도하는 요인이 실버페이스트에 있으며, 바람직하게는 실버페이스트에 실버의 함유 요인에 있다는 것을 알 수 있다.

즉, 실버페이스트를 적용하지 않은 모델(0%)과 실버페이스트를 적용한 모델(60%)을 비교한 결과 두 모델 간의 유의한 온도 차이가 있으며, 실버페이스트가 적용된 면상발열체에서의 온도감소가 이루어지는 것으로 확인됨을 알 수 있다.

아울러, 각 포인트간 즉 T1 내지 T4 간의 표준편차는 줄어들어야 할 것이다.

한편, 하기의 표 3 및 표 4 및 도면 5는 다른 실시예로서 실버페이스트가 적용되지 않은 채 발열지의 천공 유무에 따른 동테이프의 온도 측정을 통하여 면상발열체의 발열 저감 효과 기대 및 이로 인한 면상발열체의 화재 발생을 줄이고자 하는 취지로 실시된 예이다. 하기 표 3은 천공 유무에 따른 온도측정을 나타낸 표로서 실버페이스가 미적용되었고, 하기 표 4는 데이터 분석을 나타낸 표이다.

천공유무	발열체 온도	전극(동테이프) 온도변화			전극(동테이프) 온도변화			전극(동테이프) 온도변화			전극(동테이프) 온도변화
		T1			T2			T3			T4
		시작	종료	변화	시작	종료	변화	시작	종료	변화	시작	종료	변화
X	100	25.2	45.4	20.2	25.6	51.6	26	24.8	42.7	17.9	25.9	44	18.1
O	100	24.3	38.4	14.1	24.8	48.8	24	24.2	39.7	15.5	24.6	38.1	13.5

천공유무	발열체 온도	종료시 온도		시작-종료 온도변화에 따른 계산
천공유무	발열체 온도	평균온도	표준편차	온도변화	변화차	평균온도	표준편차
X	100	45.9	3.9	17.9~26	8.1	20.6	3.8
O	100	41.3	5.1	13.5~24	10.5	16.8	4.9

상기 표 3 및 표 4 및 도면 5를 참고로 할 경우, 발열지의 천공과 더불어 천공 부위의 내주로 동테이프의 접힘을 통한 동테이프의 박리를 방지할 수 있으며, 천공의 유무 만으로 동테이프와 발열지의 접촉 저항을 감소시켜 동테이프의 온도 감소를 유도하고 있음을 알 수 있다.

천공을 적용한 모델(O)과 적용하지 않은 모델(X)을 비교한 결과 두 모델 간 유의한 온도 차이가 있음을 확인할 수 있었으며, 발열지에 대한 천공의 적용이 동테이프 부위의 온도를 감소시키고 있음을 확인할 수 있었다.

한편, 하기의 표 5 및 표 6 및 도면 6은 또 다른 실시 예로서 실버페이스트의 적용과 천공 간격에 따른 동테이프의 온도 측정을 통하여 면상발열체의 발열 저감 효과 기대 및 이로 인한 면상발열체의 화재 발생을 줄이고자 하는 취지로 실시된 예이다. 하기 표 5는 천공 간격에 따른 온도측정을 나타낸 표로서 실버페이스가 적용되었고, 하기 표 6은 데이터 분석을 나타낸 표이다.

천공 간격	발열 체 온도	전극(동테이프) 온도변화			전극(동테이프) 온도변화			전극(동테이프) 온도변화			전극(동테이프) 온도변화
		T1			T2			T3			T4
		시작	종료	변화	시작	종료	변화	시작	종료	변화	시작	종료	변화
x	100	25.6	40.4	14.8	24.8	41.8	17	24.2	31.6	7.4	25.2	37	11.8
10mm		24.3	42.9	18.6	24.8	42.2	17.4	24.2	37.9	13.7	24.9	42.9	18
20mm		24.2	39.1	14.9	24.8	37.2	12.4	24.1	43.9	19.8	24.6	41.7	17.1
30mm		25.9	41.5	15.6	28.9	48.4	19.5	24.6	44.6	20	27.5	49.7	22.2

천공 간격	발열체 온도	종료시 온도		시작-종료 온도변화에 따른 계산
천공 간격	발열체 온도	평균온도	표준편차	온도변화	변화차	평균온도	표준편차
x	100	37.7	4.5	7.4~17	9.6	12.8	4.2
10mm		41.5	2.4	13.7~18.6	4.9	16.9	2.2
20mm		40.5	2.9	12.4~19.8	7.4	16.1	3.2
30mm		46.1	3.7	15.6~22.2	6.6	19.3	2.7

상기 표 5 및 표 6 및 도면 6을 참고로 할 경우, 천공의 간격에 따른 동테이프의 온도 및 표준편차가 감소되는 것을 확인할 수 있었으며, 천공의 간격별로 평균온도, 표준편차 등의 차이가 있음이 확인되었다.

천공의 크기는 1 내지 1.5 mm 범위가 바람직한데, 이는 면상발열체의 평균 온도 유지에 일조함에 있으며, 특히 천공들간의 간격은 10mm 일 때가 비교적 안전한 평균 온도를 유지할 수 있었으며, 각 포인트간 즉 T1 내지 T4 간의 표준편차는 가장 적었다. 더욱이, 해결 과제로 평균 온도를 실버페이스트 60% 함량에 따른 온도측정에 가깝도록 해야 할 것이다.

이와 같이, 다양한 실시예를 통한 결과에 있어 본 발명의 면상발열체에서는 실버페이스트의 적용 및 실버의 함유와 더불어, 천공 및 그 천공의 간격이 면상발열체의 발열을 저감시키며 화재를 현저히 줄이는 요인들로 작용하고 있음을 확인하였다. 물론, 실버페이스트에는 실버의 함유가 바람직하며, 천공의 간격은 10mm가 바람직하다.

발열지(10) 동테이프(20)
에폭시(30)(30') PET 필름(40)(40')

Claims

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발열지와 동테이프의 접합 부위에 다수의 천공이 형성되며, 상기 발열지와 상기 동테이프는 실버페이스트로 접합되고, 상기 실버페이스트는 실버(silver)가 함유되며,
상기 동테이프는 다수의 천공 부위 내주면을 감싸는 형태이고, 상기 동테이프는 에폭시에 의해 견고히 가압 지지받는 구조 형태이며, 상기 에폭시는 상기 다수의 천공 부위에 이르기까지 메워지는 구조 형태이고, 상기 천공의 크기는 1 내지 1.5 mm 범위이며, 상기 천공들 간의 간격은 10 mm 이고, 상기 에폭시의 표면에는 PET 필름이 더 접합되어 있으며,
상기 발열지와 상기 동테이프의 접합 부위에 형성된 상기 천공들의 직경 크기, 상기 천공들 간의 간격 크기, 및 은의 함량에 따른 요인들에 의해 면상발열체의 발열 저감이 이루어지고,
상기 동테이프의 일면은 상기 발열지의 일측과 타측 부위 중 적어도 어느 한 부위의 방향에서 일정한 간격을 두며 뚫려 있는 천공들의 둘레를 밀착하는 방식으로 감싸며 상기 발열지의 상면과 하면에 이르기까지 접착되는 구조로 이루어지는 한편, 상기 동테이프의 타면은 상기 천공들의 내부로 채워지며 상기 발열지의 전체 부위를 감싸는 상기 에폭시의 내부에 매몰되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발열 저감을 갖는 면상발열체.
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