KR20150071229A - 열전도성 소재를 사용한 발열체 - Google Patents

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KR20150071229A
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Abstract

본 발명은 기재층, 전극층, 발열층, 절연층 및 합포층이 순차적으로 적층되거나 또는 기재층, 절연층, 전극층, 발열층 및 절연층이 순차적으로 적층된 발열체로서, 합포층 또는 기재층이 열전도성 소재로 이루어진 발열체에 관한 것이다. 이 발열체는 열전도성 소재로 인해, 발열시 발열면 전체에서 균일한 온도 분포를 가질 수 있다.

Description

열전도성 소재를 사용한 발열체{Heating element using thermo-conductive material}
본 발명은 열전도성 소재를 사용한 발열체에 관한 것으로, 구체적으로 발열체의 적층 구조를 개선하여 발열시 발열체 전체에 고르게 열이 분포될 수 있도록 한 발열체에 관한 것이다.
자동차 시트, 히팅 패드 등의 발열을 위해 사용되고 있는 선형 발열체는 코일 등의 열선을 이용한 것으로, 이러한 선형 발열체는 수명이 짧고 화재 발생 위험이 있거나 충격 등에 의한 내구성이 낮은 문제점 있다.
면상 발열체는 선형 발열체의 문제점을 개선할 수 있는 것으로서, 일반적으로 박막 형태로 양단에 얇은 전극을 삽입하여 전원을 연결하면, 공급된 전류 및 카본 섬유와 같은 전도성 소재가 가지고 있는 저항으로 인해 열이 발생되는 구조를 가지고 있다. 면상 발열체는 유연성이 뛰어나 이차원적인 넓은 면에 걸쳐 고르게 열을 발생시키는 것이 가능하며, 이로 인해 면상 발열체의 적용이 증가하고 있다.
이러한 면상 발열체는 일반적으로 발열 셀이 조밀한 구조로 회로를 구성하고 있으며, 발열 셀이 나눠져 있지 않고 하나의 단위로 구성되어 있거나 셀 단위로 구분된 것도 있다.
발열 셀이 구분되지 않는 하나의 단위로 구성된 면상 발열체에서 셀 단위가 아닌 전면을 사용하여 발열할 경우, 넓은 발열 면적의 온도를 일정하게 유지하지 위해 높은 소비 전력을 필요로 한다. 이로 인해 제품에 인가되는 전류량은 전극에 부하를 주게 되며, 발열체의 국소적 열화 현상을 일으켜 발열 제품의 내구성을 감소시키게 된다. 또한 발열 제품의 작동 시간이 감소되는 문제점도 있다.
발열 셀이 구분되어 있는 면상 발열체의 경우는 상술한 바와 같은 발열 셀이 하나의 단위로 구성된 경우에 발생하는 문제점은 어느 정도 해결이 가능하나, 발열시 온도 분포 불균일이라는 문제점이 있다. 즉, 셀 단위로 구분된 면상 발열체는 셀 내에서는 온도가 균일하지만, 발열체를 포함하는 전체 제품의 발열면에서는 온도 불균일이 발생하게 된다.
이에 본 발명은 셀 단위로 구분되어 있는 면상 발열체에 열전도 소재를 적용한 면상 발열체를 제공하여, 발열 제품의 열을 발열면 전체에 균일하게 분포될 수 있게 함으로써 발열 제품의 효율성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 발열 셀의 면적을 감소시켜 부하되는 전류를 감소시켜 발열체를 포함하는 제품, 구체적으로 전극의 내구성을 개선할 수 있는 면상 발열체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기재층, 전극층, 발열층, 절연층 및 합포층이 순차적으로 적층된 발열체로서, 합포층은 열전도성 소재로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 발열층의 상부에는 전극층이 더 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 합포층의 열전도성 소재는 동박막, 알루미늄 박막, 스테인레스 박막, 그라파이트, 그라핀 및 실리콘으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 기재층은 합성섬유, 재생섬유 및 천연섬유로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 발열층은 전도성 물질과 바인더가 90~10 내지 80:20의 중량비로 혼합되어 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 전도성 물질은 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 탄소, 은, 금, 백금, 팔라듐, 구리, 알루미늄, 주석, 철 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 바인더는 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 멜라민계 수지 및 에폭시계 수지로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 절연층은 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 폴리에스테르계 수지, PVC계 수지 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)계 수지로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 기재층, 제1 절연층, 전극층, 발열층 및 제2 절연층이 순차적으로 적층된 발열체로서, 기재층이 열전도성 소재로 이루어진 발열체를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 발열층의 상부에는 전극층이 더 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 기재층의 열전도성 소재는 동박막, 알루미늄 박막, 스테인레스 박막, 그라파이트, 그라핀 및 실리콘으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 발열층은 전도성 물질과 바인더가 90~10 내지 80:20의 중량비로 혼합되어 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 전도성 물질은 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 탄소, 은, 금, 백금, 팔라듐, 구리, 알루미늄, 주석, 철 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 바인더는 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 멜라민계 수지 및 에폭시계 수지로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면, 제1 및 제2 절연층은 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 폴리에스테르계 수지, PVC계 수지 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)계 수지로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
본 발명은 또한 상술한 발열체를 포함하는 자동차 시트를 제공한다.
