KR102640829B1 - 에어로졸 발생 장치용 히터 및 이를 포함하는 에어로졸 발생 장치 - Google Patents
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Abstract
에어로졸 발생 장치용 히터 및 이를 포함하는 에어로졸 발생 장치가 제공된다. 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 히터는 가열 기능을 수행하는 제1 전기전도성 패턴 및 제1 전기전도성 패턴보다 저항온도계수가 큰 소재로 이루어져, 히터에 대한 온도 측정 기능을 수행하는 제2 전기전도성 패턴을 포함할 수 있다. 이러한 경우, 제2 전기전도성 패턴을 통해 히터의 가열면의 온도가 정확하게 측정될 수 있기 때문에, 히터의 제어 정밀성이 향상될 수 있다.
Description
본 개시는 에어로졸 발생 장치용 히터 및 이를 포함하는 에어로졸 발생 장치에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 가열 온도의 측정 오차를 감소시킴으로써 제어 정밀성을 향상시킬 수 있는 에어로졸 발생 장치용 히터 및 이를 포함하는 에어로졸 발생 장치에 관한 것이다.
근래에 전통 궐련의 단점을 극복하는 대체 흡연 물품에 관한 수요가 증가하고 있다. 예를 들어, 궐련을 전기적으로 가열함으로써 에어로졸을 발생시키는 장치(e.g. 궐련형 전자 담배)에 관한 수요가 증가하고 있으며, 이에 따라 전기 가열식 에어로졸 발생 장치에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
최근에는, 전기전도성 패턴이 형성되어 있는 얇은 필름 형태의 히터를 통해 궐련을 외부에서 가열하여 에어로졸을 발생시키는 장치가 제안된 바 있다. 그리고, 제안된 장치도 다른 에어로졸 발생 장치와 마찬가지로 히터 근처에 부착된 별도의 온도 센서를 통해 히터의 온도를 제어하고 있다.
그런데, 별도의 온도 센서로 히터의 온도를 측정하게 되면, 온도 센서의 부착 위치 또는 부착 상태에 따라 측정 오차가 발생할 수 밖에 없다. 아울러, 이러한 측정 오차는 히터 제어의 정밀성을 저하시킴으로써 사용자의 흡연 체험에 부정적인 영향(e.g. 담배맛 감소, 무화량 감소 등)을 미칠 수 있다.
본 개시의 몇몇 실시예들을 통해 해결하고자 하는 기술적 과제는, 온도 측정 오차의 감소를 통해 제어 정밀성을 향상시킬 수 있는 에어로졸 발생 장치용 히터 및 이를 포함하는 에어로졸 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 몇몇 실시예들을 통해 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 균일한 발열 분포를 보장할 수 있는 에어로졸 발생 장치용 히터 및 이를 포함하는 에어로졸 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 몇몇 실시예들을 통해 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 고속 승온을 보장할 수 있는 에어로졸 발생 장치용 히터 및 이를 포함하는 에어로졸 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 몇몇 실시예들을 통해 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 복수의 전기전도성 패턴을 포함하는 에어로졸 발생 장치용 히터의 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 개시의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 개시의 기술분야에서의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 히터는, 가열 기능을 수행하는 제1 전기전도성 패턴 및 상기 제1 전기전도성 패턴보다 저항온도계수가 큰 소재로 이루어져, 상기 히터에 대한 온도 측정 기능을 수행하는 제2 전기전도성 패턴을 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제1 전기전도성 패턴과 상기 제2 전기전도성 패턴은 동일한 레이어에 배치될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제1 전기전도성 패턴과 상기 제2 전기전도성 패턴은 서로 다른 레이어에 배치될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제2 전기전도성 패턴의 저항값은 상기 제1 전기전도성 패턴보다 클 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제2 전기전도성 패턴에 공급되는 전력은 상기 제1 전기전도성 패턴에 공급되는 전력보다 작을 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제2 전기전도성 패턴은 상기 제1 전기전도성 패턴이 배치된 가열면의 중심 영역 온도를 측정하도록 배치되고, 상기 가열면의 중심으로부터 상기 중심 영역의 외곽선까지의 거리는 상기 중심으로부터 상기 가열면의 외곽선까지의 거리의 0.15배 내지 0.5배일 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제1 전기전도성 패턴과 병렬 구조로 배치되어 가열 기능을 수행하는 제3 전기전도성 패턴을 포함하고, 상기 제1 전기전도성 패턴은 저항온도계수가 1000ppm/℃ 이하인 소재로 이루어질 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 제1 전기전도성 패턴은 콘스탄탄(constantan), 망가닌(mangnanin) 및 양은(nickel silver) 중 적어도 하나의 소재로 이루어질 수 있다.
상술한 본 개시의 몇몇 실시예들에 따르면, 가열 기능을 수행하는 제1 전기전도성 패턴("가열 패턴")과 온도 측정 기능을 수행하는 제2 전기전도성 패턴("센서 패턴")이 일체화된 히터가 제조될 수 있다. 이러한 경우, 센서 패턴을 통해 가열 패턴이 배치된 가열면의 온도가 직접적으로 측정될 수 있어 히터의 온도 측정 오차가 최소화될 수 있다. 또한, 이에 따라 히터에 대한 제어 정밀성이 개선되어 사용자에게 보다 향상된 흡연 체험이 제공될 수 있다. 나아가, 에어로졸 발생 장치 제조 시에 별도의 온도 센서를 조립(부착)하는 공정이 수행될 필요가 없는 바, 에어로졸 발생 장치의 제조 공정도 간소화될 수 있다.
또한, 저항온도계수가 작은 소재로 이루어진 전기전도성 패턴이 가열 패턴으로 기능할 수 있다. 이러한 경우, 고속의 승온이 보장됨으로써 에어로졸 발생 장치의 예열 시간이 단축되고 흡연 초반의 끽미감이 크게 향상될 수 있다.
또한, 복수의 전기전도성 패턴이 병렬 구조로 배치될 수 있고, 외곽쪽 패턴의 저항값이 중심쪽 패턴의 저항값보다 크지 않도록 설계될 수 있다. 이에 따라, 히터의 가열면 전체에 걸쳐 균일하게 열이 발생될 수 있어, 에어로졸 발생 장치의 가열 효율이 향상될 수 있다.
본 개시의 기술적 사상에 따른 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 필름형 히터를 개념적으로 나타내는 예시적인 도면이다.
도 2 내지 도 4는 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 필름형 히터를 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 5는 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 필름형 히터의 레이어 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 개시의 다른 몇몇 실시예들에 따른 필름형 히터의 레이어 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 개시의 제1 실시예에 따른 필름형 히터의 가열 패턴 구조를 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 개시의 제2 실시예에 따른 필름형 히터의 가열 패턴 구조를 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 11 내지 도 13은 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 필름형 히터가 적용될 수 있는 다양한 유형의 에어로졸 발생 장치를 나타내는 예시적인 블록도이다.
도 14는 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 에어로졸 발생 장치용으로 제조된 필름형 히터의 제어 방법을 나타내는 예시적인 흐름도이다.
도 15는 실시예 및 비교예에 따른 필름형 히터의 승온 속도에 대한 비교 실험 결과를 도시한다.
도 16은 실시예들에 따른 필름형 히터의 패턴 구조를 예시한다.
도 17 및 도 18은 실시예들에 따른 필름형 히터의 발열 분포에 대한 비교 실험 결과를 도시한다.
