KR20100085883A - 발열체 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 a) 투명기재, 및 b) 상기 투명기재의 적어도 일면에 구비된 보로노이 다이어그램(Voronoi diagram)을 이루는 도형들의 경계선 형태의 전도성 발열 패턴으로서, 둘 이상의 경계선이 서로 만나는 점인 경계선들의 교점부가 곡선(curve) 형태를 갖는 것인 전도성 발열 패턴을 포함하는 발열체 및 이의 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 발열체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 눈에 잘 띠지 않고, 저전압에서 발열 성능이 우수하고, 빛의 회절과 간섭을 최소화할 수 있는 패턴을 포함하며, 패턴 인쇄 시 교점부 주변의 선폭 감소를 최소화할 수 있는 발열체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 출원은 2009년01월21일에 한국특허청에 제출된 한국특허출원 제10-2009-0005222호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
겨울철이나 비 오는 날에는 자동차 외부와 내부의 온도 차이에 의해 자동차 유리에 성에가 발생한다. 또한 실내 스키장의 경우 슬로프가 있는 내부와 슬로프 외부의 온도 차이에 의해 결로 현상이 발생한다. 이를 해결하기 위하여 발열 유리가 개발되었다. 발열 유리는 유리 표면에 열선 시트를 부착하거나 유리 표면에 직접 열선을 형성한 후 열선의 양 단자에 전기를 인가하여 열선으로부터 열을 발생시키고 이에 의하여 유리 표면의 온도를 올리는 개념을 이용한다. 자동차용 또는 건축용 발열 유리는 열을 원활히 발생시키기 위하여 낮은 저항을 갖는 것도 중요하지만, 사람 눈에 거슬리지 않아야 한다. 이 때문에 기존의 투명 발열 유리는 ITO(Indium Tin Oxide)나 Ag 박막과 같은 투명 도전 재료를 스퍼터링(Sputtering) 공정을 통해 발열층을 형성한 후에 전극을 앞 끝단에 연결하여 제조하는 방법들이 제안이 되었으나 높은 면저항으로 인하여 40V 이하의 저전압에서 구동되기 힘든 문제가 있었다.
전술한 종래기술의 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 눈에 잘 띠지 않고 일몰 후에 단일 광원에서의 회절과 간섭에 의한 부작용을 최소화할 수 있고 저전압에서 발열 성능이 우수하며, 패턴 인쇄 시 교점부 주변의 선폭 감소를 최소화할 수 있는 발열체 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 a) 투명기재, 및 b) 상기 투명기재의 적어도 일면에 구비된 보로노이 다이어그램(Voronoi diagram)을 이루는 도형들의 경계선 형태의 전도성 발열 패턴으로서, 둘 이상의 경계선이 서로 만나는 점인 경계선들의 교점부가 곡선(curve) 형태를 갖는 것인 전도성 발열 패턴을 포함하는 발열체를 제공한다. 이 발열체는 c) 상기 전도성 발열 패턴 양 끝단에 위치한 버스 바를 더 포함할 수 있고, d) 상기 버스 바와 연결된 전원부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 투명기재의 일면에 보로노이 다이어그램을 이루는 도형들의 경계선 형태의 전도성 발열 패턴을 형성하되, 둘 이상의 경계선이 서로 만나는 점인 경계선들의 교점부가 곡선(curve) 형태를 갖는 전도성 발열 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 발열체의 제조방법을 제공한다. 이 방법은 상기 전도성 발열 패턴의 양단에 버스 바(bus bar)를 형성하는 단계, 및 상기 버스 바와 연결된 전원부를 마련하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 a) 투명기재, b) 상기 투명기재의 적어도 일면에 구비된 보로노이 다이어그램을 이루는 도형들의 경계선 형태의 전도성 발열 패턴으로서, 둘 이상의 경계선이 서로 만나는 점인 경계선들의 교점부가 곡선(curve) 형태를 갖는 것인 전도성 발열 패턴 및 c) 상기 전도성 발열 패턴 상에 구비된 유리를 포함하는 발열 유리 적층체를 제공한다. 상기 발열 유리 적층체는 상기 a) 투명기재와 상기 c) 유리 사이에 상기 전도성 발열 패턴 양 끝단에 위치한 d) 버스 바를 더 포함할 수 있고, 상기 d) 버스 바와 연결된 e) 전원부를 더 포함할 수 있다. 상기 c) 유리와 상기 b) 전도성 발열 패턴 사이에 접합 필름이 구비될 수 있다.
또한, 본 발명은 투명기재의 일면에 보로노이 다이어그램을 이루는 도형들의 경계선 형태의 전도성 발열 패턴을 형성하되, 둘 이상의 경계선이 서로 만나는 점인 경계선들의 교점부가 곡선(curve)형태를 갖는 전도성 발열 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 투명기재의 전도성 발열 패턴이 형성된 면에 유리를 적층하여 합착하는 단계를 포함하는 발열 유리 적층체의 제조방법을 제공한다. 이 방법은 상기 전도성 발열 패턴 형성 후 유리의 적층 전에 상기 전도성 발열 패턴의 양단에 버스 바를 형성하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은 유리를 합착한 후, 상기 버스 바와 연결된 전원부를 마련하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 유리의 합착시 전도성 발열 패턴과 유리 사이에 접합 필름을 끼워넣을 수 있다.
본 발명에 따른 발열체 또는 발열 유리 적층체에 있어서, 상기 전도성 발열 패턴은 비대칭 구조의 도형으로 이루어진 패턴 면적이 전체 전도성 발열 패턴 면적에 대하여 10% 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 전도성 발열 패턴은 보로노이 다이어그램을 이루는 도형들의 경계선 형태로서, 상기 보로노이 다이어그램을 이루는 어느 한 도형의 중심점을 상기 도형과 경계를 이루는 인접 도형의 중심점과 연결한 선들 중 적어도 하나가 나머지 선들과 길이가 상이한 패턴 면적이 전체 전도성 발열 패턴 면적에 대하여 10% 이상인 것이 바람직하다.
