KR102254883B1 - 면상 발열체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 면상 발열체에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 종래 합성수지 바인더에 카본 분말을 혼합한 카본 페이스트로 형성되는 면상 발열체에 비해 고온 발열이 가능하며, 열효율이 높고, 제조가 용이하며, 발열 균일도가 우수한 면상 발열체에 관한 것으로,
본 발명에 따른 면상 발열체(1)는, 베이스 플레이트(50); 상기 베이스 플레이트(50)의 상측면에 구비되는 한 쌍의 전극(10); 상기 한 쌍의 전극(10)을 포함하는 상기 베이스 플레이트(50)의 상측면에 소정두께로 구비되는 발열부(20); 및, 상기 발열부(20)의 상측면에 소정두께로 구비되는 절연부(30)를; 포함하여 형성되며, 상기 발열부(20)는, 그래핀, 그래핀 복합체, 탄소나노튜브, 탄소나노튜브 복합체, 그라파이트, 카본블랙으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 탄소계 재료와; 에틸알코올, 이산화규소 분말 및, 실레인을 포함하는 무기 바인더를; 혼합한 발열 페이스트로, 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

면상 발열체{Plane type heating element}

본 발명은 면상 발열체에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는, 종래 합성수지 바인더에 카본 분말을 혼합한 카본 페이스트로 형성되는 면상 발열체에 비해 고온 발열이 가능하며, 열효율이 높고, 제조가 용이하며, 발열 균일도가 우수한 면상 발열체에 관한 것이다.

통상 면상 발열체는 전기 통전에 의한 복사열을 발생시킴으로써, 주변 발열 공간에 대한 공기 오염의 우려가 없고, 위생적이며 소음이 발생되지 않아 다양한 분야에서 발열체로 활용되고 있다.

일반적으로 면상 발열체는 아파트나 일반 주택의 바닥 난방 등의 주거용 난방장치나, 사무실이나 작업장 등의 산업용 난방장치와, 프린팅 건조 등의 각종 산업용 가열장치, 비닐하우스와 축사, 농산물 건조시스템과 같은 농업용 설비, 도로나 주차장의 눈을 녹이는 동결방지장치, 레저용, 방한용, 가전제품 등에도 폭넓게 이용되고 있으며, 면상 발열체의 구성 및 재질을 다양하게 변화시켜 상기 용도 이외에 새로운 용도에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.

공개특허 제10-2004-0016072호(발명의 명칭:'면상 발열체용 수지 조성물 및 그 조성물을 이용하여 제조된 면상 발열체')에서는, 일반 산업용, 농수산, 원예, 축산농가 등에서 난방용 또는 건조용으로 사용되는 면상 발열체를 제시하면서, 고분자 수지, 흑연분말, 원적외선 방사체, 분사제 및 용제를 혼합하여 형성되는 수지 조성물을 이용하여 면상 발열체의 전면에 걸쳐 균일한 온도분포를 나타냄과 동시에 원적외선을 방출하여 건강에 유익함을 줄 수 있는 면상 발열체에 대해 게시되어 있으며,

공개특허 제10-2008-0030410호(발명의 명칭:'면상 발열체용 도전성 잉크 조성물 및 이 조성물을 이용한 면상 발열체')에서는, 카본블랙, 그라파이트, 탄소섬유 분말, 고분자 수지, 분산제, 유기용제, 플레에틸렌 왁스, 지건성 용제 및, 고무계 접착제로 이루어지는 것을 특징으로 하는 면상 발열체 조성물을 이용하여 발열층을 형성함으로써, 온도 편차가 거의 없고, 저항치 변화가 작은 면상 발열체에 대해 게시되어 있다.

이와 같은 종래 면상 발열체의 경우, 면상 발열체를 형성하기 위해 고분자 수지를 조성물의 기본 베이스 기재로 사용함으로써, 고온 발열시 기본 베이스 기재로로 사용된 고분자 수지가 녹아 내려 높은 온도로 발열시키기 어려운 문제점이 있으며, 발열온도 균일성을 향상시키기 위해 면상 발열체의 표면에 미세한 다양한 패턴을 형성시키는 경우, 미세한 패턴 형성을 위한 레이저 가공장치 등과 같은 고가의 장비가 필요하고, 제조 과정이 복잡한 문제점이 있다.

또한, 고온 발열을 위해 열전도 판재 사이에 발열 전선을 일정한 패턴으로 구비시켜 면상 발열체를 형성하는 경우에는, 발열 전선 주변으로만 고온이 발생되어 온도 편차가 심한 문제점이 있다.

