KR102044197B1 - 시트용 발열체 - Google Patents
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Abstract
시트용 발열체가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 시트용 발열체는, 시트에 박음질되는 시트용 발열체에 있어서, 복수의 탄소섬유사로 이루어진 탄소섬유 발열선; 및 상기 탄소섬유 발열선에 코팅되는 금속으로 이루어진 금속 코팅층을 포함한다.
Description
본 발명은 시트용 발열체에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차 등에 사용되는 시트는 얇은 전기도선을 이용하여 순간적인 고전류로 온도를 올려주고, 온도센서나 바이메탈을 통해 전류를 끊었다 흘렸다 하는 방식으로 일정온도를 유지시켜 준다. 발열체로서 구리 등의 금속 열선 등을 이용하고 있다.
기존 니크롬선이나 금속 합금선을 이용한 통풍시트는 100~500μm 굵기의 열선을 두꺼운 부직포 사이에 배치하여 열이 발생하고 사방으로 퍼져서 목적한 방향으로 열이 전달되는 방식이었다. 이 과정에서 열이 열선 사이로 퍼지고 전달되느라 열전달이 느리고, 발열 효율이 떨어졌다. 또한 열선부는 온도가 높고, 열선 사이 공간은 온도가 낮은 문제도 있었다. 이런 과도한 온도 차이를 피하기 위해 부직포는 두껍게 제작되고 열확산은 느렸다.
이에, 최근 탄소섬유를 이용한 탄소섬유 선이나 탄소나노튜브를 섬유와 같이 섞어서 직조하여 발열체를 만드는 경우도 있다. 그러나, 제작 시간이 길고, 제조 방법이 복잡하고, 가격이 높아 많이 쓰이지 못하고 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기존 금속선에 비해 낮은 중량과 높은 내구성을 가지며, 시트에 편리하게 설치할 수 있는 시트용 발열체를 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 시트용 발열체는, 시트에 박음질되는 시트용 발열체에 있어서, 복수의 탄소섬유사로 이루어진 탄소섬유 발열선; 및 상기 탄소섬유 발열선에 코팅되는 금속으로 이루어진 금속 코팅층을 포함한다.
또한, 상기 금속 코팅층은, 300~500nm 두께의 Cu로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 금속 코팅층은, 서로 상이한 금속으로 순차적으로 코팅되는 제1 및 제2 코팅층으로 이루어지며, 상기 제1 코팅층이 Al 또는 Cu 중 하나로 이루어지고, 상기 제2 코팅층이 Ni로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 금속 코팅층은, 상기 제1 코팅층이 50~400nm의 두께로 이루어지며, 상기 제2 코팅층이 50~100nm의 두께로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 금속 코팅층은, 순차적으로 코팅되는 제1 내지 제3 코팅층으로 이루어지며, 상기 제1 코팅층이 Ni로 이루어지고, 상기 제2 코팅층이 Cu로 이루어지고, 상기 제3 코팅층이 Ni 또는 Cr 중 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 금속 코팅층은, 상기 제1 코팅층이 40~60nm의 두께로 이루어지며, 상기 제2 코팅층이 150~300nm의 두께로 이루어지고, 상기 제3 코팅층이 30~120nm의 두께로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 탄소섬유 발열선은, 상기 탄소섬유사의 선저항이 0.3~2Ω/m일 수 있다.
또한, 상기 탄소섬유 발열선은, 2 라인 병렬 배열 구조일 수 있다.
또한, 상기 탄소섬유 발열선의 양단에 각각 연결되는 한 쌍의 금속전극을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 한 쌍의 금속전극은, 나노구리 함유 전기전도성 잉크로 전극패턴이 인쇄될 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따르면, 기존 금속선에 비해 내구성이 높아 단선으로 인한 화재를 예방할 수 있고, 과열 위험으로부터 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 기존 금속선에 비해 중량이 낮아 경량화가 가능하며, 간단하고 편리하게 설치할 수 있어 작업 시간 단축 및 생산성 향상을 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시트용 발열체의 단면도이다.
도 2는 금속층이 코팅된 발열체의 주사전자현미경 사진이다.
