KR20120036702A - 폴리우레탄 필름을 이용한 필름 히터 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기적 저항체의 특성을 갖는 카본 잉크를 합성수지제의 박판 필름에 실크 인쇄하여 제조하는 발열체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 발열 의류, 발열 방석, 발열 침구류와 같이 접힘 등의 외력에 의해 필름이 꺾임으로써 인쇄면이 훼손되어 발열 기능의 일부 또는 전부가 훼손되는 것을 방지하기 위해 유연성과 탄성이 우수한 특성을 갖는 폴리우레탄 필름을 사용한 필름 히터의 구성 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이에, 본 발명의 필름 히터는, 상면에 저항 성분을 갖는 물질로 인쇄되는 발열부와, 발열부와 연결되고 전기 전도도가 양호한 물질로 인쇄되는 전원 공급부와 외부 전원과 전원 공급부를 전기적으로 접속하는 전원 단자를 포함하여 구성되는 제1 우레탄 필름과; 상기 제1 우레탄 필름 상면에 라미네이팅 방식으로 부착되는 제2 우레탄 필름과; 상기 제1 폴리우레탄 필름 하면에 라미네이팅 방식으로 부착되며 상면이 폴리우레탄 코팅 처리가 된 합섬섬유사로 직조된 천을 소재로 만들어진 보강 천을 포함하며, 또한, 저항 성분을 갖는 물질은, 제1 폴리우레탄 필름과의 부착성을 높이기 위한 폴리우레탄 성분을 포함하여 배합 조제됨을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 우레탄 필름을 이용한 필름 히터는, 구김이나 접힘 등의 외부 충격이 가해지더라도 필름의 영구 변형이 발생하지 않아 발열 저항값의 증가로 인한 발열량의 급격한 저하 또는 끊김 등으로 인한 발열 기능 상실을 방지할 수 있는 장점이 있다. 또한 보강 천을 합지 함으로써 폴리우레탄 필름의 유연성은 유지하면서 폴리우레탄 필름의 연신성을 억제하는 한편, 폴리우레탄 성분을 포함하여 배합된 저항 물질을 사용하여 폴리우레탄 필름과의 부착성을 증대시켜 접힘이나 꺾임 등의 외력이 반복적으로 가해져도 인쇄면에 갈라짐으로 인한 저항의 변화를 최소화함으로써 필름 히터의 기판으로서의 폴리우레탄 필름이 갖는 장점은 살리고 단점은 최소화하는 효과가 있다.

Description

폴리우레탄 필름을 이용한 필름 히터 제조 방법 {Manufacturing method of heater using polyurethane film}

본 발명은 전기적 저항체의 특성을 갖는 카본 잉크를 합성수지제의 박판 필름에 실크 인쇄하여 제조하는 발열체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 발열 의류, 발열 방석, 발열 침구류와 같이 접힘 등의 외력에 의해 필름이 꺾임으로써 인쇄면이 훼손되어 발열 기능의 일부 또는 전부가 훼손되는 것을 방지하기 위해 유연성과 탄성이 우수한 특성을 갖는 폴리우레탄 필름을 사용한 필름 히터의 제조 방법에 관한 것이다.

도전성 물질이면서도 전기 전도도가 상대적으로 낮아서 전기적 저항 특성을 갖는 물질로 가장 널리 알려진 물질이 니크롬선이다. 니크롬선과 같은 저항체에 전기를 가하면 열이 발생하게 된다는 것은 공지의 사실이다. 우리 주변에서 흔히 사용하는 헤어드라이어나 다리미 같은 전열기기의 대부분은 기본적으로 니크롬선의 저항 특성을 이용한 것이다. 그러나 겨울철에 자동차 뒤 유리창이나 사이드 미러에 끼는 성에를 제거하기 위한 수단으로 투명 필름에 저항 물질을 도포하여 부착하고 자동차 배터리로부터 공급되는 전원을 인가함으로써 열을 발생시키는 원리가 적용되고 있는데, 이것이 필름 히터 또는 면상 발열체이다.

니크롬 발열체에 비해 필름 히터의 가장 두드러진 특징은 80~300 ㎛ 정도의 얇은 필름으로 만들어지기 때문에 발열체를 수용하기 위해 두툼한 공간을 필요로 하지 않는다는 점이다. 또 다른 특징은 인쇄 패턴을 배치하기에 따라 필요로 하는 부위에 열을 집중시킬 수 있어서 한정된 에너지를 효과적으로 사용할 수 있으며, 적용되는 카본 잉크의 성분 조성비를 달리함에 의해 저항치를 용이하게 조정할 수 있다는 점이다. 필름 히터의 이러한 특성 때문에 그 활용 분야가 점차 확대되고 있으며, 대표적인 사례가 발열 의류 및 발열 침구류이다.

