KR20180022398A - 발열패드 및 이를 이용한 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소나노튜브 발열패드 및 이를 이용한 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 탄소나노튜브로부터 형성된 발열층을 포함하는 발열패드로서 발열 및 방열 효과가 탁월하고 전력 소모량을 크게 절감시킬 수 있으며, 전자파 차폐 및 소음 억제 효과가 추가로 구현될 뿐만 아니라, 유연성, 굴곡성, 기계적 강도 등이 우수하여 다양한 용도, 특히 난방, 온수탱크 등을 위한 히터로 적용될 수 있는 탄소나노튜브 발열패드 및 이를 이용한 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 발열패드 및 이를 이용한 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 탄소계 소재로부터 형성된 발열층을 포함하는 발열패드로서 발열 및 방열 효과가 탁월하고 전력 소모량을 크게 절감시킬 수 있으며, 전자파 차폐 및 소음 억제 효과가 추가로 구현될 뿐만 아니라, 유연성, 굴곡성, 기계적 강도 등이 우수하여 다양한 용도, 특히 난방, 온수탱크 등을 위한 히터로 적용될 수 있는 발열패드 및 이를 이용한 시스템에 관한 것이다.
실내공간의 난방을 위해 건물의 바닥이나 벽면에 설치되는 종래 발열패드에 적용되는 면상발열체로서 온수배관, 열선 등이 매립된 면상발열체, 전기전도도와 열전도도가 우수한 금속, 탄소계 소재 등을 함유하는 페이스트로부터 형성된 발열 플레이트에 패턴화된 전극이 결합된 면상발열체 등이 사용되고 있다.
그러나, 온수배관이 적용된 면상발열체의 경우 일정한 패턴으로 배치된 배관을 순환하는 온수로부터 발열하는 방식으로 발열 효과가 낮아 전력 소모량이 크고, 균일한 방열을 위한 배관의 배치로 제조단가가 증가하는 문제가 있으며, 면상발열체의 유연성, 굴곡성 등을 구현할 수 없어 적용할 수 있는 용도가 제한되는 문제가 있다.
또한, 열선이 적용된 면상발열체의 경우 전원이 인가된 열선의 저항에 의해 발열하는 방식으로 발열 효과가 낮아 전력 소모량이 크고, 균일한 방열을 위한 열선의 배치로 제조단가가 증가하는 문제가 있으며, 열선에 흐르는 전류에 의한 전자파 및 소음 발생이 문제되며, 면상발열체의 유연성, 굴곡성 등이 낮아 적용할 수 있는 용도가 제한되는 문제가 있다.
그리고, 전기/열 전도성 페이스트로부터 형성된 발열 플레이트와 패턴화된 전극이 결합된 종래의 면상발열체 역시 발열 효과가 불충분하고 균일한 방열을 위한 패턴화된 전극의 배치로 인해 전자파 및 소음 발생이 심각한 문제가 있다.
따라서, 발열 및 방열 효과가 탁월하고 전력 소모량을 크게 절감시킬 수 있으며, 전자파 차폐 및 소음 억제 효과가 추가로 구현될 뿐만 아니라, 유연성, 굴곡성, 기계적 강도 등이 우수하여 다양한 용도에 적용될 수 있는 발열패드 및 이를 이용한 시스템이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 발열 및 방열 효과가 탁월하고 전력 소모량을 크게 절감시킬 수 있는 발열패드 및 이를 이용한 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전자파 차폐 밑 소음 억제 효과가 우수한 발열패드 및 이를 이용한 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 유연성, 굴곡성, 기계적 강도 등이 우수한 발열패드 및 이를 이용한 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 가제를 해결하기 위해, 본 발명은,
탄소계 소재로 이루어진 발열층; 상기 발열층과 전기적으로 접속하고 상기 발열층의 측면을 따라 배치되는 한 쌍의 전극; 상기 발열층의 상부 및 하부에 각각 적층된 한 쌍의 절연층을 포함하는, 발열패드를 제공한다.