상기 보로노이 다이어그램을 이루는 도형들의 경계선 형태의 전도성 발열 패턴이 구비된 면적은 투명기재의 전체 면적에 대하여 30% 이상인 것이 바람직하다. 상기 보로노이 다이어그램을 이루는 도형들의 경계선 형태의 전도성 발열 패턴이 구비되지 않은 투명기재의 표면의 적어도 일부에는 다른 형태의 전도성 발열 패턴에 구비될 수도 있다.
상기 보로노이 다이어그램을 이루는 도형들의 경계선 형태의 전도성 발열 패턴을 이루는 선은 직선일 수도 있으나, 곡선, 물결선, 지그재그선 등 다양한 변형이 가능하다.
상기 발열체 또는 발열 유리 적층체에 있어서, 상기 전도성 발열 패턴은 인쇄, 포토리스그래피 공정, 포토그래피 공정 등에 의하여 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 발열체 및 발열 유리 적층체는 보로노이 다이어그램을 이루는 도형들의 경계선 형태의 전도성 발열 패턴을 갖는 것으로서, 일몰 후에 단일광원의 회절과 간섭에 의한 부작용을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 적층체는 보로노이 다이어그램을 이루는 도형들의 경계선 형태의 전도성 발열 패턴은 후술하는 바와 같이 보로노이 제너레이터를 통하여 용이하게 패턴형상을 디자인한 후, 인쇄, 포토리소그래피, 포토그래피 방법 등 다양한 방법으로 형성할 수 있으므로, 공정이 용이하고 비용도 저렴하다.
또한, 전도성 발열패턴의 둘 이상의 경계선이 서로 만나는 점인 경계선들의 교점부가 라운드 처리되어 곡선(curve) 형태를 가짐에 따라, 교점부 주변의 선폭 감소 또는 단선의 문제를 해결하면서 전체적인 투과도에는 영향을 거의 주지 않고 교점부 자체의 선폭을 늘려 면저항을 낮출 수 있어 발열특성을 향상시킬 수 있게 된다.
도 1 및 도 2는 제1 및 제2실시예에 따른 본 발명의 보로노이 다이어그램을 이용하여 발열 유리의 전도성 발열 패턴을 형성한 예이다.
도 3은 오프셋 인쇄공정을 나타낸 모식도이다.
도 4는 교점부를 라운드 처리하지 않는 보로노이 다이어그램을 이용하여 발열 유리의 전도성 발열 패턴을 형성한 예이다.
도 5는 교점부를 라운드 처리한 보로노이 다이어그램을 이용하여 발열 유리의 전도성 발열 패턴을 형성한 예이다.
도 3은 오프셋 인쇄공정을 나타낸 모식도이다.
도 4는 교점부를 라운드 처리하지 않는 보로노이 다이어그램을 이용하여 발열 유리의 전도성 발열 패턴을 형성한 예이다.
도 5는 교점부를 라운드 처리한 보로노이 다이어그램을 이용하여 발열 유리의 전도성 발열 패턴을 형성한 예이다.
이하 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 발열체 및 발열 유리 적층체는, 보로노이 다이어그램(Voronoi diagram)을 이루는 도형들의 경계선 형태의 전도성 발열 패턴으로서, 패턴의 인쇄 시 둘 이상의 경계선이 서로 만나는 점인 경계선들의 교점부 주변의 선폭 감소를 최소화하기 위해, 경계선들의 교점부를 라운드 처리함으로써, 교점부가 곡선(curve) 형태를 갖는 전도성 발열 패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 상기 전도성 발열 패턴을 보로노이 다이어그램을 이루는 도형들의 경계선 형태로 형성함으로써 빛의 회절 및 간섭에 의한 부작용을 최소화할 수 있다. 보로노이 다이어그램(Voronoi diagram)이란, 채우고자 하는 영역에 보로노이 다이어그램 제너레이터(Voronoi diagram generator)라는 점들을 배치하면, 각 점들이 다른 점들로부터의 거리에 비하여 해당 점과의 거리가 가장 가까운 영역을 채우는 방식으로 이루어진 패턴이다. 예를 들어, 전국의 대형 할인점을 점으로 표시하고 소비자들은 가장 가까운 대형 할인점을 찾아간다고 할 때, 각 할인점의 상권을 표시하는 패턴을 예로 들 수 있다. 즉, 정육각형으로 공간을 채우고 정육각형들의 각점들을 보로노이 제너레이터로 선정하면 벌집(honeycomb) 구조가 상기 전도성 발열 패턴이 될 수 있다.
본 발명에서는 보로노이 다이어그램 제너레이터의 위치를 규칙 또는 불규칙하게 위치시킴으로써 상기 제너레이터로부터 파생된 패턴을 이용하되, 경계선들의 교점부를 라운드 처리함으로써, 교점부가 곡선(curve) 형태를 갖는 패턴을 이용하는 것에 특징이 있다.
보로노이 다이어그램을 이루는 영역들의 경계선 형태의 전도성 발열 패턴을 인쇄하는 경우, 패임 현상이 발생하여 인쇄 후 배선의 선폭 감소가 발생할 수 있으나, 본 발명에 따르면 패턴 간 경계선들의 교점부를 라운드 처리함으로써 교점부 주위의 패임 현상에 따른 선폭 감소 또는 단선의 문제를 해결하면서 전체적인 투과도에는 영향을 거의 주지 않고 교점부 자체의 선폭을 늘려 면저항을 낮출 수 있어 발열특성을 향상시킬 수 있게 된다.