도 1은 PET 필름을 이용한 종래 방식의 필름 히터의 전형적인 적층 구성을 도시한 단면도이다. PET 필름은 전기적, 열적 안정성은 물론 인쇄 품질적인 측면에서의 우수성을 바탕으로 필름 히터의 기판 소재로 널리 활용되고 있다. 그러나 자동차 유리와 같이 한번 부착되면 외력이 가해질 우려가 없는 분야와는 달리, 의류나 침구에 적용되는 필름 히터는 통상의 사용 조건에서 접힘, 눌림 등의 외력이 상존하게 된다. 그런데, PET 필름은 경도가 높기 때문에 과도하게 접히거나 특정 부위에 반복적인 외력이 작용하게 되는 경우 필름이 꺾이거나 심한 경우 부분적으로 끊어지는 문제점이 있다. 이러한 현상이 인쇄 패턴 경로 상에서 발생될 경우 저항치가 높아져서 발생 열이 현저히 줄어들거나 단선으로 인해 발열이 정지되는 문제점이 있다.

종래 PET 필름을 이용한 필름 히터가 갖고 있는 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 유연성과 탄성이 우수하여 접힘이나 구김 등의 외력이 가해졌다가 외력이 해소되면 원래의 형태로 회복하는 능력이 탁월한 폴리우레탄 필름을 이용한 필름 히터를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 폴리우레탄 필름이 갖는 연신성으로 인해 실 사용 상태에서 필름이 늘어나게 되고 이 때 인쇄면의 갈라짐 등으로 인해 저항값이 일시적 또는 영구적으로 변하게 되는 결과를 초래하는바, 저항값의 변화를 최소화하기 위한 필름 히터 제조 방법을 제공하는 데 본 발명의 또 다른 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 필름 히터는, 제1 폴리우레탄 필름과; 상기 제1 폴리우레탄 필름 배면에 폴리우레탄 성분이 코팅된 보강 천을 제1 폴리우레탄 필름의 배면에 라미네이팅 방식으로 합지되는 보강 천과; 상기 제1 폴리우레탄 필름 표면에 전기 전도도가 양호한 물질로 인쇄되는 전원부와; 상기 전원부와 전기적으로 연결되면서 저항 성분을 갖는 물질로 상기 제1 폴리우레탄 필름 표면에 인쇄되는 발열부와; 상기 전원부에 밀착되어 코킹 방식으로 결합되는 접속 단자와; 상기 제1 우레탄 필름 상면에 라미네이팅 방식으로 부착되는 제2 우레탄 필름을 포함함을 특징으로 한다.

또한, 저항 성분을 갖는 물질은, 제1 폴리우레탄 필름과의 부착성을 높이기 위한 폴리우레탄 성분을 포함하여 배합 조제됨을 특징으로 한다.

또, 본 발명은 보강 천의 하면에 라미네이팅 방식으로 부착되는 제3 폴리우레탄 필름을 더 포함하여 구성되는 것을 또 다른 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 제3 폴리우레탄 하면에 접착 수단을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 우레탄 필름을 이용한 필름 히터는, 구김이나 접힘 등의 외부 충격이 가해지더라도 필름의 영구 변형이 발생하지 않아 발열 저항값의 증가로 인한 발열량의 급격한 저하 또는 끊김 등으로 인한 발열 기능 상실을 방지할 수 있는 장점이 있다. 또한 보강 천을 합지 함으로써 폴리우레탄 필름의 유연성은 유지하면서 폴리우레탄 필름의 연신성을 억제하는 한편, 폴리우레탄 성분을 포함하여 배합된 저항 물질을 사용하여 폴리우레탄 필름과의 부착성을 증대시켜 접힘이나 꺾임 등의 외력이 반복적으로 가해져도 인쇄면에 갈라짐으로 인한 저항의 변화를 최소화함으로써 필름 히터의 기판으로서의 폴리우레탄 필름이 갖는 장점은 살리고 단점은 최소화하는 효과가 있다.

도 1은 종래 필름 히터의 단면을 도시한 도면이며,
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 필름 히터의 발열부 및 전원부의 구성을 도시한 평면도이며,
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 필름 히터의 적층 구성을 도시한 단면도이며,
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 필름 히터의 보강 천의 직조 형상을 확대 도시한 상세도이며,
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 제조 단계를 주요 공정 순서로 도시한 제조 흐름도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 필름 히터의 발열부 및 전원부의 구성을 도시한 평면도이며, 도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 필름 히터의 적층 구성을 도시한 단면도이며, 도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 필름 히터의 보강 천의 직조 형상을 확대 도시한 상세도이며, 도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 필름 히터의 제조 단계를 주요 공정 순서로 도시한 제조 흐름도이다.

