KR102437652B1 - 발열선 및 그로부터 제조된 발열체 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는 복수 가닥의 비철금속선으로 구성된 코어부; 하나 이상의 광물 나노입자를 포함하고, 상기 코어부 표면에 코팅된 제1 피복부; 및 그래핀 소재를 포함하고, 상기 제1 피복부 표면에 코팅된 제2 피복부를 포함하는, 발열선 및 발열체를 제공한다.
Description
본 발명은 발열선 및 발열체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 미세 비철금속선을 포함하는 발열선과 이를 이용하여 제조한 발열체에 관한 것이다.
발열선이란 전기 에너지를 열 에너지로 전환시킬 수 있는 발열 전선으로, 종래에 사용되는 발열선으로는 구리 또는 니크롬선을 단일로 사용한 전기선과 카본섬유를 이용한 카본 필라멘트 파이버가 있다.
이러한 발열선은 온돌 문화권인 우리나라에서 전기 매트로 발달하며 그 사용량이 증가하고 있으나, 종래의 발열선은 단선되기 쉬워 접거나 구기는 제품에 사용할 수 없고, 화재 위험성이 크다는 문제가 있다. 또한 금속선의 특성 상 부식되기 쉬운 단점이 있다.
종래의 전기선의 단점을 보완하기 위하여 카본 필라멘트 파이버를 이용한 발열선이 개발된 바 있다. 이러한 카본섬유는 전기 에너지 공급을 위하여 전도성 금속선으로 이루어진 전선과 열접착으로 접합하여 사용된다. 그러나 카본섬유의 경화성 특성으로 인하여 파손되기 쉬워 저항값이 불균일해지고, 그 결과 결합부가 과열되어 화재가 발생하기 쉬운 문제가 있다.
또한 이들 금속선과 카본섬유는 모두 저전압에서 발열량이 적어 직렬 방식의 적용이 어렵다. 본 발명의 개발자들은 이러한 견지에서 종래의 금속선과 카본섬유의 문제점을 동시에 해결할 수 있는 발열선과 그를 이용하여 제조된 발열체를 개발하였다.
본 발명은 전술한 문제점들을 해결하기 위하여 도출된 것으로, 미세 비철금속선을 포함하는 발열선으로 저전압에서의 사용이 가능하고, 접거나 구겨진 상황, 더 나아가 물 속에서도 발열이 가능하며 내구성이 개선되어 화재 위험이 적고 유해전자파 방출이 없는 발열선을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면은 복수 가닥의 비철금속선으로 구성된 코어부; 하나 이상의 광물 나노입자를 포함하고, 상기 코어부 표면에 코팅된 제1 피복부; 및 그래핀을 포함하고, 상기 제1 피복부 표면에 코팅된 제2 피복부를 포함하는, 발열선을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수 가닥 중 중 적어도 2 이상의 비철금속선은 나선형으로 상호 권취된 권선형 구조일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상호 권취된 상기 비철금속선은 각각 상이한 금속일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 비철금속선은 각각 구리, 알루미늄, 니켈, 금, 은, 백금 및 이들 중 2 이상의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 금속일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 코어부의 두께는 5~100 ㎛일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 광물은 세리사이트, 카오린, 펠드스파, 파이로필라이트, 벤토나이트, 세르펜틴, 알루나이트, 석영-몬조나이트, 나이스, 말라카이트, 알만딘, 일메나이트, 플로라이트, 제올라이트, 일라이트, 게르마늄 및 맥반석으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 피복부 및 제2 피복부는 불소 수지를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면은 상기 발열선을 소정의 형상으로 배치한 후, 열접착 및 솔더링하여 외부 전력과 연결한, 발열체를 제공한다.
본 발명의 일 측면은 미세 비철금속선을 포함하는 발열선으로 저전압에서의 사용이 가능하고, 접거나 구겨진 상황, 더 나아가 물 속에서도 발열이 가능하며 내구성이 개선되어 화재 위험이 적고 유해전자파 방출이 없는 발열선을 제공할 수 있다.