이렇게 교점부가 라운드 처리된 패턴을 형성하는 방법으로, 호의 반지름을 변화시키는 방식(도 1 참조) 또는 호의 반지름을 고정하는 방식(도 2 참조)을 예로 들 수 있다. 이러한 패턴 제작과 관련해서는 컴퓨터 프로그램의 변화를 통해서 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 구현할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 두 개의 선 사이에 교점이 존재하게 된다. 두 개의 선 사이가 임의의 각 2a라고 가정하면 가운데 선을 두 선 사이에 중앙선을 그릴 수 있다. 호의 반지름을 변화시키는 경우(도 1 참조), 교점으로부터 중앙선을 따라 항상 일정한 거리에서 다른 한 선에 가장 가까운 거리를 계산하여 원을 그릴 수 있다. 이 때 교점에 가까운 호를 선택하면 이것이 도 1에 대한 라운드 처리가 된다.
라운드 처리에 있어서 반지름을 고정화하여 라운드 처리를 할 수 있다. 이 경우, 교점을 만드는 두 개의 선 사이의 각이 큰 경우 라운드 처리가 과도하게 되는 문제가 있다. 이에 교점과 교점을 만드는 두 개의 선의 중앙선을 긋고 교점에서의 일정거리에 있는 중앙선의 점을 지나는 원을 만드는 방식으로 라운드 처리를 할 수 있다. 즉, 교점을 만드는 두 개의 선이 이루는 각이 크면 원의 반지름은 작아지게 하고, 각이 작아지면 반지름을 크게 하는 방식으로 라운드 처리를 할 수도 있다.
도 2의 경우, 호의 반지름이 일정하기 때문에 중앙선을 따라 점을 움직이며 다른 한 선에 대한 거리가 주어진 반지름과 일치하는 순간 그 점을 중심으로 원을 그리고 교점에 가까운 호를 선택하면 도 2에 대한 라운드 처리가 된다.
도 1과 2에 대해 두 개의 교선에 대해 설명을 하였지만 컴퓨터로 반복 계산하면 모두 교점과 관련한 교선에 대하여 계산할 수 있다.
그리고, 여기서 라운드란 교점부가 패턴 선폭의 0.1배 내지 5배의 곡률 반경을 갖는 곡선 형상을 의미한다. 상기 범위의 곡률 반경을 갖는 곡선 형상인 경우 인쇄시 교점부 패임에 의한 인쇄물 소성 후 높은 면저항을 방지하고, 동일한 투과도와 반사도의 효과를 얻을 수 있다.
한편, 종래의 전도성 발열 패턴은 그리드(Grid) 방식 또는 리니어(linear) 방식과 같은 매우 규칙적인 패턴만을 이용하였다. 상기와 같이 규칙적인 패턴만을 이용하는 경우, 전도성 발열 패턴과 유리의 굴절율 차이에 의하여 빛의 회절 및 간섭 무늬가 나타날 수 있다. 상기 무늬들은 자동차의 헤드라이트나 가로등과 같이 일몰 후에 존재하는 단일 광원에 의하여 그 효과가 극대화된다. 이런 현상들은 운전자의 안전과 피로도를 심화시킬 수 있다는 문제가 있다. 반면, 패턴들이 완전하게 불규칙한 경우 선의 분포에 있어서 소한 곳과 밀한 곳의 차이가 생길 수 있다. 이러한 선의 분포는 선폭이 아무리 얇더라도 눈에 띌 수 있는 문제가 생길 수 있다.
전술한 바와 같은 시각적인 인지성의 문제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 보로노이 다이어그램 제너레이터를 생성할 때 규칙성과 불규칙성을 적절히 조화시킬 수 있다. 예를 들어, 패턴이 들어갈 면적에 일정크기의 면적을 기본 단위(unit)로 지정한 후, 기본 단위 안에서의 점의 분포가 불규칙성을 갖도록 점을 생성한 후 보로노이 패턴을 제작할 수도 있다. 이와 같은 방법을 이용하면 선의 분포가 어느 한 지점에 몰리지 않게 함으로써 시각성을 보완할 수 있다.
전술한 바와 같이, 발열체 또는 발열 유리 적층체의 균일한 발열 및 시각성을 위하여 패턴의 개구율이 단위면적에서 일정한 것이 바람직하다. 이를 위하여 보로노이 다이어그램 제너레이터의 단위면적당 개수를 조절하는 것이 바람직하다. 이 때, 보로노이 다이어그램 제너레이터의 단위면적당 개수를 균일하게 조절시 상기 단위면적은 5cm2 이하인 것이 바람직하고, 1cm2 이하인 것이 더욱 바람직하다. 상기 보로노이 다이어그램 제너레이터의 단위면적당 개수는 25-2,500개/cm2인 것이 바람직하고, 100-2,000개/cm2인 것이 더욱 바람직하다.
상기 단위면적 내의 패턴을 구성하는 도형들 중 적어도 하나는 나머지 도형들과 상이한 형태를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전도성 발열 패턴을 비대칭 구조의 도형으로 이루어진 패턴 면적이 전체 패턴 면적에 대하여 10% 이상이 되도록 형성하거나, 보로노이 다이어그램을 이루는 어느 한 도형의 중심점을 상기 도형과 경계를 이루는 인접 도형의 중심점과 연결한 선들 중 적어도 하나가 나머지 선들과 길이가 상이한 패턴 면적이 전체 전도성 발열 패턴 면적에 대하여 10% 이상이 되도록 형성함으로써 빛의 회절 및 간섭에 의한 부작용의 최소화 효과를 극대화할 수 있다.
