KR102670743B1 - 열 방향이 제어된 직조 유연 면상 발열체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열 방향이 제어된 직조 유연 면상 발열체에 있어서, 금속발열섬유를 직조하여 형성되는 발열층과, 세라믹 섬유를 직조하여 형성되며, 상기 발열층의 일면에 적층되어 상기 발열층으로부터 발생하는 열을 반사시켜 발열층 타면으로 방출되도록 하는 반사층 및 상기 발열층 타면 또는 상기 발열층과 반사층 사이에 구비되어 열전도(heat conduction)에 의해 발열층으로부터 발생되는 열의 방출 방향을 유도하기 위한 유도층이 포함되는 것을 특징으로 한다.
이에 의해 발열층 및 반사층의 형성을 통해 발열층으로부터 방출되는 열이 반사층을 통해 반사되고 유도층을 따라 열방향을 제어 가능하며, 이를 통해 높은 열효율을 가지며 가열 시간을 단축시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
이에 의해 발열층 및 반사층의 형성을 통해 발열층으로부터 방출되는 열이 반사층을 통해 반사되고 유도층을 따라 열방향을 제어 가능하며, 이를 통해 높은 열효율을 가지며 가열 시간을 단축시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
Description
본 발명은 열 방향이 제어된 직조 유연 면상 발열체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발열층 및 반사층의 형성을 통해 발열층으로부터 방출되는 열이 반사층을 통해 반사되어 열방향을 제어 가능하며, 이를 통해 높은 열효율을 가지며 가열 시간을 단축시킬 수 있는 열 방향이 제어된 직조 유연 면상 발열체에 관한 것이다.
전기 또는 가스로부터의 에너지를 열에너지로 변환시키는 발열체는 일반적으로 금속 또는 세라믹 선으로 만들어진 선상 발열체, 흑연과 같은 벌크 발열체 및 평면 전극 위에 막(membrane)상으로 발열체가 코팅된 면상 발열체로 구분된다. 이 중 면상 발열체는 평면상의 금속전극 위에 금속, 세라믹 또는 탄소계 발열층이 코팅되어 있고, 상기 발열층의 상부 및 하부를 절연체로 실링하는 구조로 되어있다.
최근 상기와 같은 면상 발열체를 평면이 아닌 곡면의 형상을 가지거나, 사용 중 유연하게 휘어질 수 있는 유연 면상 발열체를 제조할 필요성이 대두되고 있다. 그러나 면상 발열체를 지닌 기판의 유연성 부족, 기판에 코팅된 발열물질의 유연성에 한계가 있기 때문에 유연성을 갖도록 면상 발열체를 제작하게 되면 제작시 균열이나 성능 열하가 일어난다. 또는 발열물질이 취성이 있어 쉽게 깨어지거나, 망(mesh)상의 기판을 사용하여 내부에 발열물질을 채울 때 발열 특성에 문제가 발생하게 된다.
예를 들면 면상 발열체로 기대되는 탄소계 전극의 경우 고온에서 산화되며 취성이 있어 충격에 의해 쉽게 균열이 발생하며, 이러한 문제로 인해 면상 발열체를 장기간 사용이 용이하지 못하다. 또한 원적외선 세라믹계 발열체를 금속기판 상부에 코팅하여 만든 경우 세라믹 발열체의 휘어짐 한계로 인해 면상 발열체의 휘어짐이 클 경우 사용이 불가능하다는 단점이 있다.
이를 극복하기 위해 전도성이 있는 물질을 선상으로 만들어 이를 직조하여 면상의 발열체를 제조하는 기술이 알려져 있다. '대한민국특허청 공개특허 제10-2008-0090068호 면상발열체와 그 물성구조 및 제조방법'과 같이 일반섬유와 금속섬유를 함께 꼬아서 만든 직조용 실을 사용하여 면상 발열체를 직조하는 방법이 알려져 있다. 이 이외에도 '대한민국특허청 등록실용신안 제20-2005-0011304호 면사직조발열체'와 같이 전도성이 없는 폴리머실 표면에 전도성이 있는 카본을 코팅하여 전도성을 부여한 면상 발열체 기술이 알려져 있다.
