KR20100003430U - 페이스트 조성물을 이용한 히터 - Google Patents
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Abstract
페이스트 조성물을 이용한 히터가 개시된다. 본 고안의 페이스트 조성물을 이용한 히터는, 탄소나노튜브와 탄소섬유에서 선택된 적어도 하나와 은을 포함하거나, 루테늄과 팔라듐에서 선택된 적어도 하나와 탄소나노튜브와 탄소섬유에서 선택된 적어도 하나와 은을 포함하는 페이스트 조성물을 갖는 적어도 하나의 발열저항체; 발열저항체가 배치되는 기판; 및 발열저항체 측으로 수분이 유입되는 것을 방지하기 위하여 발열저항체를 덮는 판재 형상의 방수부재를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 고안에 의하면, 전력 소모량이 적으면서도 안정적인 전력 소모량을 가질 뿐만 아니라, 기존의 히터에 비해 안전성이 향상된 히터의 제작이 가능해진다.
히터, 페이스트, 하우징, 운모
Description
본 고안은 페이스트 조성물을 이용한 히터에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 페이스트 조성물을 발열저항체로 사용함으로써, 전력 소모량이 적으면서도 안정적인 전력 소모량을 가질 뿐만 아니라 기존의 히터에 비하여 안전성이 향상된 페이스트 조성물을 이용한 히터에 관한 것이다.
일반적인 발열체용 페이스트에는 은(Ag), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru)계 산화물이 주로 사용되고 있다.
이러한 발열체용 페이스트에 사용되는 저저항 도전성 물질인 은(Ag)은 양의 온도저항계수를 갖기 때문에 자체로는 발열 저항으로 사용하기 어렵다. 따라서, 이를 보완하기 위해 발열체용 페이스트에 팔라듐(Pd)과 루테늄(Ru)이 첨가되고, 루테늄(Ru)의 경우에는 은(Ag)에 비하여 비저항이 높기 때문에 낮은 저항값을 갖기 위해서는 고가의 루테늄(Ru)이 다량으로 첨가되어야 한다. 그러나 이러한 은(Ag) 대비 루테늄(Ru) 비율의 증가는 저항의 증가를 가져오기 때문에 루테늄(Ru)의 첨가량에는 한계가 있다.
또한, 세정기용 순간 온수 장치 등에 사용되는 발열체는 일반적으로 루테늄 계열로서, 소정의 간격을 두고 복수 개가 고온에서 소성된 상태에서 기판에 프린팅되는 구조를 따르는데, 이러한 발열체의 경우 온도 상승에 따라 저항이 증가하게 되고 결국 전력 소모량이 증가하게 되는 문제점이 있었으며, 안정된 온도저항계수를 확보할 수 없는 문제점이 함께 내포되어 있다.
이러한 발열체의 문제와 함께 종래기술에 따른 히터는, 발열체의 상측에 방수 캡을 결합함으로써 발열체 측으로 외부의 수분이 유입되지 못하도록 하였으나, 방수 캡은 별도의 금형을 제작하고 폴리머 등을 금형에 부은 후 사출 성형하는 방법에 의하여 만들어지므로 히터의 단가를 상승시킬 뿐만 아니라, 히터 전체의 두께를 증가시켜 슬림(Slim)한 형태의 히터를 제작할 수 없게 만드는 요인이 된다.
또한, 폴리머는 내열온도가 100℃ 미만에 불과하므로, 냉각수가 공급되지 않는 경우 발열체의 온도가 과도하게 상승함에 따라 발열체 온도가 방수 캡의 내열온도를 초과하게 되면 방수 캡 자체가 녹아내리게 되며, 이 경우 히터의 외부를 덮는 하우징과 히터 상호 간에 전기적 쇼트가 발생하게 되고, 이에 따라 히터가 파손될 뿐만 아니라 화재의 위험성이 가중되는 문제점이 있다.
본 고안의 목적은, 전력 소모량이 적으면서도 안정적인 전력 소모량을 가질 뿐만 아니라, 기존의 히터에 비해 안전성이 향상된 히터를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 고안에 따라, 탄소나노튜브와 탄소섬유에서 선택된 적어도 하나와 은을 포함하거나, 루테늄과 팔라듐에서 선택된 적어도 하나와 탄소나노튜브와 탄소섬유에서 선택된 적어도 하나와 은을 포함하는 페이스트 조성물을 갖는 적어도 하나의 발열저항체; 상기 발열저항체가 배치되는 기판; 및 상기 발열저항체 측으로 수분이 유입되는 것을 방지하기 위하여 상기 발열저항체를 덮는 판재 형상의 방수부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물을 이용한 히터에 의하여 달성된다.
여기서, 상기 방수부재는 운모 판일 수 있다.
상기 방수부재의 테두리는 실링(Sealing)부재에 의하여 실링 처리될 수 있다.
상기 실링부재는 에폭시 재질일 수 있다.
상기 방수부재가 결합되지 않은 상기 기판의 후면은 테프론 코팅이 되어 있을 수 있다.
상기 페이스트 조성물은, 상기 페이스트 조성물 100중량부에 대하여, 상기 탄소나노튜브와 탄소섬유에서 선택된 적어도 하나는 0.01 내지 20중량부로 포함될 수 있다.
