KR20140064665A - 흑연 및 규산 나트륨을 포함한 코팅제 조성물 및 이를 이용한 가열 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발열제로서의 흑연; 내화제로서의 규산 나트륨; 흑연 분산제로서의 비이온 계면 활성제; 이소플로필 알코올; 및 물;을 포함하는 코팅제 조성물에 관한 것이다.

Description

흑연 및 규산 나트륨 가열 장치{Graphite and Sodium Silicate Heating Device}
본 발명은 내화성을 가진 표면 가열 장치에 관한 것으로, 특히 흑연과 규산 나트륨을 포함하는 발열 소자를 이용한 가열 장치에 관한 것이다.
탄소/흑연은, 도전성과 내정전성(anti-static)을 갖고 있고, 발열 소자들 전체에 전류를 고르게 분산시킬 수 있고, 환경적으로 안전하고, 저렴하고, 비교적 다루기 쉽기 때문에, 각종 가열 장치의 발열 소자 및/또는 전극 부품으로 흔히 사용된다(예컨대, Ellis, 미국특허등록번호 제3,999,040호, 1976년 12월 21일; Klaus과 Quick, 미국특허등록번호 제4,534,886호, 1985년 8월 13일; Goldsmith 외, 미국특허등록번호 제4,586,999호, 1986년 5월 6일; Takeda, 미국특허등록번호 제4,783,586호, 1988년 11월 8일; Barker 외, 미국특허등록번호 제5,851,504호, 1998년 12월 22일; Kochman 외, 미국특허등록번호 제6,452,138호, 2002년 9월 17일; Calver 외, 미국특허등록번호 제6,511,767호, 2003년 1월 28일; Baca 외, 미국특허등록번호 제7,933,114호, 2011년 4월 26일; 및 Harutyunyan 외, 미국특허등록번호 제8,124,043호, 2012년 2월 28일 참조). 탄소재가 수성 폴리아크릴레이트, 폴리우레탄 또는 폴리에틸렌 에멀젼과 혼합되어 부직포, 유리섬유 패널, 플라스틱 패널 또는 합판에 코팅 또는 적층되면, 인체와 애완동물을 따뜻하게 유지할 있는 20 내지 50℃의 보온 패드가 된다(예컨대, Lee 외, 미국특허출원번호 제61/743,556호, 2012년 9월 7일 참조).
가열 장치를 난방 패널, 난방 장판, 실내 난방기, 벽걸이 난방기 및 산업용 건조기와 같은 건축용이나 산업용으로 쓰고자 한다면, 표면 가열 능력을 더 높여야 한다. 제조업자는 (a) 발열 소자에 고전압을 인가하고; (b) 발열 소자에 탄소 함량을 늘리고; (c) 비금속이 아닌 금속 베이스층에 탄소를 코팅하고; (d) 발열 소자 상의 양(+) 전극과 음(-) 전극 간의 거리를 좁히고, 그리고 (e) 상기 옵션들 전부의 조합을 채택함으로써 종래의 탄소 기재 가열 장치의 표면 온도를 올릴 수 있다. 이러한 옵션들의 문제는 온도가 140℃ 이상으로 올라가면 유기 탄소, 부직포 및 합판과 같은 유기 재료가 산화 또는 연소되거나 냄새가 나서 환경적으로 해로울 수가 있다는 것이다.
특허문헌 1 : 미국특허등록번호 제3,999,040호 특허문헌 2 : 미국특허등록번호 제4,534,886호 특허문헌 3 : 미국특허등록번호 제4,586,999호 특허문헌 4 : 미국특허등록번호 제4,783,586호 특허문헌 5 : 미국특허등록번호 제5,851,504호 특허문헌 6 : 미국특허등록번호 제6,452,138호 특허문헌 7 : 미국특허등록번호 제6,511,767호 특허문헌 8 : 미국특허등록번호 제7,933,114호 특허문헌 9 : 미국특허등록번호 제8,124,043호 특허문헌 10 : 미국특허출원번호 제61/743,556호 특허문헌 11 : 미국특허등록번호 제4,015,386호 특허문헌 12 : 미국특허등록번호 제4,16,242호 특허문헌 13 : 미국특허등록번호 제7,279,437호 특허문헌 14 : 미국특허등록번호 제7,655,580호 특허문헌 15 : 미국특허공개번호 제2011/0192539호 특허문헌 16 : 미국특허공개번호 제2012/0148831호 특허문헌 17 : 미국특허등록번호 제5,232,629호 특허문헌 18 : 미국특허등록번호 제5,756,160호 특허문헌 19 : 미국특허등록번호 제5,112,405호 특허문헌 20 : 미국특허등록번호 제6,241,909호 특허문헌 21 : 유럽특허공개번호 제EP 2038221호
본 명세서는 다양한 표면 온도를 요구하는 가열 장치의 제조에 사용될 수 있는 코팅제 조성물을 개시하고자 한다.