본 발명에 따르는 면상 발열체는 작은 발열 면적으로 인해 보다 더 넓은 면적에서 균일하고 일정한 온도 유지가 가능하여, 고 효율의 발열체 및 발열 제품을 제공할 수 있다.
또한 작은 발열 면적으로 인해, 전극에 가해지는 부하가 적어 내구성이 증가하게 되며, 그로 인해 본 발명에 따른 발열체를 적용한 발열 제품의 작동 시간을 증가시킬 수 있다.
또한 본 발명의 면상 발열체는 열전도 소재를 합포층 또는 기재층에 포함하여, 면상 발열체를 포함하는 발열 제품에서 발생하는 국소 지역의 열화 현상을 감소시킬 수 있어, 발열 제품의 내구성을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 발열체의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열체 단면의 SEM 이미지이다.
도 3(a)는 종래 발열체의 온도 분포를 나타낸 이미지이고, 도 3(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 분포를 나타낸 이미지이다.
도 4는 다른 구성을 가지는 본 발명의 발열체를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 발명은 발열 셀이 구분되어 있는 면상 발열체에 관한 것으로, 면상 발열체에 열전도 소재를 적용하여, 발열시 불균일한 온도 분포를 해소하기 위한 것이다.
본 발명의 면상 발열체는 기재층, 전극층, 발열층, 절연층 및 합포층을 포함한다. 면상 발열체의 구성 요소에 대해 도 1을 참조하여 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 면상 발열체(100)의 적층 구조를 간략하게 나타낸 도면이다.
먼저 기재층(101)은 면상 발열체(100)의 기재로서, 전극층(102) 및 발열층(103)이 코팅되는 지지 부재이다. 이와 같은 기재층으로는 여하한 형태의 직물, 편물, 부직포 또는 섬유상의 웹 등이 사용될 수 있으며, 소재에 있어서 합성섬유, 재생섬유 및 천연섬유가 특별한 제한없이 사용될 수 있다.
섬유 기반 기재층(101)은 미시적으로 그 표면이 매우 불균일하며, 섬유간의 간극으로 인해 미세한 기공들이 극도로 많이 존재한다. 따라서 카렌더링 단계를 통해 기재층 표면의 균일성을 확보하여, 그 상부에 적층되는 전극층 및 발열층이 균일한 두께로 형성될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
다음으로 전극층(102)은 기재층(101) 상부에 적층되어 있으며, 전류를 흐르게 하여 발열층에서 발열이 일어나게 해 준다. 이러한 전극층은 면상 발열체 내 복수 개소에 복수 층으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 발열층 상하부에 적층되어 발열 효율을 높일 수 있다.
전극층은 미리 설계된 전기적인 패턴에 의해 형성될 수 있다. 패턴 형상에는 특별한 제한이 없다. 전극층은 코팅, 프린팅, 라미네이팅하여 형성될 수 있다. 상기 코팅 방식일 경우 건식방법이 바람직하며, 라미네이팅 방식일 경우 핫멜트형 도트식 또는 그라비어 방식이 바람직하다.
다음으로 발열층(103)은 전극층(102) 상부에 적층되어 있으며, 전류가 흐를 때 발열하게 된다. 본 발명의 발열체는 셀 단위로 구분된 발열층을 가지며, 전극층 회로상에서 병렬 또는 직렬로 연결되어 있다. 발열층(103)은 전도성 물질과 바인더가 혼합되어 형성될 수 있다. 전도성 물질과 바인더가 혼합되어 형성된 경우에는 중량 기준으로 전도성 고분자와 바인더가 90~10 내지 80:20의 함량비로 포함되는 것이 바람직하다.