하지만 이러한 종래의 면상 발열체의 경우 발열체의 양면에서 열이 발생하여 열의 방향 제어가 불가능하므로 열 효율이 낮고 가열 시간이 많이 필요하다는 단점이 있다. 따라서 다층의 열 흐름 제어가 가능한 면상 발열체를 제조하여 높은 효율, 다양한 열방향 제어, 섬유 직조를 이용한 다양한 패턴의 제작에 의해 열 효율이 높으며 다양한 용도에서 적용 가능한 면상 발열체를 얻고자 한다.
따라서 본 발명의 목적은 발열층 및 반사층의 형성을 통해 발열층으로부터 방출되는 열이 반사층을 통해 반사되어 열방향을 제어 가능하며, 이를 통해 높은 열효율을 가지며 가열 시간을 단축시킬 수 있는 열 방향이 제어된 직조 유연 면상 발열체를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 열 방향이 제어된 직조 유연 면상 발열체에 있어서, 금속발열섬유를 직조하여 형성되는 발열층과, 세라믹 섬유를 직조하여 형성되며, 상기 발열층의 일면에 적층되어 상기 발열층으로부터 발생하는 열을 반사시켜 발열층 타면으로 방출되도록 하는 반사층 및 상기 발열층 타면 또는 상기 발열층과 반사층 사이에 구비되어 열전도(heat conduction)에 의해 발열층으로부터 발생되는 열의 방출 방향을 유도하기 위한 유도층이 포함되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 발열층은 상기 금속발열섬유를 경사 및 위사로 직조하여 형성되고, 상기 반사층은 상기 세라믹섬유를 경사 및 위사로 직조하여 형성되며, 상기 발열층 및 상기 반사층은 접착 또는 재봉에 의해 결합되는 것이 바람직하다.
상기 발열층 및 반사층은 금속발열섬유를 경사 및 위사로 직조하고 상기 세라믹섬유를 경사 및 위사로 함께 직조하여 형성되되, 상기 발열층은 상기 반사층에 비해 상기 금속발열섬유의 배치 면적이 넓고, 상기 반사층은 상기 발열층에 비해 상기 세라믹섬유의 배치 면적이 넓은 것을 특징으로 한다.
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상기 금속발열섬유의 소재는, 백금(Pt), 철(Fe), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 아연(Zn), 텡스텐(W), 코발트(Co) 및 이의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되데, 복수의 상기 금속발열섬유는 각각 상이한 금속 소재 또는 합금 소재로 이루어진 것을 준비하여 직조하는 것이 바람직하며, 합금으로 이루어진 상기 금속발열섬유의 소재는 스테인레스 스틸(stainless steel) 또는 니크롬(nichrome)을 단독 또는 함께 준비하여 직조가능한 것이 바람직하다.
상기 세라믹섬유의 소재는, 유리섬유, 내열폴리머섬유, 산화티타늄섬유, 산화알루미늄섬유, 산화지르코늄섬유, 탄화규소섬유, 티타늄산칼륨섬유 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다.
상술한 본 발명의 구성에 따르면 발열층 및 반사층의 형성을 통해 발열층으로부터 방출되는 열이 반사층을 통해 반사되고, 유도층에 의해 열의 방출방향 제어가 가능하며, 이를 통해 높은 열효율을 가지고 가열 시간을 단축시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 직조 유연 면상 발열체의 분해 사시도이고,
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유도층을 포함하는 발열체의 정면도이고,
도 4는 제2실시예에 따른 발열체의 사시도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 유도층을 포함하는 발열체의 정면도이고,
도 4는 제2실시예에 따른 발열체의 사시도이다.