도 3은 금속층이 코팅된 발열체의 에너지 분산 분광분석 사진이다.
도 4는 시트용 발열체를 시트에 적용한 사용 상태도이다.
도 5는 절연층을 적층한 시트용 발열체의 단면도이다.
도 6은 금속전극을 적용한 시트용 발열체의 단면도이다.
도 7은 반복굽힘 테스트의 진행 과정을 촬영한 사진이다.
도 2는 금속층이 코팅된 발열체의 주사전자현미경 사진이다.
도 3은 금속층이 코팅된 발열체의 에너지 분산 분광분석 사진이다.
도 4는 시트용 발열체를 시트에 적용한 사용 상태도이다.
도 5는 절연층을 적층한 시트용 발열체의 단면도이다.
도 6은 금속전극을 적용한 시트용 발열체의 단면도이다.
도 7은 반복굽힘 테스트의 진행 과정을 촬영한 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "이루어지다(made of)"는 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시트용 발열체의 단면도이다. 또한, 도 2는 금속층이 코팅된 발열체의 주사전자현미경 사진이다. 또한, 도 3은 금속층이 코팅된 발열체의 에너지 분산 분광분석 사진이다. 그리고, 도 4는 시트용 발열체를 시트에 적용한 사용 상태도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 시트용 발열체(100)는 복수의 탄소섬유사로 이루어진 탄소섬유 발열선(110) 및 상기 탄소섬유 발열선(110)에 코팅되는 금속으로 이루어진 금속 코팅층(120)을 포함한다. 이때, 시트용 발열체(100)는 시트(10)에 박음질되어 간단하고 편리하게 시트(10)에 고정할 수 있다.
탄소섬유 발열선(110)은 복수의 탄소섬유사로 이루어지며, 시트(10)에 설치가 쉽도록 길다란 선 형태가 된다. 여기에서, 탄소섬유사는 PAN계(폴리아크릴로니트릴계), 피치계, 레이온계뿐만 아니라, 섬유상을 가진 고탄소함유 소재를 사용할 수 있다.
이러한 탄소섬유사의 직경은 3~10μm 일 수 있다. 탄소섬유 발열선(110)은 복수의 탄소섬유사가 수천에서 수만 가닥이 뭉쳐 있을 수 있다. 바람직하게는 3,000 내지 12,000 가닥의 범위일 수 있다.
또한, 시트(10)에 적용되는 탄소섬유 발열선(110)은 총 길이가 3~12m 정도일 수 있고, 탄소섬유 발열선(110)은 50~90℃ 온도일 수 있다. 이에, 탄소섬유 발열선(110)은 선저항이 0.3~2Ω/m일 수 있다. 금속 코팅층(120)은 탄소섬유 발열선(110)에 코팅되며, 전기 전도도가 높은 금속으로 이루어진다. 예를 들어, 니켈, 알루미늄, 구리, 백금, 주석, 카드뮴, 아연, 은, 금, 코발트 등 또는 이들 금속 중 2개 이상의 합금일 수 있다.
여기에서, 금속 코팅층(120)은 500nm 이하의 두께일 수 있다. 코팅층의 두께가 두꺼워질수록 유연성과 안정감이 감소되고 두께가 두꺼워질수록 저항 감소로 소비 전력이 증가되어 시트의 히터 발열체로 부적당함으로, 금속 코팅층(120)은 500nm 이하의 두께로 코팅될 수 있다.
또한, 탄소섬유 발열선(110)에 금속을 코팅하는 기술은 전해 도금 방법, 무전해 도금 방법, 스퍼터링 방법 등이 사용될 수 있으며, 이외에도 금속을 코팅할 수 있는 여러 코팅 방법이 사용될 수 있다.
또한, 금속 코팅층(120)은 단일의 코팅층 또는 이중의 코팅층일 수 있다.
단일의 코팅층의 경우, 금속 코팅층(120)은 300~500nm 두께의 Ni 또는 Cu로 이루어질 수 있다. 300~500nm 두께의 Ni로 단일층을 형성하여 시트용 발열체(100)의 저전력, 고유연성, 고내구성을 달성할 수 있다. 일례로, 도 2는 금속층이 코팅된 발열체의 주사전자현미경 (Scanning Electro Microscope, SEM) 사진이다. 100nm ~ 250nm 금속 코팅층이 비교적 균일하게 코팅되었음을 보여준다.