또, 본 명세서는 전기 안정도 및 파열 강도를 향상시킬 수 있는 발열 소자를 개시하고자 한다.
또, 본 명세서는 열에 의한 수축 현상을 저감할 수 있는 가열 장치를 개시하고자 한다.
본 발명의 일 양상에 따른 코팅제 조성물은 발열제로서의 흑연; 내화제로서의 규산 나트륨; 흑연 분산제로서의 비이온 계면 활성제; 이소플로필 알코올; 및 물;을 포함할 수 있다.
상기 코팅제 조성물은 황산 알루미늄을 더 포함할 수 있다.
상기 코팅제 조성물은 금속성 규산염을 더 포함할 수 있다.
상기 금속성 규산염은 Al2SiO3, FeSiO3, CrSiO3, CuSiO3, MoSiO3 및 NgSiO3 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따른 코팅제 조성물은 금속성 규산염; 규산 나트륨; 이산화 티타늄; 및 흑연;을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따른 코팅제 조성물은 발열제로서의 흑연; 내화제로서의 규산 나트륨; 흑연 분산제로서의 비이온 계면 활성제; 금속성 규산염; 이산화 티타늄; 이소플로필 알코올; 및 물;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 양상에 따른 가열 장치는 베이스 기판; 및 상기 베이스 기판의 일 면에 형성되고, 흑연, 규산 나트륨, 비이온 계면 활성제, 금속성 규산염 및 이산화 티타늄 중 적어도 하나를 포함하는 발열 소자;를 포함할 수 있다.
상기 발열 소자는 금속 와이어를 더 포함할 수 있다.
상기 베이스 기판은 부직포, 판지, 합판, 석고판, 시멘트, 섬유 유리, 플랏터, 세라믹 및 MICA 판 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 발열 소자는 금속성 규산염, 규산 나트륨, 이산화 티타늄 및 흑연 중 적어도 하나를 포함하는 제 1 코팅층; 및 상기 제 1 코팅층의 일 면에 형성되며, 발열제로서의 흑연, 내화제로서의 규산 나트륨 및 흑연 분산제로서의 비이온 계면 활성제 중 적어도 하나를 포함하는 제 2 코팅층;을 포함할 수 있다.
상기 가열 장치는 상기 베이스 기판을 둘러싼 프레임부; 및 상기 프레임부와 상기 베이스 기판을 연결하는 탄성 부재를 포함할 수 있다.
상기 베이스 기판 및 상기 프레임부는 4개의 측면을 구비하고, 상기 탄성 부재는 상기 베이스 기판의 적어도 3개의 측면과 상기 프레임부의 적어도 3개의 측면을 연결할 수 있다.
본 발명의 다른 양상에 따른 가열 장치는 제 1 프레임부, 상기 제 1 프레임부 내측에 위치하고 상기 제 1 프레임부와 탄성 부재를 통하여 연결된 제 1 베이스 기판 및 상기 제 1 베이스 기판의 일 면에 형성되고, 흑연, 규산 나트륨, 비이온 계면 활성제, 금속성 규산염 및 이산화 티타늄 중 적어도 하나를 포함하는 제 1 발열 소자를 구비한 제 1 가열 장치; 제 2 프레임부, 상기 제 2 프레임부 내측에 위치하고 상기 제 2 프레임부와 탄성 부재를 통하여 연결된 제 2 베이스 기판 및 상기 제 2 베이스 기판의 일 면에 형성되고, 흑연, 규산 나트륨, 비이온 계면 활성제, 금속성 규산염 및 이산화 티타늄 중 적어도 하나를 포함하는 제 2 발열 소자를 구비한 제 2 가열 장치; 및 상기 제 1 가열 장치와 상기 제 2 가열 장치를 연결하는 접철 부재를 포함할 수 있다.
본 명세서의 개시에 의하여 다양한 표면 온도를 요구하는 가열 장치의 제조에 사용될 수 있는 코팅제 조성물을 제공할 수 있다.
또, 본 명세서의 개시에 의하여 전기 안정도 및 파열 강도를 향상시킬 수 있는 발열 소자를 제공할 수 있다.
또, 본 명세서의 개시에 의하여 열에 의한 수축 현상을 저감할 수 있는 가열 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 가열 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 발열 소자의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 전극(40)을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 가열 장치를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 프레임부(300), 탄성 부재(400)를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 프레임부의 단면을 나타낸 도면이다.
도 7는 본 발명의 실시예에 의한 베이스 기판(10), 발열 소자(20), 탄성 부재(400)를 나타낸 도면이다.
