KR20160066462A - 결로 방지용 발열 윈도우 유닛 - Google Patents

결로 방지용 발열 윈도우 유닛 Download PDF

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KR20160066462A
KR20160066462A KR1020140170872A KR20140170872A KR20160066462A KR 20160066462 A KR20160066462 A KR 20160066462A KR 1020140170872 A KR1020140170872 A KR 1020140170872A KR 20140170872 A KR20140170872 A KR 20140170872A KR 20160066462 A KR20160066462 A KR 20160066462A
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류도형
김동제
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(주)솔라세라믹
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Abstract

본 발명은 발열 윈도우 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 에너지 절감형 결로 방지용 윈도우 유닛에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 윈도우 유닛은, 윈도우 기판; 및 상기 윈도우 기판을 설치 장소에 거치하기 위해 상기 윈도우 기판에 결합되는 프레임을 포함하는 발열 윈도우 유닛으로서, 상기 윈도우 기판의 일 면에 선택적으로 코팅되어 상기 윈도우 기판을 부분 가열 또는 차등 가열하기 위한 면상 발열체; 및 상기 면상 발열체에 전력을 인가하기 위해 상기 면상 발열체에 전기적으로 접속된 제 1 극성의 제 1 전극 및 상기 제 1 전극과 다른 제 2 극성의 제 2 전극을 포함한다.

Description

결로 방지용 발열 윈도우 유닛{Heating window unit for dew prevention}
본 발명은 발열 윈도우 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 에너지 절감형 결로 방지용 윈도우 유닛에 관한 것이다.
공기 중의 수증기량은 같은 기압 하에서 온도에 따라 포함될 수 있는 최대한도(포화상태)가 달라지며, 온도가 높을수록 공기 중의 포화수증기량은 증가하고 온도가 낮을수록 포화수증기량은 감소한다. 어떤 온도에서 그 포화수증기량과 실제 포함된 수증기량의 비를 백분율로 나타낸 것을 상대습도(통상 '습도'라 칭함)라고 하며, 상대습도가 100 %(포화상태)이면 공기는 주어진 온도에서 더 이상 수증기를 포함할 수 없게 된다.
따라서, 동일 온도에서 공기 중에 포함된 수증기량이 포화상태보다 증가하거나 포화상태에서 온도가 내려갈 경우 잉여분의 수증기는 더 이상 수증기 상태로 공기 중에 섞여 있지 못하고 응결(凝結)되어 물로 변하게 되며, 이때의 상대습도 100 %인 온도를 이슬점(露點)이라 하고, 이러한 현상을 결로라 한다. 이와 같은 결로 현상은 우리 주변에서 흔히 볼 수 있으며, 많은 문제점을 야기한다. 예를 들어, 겨울철 등에 실내외의 온도차로 인해서 건물의 창호 또는 자동차의 차유리에 물방울이 맺히는 현상을 쉽게 볼 수 있으며, 유리에 발생된 결로는 시인성을 나쁘게 할 뿐만 아니라, 유리의 하부 프레임 또는 하부 벽체에 흡수되어 창호 시스템의 열화를 촉진하고 곰팡이와 같은 위생상의 문제를 초래할 수 있다.
전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 건물의 창호, 비닐하우스 또는 가축 사육 시설의 유리창, 또는 식품 처리 시설의 창호에 면상 발열원이 적용되고 있다. 예를 들어, 상기 면상 발열원은 발열 특성을 이용해 난방을 할 수 있으며, 건축물, 자동차, 선박 또는 항공기의 창 유리에 결로 또는 빙결 방지, 또는 유리의 냉복사 방지와 같은 효과를 통해 사용자에 편의로운 기능을 확보하여 상품 가치를 제고시키는 데에 활용될 수도 있다.
전술한 효과를 갖는 면상 발열원으로서, 유리 창호의 유리면에 금속산화물이나 폴리머 박막을 코팅하여 적외선 복사에 의한 열손실을 제어하는 금속 나노 코팅 기술이 제안된 바 있다. 하지만, 상기 금속 나노 코팅 기술은 금속 나노 박막의 반사율을 높이고 투명성을 유지하기 위해 정밀한 공정, 제한적인 공정 환경 및 순도 높은 고가의 원료로 인해 제조 비용이 증가되는 한계 및 급격한 온도변화에 민감한 한계가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 상기 면상 발연원을 이용하여 저에너지 구동에 의해 유리의 결로를 방지하거나 냉복사를 방지하고, 저비용의 제조가 용이한 발열 윈도우 유닛을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 전술한 이점을 갖는 발열 윈도우 유닛의 시스템을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 윈도우 유닛은, 윈도우 기판; 및 상기 윈도우 기판을 설치 장소에 거치하기 위해 상기 윈도우 기판에 결합되는 프레임을 포함하며, 상기 윈도우 기판의 일 면에 선택적으로 코팅되어 상기 윈도우 기판을 부분 가열 또는 차등 가열하기 위한 면상 발열체; 및 상기 면상 발열체에 전력을 인가하기 위해 상기 면상 발열체에 전기적으로 접속된 제 1 극성의 제 1 전극 및 상기 제 1 전극과 다른 제 2 극성의 제 2 전극을 포함할 수 있다.
상기 면상 발열체는 0.1 Ω/□ 내지 50 Ω/□의 범위 내의 표면 저항을 가질 수 있으며, 상기 면상 발열체는 인듐 산화물(InO2); 주석 산화물(SnO2); 인듐 주석 산화물(ITO); 및 아연 산화물(ZnO) 중 적어도 어느 하나를 주된 메트릭스로 하고, 상기 메트릭스에 비금속, 금속, 또는 준금속이 도핑된 재료 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 윈도우 기판과 상기 면상 발열체 사이에 유전체 버퍼층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 윈도우 기판의 상기 면상 발열체가 형성된 면의 반대면 상에 반사층, 방열층, 단열층 또는 이들 중 2 이상의 적층 구조를 포함할 수 있다. 상기 면상 발열체 상에 보호층 및 상기 윈도우 기판의 배면에 보호층 중 어느 하나 또는 2 이상의 조합을 더 포함할 수 있으며, 상기 보호층은 절연성 박막, 유리 기판 또는 고분자 수지계 기판을 포함할 수 있다.
상기 발열 윈도우 유닛은 상기 설치 장소를 상기 윈도우 유닛을 기준으로 제 1 온도를 갖는 제 1 공간과 상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도를 갖는 제 2 공간으로 구분하고, 상기 제 1 공간은 지면에 수직한 방향으로 또는 지면에 수평한 방향으로 온도 편차를 가지며, 상기 윈도우 기판의 상기 일면에 걸쳐 상기 온도 편차에 의해 포화수증기압의 차이가 더 큰 상기 윈도우 기판의 일부 영역에만 상기 면상 발열체가 선택적으로 코팅될 수 있다. 또한, 상기 면상 발열체의 두께 또는 패턴을 변화시켜 상기 면상 발열체의 저항을 조절할 수 있다.