본 발명에서는 우선 보로노이 다이어그램 제너레이터를 이용하여 목적하는 패턴 형태를 결정한 후, 인쇄법, 포토리소그래피법, 포토그래피법 등을 이용함으로써 투명기재 상에 선폭이 얇으며 정밀한 전도성 발열 패턴을 형성할 수 있다. 상기 보로노이 다이어그램 제너레이터란 전술한 바와 같이 보로노이 다이어그램을 형성할 수 있도록 배치된 점들을 의미한다.
상기 인쇄법은 전도성 발열 재료를 포함하는 페이스트를 목적하는 패턴 형태로 투명기재상에 전사한 후 소성하는 방식으로 수행될 수 있다. 상기 전사 방법으로는 특별히 한정되지 않으나, 요판 또는 스크린 등 패턴 전사 매체에 상기 패턴 형태를 형성하고, 이를 이용하여 원하는 패턴을 투명기재에 전사할 수 있다. 상기 패턴 전사 매체에 패턴 형태를 형성하는 방법은 당 기술분야에 알려져 있는 방법을 이용할 수 있다.
상기 인쇄법으로는 특별히 한정되지 않으며, 오프셋 인쇄, 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄 등의 인쇄법이 사용될 수 있다. 오프셋 인쇄는 패턴이 새겨진 요판에 페이스트를 채운 후 블랑킷(blanket)이라고 부르는 실리콘 고무로 1차 전사를 시킨 후, 블랑킷과 투명기재를 밀착시켜 2차 전사를 시키는 방식으로 수행될 수 있다. 스크린 인쇄는 패턴이 있는 스크린 위에 페이스트를 위치시킨 후, 스퀴지를 밀면서 공간이 비워져 있는 스크린을 통하여 직접적으로 기재에 페이스트를 위치시키는 방식으로 수행될 수 있다. 그라비아 인쇄는 롤 위에 패턴이 새겨진 블랑킷을 감고 페이스트를 패턴 안에 채운 후, 투명기재에 전사시키는 방식으로 수행될 수 있다. 본 발명에서는 상기 방식뿐만 아니라 상기 방식들이 복합적으로 사용될 수도 있다. 또한 그외의 당업자들에게 알려진 인쇄 방식을 사용할 수도 있다.
오프셋 인쇄법의 경우, 블랑킷이 갖는 이형 특성으로 인하여 페이스트가 유리와 같은 투명기재에 거의 대부분 전사되기 때문에 별도의 블랑킷 세정공정이 필요하지 않다. 상기 요판은 목적하는 전도성 발열 패턴이 새겨진 유리를 정밀 에칭하여 제조할 수 있으며, 내구성을 위하여 유리 표면에 금속 또는 DLC(Diamond-like Carbon) 코팅을 할 수도 있다. 상기 요판은 금속판을 에칭하여 제조할 수도 있다.
본 발명에서는 보다 정밀한 전도성 발열 패턴을 구현하기 위하여 오프셋 인쇄법이 바람직하다. 도 3은 오프셋 인쇄방법을 예시한 것이다. 도 3에 따르면, 제1 단계로서 닥터 블레이드(Doctor Blade)를 이용하여 요판의 패턴에 페이스트를 채운 후, 블랑킷을 회전시켜 1차 전사하고, 제2 단계로서 블랑킷을 회전시켜 유리면에 2차 전사한다.
이 인쇄법을 이용하여 패턴을 인쇄하는 경우, 패턴 간 경계선들의 교점부 주변에서 닥터블래이드(Doctor blade)로 홈부 도포 시 패임 현상이 발생하여 인쇄 후 배선의 선폭 감소가 발생할 수도 있다. 특히, 선폭 감소 현상은 경계선과 닥터블래이드가 평행한 각도에 다다를수록 심해질 수 있다. 그러나, 본 발명에 따르면 패턴 간 경계선들의 교점부를 라운드 처리함으로써 교점부 주위의 패임 현상에 따른 선폭 감소 또는 단선의 문제를 해결하면서 전체적인 투과도에는 영향을 거의 주지 않고 교점부 자체의 선폭을 늘려 면저항을 낮출 수 있어 발열특성을 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명에서는 전술한 인쇄법에 한정되지 않고, 포토리소그래피 공정을 사용할 수도 있다. 예컨대, 포토리소그래피 공정은 투명기재의 전면에 전도성 발열 패턴 재료층을 형성하고, 그 위에 포토레지스트층을 형성하고, 선택적 노광 및 현상 공정에 의하여 포토레지스트층을 패턴화한 후, 패턴화된 포토레지스트층을 마스크로 이용하여 전도성 발열 패턴 재료층을 패턴화하고, 포토레지스트층을 제거하는 방식으로 수행될 수 있다.