도 2 내지 도 4는 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 필름형 히터를 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 5는 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 필름형 히터의 레이어 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 개시의 다른 몇몇 실시예들에 따른 필름형 히터의 레이어 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 개시의 제1 실시예에 따른 필름형 히터의 가열 패턴 구조를 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 개시의 제2 실시예에 따른 필름형 히터의 가열 패턴 구조를 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 11 내지 도 13은 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 필름형 히터가 적용될 수 있는 다양한 유형의 에어로졸 발생 장치를 나타내는 예시적인 블록도이다.
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도 15는 실시예 및 비교예에 따른 필름형 히터의 승온 속도에 대한 비교 실험 결과를 도시한다.
도 16은 실시예들에 따른 필름형 히터의 패턴 구조를 예시한다.
도 17 및 도 18은 실시예들에 따른 필름형 히터의 발열 분포에 대한 비교 실험 결과를 도시한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 본 개시의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시의 기술적 사상은 이하의 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 실시예들은 본 개시의 기술적 사상을 완전하도록 하고, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 개시의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 개시의 기술적 사상은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 개시를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
또한, 본 개시의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 개시에서 사용되는 "포함한다 (comprises)" 및/또는 "포함하는 (comprising)"은 언급된 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 개시의 다양한 실시예들에 대한 설명에 앞서, 이하의 실시예들에서 사용되는 몇몇 용어들에 대하여 명확하게 하기로 한다.
이하의 실시예들에서, "에어로졸 형성 기재"는 에어로졸(aerosol)을 형성할 수 있는 물질을 의미할 수 있다. 에어로졸은 휘발성 화합물을 포함할 수 있다. 에어로졸 형성 기재는 고체 또는 액상일 수 있다.
예를 들면, 고체의 에어로졸 형성 기재는 판상엽 담배, 각초, 재구성 담배 등 담배 원료를 기초로 하는 고체 물질을 포함할 수 있으며, 액상의 에어로졸 형성 기재는 니코틴, 담배 추출물 및/또는 다양한 향미제를 기초로 하는 액상 조성물을 포함할 수 있다. 그러나, 본 개시의 범위가 상기 열거된 예시에 한정되는 것은 아니다.
보다 구체적인 예로서, 액상의 에어로졸 형성 기재는 프로필렌글리콜(PG) 및 글리세린(GLY) 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 에틸렌 글리콜, 디프로필렌글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 테트라에틸렌 글리콜 및 올레일 알코올 중 적어도 하나를 더 포함할 수도 있다. 다른 예로서, 에어로졸 형성 기재는 니코틴, 수분 및 가향 물질 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 에어로졸 형성 기재는 계피, 캡사이신 등의 다양한 첨가 물질을 더 포함할 수도 있다. 에어로졸 형성 기재는 유동성이 큰 액체 물질뿐만 아니라 젤 또는 고형분 형태의 물질을 포함할 수도 있다. 이와 같이, 에어로졸 형성 기재의 조성 성분은 실시예에 따라 다양하게 선택될 수 있으며, 그 조성 비율 또한 실시예에 따라 달라질 수 있다. 본 명세서에서, 액상은 액상의 에어로졸 형성 기재를 지칭할 수 있다.
이하의 실시예들에서, "에어로졸 발생 장치"는 사용자의 입을 통해 사용자의 폐로 직접적으로 흡입 가능한 에어로졸을 발생시키기 위해 에어로졸 형성 기재를 이용하여 에어로졸을 발생시키는 장치를 의미할 수 있다. 에어로졸 발생 장치의 몇몇 예시들에 대해서는 도 11 내지 도 13을 참조하도록 한다.
이하의 실시예들에서, "에어로졸 발생 물품"은 에어로졸을 발생시킬 수 있는 물품을 의미할 수 있다. 에어로졸 발생 물품은 에어로졸 형성 기재를 포함할 수 있다. 에어로졸 발생 물품의 대표적인 예로는 궐련을 들 수 있을 것이나, 본 개시의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
이하의 실시예들에서, "퍼프(puff)"는 사용자의 흡입(inhalation)을 의미하며, 흡입이란 사용자의 입이나 코를 통해 사용자의 구강 내, 비강 내 또는 폐로 끌어 당기는 상황을 의미할 수 있다.
이하에서는, 본 개시의 다양한 실시예들에 대하여 설명하도록 한다.
본 개시의 몇몇 실시예들에 따르면, 가열 기능을 수행하는 제1 전기전도성 패턴(이하, "가열 패턴"으로 칭함)과 온도 측정 기능을 수행하는 제2 전기전도성 패턴(이하, "센서 패턴"으로 칭함)을 포함하는 필름형 히터가 제공될 수 있다. 보다 정확하게는, 도 1에 도시된 바와 같이, 가열 패턴(40)과 센서 패턴(50)이 일체형으로 포함된 필름형 히터(30)가 제공될 수 있다. 다만, 본 개시의 범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 본 실시예에 내포된 기술적 사상은 필름형이 아닌 다른 형태의 히터에도 적용될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같은 필름형 히터(30)는 센서 패턴이 가열 패턴이 배치된 가열면의 온도를 직접적으로 측정함으로써 측정 오차를 최소화할 수 있으며, 이러한 히터(30)가 에어로졸 발생 장치에 적용되면 히터의 온도 제어가 매우 정밀하게 수행될 수 있다. 이하에서는, 이해의 편의를 제공하기 위해, 필름형 히터(30)가 에어로졸 발생 장치의 용도로 사용되는 것을 가정하여 설명을 이어가도록 한다. 다만, 그렇다고 하여 실시예들에 따른 필름형 히터(30)의 용도가 에어로졸 발생 장치에 한정되는 것은 아니다.
이하에서는, 상술한 실시예들에 따른 필름형 히터(30)에 관하여 도 2 이하의 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 2는 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 필름형 히터(30)를 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 필름형 히터(30)는 베이스 필름(31), 가열 패턴(32), 센서 패턴(33) 및 단자(34)를 포함할 수 있다. 다만, 도 2에는 본 개시의 실시예와 관련 있는 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 본 개시가 속한 기술분야의 통상의 기술자라면 도 2에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성 요소들이 더 포함될 수 있음을 알 수 있다. 이하, 필름형 히터(30)의 각 구성요소에 대하여 설명하되, 설명의 편의상 필름형 히터(30)를 "히터(30)"로 약칭하도록 한다.
베이스 필름(31)은 히터(10)의 베이스를 구성하는 내열성 또는 절연성 필름일 수 있다. 예를 들어, 폴리이미드(polyimide; 이하 "PI") 필름 등과 같은 내열성 또는 절연성 필름이 베이스 필름(31)으로 이용될 수 있다. 베이스 필름(31) 상에는 하나 이상의 전기전도성 패턴(32, 33)이 형성되어 있을 수 있다. 이때, 전기전도성 패턴(32, 33)은 인쇄, 도포 등과 같이 다양한 방식으로 형성될 수 있다. 따라서, 본 개시의 범위가 특정한 패턴 형성 방식에 한정되는 것은 아니다.
도시되어 있지는 않으나, 히터(30)는 베이스 필름(31) 외에 히터(30)의 상면을 덮는 덮개 필름(미도시)을 더 포함할 수도 있다. 덮개 필름(미도시) 또한 PI 필름과 같은 내열성 또는 절연성 필름으로 이루어질 수 있다.