전도성 물질은 폴리아닐린, 폴리피롤 및 폴리티오펜과 같은 전도성 고분자; 탄소와 같은 전도성 성분; 은, 금, 백금, 팔라듐, 구리, 알루미늄, 주석, 철 및 니켈과 같은 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다.
바인더는 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 멜라민계 수지 및 에폭시계 수지로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다.
발열층(103)은 코팅, 프린팅 또는 전사나염과 같은 방식을 이용하여 도포될 수 있다.
다음으로 절연층(104)은 발열층(103) 상부에 전기적 차폐를 위해 적층되어 있다. 절연층(104)은 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 폴리에스테르계 수지, PVC계 수지 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)계 수지로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다.
절연층(104)은 코팅, 프린팅 또는 라미네이팅 방식에 의해 형성될 수 있다. 코팅하여 형성할 경우에는 건식 방식으로, 라미네이팅하여 형성할 경우에는 핫멜트형 도트식 또는 그라비어식으로 하는 것이 바람직하다.
다음으로 합포층(105)은 절연층(104) 상부에 적층되어 있다. 합포층(105)은 열전도성 소재로 구성되어, 발열층의 열을 넓은 면적으로 균일하게 분산시키기 위한 것이다. 바람직한 열전도성 소재로는 동박막, 알루미늄 박막, 스테인레스 박막, 그라파이트 시트, 그라핀 및 실리콘으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이 사용 가능하다.
합포층은 코팅, 프린팅, 라미네이팅하여 형성될 수 있다. 상기 코팅 방식일 경우 건식방법이 바람직하며, 라미네이팅 방식일 경우 핫멜트형 도트식 또는 그라비어 방식이 바람직하다.
본 발명에 따른 발열체(100)는 기재층 하부에 접착층을 형성시킨 후, 폼 패드 등의 제품에 접착시켜, 자동차 시트 등의 제품화에 유용하게 이용될 수 있다.
한편, 본 발명은 또 다른 구성으로서, 기재층, 절연층, 전극층, 발열층 및 절연층을 순차적으로 적층된 발열체로, 기재층이 열전도성 소재로 이루어진 발열체를 제공한다.
도 4를 참조하여 설명하면, 발열체(400)는 기재층(401), 제1 절연층(402), 전극층(403), 발열층(404) 및 제2 절연층(405)이 순차적으로 적층된 것이다.
기재층(401)은 열전도성 소재로 이루어져 있으며, 열전도성 소재로는 동박막, 알루미늄 박막, 스테인레스 박막, 그라파이트, 그라핀 및 실리콘으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것이 바람직하다.
다음으로 제1 절연층(402)은 기재층(401) 상부에 전기적 차폐를 위해 적층되어 있다. 제1 절연층(402)은 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 폴리에스테르계 수지, PVC계 수지 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)계 수지로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다.
제1 절연층(402)은 코팅, 프린팅 또는 라미네이팅 방식에 의해 형성될 수 있다. 코팅하여 형성할 경우에는 건식 방식으로, 라미네이팅하여 형성할 경우에는 핫멜트형 도트식 또는 그라비어식으로 하는 것이 바람직하다.
다음으로 전극층(403)은 제1 절연층(402) 상부에 적층되어 있으며, 전류를 흐르게 하여 발열층에서 발열이 일어나게 해 준다. 이러한 전극층은 면상 발열체 내 복수 개소에 복수 층으로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 발열층 상하부에 적층되어 발열 효율을 높일 수 있다.
전극층은 미리 설계된 전기적인 패턴에 의해 형성될 수 있다. 패턴 형상에는 특별한 제한이 없다. 전극층은 코팅, 프린팅, 라미네이팅하여 형성될 수 있다. 상기 코팅 방식일 경우 건식방법이 바람직하며, 라미네이팅 방식일 경우 핫멜트형 도트식 또는 그라비어 방식이 바람직하다.
