KR20180111463A - 히터 및 그를 이용한 레일 히팅 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히터 및 그를 이용한 레일 히팅 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 히터는 발열체 필름, 탄성 열전도체 및 금속 리드를 포함한다. 발열체 필름은 전원을 인가받아 발열한다. 탄성을 갖는 탄성 열전도체는 발열체 필름을 내장하며, 발열체 필름에서 발생된 열을 외부로 전달한다. 그리고 금속 리드는 탄성 열전도체를 덮으며, 탄성 열전도체의 일측면을 열전수체의 외측면에 탄성적으로 밀착시키고, 발열체 필름에서 발생된 열을 탄성 열전도체로부터 전달받아 외부로 방출한다. 본 발명에 따른 히터는 선로전환기용 레일 히터 장치에 사용된다.

Description

히터 및 그를 이용한 레일 히팅 장치{Heater and rail heating device using the same}

본 발명은 히터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발열체 필름에서 발생되는 열을 선로전환기용 레일과 같은 열전수체에 안정적으로 전달하는 히터 및 그를 이용한 레일 히팅 장치에 관한 것이다.

철도시스템에서 분기기는 철도의 안전한 운영을 위하여 가장 중요한 핵심장치 중 하나로 철도시스템의 정시성과 안전성 확보를 위하여서는 선로전환기의 원활한 운영이 매우 중요하다.

이러한 선로전환기는 선로현장에 설치되는 설비로 기후에 의하여 영향을 많이 받는 설비 중 하나이다. 따라서 선로전환기의 안전한 운영을 위하여 기계적 쇄정 및 전기적 쇄정까지 다양한 안전요소들을 고려해야 한다.

하지만 겨울철 폭설로 인한 결빙으로 선로전환기의 쇄정이 이루어지지 않는다면 선로전환기의 기능이 마비될 수 있다.

따라서 철도시스템은 기후조건에 의한 선로전환기의 기능 상실을 방지하기 위하여 다양한 방법을 이용하여 보호설비들을 구비하고 있다.

이러한 보호설비 중에 하나인 선로전환기용 레일 히터는 선로전환기용 레일의 결빙을 막고, 레일 주변의 눈을 녹여 선로 전환이 안정적으로 이루어지도록 한다. 기존의 선로전환기용 레일 히터로 시즈 히터(sheath heater)가 사용되고 있다. 시즈 히터는 레일의 외측면에 부착되어 레일을 가열하게 된다.

이러한 시즈 히터는 세라믹으로 구성되고, 레일의 평탄도 및 레일의 외측면에 잔존하는 이물 등으로 인해서, 시즈 히터가 레일의 외측면에 밀착되지 못하고 시트 히터와 레일 사이에 유격이 발생될 수 있다. 이와 같이 유격이 발생될 경우, 시즈 히터에서 발생될 열이 레일로 전달되는 과정에서 손실이 발생하고, 이로 인해 레일을 안정적으로 가열하지 못하는 문제가 발생될 수 있다.

시즈 히터는 전력 사용량이 높고, 사용 전력에 비해서 발열 효율이 떨어지고, 승온 속도도 느린 문제점을 가지고 있다.

그리고 시즈 히터는 폭이 1cm 내외로 레일의 폭보다는 상당히 좁기 때문에, 결빙되어 있는 레일의 전면을 가열하는 데 오랜 시간이 소요되어 에너지 효율 측면에서 분리한 구조를 갖고 있다.

공개특허공보 제2015-0077066호(2015.07.07.)

따라서 본 발명의 목적은 레일과 같은 열을 전달받는 열전수체와 안정적인 밀착성을 갖는 히터 및 그를 이용한 레일 히팅 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 저전력으로 높은 발열 특성을 나타내는 히터 및 그를 이용한 레일 히팅 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 승온 속도가 빠른 히터 및 그를 이용한 레일 히팅 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 열전수체의 외측면과의 접촉 면적을 높여 열전수체의 전면을 가열하는 데 소요되는 시간을 단축할 수 있는 히터 및 그를 이용한 레일 히팅 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전원을 인가받아 발열하는 발열체 필름; 상기 발열체 필름을 내장하며, 상기 발열체 필름에서 발생된 열을 외부로 전달하는 탄성을 갖는 탄성 열전도체; 및 상기 탄성 열전도체를 덮으며, 상기 탄성 열전도체의 일측면을 열전수체의 외측면에 탄성적으로 밀착시키고, 상기 발열체 필름에서 발생된 열을 상기 탄성 열전도체로부터 전달받아 외부로 방출하는 금속 리드;를 포함하는 히터를 제공한다.

본 발명은 또한, 전원을 인가받아 발열하는 복수의 면상 발열체를 구비하며, 상기 복수의 면상 발열체는 전도성 입자로 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 함유하는 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되는 발열체 필름; 상기 발열체 필름을 내장하며, 일측면이 레일의 외측면에 탄성적으로 밀착되어 상기 발열체 필름에서 발생된 열을 상기 레일에 전달하는 탄성 열전도체; 및 상기 탄성 열전도체를 덮으며, 상기 탄성 열전도체의 일측면을 상기 레일의 외측면에 밀착되게 고정설치하고, 상기 발열체 필름에서 발생된 열을 상기 탄성 열전도체로부터 전달받아 외부로 방출하는 금속 리드;를 포함하는 선로전환기용 레일 히터를 제공한다.

상기 발열체 필름은, 베이스 기판; 상기 베이스 기판의 일면에 형성된 금속 소재의 전극 배선 패턴; 상기 베이스 기판 일면의 상기 전극 배선 패턴에 연결되게 상기 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되며, 상기 전극 배선 패턴으로 전원을 인가받아 발열하는 상기 복수의 면상 발열체; 및 상기 복수의 면상 발열체가 형성된 상기 베이스 기판의 일면을 덮는 덮개 필름;을 포함할 수 있다.

상기 복수의 면상 발열체를 형성하는 발열체 조성물은, 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하거나 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하는 혼합 바인더; 및 은 분말, 은 코팅된 니켈 분말 또는 은 코팅된 구리 분말을 더 포함하는 상기 전도성 입자;를 포함할 수 있다.

상기 베이스 기판의 소재는 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르술폰(polyethersulphone; PES), 폴리아크릴레이트(polyacrylate: PAR), 폴리에테르이미드(polyetherimide; PEI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethyelenen napthalate; PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이드(polyethyeleneterepthalate; PET), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide: PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리아세테이트(cellulose triacetate; CTA) 또는 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propinonate; CAP)를 포함할 수 있다.

상기 덮개 필름의 소재는 상기 베이스 기판의 소재와 동일할 수 있다.

상기 복수의 면상 발열체는 일렬로 배열되며, 상기 전극 배선 패턴에 병렬로 연결될 수 있다.

상기 복수의 면상 발열체는 각각, 상기 복수의 면상 발열체가 일렬로 배열된 가로 방향의 길이(X)가 세로의 길이(Y)보다는 짧을 수 있다.

상기 전극 배선 패턴은, 일정 간격으로 이격된 한 쌍의 전극 패드; 상기 한 쌍의 전극 패드에 각각 연결되어 일 방향으로 연장된 한 쌍의 연결 배선; 및 상기 한 쌍의 연결 배선에 각각 연결되어 마주보는 연결 배선 쪽으로 뻗어 있는 복수의 전극 단자로서, 상기 한 쌍의 연결 배선에 연결된 전극 단자의 쌍에 면상 발열체가 각각 연결되는 복수의 전극 단자;를 포함할 수 있다.

