KR102175827B1 - 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 유리 전이(glass transition) 온도 200℃ 이하의 내열성 및 고분자 기반의 유연 기판; 상기 유연 기판의 상면에서 서로 이격되게 배치되고, 전기적으로 도전 가능하게 연결 및 연장되어 있는 도전성 메시부; 상기 도전성 메시부의 사이 공간을 기준으로 상기 유연 기판의 상면에 형성되어 있는 격벽; 및 상기 도전성 메시부를 덮을 수 있도록, 3D 프린팅 장치로 세라믹 소재를 상기 격벽의 사이에 충진함에 의해서, 상기 유연 기판의 상면에 형성되며, 상기 격벽에 의해 서로 구획되며, 상기 유연 기판의 상면에 다수로 배열되어 있는 히팅 블록부;를 포함한다.
Description
본 발명은 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저항과 경도가 높은 세라믹 재질의 히팅 블록부와, 저저항을 갖는 금속 메시(mesh) 중공 구조의 도전성 메시부, 및 유연성(flexible)과 늘림성(stretchable)을 갖는 유연 기판을 구비함으로써, 세라믹을 이용한 히터 제품에서 균열 및 파괴 현상을 개선할 수 있게 한 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 세라믹 소재 또는 재질은 높은 경도 특성을 가지고 있으므로, 평활하지 않는 평면, 즉 곡면 또는 웨이브 형상의 표면 혹은 요철 형상의 표면을 갖는 사용처에서 적용하기 어려운 특성이 있다.
즉, 세라믹 소재는 재질 및 구조상 고분자 기반의 유연 기판과의 기계적 특성(예: 인장강도, 연신율, 신축성, 열팽창계수 등)의 차이가 서로 매우 상이하기 때문에 휨이나 잡아당김 등의 기계적 거동에 의해 균열이나 파괴가 일어나서 신뢰성이 낮은 단점이 있다.
또한, 종래 기술에서 히터 제품에 실리콘 탄화물 등 저항이 높은 분말을 사용할 경우에는 인가 전력이 높고 저항이 높아 소비전력이 많이 들고 발열 효율이 떨어진다.
특히, 종래 기술의 세라믹 히터는 히터 재질의 저항을 낮추기 위해 400℃ 이상의 높은 열처리 온도를 필요로 하고, 이를 고분자 기반의 유연 기판에 적용하는 것은 불가능할 수 있다. 그 이유는 고분자 기반의 유연 기판이 유리 전이(glass transition) 온도가 200℃ 이하로 매우 낮아서, 그 이상의 온도 인가시, 변형이나 용융 등 기판 손상이 발생되기 때문이다.
종래 기술에 따른 고강도, 고열전도성 히터용 세라믹 기판은 기존의 니켈크롬선, 칸탈선 등의 금속히터에서 정밀 온도제어가 어렵고 열선의 산화에 의해 쉽게 단락되고, 소비전력이 높은 단점을 보완하면서, 세라믹 히터의 가열 또는 냉각 과정 중 파괴되는 현상을 보완하기 위한 것으로서, 고순도 알루미나에 카올린, 칼사이트, 탈크를 중량비로 7∼12%, 지르콘, 뮬라이트, 보론나이트라이드, 알루미늄나이트라이드를 2∼5% 첨가하여 소성하고, 소성후 히터용 세라믹 기판의 전체 알루미나의 순도가 88∼96%인 기판 제품이다.
그러나, 종래 기술은 강도와 열전도율을 증가시켰지만, 평활하지 않는 곡면이나 요철면 등에서 밀접하게 접촉할 수 없으며, 히터를 해당 비평활 접촉면에 가압할 경우, 휨변형으로 인한 균열 및 파괴가 일어나는 단점이 있다.
본 발명 목적은, 상기와 같은 실정을 감안하여 제안된 것으로, 저항과 경도가 높은 세라믹 재질의 히팅 블록부와, 저저항을 갖는 금속 메시 중공 구조의 도전성 메시부, 및 유연성(flexible)과 늘림성(stretchable)을 갖는 유연 기판으로 이루어진 복합체 구조물로서, 다수개로 이루어진 히팅 블록부가 유연 기판 위에 설치되어 있으면서 격벽에 의해 구획되어 불연속 구조물을 형성함으로써, 히터 제작 또는 사용시 발생할 수 있는 균열 및 파괴 현상을 개선할 수 있고, 높은 저항으로 인해 발생할 수 있는 발열 효율 저하를 방지할 수 있고, 히터의 사용 온도의 한계를 높일 수 있으므로, 종전 세라믹 히터 제품에 비해 상대적으로 낮은 전력으로 높은 온도를 구현할 수 있는 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의한 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터는, 유리 전이(glass transition) 온도 200℃ 이하의 내열성 및 고분자 기반의 유연 기판; 상기 유연 기판의 상면에서 서로 이격되게 배치되고, 전기적으로 도전 가능하게 연결 및 연장되어 있는 도전성 메시부; 상기 도전성 메시부의 사이 공간을 기준으로 상기 유연 기판의 상면에 형성되어 있는 격벽; 및 상기 도전성 메시부를 덮을 수 있도록, 3D 프린팅 장치로 세라믹 소재를 상기 격벽의 사이에 충진함에 의해서, 상기 유연 기판의 상면에 형성되며, 상기 격벽에 의해 서로 구획되며, 상기 유연 기판의 상면에 다수로 배열되어 있는 히팅 블록부;를 포함한다.
