KR102558305B1 - 발수-친수성 패턴 표면을 갖는 면상 발열 열교환기 핀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발수-친수성 패턴 표면을 갖는 면상 발열 열교환기 핀을 개시한다. 본 발명의 실시예에 따르면 금속 핀 상에 형성된 절연 보호층, 상기 절연 보호층 상에 형성된 면상 발열층, 상기 면상 발열층 상에 형성되는 친수성 코팅층 및 상기 친수성 코팅층 상에 패턴으로 형성되어 상기 친수성 코팅층과 하이브리드 패턴 표면을 형성하는 발수성 패턴층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

발수-친수성 패턴 표면을 갖는 면상 발열 열교환기 핀{HEATER-INTEGRATED HYDROPHILIC-HYDROPHOBIC HYBRID PATTERNED FIN SURFACE OF HEAT EXCHANGER}

본 발명은 열교환기 핀에 관한 것으로 구체적으로 친수성 및 발수성 패턴을 가지는 면상 발열 열교환기 핀에 관한 것이다.

열 교환기 핀 표면의 서리 착상은 열 교환기 핀 표면에 단열층을 형성하여 열 교환기 전열 성능을 저하시킬 수 있다. 이를 해결하기 위하여 종래에는 전기 시즈 히터를 사용하는 제상 방법을 주로 채택하여 사용하고 있다.

하지만 기존의 전기 시즈 히터의 경우 사용 전력의 대부분이 제상에 사용되지 않고 열 손실로 낭비되어 낮은 열 교환기 전열 성능을 가지며, 긴 제상 시간을 필요로 한다는 단점이 존재해 제상 효율 향상에 대한 필요성이 높아지고 있다.

또한 많은 산업 분야에서는 우수한 배수 특성을 가진 친수성 핀 표면을 열 교환기 제상 공정에 용이한 표면으로 채택하고 있다.

하지만 친수 표면은 초발수 표면에 비해 열교환기 서리 착상이 빠르게 진행됐고, 초발수 표면에 비해 서리 밀도가 높게 형성하여 서리 제거가 상대적으로 어려움이 있어, 열 교환기 서리층 형성에 취약하여 열 교환기 착상에 불리하다.

반대로 초발수성 표면은 높은 얼음 핵 형성 에너지 장벽을 가지고 있어 표면에 서리층 형성을 지연시키는 효과를 가지고 있으나, 열 교환기 제상 공정 후 초발수성 표면 결함 부근에 붙어 있는 액적 형태의 잔류 응축수는 열교환기 사이클 작동 동안 전열 성능 저하 및 서리 재착상에 큰 영향을 미칠 수 있다.

기존의 면상 발열체를 이용한 제상히터는 핀 위에 면상 발열체를 증착시킨게 아니라, 단순히 면상 발열체를 히터로 한 열교환기에 대한 기술로 제상 시간이 길며, 열 손실이 크다는 단점이 여전히 존재하며, 면상발열체가 핀에 접촉하고 있기 때문에 열교환기 열전달 성능이 떨어진다.

한국 공개특허공보 제10-2015-0008502호, "배수성이 우수한 알루미늄 함유 금속제 열교환기의 친수성 표면 처리제" 한국 공개특허공보 제10-2002-0088029호, "친수, 탈취 및 항균성 피막을 가지는 열교환기 및 이열교환기의 피막 형성방법"

본 발명의 실시예는 친수성 코팅층 상에 발수성 패턴층을 형성하여 열 교환기 표면에 친수성 및 발수성 특성을 모두 부여할 수 있는 열 교환기 핀을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예는 열 교환기 핀 표면에 친수성 및 발수성 표면을 부여하여, 서리 착상을 지연시키면서 제상 시 서리로부터 형성된 응축수를 용이하게 배수시킬 수 있는 열 교환기 핀을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예는 열 교환기 핀 표면에 친수성 및 발수성 표면을 형성하여, 제상 시 응축수가 친수성 표면 상에 넓게 퍼져 응축수가 증발되는 시간을 감소시킬 수 있는 열 교환기 핀을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예는 면상 발열층을 형성하여, 제상 시 서리를 쉽게 녹이고 열 교환기 핀 표면 상의 바이오 필름을 제거할 수 있는 열 교환기 핀을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 발수-친수성 패턴 표면을 갖는 면상 발열 열 교환기 핀은 금속 핀 상에 형성된 절연 보호층, 상기 절연 보호층 상에 형성된 면상 발열층, 상기 면상 발열층 상에 형성되는 친수성 코팅층 및 상기 친수성 코팅층 상에 패턴으로 형성되는 발수성 패턴층을 포함한다.

상기 발수-친수성 패턴 표면을 갖는 면상 발열 열 교환기 핀의 상기 면상 발열층은 0.2 내지 1.0 W/㎠의 전력 밀도를 부가 할 수 있다.

상기 친수성 코팅층의 노출되는 표면(A) : 발수성 패턴층의 표면(B)의 면적비는 1:1 내지 1:3 일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 발수-친수성 패턴 표면을 갖는 면상 발열 열 교환기 핀 제조방법은 열교환기 핀 표면을 세척하는 단계, 상기 열교환기 핀 표면에 절연 보호층을 형성하는 단계, 상기 절연 보호층 상에 면상 발열층을 증착시키는 단계, 상기 면상 발열층 상에 친수성 도료를 코팅하여 친수성 코팅층을 형성하는 단계 및 상기 친수성 코팅층 상에 발수성 패턴층을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 친수성 코팅층의 노출되는 표면과 상기 발수성 패턴층은 1: 1 내지 1:3의 면적비를 특징으로 한다.

상기 발수-친수성 패턴 표면을 갖는 면상 발열 열 교환기 핀 제조방법의 상기 절연 보호층을 형성하는 단계는 질화알루미늄(AlN), 탄화규소(SiC), 질화붕소(BN), 산화알루미늄(Al₂O₃), 폴리디메틸실록산(PDMS), 페놀 수지(PF), 우레아 수지(UF), 멜라민 수지(MF), 불포화 폴리 에스텔 수지(UP), 에폭시 수지(EP), 폴리우레탄 수지(PUR), 폴리이미드 수지(PI)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상을 코팅하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 발수-친수성 패턴 표면을 갖는 면상 발열 열 교환기 핀 제조방법의 상기 면상 발열층을 증착시키는 단계는 실버 페이스트, 카본 페이스트. 탄소나노튜브 분산액, 알루미늄 페이스트, 카본블랙 분산액, 그라파이트 분산액으로 이루어진 전도성 잉크군에서 선택된 적어도 어느 하나를 증착 할 수 있다.