더 나아가, 상기 발열선은 원적외선 및 음이온 방출 효과와 항균능을 가져 습기로 인한 코어부의 산화부식과 곰팡이, 세균으로 인한 파손을 방지할 수 있고, 인체에 대한 유해성분을 제거할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구 범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 발열선을 도시한 것이고;
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 발열선에서 코어부를 별도로 도시한 것이고;
도 3은 본 발명의 일 측면에 따른 발열선의 발열 시험 결과를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 발열선에서 코어부를 별도로 도시한 것이고;
도 3은 본 발명의 일 측면에 따른 발열선의 발열 시험 결과를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 발열선에 대하여 보다 구체적으로 살펴보도록 한다. 단, 하기 기재사항들은 본 발명의 예시를 통해 보다 용이하게 실시할 수 있도록 하는 것일 뿐으로 본 발명이 하기 기재사항들에 의하여 한정되는 것은 아니다.
발열선(100)
도 1은 본 발명의 발열선의 일 예시를 도시한 것이나, 이에 한정되는 것은 아니다. 특히, 도 1 및 도 2에는 비철금속선을 2개의 선으로만 도시하였으나 비철금속선은 2 이상의 복수 가닥으로 구성될 수 있다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 측면에 따른 발열선(100)은 복수 가닥의 비철금속선(11, 12)으로 구성된 코어부(10); 하나 이상의 광물 나노입자를 포함하고, 상기 코어부 표면에 코팅된 제1 피복부(20); 및 그래핀을 포함하고, 상기 제1 피복부 표면에 코팅된 제2 피복부(30)를 포함할 수 있다.
상기 발열선(100)은 종래의 발열선과 달리 저전압에서도 사용 가능하여 휴대용 보조배터리로도 사용할 수 있고, 접거나 구기더라도 그 특성을 유지할 수 있다. 또한 열선의 경화 내지 국부적 전류 집중으로 인한 화재를 방지할 수 있으며, 물 속에서도 사용 가능하며 난연 특성을 가진다.
상기 발열선은 종래의 일반적인 발열선 사용 시 발열이 어려운 직렬 구조에서 DC 5V의 전압을 인가한 상황에서도 10초 이내에 85℃까지 발열하면서도 전기소모량을 최소화할 수 있다. 상기 발열선은 인가되는 전원의 전압에 따라 저항을 달리하여 발열 온도를 조절할 수 있다.
상기 발열선은 전기적 발열 외에도 원적외선 복사와 음이온을 발생시켜 항균, 항진 및 습기제거 효과를 가지며, DC 전류의 사용 시 유해 전자파를 발생시키지 않는다. 또한 분당 2,000회 이상 공진, 공명하여 인체의 신진대사를 활성화시킴으로써 성인병 및 스트레스를 해소하고, 자율신경계를 안정시키며 해독 작용으로 노폐물 배출과 다이어트 효과를 구현할 수 있다.
상기 발열선(100)에 대해 FT-IR로 흑체 대비 원적외선 방사시험 결과, 100℃에서 5~20 ㎛ 파장의 방사율은 0.903이고, 방사에너지는 7.89×102 W/m2 ㎛으로 측정되었다. 이는 일반적인 원적외선 방사 물질로 알려진 게르마늄(3.72×102 W/m2 ㎛), 맥반석(3.73×102 W/m2 ㎛) 대비 2배 이상의 효과를 나타내는 것이다.
또한 상기 발열선(100)에 전하입자 측정장치를 이용하여 24℃, 습도 45%, 대기중 음이온수 108/cc의 조건에서 단위체적당 음이온수를 측정한 결과, 114/cc로 측정되어 음이온 발생 효과도 일부 가지는 것을 확인할 수 있었다.
KS K 0693:2016에 의거하여 상기 발열선(100)의 항균성을 확인하기 위해 황색포도살구균(ATCC 6538), 폐렴균(ATCC 4352)을 배양한 후 18시간 후 정균감소율을 대조군과 비교하여 측정한 결과 99.9%의 항균성을 나타내는 것을 확인하였다.
코어부(10)
상기 코어부(10)는 외부에서 인가된 전기 에너지를 저항을 통해 열 에너지로 전환하여 발열 특성을 구현할 수 있다.
상기 복수 가닥 중 중 적어도 2 이상의 비철금속선은 나선형으로 상호 권취된 권선형 구조일 수 있다. 상기 비철금속선이 나선형으로 상호 권취됨으로써 발열선의 내구성이 현저히 개선될 수 있다. 상기 권선형 구조는 상호 간에 간격을 두도록 형성된 것일 수 있다. 도 2는 이러한 권선형 구조가 나타나도록 코어부만 별도로 도시한 것이다.