이중의 코팅층의 경우, 서로 상이한 금속으로 순차적으로 코팅되는 제1 및 제2 코팅층으로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 제1 코팅층이 Al 또는 Cu 중 하나로 이루어지고, 제2 코팅층이 Ni 또는 Sn 중 하나로 이루어질 수 있다. 일례로, 도 3은 제 1코팅층 과 제 2코팅증이 코팅된 발열체의 길이방향 주사전자 현미경 (Scanning Electro Microscope, SEM) 사진과 에너지 분산 분광분석 (Energy Dispersive Spectrometry, EDS) 분석 사진이다. 서로상이한 Cu 와 Ni 금속이 균일하게 코팅되었음을 보여준다. 이때, 상기 제1 코팅층이 50~400nm의 두께로 이루어지며, 상기 제2 코팅층이 50~100nm의 두께로 이루어질 수 있다. 이를 통해, 시트용 발열체(100)의 저전력, 고유연성, 고내구성을 달성할 수 있다.
보다 구체적으로, 시트(10)에서 발열온도 50~90℃가 필요하며, 적절한 소비 전력이 요구된다. 금속 코팅층의 두께에 따른 소비 전력 및 발열 온도가 아래의 표 1과 같다.
| 코팅 두께(nm) | 소비 전력(W) | 발열 온도(℃) |
| 0 | 1.2 | - |
| 50 | 3.2 | - |
| 100 | 18.8 | 43 |
| 300 | 48 | 70 |
| 500 | 65.4 | 92 |
| 800 | 90.6 | 117.33 |
표 1을 참조하면, 발열 온도 50~90℃를 달성하기 위해, 하나의 시트마다 45~60W의 에너지가 필요하다. 이에, 금속 코팅층(120)은 300~500nm 두께인 것이 바람직하다. 발열체의 코팅두께(nm) 가 300nm 미만일 경우 또는 500nm를 초과할 경우, 발열체의 발열온도(℃) 및 소비전력(W)은 바람직하지 않다.또한, 금속 코팅층(120)은 삼중의 코팅층일 수 있다.
구체적으로, 발열체에 효과적인 코팅을 위하여 Ni을 제1 코팅층으로 Cu를 제2 코팅층으로 구성할 수 있으며, 상기 제2 코팅층인 Cu의 산화 방지를 위해 Ni 또는 Cu를 제3 코팅층으로 구성될 수 있다. 즉, 금속 코팅층(120)은 순차적으로 코팅되는 제1 내지 제3 코팅층으로 이루어지며, 상기 제1 코팅층이 Ni로 이루어지고, 상기 제2 코팅층이 Cu로 이루어지고, 상기 제3 코팅층이 Ni 또는 Cr 중 하나로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 제1 코팅층이 40~60nm의 두께로 이루어지며, 상기 제2 코팅층이 150~300nm의 두께로 이루어지고, 상기 제3 코팅층이 30~120nm의 두께로 이루어질 수 있다.
아래의 표 2는 금속 코팅층의 두께에 따른 저항 (Ω), 비 저항 (Ω·cm), 그리고 전기전도도 (S/cm) 특성을 나타낸 것이다.
| 코팅 두께 (nm) | 저항 (Ω) | 비 저항 (Ω·cm) | 전기전도도 (S/cm) |
| Cu 200 | 2876 | 0.001176475 | 849.99 |
| Cu 200 / Ni 100 | 2281.48 | 0.0009082 | 1100.95 |
| Ni 50 / Cu 200 / Ni 100 | 788.73 | 0.00033905 | 2949.42 |
| Ni 50 / Cu 250 / Ni 50 | 574.93 | 0.000247144 | 4046.22 |
| Ni 50 / Cu 250 / Cr 50 | 597.1 | 0.00025669 | 3896 |
상술한 바와 같이, 금속 코팅층(120)은 300~500nm 두께로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 금속 코팅층(120)의 두께가 350nm 정도일 때 좋은 저항(Ω) 값과 전기전도도(S/cm) 특성을 나타 내었다.또한, Cu로 구성되는 단일 코팅층의 발열체와 Cu의 제1 코팅층과 Ni의 제2 코팅층으로 구성되는 발열체의 저항(Ω) 및 전기전도도(S/cm) 특성에 비해 Ni, Cu, Cr의 삼중의 코팅층으로 구성되는 발열체 또는 Ni, Cu, Ni의 삼중의 코팅층으로 구성되는 발열체의 저항(Ω) 및 전기전도도(S/cm) 특성이 더 좋게 나타났다.