다음으로, 가열 패턴(32)은 단자(34)를 통해 전력(또는 전압)이 인가됨에 따라 가열 기능을 수행할 수 있다. 다시 말해, 가열 패턴(32)은 전기전도성 소재로 이루어져 전력이 인가됨에 따라 발열함으로써 대상체(e.g. 에어로졸 발생 물품)를 가열할 수 있다.
가열 패턴(32)은 다양한 종류의 전기전도성 소재로 이루어질 수 있을 것이나, 저항온도계수(temperature coefficient of resistance; 이하 "TCR")가 작은 소재로 이루어지는 것이 바람직할 수 있다. TCR이 작은 소재는 승온 시에 저항값의 증가가 미미하여 전류량이 거의 감소되지 않으며, 이로 인해 빠른 승온이 가능하기 때문이다. 이러한 가열 패턴(32)을 포함하는 히터(30)가 에어로졸 발생 장치에 적용되면, 고속 승온으로 인해 장치의 예열 시간이 단축되고 흡연 초반의 끽미감이 크게 향상되는 효과가 달성될 수 있다.
TCR이 작은 소재의 예로는 콘스탄탄(constantan), 망가닌(mangnanin), 양은(nickel silver) 등을 들 수 있다. 그러나, 본 개시의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 콘스탄탄, 구리, 알루미늄 등과 같은 전기전도성 소재의 TCR에 관하여서는 하기의 표 1을 참조하도록 한다.
| 구분 | 구리 | 알루미늄 | SUS304 | 콘스탄탄 |
| TCR(ppm/℃) | 3900 | 3900 | 2000 | 8 |
몇몇 실시예들에서는, 가열 히터에 TCR이 약 1500ppm/℃ 이하인 전기전도성 소재가 이용될 수 있고, 바람직하게는 약 1000ppm/℃, 700ppm/℃, 500ppm/℃, 300ppm/℃ 또는 약 100ppm/℃ 이하인 소재가 이용될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 약 50ppm/℃, 30 ppm/℃ 또는 약 20 ppm/℃ 이하인 소재가 이용될 수 있다. 이러한 경우, 히터의 고속 승온이 더욱 확실하게 보장될 수 있다.
한편, 도 2는 복수개의 가열 패턴(32)이 병렬 구조로 배치된 것을 예로써 도시하고 있으나, 본 개시의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 가열 패턴(32)의 구조에 관하여서는 추후 도 7 이하의 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
다음으로, 센서 패턴(33)은 가열 패턴(32)에 대한 온도 측정 기능을 수행할 수 있다. 온도 측정은 센서 패턴(33)의 TCR에 기반하여 수행될 수 있는데, 당해 기술 분야의 종사자라면 TCR을 이용한 온도 측정 기법에 관하여 이미 충분히 숙지하고 있을 것인 바, 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.
센서 패턴(33)은 가열 패턴(32)과는 달리 TCR이 큰 소재로 이루어지는 것이 바람직할 수 있다. TCR이 크다는 것은 소재의 저항값이 온도에 민감하게 반응한다는 것을 의미하고, 이는 곧 온도 측정이 보다 정밀하게 수행될 수 있다는 것을 의미하기 때문이다. TCR이 큰 소재의 예로는 구리, 알루미늄 등을 들 수 있을 것이나, 본 개시의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
몇몇 실시예들에서, 센서 패턴(33)은 가열 패턴(32)보다 TCR이 큰 소재로 이루어질 수 있다. 가령, 가열 패턴(32)이 콘스탄탄과 같은 소재로 이루어진 경우, 센서 패턴(33)은 구리 소재로 이루어질 수 있다. 그렇게 함으로써, 센서 패턴(33)을 통해 가열 패턴(32)의 발열 온도가 정확하게 측정될 수 있다.
한편, 센서 패턴(33)의 개수, 배치 위치 등은 다양하게 설계될 수 있다.
몇몇 실시예들에서는, 센서 패턴(33)이 히터(30) 가열면(즉, 가열 패턴 32이 배치된 면)의 중심 영역의 온도를 측정(감지)하도록 배치될 수 있다. 그렇게 함으로써, 히터(30)의 제어 정밀성이 향상될 수 있는데, 이하 이해의 편의를 제공하기 위해, 본 실시예에 대하여 도 3 및 도 4를 참조하여 부연 설명하도록 한다.
필름형 히터의 경우, 가열면의 중심으로 발열(량)이 집중되는 현상이 종종 발생될 수 있다. 가령, 도 3에 예시된 바와 같이, 복수개의 가열 패턴(32)이 병렬 구조로 배치되는 경우, 히터(30) 가열면의 중심 영역(35)이 가장 고온으로 발열하고, 외곽 영역(36, 37, 38)으로 갈수록 발열 온도가 떨어지는 현상이 발생될 수 있다. 이러한 현상이 발생되는 이유는 외곽쪽 가열 패턴의 길이가 중심쪽 가열 패턴보다 증가함에 따라 저항값도 함께 증가하기 때문인 것으로 이해될 수 있다.
위와 같은 발열 집중 현상이 발생하는 경우, 외곽 영역(36 내지 38)보다는 중심 영역(35)의 온도를 기준으로 히터(30)를 제어하는 것이 제어 정밀성을 향상시킬 수 있다. 중심 영역(35)의 발열량이 가장 많이 때문에, 중심 영역(35)이 가열 대상체(e.g. 에어로졸 발생 물품)에 미치는 영향도 가장 크기 때문이다. 따라서, 센서 패턴(33)은 히터(30) 가열면의 중심 영역(e.g. 35)의 온도를 측정(감지)하도록 배치되는 것이 바람직할 수 있다. 가령, 도 4에 도시된 바와 같이, 센서 패턴(33)의 적어도 일부분이 중심 영역(35) 내에 배치될 수 있다.
앞선 실시예들에서, 히터(30) 가열면의 중심(C)으로부터 중심 영역(35)의 외곽선까지의 거리(D1)는 중심(C)으로부터 가열면의 외곽선까지의 거리(D2)의 약 0.15배 내지 0.5배일 수 있고, 바람직하게는 약 0.2배 내지 0.5배, 약 0.15배 내지 0.4배, 약 0.2배 내지 0.4배 또는 약 0.2배 내지 0.3배일 수 있다. 통상적으로, 이러한 수치범위 내에서 형성된 영역(35)에 발열이 집중되기 때문에, 해당 영역(35) 내에 센서 패턴(33)이 배치되는 것이 히터(30)의 제어 정밀성 향상에 효과적일 수 있다.
가열 패턴(32)과 센서 패턴(33)을 구현하는 구체적인 방식은 다양할 수 있다.
몇몇 실시예들에서는, 센서 패턴(33)이 가열 패턴(32)보다 큰 저항값을 갖도록 제조될 수 있다. 가령, 센서 패턴(33)의 저항값은 가열 패턴(32)의 약 5배, 6배, 7배 또는 약 10배 이상이 될 수 있다. 이러한 저항의 차이는, 비저항이 높은 소재를 이용하거나, 얇은 두께 또는 긴 길이로 센서 패턴(33)을 제조함으로써 달성될 수 있다. 이와 같은 경우, 히터(30)에 전력이 인가되더라도 센서 패턴(33)에 거의 전류가 흐르지 않게 되므로, 센서 패턴(33)이 온도 측정 기능만을 정확하게 수행할 수 있게 된다.
