KR102167964B1 - 다양한 기판에 적용 가능한 면상발열체. - Google Patents

Abstract

본 발명은 다양한 기판에 적용 가능한 면상 발열체에 관한 것으로서, 기재, 상기 기재의 표면에 형성되는 발열 패턴, 상기 발열 패턴을 덮도록 형성되는 절연층을 포함하며, 상기 절연층은 접착제 조성물에 의해 형성되며, 상기 접착제 조성물은 결착 수지, 절연체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다양한 기판에 적용 가능한 면상발열체.{HEATING ELEMENT APPLICABLE TO VARIOUS SUBSTRATES}

본 발명은 금속, 플라스틱, 유리 등의 다양한 기판에 적용 가능한 면상발열체에 관한 것으로, 다양한 기판에 면상발열체를 적용하여 다양한 분야에서 목적에 맞게 적은 전력소모로 넓은 영역에 고른 온도분포를 구현할 수 있는 면상발열체에 관한 것이다.

면상 발열체는 통전에 의해 복사열을 발생시키기 때문에 효율적이면서도 안정적인 발열이 가능하므로 다양한 분야에 적용되고 있다. 예를 들어, 바닥 난방 등의 주거용, 산업용 난방장치, 프린팅 건조 및 도장 건조 등 각종 산업용 가열장치, 비닐하우스와 축사, 농산물 건조시스템과 같은 농업용 설비, 도로나 주차장의 눈을 녹이는 동결방지장치, 차량의 윈드실드 등에 이용되고 있다.

이러한 면상 발열체의 용도를 다양화하기 위해서는 면상 발열체를 다양한 기판에 범용적으로 활용할 수 있도록 할 필요가 있다. 예를 들어, 차량의 윈드실드와 같은 유리 기재에 적용할 경우 시인성 확보를 위해 투명 면상 발열체를 사용하게 되며, 이러한 투명 면상 발열체는 저전력에서도 구동할 수 있고 접착 공정에 의한 시인성 불량이 없어야 한다.

윈드쉴드에 발열체를 내장하는 종래기술은 도전성 재료인 은(Ag)을 적용하는 것으로서, 대한민국 공개특허공보 10-2012-0007231호에서는 실버 페이스트를 차량용 유리의 표면에 일정 간격으로 인쇄하여 발열체로서 적용하고 있으며, 대한민국 공개특허공보 10-2013-0059644호에서는 잉크젯 인쇄 방식으로 유리 표면에 발열체를 인쇄하는 기술이 개시되어 있다. 또한, 대한민국 등록특허공보 10-1178863호에서는 차량용 유리에 블랙 에나멜로 인쇄된 투명 기판의 미인쇄 영역에 실버 페이스트를 인쇄하여 열선으로 적용하는 기술이 개시되어 있다.

이와 같은 발열체는 나노 소재를 기반으로 하고 있어 가격 문제로 고급 차종에만 제한적으로 적용되고 있으며, 저가의 텅스텐 와이어를 사용하는 경우 시인성이 저하되는 문제점이 있다.

따라서 다양한 기판에 적용할 수 있으면서도 시인성 및 발열 성능이 양호한 면상 발열체에 대한 개발이 필요한 실정이다.

대한민국 공개특허공보 10-2012-0007231호 대한민국 공개특허공보 10-2013-0059644호 대한민국 등록특허공보 10-1178863호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 금속, 플라스틱, 유리 등의 다양한 기판에 적용이 가능하며, 전력 소모가 적고 내구성 및 시인성이 우수한 투명 면상 발열체를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 면상 발열체는 기재, 상기 기재의 표면에 형성되는 발열 패턴, 상기 발열 패턴을 덮도록 형성되는 절연층을 포함하며, 상기 절연층은 접착제 조성물에 의해 형성되며, 상기 접착제 조성물은 결착 수지, 절연체를 포함하여 구성됨으로써 다양한 기판에 적용이 가능한 특성을 나타낸다.

또한, 상기 절연층 상에 이형필름이 추가적으로 적층될 수 있다.

또한, 상기 절연체는 절연성 수지 입자 또는 절연성 카본 입자일 수 있다.

본 발명의 투명 면상 발열체는 금속, 플라스틱, 유리 등의 다양한 기판에 적용이 가능하며, 전력 소모가 적고 내구성 및 시인성이 우수한 효과를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 면상 발열체의 구조를 나타낸 단면도이다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명에 따른 면상 발열체는 도 1에 도시된 바와 같이 기재, 상기 기재의 표면에 형성되는 발열 패턴, 상기 발열 패턴을 덮도록 형성되는 절연층을 포함하며, 상기 절연층은 접착제 조성물에 의해 형성되며, 상기 접착제 조성물은 결착 수지, 절연체를 포함하여 구성된다.