여기서, 상기 발열층은 탄소나노튜브를 포함하는 탄소계 소재의 압착에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 발열패드를 제공한다.
또한, 상기 탄소계 소재는 그래핀, 카본블랙 또는 이들 모두를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 발열패드를 제공한다.
한편, 상기 한 쌍의 절연층 중 하나 이상의 절연층은 고분자 수지에 열전도성 첨가제가 첨가된 방열성 고분자 복합소재로부터 형성된 것을 특징으로 하는, 발열패드를 제공한다.
여기서, 상기 절연층은 아래 수학식 1에 의해 정의되는 등방성 열전도도(isotropic thermal conductivity) k가 0.5 내지 50 W/m·K인 것을 특징으로 하는, 발열패드를 제공한다.
[수학식 1]
상기 수학식 1에서,
kxy는 상기 절연층의 수평 열전도도(In-plane thermal conductivity)이며,
kz는 상기 절연층의 수직 열전도도(Through-plane thermal conductivity)이다.
또한, 상기 고분자 수지는 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌에테르아크릴레이트(EEA), 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 및 열가소성폴리우레탄(TPU)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 열가소성 고분자 수지를 포함하고, 상기 열전도성 첨가제는 탄소나노튜브, 그래핀나노플레이트 및 팽창흑연으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 열전도성 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 발열패드를 제공한다.
그리고, 상기 열전도성 첨가제는, 상기 열가소성 고분자 수지 100 중량부를 기준으로, 상기 탄소나노튜브 약 0.1 내지 2 중량부, 상기 그래핀나노플레이트 약 2 내지 20 중량부 및 상기 팽창흑연 약 5 내지 30 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 발열패드를 제공한다.
한편, 상기 한 쌍의 전극 각각은 상기 발열층 측면의 길이를 적어도 부분적으로 덮을 수 있는 길이를 갖고, 상기 한 쌍의 전극 중 하나의 전극은 상기 발열층 상부에 배치되고 다른 전극은 상기 발열층 하부에 배치되는 것을 특징으로 하는, 발열패드를 제공한다.
여기서, 상기 한 쌍의 전극 각각은 일말단이 상기 발열층 외부로 돌출되고, 상기 전극 중 하나의 전극은 상기 발열층의 일측으로 돌출되고 다른 전극은 상기 발열층의 타측으로 돌출되는 것을 특징으로 하는, 발열패드를 제공한다.
또한, 상기 발열층의 두께는 0.1 내지 10 mm이고, 상기 절연층의 두께는 50 ㎛ 내지 3 cm인 것을 특징으로 하는, 발열패드를 제공한다.
한편, 상기 발열패드 복수개가 결합되어 형성된 발열구조체, 상기 발열패드로 물을 가열하고 가열된 온수를 저장하는 온수탱크, 상기 발열구조체 및 상기 온수탱크에 적용된 발열패드에 전원을 공급하는 전원공급장치 및 상기 발열구조체 및 상기 온수탱크의 온도를 측정하고 제어하는 온도조절장치를 포함하는, 난방 및 온수공급 시스템을 제공한다.
여기서, 전기에너지를 저장하여 보관하는 에너지저장장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 난방 및 온수공급 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 발열패드는 탄소계 소재로부터 형성된 발열층 및 이의 상하부에 배치된 특정 방열효과를 구현하는 방열층을 구비함으로써 발열 및 방열 효과가 탁월하고 전력 소모량을 크게 절감시킬 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 발열패드는 전극의 형상 및 배치를 조절함으로써 전자파 및 소음의 발생을 최소화할 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.