상기 발수-친수성 패턴 표면을 갖는 면상 발열 열 교환기 핀 제조방법의 상기 친수성 코팅층을 형성하는 단계는 수용성 유무기 합성 고분자 코팅제, 친수성 세라믹 코팅제, 친수성 폴리머 코팅제로 이루어진 친수성 코팅제 군에서 선택된 적어도 어느 하나를 코팅할 수 있다.

상기 발수-친수성 패턴 표면을 갖는 면상 발열 열 교환기 핀 제조방법의 상기 발수성 패턴층을 형성하는 단계는 폴리 테트라 플루오로 에틸렌 (PTFE)입자를 포함하는 에폭시 수지, 플루오르화폴리비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 퍼플루오로알콕시알칸(PFA)으로 이루어진 발수성 물질 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상을 패턴화하여 코팅할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 친수성 및 발수성 특성을 모두 부여하는 발수-친수성 패턴을 가지는 면상 발열 열 교환기 핀을 제공함으로써 면상 발열층을 포함한 열교환기 핀을 이용하여 열 교환기의 착상 및 제상 성능이 향상되어 서리를 직접 제거하는 기술을 제공할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 면상 발열 열 교환기 핀은 착상 사이클 동안에는 발수성 부재와 친수성 부재의 패턴 표면을 이용하여 서리 착상을 지연 시키는 기술을 제공할 수 있으며, 상대적으로 넓은 초발수 영역에 의하여 착상 지연 성능을 갖으면서도, 제상 사이클 동안에는 히터와 통합된 핀의 우수한 열전달 성능을 제공할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 면상 발열 열 교환기 핀은 발수성 부재와 친수성 부재의 패턴 표면을 이용하여 효율적으로 제상을 실시하여 표면 응축수의 배수성을 향상 시켜 제상 후 남은 잔류 응축수를 빠르게 모두 증발시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 면상 발열 열 교환기 핀은 추가적으로 표면에 형성된 바이오 필름을 면상 발열을 통해 빠르게 사멸시키는 효과가 있다.

본 발명의 실시예에 따른 면상 발열 열 교환기 핀은 열교환기 착상 및 제상에 대한 모사 실험 장비를 통한 열교환기 핀 표면 착상 및 제상 성능 검증 기술을 제공하는 효과과 있고, 상기와 같은 효과를 통해 향후 열교환기 분야에 널리 쓰일 수 있고, 특히 공기 열원 히트 펌프 분야에 응용할 경우 기존에 비해 전열 성능 효율이 크게 향상될 수 있고 열교환기 악취 및 위생을 크게 개선시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작한 면상 발열 하이브리드 패턴 핀의 측면도를 도시한 것이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작한 면상 발열 하이브리드 패턴 핀의 평면도를 도시한 것이다.
도 3 는 본 발명의 일 실시예에 따라 면상 발열 발수-친수 하이브리드 핀을 제작하는 순서도를 도시한 것이다.
도 4는 발수-친수 하이브리드 표면의 착상 및 제상 성능 검증을 위한 모사 실험 장비의 구성을 도시한 것이다.
도 5은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제작한 시편의 표면 및 접촉각을 도시한 이미지이다.
도 6은 착상 및 제상 모사 실험 장비를 이용하여 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제작한 시편의 착상 실험 가시화한 이미지를 도시한 것이다.
도 7는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제작한 시편의 각 표면별 서리 밀도를 측정하여 착상 성능을 정량화 한 도표를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예의 면상 발열체에 가해지는 각 전력 밀도당 온도 프로파일을 도시한 것이다.
도 9은 착상 및 제상 모사 실험 장비를 이용하여 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제작한 시편의 면상 발열 제상 실험 가시화한 이미지를 도시한 것이다.
도 10는 본 발명의 실시예 따라 제작한 시편의 제상 후 남은 잔류 용해수의 배수 매커니즘을 설명하는 이미지(a) 및 라플라스(Laplace) 압력 구배에 의해 발수 영역의 액적이 친수로 이동되는 모습(b)을 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제작한 시편의 면상 발열체에 전력 인가 여부에 따른 필름상의 미생물 사멸결과를 공초점 현미경으로 확인한 이미지를 도시한 것이다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

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 구성요소, 단계는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.

또한, '또는'이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.

또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.

아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예들을 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.

또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

한편, 본 발명의 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

종래기술의 문제점을 보완하기 위해 본 발명에서는 알루미늄 표면에 전기 절연 보호 층을 1차로 증착 후 면상 발열 층을 2차 증착 한다. 그 위에 친수성 표면을 전체적으로 코팅한 후 발수 코팅제를 패턴 코팅하여 면상 발열 열 교환기 핀의 발수-친수성 하이브리드 표면을 제작하였다. 제작 과정은 도면 1과 같고 제작된 핀 형상은 도면 2 및 도 3와 같다.

일반적으로, 열 교환 효율을 높이기 위하여 열 교환기 핀의 간격은 매우 조밀하게 제조된다.

이때, 열 교환기 핀 및 외부 공기와의 열 교환에 의해 열 교환기 핀 표면에 공기 중 수분이 응축되면 열 교환기 핀 사이에 응축된 물이 합쳐질 수 있으며, 이는 열 교환기 핀의 냉각 효율을 떨어뜨리는 원인이 된다.

이러한 문제를 방지하기 위해 열 교환기 핀 표면을 친수 처리하는 것이 일반적으로, 친수 처리된 표면은 응축된 물이 열 교환기 핀 표면을 따라 퍼지기 때문에 인접 열 교환기 핀 사이에서 물이 합쳐지지 않을 수 있다. 또한 친수 표면의 경우 표면 서리 착상이 빠르게 일어나 열교환기에 전열 성능을 저하시킨다는 문제점이 존재한다.

그리고 표면 친수 처리 방식은 열 교환기 핀 표면에 항상 물이 응축되어 있고 공기와 직접 접촉하는 열 교환기 핀의 표면 온도가 올라가게 되어 열 교환기 핀의 표면 특성 및 냉각 효율을 저하시킬 뿐만 아니라, 세균과 박테리아 및 곰팡이 등이 서식하게 되어 별도의 항균 처리가 필요하다는 문제가 발행하였다.