상기 면상 발열체의 표면에 형성된 상기 절연층은 다양한 형태의 기판에 접합되어 기판에 발열 패턴을 형성하는 역할을 하게 된다. 이때, 상기 기판은 금속, 플라스틱, 세라믹 또는 유리 재질의 기판을 들 수 있으며, 상기 플라스틱 기판은 필름 또는 가요성 기판을 포함할 수 있다. 상기 절연층은 기판이 통전되는 재질의 경우에도 상기 발열 패턴을 흐르는 전기가 누전되지 않도록 하는 역할도 동시에 수행하게 된다.

따라서 상기 절연층은 접착력, 내구성, 접합 후의 시인성, 기판과의 상용성이 우수한 접착제 조성물로 이루어져야 하며, 상기 절연층은 투명 절연층으로 구성되는 것이 바람직하며, 또한, 용도에 따라 불투명의 유색 절연층으로 구성할 수도 있다.

또한, 상기 절연층 상에 이형필름이 추가적으로 적층될 수 있는데, 상기 이형필름이 형성됨으로써 기판에 설치할 때 상기 이형필름을 제거한 후 상기 기판의 표면에 상기 면상 발열체를 부착하고 상온에서 가압하는 것만으로 간단히 설치할 수 있다.

상기 면상 발열체를 구성하는 상기 기재는 투명 또는 불투명 기재로서 발열 패턴을 보호하며 시인성을 확보할 수 있어야 하고 다양한 형태의 기판 표면에 접합 가능해야 하므로 실리콘 기판이나 고분자 기판을 사용할 수 있으며, 표면 가요성이 불필요한 것우에는 유기 기판을 사용할 수도 있다.

상기 발열 패턴은 통상의 면상 발열체에 적용되는 발열 물질을 패턴으로 인쇄하여 형성할 수 있다. 이는 통상적으로 사용되는 실버 페이스트, 구리 페이스트 등을 사용하여 형성할 수 있다. 또한, 상기 발열 패턴에 전기를 공급할 수 있도록 상기 면상 발열체의 말단에서 상기 발열 패턴에 전극이 연결될 수 있다.

또한, 절연층은 상기 발열 패턴을 보호하되 상기 발열 패턴과 기판이 통전되지 않도록 하기 위한 것으로서 기판의 표면에 접합될 수 있도록 접착제 조성물로 이루어지게 된다. 상기 접착제 조성물은 결착 수지, 절연체를 포함하는 것으로서, 필요에 따라, 자외선 차단제, 광 확산제, 산화 방지제, 안료 등의 첨가제를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 결착 수지는 접착력과 내구성을 구비한 것으로서, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리이미드, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈렌, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리술폰, 폴리에테르, 폴리에테르이미드, 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 아크릴 수지, 내열성 에폭시 수지, 초산비닐수지, 부틸 고무수지, 폴리아릴레이트, 가교된 폴리(4-비닐페놀), 폴리디메틸실록산, 실리콘 수지 중에서 선택되는 수지를 1종 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 특히, 시인성과 접착성을 고려하여 자외선 경화형 광학수지를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 절연체로는 폴리에틸렌 및 그 공중합체, 폴리스티렌 및 그 공중합체, 폴리메틸메타크릴레이트 및 그 공중합체, 폴리비닐클로라이드 및 그 공중합체, 폴리카보네이트 및 그 공중합체, 폴리프로필렌 및 그 공중합체, 아크릴산에스테르계 고무, 폴리비닐아세탈, 폴리비닐부티랄, 아크릴로니트릴-부타디엔 공중합체, 페녹시 수지, 열가소성 에폭시 수지, 폴리우레탄 및 실리콘 고무에서 선택되는 절연성 수지 입자 또는 절연성 카본 입자를 사용할 수 있다. 특히, 바람직하게는 절연성 카본을 사용함으로써 절연 효과를 향상시킬 수 있다.

이때, 상기 절연성 카본과 함께 층간 화합물의 일종인 H₂Ti₃O₇(HTO)를 부가하면 내구성과 함께 다양한 기판에 대한 상용성이 향상되는 것으로 나타났다. 상기 HTO는 절연성 카본과 함께 사용될 때 절연성 카본 입자의 고정 효과를 향상시키기 때문에 절연층을 안정화시킬 수 있는 것으로 나타났다. 특히, 상기 절연성 카본 및 HTO는 1:0.5 내지 1:1의 중량비로 배합되는 것이 바람직한 것으로 나타났다. 상기 범위에서 HTO를 부가하면 절연층의 절연 효과가 우수한 것으로 나타나 금속 기판에 면상 발열체를 접합할 때 발생하는 불량률이 15 내지 20% 정도 저감되는 것으로 나타났다.