나아가, 본 발명에 따른 발열패드는 발열층과 방열층의 소재 및 두께 조절에 의해 유연성, 굴곡성, 기계적 강도 등을 향상시켜 적용할 수 있는 용도가 매우 다양할 뿐만 아니라 시공이 간편하고 용이한 우수한 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 발열패드의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 발열패드 복수개가 서로 결합된 발열구조체의 모습을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본원의 실시예에서 본 발명에 따른 발열패드의 발열 효과 및 방열 효과를 평가한 그래프를 도시한 것이다.
도 4는 본원의 실시예에서 본 발명에 따른 발열패드에 대한 열화상카메라 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 발열패드 복수개가 서로 결합된 발열구조체의 모습을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본원의 실시예에서 본 발명에 따른 발열패드의 발열 효과 및 방열 효과를 평가한 그래프를 도시한 것이다.
도 4는 본원의 실시예에서 본 발명에 따른 발열패드에 대한 열화상카메라 사진이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 발열패드의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 발열패드(100)는 탄소나노튜브 등의 탄소계 소재로 이루어진 발열층(10), 상기 발열층(10)과 전기적으로 접속하고 상기 발열층(10)의 측면을 따라 배치된 한 쌍의 전극(20a,20b), 상기 발열층(10)의 상부 및 하부에 각각 적층된 한 쌍의 절연층(30a,30b)을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 발열층(10)을 형성하는 탄소계 소재로서 사용될 수 있는 탄소나노튜브(carbon nano fiber; CNT)는 6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 튜브 형태를 이루고 지름이 나노미터 사이즈인 미세한 분자로서, 다중층 탄소나노튜브(MWCNT), 단일층 탄소나노튜브(SWCNT), 이중층 탄소나노튜브(DWCNT) 등으로부터 적절히 선택되어 적용될 수 있고, 상기 탄소계 소재는 상기 탄소나노튜브(CNT) 이외에 그래핀(graphene), 카본블랙(carbon black) 등을 추가로 포함할 수 있다.
상기 발열층(10)은 상기 탄소계 소재가 고분자 수지 등에 분산된 발열 페이스트로부터 형성되는 것이 아니라 상기 탄소계 소재 자체의 열압착 등에 의해 형성됨으로써, 종래 발열 페이스트로부터 형성된 발열층에서의 고분자 수지 내에서의 탄소계 소재의 불균일한 분산 문제가 발생하지 않기 때문에 발열 효과, 특히 신속하고 균일한 발열 효과가 탁월하고 전력 소모량을 30% 이상 크게 절감시킬 수 있다. 상기 발열층(10)의 두께는 약 0.1 내지 10 mm일 수 있다.
상기 발열층(10)의 상부 또는 하부에는 상기 발열층(10)의 마주보는 측면 각각을 따라 배치되고 상기 측면의 길이를 적어도 부분적으로, 바람직하게는 전체적으로 덮을 수 있는 길이를 갖는 한 쌍의 전극(20a,20b)이 배치되어 상기 발열층(10)과 전기적으로 접속될 수 있다. 상기 한 쌍의 전극(20a,20b)에 서로 다른 극성의 전압이 인가됨으로써 상기 한 쌍의 전극(20a,20b) 사이에 배치된 발열층(10)에 전류가 흐르게 되고 발열하게 된다.
상기 전극(20a,20b)은 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등 전기전도도가 우수한 금속 등의 소재로 이루어질 수 있고, 상기 전극(20a,20b)에는 12V 또는 24V의 직류전압이 인가되는 것을 고려하여 적절한 전기전도도 및 두께를 보유할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 발열층(10)은 종래 발열 페이스트와 달리 탄소계 소재 자체의 압착에 의해 형성되기 때문에, 균일한 발열을 위해 상기 발열층(10)을 전면적으로 커버하는 종래의 패턴화된 전극이 불필요하고, 상기 발열층(10)의 마주보는 양 측면 각각을 따라 일렬로 배치된 전극에 의해서도 상기 발열층(10)의 전면적이고 균일한 발열을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 이로써 전력 소모량을 크게 절감시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 발열패드에서 상기 발열층(10)의 마주보는 양 측면 각각을 따라 일렬로 배치된 전극(20a,20b)을 채택함으로써 종래의 패턴화된 전극에 의한 전자파 및 소음 발생을 억제하거나 최소화할 수 있고, 미미하게 발생한 전자파 마저도 상기 발열층(10)을 형성하는 탄소계 소재의 의해 흡수되어 전자파의 외부 방출을 억제할 수 있다.