공개특허 제10-2004-0016072호(발명의 명칭:'면상 발열체용 수지 조성물 및 그 조성물을 이용하여 제조된 면상 발열체') 공개특허 제10-2008-0030410호(발명의 명칭:'면상 발열체용 도전성 잉크 조성물 및 이 조성물을 이용한 면상 발열체')

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 면상 발열체의 발열 온도를 200℃ 이상의 높은 온도로도 발열가능하도록 하고, 면상 발열체에 대한 미세 패턴 형성과 같은 정밀한 가공 공정 없이도 면상 발열체 전면에 대해 균일한 발열이 가능하도록 하며,

또한, 면상 발열체를 곡면 형상으로도 용이하게 형성가능하도록 하여 다양한 분야에 면상 발열체를 활용할 수 있도록 한다.

상기 전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 형태에서는, 베이스 플레이트(50); 상기 베이스 플레이트(50)의 상측면에 구비되는 한 쌍의 전극(10); 상기 한 쌍의 전극(10)을 포함하는 상기 베이스 플레이트(50)의 상측면에 소정두께로 구비되는 발열부(20); 및, 상기 발열부(20)의 상측면에 소정두께로 구비되는 절연부(30)를; 포함하여 형성되며, 상기 발열부(20)는, 그래핀, 그래핀 복합체, 탄소나노튜브, 탄소나노튜브 복합체, 그라파이트, 카본블랙으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 탄소계 재료와; 에틸알코올, 이산화규소 분말 및, 실레인을 포함하는 무기바인더를; 혼합한 발열 페이스트로, 형성되는 것을 특징으로 하는 면상 발열체(1)를 제공한다.

본 발명의 일 형태에 따른 면상 발열체(1)는, 상기 절연부(30)는, 에틸알코올, 이산화규소 분말 및, 실레인을 포함하는 무기 바인더에, 석회를 소정량 혼합한 절연 페이스트로 형성되고, 상기 발열부(20)는, 상기 발열 페이스트에, 세라믹 페이퍼를 포함하여 형성되는 지지부재(40)를, 딥코팅시켜 형성될 수 있고,

바람직하게는, 상기 면상 발열체(1)가, 소정 곡면 형상으로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 면상 발열체는, 면상 발열체의 발열 온도를 200℃ 이상의 높은 온도로 발열가능하고, 면상 발열체에 대한 미세 패턴 형성과 같은 정밀한 가공 공정 없이도 면상 발열체 전면에 대해 균일한 발열이 가능하며, 면상 발열체의 제조 공정이 간단하고, 발열 효율이 우수하며,

또한, 면상 발열체를 곡면 형상으로도 용이하게 형성가능하여 다양한 분야에 면상 발열체를 활용할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 면상 발열체의 일 실시예를 나타내는 분해 사시도;
도 2는 본 발명에 따른 면상 발열체를 나타내는 단면도;
도 3은 본 발명에 따른 면상 발열체의 다른 실시예를 나타내는 분해 사시도;
도 4는 본 발명에 따른 면상 발열체에 있어서, 면상 발열체가 곡면 형상으로 형성되는 것을 나타내는 분해 사시도;
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명에 따라 실제 제조된 면상 발열체 및 상기 면상 발열체의 발열 온도를 나타내는 발열 온도 측정 사진; 및,
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명에 따른 면상 발열체에 있어서, 지지부재가 구비되는 경우와 구비되지 않은 경우의 각각에 대해 면상 발체열체의 온도 균일도를 측정한 비교 사진;이다.

이하 상기 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 부호가 사용되며, 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.

도 1은 본 발명에 따른 면상 발열체(1)의 일 실시예를 나타내는 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 면상 발열체(1)를 나타내는 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 면상 발열체(1)의 다른 실시예를 나타내는 분해 사시도이다.

또한, 도 4는 본 발명에 따른 면상 발열체(1)에 있어서, 면상 발열체(1)가 곡면 형상으로 형성되는 것을 나타내는 분해 사시도이고, 도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명에 따라 실제 제조된 면상 발열체(1) 및 상기 면상 발열체(1)의 발열 온도를 나타내는 발열 온도 측정 사진이며, 도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명에 따른 면상 발열체(1)에 있어서, 지지부재(40)가 구비되는 경우와 구비되지 않은 경우의 각각에 대해 면상 발체열체의 온도 균일도를 측정한 비교 사진이다.