다른 몇몇 실시예들에서는, 센서 패턴(33)이 가열 패턴(32)과 동일 또는 유사한 저항값을 가질 수 있으나, 센서 패턴(33)에 인가되는 전력(또는 전압)이 가열 패턴(32)보다 훨씬 작도록 설계될 수 있다. 가령, 센서 패턴(33)은 제1 단자와 연결되고, 가열 패턴(32)은 제2 단자와 연결되도록 구성된 경우, 제어부(미도시)가 제1 단자에 상대적으로 작은 전력을 인가함으로써, 패턴(33)이 센서 패턴으로 동작할 수 있다. 이러한 경우, 제어부(미도시)는 각 단자의 인가 전력을 제어함으로써, 특정 패턴(32)을 센서 패턴으로 동작시킬 수도 있고, 가열 패턴으로 동작시킬 수도 있다. 다른 예에서는, 전압 강하를 발생시키는 회로 요소를 통해 회로적으로 센서 패턴(33)에 인가되는 전력이 감소되도록 구성될 수도 있다.
한편, 도 2 등의 도면은 가열 패턴(32)과 센서 패턴(33)이 모두 베이스 필름(31; 즉, 동일 레이어) 상에 배치된 것처럼 도시하고 있으나, 센서 패턴(33)과 가열 패턴(32)은 서로 다른 레이어에 배치될 수도 있으며, 이는 실시예에 따라 달라질 수 있다.
몇몇 실시예들에서는, 도 5에 도시된 바와 같이, 가열 패턴(32)과 센서 패턴(33)이 동일한 레이어에 배치될 수 있다. 구체적으로, 히터(30)가 제1 레이어(311), 제2 레이어(312) 및 제3 레이어(313)로 구성되되, 제2 레이어(312)에 가열 패턴(32)과 센서 패턴(33)이 함께 배치될 수 있다. 이때, 제1 레이어(311)에는 베이스 필름(31)이 배치되고, 제3 레이어(313)에는 덮개 필름(미도시)이 배치될 수 있다. 또한, 도시되어 있지는 않으나, 레이어들(311 내지 333) 사이에는 접착 필름이 배치될 수도 있다. 본 실시예에 따르면, 센서 패턴(33)과 가열 패턴(32)이 동일한 레이어에 배치되는 바, 온도 측정 오차가 더욱 최소화될 수 있다.
다른 몇몇 실시예들에서는, 도 6에 도시된 바와 같이, 가열 패턴(32)과 센서 패턴(33)이 서로 다른 레이어에 배치될 수 있다. 구체적으로, 히터(30)가 제1 내지 제5 레이어(321 내지 325)로 구성되되, 제2 레이어(322)에 가열 패턴(32)이 배치되고, 제4 레이어(324)에는 센서 패턴(33)이 배치될 수 있다. 이때, 제1 레이어(321)에는 베이스 필름(31)이 배치되고, 제5 레이어(325)는 덮개 필름(미도시)이 배치될 수 있으며, 제3 레이어(323)에는 패턴(32, 33) 간의 쇼트 방지를 위해 절연성 필름(e.g. PI 필름)이 배치될 수 있다. 또한, 도시되어 있지는 않으나, 레이어들(321 내지 325) 사이에는 접착 필름이 배치될 수도 있다. 본 실시예에 따르면, 앞선 실시예보다는 온도 측정 오차가 커질 수 있으나, 전기전도성 패턴(32, 33)이 서로 다른 레이어에 배치되는 바 제조 공정의 난이도가 크게 감소될 수 있으며, 전기전도성 패턴 간의 간섭 문제가 크게 완화될 수 있다.
다시 도 2를 참조하여 설명한다.
다음으로, 단자(34)는 하나 이상의 전기전도성 패턴(32, 33)에 전력(또는 전압)을 인가하기 위한 회로 요소일 수 있다. 당해 기술 분야의 종사자라면, 단자(34)의 구성 및 기능에 대하여 충분히 숙지하고 있을 것인 바, 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.
지금까지 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 필름형 히터(30)에 대하여 설명하였다. 상술한 바에 따르면, 가열 패턴(32)과 센서 패턴(33)이 일체화된 형태로 히터(30)가 제조될 수 있다. 이러한 경우, 센서 패턴(33)을 통해 가열 패턴(32)이 배치된 가열면의 온도가 직접적으로 측정될 수 있어 히터(30)의 온도 측정 오차가 최소화될 수 있다. 또한, 이에 따라 히터(30)에 대한 제어 정밀성이 개선되어 사용자에게 보다 향상된 흡연 체험이 제공될 수 있다. 나아가, 에어로졸 발생 장치 제조 시에 별도의 온도 센서를 조립(부착)하는 공정이 수행될 필요가 없는 바, 에어로졸 발생 장치의 제조 공정도 간소화될 수 있다.
이하에서는, 도 7 내지 도 10을 참조하여 필름형 히터의 가열 패턴 구조에 대하여 상세하게 설명하도록 한다. 다만, 본 개시의 명료함을 위해, 앞선 실시예들과 중복되는 내용에 대한 설명은 생략하도록 한다.
도 7은 본 개시의 제1 실시예에 따른 필름형 히터(10)의 가열 패턴 구조를 설명하기 위한 예시적인 도면이다. 도 7 등의 도면은 이해의 편의를 위해 센서 패턴(e.g. 33)을 제외하고 도시하고 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 히터(10)는 베이스 필름(11), 복수의 가열 패턴(12-1 내지 12-3) 및 단자(13)를 포함할 수 있다. 이하에서는, 임의의 가열 패턴(12-1 or 12-2 or 12-3)을 지칭하거나 복수의 가열 패턴(12-1 내지 12-3)을 총칭하는 경우에는 참조번호 "12"를 사용하도록 한다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 히터(10)는 병렬 구조로 배치(형성)된 복수의 가열 패턴(12)을 포함할 수 있다. 병렬 배치 구조를 통해 비저항(resistivity)이 높은 소재가 이용되더라도 히터(10)의 목표 저항값이 만족될 수 있다. 도 7은 3개의 가열 패턴(12-1 내지 12-3)이 병렬 구조로 배치된 것을 예로써 도시하고 있으나, 가열 패턴(12)의 개수는 다양하게 설계될 수 있다. 가령, 가열 패턴(12)의 개수는 히터(10)의 가열 면적과 목표 저항(즉, 히터 10 전체의 목표 저항)에 기초하여 결정될 수 있다. 보다 구체적으로, 목표 저항이 동일한 경우 가열 면적이 작을수록 가열 패턴(12)의 개수는 증가될 수 있다. 좁은 면적 내에서 동일 목표 저항값을 만족시키기 위해서는 가열 패턴(12)의 길이가 짧아져야 하기 때문이다.
참고로, 가열 패턴(12)의 개수 및/또는 배치 구조는 히터(10)의 가열 면적과 목표 저항과도 관련이 있으나 소재의 비저항과도 밀접한 관련이 있을 수 있다. 비저항이 높은 소재는 가열 패턴(12)의 저항을 증가시켜 히터(10)의 전체 저항을 증가시킬 수 밖에 없기 때문이다. 따라서, 가열 패턴(12)이 비저항이 높은 소재로 이루어지는 경우에는, 목표 저항을 만족시키기 위해 복수의 가열 패턴(12)을 병렬 구조로 배치하는 것이 바람직할 수 있다. 가령, 콘스탄탄은 TCR이 작지만 구리 등에 비해 비저항이 크기 때문에, 콘스탄탄을 가열 패턴(12)의 소재로 사용하는 경우에는 전체 저항을 낮추기 위해 복수의 가열 패턴(12)을 병렬 구조로 배치하는 것이 바람직할 수 있다.