상기 면상 발열체는 상기 윈도우 기판의 상기 차등 가열을 위하여 서로 이격되어 전기적으로 분리된 복수개의 서브 면상 발열체들을 포함하며, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 중 적어도 어느 하나는 상기 서브 면상 발열체들에 각각 할당되는 복수개의 서브 전극들을 포함하며, 상기 서브 전극들은 상기 윈도우 기판의 가장자리들 중 일 가장자리에 편중되어 배치되고, 상기 서브 전극들에 연결된 배선을 통해 상기 서브 면상 발열체들을 병렬 연결 또는 직렬 연결시킴으로써, 전력원으로부터 공급받는 전력을 상기 서브 면상 발열체에 공급할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 면상 발열체는 상기 윈도우 기판의 상기 차등 가열을 위해 상기 윈도우 기판 상에 연속적인 두께 구배를 갖도록 코팅된 연속 면상 발열체를 포함할 수 있다. 상기 연속 면상 발열체는 서로 이격되어 전기적으로 분리된 복수개의 서브 연속 면상 발열체들을 포함하며, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 중 적어도 어느 하나는 상기 서브 면상 발열체들에 각각 할당되는 복수개의 서브 전극들을 포함하며, 상기 서브 전극들은 상기 윈도우 기판의 가장자리들 중 일 가장자리와 접하는 프레임의 일부에 배치되고, 상기 서브 전극들에 연결된 배선을 통해 상기 서브 연속 면상 발열체들을 병렬 연결 또는 직렬 연결시킴으로써, 전력원으로부터 공급받는 전력을 상기 서브 연속 면상 발열체에 공급할 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 발열 윈도우 유닛 시스템은, 전술한 발열 윈도우 유닛; 상기 발열 윈도우 유닛에 결합되는 센서부; 및 상기 발열 윈도우 유닛과 상기 센서부와 전기적으로 연결되어, 상기 발열 윈도우 유닛과 상기 센서부를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 센서부는 습도 센서, 온도 센서, 및 조도 센서 중 어느 하나 또는 2 이상의 조합일 수 있으며, 상기 제어부는 일정한 주기 또는 시퀀스(sequence)를 가지고 반복적으로 상기 면상 발열체를 작동시키는 프로그램을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 윈도우 기판에 면상 발열원을 일부 또는 전체에 코팅함으로써, 건축물, 자동차, 선박 또는 항공기의 창유리에 발생하는 결로 현상을 창유리의 온도 편차에 따라 효과적으로 방지하기 위한 고효율 및 저비용의 발열 윈도우 유닛이 제공될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 윈도우 기판에 연속적인 두께 구배를 갖는 면상 발열원을 코팅함으로써, 급격한 온도 변화에도 안정적으로 작동하는 발열 윈도우 유닛이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 발열 윈도우 유닛을 이용한 시스템을 제공함으로써, 발열 윈도우 유닛이 효과적으로 동작하게 하며, 다양한 환경에 용이하게 적용되는 윈도우 시스템이 제공될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 윈도우 유닛의 일측 단면도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 윈도우 유닛의 윈도우 기판 상의 면상 발열체의 단면도이다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 복층 발열 윈도우 유닛의 일측 단면도이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 윈도우 기판 상에 부분 코팅된 면상 발열체를 포함하는 발열 윈도우 유닛들을 도시한 것이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따라 윈도우 기판 상에 서브 면상 발열체들을 포함하는 발열 윈도우 유닛들을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 윈도우 기판 상에 연속적인 두께 구배를 갖는 연속 면상 발열체를 포함하는 윈도우 유닛을 도시한 것이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 윈도우 유닛을 포함한 윈도우 시스템을 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.　 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 이하의 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는" 는 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다.　 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다.　 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다.　 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다.　 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
본 명세서에서 다른 층 "상에(on)" 형성된 층에 대한 언급은 상기 다른 층의 바로 위에 형성된 층을 지칭하거나, 상기 다른 층 상에 형성된 중간 층 또는 중간 층들 상에 형성된 층을 지칭할 수도 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 숙련된 자들에게 있어서, 다른 형상에 "인접하여(adjacent)" 배치된 구조 또는 형상은 상기 인접하는 형상에 중첩되거나 하부에 배치되는 부분을 가질 수도 있다.
본 명세서에서, "아래로(below)", "위로(above)", "상부의(upper)","하부의(lower)", "수평의(horizontal)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적 용어들은, 도면들 상에 도시된 바와 같이, 일 구성 부재, 층 또는 영역들이 다른 구성 부재, 층 또는 영역과 갖는 관계를 기술하기 위하여 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면들에 표시된 방향뿐만 아니라 소자의 다른 방향들도 포괄하는 것임을 이해하여야 한다.
이하에서, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들 및 중간 구조들을 개략적으로 도시하는 단면도들을 참조하여 설명될 것이다. 이들 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 도면에서 참조 부호가 동일한 부재들은 도면 전체에 걸쳐 동일한 부재이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 윈도우 유닛(WU)의 일측 단면도이고, 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 윈도우 유닛(WU)의 윈도우 기판(100) 및 면상 발열체(RL)의 단면도이다. 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 복층 발열 윈도우 유닛(WU1)의 일측 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발열 윈도우 유닛(WU)은, 윈도우 기판(100), 윈도우 기판(100) 상에 코팅되는 면상 발열체(RL), 면상 발열체(RL)에 전압을 공급하기 위한 전극(200) 및 윈도우 기판(100)의 가장자리 둘레를 지지하여 윈도우 기판(100)를 설치 장소에 거치하기 위한 프레임(300)을 포함한다. 상기 설치 장소에 발열 윈도우 유닛(WU)이 설치되어 양쪽으로 구분되는 공간은, 윈도우 유닛(WU)을 기준으로 온도(T1, 제 1 온도라 함)가 높은 공간을 제 1 공간라고 하고, 상기 제 1 공간보다 온도(T2)가 낮은 공간을 제 2 공간이라고 한다. 도 1a에서는 면상 발열체(RL) 측의 공간을 상기 제 1 공간이라 하고, 윈도우 기판(100) 쪽의 공간을 상기 제 2 공간으로 예시되어 있다. 예를 들면, 발열 윈도우 유닛(WU)이 건물의 창호로서 설치된 경우, 상기 제 1 공간은 상기 건물의 실내이고, 상기 제 2 공간은 상기 건물의 실외가 될 수 있다. 또 다른 예로서, 발열 윈도우 유닛(WU)이 수족관의 유리 벽체를 구성하는 경우, 상기 제 1 공간은 상기 수족관의 외부이고, 상기 제 2 공간은 상기 수족관의 내부가 된다. 상기 제 1 공간은 난방 방식에 따라 지면에 수직한 방향으로 또는 지면에 수평한 방향으로 온도 편차를 가질 수도 있으며, 이러한 제 1 공간의 온도 편차는 이에 접하는 위도우 기판(100)의 일 면에 부분적으로 결로를 유발할 수 있다. 이에 관하여는, 도 2a를 참조하여 구체적으로 후술하도록 한다.
윈도우 기판(100)은 면상 발열체(RL)의 동작 온도에 대해 내열성을 갖는 절열성 기판일 수 있다. 예를 들면, 상기 절연성 기판은, 고온 운영이 가능한 유리 또는 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 상기 유리는 소다 라임 유리, 내열 유리, 강화 유리, 결정화 유리 또는 이의 2 이상의 적층 재료일 수 있다. 상기 세라믹 재료는 석영, 알루미늄 산화물, 칼슘 불화물 또는 이트륨 산화물일 수 있다. 상기 바람직하게는, 윈도우 기판(100)은 내열성을 가지면서 투명한 유리일 수 있다. 또는, 윈도우 기판(100)은 상기 유리와 세라믹의 적층 구조와 같은 조합체일 수도 있다. 본 명세서에서 '투명하다'라는 것은 가시 광선의 투과율이 5 % 내지 99 %의 범위 내로서 완전 투명하거나 반투명한 것을 의미한다.