또한, Ni, Cu, Cr의 서로 다른 금속 코팅층으로 구성된 발열체보다 Ni, Cu, Ni의 코팅층이 각각 50nm, 250nm, 50nm 두께로 구성된 발열체의 경우 가장 좋은 저항(Ω), 비 저항(Ω·cm), 전기전도도 (S/cm)특성을 나타내었다.
금속 코팅층(120)은 삼중 코팅층으로 하고, 금속 코팅층(120)의 두께가 350nm로 하며, Cu를 둘러싼 상하 코팅층은 동일한 금속으로 하는 것이 바람직하다. Cu 코팅층을 둘러싼 상하 코팅층은 Ni을 사용하며, Ni 코팅층의 두께는 동일한 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 표 2를 다시 참조하면, Ni, Cu, Ni의 코팅층이 각각 50nm(±10%), 250nm(±10%), 50nm(±10%) 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
이러한 금속 코팅층(120)을 구비한 탄소섬유 발열선(110)은 시트(10)에 적절하게 배열될 수 있으며, 하나의 시트(10)에 하나의 직렬 배열된 구조를 가질 수 있다. 또한, 하나의 직렬 배열된 구조를 2 라인(Line)으로 병렬 배열된 구조로 변경할 수도 있다. 예를 들어, 탄소섬유 발열선(110)이 6,000 가닥으로 이루어져 하나의 시트(10)에 하나의 탄소섬유 발열선(110)이 배열될 수 있고, 탄소섬유 발열선(110)이 3,000 가닥으로 이루어져 하나의 시트(10)에 2개의 탄소섬유 발열선(110)이 병렬 배열될 수 있다.
도 5는 절연층을 적층한 시트용 발열체의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 시트용 발열체(100)는 시트(10)에 함께 박음질되는 한 쌍의 절연층(130)을 더 포함할 수 있다. 여기에서, 한 쌍의 절연층(130)은 바인더(140)에 의해 접착될 수 있다.
절연층(130)은 시트(10)에 함께 박음질되어 시트용 발열체(100)의 고정 작업이 용이하게 이루어진다. 이러한 절연층(130)은 내열 특성에 따라 선택적으로 사용할 수 있다. 절연층(130)은 폴리머나 천연섬유 재질의 직조 또는 부직, 그물상 구조 등으로 이루어질 수 있으며, 셀룰로오스, 폴리아미드, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트 (PBT), 폴리페놀 포름알데히드(PF), 폴리비닐 알코올(PVOH), 폴리비닐클로라이드(PVC), 방향족 폴리아미드, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리우레탄(PU) 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나의 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 절연층(130)은 PET, PP, PE 등의 부도체 폴리머 또는 셀룰로오스를 포함하여 부직, 직조 등의 천 형태로 만든 것일 수 있다. 이때, 절연층(130)은 전도도를 향상시키기 위해, 상기 셀룰로오스, 폴리아미드, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리부틸렌 테레프탈레이트 (PBT), 폴리페놀 포름알데히드(PF), 폴리비닐 알코올(PVOH), 폴리비닐클로라이드(PVC), 방향족 폴리아미드, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리우레탄(PU) 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나의 재질을 세라믹 안료와 혼합 제조할 수 있다.