몇몇 실시예들에서는, 병렬 구조로 배치된 복수의 가열 패턴(12) 중 적어도 하나는 비저항이 약 1.0×10-8Ωm, 3.0×10-8Ωm, 5.0×10-8Ωm 또는 7.0×10-8Ωm 이상인 소재로 이루어질 수 있다. 이러한 비저항값을 갖는 소재가 이용되더라도 병렬 구조를 통해 가열 성능이 충분하게 발휘되기 위한 목표 저항값이 만족될 수 있다.
다음으로, 단자(13)는 복수의 가열 패턴(12)에 일괄적으로 전력을 인가하도록 설계될 수 있고, 각 가열 패턴(12)에 독립적으로 전력을 인가하도록 설계될 수도 있다. 가령, 도 8에 도시된 바와 같이, 복수의 단자(13-1 내지 13-3) 각각이 각 가열 패턴(12-1 내지 12-3)에 독립적으로 전력을 인가하도록 연결될 수도 있다. 이러한 경우, 제1 단자(13-1)를 통해 제1 가열 패턴(12-1)의 동작이 독립적으로 제어되고, 제2 단자(13-3)를 통해 제2 가열 패턴(12-2)의 동작이 독립적으로 제어될 수 있어, 히터(10)에 대한 제어 정밀성이 더욱 향상될 수 있다. 이러한 제어 방법에 관하여서는 추후 도 14를 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
지금까지 도 7 및 도 8을 참조하여 본 개시의 제1 실시예에 따른 히터(10)의 가열 패턴 구조에 대하여 설명하였다. 상술한 바에 따르면, 가열 패턴(12)이 비저항이 큰 소재로 이루어지더라도, 병렬 구조를 통해 히터(10)의 목표 저항값이 만족될 수 있다. 또한, TCR이 작은 소재들은 대부분 비저항이 크기 때문에, TCR이 작은 소재들로 가열 패턴(12)이 이루어지더라도 히터(10)의 목표 저항값이 충분히 만족될 수 있다. 즉, 상술한 병렬 배치 구조를 통해 TCR이 작은 소재로 이루어진 가열 패턴을 포함하는 필름형 히터(10)가 용이하게 제조될 수 있다. 이러한 히터(10)는 고속의 승온을 보장함으로써 에어로졸 발생 장치의 예열 시간을 단축시키고 흡연 초반의 끽미감을 크게 향상시킬 수 있다. 히터(10)의 승온 속도와 관련하여서는 실험예 1을 더 참조하도록 한다.
이하에서는, 도 9 및 도 10을 참조하여 본 개시의 제2 실시예에 따른 히터(20)의 가열 패턴 구조에 대하여 설명하도록 한다. 제2 실시예는 발열 집중 현상을 완화하여 균일한 발열 분포를 보장할 수 있는 가열 패턴 구조에 관한 것이다.
도 9는 본 개시의 제2 실시예에 따른 히터(20)를 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 히터(20) 또한 베이스 필름(21), 복수의 가열 패턴(22-1 내지 22-3) 및 단자(23)를 포함할 수 있다. 다만, 균일한 발열 분포를 보장하기 위해, 외곽쪽 가열 패턴(e.g. 22-3)이 중심쪽 가열 패턴(e.g. 22-1)보다 작거나 같은 저항값을 갖도록 설계될 수 있다. 그렇게 함으로써, 가열면의 발열량이 중심 영역으로 집중되는 현상이 완화될 수 있다.
외곽쪽 가열 패턴(e.g. 22-3)과 중심쪽 가열 패턴(e.g. 22-1)의 저항값을 구현하는 방식은 다양할 수 있으며, 이는 실시예에 따라 달라질 수 있다.
몇몇 실시예들에서는, 가열 패턴 간의 간격 차이를 통해 저항값이 구현될 수 있다. 가령, 도시된 바와 같이, 복수의 가열 패턴(22-1 내지 22-3)이 배치되되, 제3 가열 패턴(22-3)과 제2 가열 패턴(22-2)의 간격(I2)이 제2 가열 패턴(22-2)과 제1 가열 패턴(22-1)의 간격(I1)보다 넓도록 배치될 수 있다. 이러한 경우, 외곽에 위치한 가열 패턴(e.g. 22-3, 22-2)의 면적이 넓어짐에 따라 저항값이 감소될 수 있다. 즉, 외곽쪽 가열 패턴(e.g. 22-3, 22-2)의 길이가 길어지는 것에 비해 차지하는 면적이 더 넓어짐에 따라 저항값이 오히려 감소될 수 있다. 이에 따라, 외곽쪽 가열 패턴(e.g. 22-3)의 저항값이 중심쪽 가열 패턴(e.g. 22-1)보다 크지 않은 형태로 저항값이 구현될 수 있다.
몇몇 실시예들에서는, 가열 패턴의 소재 차이를 통해 저항값이 구현될 수 있다. 구체적으로, 제1 가열 패턴(e.g. 22-1)보다 외곽에 배치된 제2 가열 패턴(e.g. 22-3)이 제1 가열 패턴(e.g. 22-1)보다 비저항이 낮은 소재로 이루어질 수 있다. 가령, 제1 가열 패턴은 콘스탄탄 소재로 이루어지고, 제2 가열 패턴은 구리 소재로 이루어질 수 있다. 이러한 경우에도, 외곽쪽 가열 패턴(e.g. 22-3)의 저항값이 중심쪽 가열 패턴(e.g. 22-1)보다 크지 않은 형태로 저항값이 구현될 수 있다.
몇몇 실시예들에서는, 가열 패턴의 두께 차이를 통해 저항값이 구현될 수 있다. 가령, 도 10에 도시된 바와 같이, 제1 가열 패턴(22-2)보다 외곽에 배치된 제2 가열 패턴(22-3)의 두께(T2)가 제1 가열 패턴(22-2)의 두께(T1)보다 두껍게 가공될 수 있다. 이러한 경우, 가열 패턴의 두께 증가로 인해 외곽쪽 가열 패턴(e.g. 22-3)의 저항값이 중심쪽 가열 패턴(e.g. 22-2)보다 크지 않은 형태로 저항값이 구현될 수 있다.
다만, 가열 패턴(e.g. 22-3)의 두께가 지나치게 두꺼워지면 히터(20)의 유연성이 떨어져 필름형 히터(20)로서의 기능성을 상실할 수 있기 때문에, 가열 패턴(e.g. 22-3)은 적절한 두께(e.g. T2)로 가공될 필요가 있다. 몇몇 실시예들에서는, 가열 패턴(e.g. 22-3)의 두께(e.g. T2)가 약 150μm 이하일 수 있고, 바람직하게는 약 130μm, 120μm, 110μm 또는 100μm 이하일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 약 90μm, 70μm, 50μm, 30μm 또는 10μm 이하일 수 있다. 이러한 수치범위 내에서 필름형 히터(20)의 유연성이 보장될 수 있다. 또한, 가열 패턴(e.g. 22-3)의 두께(e.g. T2)는 약 5μm 또는 약 10μm 이상일 수 있는데, 이는 가열 패턴 형성 공정의 난이도 증가와 저항값의 급격한 증가를 방지하기 위한 것으로 이해될 수 있다.