본 발명은 상기 유연 기판의 일측 상면에 부착되며, 상기 도전성 메시부에 전원을 인가하는 커넥터를 더 포함한다.
상기 히팅 블록부는, 동일 형상 및 크기의 삼각형, 사각형, 육각형, 팔각형, 블록 배열이 가능한 다각형, 육각형, 팔각형 및 보로노이 다이어그램형(voronoi diagram form) 중 어느 하나의 형상을 갖는 기본 블록부, 및 상기 기본 블록부에서 상기 커넥터를 설치하기 위한 안착홈을 형성하고 있는 커넥터 블록부로 이루어질 수 있다.
상기 히팅 블록부는, 상기 유연 기판의 휨변형에 따라 원호 방향으로 이격되고, 상기 격벽의 측면이 상기 히팅 블록부의 측면과 이격됨에 따라 불연속 구조물이 될 수 있다.
상기 격벽은, 상기 격벽의 측면이 상기 히팅 블록부의 측면과 분리 가능하게 접촉되어 있고, 상기 히팅 블록부의 높이 보다 상대적으로 높게 형성되어서, 상기 3D 프린팅 장치에 의해 충진되는 세라믹 소재의 범람을 방지하고, 상기 히팅 블록부로부터 열을 전달 받아 피동적으로 가열되는 보조 히팅 수단이 될 수 있다.
상기 도전성 메시부는, 금속 재질로 이루어지며, 그물 형상, 허니컴 형상, 구멍 형상의 표피부와, 상기 도전성 메시부의 중심에서 상기 도전성 메시부의 길이 방향으로 연장된 중공부를 형성하고 있을 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의한 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터의 제조방법은, 유리 전이(glass transition) 온도 200℃ 이하의 내열성 및 고분자 기반의 유연 기판을 준비하는 단계; 상기 유연 기판의 상면에 도전성 메시부를 형성하고, 저저항 성질을 갖도록, 온도 200℃ 이하의 저온으로 상기 도전성 메시부를 열처리하는 단계; 상기 도전성 메시부의 사이 공간을 기준으로 상기 유연 기판의 상면에 다수의 격벽을 형성하는 단계; 및 상기 도전성 메시부를 덮을 수 있도록, 3D 프린팅 장치로 상기 격벽의 사이에 세라믹 소재를 각각 충진하여서, 상기 유연 기판의 상면에 히팅 블록부를 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 격벽을 형성하는 단계와 상기 히팅 블록부를 형성하는 단계의 사이에는, 열에 의해 박리되거나 분리되고, 상기 세라믹 소재가 상기 격벽에 고착되는 것을 방지하기 위한 고착방지커버를 상기 격벽의 외표면에 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터는, 유연 기판 위에서 세라믹 소재 기반 히팅 영역에 해당하는 다수의 히팅 블록부가 격벽에 의해 구획되어서 불연속 구조물을 형성하고 있으므로, 휨이나 늘어남 등 기계적 변형에도 균열이나 파괴 등의 기계적 손상을 획기적으로 최소화시킬 수 있고, 히터 제품 내구성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 의한 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터는, 세라믹 소재에 대한 휨변형으로 인한 균열 및 파괴를 방지하도록, 불연속 구조물 형태의 히팅 블록부를 사용하면서, 히팅 블록부와 유연 기판의 사이에 저온 열처리되어 도전될 수 있는 금속 메시 패턴 또는 금속 메시 중공 구조를 갖는 도전성 메시부를 구비하고 있다. 이때, 본 발명의 유연 기판이 휨변형 등에 노출되더라도, 유연 기판 위의 본 발명의 도전성 메시부는 원활하게 전기를 인가 받을 수 있고, 신뢰성 있는 도전 경로의 역할을 수행할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 의한 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터는, 도전성 메시부가 격벽으로부터 이격되거나 어긋난 위치를 기준으로 세라믹 재질의 히팅 블록부의 저부에 배치되어 있고, 유연 기판에게 영향을 끼치지 않은 저온(예: 온도 200℃ 이하)의 열처리가 가능하여 저저항을 가질 수 있다.