발열체를 이용하여 물체를 가열 시 열의 흐름은 전기에서 전기저항에 의해 열의 흐르는 방향이 결정되는 것과 같이 열 저항에 의해 열의 흐르는 방향이 결정된다. 열 저항은 비열이 큰 물질에서 크고, 비열이 작은 물질에서는 작다. 이에 따라 열은 비열이 큰 물질에서 비열이 낮은 물질로 흐르게 된다. 발열체를 이용하여 물질을 가열할 경우 가열하고자 하는 가열대상은 저온이면서 비열이 큰 경우가 대부분이다. 이때 열의 흐름은 온도의 측면에서는 발열체에서 가열대상을 향하여 흐르게 되고, 열 저항의 측면에서는 가열대상에서 발열체 쪽으로 흐르는 경향이 나타나게 된다. 이 경우 가열대상의 높은 비열이 발열체로부터 확산해오는 열을 억제하는 효과를 지니게 되어 발열효율이 저하하게 된다. 본 발명은 이렇게 가열대상의 높은 비열 때문에 발생하는 발열체로 흐르는 열 흐름을 섬유의 직조 구조를 이용하여 제어하고자 한다. 즉 발열체 상부에 있는 가열대상에서 발열체로 흐르는 열의 흐름을 발열체의 하부에 비열이 높은 섬유조직에 삽입함에 따라 다시 발열체의 하부에서 가열대상 상부로 돌려보내는 복층 섬유구조를 만들어, 발열체의 열전달 효율을 높이고자 하는 것이다. 이러한 복층 구조는 섬유의 제직(weaving) 시에 다층 직조기술을 이용하여 상층의 금속발열섬유와 하부의 고비열 섬유를 복층으로 한 번에 제작하는 것도 가능하고, 금속발열섬유와 고비열 섬유를 따로 제작하여 합체하는 것도 가능하다. 본 발명의 기술적 해결은 이러한 원리에 기반을 두고 있다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 열 방향이 제어된 직조 유연 면상 발열체를 도면을 통해 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이 면상 발열체(100)는 발열층(110) 및 반사층(130)을 포함하는 다층 구조로 이루어진다. 발열층(110)은 발열을 일으키는 금속을 얇은 선상으로 제조한 금속발열섬유(111)를 직조하여 형성된 것으로, 직조 방법으로는 사직, 능직, 수자직 등 일반적인 직조 방법을 사용 가능하며 이 이외의 직조 방법도 제한 없이 사용 가능하다. 이러한 금속발열섬유(111)의 소재는 백금(Pt), 철(Fe), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 아연(Zn), 텡스텐(W), 코발트(Co) 및 이의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되거나 또는 복수 개의 금속발열섬유(111)가 각각 상이한 금속 또는 합금 소재로 이루어진 것을 준비하여 직조하는 것이 바람직하다. 특히 합금으로 이루어진 금속발열섬유(111)의 경우 스테인레스 스틸(stainless steel) 또는 니크롬(nichrome)을 가장 바람직하게 적용할 수 있으며, 스테인레스 스틸과 니크롬을 단독 또는 함께 준비하여 직조할 수 있다.
면상의 발열층(110)의 일면에는 반사층(130)이 적층되어 발열층(110)과 결합된다. 반사층(130)은 발열층(110)의 일면에 적층되어 발열층(110)으로부터 발생하는 열이 발열층(110)의 타면으로 방출되도록 하며, 발열층(110)의 일면에서 발생하는 열을 반사시킬 수 있도록 세라믹섬유(131)를 직조하여 형성된다. 여기서 세라믹섬유(131)는 열을 흡수하지 않고 반사시키는 세라믹 소재를 얇은 선상으로 제조한 것으로, 이러한 세라믹섬유(131)를 금속발열섬유(111)와 마찬가지로 사직, 능직, 수자직 등의 직조 방법을 이용하여 직조하게 된다. 열을 반사시키는 세라믹섬유(131)의 소재는 유리섬유, 내열폴리머섬유, 산화티타늄섬유, 산화알루미늄섬유, 산화지르코늄섬유, 탄화규소섬유, 티타늄산칼륨섬유 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하나 이에 한정되지는 않는다.
경우에 따라서 도 2 및 도 3과 같이 발열층(110) 및 반사층(130)과 함께 유도층(150)을 적층하여 면상 발열체(100)를 형성할 수 있다. 유도층(150)은 발열층(110)에서 발생하는 열을 발열층(110)의 타면으로 더욱 용이하게 방출할 수 있도록 발열층(110)의 타면으로 열이 유도되도록 발열층(110)에 적층된다. 이때 유도층(150)은 발열층(110) 중 반사층(130)과 결합된 면과 반대면인 타면에 적층되어 열을 발열층(110)의 타면으로 유도할 수 있다. 또한 이와 달리 발열층(110)과 반사층(130)의 사이에 유도층을 적층할 수도 있는데, 이는 발열층(110)으로부터 반사층(130)을 향해 발생하는 열이 발열층(110)의 타면으로 유도되도록 하기 위함이다. 즉 유도층(150)은 발열층(110)의 타면에 적층되거나 발열층(110)과 반사층(130)의 사이에 적층되어 열을 최대한 발열층(110)의 타면으로 방출할 수 있도록 열을 유도하는 역할을 한다. 유도층(150)은 또한 발열되는 열 분포를 균일하게 만드는 효과를 제공할 수 있으며, 유도층(150)을 특정 위치에만 결합하여 열의 흐름을 제어할 수도 있다.