지금까지 도 9 및 도 10을 참조하여 본 개시의 제2 실시예에 따른 히터(20)에 대하여 설명하였다. 상술한 바에 따르면, 복수의 가열 패턴(22-1 내지 22-3)이 병렬 구조로 배치될 수 있고, 외곽쪽 가열 패턴(e.g. 22-3)의 저항값이 중심쪽 가열 패턴(e.g. 22-1)보다 크지 않도록 설계될 수 있다. 이에 따라, 히터(20)의 가열면 전체에 걸쳐 균일하게 발열이 이루어질 수 있다. 히터(20)의 발열 분포와 관련하여서는 실험예 2를 더 참조하도록 한다.
이하에서는, 도 11 내지 도 13을 참조하여 실시예들에 따른 필름형 히터(10, 20, 30)가 적용될 수 있는 다양한 유형의 에어로졸 발생 장치(100-1 내지 100-3)에 대하여 설명하도록 한다.
도 11 내지 도 13은 에어로졸 발생 장치(100-1 내지 100-3)를 나타내는 예시적인 블록도이다. 구체적으로, 도 11은 궐련형 에어로졸 발생 장치(100-1)를 예시하고 있고, 도 12 및 도 13은 액상과 궐련을 함께 이용하는 하이브리드형 에어로졸 발생 장치(100-2, 100-3)를 예시하고 있다. 이하, 각 에어로졸 발생 장치(100-1 내지 100-3)에 대하여 설명하도록 한다.
도 11에 도시된 바와 같이, 에어로졸 발생 장치(100-1)는 히터(140), 배터리(130) 및 제어부(120)를 포함할 수 있다. 단, 이는 본 개시의 목적을 달성하기 위한 바람직한 실시예일뿐이며, 필요에 따라 일부 구성 요소가 추가되거나 생략될 수 있음은 물론이다. 또한, 도 11에 도시된 에어로졸 발생 장치(100-1)의 각각의 구성 요소들은 기능적으로 구분되는 기능 요소들을 나타낸 것으로서, 복수의 구성 요소가 실제 물리적 환경에서는 서로 통합되는 형태로 구현되거나, 단일 구성 요소가 복수의 세부 기능 요소로 분리되는 형태로 구현될 수도 있다. 이하, 에어로졸 발생 장치(100-1)의 각 구성 요소에 대하여 설명하도록 한다.
히터(140)는 내부에 삽입된 궐련(150)을 가열하도록 배치될 수 있다. 궐련(150)은 고체 에어로졸 형성 기재를 포함하고, 가열됨에 따라 에어로졸을 발생시킬 수 있다. 발생된 에어로졸은 사용자의 구부를 통해 흡입될 수 있다. 히터(140)의 동작, 가열 온도 등은 제어부(120)에 의해 제어될 수 있다.
히터(140)는 앞서 설명한 히터(10, 20, 30)로 구현될 수 있는데, 이러한 경우 고속 승온을 통해 에어로졸 발생 장치(100-1)의 예열 시간이 단축되고 흡연 초반의 끽미감은 향상될 수 있다. 또한, 온도 측정 오차가 크게 감소되어, 히터(140)에 대한 제어 정밀성이 향상될 수 있다.
다음으로, 배터리(130)는 에어로졸 발생 장치(100-1)가 동작하는데 이용되는 전력을 공급할 수 있다. 예를 들어, 배터리(130)는 히터(140)가 궐련(150)에 포함된 에어로졸 형성 기재를 가열할 수 있도록 전력을 공급할 수 있고, 제어부(120)가 동작하는데 필요한 전력을 공급할 수 있다.
또한, 배터리(130)는 에어로졸 발생 장치(100-1)에 설치된 디스플레이(미도시), 센서(미도시), 모터(미도시) 등의 전기적 구성요소가 동작하는데 필요한 전력을 공급할 수 있다.
다음으로, 제어부(120)는 에어로졸 발생 장치(100-1)의 동작을 전반적으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(120)는 히터(140) 및 배터리(130)의 동작을 제어할 수 있고, 에어로졸 발생 장치(100-1)에 포함된 다른 구성요소들의 동작도 제어할 수 있다. 제어부(120)는 배터리(130)가 공급하는 전력, 히터(140)의 가열 온도 등을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(120)는 에어로졸 발생 장치(100-1)의 구성들 각각의 상태를 확인하여, 에어로졸 발생 장치(100-1)가 동작 가능한 상태인지 여부를 판단할 수도 있다.
몇몇 실시예들에서, 제어부(120)는 히터(140)을 구성하는 복수의 전기전도성 패턴의 동작을 미리 설정된 조건에 따라 동적으로 제어할 수 있는데, 본 실시예에 관하여서는 추후 도 14를 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
제어부(120)는 적어도 하나의 프로세서(processor)에 의해 구현될 수 있다. 상기 프로세서는 다수의 논리 게이트들의 어레이로 구현될 수도 있고, 범용적인 마이크로 프로세서와 이 마이크로 프로세서에서 실행될 수 있는 프로그램이 저장된 메모리의 조합으로 구현될 수도 있다. 또한, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 제어부(120)가 다른 형태의 하드웨어로 구현될 수도 있음을 자명하게 이해할 수 있다.
이하에서는, 도 12 및 도 13을 참조하여 하이브리드형 에어로졸 발생 장치(100-2, 100-3)에 대하여 간략하게 설명하도록 한다.
도 12는 증기화기(1)와 궐련(150)이 병렬로 배치된 에어로졸 발생 장치(100-2)를 예시하고 있고, 도 13은 증기화기(1)와 궐련(150)이 직렬로 배치된 에어로졸 발생 장치(100-3)를 예시하고 있다. 그러나, 에어로졸 생성 장치의 내부 구조는 도 12 및 도 13에 예시된 것에 한정되는 것은 아니며, 설계 방식에 따라 구성요소의 배치는 변경될 수 있다.
도 12 및 도 13에서, 증기화기(1)는 액상의 에어로졸 형성 기재를 저장하는 액상 저장조, 에어로졸 형성 기재를 흡수하는 윅(wick) 및 흡수된 에어로졸 형성 기재를 기화시켜 에어로졸을 발생시키는 기화 요소를 포함할 수 있다. 기화 요소는 가열 요소, 진동 요소 등과 같이 다양한 형태로 구현될 수 있다. 또한, 몇몇 실시예들에서, 증기화기(1)는 윅을 포함하지 않는 구조로 설계될 수도 있다. 증기화기(1)에서 발생된 에어로졸은 궐련(150)을 통과하여 사용자의 구부를 통해 흡입될 수 있다. 증기화기(1)의 기화 요소 또한 제어부(120)에 의해 제어될 수 있다.
지금까지 도 11 내지 도 13을 참조하여 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 히터(10, 20, 30)가 적용될 수 있는 예시적인 에어로졸 발생 장치(100-1 내지 100-3)에 대하여 설명하였다. 이하에서는, 도 14를 참조하여 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 에어로졸 발생 장치용 필름 히터의 제어 방법에 대하여 설명하도록 한다.
이하, 상기 제어 방법을 서술함에 있어서, 상기 필름형 히터(e.g. 10, 20, 30 참조)는 제1 전기전도성 패턴과 제2 전기전도성 패턴을 포함하는 복수의 패턴을 포함하고, 각 패턴의 기능, 동작 및/또는 가열 온도 등은 독립적으로 제어될 수 있는 것으로 가정하도록 한다. 또한, 상기 제어 방법은 제어부(120) 또는 프로세서에 의해 실행되는 하나 이상의 인스트럭션들(instructions)로 구현될 수 있으며, 특정 동작의 주어가 생략된 경우 제어부(120)에 의해 수행되는 것으로 이해될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의상 "전기전도성 패턴"을 "패턴"으로 약칭하도록 한다.