이러한 본 발명의 히터는, 히팅 블록부에 의한 높은 저항으로 인해 발생하는 발열 효율 저하를 미연에 방지하고, 그 결과 상대적으로 사용 온도의 한계를 높일 수 있는 장점이 있다. 즉, 본 발명에 따른 히터층은 상기 히팅 블록부와 상기 저온 열처리된 도전성 메시부와 같은 복합체로 이루어져 있으므로 저저항의 히터층을 구현할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터의 제조방법은, 격벽 또는 도전성 메시부를 유연 기판 위에 먼저 형성한 후, 히팅 블록부가 3D 프린팅 장치에 의해 격벽 사이의 공간을 통해서 도전성 메시부와 합체되도록 유연 기판에 형성됨으로써, 일측 히팅 블록부의 세라믹 입자들과 타측 히팅 블록부의 세라믹 입자들이 격벽을 기준으로 서로 분리 배치될 있다.
본 발명의 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터의 제조방법은, 세라믹 입자들이 각 히팅 블록부 형태로 격벽에 의해 구획되어서, 세라믹 재질에 따른 균열을 최소화시킬 수 있게 형성되어 있고, 이에 따라 균열이 최소화된 각각의 히팅 블록부들이 균일한 발열 특성을 가지게 되고, 그 결과 히터의 전 지역에 걸쳐서 균일한 발열 성능을 발휘할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 히터에서 히팅 블록부와 격벽 및 커넥터를 분리 도시한 평면도.
도 3은 본 발명의 응용예에 따른 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터의 평면도.
도 4 내지 도 9는 도 1에 도시된 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터의 제조방법을 설명하기 위한 단면도.
도 10은 도 9의 히터에 휨변형이 가해질 때의 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 히터에서 히팅 블록부와 격벽 및 커넥터를 분리 도시한 평면도.
도 3은 본 발명의 응용예에 따른 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터의 평면도.
도 4 내지 도 9는 도 1에 도시된 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터의 제조방법을 설명하기 위한 단면도.
도 10은 도 9의 히터에 휨변형이 가해질 때의 단면도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 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 기재에 의해 정의된다.
한편, 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 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자에 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가함을 배제하지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 히터에서 히팅 블록부와 격벽 및 커넥터를 분리 도시한 평면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예는 면상 발열이 가능하면서도, 휨이나 잡아당김 등의 기계적 거동에 의한 균열이나 파괴를 최소화 할 수 있는 패드 또는 플레이트 구조의 히터일 수 있다.
즉, 본 실시예는 유연 기판(100), 도전성 메시부(200), 격벽(300), 히팅 블록부(400), 커넥터(500)를 포함하여, 유연성(flexible)과 늘림성(stretchable)을 갖는 저저항 세라믹 금속 복합체 구조물로 상호 결합되거나, 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터가 될 수 있다.
유연 기판(100)은 격벽(300) 및 히팅 블록부(400)의 전체 평면적에 비하여 상대적으로 큰 평면적을 갖는다. 유연 기판(100)은 연성 기판 또는 가요성 기판 등으로 호칭될 수 있고, 본 발명의 유연 스트레처블 기반이 될 수 있다.
유연 기판(100)은 격벽(300) 및 히팅 블록부(400)의 측면보다 평면 방향으로 더 돌출되고 서로 연결된 폭방향 테두리부(101)와 길이방향 테두리부(102)를 더 포함한다.
유연 기판(100)은 유리 전이(glass transition) 온도 200℃ 이하의 내열성 고분자 기반의 소재로 이루어져 있다. 즉, 유연 기판(100)은 유리 전이 온도 200℃ 이하 120℃ 이상의 내열성 고분자 기반의 소재 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
예컨대, 유연 기판(100)용 내열성 고분자 기반의 소재는, 주재로서 PET(polyethylene terephthalate), PEN(polyethylene naphthalate), PI(polyimide) 고분자를 포함하고, 보조재로서 실리콘계 고무, 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 부타디엔계 고무, 이소프렌계 고무, 클로로프렌 고무, 네오프렌 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔 삼원 공중합체, 스티렌-에틸렌-부틸렌-스티렌(SEBS) 블록 공중합체, 스티렌-에틸렌-프로필렌-스티렌(SEPS) 블록 공중합체, 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(Acrylonitrile-butadiene rubber, NBR), 수소화된 니트릴 고무(hydrogenated nitrile rubber, NBR), 플로리네이티드 고무(fluorinated rubber), 및 가소화된 폴리비닐클로라이드 고무로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종과, 보강재로서 유리 섬유포(glass fiber cloth), 유리 직물(glass fabric), 유리 부직포 및 유리 메시(glass mesh)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종을 포함하여, 유리 전이 온도 200℃ 또는 그 근방의 온도에 대응하는 내열성을 갖도록 배합 구성될 수 있다.