또한, 절연층(130)은 향균 작용과 심리안정 향기가 나는 피톤치드를 더 포함할 수 있다. 피톤치드라는 방향성 물질이 절연층(130)에서 발산됨으로써 인체에 건강한 작용을 한다. 여기에서, 시트외피도 피톤치드를 더 포함할 수 있다. 특히, 피톤치드량의 측정을 위해, 절연층(130)이나 시트외피에 IoT 측정센서(미도시)를 설치하고, 측정된 정보를 차량 등 시트가 설치되는 곳의 시스템에 전송하여 활용할 수 있다. 또한, 피톤치드로 이루어진 방향성 물질을 절연층(130)이나 시트외피에 함유시키는 것 외에, 탄소섬유 발열선(110) 또는 절연층(130)과 시트외피 사이에 피톤치드를 발생시키는 방향성 소재를 위치시킬 수 있다. 피톤치드는 탄소섬유 발열선(110)에서의 발열을 통해 빠르게 시트에 앉은 사용자에게 제공될 수 있다.
절연층(130)은 탄소섬유 발열선(110) 및 금속 코팅층(120)의 손상 방지와 전류 흐름을 방지하기 위하여 탄소섬유 발열선(110) 및 금속 코팅층(120)의 양면에 각각 적층된다. 즉, 절연층(130)은 상부에 적층되는 제1 절연층 및 하부에 적층되는 제2 절연층으로 이루어질 수 있다.
이러한 절연층(130)은 동일하게 제작되어 상부 및 하부 각각 붙일 수도 있지만, 열의 발산을 한 쪽 방향으로 집중시키기 위하여, 제1 절연층의 두께가 10~100μm이고, 제2 절연층의 두께가 500μm 이상으로 구성할 수 있다. 제1 절연층은 시트(10)에 앉는 사용자에 가깝게 위치하게 된다. 이때, 열의 발산이 필요 없고 보온이 필요한 방향에는 1mm 이상의 제2 절연층을 배치하여 열의 발산을 막고, 열의 발산이 필요한 시트(10)에 앉는 사용자 측 방향으로 10~500μm의 제1 절연층을 배치하여 열전달을 원활히 할 수 있다. 바람직하게는, 10~100μm사이의 박막 다공성 절연층을 구성함으로써, 전기적으로 절연시키고, 열전달을 빠르게 할 수 있다.
또한, 제1 절연층의 방사율이 0.9 이상이며, 제2 절연층의 방사율이 0.8 이하일 수 있다. PE, PP, PET 등의 투명 폴리머는 섬유화시키면 하얀색으로 보이지만 방사율은 0.5~0.8에 지나지 않는다. 이는 방사율이 0.9~0.98인 탄소섬유가 내는 원적외선을 충분히 흡수하지 못하고 반사시키게 된다. 그러므로, 에너지 효율의 상승을 위해, 열의 발산이 이루어지는 측에 위치한 제1 절연층은 방사율이 0.9 이상이 되도록 하는 것이 좋다. 이를 위해, 카본이나 세라믹 안료를 혼합하여 섬유를 제조하거나, 또는 카본이나 세라믹 안료를 코팅할 수 있다.
바인더(140)는 절연층(130)을 탄소섬유 발열선(110) 및 금속 코팅층(120)에 접착시키는 역할을 한다. 탄소섬유 발열선(110)의 잦은 굽힘으로 절연층(130)과 쉽게 분리될 수 있으므로, 바인더(140)가 절연층(130)이 들뜨지 않고 밀착될 수 있도록 한다.
이러한 바인더(140)는 폴리머 바인더 또는 고무계 바인더 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 고무계 바인더로 스티렌-이소프렌-스티렌, 스티렌-부타디엔-스티렌, 스티렌-에틸렌/프로필렌-스티렌, 스티렌/에틸렌-코-부타디엔/스티렌 및 스티렌-폴리(에틸렌-프로필렌)-스티렌-폴리(에틸렌-프로필렌)으로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상 선택될 수 있다. 또한, 폴리머계 바인더로 폴리에스터, 아크릴, ABS, 셀룰로오즈, 불화탄소, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스타일렌, 고무, 폴리염화비닐, 폴리비닐플루오라이드, 폴리아마이드, 폴리이미드, 우레탄으로 이루어진 군에서 적어도 하나 이상 선택될 수 있다.
도 6은 금속전극을 적용한 시트용 발열체의 단면도이다.