도 14는 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 필름형 히터의 제어 방법을 개략적으로 나타내는 예시적인 흐름도이다.
도 14에 도시된 바와 같이, 상기 제어 방법은 흡연 상태를 모니터링하는 단계 S10에서 시작될 수 있다. 여기서, 흡연 상태는 예를 들어 흡연 진행 단계, 퍼프 상태, 히터의 온도 등과 같이 흡연 중에 측정 가능한 모든 종류의 상태 정보를 포함할 수 있다.
단계 S20 및 S30에서, 제1 조건이 만족된다는 판단에 응답하여, 제1 패턴 및 제2 패턴이 모두 가열 패턴으로 동작될 수 있다. 가령, 제어부(120)는 제1 패턴 및 제2 패턴에 충분한 전력을 인가함으로써 각 패턴이 가열 기능을 수행하도록 제어할 수 있다.
상기 제1 조건은 다양하게 정의되고 설정될 수 있다. 예를 들어, 제1 조건은 예열 시간(e.g. 초기 5초 등)을 나타내는 조건일 수 있다. 이러한 경우, 예열 시간 동안 복수의 패턴이 가열 패턴으로 동작함으로써 고속으로 승온이 이루어질 수 있다. 다른 예로서, 제1 조건은 퍼프 상태(e.g. 퍼프 간격, 퍼프 강도)에 기초하여 정의된 조건으로서, 가령 퍼프 간격이 기준치 이하이거나 퍼프 강도가 기준치 이상인 경우를 나타내는 조건일 수 있다. 이러한 경우, 퍼프 간격이 짧아지거나 퍼프 강도가 강해짐에 따라, 복수의 패턴이 가열 패턴으로 동작함으로써 사용자에게 보다 강한 끽미감이 제공될 수 있다. 이외에도, 상기 제1 조건은 흡연 시간, 퍼프 횟수, 히터의 가열 온도 등과 같이 다양한 요소에 기초하여 정의될 수도 있다.
몇몇 실시예들에서는, 복수의 패턴 중에서 가열 패턴의 개수(즉, 가열 패턴으로 동작하는 패턴의 개수)가 조절되는 제어가 수행될 수도 있다. 가령, 제어부(120)는 퍼프 상태(e.g. 퍼프 간격, 퍼프 강도)에 따라 가열 패턴의 개수를 증가 또는 감소시킬 수 있다(e.g. 퍼프 강도가 기준치 이상이면 개수 증가, 이하이면 개수 감소). 다른 예로서, 제어부(120)는 흡연 진행 단계에 따라 가열 패턴의 개수를 증가 또는 감소시킬 수 있다(e.g. 흡연 초반에 개수 증가, 흡연 중반에는 개수 감소, 끽미 보완을 위해 흡연 후반에는 다시 개수 증가 등). 또 다른 예로서, 제어부(120)는 히터의 가열 온도에 따라 가열 패턴의 개수를 증감시킴으로써 피드백 제어를 수행할 수도 있다.
단계 S40 및 S50에서, 제2 조건이 만족된다는 판단에 응답하여, 특정 패턴이 센서 패턴으로 동작될 수 있다. 가령, 제어부(120)는 제1 패턴에 인가되는 전력을 감소시킴으로써 제1 패턴이 발열하는 것을 방지하고, 제1 패턴의 TCR과 저항값 변화에 기초하여 히터의 온도를 측정할 수 있다.
상기 제2 조건은 다양하게 설정될 수 있다. 예를 들어, 제2 조건은 예열 시간의 경과를 나타내는 조건일 수 있다. 이러한 경우, 예열이 완료된 후에는 히터의 온도 측정 결과에 따른 피드백 제어가 수행될 수 있다. 다른 예로서, 제2 조건은 퍼프 상태(e.g. 퍼프 간격, 퍼프 강도)에 기초하여 정의된 조건으로서, 가령 퍼프 간격이 기준치 이상이거나 퍼프 강도가 기준치 이하인 경우를 나타내는 조건일 수 있다. 이러한 경우, 퍼프 간격이 길어지거나 퍼프 강도가 약해짐에 따라, 센서 패턴의 온도 측정 결과에 따른 피드백 제어가 수행될 수 있다.
몇몇 실시예들에서는, 복수의 센서 패턴을 이용하여 히터 가열면의 발열 분포가 측정될 수 있다. 가령, 제어부(120)는 중심쪽의 센서 패턴과 외곽쪽의 센서 패턴의 온도 측정 결과를 비교하여 발열 분포의 균일성을 판단할 수 있다. 또한, 제어부(120)는 중심 영역에 발열이 집중된 경우, 외곽쪽의 가열 패턴에 전력을 더 공급하거나 중심쪽의 가열 패턴에 전력을 덜 공급하는 등의 제어를 수행할 수 있다. 이러한 제어에 따라, 히터 가열면 전체에 걸쳐 균일하게 발열이 이루어질 수 있다.
한편, 도 14는 제1 조건이 만족되지 않는 경우에 단계 S40이 수행되는 것처럼 도시하고 있으나, 이는 이해의 편의를 제공하기 위한 예시일 뿐이며, 단계 S20과 단계 S40은 서로 독립적으로 수행될 수도 있다.
지금까지 도 14를 참조하여 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 에어로졸 발생 장치용 히터의 제어 방법에 대하여 설명하였다. 상술한 방법에 따르면, 복수의 패턴의 기능 및 동작 등을 기 설정된 조건에 따라 동적으로 제어함으로써, 흡연 동안에 히터가 효율적으로 활용될 수 있다.
지금까지 도 14를 참조하여 설명된 본 개시의 기술적 사상은 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체 상에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체는, 예를 들어 이동형 기록 매체(CD, DVD, 블루레이 디스크, USB 저장 장치, 이동식 하드 디스크)이거나, 고정식 기록 매체(ROM, RAM, 컴퓨터 구비 형 하드 디스크)일 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 기록된 상기 컴퓨터 프로그램은 인터넷 등의 네트워크를 통하여 다른 컴퓨팅 장치에 전송되어 상기 다른 컴퓨팅 장치에 설치될 수 있고, 이로써 상기 다른 컴퓨팅 장치에서 사용될 수 있다.
이하에서는, 실시예와 비교예를 통해 앞서 설명한 히터(10, 20, 30)의 구성 및 효과에 대해 보다 상세하게 설명하도록 한다. 그러나, 이하의 실시예들은 전술한 히터(10, 20, 30)의 일부 예시에 불과할 뿐이므로, 본 개시의 범위가 이하의 실시예들에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
콘스탄탄 소재의 패턴이 병렬로 배치된 히터를 제조하였다. 구체적으로, 도 7에 예시된 바와 같은 3열 병렬 구조로 패턴을 배치하였고, 패턴 간의 간격은 0.5mm로 균등하게 설계하였으며, 패턴의 두께도 20μm로 균등하게 설계하였다. 또한, PI 필름이 히터의 베이스 필름으로 이용되었다.
비교예 1
구리 소재의 패턴이 직렬로 배치된 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 히터를 제조하였다.
실험예 1: 승온 속도 비교
실시예 1 및 비교예 1에 따른 히터에 대해 승온 속도를 비교하는 실험을 진행하였다. 구체적으로, 시간에 따른 히터의 온도 변화를 측정하는 실험을 진행하였고, 실험 결과는 도 15에 도시되어 있다.