도 8은 접철 부재(500)에 의하여 상기 제 1 프레임부(300-1)와 상기 제 2 프레임부(300-2)가 접혀진 상태를 나타낸 도면이다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 가열 장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 가열 장치(100)는 베이스 기판(10), 발열 소자(20)를 포함할 수 있다.
도 1a는 가열 장치(100)의 상면도이며, 도 1b는 가열 장치(100)의 측면도이다.
상기 베이스 기판(10)는 부직포(non-woven fabric), 판지(paperboard), 합판(plywood), 시멘트(ciment), 섬유 유리(fiber glass), 석고판, 플라스터(plaster), 세라믹(ceramic) 또는 MICA 판(MICA plate) 등으로 형성될 수 있다.
중온(60℃ 내지 120℃) 가열 장치가 필요한 경우, 유기 베이스층은 물론 무기 베이스층도 이용될 수 있다. 또, 고온(120℃ 내지 250℃) 가열 장치가 필요한 경우, 유리 섬유, 시멘트판, 석고판 또는 금속판과 같은 무기 베이스층이 권장된다. 또, 초고온(250℃ 이상) 가열 장치가 필요한 경우, 베이스 기판(10)은 세라믹 또는 MICA 판으로 형성되는 것이 바람직하다.
특히, MICA는 알루미나-실리케이트 복합체로서 500℃까지의 내화성, 방수성, 화학적 안정성, 낮은 열전도성의 성질을 띠고 있다. 또, MICA는 단단하고 인장력이 크지만 유연하여 절삭, 기계적 가공 및/또는 다이 펀칭이 가능하다. 이러한 특성들 때문에 MICA는 전기기기, 노(furnace) 및 밴드 히터(band heatet)를 제조하는 산업에서 널리 이용된다.
상기 발열 소자(20)는 상기 베이스 기판(10)에 코팅제 조성물이 도포됨으로써 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 제 1 코팅제 조성물은 흑연(graphite), 규산 나트륨(sodium silicate), 비이온 계면 활성제(nonionic surface active agent), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), 물(water)을 포함할 수 있다.
여기서, 흑연은 전기 전도성(electrical conductivity)을 띠고, 주 발열제로 이용될 수 있다. 또, 규산 나트륨은 내화제, 바인더로 이용될 수 있다. 또, 비이온 계면 활성제는 볼 밀링 공정(ball milling process) 시에 흑연의 분산제로 사용될 수 있다. 또, 알코올은 용액 내의 미생물 성장을 방지할 수 있다. 물은 상기 성분들을 희석시킬 수 있다.
일 실시예에 의할 때, 제 1 코팅제 조성물의 조성은 다음과 같이 구성될 수 있다.
(순도: 95-98%) 흑연 : 6,150gm
(순도: 42%) 규산 나트륨 : 10,000gm
(순도: 99%) 비이온 계면 활성제 : 200gm
(순도: 99%) 이소프로필 알코올 : 800gm
(순도: 100%) 물 :16,000gm
제 1 코팅제 조성물 중의 흑연, 규산 나트륨, 비이온 계면 활성제, 이소프로필 알코올 및 물의 비율은 필요에 따라 적절하게 조정될 수 있다. 예컨대, 조성물 내에서 흑연의 비율이 증가되는 경우, 발열 소자의 흡열성이 증가될 수 있다. 또, 조성물 내에서 규산 나트륨의 비율이 증가되는 경우, 발열 소자의 내화성이 증가될 수 있다.
한편, 제 1 코팅제 조성물은 황산 알루미늄(aluminum sulfate)을 더 포함할 수 있다. 상기 황산 알루미늄은 수손(water damage)을 방지하기 위한 응고제(coagulating agent)로 사용될 수 있다.
또, 제 1 코팅제 조성물은 금속성 규산염(metallic silicate)을 더 포함할 수 있다. 상기 금속성 규산염은 Al2SiO3, FeSiO3, CrSiO3, CuSiO3, MoSiO3 및 NgSiO3 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예컨대, FeSiO3는 수손(water damage)을 방지하기 위한 응고제(coagulating agent)로 사용될 수 있다.
한편, 상기 흑연은 다른 무기 탄소 함유 재료(예컨대, 카본 블랙, 카본 술퍼, 흑연 탄소 질화물 등)로 대체될 수 있다. 또, 상기 규산 나트륨은 다른 내화재(예컨대, 수산화 알루미늄, 불화 알루미늄, 황산 구리, 염화 리튬, 황산 마그네슘, 탄산나트륨, 황산 나트륨, 염화 아연 등)으로 대체될 수 있다. 이들 내화재 중 일부(예컨대, 수산화 알루미늄, 불화 알루미늄, 염화 리튬 등)는 방수성도 갖고 있다.