상기 전극 배선 패턴의 소재는 은, 알루미늄, 구리, 니켈, 스테인리스 스틸 또는 이들의 합금일 수 있다.

상기 발열체 필름은, 베이스 기판; 상기 베이스 기판의 양면에 형성된 금속 소재의 전극 배선 패턴; 상기 베이스 기판의 양면의 상기 전극 배선 패턴에 각각 연결되게 상기 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되며, 상기 전극 배선 패턴으로 전원을 인가받아 발열하는 상기 복수의 면상 발열체; 및 상기 복수의 면상 발열체가 형성된 상기 베이스 기판의 양면을 덮는 덮개 필름;을 포함할 수 있다.

상기 탄성 열전도체의 소재는 엘라스토머일 수 있다.

상기 탄성 열전도체의 소재는 실리콘(silicone) 또는 합성 고무일 수 있다.

상기 탄성 열전도체는 실리콘 또는 합성 고무에 탄소 입자, 금속 입자 또는 무기 입자가 첨가될 수 있다.

상기 금속 리드는, 상기 발열체 필름이 내장된 상기 탄성 열전도체가 수용되는 내부 공간을 가지며, 상기 내부 공간의 개방부로 상기 탄성 열전도체의 일측면이 노출되는 덮개부; 및 상기 덮개부와 일체로 형성되어 상기 덮개부를 상기 열전수체에 고정설치하여 상기 탄성 열전도체의 일측면을 상기 열전수체의 외측면에 밀착시키는 장착부;를 포함할 수 있다.

본 발명은 또한, 전원을 인가받아 발열하며 일렬로 배열된 복수의 면상 발열체를 구비하며, 상기 복수의 면상 발열체는 전도성 입자로 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 함유하는 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되는 발열체 필름; 상기 발열체 필름을 내장하며, 일측면이 레일의 외측면에 탄성적으로 밀착되어 상기 발열체 필름에서 발생된 열을 상기 레일에 전달하는 엘라스토머 소재의 탄성 열전도체; 및 상기 탄성 열전도체의 일측면을 제외한 외측면을 덮으며, 상기 탄성 열전도체의 일측면을 상기 레일의 외측면에 밀착되게 고정설치하고, 상기 발열체 필름에서 발생된 열을 상기 탄성 열전도체로부터 전달받아 외부로 방출하는 금속 리드;를 포함하는 선로전환기용 레일 히터를 제공한다.

그리고 본 발명은 선로전환기용 레일; 및 상기 레일을 히팅하는 상기 레일 히터를 포함하는 선로전환기용 레일 히팅 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 히터는 발열체 필름이 내장된 탄성 열전도체를 구비하고, 금속 리드가 탄성 열전도체를 레일과 같은 열전수체의 외측면에 탄성적으로 밀착시키기 때문에, 발열체 필름에서 발생된 열을 탄성 열전도체를 통하여 열전수체에 안정적으로 전달하여 열전수체를 가열할 수 있다.

탄성 열전도체에 내장된 발열체 필름은 저전력으로 구동 가능한 복수의 면상 발열체를 구비하기 때문에, 저전력으로 높은 발열 특성을 나타낼 수 있다.

발열체 필름에 형성된 복수의 면상 발열체는 인쇄 공정으로 다양한 면적을 갖도록 설계가 가능하기 때문에, 기존의 시즈 히터 대비 열전수체와의 접촉 면적을 높여 열전수체를 보다 안정적으로 가열할 수 있고, 열전달 과정에서의 열손실을 최소화할 수 있다.

발열체 필름의 면상 발열체는 인쇄 공정을 통하여 다양하게 설계가 가능하기 때문에, 다양한 구동 전압, 구동 온도 및 출력에 따라 발열체 필름을 제조할 수 있다.

발열체 필름의 면상 발열체는 전도성 입자와 혼합 바인더를 포함하는 도료 형태의 발열체 조성물로 형성하기 때문에, 비저항이 낮고 열전도율이 우수해 저전압 구동에 유리하고 승온 속도가 빠른 장점이 있다. 즉 발열체 조성물은 전도성 입자와 함께, 헥사메틸렌 디이소시아네이트 또는 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하는 혼합 바인더를 포함하기 때문에, 200℃ 이상의 온도에서도 내열성을 유지할 수 있다. 이로 인해 본 발명에 따른 히터는 온도에 따른 저항 변화가 작아 발열 거동 및 안정성이 높은 히터를 제공할 수 있다.

탄소나노튜브 입자와 그라파이트 입자를 포함하는 발열체 조성물로 형성한 면상 발열체는 블랙 바디(block body)이기 때문에, 본 발명에 따른 히터는 흑체 복사로 인해 추가적인 에너지 효율을 향상을 얻을 수 있다.

발열체 조성물은 비저항이 낮고 두께 조절이 용이하여 저전압 및 저전력으로 고온 발열이 가능한 히터를 제공할 수 있다.

그리고 발열체 조성물은 스크린 인쇄, 롤투롤 그라비아 인쇄, 롤투롤 콤마 코팅, 플렉소 인쇄, 옵셋 인쇄가 가능하기 때문에, 본 발명에 따른 히터의 대량 생산에 유리할 뿐만 아니라 제품 길이 및 면적에 대한 제약을 해소할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선로전환기용 레일 히터를 구비하는 레일 히팅 장치를 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1의 2-2선 단면도이다.
도 3은 도 1의 선로전환기용 레일 히터를 보여주는 부분 절개 사시도이다.
도 4는 도 3의 4-4선 단면도이다.
도 5는 도 4의 A 부분의 확대도이다.
도 6은 도 2의 발열체 필름의 제1 예를 보여주는 평면도이다.
도 7은 도 6의 7-7선 단면도이다.
도 8은 도 2의 발열체 필름의 제2 예를 보여주는 단면도이다.
도 9는 제1 내지 제4 실험예에 따른 발열체 필름의 단위 발열체를 보여주는 평면도이다.
도 10 내지 도 13은 제1 내지 제4 실험예에 따른 단위 발열체의 기전류 및 발열온도의 변화를 보여주는 그래프들이다.
도 14는 제5 실험예에 따른 발열체 필름을 보여주는 평면도이다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명에 따른 히터는 발열체 필름, 탄성 열전도체 및 금속 리드를 포함한다. 발열체 필름은 전원을 인가받아 발열한다. 탄성을 갖는 탄성 열전도체는 발열체 필름을 내장하며, 발열체 필름에서 발생된 열을 외부로 전달한다. 그리고 금속 리드는 탄성 열전도체를 덮으며, 탄성 열전도체의 일측면을 열전수체의 외측면에 탄성적으로 밀착시키고, 발열체 필름에서 발생된 열을 탄성 열전도체로부터 전달받아 외부로 방출한다.

이때 열전수체는 발열체 필름으로부터 열을 전달받는 물체로서, 예컨대 선로전환기용 레일, 원유나 액상 화학물지로가 같이 온도 유지가 필요한 탱크 등이 될 수 있다.

본 발명에 따른 히터가 탱크에 사용되는 경우, 금속 리드는 외부로 전달되는 열을 차단하는 열차단 재킷으로 사용될 수 있기 때문에, 탄성 열전도체와 금속 리드 간에 열차단제가 개재된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이때 열전수체로 선로전환기용 레일이 사용된 예를 개시하였다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선로전환기용 레일 히터를 구비하는 레일 히팅 장치를 보여주는 사시도이다. 도 2는 도 1의 2-2선 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 선로전환기용 레일 히팅 장치(300)는 레일(100)과, 레일(100)의 외측면에 탄성적으로 밀착되게 설치되어 레일(100)을 가열하는 레일 히터(200)를 포함한다.