도 6을 참조하면, 시트용 발열체(100)는 탄소섬유 발열선(110)의 양단에 각각 연결되는 한 쌍의 금속전극(150)을 더 포함할 수 있다. 금속전극(150)은 구리, 알루미늄, 은, 니켈, 주석 등을 포함하는 금속 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 모양은 리본 또는 선 형태일 수 있다. 선 형태는 구리 와이어나 은도금 구리 와이어를 사용할 수 있다.
여기에서, 금속전극(150)이 탄소섬유 발열선(110)에 직접 접촉하는 것이 아니라, 금속 코팅층(120)에 접촉하여 탄소섬유 발열선(110)에 연결되는 것이 바람직하다. 이를 통해, 금속 코팅된 탄소섬유가 Non-Coating 탄소섬유에 비해 접촉 저항이 감소되므로, 금속전극(150)과 탄소섬유 발열선(110)의 경계에서 많이 발생하는 발열 집중 현상을 해소할 수 있다.
즉, 발열부의 역할을 하는 탄소섬유 발열선(110)과 전극부의 역할을 하는 금속전극(150)이 각기 서로 다른 비저항을 가지고 있고, 이 저항차에 의해 인가된 전압이 금속전극(150)을 지나 탄소섬유 발열선(110)으로 인가되는 경우, 둘 사이의 높은 접촉 저항으로 인해 급격히 전압이 감소하는 전압 강하 현상이 나타나고, 해당 접촉면에서의 단위면적당 발열량이 높아 발열 집중 현상이 발생할 수 있으나, 탄소섬유 발열선(110)의 외부에 코팅된 코팅층(120)에 의해 발열 집중 현상이 해소된다.
이때, 코팅층(120)의 금속의 비저항이 탄소섬유 발열선(110)의 탄소섬유사의 비저항보다 낮고, 금속전극(150)의 비저항보다 높은 것이 바람직하다. 예를 들어, 코팅층(120)은 탄소섬유 발열선(110)의 표면을 코팅하고, 금속전극(150)의 일단에 연결됨으로써, 금속전극(150)을 통해 인가된 전압을 통전할 수 있는 형태를 구성하며, 이에 전극부인 금속전극(150)의 저항과 발열부인 탄소섬유 발열선(110)의 저항 사이에 중간 저항 구역이 되어 급격한 전압강하에 따른 발열 집중 현상을 최소화할 수 있게 된다.
또한, 한 쌍의 금속 전극(150)은 나노구리 함유 전기전도성 잉크로 전극패턴이 인쇄될 수 있다. 일례로, 나노구리 인쇄 코팅층을 10~30μm 두께로 형성할 수도 있으며, 나노구리 인쇄는 전기전달에 적합하도록 직선이 아닌 곡선이나 일정 패턴을 형성 할 수 있다. 특히, 탄소섬유 발열선(110)이 선형이므로, 나노구리 인쇄에 의한 곡선형 전극이 유리하다.
그리고, 도면에는 도시하지 않았으나, 한 쌍의 금속 전극(150)은 전도성 폴리머 바인더에 의해 탄소섬유 발열선(110)을 둘러싼 금속 코팅층(120)에 접착되어 연결될 수 있다.
이러한 전도성 폴리머 바인더는 10~90 중량%의 폴리머 바인더, 10~90 중량%의 도전성 필러를 포함할 수 있다. 각 조성물의 사용량은 탄소섬유 발열선(110), 금속 코팅층(120), 금속전극(150)의 저항을 고려하여 전도성 폴리머 바인더의 비저항의 범위, 탄소섬유 발열선(110)의 밀도, 기공률 등을 고려하여 점도 등 목적에 적합하도록 사용될 수 있다. 폴리머 바인더의 경우, 아크릴레이트수지, 에폭시수지, 폴리에스터, 폴리우레탄, 폴리카보네이트, 폴리아마이드, 폴리이미드 및 폴리에테르 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 또한, 도전성 필러는 나노구리, 나노실버, 실버나노와이어, 탄소나노튜브, 카본블랙, 분쇄탄소섬유 등과 같은 분말이 사용될 수 있다.
도 7은 반복굽힘 테스트의 진행 과정을 촬영한 사진이다.