상기 제 1 코팅제 조성물은 볼 밀링 공정(ball milling process)에 의하여 혼합되고, 베이스 기판(10)에 도포되어 발열 소자(20)를 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 제 2 코팅제 조성물은 금속성 규산염, 규산 나트륨(Na2SiO3) 이산화 티타늄(TiO2) 및 흑연 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제 2 코팅제 조성물은 상기 제 1 코팅제 조성물의 전도도를 조절하기 위한 유전체로 사용될 수 있다. 또, 상기 제 2 코팅제 조성물은 발열 소자의 수손(water damage)을 방지하기 위한 응고제(coagulating agent)로 사용될 수 있다.
여기서, 금속성 규산염은 FeSiO3를 포함할 수 있다. 이때, FeSiO3는 제 2 코팅제 조성물이 유전체 성질을 띠게 하고, 발열 소자를 응고시키는데 이용될 수 있다. 또, 규산 나트륨은 제 2 코팅제 조성물에 내화성을 부여하며 바인더로서 이용될 수 있다. 또, 이산화 티타늄(TiO2)는 색상을 유지시키며, 발열 소자의 레이싱(lacing) 현상을 방지할 수 있다. 또, 흑연은 발열 소자의 표면 온도가 올라가면서 발생할 수 있는 표면 불균일화 현상을 방지할 수 있다.
일 실시예에 의할 때, 제 2 코팅제 조성물의 조성은 다음과 같이 구성될 수 있다.
(순도: 30-33%) FeSiO3 : 3,300gm
(순도: 42%) 규산 나트륨 : 4,300gm
이산화 티타늄(TiO2) : 800gm
(순도: 95%-98%) 흑연 : 800gm
제 2 코팅제 조성물 중의 FeSiO3, 규산 나트륨, 이산화 티타늄(TiO2), 흑연의 비율은 필요에 따라 적절하게 조정될 수 있다.
상기 제 2 코팅제 조성물은 볼 밀링 공정(ball milling process)에 의하여 혼합되고, 베이스 기판(10) 또는 제 1 코팅제 조성물에 의한 제 1 도포체 상에 도포될 수 있다.
한편, 앞의 조성물의 조성에서, (순도: 30-33%) FeSiO3을 얻기 위해서는, FeSiO3 의 수소이온지수(Ph)가 7 내지 7.5Ph에 이를 때까지 알칼리성 Na2SiO3에 산성 FeCl3가 첨가될 수 있다. 이러한 혼합물의 화학적 부산물로 salt NaCl이 발생할 수 있다. 상기 화학적 부산물이 제거되는 경우, 남아있는 물질은 화학적으로 중화된 (순도: 30-33%) FeSiO3 일 수 있다.
중화되지 않은 FeSiO3가 규산 나트륨(알칼리성 Na2SiO3)에 직접적으로 부가되는 경우, 의도치 않은 화학적 salt가 발생할 수 있으므로, 화학적으로 중화된 (순도: 30-33%) FeSiO3 가 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 의한 제 3 코팅제 조성물은 상기 제 1 코팅제 조성물과 상기 제 2 코팅제 조성물의 혼합물이다. 즉, 상기 제 3 코팅제 조성물은 발열제로서의 흑연, 내화제로서의 규산 나트륨, 흑연 분산제로서의 비이온 계면 활성제, 금속성 규산염, 이산화 티타늄, 이소플로필 알코올 및 물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제 3 코팅제 조성물은 볼 밀링 공정(ball milling process)에 의하여 혼합되고, 베이스 기판(10)에 도포되어 발열 소자(20)를 형성할 수 있다.
상기 제 3 코팅제 조성물 내에서의 상기 제 1 코팅제 조성물과 상기 제 2 코팅제 조성물의 비율에 따라 발열 소자의 표면 온도가 결정될 수 있다.
제 2 코팅제 조성물의 비율이 높을수록, 발열 소자의 전도도는 낮아지고, 발열 소자의 경도는 단단해질 수 있다.
따라서, 사용자의 필요에 의하여 수해(water damage)가 없는 환경에서 높은 표면 온도를 갖는 발열 소자를 제조하고자 하는 경우, 발열 소자의 제조 공정에서 제 1 코팅제 조성물의 함량이 높은 제 3 코팅제 조성물이 이용될 수 있다.
한편, 도 1을 참조하면, 상기 베이스 기판(10)에 제 3 코팅제 조성물이 도포될 수 있다. 상기 제 3 코팅제 조성물은 건조/경화되어 발열 소자(20)를 형성할 수 있다.
또, 상기 베이스 기판(10)에 제 1 코팅제 조성물이 도포될 수 있다. 상기 제 1 코팅제 조성물은 건조/경화되어 발열 소자(20)를 형성할 수 있다.