여기서 레일 히터(200)가 설치되는 레일(100)은 선로전환기에 설치되는 레일로서, 선로전환기의 제어에 따라 좌우로 이동하는 레일일 수 있다. 레일 히터(200)가 설치되는 레일(100)의 외측면은 레일(100)의 길이 방향에 위치하는 양측면 중에 하나이다. 레일 히터(200)는 밀착된 레일(100)로 열을 전달하여 레일(100)을 가열하여 레일(100)의 결빙을 억제한다. 레일 히터(200)는 레일(100)의 외측으로 열을 방출하여 레일(100) 주변의 눈을 녹여 선로 전환이 안정적으로 이루어질 수 있도록 한다.

그리고 레일 히터(200)는 저전력으로 발생되는 높은 발열량을 이용하여 레일(100)을 가열하는 히터이다. 레일 히터(200)는 레일(100)의 길이 방향으로 설치된다. 이러한 레일 히터(200)는 발열체 필름(10), 탄성 열전도체(60) 및 금속 리드(70; metal lid)를 포함하며, 레일 히터(200)는 체결 부재(80)에 의해 레일(100)의 외측면에 설치된다. 발열체 필름(10)은 전원을 인가받아 발열하는 복수의 면상 발열체(40)를 구비한다. 복수의 면상 발열체(40)는 전도성 입자로 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 함유하는 발열체 조성물을 인쇄하여 형성된다. 탄성 열전도체(60)는 발열체 필름(10)을 내장하며, 일측면이 레일(100)의 외측면에 탄성적으로 밀착되어 발열체 필름(10)에서 발생된 열을 레일(100)에 전달한다. 그리고 금속 리드(70)는 탄성 열전도체(60)를 덮으며, 탄성 열전도체(60)의 일측면을 레일(100)의 외측면에 밀착되게 고정설치한다. 금속 리드(70)는 발열체 필름(10)에서 발생된 열을 탄성 열전도체(60)로부터 전달받아 외부로 방출한다.

이와 같이 본 실시예에 따른 레일 히터(200)는 발열체 필름(10)이 내장된 탄성 열전도체(60)를 구비하고, 금속 리드(70)가 탄성 열전도체(60)를 레일(200)의 외측면에 탄성적으로 밀착시키기 때문에, 발열체 필름(10)에서 발생된 열을 탄성 열전도체(60)를 통하여 레일(100)에 안정적으로 전달하여 레일(100)을 가열할 수 있다. 즉 레일 히터(200)와 레일(100) 간에 유격이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

탄성 열전도체(60)에 내장된 발열체 필름(10)은 저전력으로 구동 가능한 복수의 면상 발열체(40)를 구비하기 때문에, 저전력으로 높은 발열 특성을 나타낼 수 있다.

발열체 필름(10)에 형성된 복수의 면상 발열체(40)는 인쇄 공정으로 다양한 면적을 갖도록 설계가 가능하기 때문에, 기존의 시즈 히터 대비 레일(100)과의 접촉 면적을 높여 레일(100)을 보다 안정적으로 가열할 수 있고, 열전달 과정에서의 열손실을 최소화할 수 있다.

발열체 필름(10)의 면상 발열체(40)는 인쇄 공정을 통하여 다양하게 설계가 가능하기 때문에, 다양한 구동 전압, 구동 온도 및 출력에 따라 발열체 필름(10)을 설계할 수 있다.

이와 같은 본 실시예에 따른 레일 히터(200)에 대해서 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 3은 도 1의 선로전환기용 레일 히터(200)를 보여주는 부분 절개 사시도이다. 도 4는 도 3의 4-4선 단면도이다. 그리고 도 5는 도 4의 A 부분의 확대도이다.

본 실시예에 따른 레일 히터(200)는 전술된 바와 같이, 발열체 필름(10), 탄성 열전도체(60) 및 금속 리드(70)를 포함한다.

발열체 필름(10)은 베이스 기판(20) 위에 일렬로 배열된 복수의 면상 발열체(40)를 포함한다. 복수의 면상 발열체(40)는 발열체 조성물을 베이스 기판(20) 위에 인쇄하여 형성한다. 베이스 기판(20)의 상부면(23)에 형성된 복수의 면상 발열체(40)는 베이스 기판(20)의 상부면(23)에 합지되는 덮개 필름(50)에 의해 외부 환경으로부터 보호된다. 발열체 필름(10)의 구체적인 구성에 대해서는 후술하도록 하겠다.

탄성 열전도체(60)는 발열체 필름(10)을 내장하며, 탄성과 열전도성을 갖는 소재로 제조된다. 탄성 열전도체(60)의 소재로는 엘라스토머(elastomer)가 사용될 수 있다. 예컨대 탄성 열전도체(60)로는 실리콘(silicone) 또는 합성 고무가 사용될 수 있다.

탄성 열전도체(60)는 전술된 소재의 컴파운드를 이용한 사출 성형으로 제조할 수 있다. 즉 사출 금형에 발열체 필름(10)을 위치시킨 상태에서, 액상의 엘라스토머를 사출 금형에 주입하여 탄성 열전도체(60)를 제조할 수 있다. 이때 탄성 열전도체(60)의 열전달 특성을 향상시키기 위해서, 탄소 입자, 금속 입자 또는 무기 입자를 액상의 엘라스토머에 첨가할 수 있다.

탄성 열전도체(60)는 발열체 필름(10)이 발생된 열을 레일(도 1의 100)에 안정적으로 전달한다. 탄성 열전도체(60)는 자체의 탄성을 이용하여 레일(도 1의 100)에 밀착될 수 있도록 하여, 레일과 탄성 열전도체(60) 사이의 유격 발생으로 인한 열 손실을 억제한다.

그리고 금속 리드(70)는 발열체 필름(10)이 내장된 탄성 열전도체(60)를 레일(도 1의 100)의 외측면에 탄성적으로 밀착되게 고정설치한다. 금속 리드(70)의 소재는 양호한 강성과 열전도성을 갖는 금속 소재, 예컨대 알루미늄, 구리, 니켈, 스테인리스 스틸 또는 이들의 합금이 사용될 수 있다.

이러한 금속 리드(70)는 덮개부(71)와 장착부(75)를 포함한다. 덮개부(71)는 발열체 필름(10)이 내장된 탄성 열전도체(60)가 수용되는 내부 공간(73)을 갖는다. 덮개부(71)는 내부 공간(73)의 개방부로 탄성 열전도체(60)의 일측면이 노출된다. 그리고 장착부(75)는 덮개부(71)와 일체로 형성되어 덮개부(71)를 레일에 고정설치하여 탄성 열전도체(60)의 일측면을 레일의 외측면에 밀착시킨다.

덮개부(71)의 내부 공간(73)에 탄성 열전도체(70)의 수용 시, 덮개부(71)의 개방부 밖으로 탄성 열전도체(60)의 일측면을 포함한 일부가 돌출된다. 즉 덮개부(71)의 개방부 밖으로 일부가 돌출되는 크기의 탄성 열전도체(60)를 사용하는 이유는, 금속 리드(70)로 탄성 열전도체(60)를 레일의 외측면에 고정할 때, 탄성 열전도체(60)가 레일의 외측면에 탄성적으로 밀착되도록 하기 위해서이다.

덮개부(71)의 개방부를 통하여 노출되는 탄성 열전도체(60)의 일측면에 탄성 열전도체(60)에 내장된 복수의 면상 발열체(40)의 넓은 면이 위치할 수 있도록, 덮개부(71)의 내부 공간(73)에 탄성 열전도체(60)가 삽입된다.