상기 페이스트 조성물은, 상기 은 5 내지 60중량부; 상기 탄소나노튜브와 탄소섬유에서 선택된 적어도 하나 0.01 내지 20중량부; 유리 프릿 5 내지 40중량부; 및
유기 바인더 10 내지 40 중량부를 포함할 수 있다.
상기 페이스트 조성물은, 상기 은 10 내지 60중량부; 상기 루테늄 0.25 내지 20중량부; 상기 탄소나노튜브와 탄소섬유에서 선택된 적어도 하나 0.01 내지 20중량부; 유리 프릿 5 내지 35중량부; 및 유기 바인더 10 내지 40 중량부를 포함할 수 있다.
상기 페이스트 조성물은, 상기 은 10 내지 60중량부; 상기 팔라듐 0.25 내지 20중량부; 상기 탄소나노튜브와 탄소섬유에서 선택된 적어도 하나 0.01 내지 20중량부; 유리 프릿 5 내지 35중량부; 및 유기 바인더 10 내지 40중량부를 포함할 수 있다.
상기 페이스트 조성물은, 상기 은 10 내지 60중량부; 상기 루테늄 0.25 내지 5중량부; 상기 팔라듐 0.25 내지 10중량부; 상기 탄소나노튜브와 탄소섬유에서 선택된 적어도 하나 0.01 내지 20중량부; 유리 프릿 5 내지 35중량부; 및 유기 바인더 10 내지 40중량부를 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 100 내지 600㎡/g 범위의 비표면적을 가질 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브, 단일벽 탄소나노튜브, 및 박벽 탄소나노튜브에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 탄소섬유는 탄소나노섬유일 수 있다.
상기 유리 프릿은 400 내지 850℃의 연화점을 가질 수 있다.
본 고안에 의하면, 저항체 크기에 따른 면저항값 및 온도저항계수의 변화가 적으며, 낮은 면저항값 및 온도저항계수를 갖는 다수의 발열저항체를 이용함으로써, 전력 소모량이 적으면서도 안정적인 전력 소모량을 가질 뿐만 아니라, 기존의 방수 캡을 판재 형상의 방수부재로 대체하여 안전성이 향상된 히터의 제작이 가능해진다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 고안을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 고안의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 고안의 일 실시예에 따른 페이스트 조성물을 이용한 히터의 일부를 절개한 평면도이며, 도 2는 도 1의 페이스트 조성물을 이용한 히터의 측면 요부도이고, 도 3은 도 1의 페이스트 조성물을 이용한 히터의 배면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 고안의 일 실시예에 따른 페이스트 조성물을 이용한 히터(1)는 전류의 공급에 따라 열을 발산하는 복수 개의 발열저항체(300)와, 발열저항체(300)가 배치되는 기판(100)과, 기판(100) 및 발열저항체(300) 사이에 게재되는 절연층(200)과, 발열저항체(300)를 덮도록 기판에 결합되는 방수부재(400)를 포함한다.
발열저항체(300)는, 본 고안에 따른 페이스트 조성물을 이용한 히터(1)에서 열을 발생시키는 구성으로, 보다 자세한 사항은 후술한다.
기판(100)은 발열저항체(300)가 배열되기 위한 표면적을 제공하는 판재 형상의 부재로, 도 4에 도시된 하우징(700)의 내부에 결합된다.
와이어 등을 통해 발열저항체(300)에 전류가 공급되면, 발열저항체(300)는 히터(1)가 목적하는 온도에 이르기까지 열을 발산하게 되는데, 이렇게 발산된 열은 기판(100)을 통해 유체에 전달되게 되므로, 기판(100)은 산화 알루미늄 또는 스테인레스강 등의 열 전도율이 높은 재질을 사용하여 제작하는 것이 바람직하다.
또한, 도 3을 참조하면, 발열저항체(300)들이 배치되지 않는 기판(100)의 배면은 테프론(110) 코팅이 되어 있으며, 물과 접촉성이 낮은 테프론(110)의 특성상 히터(1)의 사용에 따라 유체(예컨대, 물)가 기판(100)의 배면을 따라 흐르는 경우라도, 히터(1)에서 발생할 수 있는 누설 전류를 차단할 수 있으며, 히터(1) 자체에 녹이 스는 것도 감소시킬 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 절연층(200)은 기판(100) 및 발열저항체(300) 사이와, 발열저항체(300) 및 방수부재(400) 사이에 게재되어 기판(100) 및 발열저항체(300) 상호 간의 전기적 쇼트를 방지하기 위해 마련되는 구성으로, 제1 절연층(210), 제2 절연층(220) 및 제3절연층(230)을 포함한다.
제1 절연층(210)은 기판(100)의 면적에 대응하여 기판(100) 및 발열저항체(300) 상호 간의 전기적 쇼트를 방지하는 역할을 담당하며, 제2 절연층(220)은 제1 절연층(210)보다 작은 크기로 구성되어 제1 절연층(210) 상면에 결합된다. 즉, 제2 절연층(220)은 발열저항체(300)의 길이보다 약간 큰 정도의 크기로 구성될 수 있으며, 이에 따라 절연물질 소모량을 줄이면서도 기판(100) 및 발열저항체(300) 상호 간의 전기적 쇼트를 안전하게 방지할 수 있도록 한다.
