KR102312494B1 - 면상 발열체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 그래핀(Graphene) 등을 전도성 발열물질로 사용하여 발열하는 면상 발열체에 관한 것이다.
본 발명에 따른 면상 발열체는 전원의 일 측 극에 연결되는 제1 전극; 및 전원의 타 측 극에 연결되는 제2 전극; 을 포함하며, 상기 제1 전극, 상기 발열 물질 및 상기 제2 전극에 의해 구성되는 다수의 전기회로가 가지는 저항이 이론적으로 동일하도록 적어도 일부 부위에서 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 간의 간격이 결정된다.
본 발명에 따르면 양 전극 사이에 있는 발열물질로 균일하게 전류가 흐르게 되어 고른 저항열이 발생함으로써 면상 발열체의 활용성을 높일 수 있다.

Description

면상 발열체{PLATE HEATER}
본 발명은 그래핀(Graphene) 등을 전도성 발열물질로 사용하는 면상 발열체에 관한 것이다.
일반적으로 면상 발열체는 냉동 진열장 유리표면, 창호 시스템, 자동차 유리표면이나 시트, 욕실 거울, 전기밥솥 등에 적용될 수 있다.
일반적으로, 면상 발열체는 부도체 기판에 그래핀 등의 전도성 발열물질을 코팅하고, 예를 들면 +전극인 제1 전극과 -전극인 제2 전극을 결합시키는 구조로 이루어진다. 그리고 제1 전극 및 제2 전극에 직류 또는 교류 전압을 걸어주면 전도성 발열 물질에 전류가 흐르게 되면서 저항열이 발생하게 된다.
그런데, 종래의 면상 발열체들은 전원 입력점 부위에서 전류의 흐름량이 많기 때문에 전원 입력점 부위에서 국부적인 과열이 발생하고, 전원 입력점으로부터 먼 부위는 상대적으로 열발생이 저조함으로 인하여 면상 발열체 전면에 걸쳐 발열이 균일하게 되지 않는 문제점이 있다. 그래서 균일한 가열이 요구되는 기기에는 종래의 면상 발열체를 적용하기가 곤란하다.
본 발명의 목적은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 양 전극과 발열 물질을 포함한 모든 전기회로 상에서 저항이 균일할 수 있도록 하는 기술을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 면상 발열체는 부도체 기판; 상기 부도체 기판 상에 도포되는 발열 물질; 및 상기 발열 물질에 저항열을 발생시키기 위해 구비되는 한 쌍의 전극; 을 포함하고, 상기 한 쌍의 전극은, 전원의 일 측 극에 연결되는 제1 전극; 및 전원의 타 측 극에 연결되는 제2 전극; 을 포함하며, 상기 제1 전극, 상기 발열 물질 및 상기 제2 전극에 의해 구성되는 다수의 전기회로가 가지는 저항이 이론적으로 동일하도록 적어도 일부 부위에서 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 간격이 결정된다.
상기 제1 전극은 제1 주전극에서 분기된 제1 분기전극들을 포함하고, 상기 제2 전극은 제2 주전극에서 분기된 제2 분기전극들을 포함하며, 상기 제1 주전극과 상기 제2 주전극은 상호 마주보게 배치되되, 다수의 전기회로가 가지는 저항이 이론적으로 동일하도록 상기한 양 분기전극들 간의 간격에 차를 둔다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극으로 전원이 입력되는 전원 입력점으로부터 멀어질수록 상기 분기전극들 간의 간격이 좁아진다.
상호 반대 극을 가진 주전극과 분기전극 간에 직접적인 전기회로가 구성되는 것을 차단하기 위해, 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극은 상기 제1 주전극 또는 상기 제2 주전극에서 분기되는 차단전극을 더 포함한다.
상기 제1 전극은 제1 주전극에서 분기된 제1 분기전극들을 포함하고, 상기 제2 전극은 제2 주전극에서 분기된 제2 분기전극들을 포함하며, 상기 제1 분기전극과 상기 제2 분기전극은 원호 형태로서 바깥 측에서 원의 중심으로 갈수록 분기전극들 간의 간격이 좁아진다.
전류가 흐르는 거리가 긴 전기회로일수록 해당 전기회로를 구성하는 전극 간에 적어도 일부 부위의 간격이 좁아진다.
상기 제1 전극, 상기 발열 물질 및 상기 제2 전극에 의해 구성되는 다수의 전기회로가 가지는 저항이 이론적으로 동일하도록 적어도 일부 부위에서 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 단면적이 결정된다.