나아가, 본 발명에 따른 발열패드(100)는 종래의 패턴화된 전극을 대체하여 발열층(10)의 마주보는 양 측면을 따라 일렬로 배치된 전극(20a,20b)을 채택함으로써 패턴화된 전극을 구현하기 위한 비용을 절감할 수 있어 제조단가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 상기 패턴화된 전극에 의해 발열패드의 유연성, 굴곡성 등이 저하되는 것을 회피할 수 있다.
상기 전극(20a,20b)은 상기 발열층(10)에서의 두께 방향으로의 균일한 발열을 위해 상기 전극(20) 중 하나(20a)는 상기 발열층(10)의 상부에 배치되고 상기 전극(20) 중 나머지 하나(20b)는 상기 발열층(10)의 하부에 배치되는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명에 따른 발열패드 복수개가 서로 결합된 발열구조체의 모습을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 발열패드(100)에 있어서 상기 전극(20a,20b) 각각은 일말단이 상기 발열층(10) 외부로 돌출될 수 있고, 특히 상기 전극(20) 중 하나(20a)는 상기 발열층(10)의 일측으로 돌출되고 나머지 하나(20b)는 상기 발열층(10)의 타측으로 돌출될 수 있으며, 이로써 하나의 발열패드(100)의 전극(20a,20b) 말단의 돌출부가 각각 인접한 다른 발열패드(100) 전극의 상부 또는 하부에 삽입됨으로써 상기 발열패드(100)는 인접한 다른 발열패드(100)와 결합할 수 있고 이들의 전극들은 서로 전기적으로 접속될 수 있고, 복수개의 발열패드(100)의 결합에 의해 건물의 바닥 또는 벽면 전체를 커버하는 발열구조체를 형성할 수 있다.
상기 발열층(10)의 상부 및 하부 각각에 적층된 절연층(30a,30b)은 상기 발열층(10)에 흐르는 전류가 외부로 누설되지 않도록 하는 기능을 수행하고, 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌에테르아크릴레이트(EEA), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 열가소성폴리우레탄(TPU) 등의 열가소성 고분자 수지로부터 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 절연층(30a,30b)은 24V의 직류전압 인가시 전류가 -0.01 mA 이하로 흐르지 않을 수 있고, 두께는 약 50 ㎛ 내지 3 cm일 수 있다.
상기 한 쌍의 절연층(30a,30b) 중 하나 이상의 절연층은 상기 고분자 수지에 탄소나노튜브(CNT), 그래핀나노플레이트(GNP), 팽창흑연(EG) 등의 열전도성 첨가제가 분산된 방열성 고분자 복합소재로부터 형성될 수 있고, 이로써 방열 효과가 우수한 방열층으로서의 기능을 추가로 수행할 수 있다. 상기 열전도성 첨가제는 상기 고분자 수지 내에서 균일하게 분산됨으로써 상기 고분자 수지 내부에서의 최적의 수평 및 수직 열전달 경로를 형성하게 되고, 이로써 방열성을 구현하게 된다.
상기 방열층으로서의 기능을 구현하는 절연층(30a,30b)은 아래 수학식 1에 의해 정의되는 등방성 열전도도(isotropic thermal conductivity) k가 약 0.5 내지 50 W/m·K일 수 있다. 여기서, 상기 등방성 열전도도 k가 0.5 W/m·K 미만인 경우 충분한 방열성이 구현될 수 없는 반면, 50 W/m·K 초과인 경우 상기 열전도성 첨가제가 과량 첨가되어야 하므로 이로 인해 상기 고분자 복합소재의 성형성이 크게 저하될 수 있다.