또한, 발열저항체(300) 상측으로는 제3 절연층(230)이 결합되어 하우징(700)과 발열저항체(300) 간의 쇼트를 방지하는 역할을 담당한다.
제1 절연층(210), 제2 절연층(220) 및 제3 절연층(230)은 각각 알루미나, 실 리카, 마그네시아 등의 산화금속 막을 코팅하여 완성되며, 코팅방법으로는 ALD/CVD 방법, 스퍼터나 Evaporation, Sol-gel법 등 다양한 방법을 따른다. 물론 절연물질 및 코팅방법은 전술한 예에 한정되는 것이 아니며, 절연층(200)의 기능을 수행할 수 있는 한, 본 고안의 권리범위는 절연층(200)에 사용되는 절연물질 및 절연물질의 코팅방법에 의하여 제한되지 않는다.
방수부재(400)는 발열저항체(300)가 배치된 기판(100)의 상면에 발열저항체(300)를 덮도록 기판(100)과 결합되는 부재로, 히터(1)의 외부로부터 유입되는 수분이 발열저항체(300)의 내부로 스며들지 못하도록 막는 역할을 담당한다.
본 실시예의 경우 방수부재(400)는 발열저항체(300)를 덮는 일정한 두께의 운모(Mica) 판을 말하며, 폴리머로 제작되는 종래기술의 방수 캡(미도시)을 본 실시예에 따른 운모 재질의 방수부재(400)로 대체하는 경우, 우수한 내열온도를 가지면서도 히터(1) 전체의 두께를 감소시킬 수 있는 결과를 얻을 수 있다. 즉, 운모는 내열온도가 700℃ 이상이므로 폴리머로 만들어진 종래기술의 방수 캡(미도시)보다 우수한 열 안전성을 가질 뿐만 아니라, 절연성, 중량 및 두께의 측면에서도 여러 장점을 갖는다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 테프론(110) 코팅이 된 기판(100)의 배면으로는 가열하고자 하는 유체(예컨대, 물)가 흐르게 되는데, 이러한 유체는 히터(1)의 과열, 즉 발열저항체(300)의 과열을 방지하는 냉각수의 역할을 겸한다. 따라서, 히터(1)의 작동 중 물공급이 차단되면 발열저항체(300)가 과열될 수 있으며, 이 경우 종래기술에 따른 히터(미도시)는 방수 캡(미도시)이 녹아내리고, 이에 따라 발열 체(미도시)가 파손될 뿐만 아니라 발열체(미도시) 및 하우징(미도시) 상호 간의 전기적 쇼트로 인해 화재가 발생할 가능성이 높아진다.
하지만, 본 실시예에 따른 히터(1)는, 폴리머 재질의 방수 캡(미도시)에 대체하여 내열 온도가 높은 운모 재질의 방수부재(400)를 사용함으로써 발열저항체(300)의 과열에 따른 히터(1)의 파손을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 발열저항체(300) 및 하우징(700,도 4 참조) 상호 간의 전기적 쇼트를 방지할 수 있는 장점을 갖는다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 방수부재(400)는 발열저항체(300)를 덮도록 기판(100)의 상면에 배치된 후 실링부재(500)에 의하여 기판(100)과 결합된다. 여기서, 실링부재(500)는 에폭시가 사용되며, 다만 본 고안의 권리범위는 실링부재(500)의 실시 유형에 의하여 제한되지 않는다. 방수부재(400)는 실링부재(500)에 의하여 기판(100)에 실링(Sealing) 처리됨으로써, 수분이 외부로부터 발열저항체(300) 측으로 유입되는 것을 차단할 수 있게 된다.
발열저항체(300)는 전류의 공급에 따라 열을 발산시키는 히터(1)에서 열을 발생시키는 부분으로 후술하는 바와 같이 다양한 성분을 포함하는 페이스트 조성물로 제작될 수 있다.
이하, 본 명세서에서의 은(Ag)은 순수한 은(Ag)뿐만 아니라 은(Ag) 산화물 또는 은(Ag) 화합물을 포함하고, 루테늄(Ru) 또한 순수한 루테늄(Ru)뿐만 아니라 루테늄(Ru) 산화물 또는 루테늄(Ru) 화합물을 포함하며, 팔라듐(Pd) 또한 순수한 팔라듐(Pd) 뿐만 아니라 팔라듐(Pd) 산화물 또는 팔라듐(Pd) 화합물을 포함한다.
본 실시예에 따른 페이스트 조성물은 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube; CNT)와 탄소섬유(carbon fiber)에서 선택된 적어도 하나와 은(Ag)을 포함하는 이루어진다.
은(Ag)은 저 저항용 도전성 물질로서, 열과 전기에 대하여 우수한 도체이지만, 양의 온도저항계수를 갖기 때문에, 그 자체로는 발열 저항으로 사용하기에는 어려움이 있다.