다음으로 발열층(404)은 전극층(403) 상부에 적층되어 있으며, 전류가 흐를 때 발열하게 된다. 본 발명의 발열체는 셀 단위로 구분된 발열층을 가지며, 전극층 회로상에서 병렬 또는 직렬로 연결되어 있다. 발열층(404)은 전도성 물질과 바인더가 혼합되어 형성될 수 있다. 전도성 물질과 바인더가 혼합되어 형성된 경우에는 중량 기준으로 전도성 고분자와 바인더가 90~10 내지 80:20의 함량비로 포함되는 것이 바람직하다.
전도성 물질은 폴리아닐린, 폴리피롤 및 폴리티오펜과 같은 전도성 고분자; 탄소와 같은 전도성 성분; 은, 금, 백금, 팔라듐, 구리, 알루미늄, 주석, 철 및 니켈과 같은 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다.
바인더는 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 멜라민계 수지 및 에폭시계 수지로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다.
발열층(404)은 코팅, 프린팅 또는 전사나염과 같은 방식을 이용하여 도포될 수 있다.
다음으로 제2 절연층(405)은 발열층(404) 상부에 전기적 차폐를 위해 적층되어 있는 것으로, 나머지 구성은 제1 절연층(402)과 동일하게 할 수 있다.
본 발명에 따른 발열체(400)는 제2 절연층 상부에 접착층을 형성시킨 후, 폼 패드 등의 제품에 접착시켜, 자동차 시트 등의 제품화에 유용하게 이용될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 발열체의 효능을 알아보기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 발열체와 종래 발열체의 발열 상태를 확인하고, 그 결과를 도 4(a) 및 4(b), 표 1에 나타내었다. 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4(b)는 전극에 전압 인가시 발열 셀(열원)의 열이 열전도 소재에 전달되어, 열전도 소재 전체에 열이 고르게 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다. 상응하는 임의의 위치의 구체적인 온도를 측정한 결과를 표 1에 나타내었다. 이에 따르면, 실시예에서는 임의의 위치에서 거의 동일한 범위의 온도를 가지고 있는 것을 확인할 수 있다.
구분 위치
P1
(℃)		 P2
(℃)		 P3
(℃)		 P4
(℃)		 P5
(℃)		 P6
(℃)		 P7
(℃)
비교예 67.7 40.1 71.5 30.7 71.8 40.1 71.4
실시예 54.1 51.7 58.2 45.2 58.2 52.6 56.4
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
100 발열체 101 기재층 102 전극층 103 발열층 104 절연층 105 합포층
400 발열체 401 기재층 402 절연층 403 전극층 404 발열층 405 절연층

Claims (16)

  1. 기재층, 전극층, 발열층, 절연층 및 합포층이 순차적으로 적층된 발열체로서,
    상기 합포층은 열전도성 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 발열체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발열층의 상부에 전극층이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발열체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 합포층의 열전도성 소재는 동박막, 알루미늄 박막, 스테인레스 박막, 그라파이트, 그라핀 및 실리콘으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 발열체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기재층은 합성섬유, 재생섬유 및 천연섬유로 이루어진 군에서 1종 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 발열체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발열층은 전도성 물질과 바인더가 90~10 내지 80:20의 중량비로 혼합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 발열체.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 탄소, 은, 금, 백금, 팔라듐, 구리, 알루미늄, 주석, 철 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 발열체.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 바인더는 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 멜라민계 수지 및 에폭시계 수지로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 발열체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 폴리에스테르계 수지, PVC계 수지 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)계 수지로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 발열체.
  9. 기재층, 제1 절연층, 전극층, 발열층 및 제2 절연층이 순차적으로 적층된 발열체로서,
    상기 기재층은 열전도성 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 발열체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 발열층의 상부에 전극층이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발열체.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 기재층의 열전도성 소재는 동박막, 알루미늄 박막, 스테인레스 박막, 그라파이트, 그라핀 및 실리콘으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 발열체.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 발열층은 전도성 물질과 바인더가 90~10 내지 80:20의 중량비로 혼합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 발열체.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 탄소, 은, 금, 백금, 팔라듐, 구리, 알루미늄, 주석, 철 및 니켈로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 발열체.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 바인더는 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 멜라민계 수지 및 에폭시계 수지로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 발열체.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 절연층은 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 폴리에스테르계 수지, PVC계 수지 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)계 수지로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 발열체.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 하나의 항에 따른 발열체를 포함하는 자동차 시트.
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