이런 유연 기판(100)용 내열성 고분자 기반의 소재는 기타 성분으로 일반적인 가교제, 촉매 및 억제제를 더 포함하여 구성될 수도 있다.
유연 기판(100)은 설치 장소의 곡면 또는 요철 등에 의해서 휘어지거나 잡아당겨질 수 있는 두께를 가지고 있다. 이때, 유연 기판(100)의 두께는 격벽(300) 또는 히팅 블록부(400)의 두께보다 상대적으로 작게 형성되어 있다.
도 2를 참조하면, 도전성 메시부(200)는 저저항을 갖는 금속 메시 중공 구조의 구성품일 수 있다.
도전성 메시부(200)는 유연 기판(100)의 상면에서 서로 이격되게 배치되고, 전기적으로 도전 가능하게 연결 및 연장되어 있다. 예컨대, 도전성 메시부(200)는 금속 메시 패턴에 대응하게, 유연 기판(100)의 상면을 따라 지그재그 배열되어 있을 수 있다.
도전성 메시부(200)의 저면은 유연 기판(100)의 상면에 고정되어 있을 수 있다. 도전성 메시부(200)는 격벽(300) 및 히팅 블록부(400)의 아래에 위치하거나, 격벽(300) 및 히팅 블록부(400)의 저부에 의해 감싸져 있다.
도전성 메시부(200)는 격벽(300) 및 히팅 블록부(400)와 접촉하고, 커넥터(500)를 통해 입력되는 전원을 전달 받아 가열될 수 있고, 결과적으로 히팅 블록부(400)를 가열하는 수단이 될 수 있다.
도전성 메시부(200)는 그의 단면을 기준으로 금속 메시 중공 구조를 갖는다. 여기서, 금속 메시 중공 구조는 도전성 메시부(200)의 표면부가 금속 재질의 메시로 되어 있으며, 도전성 메시부(200)의 코어부가 중공 형상을 형성하고 있는 구조물을 의미한다.
에컨대, 도 5를 참조하면, 도전성 메시부(200)는 금속 재질로 이루어지며, 그물 형상, 허니컴 형상, 구멍 형상의 표피부(210)와, 상기 도전성 메시부(200)의 중심에서 상기 도전성 메시부(200)의 길이 방향으로 연장된 중공부(220)를 형성하고 있다.
도 2를 참조하면, 도전성 메시부(200)는 히팅 블록부(400) 쪽으로 전기를 전달하는 역할을 수행하되, 온도 200℃ 이하의 저온으로 열처리되어 있고, 메시 구조물의 형상적 특징에 의해서, 기존의 세라믹 히터에서 온도 400℃ 정도로 고온 열처리된 제품에 비하여 상대적으로 감소된 저항값을 가질 수 있다. 특히 도전성 메시부(200)는 격벽(300)의 사이사이에 배치, 즉 격벽(300)과 어긋난 위치에 형성되어 있음에 따라서, 효율적으로 히팅 블록부(400)에 전기를 전달하는 구조를 실현할 수 있다.
격벽(300)은 도전성 메시부(200)의 사이 공간을 기준으로 유연 기판(100)의 상면에 형성되어 되어 있다.
각 격벽(300)의 측면은 각 히팅 블록부(400)의 측면과 분리 가능하게 접촉되어 있다.
각 격벽(300)의 저면은 유연 기판(100)의 상면에 접착제로 고정되거나, 3D 프린팅 장치(예: 3D 프린터)에 의해 공급되는 격벽 소재의 경화에 의해서 유연 기판(100)의 상면에 결합(예: 부착 또는 고정)될 수 있다. 여기서, 격벽 소재는 3D 프린팅 장치로 공급 가능하며, 히팅 블록부(400)의 세라믹 소재와 동일하거나, 열전달 효율이 높지만 비 도전성을 갖고, 히터 작동 허용 온도에 견딜 수 있는 것이라면 어떠한 재질이 될 수도 있다.
격벽(300)은 다수의 히팅 블록부(400)들 중에서 히터의 폭방향으로 배열된 것의 사이사이에 배치된 다수의 제 1 격벽(301)과, 제 1 격벽(301)의 배치 방향과 수직하도록 히팅 블록부(400)들 중에서 히터의 길이방향으로 배열된 것의 사이사이에 배치된 제 2 격벽(302)과, 제 1 격벽(301) 및 제 2 격벽(302)의 교차점 위치에 배치되어서 제 1 격벽(301) 또는 제 2 격벽(302)의 측면에 단순 접촉되어 있는 제 3 격벽(303)으로 이루어져 있다.