그리고 장착부(75)에는 볼트와 같은 체결 부재(80)가 삽입될 수 있는 체결 구멍(77)이 형성되어 있다. 장착부(75)와 레일을 체결 부재(80)로 체결함으로써, 탄성 열전도체(60)가 수용된 금속 리드(70)를 레일의 외측면에 안정적으로 고정할 수 있다.

한편 본 실시예에서는 장착부(75)가 덮개부(71)의 양쪽에 형성된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 장착부는 덮개부의 길이 방향으로 양쪽에도 형성될 수 있다.

본 실시예에 따른 발열체 필름(10,110)에 대해서 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 6은 도 2의 발열체 필름(10)의 제1 예를 보여주는 평면도이다. 도 7은 도 6의 7-7선 단면도이다. 그리고 도 8은 도 2의 발열체 필름(110)의 제2 예를 보여주는 단면도이다.

제1 예에 따른 발열체 필름(10)은, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(20), 전극 배선 패턴(30), 복수의 면상 발열체(40) 및 덮개 필름(50)을 포함한다. 베이스 기판(20)은 전극 배선 패턴(30), 복수의 면상 발열체(40) 및 덮개 필름(50)을 형성할 수 있는 기저층이다. 전극 배선 패턴(30)은 베이스 기판(20)의 일면에 형성되며, 금속 소재로 형성될 수 있다. 복수의 면상 발열체(40)는 베이스 기판(20) 일면의 전극 배선 패턴(30) 위에 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되며, 전극 배선 패턴(30)으로 전원을 인가받아 발열한다. 그리고 덮개 필름(50)은 복수의 면상 발열체(40)가 형성된 베이스 기판(20)의 일면을 덮는다.

베이스 기판(20)은 하부면(21)과, 하부면(21)에 반대되는 상부면(23)을 갖는다. 베이스 기판(20)의 상부면(23)에 전극 배선 패턴(30), 복수의 면상 발열체(40) 및 덮개 필름(50)이 형성된다. 이러한 베이스 기판(20)으로는 플라스틱 기판이 사용될 수 있다. 플라스틱 기판의 소재로는 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르술폰(polyethersulphone; PES), 폴리아크릴레이트(polyacrylate: PAR), 폴리에테르이미드(polyetherimide; PEI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethyelenen napthalate; PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이드(polyethyeleneterepthalate; PET), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide: PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리아세테이트(cellulose triacetate; CTA) 또는 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propinonate; CAP)가 사용될 수 있으며, 나열된 것들로 한정되는 것은 아니다.

전극 배선 패턴(30)은 베이스 기판(20)의 상부면(23)에 형성되며, 외부에서 인가되는 전원을 면상 발열체(40)로 공급한다. 전극 배선 패턴(30)은 전압 강하(voltage drop)를 최소화할 수 있도록 금속 소재로 형성될 수 있다. 전극 배선 패턴(30)을 형성하는 금속 소재로는 은, 알루미늄, 구리, 니켈, 스테인리스 스틸 또는 이들의 합금이 사용될 수 있다.

전극 배선 패턴(30)은 금속박을 이용한 에칭 방법 또는 금속 페이스트를 이용한 인쇄 방법으로 형성할 수 있다. 즉 전극 배선 패턴(30)은 베이스 기판(20)의 상부면(23)에 금속박을 적층한 후 에칭 방법으로 패터닝하여 형성할 수 있다. 또는 전극 배선 패턴(30)은 금속 페이스트를 베이스 기판(20)의 상부면(23)에 인쇄하여 형성할 수 있다.

이러한 전극 배선 패턴(30)은 한 쌍의 전극 패드(31), 한 쌍의 연결 배선(33) 및 복수의 전극 단자(35)를 포함한다. 한 쌍의 전극 패드(31)는 일정 간격 이격되게 형성된다. 한 쌍의 연결 배선(33)은 한 쌍의 전극 패드(31)에 각각 연결되어 일 방향으로 연장되어 있다. 그리고 복수의 전극 단자(35)는 한 쌍의 연결 배선(33)에 각각 연결되어 마주보는 연결 배선(33) 쪽으로 뻗어 있다. 한 쌍의 연결 배선(33)에 연결된 전극 단자(35)의 쌍에 면상 발열체(40)가 연결된다.

한 쌍의 전극 패드(31)는 한 쌍의 연결 배선(33)의 일단에 연결되며, 전원을 공급하는 케이블(70)이 접합된다. 이러한 한 쌍의 전극 패드(33)는 제1 전극 패드(31a)와 제2 전극 패드(31b)를 포함한다. 제1 및 제2 전극 패드(31a,31b)는 덮개 필름(50) 밖으로 돌출되어 케이블(70)을 통하여 전원을 인가받는다. 제1 및 제2 전극 패드(31a,31b) 중 한쪽에는 (+)전원을 공급하는 케이블(70)이 연결되고, 다른 쪽에는 (??)전원을 공급하는 케이블(70)이 연결된다.

제1 및 제2 전극 패드(31a,31b)는 복수의 면상 발열체(40)에서 이격되게 형성된다. 제1 예에서는 복수의 면상 발열체(40)가 배열된 방향으로, 최외곽에 위치하는 면상 발열체(50)에서 이격된 위치에 제1 및 제2 전극 패드(31a,31b)가 형성된 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.

한 쌍의 연결 배선(33)은 각각 대응되는 전극 패드(31)에 연결되며, 복수의 면상 발열체(40)가 배열된 방향을 따라서 복수의 면상 발열체(40)의 외측에 형성된다. 한 쌍의 연결 배선(33)은 제1 전극 패드(31a)에 연결되는 제1 연결 배선(33a)과, 제2 전극 패드(31b)에 연결되는 제2 연결 배선(33b)을 포함하고, 제1 및 제2 연결 배선(33a,33b) 사이에 복수의 면상 발열체(40)가 위치한다. 제1 및 제2 연결 배선(33a,33b)은 서로 평행하게 직선 형태로 형성될 수 있다.

그리고 복수의 전극 단자(35)는 각각 한 쌍의 연결 배선(33)에 연결된다. 복수의 전극 단자(35)는 제1 연결 배선(33a)에 연결되는 복수의 제1 전극 단자(35a)와, 제2 연결 배선(33b)에 연결되는 복수의 제2 전극 단자(35b)를 포함한다. 복수의 제1 전극 단자(35a)는 제2 연결 배선(33b)을 향하여 형성되되, 제2 연결 배선(33b)에 이격되게 형성된다. 복수의 제2 전극 단자(35b)는 제1 연결 배선(33a)을 향하여 형성되되, 제1 연결 배선(33a)에 이격되게 형성된다.

제1 전극 단자(35a)와 제2 전극 단자(35b)를 쌍으로, 제1 및 제2 전극 단자(35a,35b)를 연결하도록 면상 발열체(40)가 형성된다. 제1 및 제2 전극 단자(35a,35b)는 서로 평행하게 형성되며, 연결된 제1 및 제2 연결 배선(33a,33b)에 수직하게 형성될 수 있다.

그리고 제1 및 제2 연결 배선(33a,33b)이 서로 평행하게 직선으로 형성되는 경우, 복수의 제1 전극 단자(35a) 및 복수의 제2 전극 단자(35b)에 연결된 복수의 면상 발열체(40)는 일렬로 형성될 수 있다. 복수의 면상 발열체(40)는 제1 및 제2 전극 단자(35a,35b)를 통하여 전원을 인가받아 발열하게 된다.