한편, 열 교환기 핀 표면에 발수 처리를 하는 방법도 제시되고 있으나, 발수 표면 처리된 열 교환기 핀은 열 교환기 핀 표면에 형성된 응축수가 즉각적으로 흘러내리지 않고 맺히면서 오히려 인접 열 교환기 핀과의 응축수가 합쳐지는 문제가 발생하였다.

본 발명은 상기 열교환기 핀에 착상 사이클이 가동 중에는 발수성 패턴 표면의 착상 지연 성능을 유지하면서, 제상 사이클 가동 시에는 면상 발열 기술을 이용하여 빠르게 제상함과 동시에 친수성 패턴 표면의 높은 배수 특성을 이용하여 잔류 응축수의 배수를 용이하게 한다. 그리고 수막 형태의 응축수가 빠르게 완전 건조될 수 있도록 하여 기존의 문제점들을 극복한 발명이다.

기존의 열교환기 핀의 서리 착상은 열교환기 성능저하에 큰 원인으로 작용하여 기존에는 외부의 열선으로 제상, 외부로의 열 손실이 커져 제상 효율이 낮고, 긴 제상 시간은 냉장고 내부 음식물의 부패로 이어지는 문제점이 있었으나, 표 1 및 도 12를 참조하면, 면상 발열을 이용하여 가한 열량 대부분을 제상에 사용 가능하고, 모든 핀에서 동일한 빠르기로 온도를 상승시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 열 교환기 핀(100)에 대한 설명을 도면과 함께 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 교환기 핀(100)의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발수-친수성 하이브리드 패턴 표면을 갖는 면상 발열 열 교환기 핀(100)(이하, 본 발명)은 금속 핀(110) 상에 형성된 절연 보호층(120), 절연 보호층(120) 상에 형성된 면상 발열층(130), 면상 발열층(130) 상에 형성되고, 친수성 물질을 포함하는 친수성 코팅층(140) 및 친수성 코팅층(140) 상에 패턴으로 형성되고, 발수성 물질을 포함하는 발수성 패턴층(150)을 포함한다.

금속 핀(110)은 종래의 냉각 핀과 같은 형상일 수 있다.

금속 핀(110)의 재질은 열 전달 특성이 우수한 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag) 및 금(Au) 중 어느 하나 또는 이들의 합금일 수 있으며, 상기 물질에 제한되는 것은 아니다.

절연 보호층(120)은 금속 핀(110) 상에 형성되는 것으로, 금속 핀(110) 쪽으로 전류가 흐르지 않도록 절연시킬 수 있다.

절연 보호층(120)은 질화알루미늄(AlN), 탄화규소(SiC), 질화붕소(BN), 산화알루미늄(Al₂O₃) 등의 세라믹류, 열전도성은 약간 떨어지지만 높은 비저항을 갖는 폴리디메틸실록산(PDMS), 페놀 수지(PF), 우레아 수지(UF), 멜라민 수지(MF), 불포화 폴리 에스텔 수지(UP), 에폭시 수지(EP), 폴리우레탄 수지(PUR), 폴리이미드 수지(PI)와 같은 열 경화성 수지, 실리콘 바니쉬 중 어느 하나와 같은 절연성 물질로 이루어질 수 있으며, 전기 절연용 필름 재료로 사용될 수 있는 수지라면 그 종류를 제한하지 않는다.

면상 발열층(130)은 절연 보호층(120) 상에 위치하며, 발열을 통해 본 발명의 열 교환기 핀(100) 상에 형성된 서리를 녹여 증발시킴으로써 착상을 방지할 수 있다.

면상 발열층(130)은 금속 핀(110)에 직접적인 전기 전달을 차단하기 위해 항상 절연보호층(120) 상에 증착되어야 한다. 또한 친수성 코팅층(140) 및 발수성 패턴층(150)과 같은 기능성 표면층(발수 혹은 친수 혹은 친수-발수 패턴층)의 효과를 발현하기 위해서는 항상 액적과 접하는 부분에 기능성 표면층이 존재해야 하고, 상기 기능성 표면층에 열을 전달하기 가장 효율적인 면상 발열층(130)의 위치는 상기 기능성 표면층과 전기절연층(120) 사이에 존재해야 한다.

면상 발열층(130)은 비저항 값이 크지 않고 저렴하게 입수 가능한 물질이라면, 다양한 금속 또는 합금 재료를 사용할 수 있고, 면상 발열층(130)은 0.2 내지 1.0 W/㎠의 전력 밀도를 인가 할 수 있다. 바람직하게는 0.6 내지 1.0 W/㎠의 전력 밀도를 인가 할 수 있다.

상기 인가되는 전력 밀도는 0.2W/㎠ 이상 인가되어야 미생물 사멸 효과에 의해 미생물 수가 감소되고, 0.6 W/㎠ 이상 전력 밀도가 인가되면 보다 확실한 미생물 사멸 효과가 있다. 1.0 W/㎠ 이상을 초과하면 미생물 사멸효과 및 제상 효과 면에서 큰 차이가 없으면서 전력 소모가 높아져 바람직하지 못하다.

면상 발열층(130)은 열 전도성이 높은 금속 혹은 카본 계열의 전도성 잉크층일 수 있으며, 상기 전도성 잉크는 실버 페이스트, 카본 페이스트. 탄소나노튜브 분산액, 알루미늄 페이스트, 카본블랙 분산액, 그라파이트 분산액 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 전도성 잉크층 일 수 있으며, 열 전도성은 높고 저항성은 낮은 물질이라면 상기 종류에 제한되지 않는다.

상기 탄소나노튜브 분산액, 카본블랙 분산액, 그라파이트 분삭액은 각각의 탄소나노튜브, 카본블랙, 그라파이트에 용매를 혼합하여 형성된 분산액을 지칭하는 것이며, 상기 용매로는 아세톤, 톨루엔, 클로로포름, 디클로로메탄, N-메틸피롤리돈, 에틸렌글리콜, 헥산 등 휘발 특성이 있는 유기 용매 1종 혹은 그 이상을 포함할 수 있다

본 발명의 열 교환기 핀(100)은 열과 응축수에 의해 열 교환기 핀(100) 표면에 미생물이 번식될 수 있다.