본 발명에 의하면 양 전극의 사이에 있는 모든 부위에서 전류가 최대한 동일하게 흐르기 때문에, 양 전극 사이에 있는 모든 부위에서 저항열이 균일하게 발생되고, 이로 인해 면상 발열체에 대한 활용성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 면상 발열체의 전극을 예시하고 있다.
도 2는 도 1의 전극에서 대표적인 2개의 전기회로를 발췌한 발췌도이다.
도 3은 도 1의 분기전극들의 폭의 차를 설명하기 위한 참조도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 면상 발열체의 전극을 예시하고 있다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 면상 발열체의 전극을 예시하고 있다.
도 6은 도 5의 변형에 따른 면상 발열체의 전극을 예시하고 있다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 면상 발열체의 전극을 예시하고 있다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 면상 발열체의 전극을 예시하고 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명하며, 중복되는 기술적 내용에 대해서는 생략하거나 압축한다.
참고로, 본 발명에 대한 설명에서는 부도체 기판에 발열 물질이 고르게 도포되었음을 가정하며, 그러한 기반 하에 본 발명의 특징적인 부분인 제1 전극과 제2 전극의 설치 구조를 중점으로 기술한다.
<제1 실시예>
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 면상 발열체(100)에서의 전극 설치를 예시한 도이다.
제1 실시예의 면상 발열체(100)는 발열물질에 저항열을 발생시키기 위해 한 쌍으로 구비되는 제1 전극(110)과 제2 전극(120)을 포함한다.
제1 전극(110)은 제1 전원 입력점(111), 제1 주전극(112), 다수의 제1 분기전극(113)을 포함한다.
제1 전원 입력점(111)은 전원의 +극과 연결되거나 -극과 연결된다.
제1 주전극(112)은 제1 전원 입력점(111)을 기준으로 좌우 방향으로 ∪자 형상으로 연장 형성된다.
다수의 제1 분기전극(113)은 제1 주전극(112)으로부터 분기되어서 내측 방향, 즉, 후술할 제2 전극(120) 측 방향으로 연장 형성된다.
마찬가지로, 제2 전극(120)은 제2 전원 입력점(121), 제1 주전극(122), 다수의 제1 분기전극(123)을 포함한다.
제2 전원 입력점(121)은 앞선 제1 전원 입력점(111)과 반대의 극으로 전원에 연결된다.
제2 주전극(122)은 제1 주전극(112)과 마주보면서 상호 이격되게 배치되며, 제2 전원 입력점(121)을 기준으로 좌우 방향으로 ∪자 형상으로 연장 형성된다.
제2 분기 전극(23)들은 제2 주전극(122)으로부터 분기되어서 외측 방향, 즉, 제1 주전극(112) 측 방향으로 연장된다.
본 실시예에서 제1 분기전극(113)들과 제2 분기전극(123)들은 상호 교호적으로 배치되어서 제1 분기 전극(113)과 제2 분기 전극(123) 사이에 있는 발열물질을 따라 전류가 흐를 수 있도록 되어 있다. 즉, 서로 이웃하는 제1 분기 전극(113)들 사이에 제2 분기 전극(123)이 한 개씩 위치하는 방식으로 배치되는 것이다.
제1 전원 입력점(111)이 전원의 +극과 연결될 경우, 본 실시예에서의 전류는 제1 전원 입력점(111), 제1 주전극(112), 다수의 제1 분기전극(113), 발열물질, 다수의 제2 분기전극(123), 제2 주전극(122) 및 제2 전원 입력점(121)으로 이어지는 다수의 전기회로를 따라서 이동한다. 이 때, 전류가 발열물질을 거쳐 이동하면서 발열물질의 저항으로 인해 저항열이 발생하게 되는 것이다.
본 발명에 따르면, 제1 전원 입력점(111)에서부터 제2 전원 입력점(121)으로 이어지는 이론상 가능한 모든 전기회로들의 저항이 모두 동일할 것이 요구된다. 그래야 양 분기전극(113, 123)들 사이에 있는 발열물질을 거치는 전류량이 모든 면적에서 동일하게 되고, 그로 인해 발열 물질이 있는 전면적에 걸쳐서 동일한 저항열이 발생할 수 있게 되는 것이다.
도 2의 (a), (b)는 예를 들어 도 1에서 두 개의 전기회로를 발췌한 발췌도이다.