도 2는 발열 소자의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 2(a)는 제 1 코팅층(21) 및 제 2 코팅층(22)으로 형성된 발열 소자를 나타낸 도면이다. 여기서, 상기 제 1 코팅층(21)은 제 1 코팅제 조성물에 의하여 형성된 코팅층을 의미하고, 상기 제 2 코팅층(22)은 제 2 코팅제 조성물에 의하여 형성된 코팅층을 의미한다.
즉, 본 발명의 실시에에 의하면, 제 1 코팅층의 일 면에 제 2 코팅층이 형성되어 발열 소자가 형성될 수 있다.
도 2(b)는 코팅층(24) 및 폴리아라미드 직물판(23)으로 형성된 발열 소자를 나타낸 도면이다. 여기서, 코팅층(24)은 제 1 코팅제 조성물에 의하여 형성된 코팅층 또는 제 3 코팅제 조성물에 의하여 형성된 코팅층을 의미한다.
발열 소자를 형성하기 위하여, MICA 판 상에 제 1 코팅제 조성물 또는 제 3 코팅제 조성물이 도포될 수 있다.
자연 MICA 판은 코팅제 조성물과 잘 접착된다. 그러나 대부분의 상업적 MICA판의 표면은 실리콘 수지로 접착되기 때문에 이 MICA 판과 코팅층 간의 접착이 문제가 되고 있다.
MICA 판의 일 면에 형성된 발열 소자에 전류를 인가하면 가열 장치의 표면 온도가 올라간다. 그러나 코팅층과 MICA 판 강의 접합이 불안정한 경우, 표면 온도가 올라가면 발열 소자가 부서지는 경향이 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 의하면, MICA 판과 코팅층 사이에 폴리아라미드 직물이 부가될 수 있다. 폴리아라미드 직물은 내열성, 인장력, 내절단성이 양호하면서 열팽창율은 낮으므로 가열 장치의 기재층으로 적합하다.
본 발명의 실시예에 의하면, 폴리아라미드 직물판(23)의 일 면에 제 1 코팅제 조성물 또는 제 3 코팅제 조성물이 도포되어 코팅층(24)이 형성될 수 있다. 이때, 상기 폴리아라미드 직물판(23)은 MICA 판과 잘 접착될 수 있다.
도 2(c)는 금속 와이어(25)를 구비한 발열 소자를 나타낸 도면이다.
도 2(c)에 도시된 바와 같이 코팅층(24)은 금속 와이어(25)를 포함할 수 있다.
이를 위하여, 제 1 코팅제 조성물 또는 제 3 코팅제 조성물은 금속 와이어를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 발열 소자는 주성분이 무기질물로 형성되어 있으므로 경도가 매우 높고 유연도가 낮다.
금속 와이어는 발열 소자에 충격이 인가되어 발열 소자에 금이 가거나 흠집이 생기는 경우 그 부분에서 전기 스파크가 일어나는 현상을 방지할 수 있다.
또, 금속 와이어는 발열 소자의 파열 강도를 높일 수 있다. 즉, 발열 소자에 포함된 금속 와이어의 양에 따라 발열 소자의 파열 강도가 달라질 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 의한 제 1 코팅제 조성물 또는 제 3 코팅제 조성물은 5 내지 20 wt%의 금속 와이어를 포함할 수 있다. 상기 제 1 코팅제 조성물 또는 제 3 코팅제 조성물에 의하여 형성된 코팅층은 파열 강도가 향상되고 전기 안전도가 높아질 수 있다.
본 발명의 코팅제 조성물에 포함된 규산 나트륨과 금속 와이어는 같은 무기 물질이므로 상호 친화력이 매우 우수하여 건조 후 상호 접착력도 뛰어나다.
따라서 본 발명의 실시예에 의한 코팅제 조성물은 모든 종류의 금속 와이어를 채용할 수 있으며, 특히 경제성이 좋거나 취급이 쉬운 금속 와이어를 채용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의할 때, 코팅제 조성물 내에 직경 0.1 내지 0.5mm, 길이 4 내지 15mm의 알루미늄 와이어가 5 내지 20 wt% 포함되는 경우, 상기 코팅제 조성물에 의하여 전기 안정도가 매우 좋은 발열 소자가 제조될 수 있다.
도 1을 참조하면, 가열 장치는 전원이 인가되기 위한 전극(40)을 구비할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 발열 소자의 양 단에 각각의 전극(40)이 형성될 수 있다. 상기 전극(40)은 발열 소자(20)의 일 면에 형성될 수 있다. 또, 상기 전극(40)은 베이스 기판(10)에 스태이플되거나(stapled) 소잉될 수 있다(sawed).