이와 같이 복수의 면상 발열체(40)는 일렬로 배열되며, 전극 배선 패턴(30)에 병렬로 전기적으로 연결된다. 병렬로 연결하는 이유는, 전극 배선 패턴(30)을 통하여 복수의 면상 발열체(40)로 전원을 인가하는 과정에서 전압 강하가 발생하는 것을 억제하기 위해서이다.

면상 발열체(40)는 전극 배선 패턴(30)의 한 쌍의 전극 단자(35)를 연결하도록 형성된다. 면상 발열체(40)는 발열체 조성물을 한 쌍의 전극 단자(35)를 연결하도록 인쇄한 후, 건조 및 경화하여 형성한다. 발열체 조성물의 인쇄 방법으로는 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄(내지 롤투롤 그라비아 인쇄), 콤마 코팅(내지 롤투롤 콤마 코팅), 플렉소, 임프린팅, 옵셋 인쇄 등이 사용될 수 있다. 건조 및 경화는 100℃ 내지 180℃에서 수행될 수 있다.

이러한 면상 발열체(40)를 형성하는 발열체 조성물은 혼합 바인더 및 전도성 입자를 포함한다. 면상 발열체(40)를 형성하기 위해서, 인쇄 공정에 투입되는 발열체 조성물은 혼합 바인더 및 전도성 입자 이외에, 유기 용매와 분산제를 더 포함한다.

발열체 조성물은 발열체 조성물 100 중량부에 대해서, 혼합 바인더 5 내지 30 중량부, 전도성 입자 0.7 내지 60 중량부, 유기 용매 29 내지 80 중량부, 및 분산제 0.5 내지 5 중량부를 포함할 수 있다.

전도성 입자는 전도성을 갖는 탄소 입자 또는 금속 분말을 포함한다. 탄소 입자로는 탄소나노튜브 입자 또는 그라파이트 입자가 사용될 수 있다. 금속 분말로는 은, 구리 또는 니켈 소재의 분말이 사용될 수 있다. 예컨대 전도성 입자는 발열 조성물 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 입자 0.1 내지 5 중량부, 그라파이트 입자 0.1 내지 20 중량부 또는 금속 분말 10 내지 60 중량부를 포함할 수 있다.

탄소나노튜브 입자는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 또는 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 예컨대 탄소나노튜브 입자는 다중벽 탄소나노튜브(multi wall carbon nanotube)일 수 있다. 탄소나노튜브 입자가 다중벽 탄소나노튜브일 때, 직경은 1nm 내지 20nm 일 수 있고, 길이는 1㎛ 내지 100㎛일 수 있다.

그라파이트 입자는 직경이 1㎛ 내지 25㎛일 수 있고, 두께가 1nm 내지 25㎛일 수 있다.

금속 분말은 은, 구리 또는 니켈 소재의 분말을 포함한다. 은 분말의 경우, 플레이크, 구형, 다각형 판상, 막대(rod) 등의 형태를 가질 수 있다. 구리 분말로는 은이 코팅된 구리(Ag coated Cu) 분말, 니켈이 코팅된 구리(Ni coated Cu) 분말 등이 사용될 수 있다. 그리고 니켈 분말로는 은이 코팅된 니켈(Ag coated Ni) 분말이 사용될 수 있다.

탄소 입자와 금속 분말을 포함하는 발열체 조성물로 면상 발열체(40)(30)를 형성하는 경우, 금속 분말이 주 전기적 네트워크를 형성하고, 금속 분말 사이의 공간에 탄소 입자가 채워져 3차원 랜덤 네트워크 구조를 형성한다.

이와 같이 발열체 조성물은 탄소 입자와 금속 분말을 포함함으로써, 면상 발열체(40)의 에너지 효율 및 발열 속도를 높일 수 있다. 즉 금속 분말은 흑체 복사 기능을 갖지 않는다. 하지만 발열체 조성물에 탄소 입자를 포함시킴으로써, 흑체 복사 기능을 구현할 수 있다. 탄소 입자로 인해서 면상 발열체(40)의 내열성을 높일 수 있다. 그리고 탄소 입자로 인해서, 면상 발열체(40)의 발열 속도 및 에너지 효율을 높일 수 있다.

면상 발열체(40)의 비저항은 전체 고형분 중 탄소 입자 또는 금속 분말의 함량에 의해 결정될 수 있다. 예컨대 1ㅧ10^-2Ω㎝ 영역대까지는 탄소 입자만으로 비저항 조절이 가능하나, 그 이하의 영역은 금속 분말의 추가적인 도입이 필요하다. 면상 발열체(40)(30)는 9ㅧ10^-2 내지 1.1ㅧ10^-3 Ω㎝의 비저항을 가질 수 있다.

혼합 바인더는 300℃ 가량의 온도에서도 내열성을 가질 수 있도록, 페놀계 수지, 아세탈계 수지, 이소시아네이트계 수지 및 에폭시계 수지 중 적어도 2종을 포함한다. 예컨대 혼합 바인더는 에폭시(epoxy), 에폭시 아크릴레이트(epoxy acrylate), 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지 중 적어도 2종을 포함한다.

예컨대 혼합 바인더는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하거나 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함할 수 있다. 여기서 혼합 바인더는, 에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 폴리비닐 아세탈 수지 10 내지 150 중량부, 페놀계 수지 100 내지 500 중량부를 포함할 수 있다. 페놀계 수지가 에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 100 중량부 이하인 경우 내열성이 저하되고, 500 중량부를 초과하는 경우 면상 발열체(40)의 유연성이 저하되어 취성이 강해질 수 있다.

이와 같이 혼합 바인더의 내열성을 높임으로써, 면상 발열체(40)를 300℃ 가량의 고온으로 발열시키는 경우에도, 면상 발열체(40)의 저항 변화나 파손을 억제할 수 있다.

여기에서 페놀계 수지는 페놀 및 페놀 유도체를 포함하는 페놀계 화합물을 의미한다. 예컨대 페놀 유도체는 p-크레졸(p-Cresol), o-구아야콜(o-Guaiacol), 크레오졸(Creosol), 카테콜(Catechol), 3-메톡시-1,2-벤젠디올(3-methoxy-1,2-Benzenediol), 호모카테콜(Homocatechol), 비닐구아야콜(Vinylguaiacol), 시링콜(Syringol), 이소-유제놀(Iso-eugenol), 메톡시 유제놀(Methoxyeugenol), o-크레졸(o-Cresol), 3-메틸-1,2-벤젠디올 (3-methyl-1,2-Benzenediol), (z)-2-메톡시-4-(1-프로페닐)-페놀((z)-2-methoxy-4-(1-propenyl)-Phenol), 2,6-디에톡시-4-(2-프로페닐)-페놀(2,6-dimethoxy-4-(2-propenyl)-Phenol), 3,4-디메톡시-페놀(3,4-dimethoxy-Phenol), 4-에틸-1,3-벤젠디올(4-ethyl-1,3-Benzenediol), 레졸 페놀(Resole phenol), 4-메틸-1,2-벤젠디올(4-methyl-1,2-Benzenediol), 1,2,4-벤젠트리올(1,2,4-Benzenetriol), 2-메톡시-6-메틸페놀(2-Methoxy-6-methylphenol), 2-메톡시-4-비닐페놀(2-Methoxy-4-vinylphenol) 또는 4-에틸-2-메톡시-페놀(4-ethyl-2-methoxy-Phenol) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.