다른 실시예에서, 윈도우 기판(100)는 내열성을 갖는 열경화성 수지일 수도 있다. 예를 들면, 상기 열경화성 수지는 폴리카보네이트, 폴리에스테르, 에폭시 수지 또는 이의 유도체를 포함할 수 있다. 이들 재료들은 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
윈도우 기판(100)은 도 1a에 도시된 바와 같이 평면 구조를 가질 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며, 다른 실시예에서, 윈도우 기판(100)은 곡면을 갖는 면상 구조, 병과 같은 입체 구조를 가질 수도 있을 것이다. 이와 같이, 윈도우 기판(100)의 재질, 두께, 치수, 또는 형상과 같은 설계적 사항들은 목적에 따라 적절히 선택될 수 있다.
면상 발열체(RL)는 도전성 박막을 포함할 수 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이 전류의 흐름(I)에 의해 40 ℃ 내지 600 ℃의 범위 내의 발열이 가능한 저항막이다. 발열 윈도우 유닛(WU)의 설치 장소의 가용의 공칭 전력 범위를 고려할 때, 면상 발열체(RL)의 표면 저항은 0.1 Ω/□ 내지 50 Ω/□의 범위 내일 수 있다.
면상 발열체(RL)는 도전성 금속 산화물일 수도 있다. 상기 도전성 금속 산화물은, 인듐 산화물(InO2), 주석 산화물(SnO2), 인듐 주석 산화물(ITO) 또는 아연 산화물(ZnO)을 포함할 수 있다. 면상 발열체(RL)에는 주된 매트릭스를 형성하는 구성 재료 이외에 붕소(B), 불소(F) 또는 염소(Cl)와 같은 비금속, 또는 알루미늄(Al), 또는 마그네슘(Mg)과 같은 금속 또는 실리콘(Si)과 같은 준금속이 도핑될 수도 있다.
바람직하게는, 상기 도전성 금속 산화물은, 투명 발열층이며, 본 출원인의 한국 특허 제10-1,337,967호에 개시된 저저항 고투과율을 갖는 불소가 도핑된 주석 산화물(이하, FTO라 함)을 포함할 수 있다. 상기 FTO 막은 내스크래치, 내마모성 및 내습성을 가지므로 이의 적용이 바람직하다.
상기 도전성 금속 산화물은 윈도우 기판(100) 상에 적합한 전구체를 이용해 분무열분해증착 (spray pyrolysis deposition; 이하 SPD라 함), 화학적기상증착(CVD), 원자층기상증착(ALD)되거나, 스퍼터링 및 열증착과 같은 물리적기상증착에 의해 형성될 수 있다. 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(graphene), 또는 풀러렌(fullerene)과 같은 도전성 입자 기반의 저항층은 통상적으로 상기 도전성 입자가 분산된 분산 용액에 기판을 침지시키거나 슬러리 코팅하는 습식법에 의해 형성된다. 그러나, 이러한 습식법은 대면적의 균일한 두께의 저항층 코팅이 어려워 대량 생산에 어려움이 있으므로, 상기 도전성 금속 산화물을 이용한 기상 증착법이 바람직하다.
면상 발열체(RL)의 코팅은, 바람직하게는, 대면적 증착 공정이 가능한 상기 SPD에 의해 수행될 수 있다. 상기 SPD의 공급은 초음파 분무, 스프레이 분무 또는 기화 방식을 통해 이루어질 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 것은 아니다.
상기 SPD는 원료 화합물을 포함하는 액적을 형성하고, 상기 액적이 액적 전달 유로를 통하여 전달되는 동안 상기 액적에 함유된 용매의 증발, 고온 반응, 열 분해, 운반 기체와 전구체 사이의 반응(예를 들면, 산화 또는 환원 반응), 클러스터의 형성 및 기체 분자의 형성 중 적어도 어느 하나 또는 2 이상의 단계들을 수반하면서(본 명세서에서는, 각 반응 단계의 중간 생성물들을 통칭하여 기상 전구체라 칭한다), 상기 기상 전구체가 미리 성막 온도까지 가열된 피처리체인 투명 유전체 장벽층이 형성된 윈도우 기판 상에 전달되어 박막이 형성되는 증착 기구이다.
면상 발열체(RL)가 상기 FTO를 포함하는 경우, 상기 FTO 막의 SPD를 위한 전구체 용액은 주석 전구체로서 SnCl4·5H2O, (C4H9)2Sn(CH3COO)2, (CH3)2SnCl2, 또는 (C4H9)3SnH 와 같은 화합물이 사용될 수 있다. 도펀트인 불소 전구체로서, NH4F, CF3Br, CF2Cl2, CH3CClF2, CF3COOH, 또는 CH3CHF2 와 같은 화합물이 사용될 수 있다. 이들 전구체를 소정 중량비 F/Sn 를 갖도록 증류수 또는 알코올에 혼합하여 액상 원료를 제조한 후, 액적을 발생시킬 수 있다. 피처리체인 윈도우 기판의 온도는 400 ℃ 내지 600 ℃로 유지한 후 기상 전구체를 윈도우 기판 상에 분사함으로써 그 상부에 상기 FTO 막을 형성할 수 있다. 그러나, 전술한 SPD에 의한 FTO 막의 형성은 예시적이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 FTO의 면상 발열체(RL)는 상압 화학기상증착법에 의해 형성될 수도 있다.
일 실시예에서는, 윈도우 기판(100)과 면상 발열체(RL) 사이에 유전체 버퍼층(100BF)이 제공될 수 있다. 유전체 버퍼층(100BF)은 윈도우 기판(100)과 면상 발열체(RL) 사이의 접합력을 향상시킬 수도 있을 뿐만 아니라, 고온 사용 중 윈도우 기판(100)으로부터 면상 발열체(RL)으로 확산되는 불순물에 의한 면상 발열체(RL)의 기계적 및/또는 전기적 열화를 방지하는 역할을 한다. 예를 들면, 윈도우 기판(100)이 소다라임 유리인 경우에, 면상 발열체(RL)에 의한 발열에 의해 상기 소다라임 유리로부터 나트륨(Na) 또는 칼륨(K)과 같은 알카리 금속 이온이 면상 발열체(RL)으로 확산될 수 있으며, 이들 이온에 의해 면상 발열체(RL)에 균열이 발생하거나 박리 현상이 일어날 수 있다.