또, 상기 전극(40)은 금속(예컨대, 알루미늄, 구리, 스테인리스강 등)망으로 형성될 수 있다.
각각의 전극(40)에는 전원이 인가되기 위한 전선(110)이 연결된다. 상기 전선은 폴리아라이드 섬유로 둘러쌓여질 수 있다.
일 실시예에 의하면, 일 전극에 양극이 인가되고, 다른 전극에 음극이 인가되는 경우, 발열 소자는 가열된다.
한편, 상기 전선(110)은 상기 전극(40)에 스폿 용접될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 의한 전극(40)을 나타낸 도면이다.
도 3a, b에 도시된 바와 같이, 전극(40)은 황동판과 같은 경성 전극부(40H)와 유리 섬유와 같은 연성 전극부(40S)로 구성될 수 있다. 경성 전극부(40H)는 전류 저항을 줄일 수 있는 전류 콜렉터로 이용되고, 연성 전극부(40S)는 경성 전극부(40H)를 지지하고 전류 분산을 용이하게 하기 위한 것이다(Lee와 Chung, 미국특허출원번호 제61/743,556호, 2012년 9월 7일 참조).
본 실시예에 의할 때, 전극(40)에 전류가 확실히 흡수되고 분산될 수 있도록 2개 층으로 구성된 연성 전극부(40S)가 이용될 수 있다. 한편, 경성 전극부(40H)에는 작은 구멍들(직경 2mm, 간극 3-5인치)이 있다. 이 구멍들은 연성 전극부(40S)에 있을지 모르는 습기를 배출하는데 필요하다. 금속판에 구멍을 내는 것이 불편하다면, 넓은 금속망(황동 또는 구리)으로 대체될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서, 가열 장치의 표면 온도는 (a) 전극에 인가되는 전압을 변화시킴으로써, (b) 코팅제의 조성을 변화시킴으로써, (c) 코팅제의 두께를 변화시킴으로써, (d) 가열 소자의 길이를 변화시킴으로써, (e) 전극 상에 배치된 양극(+) 전선과 음극(-) 전선 간의 거리를 조정함으로써, 그리고/또는 (f) 가열 장치의 베이스층(예컨대, 부직포, 플라스틱 패널, 합판, 석고 보드 및 금속 패널)을 변화시킴으로써 제어될 수 있다.
예컨대, 발열 소자에 고전압이 인가되는 경우, 가열 장치의 표면 온도가 증가할 수 있다. 또, 발열 소자 내의 탄소 함량이 증가되는 경우, 가열 장치의 표면 온도가 증가할 수 있다. 또, 가열 소자의 길이가 짧을수록, 가열 장치의 표면 온도가 증가할 수 있다. 또, 발열 소자 상의 양(+) 전극과 음(-) 전극 간의 거리가 줄어드는 경우, 가열 장치의 표면 온도가 증가할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 가열 장치를 나타낸 도면이다.
상기 가열 장치는 베이스 기판(10), 발열 소자(20), 프레임부(300-1, 300-2), 탄성 부재(400), 접철 부재(500)를 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 프레임부(300), 탄성 부재(400)를 나타낸 도면이다.
상기 프레임부(300)는 중앙이 관통된 직사각형 형태이며, 4개의 측면을 구비하고 있다. 상기 프레임부(300)는 금속(예컨대, 알루미늄, 스테인리스강) 또는 내화성 목조 프레임으로 형성될 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 프레임부의 단면을 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 프레임부의 단면은 'ㄷ' 형태일 수 있다. 또, 일 탄성 부재(400)는 프레임부의 일면에 고정되며 베이스 기판(10)과의 결합에 사용되는 걸개를 구비할 수 있다.
상기 프레임부(300)의 내측에는 베이스 기판(10) 및 발열 소자(20)가 배치될 수 있다.
도 7는 본 발명의 실시예에 의한 베이스 기판(10), 발열 소자(20), 탄성 부재(400)를 나타낸 도면이다.
여기서, 베이스 기판(10), 발열 소자(20)는 앞에서 설명한 방식에 의하여 제조될 수 있다. 즉, 베이스 기판(10)의 일 면에 코팅제 조성물이 도포되어 발열 소자(20)가 형성될 수 있다. 또, 앞에서 설명한 방식에 의하여, 전극(40) 및 전선(110)이 형성될 수 있다.
상기 탄성 부재(400)는 상기 프레임부(300)와 상기 베이스 기판(10)을 연결할 수 있다. 예컨대, 도 4를 참조하면, 상기 탄성 부재(400)는 상기 베이스 기판(10)의 3개의 측면과 상기 프레임부(300)의 3개의 측면을 연결할 수 있다. 상기 탄성 부재(400)는 용수철 등을 포함할 수 있다.