도 7을 참조하면, 구리선에 탄소섬유가 테이핑된 발열체를 중앙에 잡고 일정 반경의 원통을 따라 반복적으로 180도 왕복 굽힘 시험을 실시하였다. 그 결과, 약 10,000회 이상 왕복 굽힘에 견디었으며 일반적인 구리선의 경우 최대 반복 굽힘 횟수가 3,000회 이하 수준인 것을 감안했을 때 그 값이 매우 높은 것을 확인하였다. 반복 굽힘 테스트 결과로 볼 때, 시트 히터의 발열체로서 기존 은도금 구리선, 니크롬선, 구리선 등을 대체할 경우에 매우 높은 내구성 보강 효과를 가져올 것으로 기대된다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 시트용 발열체
110: 탄소섬유 발열선 120: 금속 코팅층
130: 절연층 140: 바인더
150: 금속전극
110: 탄소섬유 발열선 120: 금속 코팅층
130: 절연층 140: 바인더
150: 금속전극
Claims (10)
- 시트에 박음질되는 시트용 발열체에 있어서,
복수의 탄소섬유사로 이루어진 탄소섬유 발열선;
상기 탄소섬유 발열선에 코팅되는 금속으로 이루어진 금속 코팅층; 및
나노구리 함유 전기전도성 잉크로 전극패턴이 인쇄되고, 상기 금속 코팅층에 접촉하여 상기 탄소섬유 발열선의 양단에 각각 연결되는 한 쌍의 금속전극을 포함하는, 시트용 발열체. - 제 1항에 있어서,
상기 금속 코팅층은,
300~500nm 두께의 Cu로 이루어지는, 시트용 발열체. - 제 1항에 있어서,
상기 금속 코팅층은,
서로 상이한 금속으로 순차적으로 코팅되는 제1 및 제2 코팅층으로 이루어지며,
상기 제1 코팅층이 Al 또는 Cu 중 하나로 이루어지고, 상기 제2 코팅층이 Ni로 이루어지는, 시트용 발열체. - 제 3항에 있어서,
상기 금속 코팅층은,
상기 제1 코팅층이 50~400nm의 두께로 이루어지며,
상기 제2 코팅층이 50~100nm의 두께로 이루어지는, 시트용 발열체. - 제 1항에 있어서,
상기 금속 코팅층은,
순차적으로 코팅되는 제1 내지 제3 코팅층으로 이루어지며,
상기 제1 코팅층이 Ni로 이루어지고, 상기 제2 코팅층이 Cu로 이루어지고, 상기 제3 코팅층이 Ni 또는 Cr 중 하나로 이루어지는, 시트용 발열체. - 제 5항에 있어서,
상기 금속 코팅층은,
상기 제1 코팅층이 40~60nm의 두께로 이루어지며,
상기 제2 코팅층이 150~300nm의 두께로 이루어지고,
상기 제3 코팅층이 30~120nm의 두께로 이루어지는, 시트용 발열체. - 제 1항에 있어서,
상기 탄소섬유 발열선은,
상기 탄소섬유사의 선저항이 0.3~2Ω/m인, 시트용 발열체. - 제 1항에 있어서,
상기 탄소섬유 발열선은,
2 라인 병렬 배열 구조인, 시트용 발열체. - 삭제
- 삭제
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|---|---|---|---|
| KR1020180054858A KR102044197B1 (ko) | 2018-05-14 | 2018-05-14 | 시트용 발열체 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180054858A KR102044197B1 (ko) | 2018-05-14 | 2018-05-14 | 시트용 발열체 |
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| KR1020180054858A KR102044197B1 (ko) | 2018-05-14 | 2018-05-14 | 시트용 발열체 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114641101A (zh) * | 2020-12-15 | 2022-06-17 | 安徽宇航派蒙健康科技股份有限公司 | 一种电热器件的制备方法 |
| KR20220141558A (ko) * | 2021-04-13 | 2022-10-20 | 현대트랜시스 주식회사 | 에너지 효율이 향상된 자동차용 시트히터 |
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2018
- 2018-05-14 KR KR1020180054858A patent/KR102044197B1/ko active IP Right Grant
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