도 2를 참조하면 양 전원 입력점(111, 121)에서 가장 가까운 제1 분기전극(113-N)과 제2 분기전극(123-N)이 포함된 제1 전기회로(EC1)와 양 전원 입력점(111, 121)으로부터 가장 먼 제1 분기전극(113-F)과 제2 분기전극(123-F)이 포함된 제2 전기회로(EC2)를 확인할 수 있다.
도 2에서 보면, 제1 전기회로(EC1)가 제2 전기회로(EC2)보다 상당히 짧음을 알 수 있다.
일반적으로 저항은 발열물질 뿐 아니라 양 주전극(112, 122)과 양 분기전극(113, 123)에서도 존재함을 알 수 있다. 즉, 양 전기회로(EC1, EC2)의 길이 측면에서만 보면 제1 전기회로(EC1)가 제2 전기회로(EC2)보다 작은 저항을 가짐을 알 수 있다. 따라서 제1 전기회로(EC1)를 통해 전류가 더 많이 흐르고, 이는 해당 회로에 있는 양 분기전극(113-N, 123-N) 사이의 발열물질에서 저항열이 더 발생함을 알 수 있다.
그런데, 본 발명에서는 도 3에서 과장되게 비교 도시된 바와 같이, 제2 전기회로(EC2)를 구성하는 양 분기전극(113-F, 123-F) 간의 간격(GF)을 제1 전기회로(EC1)를 구성하는 양 분기전극(113-N, 123-N) 간의 간격(GN)보다 좁게 함으로써, 제2 전기회로(EC2)를 구성하는 양 분기전극(113-F, 123-F) 사이에 있는 발열물질의 저항이 제1 전기회로(EC1)을 구성하는 양 분기전극(113-N, 123-N) 사이에 있는 발열물질의 저항보다 작도록 한다. 이러한 분기전극(112, 113)들 간의 간격의 차는 전기회로들의 전체 저항이 동일할 수 있는 값에서 결정된다.
즉, 제2 전기회로(EC2)를 구성하는 양 분기전극(113-F, 123-F)의 사이에 있는 발열물질에서의 저항과 제1 전기회로(EC1)을 구성하는 양 분기전극(113-N, 123-N)의 사이에 있는 발열물질에서의 저항의 차를 두며, 이 때, 그 저항의 차는 이상적으로 제1 전기회로(EC1)의 저항과 제2 전기회로(EC2)의 저항이 동일한 값을 가지도록 설정된다.
즉, 본 실시예에 따르면, 분기전극(113, 123)들이 전원 입력점(111, 121)으로부터 가까울수록 그들 간의 간격을 넓히고, 전원 입력점(111, 121)으로부터 멀어질수록 그들 간의 간격을 좁힘으로써, 이론적으로는 고려될 수 있는 모든 전기회로들의 저항이 동일해질 수 있게 한다.
한편, 앞서서 본 발명자에 의해 먼저 제시된 출원(출원번호 10-2018-0023127)에서와 같이 저항은 도선의 단면적에 반비례하므로, 양 분기전극(113, 123)들의 폭이나 두께를 변화시키는 방식과 양 분기전극(113, 123)들 간의 간격을 변화시키는 방식을 적절히 적용함으로써 모든 전기회로에서의 저항값을 동일하게 가져가는 것을 충분히 고려해 볼 수 있다. 이와 같이 저항을 동일하게 하기 위해 전극이나 분기전극들 간의 간격과 전극이나 분기전극들의 단면적을 모두 변화시키는 방식은 발열면적이 넓은 면상 발열체에 효율적으로 적용될 수 있다.
<제2 실시예>
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 면상 발열체(200)에서의 전극 설치를 예시한 도이다.
본 실시예에서의 제1 전극(210)과 제2 전극(220)은 제1 실시예에서와 달리 양 전원 입력점(211, 221)이 일 측으로 치우쳐 있다. 그렇지만, 본 실시예에서도 양 분기전극(213, 223)들이 전원 입력점(211, 223)에서 멀어질수록 그들 간의 간격이 좁아져서 궁극적으로 고려될 수 있는 모든 전기회로에서의 저항들이 동일할 수 있도록 하고 있다.