도 2를 참고하여 설명하면, 제1 비철금속선(11)의 두께인 d1과 제2 비철금속선(12)의 두께인 d2의 산술평균보다 이들 사이의 간격 ds가 작거나 같고, 상기 산술평균의 절반보다 간격 ds가 크거나 같을 수 있다. 이를 식으로 표현하면 아래와 같다.
[식]
(Σdn)/2n ≤ ds ≤ (Σdn)/n
단, 상기 식에서 n은 비철금속선의 수이다.
비철금속선 간의 간격이 상기 조건을 만족하면 발열선의 내구성이 현저히 개선될 수 있다. 그 기작이 명확히 알려진 것은 아니나, 상기 조건을 만족하면 비철금속선이 상호 느슨하게 권취되어 발열선이 파손되기 쉬운 굴신 내지 접힘 조건 하에서 발열선의 축 방향으로 보다 용이하게 연신될 수 있고, 그 결과 내구성이 개선되는 것으로 예상된다. 아울러 상기 조건을 만족하면 종래의 발열선이 팽창지수에 의한 단선이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 다만 비철금속선 간의 간격이 너무 넓으면 제1 피복부에 포함된 광물 나노입자가 침투하여 응집하거나 타 비철금속선과 얽히게 되어 오히려 내구성이 저하될 수 있다. 따라서 타 비철금속선 가닥이 상기 간격에 끼이지 않도록 상기 간격은 비철금속선의 평균 두께보다 작거나 같은 것이 바람직하다.
비철금속선 간의 상호 권취는 일 말단이 고정된 상태에서 타 말단을 회전시켜 권회하거나, 양 말단을 반대 방향으로 회전시켜 수행될 수 있다. 이러한 비철금속선 간의 간격은 길이 대비 회전량을 조절하여 제어할 수 있다.
일 예에서, 상호 권취된 상기 비철금속선은 각각 상이한 금속일 수 있다. 3 이상의 비철금속선이 상호 권취된 경우, 적어도 2종의 비철금속선으로 구성될 수 있다. 상기 비철금속선이 상이한 금속 간에 상호 권취되면 내구성, 발열특성, 팽창을 상호 보완할 수 있다. 또한 저항값을 일정하게 유지할 수 있다.
예를 들어, 연성이 높은 제1 금속선과 연성이 낮은 제2 금속선을 상호 권취하면 외력이 가해졌을 때 연성이 높은 제1 금속선이 상대적으로 많이 연신되어 파단을 방지하면서도 연성이 낮은 제2 금속선이 초기의 형상을 유지하도록 작용할 수 있다.
또한 비철금속선의 성분을 달리하며 발열선의 최종적인 전기저항을 조절하여 목적하는 수준의 발열특성을 구현할 수 있다.
상기 비철금속선은 각각 구리, 알루미늄, 니켈, 금, 은, 백금 및 이들 중 2 이상의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 금속일 수 있다.
상기 비철금속선 외에 철이 함유된 합금선 또한 더 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 코어부는, 예를 들어, 구리선, 알루미늄선, 금선, 은선, 백금선, 니크롬선, 니켈선, 티타늄선, 스테인리스강선, 칸탈선, 철크롬선, 텅스텐선, 인바선, 플래티나이트선, 모넬선 및 페리선으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 2 이상의 금속선으로 구성된 것일 수 있다.
상기 코어부의 두께는 5~100 ㎛일 수 있다. 두께가 상기 범위를 벗어나면 발열선에 적합하게 적용할 수 있는 발열특성이 구현되지 않거나, 내구성이 저하될 수 있다.
각각의 상기 금속선은 압출성형을 통해 제조될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 피복부(20)
상기 제1 피복부(20)는 광물 나노입자를 포함하는 조성물로 상기 코어부(10) 표면을 코팅하여 원적외선과 음이온 방출 효과를 구현할 수 있다.
상기 광물은 세리사이트, 카오린, 펠드스파, 파이로필라이트, 벤토나이트, 세르펜틴, 알루나이트, 석영-몬조나이트, 나이스, 말라카이트, 알만딘, 일메나이트, 플로라이트, 제올라이트, 일라이트, 게르마늄 및 맥반석으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있다.