일 실시예에서, 유전체 버퍼층(100BF)은 실리콘 산화물(SiO2), 세리아(CeO2), 알루미늄 산화물(Al2O3) 망간 산화물(MnO2), 철 산화물(Fe2O3), 마그네슘 산화물(MgO) 및 타이타늄 산화물(TiO2) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 유전체 버퍼층(100BF)은, 예를 들면, 액상법에 의해 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 액상법의 경우, 상기 SiO2의 투명 유전체 장벽층은, 출발 물질로서 테트라에틸 실리콘 산화물(tetraethyl silicate; ((C2H5)4SiO4)과 같은 실리콘 전구체와 이의 분산을 위한 알코올계 용매를 포함하는 액상 원료를 이용하여 형성될 수 있다. 상기 알코올계 용매는, 에틸알콜, 메틸알콜, 글리세롤, 프로필렌 글리콜, 이소프로필알콜, 이소부틸알콜, 폴리비닐알콜, 사이클로헥사놀, 옥틸알콜, 데카놀, 헥사테카놀, 에틸렌글리콜, 1.2-옥테인디올, 1,2-도데케인디올 및 1,2-헥사데케인디올 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 바람직하게는, 탄소 함량이 비교적 작고 무독성인 에틸알콜이다. 또한, 상기 용매로서, 물 또는 증류수가 더 혼합될 수 있다. 상기 액상 용매 내의 상기 실리콘 전구체의 농도는 0.1 내지 0.4 몰%의 범위 내일 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 액상 용매 내에 질산(HNO3)이 촉매로서 더 첨가될 수 있다. 상기 질산 촉매는 액상법에서 실리콘의 산화 반응을 촉진하여 상기 SiO2의 유전체 버퍼층(100BF)의 성막 속도를 향상시킬 수 있다. 일 실시예에서, 상기 액상 원료 내의 질산의 몰 농도는 약 0.1 몰% 내지 5 몰%일 수 있다.
상기 액상 원료 내에 윈도우 기판으로서 유리 기판을 침지시켜 상기 액상 원료를 상기 유리 기판 상에 코팅하고 이를 건조한 후 소결함으로써 SiO2의 투명 유전체 장벽층을 형성할 수 있다. 상기 액상 원료 내에 유리 기판을 침지시키는 속도는 약 1 cm/min 내지 약 10 cm/min의 범위 내에서 수행될 수 있다. 유전체 버퍼층(100BF)의 두께는 액상 용액 내 실리콘 전구체, 예를 들면, 테트라에틸 실리콘 산화물의 농도를 조절함으로써 달성될 수 있다. 상기 실리콘 전구체의 농도가 클수록 형성되는 투명 유전체 버퍼층(100BF)의 두께가 증가한다. 일 실시예에서, 상기 액상 원료 내의 실리콘 전구체의 몰 농도는 약 0.1 내지 0.4 몰%의 범위 내에서 선택될 수 있다.
일부 실시예에서는, 면상 발열체(RL)이 형성된 윈도우 기판(100)의 일면의 반대면 상에는 기능층(100AF)이 더 형성될 수 있다. 기능층(100AF)는 반사층일 수 있다. 상기 반사층은 캐비닛 하우징의 외부에 대하여 거울면을 제공할 수 있다. 다른 실시예에서, 기능층(100AF)은 면상 발열체(RL)로부터 제 2 공간, 예를 들면 실외로 방사되는 열을 차단하여 열효율을 향상시키기 위한 방열층일 수 있다. 상기 방열층은 금속 또는 금속 산화물의 박막층일 수 있다. 상기 방열층은 제 2 공간(예를 들면, 건물의 실외)으로부터 제 1 공간(예를 들면, 건물의 실내)으로 가시광선은 투과시키고 적외선 영역은 차단하여 방열 효과를 갖는다. 상기 금속은 은(Ag), 티타늄(Ti), 스테인레스 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 상기 금속 산화물은 주석 산화물일 수 있다. 도시하지는 않았으나, 기능층(100AF)의 전술한 실시예들은 서로 2 이상이 조합된 적층 구조를 가질 수도 있다.
도 1a와 함께 도 1b를 참조하면, 면상 발열체(RL)에 적어도 일부가 접촉되어 형성된 전극(200)은 면상 발열체(RL)에 전력을 공급함으로써 열을 발생시킨다. 전극(200)은 예를 들어 서로 다른 극성의 전력 신호, 예를 들면, 양의 전압이 인가되는 제 1 전극 패턴(201)과 음의 전압이 인가되거나 접지되는 제 2 전극 패턴(202)을 포함할 수 있다. 제 1 전극 패턴(201)과 제 2 전극 패턴(202) 사이에 적합한 전압 신호가 인가되면, 전류 I가 면상 발열체(RL)을 통해 흐르면서 열을 발생시킬 수 있다.
전극(200; 201, 202)은 도 1b에 도시된 바와 같이 면상 발열체(RL) 상에 형성되거나, 면상 발열체(RL)의 측면에 형성될 수도 있다. 그러나, 이는 예시적일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 전극(200)은 면상 발열체(RL)와 윈도우 기판(100) 사이에 형성되어 면상 발열체(RL)에 전력을 공급할 수도 있다.
전극(200)에 사용되는 재료로서, 금속, 금속 산화물, 금속 질화물, 전도성 유기물질, 흑연, 또는 탄소나노튜브(carbon nano tube)가 제공될 수 있다. 금속 산화물과 금속 질화물은 상기 금속들의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 산화물 또는 금속 질화물일 수 있다.
상기 금속은 예를 들면, 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 백금(Pt), 니켈(Ni), 납(Pb), 코발트(Co), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 주석(Sn), 이리듐(Ir), 팔라듐(Pd), 아연(Zn), 질코늄(Zr), 니오븀(Nb), 바나듐(V), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 및 티탄(Ti)으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 금속 산화물과 금속 질화물은 상기 금속들의 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 금속의 금속 산화물 또는 금속 질화물일 수 있다. 상기 전도성 유기물질은 폴리아세틸렌(polyacetylene), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene), 및 폴리설퍼니트리드(poly sulfur nitride)로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 또한, 전극(200)과 면상 발열체(RL)의 접촉효율을 높이기 위해서는 실버 페이스트나, 금속-탄소나노튜브 분말입자 페이스트가 더 사용될 수 있다.
발열 윈도우 유닛(WU)의 프레임(300)은 목재, 폴리우레탄, 합성수지(poly vinyl chloride), 아크릴로니트릴 부타티엔 스티렌(ABS) 및 알루미늄과 같은 금속재 중 어느 하나 또는 2 이상이 조합된 재료로 제조될 수 있다. 선택적으로는, 프레임(300)과 면상 발열체(RL) 사이에 단열재가 삽입되어 열의 흐름을 차단할 수 있다. 또한, 발열 윈도우 유닛(WU)에 복층 윈도우가 적용될 경우, 프레임(300)은 서로 이격되어 진공 또는 공기층을 갖는 2 개의 윈도우 기판들을 고정하기에 적합한 형상을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 상기 복층 윈도우는 서로 이격된 2 개의 윈도우 기판들 사이에 단열재를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 단열재는 상기 2 개의 윈도우 기판들을 안정적으로 이격시키기 위한 스페이서(미도시)로서 기능할 수도 있을 것이다.
도 1c를 참조하면, 발열 윈도우 유닛(WU)은 면상 발열체(RL)의 손상을 방지하기 위한 제 1 보호층(400)을 더 포함할 수 있다. 유사하게, 발열 윈도우 유닛(WU)은 윈도우 기판(100)의 배면에도 제 2 보호층(500)을 더 포함할 수 있다. 이들 보호층(400, 500)은 내습성, 내마모성, 또는 내스크래치성을 갖는 절연성 박막, 유리 기판, 또는 고분자 수지계 기판일 수 있다. 일부 실시예에서, 제 1 및 제 2 보호층(400, 500)이 상기 유리 기판인 경우, 제 1 보호층(400)과 면상 발열체(RL) 사이 또는 제 2 보호층(500)과 윈도우 기판(100) 사이에는 이격 공간이 제공될 수 있다. 도 1c는 제 2 보호층(500)이 유리 기판인 경우로서 제 2 보호층(500)과 윈도우 기판(100) 사이에 제공된 이격 공간(510)을 예시한다. 상기 이격 공간에는 단열 효과의 향상을 위해 공기 또는 아르곤 가스와 같은 충전 가스가 채워질 수도 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 윈도우 기판(100) 상에 부분 코팅된 면상 발열체(RL1)를 포함하는 발열 윈도우 유닛들(WUa, WUb)을 도시한 것이다.