이처럼 제 1 격벽(301), 제 2 격벽(302) 및 제 3 격벽(303)을 포함한 모든 격벽(300)들은 유연 기판(100)의 상면에 고정되어 있되, 유연 기판(100)의 휨변형에 대응하게 원호 방향으로 이격되어 부채꼴 형태로 변형 배치될 수 있으므로, 기존의 세라믹 재질의 면상 발열체 또는 히터에서 발생되는 부분적 파괴 또는 균열 발생을 미연에 방지시킬 수 있다.
또한, 모든 격벽(300)들의 저부에는 도전성 메시부(200)가 통과할 수 있는 직선 또는 곡선 형태의 통로부(미 도시)가 더 형성되어 있을 수 있다.
히팅 블록부(400)는 도전성 메시부(200)를 덮을 수 있도록, 3D 프린팅 장치로 세라믹 소재를 상기 격벽(300)의 사이에 충진함에 의해서, 상기 유연 기판(100)의 상면에 형성된다.
히팅 블록부(400)의 측면은 하기의 제조방법에 설명할 바와 같이, 격벽(300)에 적용되는 고착방지커버(600)(도 8 참조)로 인하여 격벽(300)의 측면에 미세 공극 정도의 유격만을 유지할 수 있어서, 격벽(300)의 측면에 대하여 분리 가능하게 밀착될 수 있다.
히팅 블록부(400)는 다수로 이루어지며 격벽(300)에 의해 서로 구획될 수 있다. 각 히팅 블록부(400)의 저면은 히팅 블록부(400)용 세라믹 소재의 공급 및 경화 과정을 통해서 유연 기판(100)의 상면에 고정된다.
이렇게 다수로 이루어진 히팅 블록부(400)는 격벽(300)에 의해 서로 구획될 수 있고, 면상 세라믹 발열체에 비하여 상대적으로 좁은 단위 면적으로 구획되어 있으므로, 세라믹을 이용한 기존의 히터 제품에 비하여 균열 및 파괴 현상을 미연에 방지 또는 개선할 수 있게 된다.
커넥터(500)는 유연 기판(100)의 일측 상면에 부착되고, 도전성 메시부(200)에 전원을 인가하는 역할을 담당한다.
커넥터(500)의 하우징의 일측에는 도전성 메시부(200)의 끝단부와 전기적으로 접속될 수 있는 터미널 부품이 마련되고, 커넥터(500)의 하우징의 타측에는 외부 전원 공급용 플러그(미 도시)와 접속될 수 있는 접촉핀이 마련되어 있으며, 커넥터(500)의 하우징의 내부에는 터미널 부품과 접촉핀을 서로 연결하는 전기 회로 구성품이 더 마련되어 있을 수 있다.
커넥터(500)의 하우징은 히터 작동 허용 온도에 견딜 수 있는 재질군에서 선택된 어느 하나의 재질로 이루어질 수 있다.
도 2를 참조할 때, 각 히팅 블록부(400)는 평면 기준으로 사각형으로 형성되거나, 예시적으로 도 3에 도시된 바와 같이 각 히팅 블록부(400a)는 육각형으로 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 응용예에 따른 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터의 평면도이다.
도 3을 참조할 때, 이때 격벽(300a)의 형상은 히팅 블록부(400a)의 사이사이를 기준으로 유연 기판(100)의 상면에 배치되어 히팅 블록부(400a)를 각각 구획할 수 있도록 형성될 수 있다. 즉, 응용예에 따른 격벽(300a)도 유연 기판(100)의 휨변형 또는 잡아당김에 따라 서로 이격되거나 히팅 블록부(400a)로부터 이격될 수 있다.
이렇게 격벽(300a) 또는 히팅 블록부(400a)는 유연 기판(100)의 휨변형 등에 의해 서로 이격되거나, 유연 기판(100)의 휨변형이 제거되었을 때 평면 형태로 모아질 수 있는 형상이라면, 어떠한 형상으로 형성될 수 있다.
예컨대, 도 2 또는 도 3을 참조 하면, 히팅 블록부(400, 400a)는 동일 형상 및 크기의 삼각형, 사각형, 육각형, 팔각형, 블록 배열이 가능한 다각형, 육각형, 팔각형 및 보로노이 다이어그램형(voronoi diagram form) 중 어느 하나의 형상을 갖는 기본 블록부(401)과, 상기 기본 블록부(401)에서 상기 커넥터(500)를 설치하기 위한 안착홈(403)을 형성하고 있는 커넥터 블록부(402)로 이루어질 수 있다.
특히, 히팅 블록부(400, 400a)가 보로노이 다이어그램형(voronoi diagram form)의 다수의 조각으로 이루어질 경우, 휨변형 및 늘림성 측면에서 유연 기판(100)과 히팅 대상물간의 밀착성을 극대화할 수 있다.