다만, HTO의 함량이 너무 많은 경우 절연 성능이 감소하는 것으로 나타났고, HTO의 함량이 너무 적은 경우에는 절연성 카본만을 사용할 때와 효과면에서 차이가 없는 것으로 나타났다. 이러한 HTO의 첨가에 따른 효과는 Li₂Ti₃0₇가 이온 전도성을 이용하여 Li+/H+ 이온 교환을 통해 H₂Ti₃O₇가 형성되는 점을 고려해 볼 때, 절연성 카본 입자와의 사이에서 계면 전기적 상호작용이 일어나고 이를 통해 절연성 카본 입자를 안정화시키는 효과가 있기 때문으로 추측된다.

또한, 상기 절연체로는 도전성이 없으면서도 패턴 보호에 효과가 있는 Li, Mg, Ca, Ba, Sr, Si, Al, La 중 어느 하나 또는 그 이상의 금속 산화물 입자를 함유할 수 있으며, 바람직하게는 실리콘 산화물 입자를 함유하는 경우 절연성과 기판과의 상용성 면에서 우수한 효과를 나타낼 수 있다.

또한, 추가적으로 함유될 수 있는 상기 자외선 차단제로는 벤조트리아졸계의 자외선 차단제를 사용하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 하이드록시페닐 벤조트리아졸계의 자외선 차단제를 사용할 수 있다.

또한, 상기 광 확산제는 시인성 향상 및 내구성을 고려하여 실리콘계 광 확산제를 사용할 수 있는데, 상기 실리콘계 광 확산제는 폴리메틸실세스퀴옥산, 폴리에틸실세스퀴옥산, 폴리프로필실세스퀴옥산, 폴리부틸실세스퀴옥산 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 폴리오르가노실세스퀴옥산을 포함할 수 있다.

또한, 상기 산화 방지제는 물성 변화를 방지하기 위하여 첨가되는 것으로서 퀴논류, 아민류, 페놀류 등을 들 수 있으며, 바람직하게는 페닐-β-나프틸아민, 방향족 아민류, 하이드로 퀴논 중 어느 하나를 들 수 있다.

또한, 상기 면상 발열체가 투명이 아닌 유색으로 구성될 수 있는데, 이 경우 다양한 안료 입자를 부가하여 색상을 구현할 수도 있다. 이러한 안료로는 통상의 컬러 색상을 구현하는 무기 또는 유기 안료를 사용할 수 있으며, 실리카, 산화티탄과 같은 백색 안료, 카본블랙과 같은 흑색 안료를 포함할 수도 있다.

본 발명의 면상 발열체는 금속, 플라스틱, 세라믹 또는 유리 재질 등의 다양한 기판에 범용적으로 적용되는 것이므로, 상기 면상 발열체를 기판에 부착한 후 광 소결, UV 경화, 고온 소결, 열 경화 등의 방법에 의해 접합할 수 있으며, 이러한 접합 방법에 따라 상기 자외선 차단제 외에도 광경화성 수지, 열경화성 수지 등을 추가적으로 부가할 수도 있다.

상기 면상 발열체를 구성하는 절연층은 800×800㎜ 기판을 기준으로 50 내지 100g의 양으로 도포되며, 도포 두께는 50 내지 100㎛를 이루게 된다. 상기 도포 두께를 형성하기 위하여 필요에 따라 상기 접착제 조성물을 2회 이상 반복 도포할 수 있다.

또한, 상기 절연층을 구성하는 상기 접착제 조성물은 결착 수지 20 내지 40 중량%, 절연체 50 내지 60 중량%, 자외선 차단제 1 내지 10 중량%, 광 확산제 1 내지 10 중량%, 및 산화 방지제 1 내지 10 중량%로 구성될 수 있다.

특히, 상기 절연체의 함량이 50 중량% 미만인 경우에는 절연 성능이 불충분하여 부분적인 누전 등의 불량이 발생할 가능성이 높으며, 절연체의 함량이 60 중량%를 초과하여 너무 많으면 접착력이 저하되어 기판에 대한 범용성이 떨어지는 것으로 나타났다.