이러한 은(Ag)의 단점을 극복하기 위해, 구리(Cu)에 필적하는 전기 전도도를 가지면서도, 음의 온도저항계수를 갖는 탄소나노튜브 및/또는 탄소섬유를 함께 혼합하여, 저항의 증가를 억제하면서도 동시에 안정된 온도 저항 계수를 갖는 발열체용 페이스트 조성물을 제공할 수 있다.
보다 상세하게 설명하면, 페이스트 조성물은 은(Ag) 5 내지 60중량부, 탄소나노튜브와 탄소섬유에서 선택된 적어도 하나 0.01 내지 20중량부, 유리 프릿(glass flit) 5 내지 40중량부, 및 유기 바인더 10 내지 40중량부를 포함하여 이루어진다.
상술한 중량부 범위의 은(Ag)은 페이스트 조성물이 낮은 저항값을 갖도록 하며, 페이스트 조성물이 기판에 적용되어 저항체막을 형성시키는 경우, 저항체막이 고온으로 발열되어 손상되는 것을 방지한다.
또한, 유리 프릿은 페이스트 조성물의 바인더(binder)로서, 상술한 중량부 범위의 유리 프릿은 페이스트 조성물이 기판에 적용되어 저항체막을 형성하는 경우, 저항체막의 강도를 증가시키고, 저항체막의 기판에의 부착력을 증가시킬 뿐만 아니라, 낮은 면저항값과 온도저항계수를 갖도록 한다.
또한, 유기 바인더는 페이스트 조성물 내의 각 구성 성분의 분산을 용이하게 하고, 페이스트 조성물의 실크 인쇄 시 인쇄 도막의 균일성을 확보하기 위한 적절한 점도를 제공한다. 이러한 유기 바인더로는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 에틸셀룰로즈, 메틸셀룰로즈, 니트로셀룰로즈, 카복시메틸셀룰로즈 등의 셀룰로즈 유도체와 아크릴산에스테르, 메타크릴산에스테르, 폴리비닐알콜, 폴리비닐부티랄 등의 수지 성분이 사용될 수 있다.
또한, 탄소나노튜브 또는 탄소섬유는 전체 페이스트 조성물 100중량부에 대해, 예를 들어 약 0.01 내지 20중량부로 포함될 수 있다. 탄소나노튜브 또는 탄소섬유는 무게 대비 부피비가 매우 크기 때문에 소량으로 페이스트 조성물에 존재하더라도 페이스트 조성물의 점도 유지가 가능하고, 유리 프릿의 바인더로서의 역할을 돕는다.
탄소나노튜브는 예를 들어 100 내지 600㎡/g 범위의 비표면적을 가질 수 있으며, 예를 들어 다중벽 탄소나노튜브, 단일벽 탄소나노튜브, 및 박벽 탄소나노튜브에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 페이스트 조성물에 적용되는 탄소섬유는 예를 들어 탄소나노섬유일 수 있다.
상술한 다중벽 탄소나노튜브, 단일벽 탄소나노튜브 등의 탄소나노튜브는 열전도도와 전기전도도가 우수하여 가장 활용도가 높으며 산화 온도가 비교적 높아 상대적으로 높은 온도의 발열체의 소재로 적합하며, 탄소나노섬유는 탄소나노튜브 보다 열전도도와 전기전도도는 떨어지나 가격이 저렴하며 상대적으로 낮은 온도의 발열체의 소재로 적용하기 용이하다.
이외에도, 본 실시예에 따른 페이스트 조성물에는 점도를 조절하기 위하여, 예를 들어 터피놀, 부틸칼비톨 아세테이트, 부틸칼비톨 등의 유기 용매가 포함될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 페이스트 조성물은 탄소나노튜브 및 탄소섬유에서 선택된 적어도 하나와 은(Ag)과, 루테늄(Ru)을 포함하여 이루어질 수 있다.
보다 상세하게 설명하면, 페이스트 조성물은 은(Ag) 10 내지 60중량부, 루테늄(Ru) 0.25 내지 20중량부, 탄소나노튜브와 탄소섬유에서 선택된 적어도 하나 0.01 내지 20중량부, 유리 프릿 5 내지 35중량부, 및 유기 바인더 10 내지 40중량부를 포함하여 이루어진다.
루테늄(Ru)은 음의 온도저항계수를 갖는 것으로, 상술한 중량부 범위의 루테늄은 페이스트 조성물이 낮은 저항값을 갖도록 하고, 페이스트 조성물이 기판에 적용되어 저항체막을 형성하는 경우 막의 표면 평활성을 증가시킨다.
이러한 페이스트 조성물에서 루테늄(Ru) 이외에 은(Ag), 탄소나노튜브, 탄소섬유, 유리 프릿, 및 유기 바인더는 앞서 살핀 페이스트 조성물에서와 실질적으로 동일하므로, 여기에서는 중복되는 설명은 생략한다.
또한, 페이스트 조성물은 탄소나노튜브 및 탄소섬유에서 선택된 적어도 하나와, 은(Ag)과, 팔라듐(Pd)을 포함하여 이루어질 수 있다.
보다 상세하게 설명하면, 페이스트 조성물은 은(Ag) 10 내지 60중량부, 팔라듐(Pd) 0.25 내지 20중량부, 탄소나노튜브 및 탄소섬유에서 선택된 적어도 하나 0.01 내지 20중량부, 유리 프릿 5 내지 35중량부, 및 유기 바인더 10 내지 40중량부를 포함하여 이루어진다.