본 발명에 따른 면상 발열체(1)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 크게, 소정 두께로 형성되는 베이스 플레이트(50)과, 상기 베이스 플레이트(50)의 상측면에 구비되는 한 쌍의 전극(10)과, 상기 한 쌍의 전극(10)을 포함하는 베이스 플레이트(50)의 상측면에 구비되는 발열부(20) 및, 상기 발열부(20)의 상측면에 소정두께로 구비되는 절열부를, 포함하여 형성된다.

상기 베이스 플레이트(50)는, 도 1과 도4에 도시된 바와 같이, 소정두께의 판상이나 곡면 형상으로 형성될 수 있으며, 본 발명에 따른 면상 발열체(1)에 있어서, 상기 발열부(20) 및 절연부(30)의 형상 유지를 위한 뼈대 역할을 하는 것으로, 알루미나, 마이카, 유리 등의 판재를 사용할 수 있으며, 금속 소재의 판재로 상기 베이스 플레이트(50)를 형성하는 경우에는 평면형상의 판재를 소정 곡면형상으로 성형 가공하여 사용할 수 있고, 유리로 상기 베이스 플레이트(50)를 형성하는 경우, 평면 형상뿐만아니라 곡면형상으로 유리를 제조하여 사용할 수 있다. 바람직하게는, 상기 베이 플레이트(50)는, 가벼우면서 상기 발열부(20)의 200℃ 이상의 고온 발열을 견딜 수 있고, 곡면 형상으로 성형가공이 용이한 통상의 판상 소재를 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 면상 발열체(1)에 있어서, 상기 발열부(20)는 페이스트 형태로 형성되어 별도 마련되는 형상 틀에서 건조 후 굳어진 발열부(20)를 상기 한 쌍의 전극(10)이 구비되는 베이스 플레이트(50) 상측면에 접착시켜 구비할 수도 있으나, 바람직하게는, 상기 한 쌍의 전극(10)이 구비되는 베이스 플레이트(50) 상측면에 발열 페이스트를 도포할 수 있고, 상기 베이스 플레이트(50)의 상측면에 발열 페이스트가 도포되는 경우에는, 상기 발열 페이스트가 지닌 자체 접착력을 통해 상기 베이스 플레이트(50)에 도포된 후, 건조되는 과정에서 발생되는 수축 현상에 따른 발열부(20)의 형상 변화를 방지할 수 있다.

상기 한 쌍의 전극(10)은 외부로부터 공급받은 전류를 발열을 위해 상기 발열부(20)로 전달하는 것으로 통상 유연한 구리판으로 형성될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 한 쌍의 전극(10)은 상기 베이스 플레이트(50)의 상측면의 양 단부에 서로 대향되게 구비될 수 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이, 원형 형상으로 면상 발열체(1)를 형성하는 경우에는 원형 형상의 상기 베이스 플레이트(50)의 둘레면을 따라 하나의 전극(10)을 형성하고, 다른 하나의 전극(10)은 중심부에 소정직경으로 형성할 수 있다.

상기 발열부(20)는 상기 한 쌍의 전극(10)으로부터 전류를 공급받아 열을 발생시키는 전도성 발열체로, 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 한 쌍의 전극(10)을 포함하는 상기 베이스 플레이트(50)의 상측면에 소정두께로 구비된다. 상기 발열부(20)는, 그래핀, 그래핀 복합체, 탄소나노튜브, 탄소나노튜브 복합체, 그라파이트, 카본블랙으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 탄소계 혼합 분말을 준비하고, 에틸알코올을 용매로 하여 이산화규소 분말 및, 실레인이 포함된 무기 바인더에 준비된 상기 탄소계 혼합 분말을 혼합하여 발열 페이스트를 형성하고, 상기 형성된 발열 페이스트를 상기 한 쌍의 전극(10)을 포함하는 상기 베이스 플레이트(50)의 상측면에 도포한 후, 소정시간 동안 자연건조시켜 형성된다.

본 발명에 따른 면상 발열체(1)는 상기 탄소계 혼합 분말을 사용하여 발열 효율을 향상시키고, 고분자 수지를 사용한 바인더에 상기 탄소계 혼합 분말을 혼합하여 형성되는 종래 면상 발열체와는 달리, 에틸알코올을 용매로 하여 이산화규소 분말 및, 실레인이 포함된 무기바인더에 상기 탄소계 혼합 분말을 혼합하여 형성되는 상기 발열 페이스트를 상기 베이스 플레이트(50)에 도포한 후, 자연건조시켜 발열부(20)를 형성함으로써, 고온 발생에 따른 종래 고분자 수지 베이스의 바인더가 녹아 내리는 문제점을 해결하고, 종래 면상 발열체보다 현저히 높은 온도에서도 발열부(20)를 안정적으로 발열시킬 수 있게 된다.