본 발명은 또한 포토그래피 방법을 이용할 수도 있다. 예를 들어 투명기재 상에 할로겐화은을 포함한 사진 감광재료를 도포한 후, 상기 감광재료를 선택적 노광 및 현상 공정에 의하여 패턴화할 수도 있다. 상기 발열 패턴의 전도도를 높이기 위하여 도금처리를 추가로 수행할 수도 있다. 상기 도금은 무전해 도금 방법을 이용할 수 있으며, 도금 재료로는 구리 또는 니켈을 사용할 수 있으며, 구리도금을 수행한 후 그 위에 니켈 도금을 수행할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이들 예로만 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 상기 투명기재로는 특별히 한정되지 않으나, 빛투과율이 50% 이상, 바람직하게는 75% 이상인 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 투명기재로는 유리를 사용할 수도 있고, 플라스틱 필름을 사용할 수 있다. 플라스틱 필름을 사용하는 경우에는 전도성 발열 패턴을 형성한 후, 기재의 적어도 일면에 유리를 합착하는 것이 바람직하다. 이 때 투명기재의 전도성 발열 패턴이 형성된 면에 유리를 합착하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 플라스틱 필름으로는 당기술분야에 알려져 있는 재료를 사용할 수 있으며, 예컨대 PET(Polyethylene terephthalate), PVB(polyvinylbutyral), PEN(polyethylene naphthalate), PES(polyethersulfon), PC(polycarbonate)와 같은 가시광 투과율 80% 이상의 필름을 들 수 있으며, 그 두께가 50~450마이크로미터인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 전도성 발열 재료로는 열전도도가 우수한 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 전도성 발열 재료의 비저항 값은 1 microOhm cm 이상 200 microOhm cm 이하의 값을 가지는 것이 좋다. 전도성 발열 재료의 구체적인 예로서, 구리, 은(silver) 등이 사용될 수 있고, 은이 가장 바람직하다. 상기 전도성 발열 재료는 입자 형태로 사용할 수 있다. 본 발명에 있어서, 전도성 발열 재료로서 은으로 코팅된 구리입자도 사용될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 전도성 발열 재료를 포함하는 페이스트를 이용하는 경우, 상기 페이스트는 인쇄 공정이 용이하도록 전술한 전도성 발열 재료 이외에 유기 바인더를 더 포함할 수도 있다. 상기 유기 바인더는 소성 공정에서 휘발되는 성질을 갖는 것이 바람직하다. 상기 유기 바인더로는 폴리아크릴계 수지, 폴리우레탄계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리올레핀계 수지, 폴리카보네이트계 수지, 셀룰로우즈 수지, 폴리이미드계 수지, 폴리에틸렌 나프탈레이트계 수지 및 변성 에폭시 등이 있으나, 이들에만 한정되는 것은 아니다.
페이스트와 유리와의 부착력을 향상시키기 위하여, 상기 페이스트는 글래스 프릿(Glass Frit)을 더 포함할 수 있다. 상기 글래스 프릿은 시판품으로부터 선택할 수 있으나, 친환경적인 납성분이 없는 글래스 프릿을 사용하는 것이 좋다. 이때 사용하는 글래스 프릿의 크기는 평균 구경이 2마이크로미터 이하이고 최대 구경이 50마이크로미터 이하의 것이 좋다.
필요에 따라, 상기 페이스트에는 용매가 더 추가될 수 있다. 상기 용매로는 부틸 카르비톨 아세테이트 (Butyl Carbitol Acetate), 카르비톨 아세테이트 (Carbitol acetate), 시클로 헥사논(Cyclohexanon), 셀로솔브 아세테이트 (Cellosolve Acetate) 및 테르피놀(Terpineol) 등이 있으나, 이들 예에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 전도성 발열 재료, 유기 바인더, 글래스 프릿 및 용매를 포함하는 페이스트를 사용하는 경우, 각 성분의 중량비는 전도성 발열 재료 50-90%, 유기 바인더 1-20%, 글래스 프릿 0.1-10% 및 용매 1-20%로 하는 것이 좋다.
전술한 전도성 발열 패턴을 이루는 선의 선폭이 100마이크로미터 이하, 바람직하게는 30마이크로미터 이하, 더욱 바람직하게는 25마이크로미터 이하가 되도록 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 전술한 페이스트를 이용하는 경우, 전술한 페이스트를 보로노이 다이어그램을 이루는 도형들의 경계선 형태로 인쇄한 후 소성 과정을 거치면 전도성을 갖는 발열 패턴이 형성된다. 이 때 소성온도는 특별히 한정하지는 않으나, 500℃ ~ 800℃, 바람직하게는 600℃ ~ 700℃로 할 수 있다. 상기 발열 패턴을 형성하는 기재가 유리인 경우, 필요한 경우 상기 소성 단계에서 상기 유리를 건축용 또는 자동차용 등의 목적 용도에 맞도록 성형을 할 수 있다. 예컨대 자동차용 유리를 곡면으로 성형하는 단계에서 상기 페이스트의 소성이 가능할 수도 있다. 또한, 상기 전도성 발열 패턴을 형성하는 기재로서 플라스틱 필름을 사용하는 경우에는 비교적 저온에서 소성을 수행하는 것이 바람직하다. 예컨대 50 내지 350℃에서 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 발열체의 제조방법에서는 상기 전도성 발열 패턴 양단에 버스 바(bus bar)를 형성하는 단계, 및 상기 버스 바와 연결된 전원부를 마련하는 단계를 추가로 수행할 수 있다. 이들 단계는 당 기술분야에 알려져 있는 방법을 이용할 수 있다. 예컨대, 버스 바는 상기 전도성 발열 패턴의 형성과 동시에 형성할 수도 있으며 상기 전도성 발열 패턴을 형성한 후 다른 프린팅 방법을 사용하여 형성할 수도 있다. 예를 들어 상기 전도성 발열 패턴을 오프셋 인쇄(offset printing) 방식으로 형성한 후, 스크린 프린팅을 통하여 버스 바를 형성할 수 있다. 이때 버스 바의 두께는 1마이크로미터 ~ 100마이크로미터가 적당하며, 바람직하게는 10마이크로미터 ~ 50마이크로미터이다. 1마이크로미터 미만이 되면 상기 전도성 발열 패턴과 버스 바 사이의 접촉 저항이 증가하게 되어 접촉된 부분의 국부적인 발열이 될 수 있으며 100마이크로미터를 초과하면 전극 재료 비용이 증가하게 된다. 버스 바와 전원 사이의 연결은 납땜, 전도성 발열이 좋은 구조체와의 물리적인 접촉을 통하여 할 수 있다.
상기 전도성 발열 패턴과 버스 바를 은폐하기 위하여 블랙 패턴을 형성할 수 있다. 상기 블랙 패턴은 코발트 산화물을 함유한 페이스트를 이용하여 프린트할 수 있다. 이때 프린팅 방식은 스크린 프린팅이 적당하며 두께는 10마이크로미터 ~ 100마이크로미터가 적당하다. 상기 전도성 발열 패턴과 버스 바는 각기 블랙 패턴 형성 전이거나 후에 형성할 수도 있다.