유기 용매는 전도성 입자 및 혼합 바인더를 분산시키기 위한 것으로, 카비톨 아세테이트(Carbitol acetate), 부틸 카비톨 아세테이트(Butyl carbotol acetate), DBE(dibasic ester), 에틸카비톨, 에틸카비톨아세테이트, 디프로필렌글리콜메틸에테르, 셀로솔브아세테이트, 부틸셀로솔브아세테이트, 부탄올(Butanol) 및 옥탄올(Octanol) 중에서 선택되는 2 이상의 혼합 용매일 수 있다.

한편, 분산을 위한 공정은 통상적으로 사용되는 다양한 방법들이 적용될 수 있으며, 예를 들면 초음파처리(Ultra-sonication), 롤밀(Roll mill), 비드밀(Bead mill) 또는 볼밀(Ball mill) 과정을 통해 이루어질 수 있다.

그리고 분산제는 전도성 입자의 분산을 보다 원활히 위한 것으로, BYK류와 같이 당업계에서 이용되는 통상의 분산제, Triton X-100과 같은 양쪽성 계면활성제, SDS 등과 같은 이온성 계면활성제를 이용할 수 있다.

또한 발열체 조성물은 발열체 조성물 100 중량부에 대하여, 첨가제로서 실란 커플링제 0.1 내지 5 중량부를 더 포함할 수 있다.

실란 커플링제는 발열체 조성물의 배합 시에 수지들 간에 접착력을 증진시키는 접착증진제 기능을 한다. 실란 커플링제는 에폭시 함유 실란 또는 머켑토 함유 실란일 수 있다. 이러한 실란 커플링제의 예로는 에폭시가 함유된 것으로 2-(3,4 에폭시 사이클로헥실)-에틸트리메톡시실란, 3-글리시독시트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필트리에톡시실란, 3-글리시독시프로필트리에톡시실란이 있고, 아민기가 함유된 것으로 N-2(아미노에틸)3-아미토프로필메틸디메톡시실란, N-2(아미노에틸)3-아미노프로필트리메톡시실란, N-2(아미노에틸)3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-트리에톡시실리-N-(1,3-디메틸뷰틸리덴)프로필아민, N-페닐-3-아미노프로필트리메톡시실란이 있으며, 머켑토가 함유된 것으로 3-머켑토프로필메틸디메톡시실란, 3-머켑토프로필트리에톡시실란, 이소시아네이트가 함유된 3-이소시아네이트프로필트리에톡시실란 등이 있으며, 이것에 한정되지 않는다.

또한 발열체 조성물은 발열체 조성물 100 중량부에 대하여, 첨가제로서 세라믹 입자 0.5 내지 20 중량부를 더 포함할 수 있다. 세라믹 입자는 면상 발열체(40)의 열용량을 증가시킨다. 발열체 필름(10)의 열용량을 높여 줌으로써, 발열체 필름(10)이 외부 기후에 의해 급격히 온도가 떨어지는 문제를 억제할 수 있다. 이러한 세라믹 입자로는 유리 입자 또는 실리콘 입자가 사용될 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 따르면, 면상 발열체(40)는 전도성 입자와 혼합 바인더를 포함하는 도료 형태의 발열체 조성물로 형성하기 때문에, 비저항이 낮고 열전도율이 우수해 저전압 구동에 유리하고 승온 속도가 빠른 장점이 있다. 즉 발열체 조성물은 전도성 입자와 함께, 헥사메틸렌 디이소시아네이트 또는 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하는 혼합 바인더를 포함하기 때문에, 200℃ 이상의 온도에서도 내열성을 유지할 수 있다. 이로 인해 본 실시예에 따른 선로전환기용 레일 히터(200)는 온도에 따른 저항 변화가 작아 발열 거동 및 안정성이 높은 면상 발열체(40)를 구비하는 레일 히터를 제공할 수 있다.

탄소나노튜브 입자와 그라파이트 입자를 포함하는 발열체 조성물로 형성한 면상 발열체(40)는 블랙 바디(block body)이기 때문에, 본 실시예에 따른 선로전환기용 레일 히터(200)는 흑체 복사로 인해 추가적인 에너지 효율을 향상을 얻을 수 있다.

발열체 조성물은 비저항이 낮고 두께 조절이 용이하여 저전압 및 저전력으로 고온 발열이 가능한 선로전환기용 레일 히터(200)를 제공할 수 있다.

그리고 발열체 조성물은 스크린 인쇄, 롤투롤 그라비아 인쇄, 롤투롤 콤마 코팅, 플렉소 인쇄, 옵셋 인쇄가 가능하기 때문에, 본 실시예에 따른 선로전환기용 레일 히터(100)의 대량 생산에 유리할 뿐만 아니라 제품 길이 및 면적에 대한 제약을 해소할 수 있다.

그리고 덮개 필름(50)은 복수의 면상 발열체(40)가 형성된 베이스 기판(20)의 상부면(23)을 덮도록 형성된다. 덮개 필름(50)은 베이스 기판(20)의 하부면(21)에 형성된 전극 배선 패턴(30)과 복수의 면상 발열체(40)를 외부 환경으로부터 보호하는 기능과, 복수의 면상 발열체(40)에서 발생된 열을 외부로 방출하는 기능을 함께 수행한다. 이러한 덮개 필름(50)의 소재로는 베이스 기판(10)과 동일한 소재가 사용될 수 있다. 덮개 필름(50)은 핫 프레싱(hot pressing) 또는 라미네이팅(laminating) 방법으로 베이스 기판(20)에 합지될 수 있다.

한편 제1 예에 따른 발열체 필름(10)은 베이스 기판(20)의 일면에 면상 발열체(40)가 형성된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 8에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(20)의 양면에 면상 발열체(40)가 형성된 발열체 필름(110)이 선로전환기용 레일 히터에 적용될 수 있다.

제2 예에 따른 발열체 필름(110)은, 도 8에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(20)의 양면에 복수의 면상 발열체(40)가 형성된 구조를 갖는다. 즉 발열체 필름(110)은 양면에 형성된 복수의 면상 발열체(40)를 통하여 발열할 수 있는 구조를 갖는다.

제2 예에 따른 발열체 필름(110)은 베이스 기판(20), 전극 배선 패턴(30), 면상 발열체(40) 및 덮개 필름(50)을 포함한다. 베이스 기판(20), 전극 배선 패턴(30), 면상 발열체(40) 및 덮개 필름(50)은 제1 실시예에 따른 발열체 필름(도 7의 10)의 설명에 기재된 소재와 동일한 소재가 사용되기 때문에, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

전극 배선 패턴(30)은 베이스 기판(20)의 하부면(21)과 상부면(23)에 각각 형성된다. 전극 배선 패턴(30)은 베이스 기판(20)의 하부면(21)에 형성되는 하부 배선 패턴(35)과, 베이스 기판(20)의 상부면(23)에 형성되는 상부 배선 패턴(37)을 포함한다. 하부 배선 패턴(35)과 상부 배선 패턴(37)은 베이스 기판(20)을 중심으로 상하로 대칭되게 형성될 수 있다.

면상 발열체(40)는 베이스 기판(20)의 양면의 전극 배선 패턴(30)에 각각 연결되게 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되며, 전극 배선 패턴(30)으로 전원을 인가받아 발열한다. 면상 발열체(40)는 베이스 기판(20)의 하부면(21)에 형성되는 하부 면상 발열체(41)와, 베이스 기판(20)의 상부면(23)에 형성되는 상부 면상 발열체(43)를 포함한다. 하부 면상 발열체(41)와 상부 면상 발열체(43)는 베이스 기판(20)을 중심으로 상하로 대칭되게 형성될 수 있다.

