KR20180112162A - 저전력 에어 히터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저전력으로 높은 발열량을 나타내는 저전력 에어 히터에 관한 것이다. 본 발명에 따른 저전력 에어 히터는 발열체 필름 및 케이스를 포함한다. 발열체 필름은 전원을 인가받아 발열하는 복수의 면상 발열체를 구비하며, 복수의 면상 발열체는 전도성 입자로 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 함유하는 발열체 조성물을 인쇄하여 형성된다. 그리고 케이스는 발열체 필름을 내장하며, 한쪽에 발열체 필름으로 에어를 공급하는 에어 공급구가 형성되어 있고, 에어 공급구와 떨어진 곳에 발열체 필름과 접촉하여 가열된 에어를 배출하는 에어 배출구가 형성되어 있다.

Description

저전력 에어 히터{Low power air heater}
본 발명은 에어 히터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저전력으로 높은 발열량을 나타내는 발열체 필름을 구비하는 저전력 에어 히터에 관한 것이다.
자동차 분야의 배기가스 및 연비규제 등의 환경규제가 매년 강화됨으로써, 전기차, 하이브리드 자동차 등의 친환경 자동차 성장이 기정사실화 되었다. 또한 폭스바겐의 디젤게이트로 인해서 디젤차에 대한 솔루션이 사라졌기 때문에, 전기차 시장은 전문가의 예상을 초월하는 성장을 보일 것으로 보인다. 실제로 BMW와 BYD의 2016년도 전기차 생산량은 전년도에 비해서 배수로 늘어난 것으로 보고되었다.
이러한 급속한 전기차 시장의 성장에도 불구하고 기술적으로 해결해야 될 문제 중 하나가 저온 환경에서의 난방 효율의 극대화이다. 즉 전기차는 엔진 없이 배터리를 통한 전기에너지를 주 동력원으로 하는 자동차이기 때문에, 히터와 같은 난방을 위한 열원이 별도로 필요하다. 전기차가 동절기의 외부 환경에 장시간 노출될 경우, 운전자의 운전 편의성을 증대하기 위해서 운전자의 가장 근접 거리에 위치한 곳, 즉 무릎 위에 복사열에 의한 히터의 요구가 증대되고 있다.
히터는 전기차 이외에 다양한 환경 예컨대 사무실의 데스크의 하부에 장착하거나 벽면에 설치되어 사용되고 있다.
이러한 히터의 열원으로 시즈 히터(sheath heater), 세라믹 히터, 열선 히터 등이 사용되고 있다.
그러나 기존의 히터는 전력 사용량이 높고, 사용 전력에 비해서 발열 효율이 떨어지고, 승온 속도도 느린 문제점을 가지고 있다.
공개특허공보 제2011-0095085호(2011.08.24.)
따라서 본 발명의 목적은 저전력으로 높은 발열 특성을 나타내는 저전력 에어 히터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 승온 속도가 빠른 저전력 에어 히터를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 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; 및 상기 발열체 필름을 내장하며, 한쪽에 상기 발열체 필름으로 에어를 공급하는 에어 공급구가 형성되어 있고, 상기 에어 공급구와 떨어진 곳에 상기 발열체 필름과 접촉하여 가열된 에어를 배출하는 에어 배출구가 형성된 케이스;를 포함하는 저전력 에어 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 봉합하며 상기 복수의 면상 발열체에서 발생된 열이 방출되는 열방출층;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 기판은 상기 전극 배선 패턴 및 상기 복수의 면상 발열체가 형성되는 면에 절연층이 형성된 금속 기판, 플라스틱 기판 또는 세라믹 기판을 포함할 수 있다.
상기 복수의 면상 발열체는 평면 상에 배열될 수 있다.
상기 열방출층은 우레탄 수지, 실리콘 수지, 이미드계 수지 또는 면상 발열체와의 접촉면에 절연 접착층이 형성된 금속박을 포함할 수 있다.