발열 소자(20)가 가열되는 경우 상기 발열 소자와 상기 베이스 기판의 복합체는 팽창하고, 발열 소자(20)가 냉각되는 경우 상기 발열 소자와 상기 베이스 기판의 복합체는 수축한다. 따라서 상기 탄성 부재(400)는 상기 복합체의 표면을 평평하게 유지시킬 수 있다.
도 4, 8을 참조하면, 제 1 프레임부(300-1)와 제 2 프레임부(300-2)는 접철 부재(500)에 의하여 연결될 수 있다.
상기 접철 부재(500)는 상기 제 1 프레임부(300-1)와 상기 제 2 프레임부(300-2)를 접거나 펼 수 있다.
도 4는 접철 부재(500)에 의하여 상기 제 1 프레임부(300-1)와 상기 제 2 프레임부(300-2)가 펼쳐진 상태를 나타낸 도면이다.
도 8은 접철 부재(500)에 의하여 상기 제 1 프레임부(300-1)와 상기 제 2 프레임부(300-2)가 접혀진 상태를 나타낸 도면이다.
실내의 바닥이나 벽에는 하나의 프레임부를 이용하여 실내 난방기가 설치될 수 있다. 그러나 필요에 따라서 가열 장치를 세우거나 접어야 할 경우가 발생한다. 접철 부재(500)에 의하여 복수의 프레임부를 펼치거나 접을 수 있는 경우, 상기와 같은 수요자의 요구를 만족시킬 수 있다.
이하의 실시예에서는 실내 난방기로 사용될 수 있는 고온(150℃ 내지 200℃) 가열 장치를 구성하는 과정을 살펴보기로 한다.
본 실시예에서는 25×12 인치의 MICA 판을 마련하였다. 또, 1mm 두께의 24×5 인치의 폴리아라미드 직물 기판을 2개 마련하였다. 이때, 상기 폴리아라미드 직물 기판에는 기존의 코팅제를 평균 두께 0.8mm로 도포하여 코팅층을 형성하였다. 그리고, 상기 폴리아라미드 직물 기판 2개를 상기 MICA 판의 일 면에 배치하였다. 코팅층의 각 단에는 5×1 인치의 전극을 배치하였다. 이때, 각 코팅층마다 2 개의 전극을 형성하였다. 하나의 코팅층에 형성된 2 개의 전극 중 하나에는 양극(+) 전선을 연결하고, 다른 하나에는 음극(-) 전선을 연결하였다. 그리고, 앞에서 설명한 바와 같이, 프레임부와 MICA 기판을 탄성 부재를 이용하여 연결하였다.
가열 장치에 전원이 인가되는 경우, 가열 장치의 표면 온도는 화재를 일으키지 않고 500℃ 까지 상승하였다.
이와 같은 고온 가열 장치는 산업에서는 적합할 수 있지만 인체를 따뜻하게 하는데는 적합하지 않다. 사람의 보온을 위하여 사용하기 위해서는 150℃ 내지 200℃의 표면 온도를 발생하는 가열 장치가 바람직하다.
150℃ 내지 200℃의 표면 온도를 발생하는 가열 장치를 구성하기 위하여 다음과 같은 실험을 수행하였다.
첫번째로, 양극(+) 전극과 음극(-) 전극 간의 거리를 더 길게 한 가열 장치를 제작하였다. 전극 간 거리가 길수록 표면 온도는 낮아지며, 전극 간 거리가 짧을수록 표면 온도는 높아진다. 본 실험에서, 가열 소자의 길이가 192 인치로 늘어나는 경우, 표면 온도는 150℃ ~ 250℃가 되었다.
두번째로, 본 발명의 실시예에 의한 제 3 코팅제 조성물에 의하여 발열 소자를 형성하였다. 제 3 코팅제 조성물에 포함된 금속성 규산염은 방수성을 향상시키고 발열 소자의 경도를 향상시키기도 한다. 본 실험에서, 표면 온도는 150℃ ~ 200℃가 되었다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 코팅제 조성물에 의하여 가열 장치의 발열 소자를 형성하는 경우, 가열 장치의 크기를 변경하지 않고도 가열 장치의 표면 온도가 적절하게 변경될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
10 : 베이스 기판 20 : 발열 소자
40 : 전극 110 : 전선
300 : 프레임부 400 : 탄성 부재
500 : 접철 부재

Claims (13)

  1. 발열제로서의 흑연;
    내화제로서의 규산 나트륨;
    흑연 분산제로서의 비이온 계면 활성제;
    이소플로필 알코올; 및
    물;을 포함하는 코팅제 조성물.
  2. 제 1항에 있어서,
    황산 알루미늄을 더 포함하는 코팅제 조성물.