원적외선이란 파장이 15㎛ 이상인 장파장의 전자기파를 의미한다. 원적외선은 침투력이 강하여 체내에 전달되어 유해한 세균의 생장을 억제하고, 모세 혈관을 확장시켜 혈액 순환을 촉진할 수 있다. 또한 원적외선은 열작용을 가지므로 이를 발산하는 침구류를 사용하면 숙면에 도움이 되며, 공기정화 및 탈취, 곰팡이 번식 방지 효과를 가진다.
상기 광물은 그 자체로서 원적외선 방출 효과를 가지나, 상기 코어부(10)에 전기가 인가되면 상호작용을 통해 원적외선을 더 많이 방사하는 것으로 보인다.
상기 광물 나노입자는 평균 입경이 50~500 ㎚인 것일 수 있다. 일반적인 광물의 특성과 달리, 나노입자화된 광물은 연성을 가지고, 내마모성 및 내부식성이 우수하며 화학적 활성을 가져 항균능을 구현할 수 있다. 일반적으로 광물 나노입자는 플라즈마법, 화학증착법, 전기증착법, 졸-겔 합성법 등으로 제조되나, 상기 광물 나노입자는 천연 광물을 볼-밀링법으로 나노입자화하거나, 천연 나노물질을 사용할 수 있다.
상기 광물 나노입자는 상기 코어부(10)의 금속선 산화 내지 부식을 방지하여 발열선(100)의 내구성을 개선할 수 있다. 또한, 상기 제1 피복부는 경화 발생이 억제되어 내구성이 우수할 수 있다.
상기 광물 나노입자는 상기 발열선(100)에 난연성을 부여하여 500℃에서도 난연성능을 가질 수 있다.
상기 제1 피복부(20)는 불소 도료에 광물 나노입자를 분산시킨 제1 피복 조성물을 코팅하여 형성될 수 있다. 코팅 방법은 통상적인 발열선의 피복법을 이용할 수 있다. 예를 들어, 압출법을 통해 피복부를 형성할 수 있다.
상기 불소 도료는 코어부(10)에 대한 절연 성능을 가지므로, 전기사고를 방지할 수 있다.
제2 피복부(30)
상기 제2 피복부(30)는 그래핀을 포함하는 조성물로 상기 제1 피복부(20) 표면을 코팅하여 내부식성을 개선하고, 코어부(10)에서 발생한 열을 외부로 전달하는 열전달 특성을 개선할 수 있다.
상기 그래핀을 포함하는 조성물, 즉 그래핀 도료는 불소 수지에 그래핀이 분산된 것일 수 있다.
상기 그래핀은 박리법(exfolidation), 화학기상증착법(CVD) 등을 사용하여 제조한 그래핀 소재와 그 외의 방법으로 제조된 그래핀을 모두 포함한다.
상기 그래핀은, 예를 들어, 흑연으로부터 박리된 단층 내지 다층의 그래핀일 수 있다. 다른 예시에서 상기 그래핀은 옥수수 속대, 옥수수 대, 알팔파, 수수깡, 대두 줄기, 부들, 건초, 코코넛 껍질, 해초 및 조류(algae)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 바이오 원료로부터 제조된 것일 수 있다. 보다 구체적으로 상기 그래핀은 바이오 원료를 산 촉매 하에서 160~200℃로 가열증류하고, 촉매 존재 하, 140~180℃에서 5~12시간 반응시켜 그래핀 전구체 조성물을 제조하고, 상기 전구체를 250~350℃에서 2~6시간 동안 1차로 열처리하고, 1000~1500℃에서 4~8시간 동안 2차로 열처리하여 제조될 수 있다. 상기 그래핀은 구조적 결함을 포함하여 타 성분에 대한 결합력이 우수하고, 상대적으로 낮은 전기전도성을 가져 불소 수지와 혼합 시 우수한 열 전도성과 동시에 절연 특성을 구현할 수 있다.
상기 제2 피복부(30)는 불소 도료에 그래핀을 분산시킨 제2 피복 조성물을 코팅하여 형성될 수 있다. 코팅 방법은 통상적인 피복법을 이용할 수 있다. 상기 불소 도료는 코어부(10)에 대한 절연 성능을 가지므로, 전기사고를 방지하면서도 상기 그래핀이 열 전달 효과를 가져 발열선으로서 우수한 효과를 구현할 수 있다. 이러한 불소 수지를 포함하는 불소 도료의 일 예시로는 테플론 소재가 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제2 피복부는 그래핀에 의하여 경화 발생이 억제되므로 내구성이 우수할 수 있다.