상기 수학식 1에서,
kxy는 상기 절연층의 수평 열전도도(In-plane thermal conductivity)이며,
kz는 상기 절연층의 수직 열전도도(Through-plane thermal conductivity)이다.
구체적으로, 상기 방열층으로서의 기능을 수행하는 절연층(30a,30b)의 수평 열전도도(kxy)는 약 1.5 W/m·K 이상이고, 수직 열전도도(kz)는 약 0.4 W/m·K 이상일 수 있으며, 이로써 통상의 방열 소재가 수평 열전도도에만 의존하여 방열기능을 수행하는 것과는 달리, 수평 및 수직 열전도도의 적절한 조화에 의해 최적의 방열기능을 수행할 수 있다.
이를 위해, 상기 열전도성 첨가제는, 상기 열가소성 고분자 수지 100 중량부를 기준으로, 상기 탄소나노튜브 약 0.1 내지 2 중량부, 상기 그래핀나노플레이트 약 2 내지 20 중량부 및 상기 팽창흑연 약 5 내지 30 중량부를 포함할 수 있다.
상기 열전도성 첨가제를 구성하는 상기 탄소나노튜브, 상기 그래핀나노플레이트 및 상기 팽창흑연의 함량이 상기 각각의 수치범위 미만인 경우 충분한 방열성을 구현할 수 없는 반면, 상기 수치범위 초과인 경우 상기 고분자 복합소재의 필름 성형성이 크게 저하될 뿐만 아니라, 상기 복합소재의 점도가 증가하여 내용제성 및 도막밀착성이 저하됨과 동시에 안정성까지 저하되어 물성이 크게 저하될 수 있다.
여기서, 상기 탄소나노튜브는 바람직하게는 지름이 5 내지 15 ㎚이고, 길이가 5 내지 500 ㎛이며, 겉보기 부피가 0.02 g/㎤ 이하인 다발형 형태일 수 있으며, 상기 그래핀나노플레이트는 바람직하게는 두께가 1 ㎛ 이하이고, 수평 길이가 3 내지 50 ㎛ 일 수 있으며, 상기 팽창흑연은 바람직하게는 수평 길이가 100 ㎛ 이하일 수 있다.
상기 방열성 고분자 복합소재는 상기 열가소성 고분자 수지에 상기 열전도성 첨가제가 배합 및 분산되어 제조된 것이나, 필요에 따라서는 상기 열가소성 고분자 수지에 대한 상기 열전도성 첨가제의 분산성을 향상시키기 위해 분산제를 추가로 포함할 수 있다.
상기 분산제는 상기 열가소성 고분자 수지 내에서의 상기 열전도성 첨가제의 분산성을 추가로 향상시킴으로써, 소량의 열전도성 첨가제에 의해 우수한 열전도도 및 방열성을 구현할 수 있도록 하고, 나아가 상기 방열성 고분자 복합소재의 제조시간을 단축시킬 수 있다.
상기 고분자 복합소재는, 상기 열가소성 고분자 수지 100 중량부를 기준으로, 상기 분산제 약 0.2 내지 5 중량부를 포함할 수 있다. 상기 분산제의 함량이 0.2 중량부 미만인 경우 상기 열전도성 첨가제의 목적한 분산성을 구현할 수 없는 반면, 5 중량부 초과인 경우 추가적으로 분산성 개선효과를 더 이상 기대하기 곤란하다.