도 2a를 참조하면, 윈도우 유닛(WUa)은 윈도우 기판(100)의 선택된 특정 영역에만 코팅된 면상 발열체(RL1)를 가질 수 있다. 예를 들면, 윈도우 유닛(WUa)이 건물의 창호로서 건물의 측벽(WB)에 수식 배치된 경우, 실외(또는, 제 2 공간) 측에 노출된 윈도우 기판(100)의 표면은 전면적에 걸쳐 온도 편차가 크지 않지만, 상기 건물의 실내(또는, 제 1 공간)에서 난방이 이루어지는 경우, 실내 측에 노출된 윈도우 기판(100)의 표면은 냉난방 방식과 냉난방 기기의 위치 및/또는 종류에 따라 그 면적에 걸쳐 소정의 온도 편차를 가질 수 있다.
예를 들면, 상기 건물의 실내가 바닥 난방되는 경우, 실내의 바닥으로부터 천정까지 수직한 방향으로 실내 온도는 편차를 가질 수 있으며, 이로써 실내의 바닥 부근의 온도는 천정 부근의 온도에 비하여 더 크다. 그에 따라, 윈도우 기판(100)의 하부 영역과 그 근방의 실내 사이의 온도는 윈도우 기판(100)의 상부 영역과 그 근방의 실내에 비하여 더 큰 온도 차이를 겪게 된다. 그 결과, 이러한 온도 차이에 의한 포화수증기압의 차이는 윈도우 기판(100)의 상부 영역보다 윈도우 기판(100) 하부 영역에서 더 크며, 그 결과, 실내 측에 노출된 윈도우 기판(100)의 하부 영역의 표면 상에 결로 현상이 더 쉽게 일어날 수 있다.
또한, 실내에서 더운 공기가 위로 상승하고 차가운 공기가 아래로 하강하는 현상에 의해 통상 실내의 바닥 쪽은 냉공기가 축적될 수 있다. 이에 의해 윈도우 기판(100)의 하부 영역에 면상 발열체를 코팅하여 국소 가열하는 경우, 부분 코팅된 면상 발열체가 없는 창호의 하부 영역에서 일어나는 냉복사가 방지되어, 상기 냉복사로 인한 불쾌감이 해소될 수 있다.
따라서, 도 2a에 도시된 바와 같이, 윈도우 기판(100)의 하부 영역에만 면상 발열체(RL1)를 코팅하고, 이에 전력을 공급하여 발열시키는 경우, 윈도우 기판(100) 전체에 면상 발열체를 코팅하고 전력을 공급하는 것에 비하여, 전력 낭비 없이 결로 현상을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 윈도우 기판(100)의 하부 영역에만 면상 발열체(RL1)를 부분 코팅함으로써, 윈도우 기판(100)의 투명도를 개선할 수 있다. 참조 부호 PS 및 CB는 각각 직류 또는 교류 전원, 및 면상 발열체(BL1)에 인가되는 전력 제어를 위한 제어부이다.
다른 예를 들면, 상기 건물의 실내에 냉방이 이루어지는 경우, 실외(제 1 공간)의 온도는 높고, 실내(제 2 공간)의 온도는 낮으며, 윈도우 기판(100)의 냉방기기와 가까운 영역은 상기 냉방기기와 먼 영역에 비하여 실외와 실내의 더 큰 온도 차이를 겪게 된다. 이러한 온도 차이가 심하게 일어나는 윈도우 기판(100)의 영역, 예를 들면, 윈도우 기판(100)의 측부 영역에만 면상 발열체가 선택적으로 코팅될 수도 있을 것이다.
도 2b를 참조하면, 프레임(300)은 일반적으로 금속 재료로 형성되기 때문에, 프레임(300)의 열전도율은 일반적으로 공기보다 높다. 따라서, 프레임(300)과 접촉하는 윈도우 기판의 영역(100b)에서는 열손실이 발생할 수 있다. 그에 따라, 프레임(300)과 접촉하는 윈도우 기판(100)의 영역(100b)에서 일어나는 열손실로 인하여 프레임(300)에 결합된 윈도우 기판(100)의 영역(100b) 근방의 노출된 영역(100a)에서는 난방된 실내와 큰 온도 차이를 가질 수 있으므로 결로가 초래될 수 있다. 따라서, 프레임(300)에 의한 지지를 위해 프레임(300)과 접촉 또는 중첩되는 윈도우 기판(100)의 영역, 예를 들면, 윈도우 기판(100)의 가장자리에 일정한 폭을 가진 면상 발열체(RL2)를 선택적으로 코팅하고, 이 영역에만 전력을 이용하여 부분 가열함으로써, 저에너지 및 저비용의 효과를 갖는 발열 윈도우 유닛(WU)이 제공될 수 있다. 또한, 윈도우 기판(100)의 가장자리에만 면상 발열체(RL2)를 선택적으로 코팅함으로써, 면상 발열체의 전면적 코팅의 경우에 비해 윈도우 기판(100)의 투명도가 향상될 수 있는 이점이 있다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 실시예에서는, 윈도우 기판의 가장자리 영역에 선택적으로 코팅된 면상 발열체가 직선 패턴을 갖는 것을 도시하고 있지만, 이는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 면상 발열체(RL1, RL2)가 코팅되지 않은 윈도우 기판(100)의 중앙 영역이 원형 또는 타원형을 갖도록 면상 발열체(RL1, RL2)가 소정의 형상의 패턴을 가질 수도 있다.
면상 발열체(RL2)는 서로 분리된 양 단부들 상에 전류 I를 유도하기 위해 각각 서로 다른 극성의 전극들(E21. E22)을 형성하고 전력이 공급될 수 있다. 상기 전극들이 연결된 분리된 양 단부들은 윈도우 기판(100)의 코너에 제공된 것이 예시되어 있지만, 상기 분리된 양 단부들은 윈도우 기판(100)의 상부, 하부 또는 측부에 형성될 수도 있다. 일부 분리된 면상 발열체(RL2)는 하나의 저항체로 간주되기 때문에, 발열체(RL2)가 코팅된 전 부분에 걸쳐 균일하게 발열될 수 있으며, 면상 발열체(RL2)에 인가되는 전압이 용이하게 조절될 수 있다. 또한, 프레임(300)의 특정 부분에서 전극을 연결함으로써, 윈도우 유닛의 제조가 용이할 수 있다.
다른 실시예에서, 면상 발열체(RL2)는 2 이상의 면상 발열체 패턴들(이하, 서브 면상 발열체라 지칭함)로 구성될 수도 있다. 이 경우, 각각의 서브 면상 발열체마다 서로 다른 극성의 전극들을 형성하고, 전력을 공급하여, 상기 서브 면상 발열체가 구동될 수 있다.