이처럼, 유연 기판(100)의 길이방향 또는 폭방향별 휨변형에 따라서, 각각의 히팅 블록부(400, 400a)는 늘림 방향 또는 원호 방향으로 이격되고, 상기 격벽(300, 300a)의 측면이 상기 히팅 블록부(400, 400a)의 측면과 이격됨에 따라 히터의 폭방향 또는 히터의 길이방향을 따라 불연속 구조물이 될 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터의 제조방법에 대하여 설명하고자 한다.
도 4 내지 도 9는 도 1에 도시된 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터의 제조방법을 설명하기 위한 단면도이고, 도 10은 도 9의 히터에 휨변형이 가해질 때의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예를 적용 가능한 제조 설비를 갖춘 장소에서는 유리 전이(glass transition) 온도 200℃ 이하로서 앞서 설명한 유리 전이 온도 200℃ 이하의 내열성 고분자 기반의 소재로 이루어진 유연 기판(100)을 준비하는 단계가 이루어진다.
유연 기판(100)을 준비하는 단계에는 본 실시예의 히터용 평면적에 대응하게 고분자 원단을 절단하는 세부 과정과 세척 과정이 더 포함될 수 있다.
특히, 세척 과정은 1차로 에탄올 또는 시너(thinner) 등의 유기용제로 표면 손상을 최소화 하기 위해 20 ~ 30초 세척 한 후, 2차로 도전성 메시부, 격벽, 히팅 블록부 및 커넥터와의 접착력 증대를 위해서 탈이온수(deionized water)로 1분간 세척하고, 3차로 세척수의 흔적이 남지 않도록 건조한다.
이후에는 도 5에 도시된 바와 같이, 유연 기판(100)의 상면에 도전성 메시부(200)를 형성 또는 설치한다.
예컨대, 도전성 메시부(200)는 미리 다른 제조 공장에서 금속 재질을 이용하여 그물 형상, 허니컴 형상, 구멍 형상의 표피부(210)와, 표피부(210)의 안쪽에 중공부(220)가 마련되도록 제작되어 있을 수 있다. 다른 예로서, 도전성 메시부(200)는 고내열성 저저항 소재를 3차원 직조하여 만든 와이어 직조 카고메(wire-woven bulk kagome)로 이루어질 수도 있다.
와이어 직조 카고메(wire-woven bulk kagome) 등으로 이루어진 도전성 메시부(200)는 전선으로서의 역할도 수행하지만, 히팅 블록부(400)에 합체되어서 히팅 블록부(400)의 구조적 강도 또는 결속력을 상대적으로 증가시키는 역할도 담당할 수 있다.
이러한 도전성 메시부(200)의 저면은 고내열성 접착제 등으로 유연 기판(100)의 상면에 고정되어 있거나, 별도의 고내열성 재질의 클립 또는 고정 수단(미 도시)에 의해 고정될 수 있다.
도전성 메시부(200)는 유연 기판(100)의 상면에서 지그재그 배열로 형성되거나, 또는 도전성 메시부(200)가 연장되면서 꼬불꼬불하게 형성되는 미앤더(meandered) 배열 또는 나선형(spiral) 배열로 형성 또는 배치될 수 있다.
이후, 유연 기판(100)의 상면에 배열된 도전성 메시부(200)는 저저항 성질을 갖도록, 온도 200℃ 이하의 저온으로 열처리되는 단계를 거치게 된다.
또한, 열처리 이후의 도전성 메시부(200)의 끝단은 상기 언급한 커넥터에 전기적으로 접속될 수 있다.
이후에는 도 6과 같이, 도전성 메시부(200)의 사이 공간을 기준으로 상기 유연 기판(100)의 상면에 다수의 격벽(300)을 형성하는 단계가 이루어질 수 있다.
격벽(300)은 3D 프린팅 장치를 이용하여 직접 성형하거나, 미리 제작한 후 부착에 의해 형성될 수 있다.
이때, 도 6과 도 9를 병행 참조하면, 격벽(300)은 히팅 블록부(400)의 높이 보다 상대적으로 높게 형성되어서, 3D 프린팅 장치(P)에 의해 충진되는 히팅 블록부(400)용 세라믹 소재의 범람을 방지하고, 상기 히팅 블록부(400)로부터 열을 전달 받아 피동적으로 가열되는 보조 히팅 수단이 될 수 있다. 예컨대, 히팅 블록부(400)의 저측부와 서로 마주보는 격벽(300)의 저측부는 매우 근접 또는 부분적으로 밀착될 수 있어서, 히팅 블록부(400)의 열이 격벽(300) 쪽으로 전달될 수 있다.