이때, 본 발명의 열 교환기 핀(100)을 고온으로 가열하여 면상 발열층(130)이 발열되면서 열 교환기 핀(100) 표면에 존재하는 미생물을 사멸 시킬 수 있으며, 이로부터 열 교환기 핀(100)의 악취 및 위생 문제를 해결할 수 있다.

친수성 코팅층(140)은 면상 발열층(130)을 모두 덮도록 면상 발열층(130) 상에 위치 할 수 있다.

친수성 코팅층(140)은 친수성 물질을 포함하여, 본 발명의 열 교환기 핀(100)의 제상 사이클 가동 시 표면에 형성된 응축수를 용이하게 배수시킬 수 있다.

구체적으로는 본 발명의 열 교환기 핀(100)의 제상 사이클 가동 시 발수성 코팅층 표면에 존재했던 서리가 녹아 형성된 응축수가 친수성 코팅층(140)을 따라 용이하게 수집되어 배수될 수 있다.

또한, 본 발명의 열 교환기 핀(100)의 제상 사이클 가동 시 형성된 응축수는 친수성 코팅층(140) 상에 수막 형태로 퍼져 짧은 시간 내에 증발될 수 있다.

친수성 코팅층(140)에 포함된 친수성 물질은 물유리, 콜로이달 실리카와 같은 친수성 무기 화합물, 수용성 유무기 합성 고분자, 실리카(SiO2), 티타니아(TiO2) 등의 친수 세라믹 코팅제, 하이드로겔과 같은 친수성 폴리머 코팅제 혹은 그의 복합물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 전기 절연 특성을 갖는 동시에 친수성을 갖는 물질이라면 상기 물질에 제한되지 않는다.

발수성 패턴층(150)은 친수성 코팅층(140) 상에 형성되며, 친수성 코팅층(140)의 표면 일부가 노출되는 하이브리드 패턴을 가질 수 있다.

또한, 발수성 패턴층(150)은 수직 줄무늬 형상의 패턴을 가질 수 있으며, 이외에 사선 줄무늬 형상, 곡선 형상, 격자 형상과 같이 다양한 형상의 패턴을 가질 수 있다.

상기 하이브리드 패턴의 표면은 상기 친수성 코팅층(140)의 노출되는 표면과 상기 발수성 패턴층(150)의 표면의 면적비가 1:1 내지 1:3 일 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 열 교환기 핀(100)의 표면은 친수성과 발수성을 모두 가질 수 있다.

그리고 상기 하이브리드 패턴은 본 발명의 열 교환기 핀(100)의 착상 사이클 가동 시 상기 발수성 패턴층(150) 상에 서리가 착상되고, 열 교환기 핀(100)의 제상 사이클 가동 시 면상 발열층(130)의 발열에 의해 상기 서리가 제상되어 형성된 응축수가 친수성 코팅층(140) 표면으로 이동하여 상기 응축수를 배수할 수 있다.

본 발명 실시예에 따른 열 교환기 핀(100)은 친수성과 발수성을 모두 가지고 있어, 친수성으로만 표면을 코팅한 열 교환기 핀에 대비하여 대비 57.3% 내지 83.1% 의 서리 밀도를 가지며, 친수성으로만 표면을 코팅한 열 교환기 핀에 대비 평균 69.1%의 서리 밀도를 나타냄으로써 약 30%의 서리밀도 감소 효과가 있다.

이때 상기 서리 밀도는 일정한 면적당 형성되는 서리의 무게를 의미한다.

또한 본 발명의 열 교환기 핀(100)은 상기 면상 발열체에 인가되는 동일한 전력 밀도를 기준으로 발수성으로만 표면을 코팅한 열 교환기 핀과 대비하여 54.8% 내지 73.6%의 시간만으로 제상이 가능하며, 발수성으로만 표면을 코팅한 열 교환기 핀과 대비 평균 65%의 증발 시간을 나타내어 약 35%의 증발 시간 감소 효과가 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열 교환기 핀(100)의 평면도이다.

도 2를 참조하면, 발수성 패턴층(150)은 수직 줄무늬 형상의 패턴 형상을 가질 수 있으며, 발수성 패턴층(150)에 의해 친수성 코팅층(140)의 표면 일부가 외부로 노출될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 열 교환기 핀(100)을 평면에서 바라볼 때, 발수성 패턴층(150)에 의해 노출된 친수성 코팅층(140) 한 개의 면적(A)과 발수성 패턴층(150)을 이루는 패턴 한 개의 면적(B)은 일정한 비율을 가진다.

열 교환기 핀(100)의 발수성 패턴층(150)과 같은 초발수 영역이 넓을수록 착상 성능, 제상 시 배수성이 우수하나, 노출된 친수성 코팅층(140)의 면적과 발수성 패턴층(150)의 면적비가 1:3을 초과하는 경우 초발수로만 코팅한 코팅층과 유사하게 표면 결함부에서 액적 형태로 응축수가 맺히게 되고, 노출된 친수성 코팅층(140)의 면적과 발수성 패턴층(150)의 면적비가 1:1 미만의 경우 초친수로만 코팅한 코팅층과 유사한 서리 밀도를 가지게 된다.

즉, 친수성 부분이 많아지면, 착상 효과가 좋지 못하고, 발수성 부분이 많아지면 제상 효과가 좋지 못하다. 이는 친수도와 발수도가 얼마냐에 따라서 면적 비가 달라질 수 있음을 나타내는 것으로, 친수성 부분의 표면 에너지가 얼마나 더 높으냐, 혹은 발수성 부분의 표면 에너지가 얼마나 더 낮으냐에 따라 면적 비가 달라질 수 있다.

본 발명의 열 교환기 핀은 평면에서 바라볼 때 발수성 패턴층(150)에 의해 노출된 친수성 코팅층(140) 한 개의 면적(A)과 발수성 패턴층(150)을 이루는 패턴 한 개의 면적(B)의 비율 A:B는 바람직하게 1:1 내지 1:3 면적비에서 최적점을 가진다.