도 2에서 도 5를 참조하면서 필름 히터의 제조 공정을 설명하면, 우선 보강 천(110)의 표면과 이면에 폴리우레탄 성분으로 코팅(P1)을 시킨 후, 코팅된 보강 천(110)을 인쇄 기판으로 사용되는 제1 폴리우레탄 필름(120) 배면에 라미네이팅 방식으로 합지(P2)한다. 상기에서 보강 천(110)에 폴리우레탄 코팅을 하는 목적은 제1 폴리우레탄 필름(120)과의 결합력을 강화하기 위함이다. 또한 보강 천(110)을 합지하는 것은 제1 폴리우레탄 필름(120)이 외력에 의해 늘어나는 것을 억제하기 위함이다.

좀 더 자세히 설명하면, 본 발명의 주요 목적인 유연성을 갖는 필름 히터를 구성하기 위해서 유연성을 갖는 합성 수지 필름을 인쇄 기판으로 사용하는 것이 바람직하다. 유연성을 갖는 합성수지 소재에는 에틸렌초산 비닐계 수지, 폴리우레탄계 수지, 에스테르계 수지, 에스테르 우레탄계 수지 등이 활용될 수 있으나, 경제성과 가공성 측면에서 본 발명의 일 실시 예에서는 폴리우레탄계 수지를 적용하였다. 폴리우레탄계 수지를 필름 상태로 가공한 제1 폴리우레탄 필름은 PET 필름에 비해 유연성이 월등하다는 장점을 지니고 있는 동시에 신율 역시 뛰어나 작은 힘에도 쉽게 늘어나는 특성을 지니고 있는바, 외력을 받아 늘어나게 될 경우 그 위에 도포된 인쇄층이 갈라지는 현상이 발생하여 저항값이 변하거나 심한 경우 단선을 일으킬 우려가 있기 때문에, 이를 방지하기 위해 보강 천(110)을 합지함으로써 필름면의 늘어남을 방지할 수 있는 것이다. 보강 천을 직조하기 위한 소재로는 연신성이 작은 합성 섬유사를 사용하는 것이 바람직하며, 대표적인 것으로 폴리 에스테르, 폴리 아미드 또는 폴리프로필렌를 원료로 가공된 합성섬유사를 들 수 있다. 이들 합성 섬유사를 사용하여 도 4와 같이 조밀하게 편조한 천을 전후면에 폴리우레탄 코팅을 하는 공정(P1)을 거침으로써 본 발명의 핵심적인 구성 요소인 보강 천(110)을 제조한다.

상기와 같이 보강 천(110)이 합지된 제1 폴리우레탄 필름(120)을 150℃~180℃의 항온조에서 2~3시간 에이징시킴으로써 필름 제조시에 발생했을 가능성이 있는 필름 내부의 잔류 응력을 제거시킨다. 잔류 응력을 제거함으로써 가열과 냉각이 반복되는 열적 스트레스가 가해질 수밖에 없는 제품의 특성상, 가열과 냉각이 반복되는 환경에서 필름의 변형을 최소화함으로써 그 위에 도포할 물질의 열적 안정성을 도모하기 위한 공정(P3)이다.

어닐링이 완료된 필름을 상온에서 1시간 이상 방치한 후 실크 인쇄 단계로 넘어간다. 실크 인쇄는 기본적으로 두 공정으로 구성된다. 즉, 전압을 가했을 때 열을 발생하는 부분인 발열부(140) 실크 인쇄 공정(P4)과 발열부에 전기를 공급하는 전원부(130) 실크 인쇄 공정(P5)으로 구성된다.

두 단계의 인쇄 공정을 완료한 다음 외부 전원의 공급선을 접속 고정할 수 있는 한 쌍의 접속 단자(150)를 전원부 패턴 내의 소정의 위치에 코킹 등의 기계적 결합 방식으로 고정하는 공정(P6)을 진행한다. 이때, 상기 접속 단자(150)와 전원부(130) 패턴이 완전히 밀착되도록 하여 접촉 저항이 충분히 작은 값을 유지되도록 하여야 한다. 이 같은 목적을 위해 접속 단자(150)를 고정하기 전에 전원부 패턴 위에 동 테이프와 같이 도전성 부재(미 도시)를 부착하는 것도 바람직하다.