팔라듐(Pd)은 양의 온도저항계수를 갖는 은(Ag)을 보완하기 위한 것으로, 상술한 중량부 범위의 팔라듐(Pd)은 페이스트 조성물이 기판에 적용되어 저항체막을 형성하는 경우 막의 기계적 물성을 향상시킨다.
팔라듐(Pd) 이외의 은(Ag), 탄소나노튜브, 탄소섬유, 유리 프릿, 및 유기 바인더는 본 발명의 일 실시예에 따른 페이스트 조성물에서와 실질적으로 동일하므로, 여기에서는 중복되는 설명은 생략한다.
또한, 페이스트 조성물은 탄소나노튜브 및 탄소섬유에서 선택된 적어도 하나와, 은(Ag), 루테늄(Ru)과, 팔라듐(Pd)을 포함하여 이루어질 수 있다.
보다 상세하게 설명하면, 페이스트 조성물은 은(Ag) 10 내지 60중량부, 루테늄(Ru) 0.25 내지 5중량부, 팔라듐(Pd) 0.25 내지 10중량부, 탄소나노튜브 및 탄소섬유에서 선택된 적어도 하나 0.01 내지 20중량부, 유리 프릿 5 내지 35중량부, 및 유기 바인더 10 내지 40중량부를 포함하여 이루어진다.
은(Ag), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd)과 탄소나노튜브, 탄소나노섬유는 상술한 바와 같은 실시예들에서 설명된 바와 실질적으로 동일하므로, 여기에서는 중복되는 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 페이스트 조성물들은 은(Ag), 루테늄(Ag) 등의 발열에 따른 저항 증가분과 탄소나노튜브 등의 저항 감소분이 서로 상쇄됨으로서, 발열에 따른 저항의 변화를 줄일 수 있다. 이는 발열 전후의 저항의 변화가 거의 없음을 의 미하며, 발열체의 저항 설계의 용이성과 안정성을 가질 수 있음을 의미한다.
이하, 실험예들과 비교예들을 통하여 페이스트 조성물들을 상세하게 설명한다. 다만, 하기 실험예들은 본 실시예에 따른 발열저항체(300)에 사용되는 페이스트 조성물들을 예시하기 위한 것으로서 본 고안이 하기 실험예들에 의하여 한정되는 것은 아님이 이해되어야 한다.
실험예
1
은(Ag) 분말 40중량부, 팔라듐(Pd) 분말 5중량부, 단일벽 탄소나노튜브 10중량부, 유리 프릿 35중량부 및 에틸셀룰로즈 10중량부에 테레비네올을 가하여 점도를 조정한 후, 3롤로 분산 혼합하여 페이스트 조성물을 제조하였다.
알루미나(Al2O3) 기판에 상기 페이스트 조성물을 스크린 인쇄법으로 인쇄하여 0.3mm × 450mm 크기의 도막을 형성한 후, 이를 150℃에서 10분간 건조하였다. 이때, 상기 도막의 두께는 약 17㎛였다. 이어, 상기 도막을 20℃/분의 속도로 승온하고, 최고 온도 850℃에서 20분간 유지하여 소성을 행하여 저항체막을 완성하였다. 이러한 저항체막 상에 전극층을 형성하고, 그 위에 유리 페이스트를 도포하여 보호층을 형성하여 발열체를 수득하였다. 얻어진 발열체 후막의 두께는 9㎛였다.
상기 발열체의 전극층 양단에 220V의 교류를 인가하여, HIOKI 3280-10 디지털 멀티메타를 이용하여 최대 포화 온도 영역에서 전류를 측정하여 초기 저항값과 발열시 저항값을 각각 산출하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다.
실험예
2
은(Ag) 분말 42중량부, 루테늄(Ru) 분말 3중량부, 단일벽 탄소나노튜브 15중량부, 유리 프릿 32중량부, 및 에틸셀룰로즈 8중량부에 테레비네올을 가하여 점도를 조정한 후, 3롤로 분산 혼합하여 페이스트 조성물을 제조하였다.
알루미나(Al2O3) 기판에 상기 페이스트 조성물을 스크린 인쇄법으로 인쇄하여 0.3mm × 450mm 크기의 도막을 형성한 후, 이를 150℃에서 10분간 건조하였다. 이때, 상기 도막의 두께는 약 15㎛였다. 이어, 상기 도막을 20℃/분의 속도로 승온하고, 최고 온도 850℃에서 20분간 유지하여 소성을 행하여 저항체막을 완성하였다. 이러한 저항체막 상에 전극층을 형성하고, 그 위에 유리 페이스트를 도포하여 보호층을 형성하여 발열체를 수득하였다. 얻어진 발열체 후막의 두께는 8㎛였다.
상기 발열체의 전극층 양단에 220V의 교류를 인가하여, HIOKI 3280-10 디지털 멀티메타를 이용하여 최대 포화 온도 영역에서 전류를 측정하여 초기 저항값과 발열시 저항값을 각각 산출하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다.