상기 A:B의 비율은 표면 에너지에 따라서 다양한 면적비를 적용하여 최적의 착/제상 성능을 갖는 표면 갖도록 적용할 수 있으며, 바람직하게는 1:1 내지 1:3의 비율을 가질 수 있고, 본 발명의 실시예에 따른 노출된 친수성 코팅층(140)의 면적과 발수성 패턴층(150)의 가장 바람직한 면적의 비율은 1:2일 수 있다.

이때 도 1을 함께 참조하면, 발수성 패턴층(150)은 발수성 물질을 포함하여 본 발명의 열 교환기 핀(100)의 착상 사이클 가동 시 열 교환기 핀(100) 표면에 서리가 착상될 수 있으나, 높은 얼음 핵 형성 에너지 장벽을 가져 본 발명의 열 교환기 핀(100) 표면에 서리가 착상되는 현상을 지연시킬 수 있다.

또한, 발수성 패턴층(150)은 본 발명의 열 교환기 핀(100)의 면상 발열층(130)에 전기가 인가되어 제상 사이클 가동 시, 면상 발열층(130)의 발열에 의해 열 교환기 핀(100) 표면에 형성된 서리가 녹으면서 형성된 응축수가 바로 굴러 떨어져 흘러내리도록 할 수 있을 뿐만 아니라 표면에 형성된 응축수를 쪼개어 친수 영역을 통해 원활히 배수 될 수 있도록 한다.

이때 발수성 패턴층(150)에서 흘러내리는 응축수는 발수성 패턴층(150) 상에서 접촉각이 90° 이상의 액적일 수 있으며, 친수성 코팅층(140)에서 응축수 액적이 합쳐져 수막 형태로 퍼질 수 있다.

발수성 패턴층(150)에 포함된 발수성 물질은 불소(F)를 포함하는 고분자일 수 있으며, 접촉각 90° 이상을 가지는 물질이라면 상기 종류에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 열 교환기 핀(100)은 착상 사이클 가동 시 발수성 패턴층(150)의 착상 지연 성능을 유지하면서, 제상 사이클 가동 시 면상 발열층(130)을 이용하여 서리를 빠르게 제상하는 동시에 친수성 코팅층(140)의 배수 특성을 이용하여 응축수를 용이하게 배수할 수 있다.

또한, 본 발명의 열 교환기 핀(100)은 친수성 코팅층(140) 상에 응축수가 수막 형태로 퍼져 빠른 속도로 건조될 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열 교환기 핀의 제조과정에 대한 순서도이다.

도 3을 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 발수-친수성 하이브리드 패턴 표면을 갖는 면상 발열 열 교환기 핀의 제조방법은 금속 핀을 세척하는 단계, 상기 금속 핀 상에 절연 보호층을 형성하는 단계, 상기 절연 보호층 상에 면상 발열층을 형성하는 단계, 상기 면상 발열층 상에 친수성 코팅층을 형성하는 단계, 상기 친수성 코팅층 상에 발수성 패턴층을 형성하는 단계를 포함한다.

상기 금속 핀을 세척하는 단계는 이물질을 제거하여 상기 절연 보호층의 형성을 용이하게 한다.

상기 절연 보호층을 형성하는 단계는 상기 금솜 핀 상에 절연성 물질을 도포 방법, 증착 방법, 플라즈마 코팅 방법 등을 통해 형성할 수 있다.

상기 도포 방법은 스핀코팅(spin coating), 스프레이코팅(spray coating), 울트라 스프레이코팅(ultra-spray coating), 전기방사코팅, 슬롯다이코팅(slot die coating), 그라비아코팅(gravure coating), 바코팅(bar coating), 롤코팅(roll coating), 딥코팅(dip coating), 쉬어코팅(shear coating), 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(inkjet printing) 또는 노즐 프린팅(nozzle printing)일 수 있으며, 상기 방법에 제한되는 것은 아니다.

또한, 상기 증착 방법은 진공 증착법 (vacuum deposition), 화학 기상 증착법(chemical vapor deposition), 물리 기상 증착법(physical vapor deposition), 원자층 증착법(atomic layer deposition), 유기금속 화학 증착법(Metal Organic Chemical Vapor Deposition), 열증착(thermal evaporation), 플라즈마 화학 증착법(Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition), 분자선 성장법(Molecular Beam Epitaxy), 수소화물 기상 성장법(Hydride Vapor Phase Epitaxy), 전자빔증착(e-beam evaporation), RF 스퍼터링(Radio Frequency sputtering), 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering), 스퍼터링(Sputtering) 및 존 캐스팅(zone casting) 중 어느 하나일 수 있으며, 상기 방법에 제한되는 것은 아니다.

상기 플라즈마 코팅은 나노 사이즈의 무기물 도료나 세라믹 소재를 이용하여 금속 핀상에 절연 보호층을 형성할 수 있다.

상기 절연성 물질이 열 경화성 수지 또는 실리콘 바니쉬인 경우, 금속 핀상에 절연성 물질이 도포 또는 증착되어 절연 보호층을 형성 할 수 있으며, 이때, 상기 실리콘 바니쉬는 절연성 접착제로, 금속 핀 상에 도포된 후 반 경화 상태일 때 강한 접착력을 가질 수 있다.

상기 열 경화성 수지는 내열성과 전기 절연성이 우수한 합성수지일 수 있으며, 예를 들어 PET(Polyethylene Terephthalate), PE(Polyethylene), PP(Polypropylene), TPA(Terephthalic Acid)와 MEG(Mono-ethylene Glycol)을 중합하여 얻어지는 폴리이미드(Polyimide) 및 실리콘 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며, 전기 절연용 필름 재료로 사용될 수 있는 수지라면 그 종류를 제한하지 않는다.

상기 면상 발열층을 형성하는 단계는 열 전도성이 높은 금속 혹은 카본 계열의 잉크를 절연보호층 상에 도포하여 형성될 수 있다.

상기 잉크는 전도성 잉크일 수 있고, 상기 전도성 잉크는 실버 페이스트, 카본 페이스트. 탄소나노튜브 분산액, 알루미늄 페이스트, 카본블랙 분산액, 그라파이트 분산액 등 열 전도성은 높고 저항성은 낮은 물질일 수 있으며, 상기 물질에 제한되지 않는다.