도 7을 참조하면, 유연 기판(100)의 외곽 테두리에는 히팅 블록부(400)의 몰딩용 구조물이 될 수 있도록, 격벽(300)의 높이에 대응하는 높이의 보조 격벽(310)이 더 세워질 수 있다. 보조 격벽(310)은 점착제 성분으로 임시 고정 또는 가설된 것으로서, 도 9와 같이 히팅 블록부(400)가 완성될 경우, 유연 기판(100)의 외곽 테두리로부터 분리 및 제거될 수 있다.
도 8를 참조하면, 상기 격벽(300)을 형성하는 단계와 후술되는 히팅 블록부(400)(도 9 참조)를 형성하는 단계의 사이에는, 고착방지커버(600)를 격벽(300)의 외표면에 형성하는 단계가 이루어질 수 있다. 이때, 고착방지커버(600)는 일종의 열 또는 물리력(예: 세척력)에 의해 박리되거나, 분해 또는 분리되는 왁스, 윤활제 및 계면활성제 중 어느 하나로 이루어지고 미세 두께를 갖는 코팅층일 수 있다. 이런 고착방지커버(600)는 후술되는 히팅 블록부(400)를 형성하기 위하여 충진되는 세라믹 소재가 격벽(300)에 직접 접촉 및 응고되어 고착되는 것을 방지하는 역할을 담당한다.
도 9를 참조하면, 도전성 메시부(200)를 덮을 수 있도록, 3D 프린팅 장치(P)로 상기 격벽(300)의 사이 또는 격벽(300)과 보조 격벽(310)의 사이에 세라믹 소재를 각각 충진하여서, 유연 기판(100)의 상면에 히팅 블록부(400)를 형성하는 단계가 이루어진다.
히팅 블록부(400)과 격벽(300)의 사이 또는 히팅 블록부(400)와 보조 격벽(310)의 사이에 개재된 고착방지커버(600)는 계면활성작용에 의해서 서로 마주보거나 접촉하는 측면들이 각각 서로 고착되지 않게 하는 역할을 담당한다.
한편, 충진되는 세라믹 소재의 일부는 도전성 메시부(200)의 표피부(210)의 구멍을 통해서 중공부(220)의 내부로 유입되거나 충진될 수 있다. 이후, 임시로 가설된 도 8의 보조 격벽(310)은 유연 기판(100)의 테두리로부터 제거되고, 고착방지커버(600)는 열처리 또는 세척과 같은 후처리에 의해 격벽(300)으로부터 분리되고, 그 결과 도 9 또는 도 10과 같이, 본 실시예의 히터가 완성될 수 있다.
여기서, 격벽(300)은 히팅 블록부(400)의 사이사이에 형성된 것으로 설명되었지만, 필요한 경우 미 도시되어 있지만, 히팅 블록부(400)의 외곽 테두리 또는 유연 기판(100)의 테두리에도 더 형성될 수도 있다.
도 10을 참조하면, 완성된 히터는 유연 기판(100)의 휨변형에 대응하여서, 히팅 블록부(400) 또는 격벽(300)이 원호 방향으로 이격(B)되어 서로 부채꼴 형태로 변형 배치될 수 있다. 즉, 블록부(400)의 측면부와 서로 마주보는 격벽(300)의 측면부는 이격(B)될 수 있다.
또한, 유연 기판(100)이 히터 폭방향 또는 길이방향 등으로 잡아 당겨졌을 때(S), 역시 유연 기판(100) 위의 히팅 블록부(400) 또는 격벽(300)은 서로 이격(B)될 수 있으므로, 기존의 세라믹 재질의 면상 발열체 또는 히터에서 발생되는 부분적 파괴 또는 균열 발생을 미연에 방지시킬 수 있다.
또한, 본 실시예는 격벽(300)에 의해 구획된 세라믹 소재의 히팅 블록부(400)와 저온 열처리된 도전성 메시부(200)와 같은 복합체로 이루어진 저저항의 히터층을 제공함으로써, 기존의 높은 저항으로 인해 발생할 수 있었던 종래의 발열 효율 저하를 미연에 방지할 수 있고, 히터의 사용 온도의 한계를 상대적으로 높일 수 있고, 상대적으로 낮은 전력으로 높은 온도를 구현할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명에 표현된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등하거나, 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 유연 기판 200 : 도전성 메시부
300,300a : 격벽 400,400a : 히팅 블록부
500 : 커넥터 600 : 고착방지커버
300,300a : 격벽 400,400a : 히팅 블록부
500 : 커넥터 600 : 고착방지커버
Claims (8)
- 유리 전이(glass transition) 온도 200℃ 이하의 내열성 및 고분자 기반으로 이루어져 휨 변형이 가능한 유연 기판;
상기 유연 기판의 상면에서 서로 이격되게 배치되고, 전기적으로 도전 가능하게 연결 및 연장되어 있는 도전성 메시부;
상기 도전성 메시부의 사이 공간을 기준으로 상기 유연 기판의 상면에 형성되어 있고, 상기 도전성 메시부가 통과되도록 직선 또는 곡선 형태의 통로부를 갖는 격벽; 및
상기 도전성 메시부를 덮을 수 있도록, 3D 프린팅 장치로 세라믹 소재를 상기 격벽의 사이에 충진함에 의해서, 상기 유연 기판의 상면에 형성되며, 상기 격벽에 의해 서로 구획되며, 상기 유연 기판의 상면에 다수로 배열되어 있는 히팅 블록부;를 포함하고,
상기 히팅 블록부는
상기 유연 기판의 휨 변형에 따라 상기 유연 기판과 대응하여 원호 방향의 부채꼴 형태로 배치되되, 상기 격벽의 측면 상부와 이격되고 상기 격벽의 측면 하부와 밀착되는 불연속 구조물이 되는 것인 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터.