이러한 유도층(150)의 소재는 열전도성이 높은 금속(metal), 카본(carbon), 폴리머(polymer) 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것이 바람직하다. 또한 유도층(150)은 도 2에 도시된 바와 같이 발열층(110)과 유사한 사이즈의 단일 박판으로 이루어져 발열층(110)의 중앙영역에 결합되거나, 도 3에 도시된 바와 같이 복수 개의 조각 박판이 일정 간격으로 이격되어 발열층(110)에 결합되도록 형성할 수 있다.
반사층(130)의 일면은 발열층(110)과 결합되며, 발열층(110)과 반대방향인 반사층(130)의 타면에는 절연층을 결합할 수 있다. 절연층은 발열층(110)으로부터 발생되는 열을 절연시키는 역할을 하는 것으로 절연재질로 이루어진 절연섬유를 경사 및 위사로 사용하여 직조 과정을 통해 형성된다. 이러한 절연층은 사용자가 발열층(110)으로부터 발생하는 열을 느끼지 못하도록 열을 차단하는 역할을 수행한다.
본 발명의 발열층(110) 및 반사층(130)은 구조는 다음과 같이 두 가지로 형성될 수 있다. 먼저 제1실시예에 따른 직조 유연 면상 발열체는 도 1에 도시된 바와 같이 발열층(110)은 금속발열섬유(111)를 경사 및 위사로 직조하여 형성되고, 반사층(130) 또한 세라믹섬유(130)를 경사 및 위사로 직조하여 형성된다. 이러한 발열층(110) 및 반사층(130)은 접착제를 이용하여 접착되거나, 또는 재봉에 의해 결합되어 발열체(100)를 형성할 수 있다. 이러한 제1실시예의 구조로 발열체(100)를 형성할 경우 금속발열섬유(111)와 세라믹섬유(131)가 그 층이 명확히 구분되어 금속발열섬유(111)로부터 발생하는 열이 발열층(100)의 타면으로 용이하게 방출 가능하다.
제1실시예와 달리 제2실시예에 따른 직조 유연 면상 발열체(200)는 도 4에 도시된 바와 같이 금속발열섬유(211)를 경사 및 위사로 직조하되, 세라믹섬유(231)를 경사 및 위사로 금속발열섬유(211)와 함께 직조하여 발열층(210) 및 반사층(230)이 각각 금속발열섬유(211)와 세라믹섬유(231)가 일체로 혼합 직조되도록 구성된다. 이때, 직조된 발열층(210)은 반사층(230)에 비해 금속발열섬유(211)의 배치 면적이 넓으며, 반사층(230)은 발열층(210)에 비해 세라믹섬유(231)의 배치 면적이 넓도록 직조한다. 이를 통해 발열층(211)은 일부 세라믹섬유(231)를 포함하고 있긴 하지만 금속발열섬유(211)의 배치 면적이 넓어 열을 방출하는 역할을 하며, 이와 반대로 반사층(230)은 금속발열섬유(211)를 일부 포함하고 있긴 하지만 세라믹섬유(231)의 배치 면적이 넓어 발열층(210)으로부터 방출되는 열을 발열층(210)의 타면으로 반사시키는 역할을 한다. 여기서 발열층(210)은 금속발열섬유(211)의 배치 면적이 70 내지 100% 범위 내로 존재하도록 하며, 반사층(230)은 세라믹섬유(231)의 배치 면적이 70 내지 100% 범위 내로 존재하도록 발열체(200)를 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 배치 면적은 각각이 70% 미만일 경우 금속발열섬유(211)로부터 방출되는 열의 방향을 세라믹섬유(231)를 통해 제어하기 힘들기 때문이다.