다음 단계는 인쇄 면을 보호하기 위해 제2 폴리우레탄 필름을 라미네이팅 방식으로 합지하는 단계(P7)이다. 기판 소재와 동일한 폴리우레탄 소재를 사용하는 이유는, 서로 다른 재질을 사용했을 경우 선 팽창 계수의 차이로 인해 가열 및 냉각 과정에서 필름이 뒤틀리는 등의 변형을 예방하기 위함이다.

그런 다음, 본 발명의 폴리우레탄 필름 히터는 상기 보강 천(110)의 하면을 상기 제2 폴리우레탄 필름(160)과 동일한 소재와 동일한 두께를 갖는 제3 폴리우레탄 필름(200)으로 라미네이팅 방식으로 합지하는 공정(P8)을 거친다. 이것은 제1 폴리우레탄 필름(120)의 윗면에만 제2 폴리우레탄 필름(160)을 합지했을 경우 제1 폴리우레탄 필름(120) 밑면에 부착된 보강 천(110)으로 지탱되는 제1 폴리우레탄 필름(120)과 제2 폴리우레탄 필름(160) 간에 열 수축률의 차이가 발생하여 열을 받았을 때 제2 폴리우레탄 필름(160)의 수축이 상대적으로 커서 위로 말리는 현상이 발생하기 때문이다. 이런 현상을 방지하기 위해서 보강 천(110)의 하면에 보강용으로 제3 폴리우레탄 필름(200)을 부착하는 것이 바람직하다.

이상의 제조 공정을 거치게 되면 본 발명의 폴리우레탄 필름 히터의 기본 구성은 완료된다. 여기에 부가적인 공정으로서 제3 폴리우레탄 필름(200)의 하부면에 접착제를 도포하고 박리지를 붙임으로써 접착층(300)을 형성하는 공정(P9)이 실제 사용 용도에 따라 적용될 수 있으며, 접착제를 도포하고 박리지를 붙이는 방식 외에 양면 테이프를 사용하는 것도 가능함은 물론이다.

상기 과정을 거친 다음 마지막 공정은 설계된 히터의 모양에 맞춰 전단 가공을 하는 공정이다. 여기에는 필름을 소정의 모양으로 전단 하는 데 흔히 적용되는 톰슨 가공 방식이 적용되는 것이 일반적이나, 다른 가공 방법도 얼마든지 가능하다.

또한, 사용 조건에 따라, 접속 단자(150)가 수분 등에 노출되는 것을 방지하기 위하여 내수성이 있는 합성수지 필름으로 히터를 감싼 후 고주파 융착을 하는 방법과 같은 보호 수단이 추가될 수도 있으며, 열 손실을 줄이기 위해 편면을 단열 처리할 수도 있다. 또, 음이온 발생이나 원적외선 발생 등과 같이 보조적 기능을 부가하기 위해 별도의 처리 공정이 얼마든지 추가될 수 있다.

한편, 종래의 PET 필름을 이용한 필름 히터를 제조하기 위한 발열부 인쇄 공정(P5)에서 사용되는 도포 물질은 에틸렌초산 비닐 공중합체와 폴리에틸렌 수지 등의 결정성 수지에 합성 수지 필름과의 친화성을 높이기 위해 가교제나 커플링제 등이 추가되며, 여기에 전기적 저항 특성을 갖는 카본 블랙을 추가로 포함시킨 다음 잘 혼합한 뒤, 열처리와 분쇄과정을 거치고 여기에 고무 성분의 바인더를 혼합하여 잘게 부순 뒤 용제로 희석하는 과정을 거쳐 만든다. 카본 블랙의 함량에 따라 잉크의 전기전도도가 결정된다. 즉 저항치를 높이려면 함량을 늘리고, 저항치를 낮추려면 함량을 줄이면 된다. 그러나 PET 필름에 적용하는 저항 물질을 폴리우레탄 필름에 그대로 적용할 경우, 종래의 저항 물질은 유연성이 떨어지고 폴리우레탄 필름과의 부착성이 떨어져서 냉각과 발열로 인한 필름 면의 수축 팽창 또는 필름을 접거나 구부리는 등의 외력을 가했을 때 폴리우레탄 필름 면의 굴신에 따라 저항값이 크게 변하면서 히터로서는 치명적 결함을 갖게 된다.

이러한 문제점을 극복하기 위하여, 본 발명에서는 종래의 잉크에 기판 필름과 동질의 폴리우레탄 성분을 추가로 함유시킨 것을 특징으로 한다.

상기 일 실시 예에 따른 폴리우레탄 성분을 함유한 저항 물질을 폴리우레탄 필름에 도포한 경우 저항의 안정성은 비교 실험을 통해 확인되었다.