실험예
3
은(Ag) 분말 40중량부, 루테늄(Ru) 분말 2중량부, 팔라듐(Pd) 분말 5중량부, 단일벽 탄소나노튜브 12중량부, 유리 프릿 31중량부, 및 에틸셀룰로즈 10중량부에 테레비네올을 가하여 점도를 조정한 후, 3롤로 분산 혼합하여 페이스트 조성물을 제조하였다.
알루미나(Al2O3) 기판에 상기 페이스트 조성물을 스크린 인쇄법으로 인쇄하여 0.3mm × 450mm 크기의 도막을 형성한 후, 이를 150℃에서 10분간 건조하였다. 이때, 상기 도막의 두께는 약 20㎛였다. 이어, 상기 도막을 20℃/분의 속도로 승온하고, 최고 온도 850℃에서 20분간 유지하여 소성을 행하여 저항체막을 완성하였다. 이러한 저항체막 상에 전극층을 형성하고, 그 위에 유리 페이스트를 도포하여 보호층을 형성하여 발열체를 수득하였다. 얻어진 발열체 후막의 두께는 12㎛였다.
상기 발열체의 전극층 양단에 220V의 교류를 인가하여, HIOKI 3280-10 디지털 멀티메타를 이용하여 최대 포화 온도 영역에서 전류를 측정하여 초기 저항값과 발열시 저항값을 각각 산출하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다.
실험예
4
은(Ag) 분말 40중량부, 단일벽 탄소나노튜브 15중량부, 유리 프릿 33중량부, 및 에틸셀룰로즈 12중량부에 테레비네올을 가하여 점도를 조정한 후, 3롤로 분산 혼합하여 페이스트 조성물을 제조하였다.
알루미나(Al2O3) 기판에 상기 페이스트 조성물을 스크린 인쇄법으로 인쇄하여 0.3mm × 450mm 크기의 도막을 형성한 후, 이를 150℃에서 10분간 건조하였다. 이때, 상기 도막의 두께는 약 15㎛였다. 이어, 상기 도막을 20℃/분의 속도로 승온하고, 최고 온도 850℃에서 20분간 유지하여 소성을 행하여 저항체막을 완성하였 다. 이러한 저항체막 상에 전극층을 형성하고, 그 위에 유리 페이스트를 도포하여 보호층을 형성하여 발열체를 수득하였다. 얻어진 발열체 후막의 두께는 7㎛였다.
상기 발열체의 전극층 양단에 220V의 교류를 인가하여, HIOKI 3280-10 디지털 멀티메타를 이용하여 최대 포화 온도 영역에서 전류를 측정하여 초기 저항값과 발열시 저항값을 각각 산출하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다.
비교예
1
은(Ag) 분말 55중량부, 팔라듐(Pd) 분말 6중량부, 유리 프릿 31중량부, 및 에틸셀룰로즈 8중량부에 테레비네올을 가하여 점도를 조정한 후, 3롤로 분산 혼합하여 페이스트 조성물을 제조하였다.
알루미나(Al2O3) 기판에 상기 페이스트 조성물을 스크린 인쇄법으로 인쇄하여 0.3mm × 450mm 크기의 도막을 형성한 후, 이를 150℃에서 10분간 건조하였다. 이때, 상기 도막의 두께는 약 16㎛였다. 이어, 상기 도막을 20℃/분의 속도로 승온하고, 최고 온도 850℃에서 20분간 유지하여 소성을 행하여 저항체막을 완성하였다. 이러한 저항체막 상에 전극층을 형성하고, 그 위에 유리 페이스트를 도포하여 보호층을 형성하여 발열체를 수득하였다. 얻어진 발열체 후막의 두께는 9㎛였다.
상기 발열체의 전극층 양단에 220V의 교류를 인가하여, HIOKI 3280-10 디지털 멀티메타를 이용하여 최대 포화 온도 영역에서 전류를 측정하여 초기 저항값과 발열시 저항값을 각각 산출하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다.
비교예
2
은(Ag) 분말 55중량부, 루테늄(Ru) 분말 5중량부, 유리 프릿 30중량부, 및 에틸셀룰로즈 40중량부에 테레비네올을 가하여 점도를 조정한 후, 3롤로 분산 혼합하여 페이스트 조성물을 제조하였다.
알루미나(Al2O3) 기판에 상기 페이스트 조성물을 스크린 인쇄법으로 인쇄하여 0.3mm × 450mm 크기의 도막을 형성한 후, 이를 150℃에서 10분간 건조하였다. 이때, 상기 도막의 두께는 약 15㎛였다. 이어, 상기 도막을 20℃/분의 속도로 승온하고, 최고 온도 850℃에서 20분간 유지하여 소성을 행하여 저항체막을 완성하였다. 이러한 저항체막 상에 전극층을 형성하고, 그 위에 유리 페이스트를 도포하여 보호층을 형성하여 발열체를 수득하였다. 얻어진 발열체 후막의 두께는 7㎛였다.
상기 발열체의 전극층 양단에 220V의 교류를 인가하여, HIOKI 3280-10 디지털 멀티메타를 이용하여 최대 포화 온도 영역에서 전류를 측정하여 초기 저항값과 발열시 저항값을 각각 산출하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다.