제1실시예와 달리 제2실시예에 따른 직조 유연 면상 발열체(200)는 도 4에 도시된 바와 같이 금속발열섬유(211)를 경사 및 위사로 직조하되, 세라믹섬유(231)를 경사 및 위사로 금속발열섬유(211)와 함께 직조하여 발열층(210) 및 반사층(230)이 각각 금속발열섬유(211)와 세라믹섬유(231)가 일체로 혼합 직조되도록 구성된다. 이때, 직조된 발열층(210)은 반사층(230)에 비해 금속발열섬유(211)의 배치 면적이 넓으며, 반사층(230)은 발열층(210)에 비해 세라믹섬유(231)의 배치 면적이 넓도록 직조한다. 이를 통해 발열층(211)은 일부 세라믹섬유(231)를 포함하고 있긴 하지만 금속발열섬유(211)의 배치 면적이 넓어 열을 방출하는 역할을 하며, 이와 반대로 반사층(230)은 금속발열섬유(211)를 일부 포함하고 있긴 하지만 세라믹섬유(231)의 배치 면적이 넓어 발열층(210)으로부터 방출되는 열을 발열층(210)의 타면으로 반사시키는 역할을 한다. 여기서 발열층(210)은 금속발열섬유(211)의 배치 면적이 70 내지 100% 범위 내로 존재하도록 하며, 반사층(230)은 세라믹섬유(231)의 배치 면적이 70 내지 100% 범위 내로 존재하도록 발열체(200)를 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 배치 면적은 각각이 70% 미만일 경우 금속발열섬유(211)로부터 방출되는 열의 방향을 세라믹섬유(231)를 통해 제어하기 힘들기 때문이다.
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종래의 면상 발열체의 경우 발열체의 양면에서 열이 발생하여 열의 방향 제어가 불가능하므로 열 효율이 낮고 가열 시간이 많이 필요하다는 단점이 있다. 하지만 본 발명에 따른 직조 유연 면상 발열체(100, 200)의 경우 발열층(110, 210) 및 반사층(130, 230)의 형성을 통해 발열층(110, 210)으로부터 방출되는 열이 반사층(130, 230)을 통해 반사되어 열 방향을 제어 가능하며, 이를 통해 높은 열효율을 가지며 가열 시간을 단축시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 이뿐만 아니라 본 발명의 직조 유연 면상 발열체(100, 200)는 금속발열섬유(111, 211) 및 세라믹섬유(131, 231)를 직조하여 발열체(100, 200)가 형성되기 때문에 유연성이 높고 내충격성이 우수하며, 기계적 내구성 및 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.
100, 200: 발열체
110, 210: 발열층
111, 211: 금속발열섬유
130, 230: 반사층
131, 231: 세라믹섬유
150: 유도층
110, 210: 발열층
111, 211: 금속발열섬유
130, 230: 반사층
131, 231: 세라믹섬유
150: 유도층
Claims (12)
- 열 방향이 제어된 직조 유연 면상 발열체에 있어서,
금속발열섬유를 직조하여 형성되는 발열층;
세라믹섬유를 직조하여 형성되며, 상기 발열층의 일면에 적층되어 상기 발열층으로부터 발생하는 열을 반사시켜 발열층 타면으로 방출되도록 하는 반사층; 및
상기 발열층 타면 또는 상기 발열층과 반사층 사이에 구비되어 열전도(heat conduction)에 의해 발열층으로부터 발생되는 열의 방출 방향을 유도하기 위한 유도층;이 포함되며,
상기 발열층과 반사층은 금속발열섬유와 상기 세라믹섬유를 경사 및 위사로 함께 직조하여 동시에 형성되되, 상기 발열층은 상기 금속발열섬유의 배치 면적이 넓게 형성되도록 직조되면서 상대적으로 상기 반사층이 상기 발열층 대비 세라믹섬유의 배치 면적이 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는 열방향이 제어된 직조 유연 면상 발열체.
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- 제1 항에 있어서,
상기 유도층은 복수 개의 조각 박판이 일정 간격으로 이격되어 발열층에 결합되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 열방향이 제어된 직조 유연 면상 발열체.
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- 제1 항에 있어서,
상기 금속발열섬유의 소재는, 백금(Pt), 철(Fe), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo), 금(Au), 은(Ag), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr), 아연(Zn), 텡스텐(W), 코발트(Co) 및 이의 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되고,
상기 세라믹섬유의 소재는, 유리섬유, 내열폴리머섬유, 산화티타늄섬유, 산화알루미늄섬유, 산화지르코늄섬유, 탄화규소섬유, 티타늄산칼륨섬유 및 이의 혼합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 열 방향이 제어된 직조 유연 면상 발열체.
- 삭제
- 제 9항에 있어서,
합금으로 이루어진 상기 금속발열섬유의 소재는 스테인레스 스틸(stainless steel) 또는 니크롬(nichrome)을 단독 또는 함께 준비하여 직조가능한 것을 특징으로 하는 열 방향이 제어된 직조 유연 면상 발열체. - 삭제
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