그리고 덮개 필름(50)은 복수의 면상 발열체(40)가 형성된 베이스 기판(20)의 양면을 덮도록 형성된다. 덮개 필름(50)은 베이스 기판(20)의 양면에 형성된 전극 배선 패턴(30)과 복수의 면상 발열체(40)를 외부 환경으로부터 보호하는 기능과, 복수의 면상 발열체(40)에서 발생된 열을 외부로 방출하는 기능을 함께 수행한다. 덮개 필름(50)은 베이스 기판(20)의 하부면(21)을 덮는 하부 덮개 필름(51)과, 베이스 기판(20)의 상부면(23)을 덮는 상부 덮개 필름(53)을 포함한다.

이와 같은 본 실시예에 따른 선로전환기용 레일 히터의 특성을 확인하기 위해서 아래와 같은 실험을 수행하였다.

본 실시예에 따른 레일 히터를 선로전환기의 레일에 적용하기 위해서, DC 12V 구동 시 면상 발열체(40)의 크기, 예컨대 전극 배선 패턴 간의 거리 변화에 따른 기전류 및 발열온도를 측정하였다. 면상 발열체(40)의 크기에 따른 기전류 및 발열온도 변화를 분석하기 위해서, 도 9와 같은 형태로 발열체 필름의 단위 발열체(10a)를 구현하였다.

도 9는 제1 내지 제4 실험예에 따른 발열체 필름의 단위 발열체(10a)를 보여주는 평면도이다.

도 9를 참조하면, 단위 발열체(10a)는 한 쌍의 전극 배선 패턴(30)과, 한 쌍의 전극 배선 패턴(30)을 연결하는 면상 발열체(40)를 포함한다. 면상 발열체(40)는 가로(X)ㅧ세로(Y)의 면적을 갖는다. 도 9에 따른 단위 발열체(10a)에서는 베이스 기판의 도시를 생략하였다.

발열체 조성물은 아래와 같이 제조하였다. 탄소나노튜브, 그라파이트 입자를 카비톨아세테이드 용매에 첨가하고 분산제를 첨가하여 60분간 초음파 처리를 통해 탄소나노튜브/그라파이트 분산액(Solution A)을 제조하였다. 에폭시아크릴레이트, 페놀 수지 및 폴리비닐 아세탈 수지를 혼합하고 카비톨아세테이트 용매에 첨가하여 물리적인 교반(mechanical stirring) 또는 자전공전이 가능한 기계적 혼련을 통해 마스터 배치(master batch, M/B)를 제조한다. 그리고 Solution A와 M/B를 물리적인 교반을 통해 혼련한 후, 3-롤 밀( 3-roll mill)을 이용하여 완전히 혼련함으로써 발열체 조성물을 제조하였다.

전술된 제조 방법으로 제조된 발열체 조성물을 이용하여 레일 히터용 단위 발열체(10a)를 제조하였다.

알루미늄 박이 증착된 폴리이미드 소재의 베이스 기판을 준비하고, 사진석판술(포토리쏘그라피) 공정을 이용하여 한 쌍의 전극 단자(35)를 포함한 전극 배선 패턴을 형성한다. 전술된 제조 방법으로 제조된 발열체 조성물을 한 쌍의 전극 단자(35)에 연결되게 250메쉬 스크린 마스크를 이용하여 스크린 인쇄한 후 150℃에서 30분간 열처리하여 면상 발열체(40)를 형성한다. 그리고 덮개 필름을 전극 단자(35) 및 면상 발열체(40)가 형성된 베이스 기판의 일면에 핫 프레싱하고 타발한 후 와이어링하여 단위 발열체(10a)를 제조하였다.

이때 면상 발열체(40)는 제1 내지 제4 실험예에 사용될 단위 발열체(10a)의 크기에 맞게 스크린 인쇄하여 형성하였다.

면상 발열체(40)의 형태에 따른 기전류 및 발열온도 변화를 분석한 결과는 도 10 내지 도 13과 같다. 여기서 도 10 내지 도 13은 제1 내지 제4 실험예에 따른 단위 발열체의 기전류 및 발열온도의 변화를 보여주는 그래프들이다.

Y값이 1cm, 1.5cm, 2cm, 2.5cm로 각각 일정할 때, X값의 변화에 따른 DC 12V 구동시의 기전류 및 발열온도를 측정하였고, 측정 결과는 도 10 내지 도 13에 도시된 그래프와 같다. 여기서 도 10은 Y값이 1cm인 경우, 도 11은 Y값이 1.5cm인 경우, 도 12는 Y값이 2cm인 경우, 그리고 도 13은 Y값이 2.5cm인 경우이다. 4가지 Y값에 대해서 X값은 각각 2cm, 2.5cm, 3cm, 3.5cm, 4cm, 4.5cm이다.

도 10 내지 도 13을 참조하면, 면상 발열체는 X값이 감소할수록 기전류 및 발열온도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 면상 발열체는 X값과 Y값의 변화에 따라서 기전류 및 발열온도가 다양하게 변화하는 것을 확인할 수 있다.

이와 같은 제1 내지 제4 실험예를 바탕으로 목표온도 250℃, 출력 340W를 내는 제5 실험예에 따른 발열체 필름(10b)은 도 14와 같다. 여기서 도 14는 제5 실험예에 따른 발열체 필름(10b)을 보여주는 평면도이다.

도 14를 참조하면, X값이 2cm이고 Y값이 4cm인 면상 발열체(40)는 DC 12V, 전류량 0.7A를 인가했을 때, 발열온도 250℃, 히트 파워는 8.4W 임을 확인할 수 있다.

따라서 전극 단자(35)의 폭을 0.2cm, 면상 발열체(40) 간의 간격을 0.1cm로 구성하고, 2cmㅧ4cm 크기의 면상 발열체(40) 40개를 전극 배선 패턴(30)에 병렬로 연결할 경우, 발열온도가 250℃, 출력이 약 340W인 제5 실험예에 따른 발열체 필름(10b)을 제조할 수 있다.

이 경우 제5 실험예에 따른 발열체 필름(10b)은 6cmㅧ100cm(WㅧL)의 크기를 갖는다. 제5 실험예에 따른 발열체 필름(10b)은 X값이 2cm이고 Y값이 4cm인 40개의 면상 발열체(40)가 전극 배선 패턴(30)에 병렬로 연결된 구조를 갖는다.

여기서 제5 실험예에 따른 발열체 필름(10b)은 DC 12V 구동하는 경우를 예시한 것으로, 다양한 구동전압, 구동온도 및 출력에 따라 발열체 필름을 설계 및 제조할 수 있음은 물론이다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.