상기 분산제는 상기 열가소성 고분자 수지에 대한 상기 열전도성 첨가제의 분산성을 향상시킬 수 있다면 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 탄소수가 10 이상인 포화, 불포화 또는 방향족 형태의 탄화수소 화합물일 수 있으며, 특히 점도가 약 10 내지 10,000 cP인 액상의 화합물로서, 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone), 세틸트리메틸암모늄브로마이드(cetyltrimethyl ammonium bromide) 등과 같은 분산제가 사용될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 발열패드(100)는 상기 발열층(10)과 상기 절연층(30) 사이에 접착층(미도시)을 추가로 포함함으로써 더욱 안정적인 적층 구조를 구현할 수 있고, 또한 상기 절연층(30)의 외측에는 추가의 보호층(미도시)이 적층되어 상기 발열패드(100)를 외부의 충격이나 압력으로부터 보호할 수 있다.
본 발명은 앞서 기술한 발열패드(100)가 이용된 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 앞서 기술한 발열패드(100)가 이용된 난방 및/또는 온수공급 시스템에 관한 것이다.
구체적으로, 본 발명에 따른 난방 및/또는 온수공급 시스템은 상기 발열패드(100) 복수개가 결합되어 형성된 발열구조체, 상기 발열패드(100)로 물을 가열하고 가열된 온수를 저장하는 온수탱크, 상기 발열구조체 및/또는 상기 온수탱크에 적용된 발열패드(100)에 전원을 공급하는 전원공급장치, 상기 발열구조체 및/또는 상기 온수탱크의 온도를 측정하고 제어하는 온도조절장치, 전기에너지를 저장하여 보관하는 에너지저장장치 등을 포함할 수 있다.
특히, 상기 온수탱크는 탱크의 외부 또는 내부에 구비된 발열패드(100)에 전원을 인가하여 발열시킴으로써 탱크 내부의 물의 온도를 상승시킬 수 있고, 또한 상기 온수탱크로 물을 공급하는 배관의 외측에 발열패드(100)를 배치함으로써 상기 온수탱크로 공급되는 물을 예열할 수 있다. 이러한 예열 방식은 갑작스런 온수 사용량의 증가로 상기 온수탱크 내의 물의 온도가 급격히 저하되는 것을 억제하고 또한 상기 발열패드(100)의 온도 상승이 지연되는 문제를 해결할 수 있다.
또한, 상기 온도조절장치는 상기 발열구조체 및/또는 상기 온수탱크 내의 물의 온도를 측정하는 센서부, 센서부에 의해 측정된 온도를 표시해주는 디스플레이부, 상기 발열구조체 및/또는 상기 온수탱크에 적용된 발열패드(100)에 인가되는 전원을 조절하는 전원조절부 등을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 에너지저장장치는 값싼 시간에 공급되는 전기에너지를 저장하여 필요할 때 효율적으로 전기에너지를 활용할 수 있도록 하는 장치이다.
[실시예]
탄소나노튜브의 열압착을 통해 두께 약 0.1 mm로 제조된 발열층에 도 1에 도시된 바와 같이 한 쌍의 구리(Cu) 전극을 적용하고 상기 전극을 통해 12 V의 직류전압을 인가한 후 시간별로 발열층의 온도를 측정했다.
또한, 상기 발열층의 상부 및 하부에 방열기능을 갖고 각각의 두께가 약 500 ㎛인 절연층을 적용한 방열패드에서 한 쌍의 구리(Cu) 전극을 통해 12 V의 직류접안을 인가한 후 시간별로 절연층(방열층)의 온도를 측정했다. 구체적으로, 상기 절연층(방열층)은 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA)에 탄소나노튜브 1 중량부, 그래핀나노플레이트 10 중량부 및 팽창흑연 8 중량부가 첨가된 고분자 복합재료로부터 형성했다.
상기 온도 측정은 열화상카메라로 측정했고, 그 결과는 아래 표 1 및 도 3에 나타난 바와 같다. 또한 도 4a는 전압 인가로부터 1분 30초 후의 발열층의 열화상카메라 사진이고, 도 4b는 전압 인가로부터 4분 후의 절연층(방열층)의 열화상카메라 사진이다.
| 0분 | 2분 | 4분 | 6분 | 8분 | 10분 | |
| 발열층 | 23℃ | 86℃ | 120℃ | 138℃ | 139.5℃ | 139.8℃ |
| 절연층 (방열층) |
23℃ | 78℃ | 101℃ | 119℃ | 135℃ | 137℃ |
상기 표 1과 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 발열패드는 신속하고 균일하게 발열하는 효과가 우수하고 발열층과 절연층(방열층) 사이의 온도 차이가 약 2℃ 까지 좁혀져 방열효과 또한 우수한 것으로 확인되었다.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명은 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.