면상 발열체(RL2)는 분리되는 부분 없이 형성될 수 있으며, 이 때, 면상 발열체(RL2)는 2 개의 서로 다른 극성을 갖는 전극들이 연결된 위치에 따라서 각각 다른 저항을 가진 2 이상의 저항체들이 병렬 연결된 것과 등가적으로 취급될 수 있다. 따라서, 전압 신호가 상기 전극들에 인가되었을 때 각각의 저항체에서 동일하게 발열되게 하기 위해서는, 병렬 연결된 저항체들의 각 저항 값이 동일하게 조절될 필요가 있다. 예를 들어, 극성이 다른 전극들 사이의 전류 경로가 어느 경로를 택하더라도 동일하게 하도록 전극들을 배치하거나, 전극의 위치가 결정된 경우 면상 발열체(RL)의 각 경로 상의 면상 발열체의 두께를 조절하거나, 면적을 조절함으로써 각 경로 상의 저항 값을 서로 동일하도록 할 수 있다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 따라 윈도우 기판(100) 상에 서브 면상 발열체들(RS1, RS2)을 포함하는 발열 윈도우 유닛들을 도시한 것이다.
도 3a를 참조하면, 윈도우 기판(100) 상에 부분 코팅된 면상 발열체(RS1)는 2 이상의 면상 발열체 패턴들, 즉 서브 면상 발열체들(RS1a. RS1b, RS1c)을 포함할 수 있다. 발열 윈도우 유닛이 설치되는 장소의 제 1 공간과 제 2 공간의 온도 차이에 의해 윈도우 기판(100)은 각 영역에 따른 온도 편차를 겪게 된다. 이러한 온도 편차에 대응하여 윈도우 기판(100)의 각 영역 상에 코팅되는 서브 면상 발열체들(RS1a. RS1b, RS1c)은 서로 다른 온도 및/또는 열량으로 발열될 수 있다. 이를 위해, 서브 면상 발열체들(RS1a. RS1b, RS1c)은 서로 다른 저항을 가지거나, 서로 다른 전력 신호로 구동될 수도 있다.
도 3a에 도시된 각각의 서브 면상 발열체들(RS1a. RS1b, RS1c)은 전원(PS)과 제어부(CB)에 배선(WL)을 통하여 병렬로 연결된 것이며, 각각 전극들(203, 204)을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 서브 면상 발열체들(RS1a. RS1b, RS1c)은 서로 다른 전력 신호로 구동될 수 있도록 독립된 배선들을 통해 각각 제어부(CB)에 의해 개별 제어될 수도 있을 것이다.
서브 면상 발열체들(RS1a. RS1b, RS1c)에 동일한 전압이 인가될 경우, 서브 면상 발열체의 저항이 높을수록 발열이 적게 되고, 상기 저항이 낮을수록 발열이 많이 일어나게 된다. 예를 들어, 윈도우 기판(100)에서 프레임(300)에 의한 열 손실 때문에 결로가 발생하는 상부 서브 면상 발열체(RS1a) 및 하부 서브 면상 발열체(RS1c)의 저항은 작게 제공되고, 중간 서브 면상 발열체(RS1b)의 저항은 높게 제공됨으로써 윈도우 기판(100)의 각 영역에서 의도하는 효과에 따라 차등 발열되도록 할 수 있다. 이 경우, 중앙 서브 면상 발열체(RS1b)는 차가운 유리에 의한 실내로의 냉복사를 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 3b를 참조하면, 윈도우 기판(100) 상에 서브 면상 발열체들(RS2a, RS2b, RS2c)은 전원(PS)과 제어부(CB)에 배선(WL)을 통하여 직렬로 연결되며, 서로 다른 극성의 전극들(205, 206)에 의해 동일하게 흐르는 전류 I가 유도될 수 있다. 서브 면상 발열체들(RS2a, RS2b, RS2c)은 각각 서브 면상 발열체들(RS2a, RS2b, RS2c)이 코팅된 영역의 윈도우 기판(100)에서 발생하는 온도 편차에 따라 서로 다른 온도 및/또는 열량으로 발열될 수 있다. 직렬 연결된 서브 면상 발열체들(RS2a, RS2b, RS2c)은 병렬 연결된 경우와 달리, 저항값이 높을수록 발열이 많이 일어나게 된다. 따라서, 윈도우 기판(100)에서 프레임(300)에 의한 열 손실 때문에 결로가 발생하는 상부 서브 면상 발열체(RS2a) 및 하부 서브 면상 발열체(RS2c)의 저항은 크게 제공되고, 중간 서브 면상 발열체(RS2b)의 저항은 높게 제공됨으로써 윈도우 기판(100)의 각 영역에서 의도하는 효과에 따라 차등적으로 발열되도록 할 수 있다.
도 3c를 참조하면, 윈도우 기판(100) 상에 부분 코팅된 면상 발열체(RS3)는 서브 면상 발열체들(RS3a, RS3b, RS3c)을 포함할 수 있다. 서브 면상 발열체들(RS3a, RS3b, RS3c)은 프레임(300)에 의한 열 손실에 의해 결로가 발생하기 쉬운 가장자리에서부터 차등적으로 발열되도록 할 수 있다. 이를 위해, 서브 면상 발열체들(RS3a, RS3b, RS3c)은 서로 다른 저항을 가지거나, 서로 다른 전력 신호로 구동될 수도 있다.
도 3c에 도시된 각각의 서브 면상 발열체들(RS3a, RS3b, RS3c)은 전원(PS)과 제어부(CB)에 배선(WL)을 통하여 병렬로 연결된 것이며, 각각의 서브 면상 발열체들(RS3a, RS3b, RS3c)은 전극들(207, 208)을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 서브 면상 발열체들(RS3a, RS3b, RS3c)은 서로 다른 전력 신호로 구동될 수 있도록 독립된 배선들을 통해 각각 제어부(CB)에 의해 개별 제어될 수도 있을 것이다.
서브 면상 발열체들(RS3a, RS3b, RS3c)에 동일한 전압이 인가될 경우, 서브 면상 발열체들(RS3a, RS3b, RS3c) 중 저항이 높은 서브 면상 발열체의 발열은 적고, 저항이 높은 서브 면상 발열체의 발열은 크다. 예를 들어, 윈도우 기판(100)에서 프레임에 의한 열 손실 때문에 결로가 발생하는 가장자리 영역의 서브 면상 발열체(RS3a)의 저항은 작게 제공되고, 중앙으로 갈수록 서브 면상 발열체들(RS3b 및 RS3c)의 저항은 높게 제공됨으로써 윈도우 기판(100)의 각 영역에서 의도하는 효과에 따라 차등 발열되도록 할 수 있다. 이 경우, 중앙 영역의 서브 면상 발열체들(RS3b 및 RS3c)은 차가운 유리에 의한 실내로의 냉복사를 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 3d를 참조하면, 윈도우 기판(100) 상에 서브 면상 발열체들(RS4a, RS4b, RS4c)은 전원(PS)과 제어부(CB)에 배선(WL)을 통하여 직렬로 연결되며, 서로 다른 극성의 전극들(209, 210)에 의해 동일하게 흐르는 전류 I가 유도될 수 있다. 서브 면상 발열체들(RS4a, RS4b, RS4c)은 각각 서브 면상 발열체들(RS4a, RS4b, RS4c)이 코팅된 영역의 윈도우 기판(100)에서 발생하는 온도 편차에 따라 서로 다른 온도 및/또는 열량으로 발열될 수 있다. 직렬 연결된 서브 면상 발열체들(RS4a, RS4b, RS4c)은 병렬 연결된 경우와 달리, 저항값이 높을수록 발열이 많이 일어나게 된다. 따라서, 윈도우 기판(100)에서 프레임(300)에 의한 열 손실 때문에 결로가 발생하는 가장자리 영역의 서브 면상 발열체(RS4a)의 저항은 높게 제공되고, 중앙 영역의 서브 면상 발열체들(RS4b 및 RS4c)의 저항은 높게 제공됨으로써 윈도우 기판(100)의 각 영역에서 의도하는 효과에 따라 차등 발열되도록 할 수 있다.