상기 면상 발열층을 형성하는 방법은 스핀 코팅(spin coating), 스프레이 코팅(spray coating), 울트라 스프레이 코팅(ultra-spray coating), 전기방사 코팅, 슬롯 다이 코팅(slot die coating), 그라비아 코팅(gravure coating), 바 코팅(bar coating), 롤 코팅(roll coating), 딥 코팅(dip coating), 쉬어 코팅(shear coating), 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(inkjet printing) 또는 노즐 프린팅(nozzle printing)방법을 이용 할 수 있고, 상기 방법에 제한되는 것은 아니다.

상기 친수성 코팅층을 형성하는 단계는 친수성 코팅 물질을 이용하여 상기 면상 발열층을 모두 덮도록 상기 면상 발열층 상에 형성될 수 있다.

상기 친수성 코팅 물질은 물유리, 콜로이달 실리카와 같은 친수성 무기 화합물, 수용성 유무기 합성 고분자, 실리카(SiO2), 티타니아(TiO2) 등의 친수 세라믹 코팅제, 하이드로겔과 같은 친수성 폴리머 코팅제 혹은 그의 복합물 등 일수 있고, 전기 절연 특성을 갖는 동시에 친수성을 갖는 물질이라면, 상기 물질에 제한되지 않고 사용 할 수 있다.

상기 친수성 코팅층을 형성하는 방법은 스핀 코팅(spin coating), 스프레이 코팅(spray coating), 울트라 스프레이 코팅(ultra-spray coating), 전기방사 코팅, 슬롯 다이 코팅(slot die coating), 그라비아 코팅(gravure coating), 바 코팅(bar coating), 롤 코팅(roll coating), 딥 코팅(dip coating), 쉬어 코팅(shear coating), 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(inkjet printing) 또는 노즐 프린팅(nozzle printing)일 수 있으며, 상기 방법에 제한되는 것은 아니다.

상기 발수성 패턴층을 형성하는 단계는 발수성 코팅 물질을 이용하여 형성하고, 상기 친수성 코팅층 표면의 일부가 노출되도록 상기 발수성 패턴층을 형성하며, 상기 노출되는 친수성 코팅층의 표면과 상기 발수성 패턴층은 일정한 면적비를 가질 수 있다.

상기 발수성 코팅 물질은 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)입자를 포함하는 에폭시 수지를 사용할 수 있으며, 이외에도 플루오르화폴리비닐리덴 (PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 퍼플루오로알콕시알칸 (PFA) 등의 불소계 고분자 화합물 혹은 탄화수소 계열 발수 코팅제 등 낮은 표면에너지를 갖는 물질 이라면, 상기 물질에 제한되지 않고 사용 할 수 있다.

상기 발수성 패턴층을 형성하는 방법은 스핀 코팅(spin coating), 스프레이 코팅(spray coating), 울트라 스프레이 코팅(ultra-spray coating), 전기방사 코팅, 슬롯 다이 코팅(slot die coating), 그라비아 코팅(gravure coating), 바 코팅(bar coating), 롤 코팅(roll coating), 딥 코팅(dip coating), 쉬어 코팅(shear coating), 스크린 프린팅(screen printing), 잉크젯 프린팅(inkjet printing) 또는 노즐 프린팅(nozzle printing)일 수 있으며, 상기 방법에 제한되는 것은 아니다.

상기 발수성 패턴층의 형성 단계는 상기 노출되는 친수성 코팅층의 표면과 상기 발수성 패턴층 간에 일정한 면적비를 가지고, 상기 노출되는 친수성 코팅층 표면의 면적 대비 발수성 패턴층의 면적은 1:1 내지 1:3이 될 수 있도록 발수성 패턴층을 형성 한다.

상기 발수성 패턴층을 형성하는 단계는 상기 친수성 코팅층 상에 수직 줄무늬 형상의 패턴 형성할 수 있으며, 이외에 사선 줄무늬 형상, 곡선 형상, 격자 형상과 같이 다양한 형상의 패턴을 형성할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 열 교환기 핀 제조방법은 그 제조 공정이 간단하여 대면적 및 양산 공정 적용이 가능하다.

이하, 열 교환기 핀을 실시예 및 비교예에 따라 제조한 후 열 교환기 핀의 착상 및 제상 모습과 성능 평가를 수행하였다.

[실시예 1] 하이브리드 표면

알루미늄 금속 핀 상에 질화알루미늄(AlN)을 스퍼터링 방법을 통해 증착하여 절연 보호층을 형성한 후, 절연 보호층 상에 카본 페이스트를 스크린 프린팅 기법을 사용하여 면상발열층을 형성하였다.

이후, 면상 발열층상에 상용 유무기 복합 고분자 수지(제품명: HL-831)를 딥코팅하여 친수성 코팅층을 형성한다.

상기 친수성 코팅층 상에 발수성 물질인 PTFE 에폭시 혼합 잉크를 스크린 프린팅하여 발수성 패턴층을 형성한다. 이때 상기 열교환기 핀 표면의 친수성 코팅층 및 발수성 패턴층의 면적비는 1:2가 되도록 줄무늬 패턴 형상으로 발수성 패턴층을 형성하여 친수성-발수성 하이브리드 표면을 가지는 열교환기 핀을 제조한다.

[비교예 1] 초발수 표면

상기 실시예 1과 동일하게 수행하되, 상기 친수성 코팅층을 형성 단계 없이 상기 면상 발열층 상에 발수성 물질인 PTFE 에폭시 혼합 잉크를 스크린 프린팅하여 발수성 코팅층을 형성한다.

이때 상기 발수성 코팅층은 상기 금속 알루미늄 핀의 면적 전체가 코팅되도록 수행하여 열 교환기 핀을 제조한다.

[비교예 2] 초친수 표면

상기 실시예 1과 동일하게 수행하되, 상기 면상 발열층 상에 콜로이달 실리카를 딥 코팅하여 친수성 코팅층을 형성하고, 상기 발수성 패턴층 형성 단계를 생략하여 열 교환기 핀을 제조한다.

특성 평가 1.

실시예 1, 비교예 1 및 2에 따라 제조된 열 교환기 핀의 시편 표면을 확인하여 이를 도 5에 이미지로 도시한다.

이때 비교예 1의 초발수성 표면은 접촉각이 >130도이고, 비교예 2의 친수성 표면은 접촉각이 <30도이다. 실시예 1의 하이브리드 표면은 상기 초발수성 표면과 상기 친수성 표면을 패턴형태로 포함하고 있음을 확인할 수 있다. (스케일 바는 1cm를 나타냄)

특성 평가 2.