본 발명에 따른 발열 유리 적층체의 제조방법은 전술한 발열체의 제조방법에서와 같이 전도성 발열 패턴을 형성하고, 상기 투명기재의 전도성 발열 패턴이 형성된 면에 유리를 순차적으로 적층하여 합착하는 단계를 포함한다. 이 때 합착 방법은 당 기술분야에 알려져 있는 방법을 이용할 수 있다. 이 때, 접합 필름을 이용하여 상기 전도성 발열 패턴이 구비된 투명기재와 유리를 합착할 수 있다. 이 방법은 버스 바를 형성하는 단계 및 상기 버스 바와 연결된 전원부를 마련하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예컨대, 합착 방법은 전도성 발열 패턴이 형성된 투명기재와 유리 사이에 접착 필름을 삽입하여 접합하는 공정에 의하여 수행할 수 있다. 이 때 본 발명에서는 상기 투명기재의 적어도 한 면에 전술한 전도성 발열 패턴이 인쇄되어 있다. 접합하는 과정에서 온도 및 압력을 조절할 수 있다.
하나의 구체적인 실시상태에 있어서, 전도성 발열 패턴이 형성되어 있는 투명기재와 유리 사이에 접착필름을 삽입하고, 이를 진공백에 넣어 감압하며 온도를 올리거나, 핫롤을 이용하여 온도를 올려, 공기를 제거함으로써 1차 접합을 하게 된다. 이 때 압력, 온도 및 시간은 접착필름의 종류에 따라 차이가 있지만 보통 300torr ~ 700torr의 압력으로, 상온에서 100℃까지 온도를 점진적으로 올릴 수 있다. 이 때 시간은 보통 1시간 이내로 하는 것이 바람직하다. 1차 접합을 마친 예비 접합된 적층체는 오토클레이브에서 압력을 가하며 온도를 올리는 오토클레이빙 과정에 의하여 2차 접합 과정을 거치게 된다. 2차 접합은 접착필름의 종류에 따라 차이가 있지만, 140bar 이상의 압력과 130℃ ~ 150℃ 정도의 온도에서 1시간 내지 3시간, 바람직하게는 약 2시간 수행한 후 서냉하는 것이 바람직하다.
또 하나의 구체적인 실시상태에서는 전술한 2단계의 접합 과정과는 달리 진공라미네이터 장비를 이용하여 1단계로 접합하는 방법을 이용할 수 있다. 80℃ ~ 150℃까지 단계적으로 온도를 올리고 서냉하면서, 100℃까지는 감압(~5mbar)을, 그 이후에는 가압(~1000mbar)을 하여 접합을 할 수 있다.
상기 접합 필름의 재료로는 접착력이 있고 접합 후 투명하게 되는 어떤 물질이라도 사용할 수 있다. 예컨대 PVB 필름, EVA 필름, PU 필름 등이 사용될 수 있으나, 이들 예로만 한정되는 것은 아니다. 상기 접합 필름은 특별히 한정되지 않으나, 그 두께가 100마이크로미터 ~ 800마이크로미터인 것이 바람직하다.
상기 방법에서, 합착되는 유리는 유리로만 이루어질 수도 있고, 전술한 바와 같이 제조된 전도성 발열 패턴이 구비된 유리일 수도 있다.
상기 발열체 또는 발열 유리 적층체의 전도성 발열 패턴의 선폭은 100마이크로미터 이하, 바람직하게는 30마이크로미터 이하, 더욱 바람직하게는 25마이크로미터 이하이고, 5마이크로미터 이상인 것이 바람직하다. 상기 전도성 발열 패턴의 선간 간격은 50마이크로미터 ~ 30mm인 것이 바람직하고, 200마이크로미터 ~ 1mm인 것이 바람직하다. 상기 선의 높이는 1 ~ 100마이크로미터, 더욱 바람직하게는 3마이크로미터이다.
본 발명에 따른 발열체 또는 발열 유리 적층체는 발열을 위하여 전원에 연결될 수 있으며, 이 때 발열량은 m2 당 100 내지 500W, 바람직하게는 200 내지 300W인 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 발열체 또는 발열 유리 적층체는 저전압, 예컨대 30V 이하, 바람직하게는 20V 이하에서도 발열성능이 우수하므로, 자동차 등에서도 유용하게 사용될 수 있다. 상기 발열체 또는 발열 유리 적층체에서의 저항은 5Ω/□ 이하, 바람직하게는 1Ω/□ 이하, 더욱 바람직하게는 0.5Ω/□ 이하이다.
본 발명에 따른 발열체 또는 발열 유리 적층체는 곡면을 이루는 형태일 수 있다.
본 발명에 따른 발열체 또는 발열 유리 적층체에 있어서, 전도성 발열 패턴의 개구율, 즉 패턴에 의하여 덮여지지 않는 유리의 영역의 비율은 70% 이상인 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 발열 유리 또는 발열 유리 적층체는 개구율이 70% 이상이면서 발열 작동 후 5분 내 온도편차가 10% 이하를 유지하면서 온도를 상승시킬 수 있는 우수한 발열 특성을 갖는다.
본 발명에 따른 발열체 또는 발열 유리 적층체는 자동차, 선박, 비행기 등 각종 운송 수단 또는 집이나 기타 건축물에 사용되는 유리에 적용될 수 있다.
이하에서는 실시예 및 비교예를 통해, 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하기로 한다.