일 실시예에서, 도 3a 내지 도 3b에서 도시된 실시예에서는 3 개의 서브 면상 발열체들이 예시되었지만, 2 개 또는 4 개 이상의 서브 면상 발열체들이 제공될 수도 있다. 면상 발열체(RL1, RL2) 및 서브 면상 발열체(RS1, RS2, RS3 및 RS4)의 저항은 면상 발열체의 두께, 폭 및 패턴에 의해서 결정될 수 있다. 예를 들면, 전술한 SPD 법을 사용하여 면상 발열체(RL1, RL2) 및 서브 면상 발열체(RS1, RS2, RS3 및 RS4)를 제조할 경우, 노즐에서 방출되는 전구체의 농도 및 유량, 운반 가스의 유속 및 유압, 챔버의 온도 및 압력, 면상 발열체가 증착되는 윈도우 기판의 온도 또는 증착 횟수의 조절을 통해 면상 발열체(RL)의 두께가 조절될 수 있다.
또한, 면상 발열체(RL1, RL2) 및 서브 면상 발열체(RS1, RS2)의 폭은 증착 시 사용되는 마스크를 변경함으로써, 원하는 폭 및/또는 패턴으로 제공될 수 있다. 상기 패턴은 연속, 비연속, 반복 및 비반복적인 패턴중 어느 하나 또는 2 이상의 조합일 수 있다. 예를 들어, 상기 패턴은 라인 패턴일 수 있고, 복수의 라인 패턴이 집합된 형태일 수 있다. 상기 마스크는 상기 마스크 공정 후에 면상 발열체를 증착하여, 마스크를 제외한 부분에만 면상 발열체가 증착되도록 사용될 수 있으며, 면상 발열체를 증착한 후에 마스크를 사용하여 마스크를 제외한 부분을 식각시킴으로써 면상 발열체의 패턴 또는 폭이 제공될 수 있다. 그러나, 이는 예시적일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 복수의 노즐을 사용하여 원하는 위치에만 증착시킬 수도 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 윈도우 기판(100) 상에 연속적인 두께 구배를 갖는 연속 면상 발열체(RL3)를 포함하는 윈도우 유닛을 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 연속 면상 발열체(RS5)는 양 단에 서로 다른 극성의 전극들(211, 212)이 연결되어 전원(PS)으로부터 전압이 인가된다. 이 때, 연속 면상 발열체(RS5)의 두께에 따라 발열이 다르게 일어나며, 연속 면상 발열체(RS5)의 연속적인 두께에 의한 저항으로 인해, 연속적인 온도로 발열이 유도된다. 이는 발열 윈도우 유닛(WU)에 급격한 온도 변화를 일으키지 않음으로써, 급격한 온도 변화에 의해 발생하는 균열에 따른 윈도우 기판(100)의 열화를 방지하며, 연속 면상 발열체(RL3)와 전극(200)의 접찹력 또는 연속 면상 발열체(RL3)와 윈도우 기판(100)의 접착력을 유지시킴으로써 발열 윈도우 유닛(WU)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 발열 윈도우 유닛(WU)이 설치되는 장소의 제 1 공간, 즉 온도가 더 높은 공간의 바닥에 자연적으로 축적되는 차가운 공기에 의한 결로 현상 및 바닥 난방과 같은 난방 장치에 의한 결로 현상을 방지하기 위해 윈도우 기판(100)의 하부로 갈수록 면상 발열체(RL3)의 두께를 증가시킴으로써 온도 편차에 의한 두께 구배를 제공할 수 있다. 그러나 이는 예시적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 연속 면상 발열체(RL3)에서, 프레임(300)과 근접해 있는 가장자리의 연속 면상 발열체(RL3)의 두께를 증가시킬 수 있으며, 윈도우 기판(100)에 발생하는 온도 편차에 따라 윈도우 기판(100)의 일부에 일 이상의 연속 면상 발열체들을 형성시킬 수도 있다. 상기 일 이상의 연속 면상 발열체들은 독립된 전극 및 제어부을 가질 수 있으며, 각각 직렬 연결 또는 병렬 연결되어 제어부를 통해 발열이 제어될 수 있다.
일 실시예에서, 연속 면상 발열체(RS5)는 SPD법에 의해 형성될 수 있으며, 노즐에서 방출되는 전구체의 농도 및 유량, 운반 가스의 유속 및 유압, 챔버의 온도 및 압력, 면상 발열체가 증착되는 윈도우 기판 온도 또는 증착 횟수의 조절을 통해 연속 면상 발열체(RS5)가 제공될 수 있다. 그러나 이는 예시적일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 출원인의 한국 특허 출원번호 제10-2014-0056815호에 의해, 다수의 노즐이 사용되어 연속 면상 발열체(RS5)가 두껍게 형성되는 위치의 노즐의 분사량을 증가시킴으로써, 연속적인 두께 구배를 갖는 연속 면상 발열체(RS5)가 제공될 수도 있다. 이 경우, 노즐을 이용한 SPD법으로 연속 면상 발열체(RS5)를 형성함으로써, 제조의 용이성 및 제조 단계의 간소화로 인한 비용 절감 효과가 발생할 수 있다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 윈도우 유닛(WU)을 포함한 윈도우 시스템을 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 윈도우 시스템은 센서부(SE), 제어부(CB) 및 발열 윈도우 유닛(WU)를 포함한다. 센서부(SE)는 발열 윈도우 유닛(WU)의 윈도우 기판(100), 면상 발열체(RL) 또는 프레임(300)에 장착될 수 있으며, 발열 윈도우 유닛(WU)을 사이에 둔 제 1 공간, 제 2 공간, 또는 윈도우 기판(100)의 온도를 측정하는 온도 센서 또는 습도를 측정하는 습도 센서를 포함할 수 있다. 하지만 본 발명이 전술한 센서들에 제한되는 것은 아니며, 실외로부터 윈도우 기판(100)를 통해 실내로 전달되는 광의 세기를 측정하기 위한 광 센서를 포함할 수 있다. 또한, 발열 윈도우 유닛(WU)이 복수개의 면상 발열체(RL)들을 포함할 경우, 각각의 면상 발열체(RL)들에 전술한 센서들이 장착되어 윈도우 기판(100)에서 발생할 수 있는 다양한 온도 편차를 측정할 수 있다.