실시예 1, 비교예 1 및 2에 따라 제조된 열 교환기 핀의 적용하여 도 4에 도시된 착상 및 제상 모상 실험 장비를 이용하여 착상 실험을 수행하였다. 착상 실험을 수행하여 가시화한 결과는 도 6에 도시한다.

도 6을 참조하면 비교예 1의 초발수 표면의 경우 먼저 액적 형태로 응축이 일어난 후 서리가 형성된 것을 알 수 있고, 비교예 2의 친수 표면의 경우 수막 형태로 응축이 일어난 후 서리가 형성된 것을 알 수 있다. 이때, 실시예 1의 하이브리드 표면의 발수 영역은 초발수성 표면과 유사하게, 친수 영역은 친수성 표면과 유사하게 서리 착상 거동을 보인다.

상기 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 각 표면별 서리 밀도를 측정하여 착상 성능을 정량화 하였다. 정량화 한 결과는 도 7에 그래프로 도시한다.

이때 조건은 외기 온도 15℃, 상대습도 85%, 핀 온도 -10℃조건에서 15분, 30분 착상 사이클 가동 결과이다.

상기 도 7을 참조하면 초발수성 표면의 경우 가장 낮은 서리 밀도를 가지며, 친수성 표면의 경우 가장 높은 서리 밀도를 가진다. 하이브리드 표면의 경우 발수 영역이 넓을 수록 낮은 서리 밀도를 갖는 것을 확인할 수 있다.

이때 30분 착상 사이클 가동 결과 본 발명의 실시예 1에 따른 열 교환기 핀의 서리 밀도는 149.4±15.6kg/㎥ 을 나타냈고, 비교예 1의 초발수 표면을 코팅한 경우는 125.2±14.9kg/㎥, 비교예 2의 친수 표면을 코팅한 경우 216.0±17.3kg/㎥ 의 서리 밀도를 나타냈다.

본 발명의 실시예 1의 하이브리드 표면은 비교예 1의 친수 표면 대비 57.3% 내지 83.1% 의 서리 밀도를 가지며, 평균 69.1%로 약 30%의 서리밀도를 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

특성 평가 3.

실시예 1에 따라 제조된 열 교환기 핀의 면상 발열층에 0.2 W/㎠, 0.4 W/㎠, 0.6 W/㎠, 0.8 W/㎠, 및 1.0 W/㎠의 각기 다른 전력 밀도를 가한 후 변화되는 열 교환기 핀의 온도를 측정하여 확인한다. 변화되는 온도 프로파일 도표는 도 8에 도시한다.

도 8을 참조하면, 0 sec에 전력을 인가하여 300 sec에서 전력 공급을 차단하였으며, 0.2 W/㎠의 경우 최고 도달 온도가 65℃ 이고, 1.0 W/㎠의 경우 187℃까지 최고 도달 온도가 증가하는 경향을 확인할 수 있다. 즉 전력밀도가 증가할수록 최고 도달 온도가 증가하는 것을 확인하였다.

특성 평가 4.

실시예 1, 비교예 1 및 2에 따라 제조된 열 교환기 핀의 적용하여 도 6에 도시된 착상 및 제상 모상 실험 장비를 이용하여 제상 실험을 수행하였다. 제상 실험을 수행하여 가시화한 결과는 도 9에 도시한다.

도 9를 참조하며, 비교예 1의 초발수성 표면의 경우 가장 적지만 결함부에 액적 형태로 물방울이 부착되었으며, 비교예 2의 친수성 표면의 경우 전체에 수막 형태로 얇게 액적이 분포하였다. 하이브리드 표면의 경우 라플라스 압력 구배에 의해 발수 영역의 액적이 친수로 이동되어 친수영역에 소량 수막형태로 액적이 분포하였다.

또한 상기 변상 발열을 이용하여 실시예 1, 비교예 1 및 2에 따라 제조된 열 교환기 핀의 표면에 서리가 완전히 증발하는데 걸리는 시간을 측정하여 제상 성능을 정량화하고, 이를 하기의 표 1에 정리하여 도시하며, 실시예 1의 하이브리드 표면의 경우 라플라스 압력 구배에 의해 발수 영역의 액적이 친수로 이동할 수 있는 매커니즘을 설명하는 이미지와 실제 발수 영역의 액정이 친수로 이동되는 모습을 촬영하여 도 10에 도시한다.

표 1을 참조하면, 비교예 2의 친수성 표면의 경우 잔류 융해수의 넓은 접촉 영역에 의해 우수한 열전달 특성을 갖기 때문에 빠르게 증발이 완료하였으며, 비교예 1의 초발수성 표면의 경우 친수성 표면에 비하여 낮은 잔류 응축수 질량을 갖지만 오히려 높은 증발 시간을 필요로 한다.

또한 실시예 1의 하이브리드 표면의 경우 친수와 유사한 증발 시간(Defrosting time) 특성을 갖는 것을 확인하였다. 결과적으로 실시예 1의 하이브리드(Hybrid) 표면은 제상시에는 잔류 응축수의 양(Retainde water mass)은 비교예 1의 초발수(Super-Hydrophobic) 표면과 유사한 수준으로 줄일 수 있고, 동일한 제상 시간(Melting time)에 비례하여 증발 시간(Defrosting time)은 비교예 2의 친수성(Super-Hydrophilic) 표면과 유사한 수준의 완전 건조시간(Full evaporation time)으로 줄일 수 있다.

구체적으로는 1 W/㎠전력 밀도를 기준으로 할 때 제상하는 데 필요한 시간은 실시예 1의 하이브리드 표면은 64.2±9.4 sec, 비교예 1의 초발수 표면은 103.0±12.0 sec 및 비교예 2의 친수 표면은 63.4±7.3 초의 증발 시간을 갖는다.

따라서 본 발명의 실시예 1은 동일한 전력 밀도를 기준으로 초 발수성만 표면을 코팅한 비교예 1의 열 교환기 핀과 대비하여 54.8% 내지 73.6%의 시간으로 제상이 가능하며, 초 발수성만 표면을 코팅한 비교예 1 대비 평균 65%의 증발 시간을 나타내어 약 35% 증발 시간을 감소시킬 수 있다.