비교예
0.09mm2의 정사각형을 기본 단위(unit)로 지정한 후, 기본 단위 안에서의 점의 분포를 불규칙성을 주어 생성한 후 보로노이 패턴을 제작하였다. 불규칙성의 정도는 기본 단위 면적의 중심점을 기준으로 100%의 영역에서 임의의 한점을 선택하는 방식으로 선택된 1111개/cm2의 밀도를 가지는 점들을 가지고 보로노이 패턴을 제작하였다. 상기의 방법으로 만들어진 패턴의 그림은 도 4와 같다.
실시예
비교예의 보로노이 패턴의 교점부를 연결하는 두 선 사이에 중앙선을 만들고 교점에서 18마이크로미터 떨어진 점을 지나는 원을 형성하는 방식으로 라운드 처리한 패턴을 제작하였다. 상기의 방법으로 만들어진 패턴의 그림은 도 5와 같다.
실험예
상기 실시예와 비교예에서 만들어진 패턴을 기본으로 유리 기판(370mm×470mm) 위에 도 3에 도시한 방식을 이용하여 오프셋 프린터를 이용하여 실버 패턴을 형성한 후, 580℃에서 10분 동안 벨트 펄니스(belt furnace)에서 소성하여 실버선을 형성하였다. 이때 형성된 실버선의 폭은 25마이크로미터, 높이는 2.5마이크로미터이었다.
이때 사용한 실버 페이스트는 회로 기판 오프셋 인쇄에 적절한 고온소성형 실버페이스트로서, 은(Ag) 입자(평균 입경=약 2마이크로미터) 80중량%, 폴리에스터 수지와 BCA를 1:1로 혼합하여 만든 바인더(binder) 18중량%, 그리고 유리와의 부착력을 위한 글라스 프릿(glass frit)을 2중량% 섞은 후, 3단 롤-밀(roll-mill)을 이용하여 30분간 반죽하였다. 이때, 점도는 약 10,000cps (spindle number 5, 1 rpm)이었다.
그리고, 실시예와 비교예의 비교를 위해 투과도와 면저항을 측정하였고, 인쇄 및 소성 후 패턴들의 전도도와 투과도를 측정하여, 표 1에 나타내었다.
[물성평가]
1)면저항; Mitsubish chemical corporation의 Loresta-GP MCP-T600으로 측정하였다.
2)투과도@550nm; Shimadzu UV-3600 uv-Vis-NIR spectrophotometer로 측정하였다.
3)반사율@550nm; Shimadzu UV-3600 uv-Vis-NIR spectrophotometer로 측정하였다.
| 실시예 | 비교예 | |
| 면저항(Ω/□) | 0.33 | 0.43 |
| 투과도(%) | 76.2 | 76.4 |
| 반사율(%) | 8.5 | 8.6 |
상기 표 1을 통해, 비교예에 따른 교점부를 라운드 처리 전(도 4)과, 실시예에 따른 교점부를 라운드 처리한 후(도 5)에 투과도와 반사율의 변화는 거의 없으나, 면저항은 0.43Ω/□에서 0.33Ω/□으로 약 25%의 개선 효과가 있음을 알 수 있다.
비교예에 따른 교점부를 라운드 처리 전(도 4)과, 실시예에 따른 교점부를 라운드 처리한 후(도 5)의 패턴 회절 및 간섭 효과를 측정하기 위해 관찰자와 광원의 거리를 7m 이상으로 하고 인쇄된 발열 유리를 관찰자와 광원 사이에 위치시켰다. 둘 다 광원 주변의 강한 간섭무늬가 아닌 패턴에 의한 약한 산란이 관찰되었다.
Claims (33)
- a) 투명기재, 및 b) 상기 투명기재의 적어도 일면에 구비된 보로노이 다이어그램(Voronoi diagram)을 이루는 도형들의 경계선 형태의 전도성 발열 패턴으로서, 둘 이상의 경계선이 서로 만나는 점인 경계선들의 교점부가 곡선(curve) 형태를 갖는 것인 전도성 발열 패턴을 포함하는 발열체.
- 청구항 1에 있어서, c) 상기 전도성 발열 패턴 양 끝단에 위치한 버스 바 및 d) 상기 버스 바와 연결된 전원부를 더 포함하는 발열체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 전도성 발열 패턴은 전체 패턴 면적에 대하여 비대칭 구조의 도형으로 이루어진 패턴 면적을 10% 이상 포함하는 것인 발열체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 전도성 발열 패턴은 보로노이 다이어그램을 이루는 도형들의 경계선 형태로서, 상기 보로노이 다이어그램을 이루는 어느 한 도형의 중심점을 상기 도형과 경계를 이루는 인접 도형의 중심점과 연결한 선들 중 적어도 하나가 나머지 선들과 길이가 상이한 패턴 면적을 전체 전도성 발열 패턴 면적에 대하여 10% 이상으로 포함하는 것인 발열체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 곡선(curve) 형태는 교점부가 패턴 선폭의 0.1배 내지 5배의 곡률 반경을 갖는 곡선 형상인 것인 발열체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 전도성 발열 패턴을 이루는 선의 적어도 일부는 직선, 곡선, 물결선 및 지그재그선 중 적어도 하나로 이루어진 것인 발열체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 보로노이 다이어그램(Voronoi diagram)을 이루는 도형들의 경계선 형태는 보로노이 다이어그램 제너레이터에 의하여 형성되며, 5cm2 이하의 단위 면적당 상기 보로노이 다이어그램 제너레이터의 분포가 균일하도록 조절된 것인 발열체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 보로노이 다이어그램(Voronoi diagram)을 이루는 도형들의 경계선 형태는 보로노이 다이어그램 제너레이터에 의하여 형성되며, 상기 보로노이 다이어그램 제너레이터는 5cm2 이하의 단위면적 내에 25-2,500개/cm2의 분포로 존재하는 것인 발열체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 전도성 발열 패턴의 선의 선폭이 100마이크로미터 이하인 것인 발열체.