발열체
본 발명의 다른 일 측면에 따른 발열체는 상기 발열선을 소정의 형상으로 배치한 후, 열접착 및 솔더링하여 외부 전력과 연결한 것일 수 있다.
상기 발열체의 예시는 도 3에 나타난 것과 같다.
예를 들어, 상기 발열체는 발열선이 소정의 직렬 구조로 형성된 폐쇄형 구조에 열접착 및 솔더링으로 전선을 접착하여 형성된 구조일 수 있다. 이러한 구조의 예시는 도 3(c)를 참조할 수 있다. 상기 발열체는 이러한 직렬 구조를 병렬로 다수 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 발열체는 열접착과 솔더링을 동시에 사용하여 접착할 수 있으므로, 외부 전력을 인가하는 전선과의 결합력이 부족한 종래의 발열체 대비 내구성이 현저히 개선될 수 있다.
도 3을 참고하면, 발열체 시편을 물에 투입(a)한 후, 발열 특성이 구현되는지 확인(b)해본 결과, 물 속에서도 발열체가 발열하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 펼쳐진 상태의 발열체(c)를 굽히거나(d), 구겼을 때(e)에도 정상적으로 발열특성이 구현된 것을 확인할 수 있다.
일 예시로, 상기 발열체는 아래 표 1과 같은 방법으로 다양한 적용례를 가진다.
| 구분 | 소비전력 (W, kW) | 열선 길이 (m) | 최대 발열온도(℃) | 적용례 |
| DC 24V/6A | 120W | 26 m | 85℃ | 매트(퀸, 싱글, 의료용) |
| DC 12V/5A | 60W | 17 m | 85℃ | 매트(퀸, 캠핑용) |
| DC 12V/3A | 30W | 4.2 m | 85℃ | 매트(싱글), 아웃도어 용품 |
| DC 5V/2A | 10W | 2.2 m | 85℃ | 조끼, 방석, 구급용 간이침대, 침낭, 1인용 매트 |
| AC | 825W | 50 m | 100℃ | 11m2 난방, 배관 동파방지설비 |
| AC | 1.25kW | 33 m | 230℃ | 가정용 난방기, 보일러, 사우나 |
| AC | 1.55kW | 26 m | 350℃ | 온수, 융설, 인덕션, 산업용 발열체, 농업용 발열체 |
100: 발열선
10: 코어부
11: 제1 비철금속선
12: 제2 비철금속선
20: 제1 피복부
30: 제2 피복부
10: 코어부
11: 제1 비철금속선
12: 제2 비철금속선
20: 제1 피복부
30: 제2 피복부
Claims (8)
- 복수 가닥의 비철금속선으로 구성된 코어부;
하나 이상의 광물 나노입자를 포함하고, 상기 코어부 표면에 코팅된 제1 피복부; 및
그래핀을 포함하고, 상기 제1 피복부 표면에 코팅된 제2 피복부를 포함하는, 발열선에 있어서,
상기 비철금속은 구리, 알루미늄, 니켈, 금, 은, 백금 및 이들 중 2 이상의 합금으로 이루어진 군에서 선택된 하나의 금속이고,
상기 복수 가닥 중 중 적어도 2 이상의 비철금속선은 각각 상이한 금속이 나선형으로 상호 권취된 권선형 구조로서 금속선 상호 간에 간격(ds)을 두도록 형성되며,
상기 간격(ds)은 제1 비철금속선의 두께인 d1과 제2 비철금속선의 두께인 d2의 산술평균보다 작거나 같고, 상기 d1과 d2의산술평균의 절반보다 크거나 같으며,
상기 코어부의 두께는 5~100 ㎛이고,
상기 제1 피복부 및 제2 피복부는 불소 수지를 포함하는 것인, 발열선.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 광물은 세리사이트, 카오린, 펠드스파, 파이로필라이트, 벤토나이트, 세르펜틴, 알루나이트, 석영-몬조나이트, 나이스, 말라카이트, 알만딘, 일메나이트, 플로라이트, 제올라이트, 일라이트, 게르마늄 및 맥반석으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나인, 발열선. - 삭제
- 제1항 또는 제6항에 따른 발열선을 소정의 형상으로 배치한 후, 열접착 및 솔더링하여 외부 전력과 연결한, 발열체.
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