도 15를 참조하면, 실시예 1에 따른 히터의 승온 속도가 비교예 1에 비해 월등하게 빠른 것을 확인할 수 있다. 가령, 목표 온도가 300℃라고 가정할 때, 실시예 1에 따른 히터는 약 1.6초만에 목표 온도에 도달하는 데 반해, 비교예 1에 따른 히터는 약 2.7초 이후에야 비로소 목표 온도에 도달하는 것을 확인할 수 있다. 이는 콘스탄탄 소재의 낮은 TCR로 인해 승온 시 저항값 증가가 거의 없고, 이로 인해 승온 시에 패턴에 흐르는 전류가 거의 감소되지 않기 때문인 것으로 판단된다. 이러한 실험 결과에 따르면, 상술한 실시예들에 따른 히터(e.g. 10)가 에어로졸 발생 장치(e.g. 100-1 내지 100-3)의 예열 시간을 단축시킬 수 있고 흡연 초반의 끽미감을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
실시예 2 및 3
도 16에 도시된 바와 같이 콘스탄탄 소재의 패턴을 5열 병렬로 배치하여 실시예 2 및 3에 따른 히터를 제조하였다. 실시예 2에 따른 히터는 외곽으로 갈수록 패턴 사이의 간격이 넓어지도록 배치하였고, 실시예 3에 따른 히터는 거의 균등한 간격으로 패턴을 배치하였다. 패턴의 두께, 길이 및 간격에 대한 세부 수치는 하기의 표 2 및 3을 참조하도록 한다. 표 2는 실시예 2에 관한 것이고, 표 3은 실시예 3에 관한 것이다.
| 구분 | 1 열 (외곽) |
2열 | 3열 | 4열 | 5열 (중앙) |
| 두께(μm) | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 |
| 길이(mm) | 70.97 | 69.51 | 66.51 | 66.42 | 63.42 |
| 간격(mm) | 0.55 | 0.5 | 0.45 | 0.42 | 0.4 |
| 구분 | 1 열 (외곽) |
2열 | 3열 | 4열 | 5열 (중앙) |
| 두께(μm) | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 |
| 길이(mm) | 70.97 | 69.51 | 66.51 | 66.42 | 63.42 |
| 간격(mm) | 0.49 | 0.47 | 0.45 | 0.45 | 0.43 |
실험예 2: 발열 분포 비교
실시예 2 및 3에 따른 히터의 가열면의 발열 분포를 측정하는 실험을 진행하였고, 이에 대한 실험 결과는 도 17 및 도 18에 도시되어 있다. 도 17 및 도 18는 각각 실시예 2 및 3에 따른 히터의 가열면을 히트맵 형태로 도시한 것이다.
도 17 및 도 18를 비교해보면, 도 18의 집중 발열 영역(중심 영역 참조)이 도 17보다 더 작은 크기로 형성되어 있는 것을 확인할 수 있는데, 이는 실시예 3에 따른 히터에 발열 집중 현상이 더 강하게 나타난다는 것을 의미한다. 또한, 이는 패턴 상의 간격이 외곽으로 갈수록 넓어지도록 설계함으로써 외곽 패턴의 저항값을 감소시킬 수 있고, 궁극적으로 발열 집중 현상을 완화시킬 수 있다는 것을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
지금까지 실시예와 비교예를 통하여 상술한 히터(10, 20, 30)의 구성 및 효과에 대하여 보다 상세하게 설명하였다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 실시예들을 설명하였지만, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 개시가 다른 구체적인 형태로도 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 개시의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 개시에 의해 정의되는 기술적 사상의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10, 20, 30: 필름형 히터
11, 21, 31: 베이스 필름
12-1, 12-2, 12-3: 가열 패턴
22-1, 22-2, 22-3, 32: 가열 패턴
33: 센서 패턴
13, 13-1, 13-2, 13-3, 23, 34: 단자
100-1, 100-2, 100-3: 에어로졸 발생 장치
1: 증기화기
120: 제어부
130: 배터리
140: 히터
150: 궐련
11, 21, 31: 베이스 필름
12-1, 12-2, 12-3: 가열 패턴
22-1, 22-2, 22-3, 32: 가열 패턴
33: 센서 패턴
13, 13-1, 13-2, 13-3, 23, 34: 단자
100-1, 100-2, 100-3: 에어로졸 발생 장치
1: 증기화기
120: 제어부
130: 배터리
140: 히터
150: 궐련
Claims (12)
- 히터에 있어서,
가열 기능을 수행하는 제1 전기전도성 패턴;
상기 제1 전기전도성 패턴보다 저항온도계수가 큰 소재로 이루어져, 상기 히터에 대한 온도 측정 기능을 수행하는 제2 전기전도성 패턴; 및
상기 제1 전기전도성 패턴과 병렬 구조로 배치되며, 가열 기능을 수행하는 제3 전기전도성 패턴을 포함하되,
상기 제1 전기전도성 패턴 및 상기 제3 전기전도성 패턴은 저항온도계수가 50 ppm/℃ 이하인 소재로 이루어지고,
상기 제1 전기전도성 패턴 및 상기 제3 전기전도성 패턴은 콘스탄탄(constantan), 망가닌(mangnanin) 및 양은(nickel silver) 중 적어도 하나의 소재로 이루어지고,
상기 제1 전기전도성 패턴은 상기 제2 전기전도성 패턴보다 외곽에 배치되고,
상기 제3 전기전도성 패턴은 상기 제1 전기전도성 패턴보다 외곽에 배치되는,
히터. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 전기전도성 패턴과 상기 제2 전기전도성 패턴은 동일한 레이어에 배치되는,
히터. - 제1 항에 있어서,
상기 제1 전기전도성 패턴과 상기 제2 전기전도성 패턴은 서로 다른 레이어에 배치되는,
히터. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 전기전도성 패턴의 저항값은 상기 제1 전기전도성 패턴보다 큰,
히터. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 전기전도성 패턴에 공급되는 전력은 상기 제1 전기전도성 패턴에 공급되는 전력보다 작은,
히터. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 전기전도성 패턴은 상기 제1 전기전도성 패턴이 배치된 가열면의 중심 영역 온도를 측정하도록 배치되고,
상기 가열면의 중심으로부터 상기 중심 영역의 외곽선까지의 거리는 상기 중심으로부터 상기 가열면의 외곽선까지의 거리의 0.15배 내지 0.5배인,
히터. - 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 제1 전기전도성 패턴은 비저항(resistivity)이 3.0×10-8Ωm 이상인 소재로 이루어지는,
히터. - 제1 항에 있어서,
상기 제3 전기전도성 패턴의 저항값은 상기 제1 전기전도성 패턴보다 작거나 같은,
히터. - 제1 항에 있어서,
상기 제3 전기전도성 패턴보다 외곽에 배치된 제4 전기전도성 패턴을 더 포함하되,
상기 제4 전기전도성 패턴과 상기 제3 전기전도성 패턴의 간격은 상기 제3 전기전도성 패턴과 상기 제1 전기전도성 패턴의 간격보다 넓은,
히터. - 제1 항에 있어서,
상기 제3 전기전도성 패턴의 두께는 상기 제1 전기전도성 패턴보다 두꺼우며,
상기 제3 전기전도성 패턴의 두께는 100μm 이하인,
히터. - 삭제
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