제어부(CB)는 센서부(SE)로부터 측정 데이터를 수집하며, 제어부(CB)에 포함된 전압 또는 전류 분배기(미도시)를 통해 발열 윈도우 유닛(WU)의 면상 발열체(RL)에 인가되는 전압 또는 전류를 조절할 수 있다. 예를 들어, 수집한 제 1 서브 면상 발열체에서 측정된 온도가 제 1 공간의 상대 습도의 이슬점보다 낮고, 제 2 서브 면상 발열체에서 측정된 온도가 상기 제 1 공간의 상대 습도의 이슬점보다 높을 경우, 상기 제 1 서브 면상 발열체에는 전압을 인가하고, 상기 제 2 서브 면상 발열체에는 전압을 인가하지 않음으로써, 윈도우 기판(100)에 발생하는 온도 편차를 반영하여 발열 윈도우 유닛(WU)을 효과적으로 작동 시킬 수 있다. 또 다른 예에서, 제어부(CB)는 1 이상의 면상 발열체(RL)들에 전압 인가 여부를 결정하기 위해 단일한 임계 온도 또는 서로 다른 임계 온도를 설정할 수 있다. 상기 온도 센서에서 측정된 온도가 상기 설정된 임계 온도를 벗어나는 경우, 제어부(CB)는 상기 면상 발열체들(RL)에 전압을 공급하여 발열시킬 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(CB)는 타이머를 통해, 지정된 시간 동안 면상 발열체(RL)를 작동 시킬 수 있다. 또한, 일정한 주기 또는 설정된 시퀀스(sequence)를 통해 반복적으로 면상 발열체(RL)를 작동 시킬 수 있다. 제어부(CB)는 전환 스위치(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 상기 전환 스위치는 온/오프(on/off) 스위치, 전압 조절 스위치, 저항 조절 스위치 및 전류 조절 스위치 중 어느 하나 또는 2 이상의 조합일 수 있다.
발열 윈도우 유닛(WU)은 전술한 바와 같이 면상 발열체(RL)의 전기 도전성, 발열 특성, 형태 및 발열체의 박막 두께에 수반되는 광 투과도에 기초하여, 자동차의 유리, 일반 창유리, 온실 유리, 냉장고, 거울, 유리 장 또는 수족관에 적용 가능할 수 있다. 또한 발열 윈도우 유닛(WU)은 윈도우 시스템과 함께 전술한 용례와 같은 다양한 환경에 적용됨으로써, 에너지를 절감 효과 및 결로 방지로 인한 이점을 얻을 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (15)

  1. 윈도우 기판; 및 상기 윈도우 기판을 설치 장소에 거치하기 위해 상기 윈도우 기판에 결합되는 프레임을 포함하는 발열 윈도우 유닛으로서,
    상기 윈도우 기판의 일 면에 선택적으로 코팅되어 상기 윈도우 기판을 부분 가열 또는 차등 가열하기 위한 면상 발열체; 및
    상기 면상 발열체에 전력을 인가하기 위해 상기 면상 발열체에 전기적으로 접속된 제 1 극성의 제 1 전극 및 상기 제 1 전극과 다른 제 2 극성의 제 2 전극을 포함하는 발열 윈도우 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 면상 발열체는 0.1 Ω/□ 내지 50 Ω/□ 의 범위 내의 표면 저항을 갖는 발열 윈도우 유닛.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 면상 발열체는 인듐 산화물(InO2); 주석 산화물(SnO2); 인듐 주석 산화물(ITO); 및 아연 산화물(ZnO) 중 적어도 어느 하나를 주된 메트릭스로 하고, 상기 메트릭스에 비금속, 금속, 또는 준금속이 도핑된 재료 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 포함하는 발열 윈도우 유닛.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 윈도우 기판과 상기 면상 발열체 사이에 유전체 버퍼층을 포함하는 발열 윈도우 유닛.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 윈도우 기판의 상기 면상 발열체가 형성된 면의 반대면 상에 반사층, 방열층, 단열층 또는 이들 중 2 이상의 적층 구조를 포함하는 발열 윈도우 유닛.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 면상 발열체 상에 보호층 및 상기 윈도우 기판의 배면에 보호층 중 어느 하나 또는 2 이상의 조합을 더 포함하는 발열 윈도우 유닛.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 보호층은 절연성 박막, 유리 기판 또는 고분자 수지계 기판을 포함하는 발열 윈도우 유닛.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열 윈도우 유닛은 상기 설치 장소를 상기 윈도우 유닛을 기준으로 제 1 온도를 갖는 제 1 공간과 상기 제 1 온도보다 낮은 제 2 온도를 갖는 제 2 공간으로 구분하고, 상기 제 1 공간은 지면에 수직한 방향으로 또는 지면에 수평한 방향으로 온도 편차를 가지며, 상기 윈도우 기판의 상기 일면에 걸쳐 상기 온도 편차에 의해 포화수증기압의 차이가 더 큰 상기 윈도우 기판의 일부 영역에만 상기 면상 발열체가 선택적으로 코팅된 발열 윈도우 유닛.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 면상 발열체의 두께 또는 패턴을 변화시켜 상기 면상 발열체의 저항을 조절하는 것을 포함하는 발열 윈도우 유닛.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 면상 발열체는 상기 윈도우 기판의 상기 차등 가열을 위하여 서로 이격되어 전기적으로 분리된 복수개의 서브 면상 발열체들을 포함하며,
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 중 적어도 어느 하나는 상기 서브 면상 발열체들에 각각 할당되는 복수개의 서브 전극들을 포함하며,
    상기 서브 전극들은 상기 윈도우 기판의 가장자리들 중 일 가장자리에 편중되어 배치되고, 상기 서브 전극들에 연결된 배선을 통해 상기 서브 면상 발열체들을 병렬 연결 또는 직렬 연결시킴으로써, 전력원으로부터 공급받는 전력을 상기 서브 면상 발열체에 공급하는 발열 윈도우 유닛.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 면상 발열체는 상기 윈도우 기판의 상기 차등 가열을 위해 상기 윈도우 기판 상에 연속적인 두께 구배를 갖도록 코팅된 연속 면상 발열체를 포함하는 윈도우 유닛.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 연속 면상 발열체는 서로 이격되어 전기적으로 분리된 복수개의 서브 연속 면상 발열체들을 포함하며,
    상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 중 적어도 어느 하나는 상기 서브 면상 발열체들에 각각 할당되는 복수개의 서브 전극들을 포함하며,
    상기 서브 전극들은 상기 윈도우 기판의 가장자리들 중 일 가장자리와 접하는 프레임의 일부에 배치되고, 상기 서브 전극들에 연결된 배선을 통해 상기 서브 연속 면상 발열체들을 병렬 연결 또는 직렬 연결시킴으로써, 전력원으로부터 공급받는 전력을 상기 서브 연속 면상 발열체에 공급하는 발열 윈도우 유닛.
  13. 윈도우 시스템에 있어서,
    제 1 항 기재의 발열 윈도우 유닛;
    상기 발열 윈도우 유닛에 결합되는 센서부; 및
    상기 발열 윈도우 유닛과 상기 센서부와 전기적으로 연결되어, 상기 발열 윈도우 유닛과 상기 센서부를 제어하는 제어부를 포함하는 윈도우 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 센서부는 습도 센서, 온도 센서, 및 조도 센서 중 어느 하나 또는 2 이상의 조합인 윈도우 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제어부는 일정한 주기 또는 시퀀스(sequence)를 가지고 반복적으로 상기 면상 발열체를 작동시키는 프로그램을 포함하는 윈도우 시스템.
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