상기 무기 바인더에 있어서, 에틸알코올은 용매로 작용하며, 이산화규소는 상기 무기 바인더의 베이스 재료로 기능하여 상기 발열부(20)의 안정적 고온 발열을 가능하게 하고, 실레인은 이산화규소와, 상기 발열부(20)의 전체 베이스 재료로 기능하는 탄소계 혼합 분말간의 가교제로 기능하고, 혼합성을 향상시키며, 미세 분말간 접착성 및 상기 발열 페이스트와, 발열 페이스트가 도포되는 베이스 플레이트(50) 표면간의 접착성을 향상시켜 상기 발열 페이스트가 자연건조하는 과정에서 발열부(20)가 베이스 플레이트(50)로 분리 이탈되는 것을 방지하고, 자연건조 중 상기 발열부(20) 내부에 분리 이격 공간이 발생되는 것을 방지하게 된다.

바람직하게는, 상기 무기 바인더에 수산화나트륨을 혼합하여 이산화규소와 탄소계 혼합 분말간의 가교제 역할로 기능하여 발열 페이스트의 혼합성 및 접착성을 향상시키며, 상기 발열부(20)에 금속이온을 추가시켜 발열부(20)의 전도성을 향상시킬 수 있도록 한다.

또한, 도1 과 도 3에 도시된 바와 같이, 격자 무늬 형상의 세라믹 페이퍼를 포함하여 형성되는 지지부재(40)를 상기 발열 페이스트에 담가 딥코팅시켜 꺼낸 후, 상기 베이스 플레이트(50) 상측면에 올려 놓고, 소정시간 동안 자연건조시켜 상기 발열부(20)를 형성함으로써, 혼합과정에서 상기 발열 페이스트 내부에 균일하게 분산 혼합된 미세 탄소계 혼합 분말들이 자연건조 과정에서 상기 발열 페이스트 내부에서 유동하여 소정공간에서 서로 뭉치는 현상을 방지하고, 뭉침에 의한 상기 면상 발열체의 불균일 발열 현상을 방지할 수 있도록 한다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 상기 지지부재(40)가 구비되는 면상 발열체의 경우, 발열체 전체에 걸쳐 균일하게 발열되는 것을 볼 수 있으나, 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 지지부재(40)가 구비되지 않은 면상 발열체의 경우, 발열체 일부 부분에서만 높은 온도를 보이고 다른 부분에서는 온도가 낮은 발열 불균일 현상이 발생됨을 확인할 수 있다.

상기 절연부(30)는, 도 1과 도2에 도시된 바와 같이, 상기 발열부(20)의 상측면에 소정두께로 구비되며, 바람직하게는, 에틸알코올을 용매로 하여 이산화규소 분말 및, 실레인이 포함된 무기 바인더에 석회 분말을 혼합하여 절연 페이스트를 형성하고, 상기 절연 페이스트를, 상기 발열 페이스트를 자연건조시켜 형성된 상기 발열부(20)의 상측면에, 소정두께로 도포한 후, 소정시간동안 자연건조시켜 형성시킬 수 있다.

상기 무기 바인더에 있어서, 에틸알코올은 용매로 작용하며, 이산화규소는 상기 무기 바인더의 베이스 재료로 기능하여 절연부(30)의 하부에 위치한 상기 발열부(20)의 안정적 고온 발열을 가능하게 하고, 실레인은 이산화규소와, 석회 분말간의 가교제로 기능하고, 혼합성을 향상시키며, 미세 분말간 접착성 및 상기 절연 페이스트와, 발열 페이스트가 자연건조하여 형성된 상기 발열부(20) 표면간의 접착성을 향상시켜 상기 절연 페이스트가 자연건조하는 과정에서 절연부(30)가 발열부(20)에서 분리 이탈되는 것을 방지하고, 자연건조 중 상기 절연부(30) 내부에 분리 이격 공간이 발생되는 것을 방지하며, 상기 발열부(20) 내부의 기포 발생을 억제하는 기능을 한다.

바람직하게는, 상기 무기 바인더에 수산화나트륨을 혼합하여 이산화규소와 석회 분말간의 가교제 역할로 기능하여 절연 페이스트의 혼합성 및 접착성을 향상시킬 수 있도록 하고,

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 발열부(20) 및 한 쌍의 전극(10)과, 베이스 플레이트(50) 사이에 상기 절연부(30)를 추가 형성시켜 상기 발열부(20) 및 한 쌍의 전극(10)에 대한 절연성능을 보다 향상시킬 수 있도록 한다.