10 : 발열층 20 : 전극
30 : 절연층
30 : 절연층
Claims (12)
- 탄소계 소재로 이루어진 발열층;
상기 발열층과 전기적으로 접속하고 상기 발열층의 측면을 따라 배치되는 한 쌍의 전극;
상기 발열층의 상부 및 하부에 각각 적층된 한 쌍의 절연층을 포함하는, 발열패드. - 제1항에 있어서,
상기 발열층은 탄소나노튜브를 포함하는 탄소계 소재의 압착에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 발열패드. - 제2항에 있어서,
상기 탄소계 소재는 그래핀, 카본블랙 또는 이들 모두를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 발열패드. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 한 쌍의 절연층 중 하나 이상의 절연층은 고분자 수지에 열전도성 첨가제가 첨가된 방열성 고분자 복합소재로부터 형성된 것을 특징으로 하는, 발열패드. - 제4항에 있어서,
상기 절연층은 아래 수학식 1에 의해 정의되는 등방성 열전도도(isotropic thermal conductivity) k가 0.5 내지 50 W/m·K인 것을 특징으로 하는, 발열패드.
[수학식 1]
상기 수학식 1에서,
kxy는 상기 절연층의 수평 열전도도(In-plane thermal conductivity)이며,
kz는 상기 절연층의 수직 열전도도(Through-plane thermal conductivity)이다. - 제5항에 있어서,
상기 고분자 수지는 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌에테르아크릴레이트(EEA), 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 및 열가소성폴리우레탄(TPU)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 열가소성 고분자 수지를 포함하고,
상기 열전도성 첨가제는 탄소나노튜브, 그래핀나노플레이트 및 팽창흑연으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 열전도성 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 발열패드. - 제5항에 있어서,
상기 열전도성 첨가제는, 상기 열가소성 고분자 수지 100 중량부를 기준으로, 상기 탄소나노튜브 약 0.1 내지 2 중량부, 상기 그래핀나노플레이트 약 2 내지 20 중량부 및 상기 팽창흑연 약 5 내지 30 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 발열패드. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 한 쌍의 전극 각각은 상기 발열층 측면의 길이를 적어도 부분적으로 덮을 수 있는 길이를 갖고, 상기 한 쌍의 전극 중 하나의 전극은 상기 발열층 상부에 배치되고 다른 전극은 상기 발열층 하부에 배치되는 것을 특징으로 하는, 발열패드. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 한 쌍의 전극 각각은 일말단이 상기 발열층 외부로 돌출되고, 상기 전극 중 하나의 전극은 상기 발열층의 일측으로 돌출되고 다른 전극은 상기 발열층의 타측으로 돌출되는 것을 특징으로 하는, 발열패드. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발열층의 두께는 0.1 내지 10 mm이고, 상기 절연층의 두께는 50 ㎛ 내지 3 cm인 것을 특징으로 하는, 발열패드. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 발열패드 복수개가 결합되어 형성된 발열구조체, 상기 발열패드로 물을 가열하고 가열된 온수를 저장하는 온수탱크, 상기 발열구조체 및 상기 온수탱크에 적용된 발열패드에 전원을 공급하는 전원공급장치 및 상기 발열구조체 및 상기 온수탱크의 온도를 측정하고 제어하는 온도조절장치를 포함하는, 난방 및 온수공급 시스템.
- 제11항에 있어서,
전기에너지를 저장하여 보관하는 에너지저장장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 난방 및 온수공급 시스템.
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