시료

조건 1 : PET 필름에 종래의 저항 물질을 도포한 경우

조건 2 : 폴리우레탄 필름에 종래의 저항 물질을 도포한 경우

조건 3 : 폴리우레탄 필름에 폴리우레탄 성분이 추가로 함유된 저항 물질을 도포한 경우

안정성 평가 방법

각 조건별로 필름 히터 시료(정격 전압 7.4V, 초기 합성 저항 16.5Ω, 도 2의 인쇄 패턴 적용)를 각 2매씩 제작한 다음, 각 조건별 제1 시료에 대해, 상온에서 정격 전압을 10분간 인가해서 필름 면을 가열시킨 다음 전원을 10분간 차단해서 필름 면을 실온으로 냉각시키는 과정을 10000회 반복하면서 합성 저항값의 변화를 측정한다. 다음 각 조건별 제2 시료에 대해 가로 방향으로 반을 완전히 접고 다시 세로 방향으로 반을 접은 다음 다시 펴는 작업을 10000회 반복하면서 합성 저항값의 변화를 측정한다.

결과

구 분		조건 1	조건 2	조건 3
시험 전 저항치		16.5	16.5	16.5
열 안정성 평가	시험 후 저항치	16.8	38.7	17.8
	저항 변화율	1.8%	134.5%	7.9%
꺾임 안정성 평가	시험 후 저항치	∞(단락)	40.7	17.2
	저항 변화율	∞	146.7%	4.2%

상기 표1에서 볼 수 있듯이, 열 안정성에 있어서는 조건 1의 경우가 가장 안정적인 것으로 나타났으나, 꺾임 안정성 평가에서는 저항값이 무한대로 나타나서 인쇄면이 끊어진 것으로 판명되었다. 따라서, 사용 상태에서 외력에 노출될 우려가 없는 평탄면에 부착해서 사용하는 필름 히터의 용도로는 가장 적합한 형태이나 꺾임 등의 외력에 노출될 가능성이 있는 용도에 적용하는데에는 부적합한 것으로 확인되었다. 한편, 조건 2의 경우에는 열 안정성과 꺾임 안정성 모두에서 안정적이지 못한 것으로 나온 반면, 조건 3의 경우에는 열 안정성은 조건 1에 비해 떨어지지만, 꺾임 안정성에서는 가장 안정적인 것으로 나타났다. 따라서 발열 의류 또는 발열 매트 등과 같이 사용 상태에서 꺾임, 구부림 등의 외력을 받기 쉬운 응용 분야에서는 가장 적합한 방법으로 나타났다.

본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

C : PET 필름 히터
1, 5 : PET 필름
3 : 전원부 4 : 발열부
H : 폴리우레탄 필름 히터
100 : 발열층
110 : 보강 천 120 : 제1 폴리우레탄 필름
130 : 전원부 140 : 발열부
150 : 접속 단자 160 : 제2 폴리우레탄 필름
200 : 제3 폴리우레탄 필름 300 : 접착층

Claims (4)

1. 합성수지 필름에 전기 저항 특성을 갖는 물질을 도포하여 제조되는 필름 히터에 있어서,
   제1 폴리우레탄 필름(120)과;
   상기 제1 폴리우레탄 필름(120)의 배면에 라미네이팅 방식으로 합지되는 보강 천(110)과;
   상기 제1 폴리우레탄 필름(120) 표면에 전기 전도도가 양호한 물질로 인쇄되는 전원부(130)와;
   상기 전원부(130)와 전기적으로 연결되면서 저항 성분을 갖는 물질로 상기 제1 폴리우레탄 필름(120) 표면에 인쇄되는 발열부(140)와;
   상기 전원부(130)에 밀착되어 코킹 방식으로 결합되는 접속 단자(150)와;
   상기 제1 폴리우레탄 필름(120) 상면에 라미네이팅 방식으로 부착되는 제2 우레탄 필름(160)을 포함함을 특징으로 하는 필름 히터
   
2. 상기 제 1항에 있어서,
   저항 성분을 갖는 물질은, 제1 폴리우레탄(120)과의 부착성을 높이기 위하여 폴리우레탄 성분을 포함하여 배합 조제됨을 특징으로 하는 필름 히터
3. 상기 제 1항에 있어서,
   보강 천(110)의 하면에 라미네이팅 방식으로 부착되는 제3 폴리우레탄 필름(200)을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 필름 히터
4. 상기 제 3항에 있어서,
   제3 폴리우레탄 하면에 접착층(300)을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 필름 히터
   

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