도 10를 참조하면 도 10의 (a)는 제상 후 남은 잔류 융해수의 배수 메커니즘을 설명하는 이미지고, 도 10의 (b)는 실제 잔류 융해수 거동을 나타낸 이미지이다. 그리고 이때 스케일 바의 크기는 2mm이다.

도 10의 (a)를 참조하면 초발수성 부위(Superhydrophobic zone)와 초친수성 부위(Superhydrophilic zone)의 특성에 따라 친수영역(L_phi)에서 물방울을 끌어당기고(F_phi), 발수영역(L_pho)에서 물방울을 밀어내어(F_pho) 액적 내부에서 물방울이 쪼개지도록 힘을 받게 되는 메커니즘을 설명한다.

도 10의 (b)는 도 10의(a)와 같은 메커니즘을 통해 실제 잔류 융해수 거동을 나타내는 효과를 확인하는 이미지이다.

특성 평가 5.

실시예 1, 비교예 1 및 2에 따라 제조된 열 교환기 핀의 면상 발열층에 0.2 W/㎠, 0.6 W/㎠, 및 1.0 W/㎠의 각기 다른 전력 밀도를 5분간 가한 후 전력 밀도에 따른 미생물(E. coli) 사멸 성능을 확인하기 위해 공초점 현미경을 통한 미생물의 사멸결과를 확인한 이미지를 도 11에 도시하고(스케일 바의 크기는 200㎛), 상기 공초점 현미경을 통해 미생물의 사멸결과를 정량화 하여 하기 표 2에 도시한다.

단위 : Cell/㎠

표 2를 참조하면, 면상 발열체를 이용하여 0 W/㎠의 비해 0.2 W/㎠의 전력 밀도를 가하면 미생물 콜로니 수가 줄어 든 것을 확인할 수 있으며, 0.6 W/㎠ 이상의 전력 밀도를 가하면 미생물이 사멸되어 검출되지 않음을 확인할 수 있다. 이는 면상 발열체를 이용하면 열교화기 표면에 형성된 바이오 필름을 빠르게 사멸시킬 수 있음을 확인할 수 있는 것이며, 이를 통해 열교환기 악취 및 위생 문제를 해결할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 열 교환기 핀
110: 금속 핀
120: 절연 보호층
130: 면상 발열층
140: 친수성 코팅층
150: 발수성 패턴층

Claims (8)

1. 금속 핀 상에 형성된 절연 보호층;
   상기 절연 보호층 상에 형성된 면상 발열층;
   상기 면상 발열층 상에 형성되는 친수성 코팅층; 및
   상기 친수성 코팅층 상에 패턴으로 형성되는 발수성 패턴층
   을 포함하고,
   상기 친수성 코팅층의 노출되는 표면(A) : 발수성 패턴층의 표면(B)의 면적비는 1:2 내지 1:3이며,
   상기 절연 보호층은 상기 금속 핀으로 전류가 흐르는 것을 방지하고,
   상기 면상 발열층은 전도성 잉크를 포함하고, 상기 전도성 잉크는 열 전도성이 높은 것을 특징으로 하는 발수-친수성 패턴 표면을 갖는 면상 발열 열 교환기 핀.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 면상 발열층은 0.2 내지 1.0 W/㎠의 전력 밀도가 인가되는 것을 특징으로 하는 발수-친수성 하이브리드 패턴 표면을 갖는 면상 발열 열 교환기 핀.
   
3. 삭제
4. 제1항에 따른 면상 발열 열 교환기 핀의 제조방법에 있어서,
   열교환기 핀 표면을 세척하는 단계;
   상기 열교환기 핀 표면에 절연 보호층을 형성하는 단계;
   상기 절연 보호층 상에 면상 발열층을 증착시키는 단계;
   상기 면상 발열층 상에 친수성 도료를 코팅하여 친수성 코팅층을 형성하는 단계; 및
   상기 친수성 코팅층 상에 발수성 패턴층을 형성하는 단계를 포함하고,
   상기 친수성 코팅층의 노출되는 표면과 상기 발수성 패턴층은 1: 2 내지 1:3의 면적비를 가지며,
   상기 절연 보호층은 상기 금속 핀으로 전류가 흐르는 것을 방지하고,
   상기 면상 발열층은 전도성 잉크를 포함하고, 상기 전도성 잉크는 열 전도성이 높은 것을 특징으로 하는 발수-친수성 패턴 표면을 갖는 면상 발열 열 교환기 핀 제조방법.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 절연 보호층을 형성하는 단계는 질화알루미늄(AlN), 탄화규소(SiC), 질화붕소(BN), 산화알루미늄(Al₂O₃), 폴리디메틸실록산(PDMS), 페놀 수지(PF), 우레아 수지(UF), 멜라민 수지(MF), 불포화 폴리 에스텔 수지(UP), 에폭시 수지(EP), 폴리우레탄 수지(PUR), 폴리이미드 수지(PI)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상를 코팅하는 것을 특징으로 하는 발수-친수성 패턴 표면을 갖는 면상 발열 열 교환기 핀 제조방법.
   
6. 제4항에 있어서,
   상기 면상 발열층을 증착시키는 단계는 실버 페이스트, 카본 페이스트. 탄소나노튜브 분산액, 알루미늄 페이스트, 카본블랙 분산액, 그라파이트 분산액으로 이루어진 전도성 잉크군에서 선택된 적어도 어느 하나를 증착하는 것을 특징으로 하는 발수-친수성 패턴 표면을 갖는 면상 발열 열 교환기 핀 제조방법.
   
7. 제4항에 있어서,
   상기 친수성 코팅층을 형성하는 단계는 수용성 유무기 합성 고분자 코팅제, 친수성 세라믹 코팅제, 친수성 폴리머 코팅제로 이루어진 친수성 코팅제 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상 코팅하는 것을 특징으로 하는 발수-친수성 패턴 표면을 갖는 면상 발열 열 교환기 핀 제조방법.
   
8. 제4항에 있어서,
   상기 발수성 패턴층을 형성하는 단계는 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)입자를 포함하는 에폭시 수지, 플루오르화폴리비닐리덴 (PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 퍼플루오로알콕시알칸 (PFA)으로 이루어진 발수성 물질 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상을 패턴화하여 코팅하는 것을 특징으로 하는 발수-친수성 패턴 표면을 갖는 면상 발열 열 교환기 핀 제조방법.