비교예
3
은(Ag) 분말 45중량부, 루테늄(Ru) 분말 2중량부, 팔라듐(Pd) 분말 5중량부, 유리 프릿 37중량부, 및 에틸셀룰로즈 48중량부에 테레비네올을 가하여 점도를 조정한 후, 3롤로 분산 혼합하여 페이스트 조성물을 제조하였다.
알루미나(Al2O3) 기판에 상기 페이스트 조성물을 스크린 인쇄법으로 인쇄하여 0.3mm × 450mm 크기의 도막을 형성한 후, 이를 150℃에서 10분간 건조하였다. 이때, 상기 도막의 두께는 약 15㎛였다. 이어, 상기 도막을 20℃/분의 속도로 승온하고, 최고 온도 850℃에서 20분간 유지하여 소성을 행하여 저항체막을 완성하였다. 이러한 저항체막 상에 전극층을 형성하고, 그 위에 유리 페이스트를 도포하여 보호층을 형성하여 발열체를 수득하였다. 얻어진 발열체 후막의 두께는 9㎛였다.
상기 발열체의 전극층 양단에 220V의 교류를 인가하여, HIOKI 3280-10 디지털 멀티메타를 이용하여 최대 포화 온도 영역에서 전류를 측정하여 초기 저항값과 발열시 저항값을 각각 산출하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타냈다.
표 1
| 구분 | 저항 측정값(Ω) | |
| 초기 저항값 | 발열시 저항값 | |
| 실험예 1 | 412 | 436 |
| 실험예 2 | 410 | 385 |
| 실험예 3 | 405 | 392 |
| 실험예 4 | 420 | 429 |
| 비교예 1 | 403 | 840 |
| 비교예 2 | 410 | 823 |
| 비교예 3 | 418 | 823 |
표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예들에 따른 페이스트 조성물에 의해 형성된 저항체막을 포함하는 실험예 1 내지 4의 발열체의 초기 저항값과 발열시 저항값을 비교하여 보면, 발열시 저항값은 초기 저항값과 유사하거나 오히려 낮아지는 것을 알 수 있다. 반면, 비교예 1 내지 3의 발열체의 발열시 저항값은 초기 저항값에 비해 약 2배 정도 증가됨을 알 수 있다.
이로부터, 본 고안에 따른 페이스트 조성물은 저항의 증가를 억제하면서도, 동시에 안정된 온도저항계수를 갖는 것을 알 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 페이스트 조성물을 사용하여 발열저항체(300)들을 구성하는 경우 전력 소모량이 적으면서도 안정적인 전력 소모량을 갖는 히터를 제작할 수 있게 된다.
도 4는 도 1의 페이스트 조성물을 이용한 히터를 세정기용 순간 온수장치에 사용하는 경우 히터의 외관을 감싸는 하우징의 모습을 나타낸 사시도이다.
도 4를 참조하면, 하우징(700)은 히터(1)의 외곽에 결합되는 프레임 부분으로, 히터(1)를 상측에서 덮는 제1 하우징(710)과, 제1 하우징(710)에 대응되며 히터(1)와 직접 결합되는 제2 하우징(720)을 포함한다.
즉, 본 실시예에 따른 페이스트 조성물을 이용한 히터(1)는 기판(100) 외주면을 따라 형성된 복수 개의 관통공(100a,도 1 참조) 및 제2 하우징(720) 외주면을 따라 형성된 복수 개의 관통공(720a,도 4 참조)을 관통하는 체결요소(미도시)에 의해 제2 하우징(720)과 결합된다.
물론, 제2 하우징(720) 및 기판(100) 사이에는 유체(예컨대, 물)가 흐르기 위한 공간이 마련되어 있어야 하며, 또한 흐르는 유체가 기판(100)에 스며들지 못하도록 하는 소정의 통로를 따라 유체가 흐르도록 구성되어야 한다.
히터(1) 및 제2 하우징(720)의 결합을 완료한 후에는 제1 하우징(710)을 덮고, 제1 하우징(710) 및 제2 하우징(720)을 결합하여 누수를 방지하며, 이후 본 고 안의 히터(1)가 활용되는 전기장치의 구성과 결합하여 전체 장치를 완성한다.
물론, 히터(1)가 사용되는 각각의 장치에 따라 하우징(700)의 외관은 달라질 수 있으며, 도 4에 도시된 하우징(700)은 세정기용 순간 온수장치에서 널리 사용되는 하우징(700)의 외관을 나타낸 것이다.
이제, 이하에서는 본 실시예에 따른 페이스트 조성물을 이용한 히터(1)의 작동과정에 관하여 간략히 설명한다.
도 1을 참조하면, 전극(600)과 결합된 도전판이 발열저항체(300)의 양단부를 전체적으로 연결하고 있는바, 전극(600) 일측을 따라 공급된 전류는 발열저항체(300) 전체에 걸쳐 동시에 흘러 들어가게 되며 전극(600) 타측으로 흘러나온다.
이에 따라 발열저항체(300)는 열을 발산하기 시작하는데, 발열저항체(300)가 장치 목적에 부합하여 적정량의 열을 발산하게 되는 경우, 입수구(도 4의 좌측 부분)를 통해 유입된 유체는 기판(100) 후면에 갖춰진 통로를 따라 흐르기 시작하게 되며, 이후 적정 온도로 가열된 유체가 출수구(도 4의 우측 부분) 쪽으로 배출되게 되는 것이다.