- 제1항에 있어서,
상기 히팅 블록부가 형성되는 과정에서, 상기 유연 기판의 외곽 테두리에 고정되는 보조 격벽과, 상기 격벽를 덮는 고착방지커버가 임시로 배치되며,
상기 보조 격벽과 고착방지커버는,
상기 히팅 블록부가 형성될 시 상기 유연 기판의 외곽 테두리와 상기 격벽으로부터 각각 분리 및 제거되는 것인 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터.
- 제1항에 있어서,
상기 히팅 블록부는
동일 형상 및 크기의 삼각형, 사각형, 육각형, 팔각형, 블록 배열이 가능한 다각형, 육각형, 팔각형 및 보로노이 다이어그램형(voronoi diagram form) 중 어느 하나의 형상을 갖는 기본 블록부; 및
상기 기본 블록부 주변에 배치되고, 상기 도전성 메시부에 전원을 인가하는 커넥터가 설치되는 안착홈을 갖는 커넥터 블록부로 이루어진 것인 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터.
- 제1항에 있어서,
상기 히팅 블록부는,
상기 유연 기판이 폭 방향 또는 길이 방향으로 당겨질 시 손상 없이 상기 격벽과 상호 이격되고, 상기 유연 기판의 휨 변형이 제거될 시 평면 형태로 모아지는 것인 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터.
- 제1항에 있어서,
상기 격벽은,
상기 히팅 블록부의 높이 보다 상대적으로 높게 형성되어서, 상기 3D 프린팅 장치에 의해 충진되는 세라믹 소재의 범람을 방지하고, 상기 히팅 블록부로부터 열을 전달 받아 피동적으로 가열되는 보조 히팅 수단이 되는 것
인 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터.
- 제1항에 있어서,
상기 도전성 메시부는,
금속 재질로 이루어지며, 그물 형상, 허니컴 형상, 구멍 형상의 표피부와, 상기 도전성 메시부의 중심에서 상기 도전성 메시부의 길이 방향으로 연장된 중공부를 형성하고 있고,
상기 도전성 메시부의 저면은 고내열성 재질의 클립으로 상기 유연 기판의 상면에 고정되는 것인 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터.
- 유리 전이(glass transition) 온도 200℃ 이하의 내열성 및 고분자 기반의 유연 기판을 준비하는 단계;
상기 유연 기판의 상면에 도전성 메시부를 형성하고, 저저항 성질을 갖도록, 온도 200℃ 이하의 저온으로 상기 도전성 메시부를 열처리하는 단계;
상기 도전성 메시부의 사이 공간을 기준으로 상기 유연 기판의 상면에 다수의 격벽을 형성하는 단계;
상기 격벽 높이에 대응하는 높이를 가지며 상기 유연 기판의 외곽 테두리에 점착제로 임시 고정되는 보조 격벽을 형성하는 단계;
상기 도전성 메시부를 덮을 수 있도록, 3D 프린팅 장치로 상기 격벽의 사이에 세라믹 소재를 각각 충진하여서, 상기 유연 기판의 상면에 히팅 블록부를 형성하는 단계; 및
상기 히팅 블록부가 형성될 시, 상기 유연 기판의 외곽 테두리로부터 상기 보조 격벽을 분리 및 제거하는 단계를 포함하는 것인 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 격벽을 형성하는 단계와 상기 히팅 블록부를 형성하는 단계의 사이에는,
열에 의해 박리되거나 분리되고, 상기 세라믹 소재가 상기 격벽에 고착되는 것을 방지하기 위한 고착방지커버를 상기 격벽의 외표면에 형성하는 단계를 더 포함하는 것
인 유연 스트레처블 기반 저저항 세라믹 금속 복합체 구조의 히터의 제조방법.
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