  3. 제 1항에 있어서,
    금속성 규산염을 더 포함하는 코팅제 조성물.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 금속성 규산염은 Al2SiO3, FeSiO3, CrSiO3, CuSiO3, MoSiO3 및 NgSiO3 중 적어도 하나를 포함하는 코팅제 조성물.
  5. 금속성 규산염;
    규산 나트륨;
    이산화 티타늄; 및
    흑연;을 포함하는 코팅제 조성물.
  6. 발열제로서의 흑연;
    내화제로서의 규산 나트륨;
    흑연 분산제로서의 비이온 계면 활성제;
    금속성 규산염;
    이산화 티타늄;
    이소플로필 알코올; 및
    물;을 포함하는 코팅제 조성물.
  7. 베이스 기판; 및
    상기 베이스 기판의 일 면에 형성되고, 흑연, 규산 나트륨, 비이온 계면 활성제, 금속성 규산염 및 이산화 티타늄 중 적어도 하나를 포함하는 발열 소자;
    를 포함하는 가열 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 발열 소자는 금속 와이어를 더 포함하는 가열 장치.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 베이스 기판은 부직포, 판지, 합판, 석고판, 시멘트, 섬유 유리, 플랏터, 세라믹 및 MICA 판 중 적어도 하나를 포함하는 가열 장치.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 발열 소자는
    금속성 규산염, 규산 나트륨, 이산화 티타늄 및 흑연 중 적어도 하나를 포함하는 제 1 코팅층; 및
    상기 제 1 코팅층의 일 면에 형성되며, 발열제로서의 흑연, 내화제로서의 규산 나트륨 및 흑연 분산제로서의 비이온 계면 활성제 중 적어도 하나를 포함하는 제 2 코팅층;
    을 포함하는 가열 장치.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 베이스 기판을 둘러싼 프레임부; 및
    상기 프레임부와 상기 베이스 기판을 연결하는 탄성 부재를 포함하는 가열 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 베이스 기판 및 상기 프레임부는 4개의 측면을 구비하고,
    상기 탄성 부재는 상기 베이스 기판의 적어도 3개의 측면과 상기 프레임부의 적어도 3개의 측면을 연결하는 가열 장치.
  13. 제 1 프레임부; 상기 제 1 프레임부 내측에 위치하고, 상기 제 1 프레임부와 탄성 부재를 통하여 연결된 제 1 베이스 기판; 및 상기 제 1 베이스 기판의 일 면에 형성되고, 흑연, 규산 나트륨, 비이온 계면 활성제, 금속성 규산염 및 이산화 티타늄 중 적어도 하나를 포함하는 제 1 발열 소자;를 구비한 제 1 가열 장치;
    제 2 프레임부; 상기 제 2 프레임부 내측에 위치하고, 상기 제 2 프레임부와 탄성 부재를 통하여 연결된 제 2 베이스 기판; 및 상기 제 2 베이스 기판의 일 면에 형성되고, 흑연, 규산 나트륨, 비이온 계면 활성제, 금속성 규산염 및 이산화 티타늄 중 적어도 하나를 포함하는 제 2 발열 소자;를 구비한 제 2 가열 장치; 및
    상기 제 1 가열 장치와 상기 제 2 가열 장치를 연결하는 접철 부재를 포함하는 가열 장치.
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특허문헌 1 : 미국특허등록번호 제3,999,040호
특허문헌 10 : 미국특허출원번호 제61/743,556호
특허문헌 11 : 미국특허등록번호 제4,015,386호
특허문헌 12 : 미국특허등록번호 제4,16,242호
특허문헌 13 : 미국특허등록번호 제7,279,437호
특허문헌 14 : 미국특허등록번호 제7,655,580호
특허문헌 17 : 미국특허등록번호 제5,232,629호
특허문헌 18 : 미국특허등록번호 제5,756,160호
특허문헌 19 : 미국특허등록번호 제5,112,405호
특허문헌 2 : 미국특허등록번호 제4,534,886호
특허문헌 20 : 미국특허등록번호 제6,241,909호
특허문헌 3 : 미국특허등록번호 제4,586,999호
특허문헌 4 : 미국특허등록번호 제4,783,586호
특허문헌 5 : 미국특허등록번호 제5,851,504호
특허문헌 6 : 미국특허등록번호 제6,452,138호
특허문헌 7 : 미국특허등록번호 제6,511,767호
특허문헌 8 : 미국특허등록번호 제7,933,114호
특허문헌 9 : 미국특허등록번호 제8,124,043호

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KR20180126685A (ko) * 2017-05-18 2018-11-28 (주)뉴라이트반도체 기판 프레임을 위한 코팅 조성물 및 그에 의하여 코팅된 기판 프레임

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