또한, 본 고안의 페이스트 조성물을 이용한 히터(1)의 경우 저항체 크기에 따른 면저항값 및 온도저항계수의 변화가 적으며, 낮은 면저항값 및 온도저항계수를 갖는 다수의 발열저항체를 이용함에 따라, 전력 소모량이 적으면서도 안정적으로 유체를 가열할 수 있게 된다. 이와 함께, 본 고안의 페이스트 조성물을 이용한 히터(1)는 종래기술에 따른 방수 캡(미도시)을 운모 재질의 방수부재(400)로 대체함으로써, 히터(1)가 사용되는 전체장치의 생산 단가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 안전성이 향상된 히터(1)를 제공할 수 있는 장점을 갖는다.
앞에서, 본 고안의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 고안은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 고안의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 고안의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 고안의 실용신안청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
도 1은 본 고안의 일 실시예에 따른 페이스트 조성물을 이용한 히터의 일부를 절개한 평면도이다.
도 2는 도 1의 페이스트 조성물을 이용한 히터의 측면 요부도이다.
도 3은 도 1의 페이스트 조성물을 이용한 히터의 배면도이다.
도 4는 도 1의 페이스트 조성물을 이용한 히터를 세정기용 순간 온수장치에 사용하는 경우 히터의 외관을 감싸는 하우징의 모습을 나타낸 사시도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 : 히터 100 : 기판
100a : 관통공 110 : 테프론
200 : 절연층 210 : 제1 절연층
220 : 제2 절연층 230 : 제3 절연층
300 : 발열저항체 400 : 방수부재
500 : 실링부재 600 : 전극
700 : 하우징 710 : 제1 하우징
720 : 제2 하우징 720a : 관통공
Claims (14)
- 탄소나노튜브와 탄소섬유에서 선택된 적어도 하나와 은을 포함하거나, 루테늄과 팔라듐에서 선택된 적어도 하나와 탄소나노튜브와 탄소섬유에서 선택된 적어도 하나와 은을 포함하는 페이스트 조성물을 갖는 적어도 하나의 발열저항체;상기 발열저항체가 배치되는 기판; 및상기 발열저항체 측으로 수분이 유입되는 것을 방지하기 위하여 상기 발열저항체를 덮는 판재 형상의 방수부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물을 이용한 히터.
- 제1항에 있어서,상기 방수부재는 운모 판인 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물을 이용한 히터.
- 제1항에 있어서,상기 방수부재의 테두리는 실링(Sealing)부재에 의하여 실링 처리되는 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물을 이용한 히터.
- 제3항에 있어서,상기 실링부재는 에폭시 재질인 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물을 이용 한 히터.
- 제1항에 있어서,상기 방수부재가 결합되지 않은 상기 기판의 후면은 테프론 코팅이 되어 있는 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물을 이용한 히터.
- 제1항에 있어서,상기 페이스트 조성물 100중량부에 대하여,상기 탄소나노튜브와 탄소섬유에서 선택된 적어도 하나는 0.01 내지 20중량부로 포함되는 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물을 이용한 히터.
- 제6항에 있어서,상기 페이스트 조성물은,상기 은 5 내지 60중량부;상기 탄소나노튜브와 탄소섬유에서 선택된 적어도 하나 0.01 내지 20중량부;유리 프릿 5 내지 40중량부; 및유기 바인더 10 내지 40 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물을 이용한 히터.
- 제6항에 있어서,상기 페이스트 조성물은,상기 은 10 내지 60중량부;상기 루테늄 0.25 내지 20중량부;상기 탄소나노튜브와 탄소섬유에서 선택된 적어도 하나 0.01 내지 20중량부;유리 프릿 5 내지 35중량부; 및유기 바인더 10 내지 40 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물을 이용한 히터.
- 제6항에 있어서,상기 페이스트 조성물은,상기 은 10 내지 60중량부;상기 팔라듐 0.25 내지 20중량부;상기 탄소나노튜브와 탄소섬유에서 선택된 적어도 하나 0.01 내지 20중량부;유리 프릿 5 내지 35중량부; 및유기 바인더 10 내지 40중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물을 이용한 히터.
- 제6항에 있어서,상기 페이스트 조성물은,상기 은 10 내지 60중량부;상기 루테늄 0.25 내지 5중량부;상기 팔라듐 0.25 내지 10중량부;상기 탄소나노튜브와 탄소섬유에서 선택된 적어도 하나 0.01 내지 20중량부;유리 프릿 5 내지 35중량부; 및유기 바인더 10 내지 40중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물을 이용한 히터.
- 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,상기 탄소나노튜브는 100 내지 600㎡/g 범위의 비표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물을 이용한 히터.
- 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,상기 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브, 단일벽 탄소나노튜브, 및 박벽 탄소나노튜브에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물을 이용한 히터.
- 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,상기 탄소섬유는 탄소나노섬유인 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물을 이용한 히터.
- 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,상기 유리 프릿은 400 내지 850℃의 연화점을 갖는 것을 특징으로 하는 페이스트 조성물을 이용한 히터.
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