이와 같이 형성되는 본 발명에 따른 면상 발열체(1)의 제조과정을 실시예를 들어 좀 더 상세하게 설명하면, 에틸알코올 50 중량부, 이산화규소 분말 30 중량부, 실레인 15 중량부를 10분 이상 믹서기로 혼합하고, 혼합물을 다시 50 ~ 60도의 온도로 1시간 이상 가열 혼합하며, 가열 혼합한 혼합물에 다시 수산화나트륨 5 중량부를 첨가하여 상온에서 1시간 이상 혼합하여 무기 바인더를 형성하고, 상기 형성된 무기 바인더 80 중량부에 그래핀 분말 20 중량부를 상온에서1시간 이상 혼합하여 발열 페이스트를 형성한다.

마이카로 형성되는 6 X 4 Cm 사이즈의 사각 형상 베이스 플레이트(50)의 상측면의 양단부에 구리 테이프를 각각 부착하여 한 쌍의 전극(10)을 형성시키고, 상기 한 쌍의 구리 테이프가 부착된 마이카의 상측면에 상기 발열 페이스트를 도포하고 2시간 이상 자연건조시켜 발열부(20)를 형성한다.

또한, 상기 형성된 무기 바인더 70 중량부에 이산화규소 분말 20 중량부와 석회 10 중량부를 첨가하여 상온에서 1시간 이상 혼합하여 절연 페이스트를 형성하며, 상기 발열부(20)의 상측면에 상기 형성된 절연 페이스트를 도포하고 2시간 이상 자연건조시켜 절연부(30)를 형성함으로써, 도 5a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 면상 발열체(1)를 완성하게 된다.

도 5b에 도시된 바와 같이, 이와 같이 완성된 면상 발열체에 30V, 3A의 전류를 30초 동안 공급한 후, 상기 면상 발열체의 표면 온도를 측정한 결과, 면상 발열체 표면의 전 부분에 걸쳐 발열온도가 500℃ 이상으로 균일하게 발열되는 것을 확인할 수 있다.

상기 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 면상 발열체(1)는 면상 발열체(1)의 발열 온도를 200℃ 이상의 높은 온도로 발열가능하고, 면상 발열체에 대한 미세 패턴 형성과 같은 정밀한 가공 공정 없이도 면상 발열체 전면에 대해 균일한 발열이 가능하며, 면상 발열체(1)의 제조 공정이 간단하고, 발열 효율이 우수하며,

또한, 면상 발열체(1)를 곡면 형상으로도 용이하게 형성가능하여 다양한 분야에 면상 발열체를 활용할 수 있게 된다.

위에서 몇몇의 실시예가 예시적으로 설명되었음에도 불구하고, 본 발명이 이의 취지 및 범주에서 벗어남 없이 여러 다른 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다.

따라서, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아닌 예시적인 것으로 여겨져야 하며, 첨부된 청구항 및 이의 동등 범위 내의 모든 실시예는 본 발명의 범주 내에 포함된다.

1 : 면상 발열체
10 : 전극 20 : 발열부
30 : 절연부 40 : 지지부재
50 : 베이스 플레이트
100 : 금속 컵

Claims (3)

1. 베이스 플레이트(50);
   상기 베이스 플레이트(50)의 상측면에 구비되는 한 쌍의 전극(10);
   상기 한 쌍의 전극(10)을 포함하는 상기 베이스 플레이트(50)의 상측면에 소정두께로 구비되는 발열부(20); 및,
   상기 발열부(20)의 상측면에 소정두께로 구비되는 절연부(30)를; 포함하여 형성되며,
   
   상기 발열부(20)는,
   그래핀, 그래핀 복합체, 탄소나노튜브, 탄소나노튜브 복합체, 그라파이트, 카본블랙으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 물질을 포함하는 탄소계 재료와;
   에틸알코올, 이산화규소 분말 및, 실레인을 포함하는 무기 바인더를;
   혼합한 발열 페이스트로, 형성되고,
   
   상기 절연부(30)는,
   에틸알코올, 이산화규소 분말 및, 실레인을 포함하는 무기바인더에, 석회를 소정량 혼합한 절연 페이스트로, 형성되고,
   상기 발열부(20)는,
   상기 발열 페이스트에, 세라믹 페이퍼를 포함하여 형성되는 지지부재(40)를, 딥코팅시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 면상 발열체(1).
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 면상 발열체가,
   소정 곡면 형상으로 형성되는 것을 특징을 하는 면상 발열체(1).

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