본 실시예에서는 분기전극(213, 223)들과 평행한 부분을 가지는 제2 주전극(222)이 제1 주전극(212)에서 분기된 분기전극(213)과 직접 이웃하지 못하도록 제2 주전극에서 분기된 차단전극(223-I)을 설치함으로써 제1 전원 입력점(211)에서 가장 가까운 제1 분기전극(213-N)과 제2 주전극(222)의 평행한 부분 간에 전기회로가 구성되지 않도록 한다. 당연히, 실시하기에 따라서는 제1 주전극이 분기전극들과 평형한 부분을 가지도록 구성될 수 있으며, 이러한 경우 차단전극은 제1 주전극으로부터 분기될 것이다.
<제3 실시예>
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 면상 발열체(300)의 전극 설치를 예시한 도이다.
도 5는 과장된 것으로써 제1 전극(310)과 제2 전극(320)이 별도의 분기전극이 없이 전원 입력점(311, 321)으로부터 주전극(312, 322)이 평행하게 연장되어 있다. 여기서 주전극(312, 322)은 전원 입력점(311, 321)으로부터 멀어질수록 그 간격(GF < GN)이 좁아진다.
본 실시예는 도 6에서와 같이 변형되어서, 제1 주전극(312)과 제2 주전극(322)은 평행하게 배치하고, 제1 주전극(312)과 제2 주전극(322)으로부터 분기된 다수의 제1 분기전극(313)과 제2 분기전극(323)을 구비시키도록 구현될 수도 있다. 이러한 변형의 경우에는 전원 입력점(311, 321)으로부터 멀어질수록 제1 분기전극(313)과 제2 분기전극(323) 간의 간격이 좁아지도록 배치되게 구비되어야 할 것이다.
<제4 실시예>
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 면상 발열체(400)의 전극 설치를 예시한 도이다.
본 실시예에 따른 면상 발열체(400)도 제1 전원 입력점(411), 제1 주전극(412) 및 제1 분기전극(413)을 포함하는 제1 전극(410)과 제2 전원 입력점(421), 제2 주전극(422) 및 제2 분기전극(423)을 포함하는 제2 전극(420)을 구비한다.
본 실시예에서는 양 분기전극(413, 423)들이 원호의 형태로 배치된다. 그리고 제1 전원 입력점(411)과 제2 전원 입력점(421)은 가장 바깥에 있는 반지름이 가장 큰 분기전극(413L)의 중심을 가로지르는 지름 상의 상호 대응되는 양측에 배치된다. 즉, 제1 전원 입력점(411)과 제2 전원 입력점(421)은 상호 간에 가능한 한 가장 멀리 이격되게 배치된다.
그리고 분기전극(413, 423)은 서로 반지름이 다른 원호들로 구비되고, 반대 극이 서로 이웃하도록 교호적으로 배치된다.
본 실시예에도 양 전원 입력점(411, 421)에서 가까운 분기전극(413, 423)들 일수록 그들 간의 간격이 좁아지도록 하기 위해, 바깥 측에서 중심 방향으로 갈수록 분기전극(413, 423) 간의 간격이 좁아지도록 구성한다.
<제5 실시예>
도 8의 면상 발열체(500)의 경우에는 도 7과는 달리 양 전극(510, 520)들의 양 전원 입력점(511, 521)이 동일 방향에 모아져 배치되고, 주전극(512, 522)에서 분기된 분기전극(513, 523)들이 양측으로 나뉘어 원호 형태로 구성된다. 물론, 이러한 경우에도 바깥 측에서 중심으로 갈수록 분기전극(513, 523)들 간의 간격이 좁아진다.
상기한 바와 같은 다수의 실시예를 통해 설명한 바와 같이, 본 발명은 이론적으로 구성되는 모든 전기회로들의 저항을 동일하게 함으로써 발열물질에서 저항열이 고르게 발생되도록 한다. 이를 위해 다수의 전기회로가 가지는 저항이 이론적으로 동일하도록 전기회로를 이루는 제1 전극(110, 210, 310, 410, 510)과 제2 전극(120, 220, 320, 420, 520)의 적어도 일부 부위에서 상호 간격이 달라지도록 결정된다.
제3 실시예를 제외하고, 보다 구체적으로는 제1 전극(110, 210, 310, 410, 510)과 제2 전극(120, 220, 320, 420, 520)의 분기전극(113, 213, 313, 413, 513 / 123, 223, 323, 423, 523)들 간에 간격 차를 두는 방식으로 다수의 전기회로들이 가지는 저항을 동일하게 가져갈 수 있으며, 이러한 경우 제1 전극(110, 210, 310) 및 제2 전극(120, 220, 320)으로 전원이 입력되는 전원 입력점(111, 211, 311 / 121, 221, 321)으로부터 멀어질수록 분기전극(113, 213, 323 / 123, 223, 323)들 간의 간격이 좁아지도록 한다.