본 발명에 따른 면상 발열체에 대하여 시험평가를 실시한 결과, 제상능력, 투과도, 헤이즈 값, 발열량, 고온고습 내구성, 저온 내구성, 내약품성, 온도 분포 균일성, 부착 안정성이 모두 우수한 것으로 나타났다.

시험평가를 위하여 제조한 면상 발열체는 기재로서 투명 PET 필름 기재를 준비하고, 상기 기재 상에 Ag 페이스트로 발열 패턴을 인쇄한 후 상기 발열 패턴 위에 접착제 조성물을 60㎛ 두께로 도포하여 절연층을 형성함으로써 제조하였다. 상기 접착제 조성물은 아크릴계 광학 수지(optical clear resin, OCR) 30 중량%, 절연성 카본 및 HTO를 1:0.8의 중량비로 배합한 절연체 55 중량%, 하이드록시페닐 벤조트리아졸계의 자외선 차단제 5 중량%, 폴리오르가노실세스퀴옥산 6 중량%, 페닐-β-나프틸아민 4 중량%로 이루어진 접착제 조성물을 사용하였다.

상기 제상능력은 시료를 -20℃, 90%RH의 저온 조건에서 4시간 담그는 시험, 유리의 외측면에 물 0.046g/㎠을 스프레이 건으로 분무하는 시험, -20℃에서 1시간 동안 담근 후 성에 균일 유무의 확인 시험, 전압 인가 후 5, 12, 15, 20분에서의 제상 능력 평가를 통해 평가했으며, ES-96110-01의 시험규격을 만족하는 것으로 나타났다.

상기 투과도는 UV-VIS-NIR 분광분석기를 사용하여 550㎚의 가시광선 투과율을 측정하였으며 KS L 2007 2514/JIS K 7105의 시험규격을 만족하는 것으로 나타났다.

상기 헤이즈 값은 헤이즈미터를 사용하여 측정하였으며, ASTM D 1003/JIS K 7105의 시험규격을 만족하는 것으로 나타났다.

상기 발열량은 전압 인가 후의 표면 저항을 측정하여 얻었으며, KS C IEC 60093의 시험규격을 만족하는 것으로 나타났다.

상기 고온고습 내구성은 80℃, 75%RH에서 48시간 방치한 후의 면 저항을 측정하여 초기 면 저항에 대한 변화 정도를 평가하였으며, KS C IEC 60068의 시험규격을 만족하는 것으로 나타났다.

상기 저온 내구성은 -20℃에서 48시간 방치한 후 시료의 면 저항을 측정하여 초기 면 저항에 대한 변화 정도를 평가하였으며, KS C IEC 60068의 시험규격을 만족하는 것으로 나타났다.

상기 내약품성은 내산성 평가를 위하여 1% HCl 용액을 사용하고, 내염기성 평가를 위하여 5% NaOH 용액을 사용하였으며, 시료를 15분 간 침지한 후 백화 현상, 부식 현상 등의 외형의 이상을 평가하였다. 그 결과 KS D 9502의 시험규격을 만족하는 것으로 나타났다.

상기 온도 분포 균일성은 전체 유리 면적의 온도 분포를 측정하여 평가하였으며 그 결과 30초 후부터 유리 전체의 균일한 온도 분포가 달성되는 것을 확인하였다.

또한, 상기 면상 발열체를 차량 유리, PET 가요성 필름, 콘크리트 시편, SUS 시편, 알루미나 타일에 각각 부착하고 시편을 90°각으로 박리시키면서 강도를 측정한 결과, 각각 0.18, 0.22, 0.13, 0.16, 0.15 N/㎟으로 측정되어 통상적인 사용에 있어서 박리가능성이 거의 없는 것을 확인하였다.

특히, 상기 면상 발열체의 전력 소모량이나 제상 효과, 시인성을 고려하면 차량용 유리와 같은 용도에 적용하더라도 효율적인 작동을 할 수 있으며, 특히 저전력 구동이 필요한 전기 자동차 또는 수소 자동차의 차량용 유리에 적용하면 더욱 효과적일 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

Claims (3)

1. 기재;
   상기 기재의 표면에 형성되는 발열 패턴;
   상기 발열 패턴을 덮도록 형성되는 절연층;
   을 포함하며,
   상기 절연층은 접착제 조성물에 의해 형성되며,
   상기 접착제 조성물은 결착 수지, 절연성 카본 및 H₂Ti₃O₇(HTO)를 1:0.5 내지 1:1의 중량비로 배합한 절연체를 포함하는 것을 특징으로 하는 면상 발열체.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 절연층 상에 이형필름이 추가적으로 적층되는 것을 특징으로 하는 면상 발열체.
   
3. 삭제

Images