10, 110 : 발열체 필름 20 : 베이스 기판
21 : 하부면 23 : 상부면
30 : 전극 배선 패턴 31 : 전극 패드
33 : 연결 배선 35 : 전극 단자
37 : 하부 배선 패턴 39 : 상부 배선 패턴
40 : 면상 발열체 41 : 하부 면상 발열체
43 : 상부 면상 발열체 50 : 덮개 필름
51 : 하부 덮개 필름 53 : 상부 덮개 필름
60 : 탄성 열전도체 70 : 금속 리드
71 : 덮개부 73 : 내부 공간
75 : 장착부 77 : 체결 구멍
80 : 체결 부재 90 : 케이블
100 : 레일 200 : 선로전환기용 레일 히터
300 : 선로전환기용 레일 히팅 장치

Claims (18)

1. 전원을 인가받아 발열하는 발열체 필름;
   상기 발열체 필름을 내장하며, 상기 발열체 필름에서 발생된 열을 외부로 전달하는 탄성을 갖는 탄성 열전도체; 및
   상기 탄성 열전도체를 덮으며, 상기 탄성 열전도체의 일측면을 열전수체의 외측면에 탄성적으로 밀착시키고, 상기 발열체 필름에서 발생된 열을 상기 탄성 열전도체로부터 전달받아 외부로 방출하는 금속 리드;
   를 포함하는 히터.
2. 제1항에 있어서, 상기 발열체 필름은,
   베이스 기판;
   상기 베이스 기판의 일면에 형성된 금속 소재의 전극 배선 패턴;
   상기 베이스 기판 일면의 상기 전극 배선 패턴에 연결되게 상기 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되며, 상기 전극 배선 패턴으로 전원을 인가받아 발열하는 상기 복수의 면상 발열체; 및
   상기 복수의 면상 발열체가 형성된 상기 베이스 기판의 일면을 덮는 덮개 필름;
   을 포함하는 히터.
3. 제2항에 있어서, 상기 복수의 면상 발열체를 형성하는 발열체 조성물은,
   헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하거나 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하는 혼합 바인더; 및
   은 분말, 은 코팅된 니켈 분말 또는 은 코팅된 구리 분말을 더 포함하는 상기 전도성 입자;
   를 포함하는 히터.
4. 제2항에 있어서,
   상기 베이스 기판의 소재는 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르술폰(polyethersulphone; PES), 폴리아크릴레이트(polyacrylate: PAR), 폴리에테르이미드(polyetherimide; PEI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethyelenen napthalate; PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이드(polyethyeleneterepthalate; PET), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide: PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리아세테이트(cellulose triacetate; CTA) 또는 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propinonate; CAP)를 포함하는 히터.
5. 제2항에 있어서,
   상기 덮개 필름의 소재는 상기 베이스 기판의 소재와 동일한 히터.
6. 제2항에 있어서,
   상기 복수의 면상 발열체는 일렬로 배열되며, 상기 전극 배선 패턴에 병렬로 연결되는 히터.
7. 제6항에 있어서, 상기 복수의 면상 발열체는 각각,
   상기 복수의 면상 발열체가 일렬로 배열된 가로 방향의 길이(X)가 세로의 길이(Y)보다는 짧은 히터.
8. 제6항에 있어서, 상기 전극 배선 패턴은,
   일정 간격으로 이격된 한 쌍의 전극 패드;
   상기 한 쌍의 전극 패드에 각각 연결되어 일 방향으로 연장된 한 쌍의 연결 배선; 및
   상기 한 쌍의 연결 배선에 각각 연결되어 마주보는 연결 배선 쪽으로 뻗어 있는 복수의 전극 단자로서, 상기 한 쌍의 연결 배선에 연결된 전극 단자의 쌍에 면상 발열체가 각각 연결되는 복수의 전극 단자;
   를 포함하는 히터.
9. 제2항에 있어서,
   상기 전극 배선 패턴의 소재는 은, 알루미늄, 구리, 니켈, 스테인리스 스틸 또는 이들의 합금인 히터.
10. 제1항에 있어서, 상기 발열체 필름은,
    베이스 기판;
    상기 베이스 기판의 양면에 형성된 금속 소재의 전극 배선 패턴;
    상기 베이스 기판의 양면의 상기 전극 배선 패턴에 각각 연결되게 상기 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되며, 상기 전극 배선 패턴으로 전원을 인가받아 발열하는 상기 복수의 면상 발열체; 및
    상기 복수의 면상 발열체가 형성된 상기 베이스 기판의 양면을 덮는 덮개 필름;
    을 포함하는 히터.
11. 제1항에 있어서,
    상기 탄성 열전도체의 소재는 엘라스토머인 히터.
12. 제1항에 있어서,
    상기 탄성 열전도체의 소재는 실리콘(silicone) 또는 합성 고무인 히터.
13. 제12항에 있어서,
    상기 탄성 열전도체는 실리콘 또는 합성 고무에 탄소 입자, 금속 입자 또는 무기 입자가 첨가된 히터.
14. 제1항에 있어서, 상기 금속 리드는,
    상기 발열체 필름이 내장된 상기 탄성 열전도체가 수용되는 내부 공간을 가지며, 상기 내부 공간의 개방부로 상기 탄성 열전도체의 일측면이 노출되는 덮개부; 및
    상기 덮개부와 일체로 형성되어 상기 덮개부를 상기 열전수체에 고정설치하여 상기 탄성 열전도체의 일측면을 상기 열전수체의 외측면에 밀착시키는 장착부;
    를 포함하는 히터.
15. 전원을 인가받아 발열하며 일렬로 배열된 복수의 면상 발열체를 구비하며, 상기 복수의 면상 발열체는 전도성 입자로 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 함유하는 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되는 발열체 필름;
    상기 발열체 필름을 내장하며, 일측면이 레일의 외측면에 탄성적으로 밀착되어 상기 발열체 필름에서 발생된 열을 상기 레일에 전달하는 엘라스토머 소재의 탄성 열전도체; 및
    상기 탄성 열전도체의 일측면을 제외한 외측면을 덮으며, 상기 탄성 열전도체의 일측면을 상기 레일의 외측면에 밀착되게 고정설치하고, 상기 발열체 필름에서 발생된 열을 상기 탄성 열전도체로부터 전달받아 외부로 방출하는 금속 리드;
    를 포함하는 선로전환기용 레일 히터.
16. 제15항에 있어서, 상기 발열체 필름은,
    베이스 기판;
    상기 베이스 기판의 적어도 일면에 형성된 금속 소재의 전극 배선 패턴;
    상기 베이스 기판의 상기 전극 배선 패턴에 연결되게 상기 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되며, 상기 전극 배선 패턴으로 전원을 인가받아 발열하는 상기 복수의 면상 발열체; 및
    상기 복수의 면상 발열체가 형성된 상기 베이스 기판의 면을 덮는 덮개 필름;
    을 포함하는 선로전환기용 레일 히터.
17. 선로전환기용 레일; 및
    상기 레일을 히팅하는 레일 히터;를 포함하며,
    상기 레일 히터는,
    전원을 인가받아 발열하는 복수의 면상 발열체를 구비하며, 상기 복수의 면상 발열체는 전도성 입자로 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 함유하는 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되는 발열체 필름;
    상기 발열체 필름을 내장하며, 일측면이 상기 레일의 외측면에 탄성적으로 밀착되어 상기 발열체 필름에서 발생된 열을 상기 레일에 전달하는 탄성 열전도체; 및
    상기 탄성 열전도체를 덮으며, 상기 탄성 열전도체의 일측면을 상기 레일의 외측면에 밀착되게 고정설치하고, 상기 발열체 필름에서 발생된 열을 상기 탄성 열전도체로부터 전달받아 외부로 방출하는 금속 리드;
    를 포함하는 선로전환기용 레일 히팅 장치.
18. 제15항에 있어서, 상기 발열체 필름은,
    베이스 기판;
    상기 베이스 기판의 적어도 일면에 형성된 금속 소재의 전극 배선 패턴;
    상기 베이스 기판의 상기 전극 배선 패턴에 연결되게 상기 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되며, 상기 전극 배선 패턴으로 전원을 인가받아 발열하는 상기 복수의 면상 발열체; 및
    상기 복수의 면상 발열체가 형성된 상기 베이스 기판의 면을 덮는 덮개 필름;
    을 포함하는 선로전환기용 레일 히팅 장치.

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