즉, 전원 입력점(113, 213, 323, 413, 513 / 123, 223, 323, 423, 523)을 기준으로 멀거나 가까운 정도에 따라서 분기전극(113, 213, 313, 413, 513 / 123, 223, 323, 423, 523)들의 전체 또는 적어도 일부 부위에서의 상호 간격이 좁아지도록 제1 전극(110, 210, 310, 410, 510)과 제2 전극(120, 220, 320, 420, 520)이 설계되고 결정되는 것이다.
참고로, 도 1의 확대된 A 부분을 참조하면, 제1 분기전극(113)으로부터 제2 주전극(122)로 직접 이동하는 전류의 흐름이 발생하지 않도록 해당 부위의 발열물질에 전류의 흐름을 차단할 수 있는 절개선(C)이나 또는 부(不)도포 영역을 두는 것이 고려될 수 있다. 물론, 이러한 절개선(C)이나 부(不)도포 영역은 분기전극(113, 123)과 주전극(112, 122) 간에 의도하지 않은 전류의 흐름이 발생할 수 있는 부위에 구비될 수 있으며, 나머지 실시예들에서도 마찬가지로 구비될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 대한 구체적인 설명은 실시예들에 의해 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시예들에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어져야 할 것이다.
100, 200, 300, 400, 500 : 면상 발열체
110, 210, 310, 410, 510; 제1 전극
111, 211, 311, 411, 511; 제1 전원 입력점
112, 212, 312, 412, 512; 제1 주전극
113, 213, 313, 413, 513; 제1 분기전극
120, 220, 320, 420, 520; 제2 전극
121, 221, 321, 421, 521; 제2 전원 입력점
122, 222, 322, 422, 522; 제2 주전극
123, 223, 323, 423, 523; 제2 분기전극

Claims (6)

  1. 면상 발열체로서,
    부도체 기판;
    상기 부도체 기판 상에 도포되는 발열 물질; 및
    상기 발열 물질에 저항열을 발생시키기 위해 구비되는 한 쌍의 전극; 을 포함하고,
    상기 한 쌍의 전극은,
    전원의 일 측 극에 연결되는 제1 전극; 및
    전원의 타 측 극에 연결되는 제2 전극; 을 포함하며,
    상기 제1 전극은,
    전원의 일 측 극에 연결되는 제1 전원 입력점;
    상기 제1 전원 입력점에서 연장 형성되는 제1 주전극; 및
    상기 제1 주전극으로부터 분기되어서 상기 제2 전극 측 방향으로 연장 형성되는 다수의 제1 분기전극;
    을 포함하고,
    상기 제2 전극은,
    전원의 타 측 극에 연결되는 제2 전원 입력점;
    상기 제2 전원 입력점에서 연장 형성되는 제2 주전극; 및
    상기 제2 주전극으로부터 분기되어서 상기 제1 전극 측 방향으로 연장 형성되고, 상기 다수의 제1 분기 전극과 상호 교호적으로 배치됨으로써 서로 이웃하는 상기 제1 분기전극들 사이에 한 개씩 위치하는 다수의 제2 분기전극;
    을 포함하며,
    상기 제1 전극, 상기 발열 물질 및 상기 제2 전극에 의해 구성되는 다수의 전기회로가 가지는 저항이 이론적으로 동일하도록 상기 제1 전원 입력점 및 상기 제2 전원 입력점으로부터 멀어질수록 상기 제1 분기전극과 상기 제2 분기전극 간의 간격이 좁아지는
    면상 발열체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 분기전극과 상기 제2 분기전극은 원호 형태로서 바깥 측에서 원의 중심으로 갈수록 분기전극들 간의 간격이 좁아지는
    면상 발열체.
  5. 제1 항에 있어서,
    전류가 흐르는 거리가 긴 전기회로일수록 해당 전기회로를 구성하는 전극 간에 적어도 일부 부위의 간격이 좁아지는
    면상 발열체.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전극, 상기 발열 물질 및 상기 제2 전극에 의해 구성되는 다수의 전기회로가 가지는 저항이 이론적으로 동일하도록 적어도 일부 부위에서 상기 제1 전극과 상기 제2 전극의 단면적이 결정되는
    면상 발열체.






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