- 청구항 1에 있어서, 개구율이 70% 이상인 발열체.
- 청구항 1에 있어서, 개구율이 70% 이상이고, 발열 작동 후 5분 내 온도편차가 10% 이하인 발열체.
- 청구항 1에 있어서, 상기 전도성 발열 패턴은 구리 또는 은을 포함하는 것인 발열체.
- 청구항 11에 있어서, 상기 전도성 발열 패턴은 유기 바인더 및 글래스 프릿을 추가로 포함하는 것인 발열체.
- 투명기재의 일면에 보로노이 다이어그램을 이루는 도형들의 경계선 형태의 전도성 발열 패턴을 형성하되, 둘 이상의 경계선이 서로 만나는 점인 경계선들의 교점부가 곡선(curve) 형태를 갖는 전도성 발열 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 청구항 1 내지 13 중 어느 하나의 항의 발열체의 제조방법.
- 청구항 14에 있어서, 상기 전도성 발열 패턴 양단에 버스 바(bus bar)를 형성하는 단계, 및 상기 버스 바와 연결된 전원부를 마련하는 단계를 더 포함하는 발열체의 제조방법.
- 청구항 14에 있어서, 상기 곡선(curve) 형태는 교점부가 패턴 선폭의 0.1배 내지 5배의 곡률 반경을 갖는 곡선 형상인 것인 발열체의 제조방법.
- 청구항 14에 있어서, 상기 전도성 발열 패턴을 형성하는 단계는 전도성 발열 재료를 포함하는 페이스트를 보로노이 다이어그램을 이루는 도형들의 경계선 형태로 투명기재 상에 전사하는 단계, 및 상기 전도성 발열 재료를 소성하는 단계를 포함하는 것인 발열체의 제조방법.
- 청구항 14에 있어서, 상기 전도성 발열 패턴을 형성한 후 도금처리를 추가로 수행하는 것인 발열체의 제조방법.
- a) 투명기재, b) 상기 투명기재의 적어도 일면에 구비된 보로노이 다이어그램을 이루는 도형들의 경계선 형태의 전도성 발열 패턴으로서, 둘 이상의 경계선이 서로 만나는 점인 경계선들의 교점부가 곡선(curve) 형태를 갖는 것인 전도성 발열 패턴 및 c) 상기 전도성 발열 패턴 상에 구비된 유리를 포함하는 발열 유리 적층체.
- 청구항 19에 있어서, 상기 발열 유리 적층체는 상기 a) 투명기재와 상기 c) 유리 사이에 상기 전도성 발열 패턴 양 끝단에 위치한 d) 버스 바 및 상기 d) 버스 바와 연결된 e) 전원부를 더 포함하는 것인 발열 유리 적층체.
- 청구항 19에 있어서, 상기 c) 유리와 상기 b) 전도성 발열 패턴 사이에 접합 필름이 구비된 것인 발열 유리 적층체.
- 청구항 19에 있어서, 상기 곡선(curve) 형태는 교점부가 패턴 선폭의 0.1배 내지 5배의 곡률 반경을 갖는 곡선 형상인 것인 발열 유리 적층체.
- 청구항 19에 있어서, 상기 전도성 발열 패턴의 선의 선폭이 100마이크로미터 이하인 것인 발열 유리 적층체.
- 청구항 19에 있어서, 개구율이 70% 이상인 발열 유리 적층체.
- 청구항 19에 있어서, 개구율이 70% 이상이고, 발열 작동 후 5분 내 온도편차가 10% 이하인 발열 유리 적층체.
- 청구항 19에 있어서, 상기 전도성 발열 패턴은 구리 또는 은을 포함하는 것인 발열 유리 적층체.
- 청구항 19에 있어서, 상기 전도성 발열 패턴은 유기 바인더 및 글래스 프릿을 추가로 포함하는 것인 발열 유리 적층체.
- 투명기재의 일면에 보로노이 다이어그램을 이루는 도형들의 경계선 형태의 전도성 발열 패턴을 형성하되, 둘 이상의 경계선이 서로 만나는 점인 경계선들의 교점부가 곡선(curve) 형태를 갖는 전도성 발열 패턴을 형성하는 단계, 및 상기 투명기재의 전도성 발열 패턴이 형성된 면에 유리를 적층하여 합착하는 단계를 포함하는 청구항 19 내지 27 중 어느 하나의 항의 발열 유리 적층체의 제조방법.
- 청구항 28에 있어서, 상기 유리의 적층 전에 상기 전도성 발열 패턴 양단에 버스 바를 형성하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 유리를 적층하여 합착한 후 상기 버스 바와 연결된 전원부를 마련하는 단계를 추가로 포함하는 발열 유리 적층체의 제조방법.
- 청구항 28에 있어서, 상기 유리를 적층하여 합착시 접합 필름을 이용하는 것인 유리 적층체의 제조방법.
- 청구항 28에 있어서, 상기 전도성 발열 패턴을 형성하는 단계는 전도성 발열 재료를 포함하는 페이스트를 보로노이 다이어그램을 이루는 도형들의 경계선 형태로 투명기재 상에 전사하는 단계, 및 상기 전도성 발열 재료를 소성하는 단계를 포함하는 것인 발열 유리 적층체의 제조방법
- 청구항 28에 있어서, 상기 전도성 발열 패턴을 형성한 후 도금처리를 추가로 수행하는 것인 발열 유리 적층체의 제조방법.
- 청구항 28에 있어서, 상기 곡선(curve) 형태는 교점부가 패턴 선폭의 0.1배 내지 5배의 곡률 반경을 갖는 곡선 형상인 것인 발열 유리 적층체의 제조방법.
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