상기 케이스는, 상기 발열체 필름이 내장되는 내부 공간을 갖는 케이스 본체; 및 상기 케이스 본체의 내부 공간에 형성되되 상기 발열체 필름이 내장된 위치에 형성되며, 상기 발열체 필름을 향하여 돌출되게 형성되어 상기 에어 공급구에서 상기 에어 배출구로의 에어 흐름을 지연시켜 상기 발열체 필름과의 접촉 시간을 연장하는 에어 흐름 지연부;를 포함할 수 있다.
상기 에어 흐름 지연부는 지그재그로 형성된 유로, 복수의 돌기 또는 복수의 격벽을 포함할 수 있다.
상기 발열체 필름의 일측면은 상기 케이스 본체의 내측면에 위치하고, 상기 발열체 필름의 일측면에 반대되는 타측면은 상기 에어 흐름 지연부에 의해 지지될 수 있다.
상기 에어 흐름 지연부는, 상기 케이스 본체의 제1 내측면에서 돌출되게 형성된 제1 에어 흐름 지연부; 및 상기 제1 내측면과 마주보는 제2 내측면에서 돌출되게 형성되는 제2 에어 흐름 지연부;를 포함할 수 있다. 이때 상기 발열체 필름이 상기 제1 및 제2 에어 흐름 지연부 사이에 위치하여 상기 제1 및 제2 에어 흐름 지연부에 의해 지지될 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 봉합하며 상기 복수의 면상 발열체에서 발생된 열이 방출되는 열방출층;을 포함할 수 있다.
상기 발열체 필름은, 상기 케이스 본체의 제1 내측면에 설치된 적어도 하나의 제1 발열체 필름; 및 상기 제1 내측면과 마주보는 제2 내측면에 설치된 적어도 하나의 제2 발열체 필름;을 포함할 수 있다. 상기 에어 흐름 지연부는 상기 적어도 하나의 제1 발열체 필름과 상기 적어도 하나의 제2 발열체 필름 사이에 위치할 수 있다.
상기 케이스 본체는, 상기 발열체 필름이 내장된 위치를 중심으로 양쪽에 상기 에어 공급구와 상기 에어 배출구가 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 저전력 에어 히터는, 상기 케이스의 에어 공급구로 에어를 공급하는 송풍기;를 더 포함할 수 있다.
상기 발열체 필름과 상기 송풍기의 구동 전압이 동일할 수 있다.
본 발명은 또한, 전원을 인가받아 발열하며 수평 방향으로 배열된 복수의 면상 발열체를 구비하며, 상기 복수의 면상 발열체는 전도성 입자로 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 함유하는 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되는 발열체 필름; 및 상기 발열체 필름을 내장하는 내부 공간을 가지며, 상기 발열체 필름으로 에어를 공급하는 에어 공급구가 상기 내부 공간과 연통되게 형성되고, 상기 에어 공급구로 공급된 에어는 상기 발열체 필름과 접촉하여 가열된 후 외부로 배출하는 에어 배출구가 상기 내부 공간과 연통되게 형성된 케이스;를 포함하는 저전력 에어 히터를 제공한다.
본 발명에 따른 저전력 에어 히터는 저전력으로 구동이 가능한 면상 발열체를 구비하는 발열체 필름을 포함하기 때문에, 저전력으로 높은 발열 특성을 나타낼 수 있다.
발열체 필름의 면상 발열체는 일반적인 열선 히터와 비교할 때, 발열 면적이 크기 때문에, 열전달 과정에서의 열손실을 최소화할 수 있다.
발열체 필름의 면상 발열체는 인쇄 공정을 통하여 다양하게 설계가 가능하기 때문에, 송풍기의 구동 전압에 따라 동일한 구동 전압으로 구동하도록 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 저전력 에어 히터는 온도에 따른 저항 변화가 작아 발열 거동 및 안정성이 높은 면상 발열체를 구비하는 저전력 에어 히터를 제공할 수 있다.
탄소나노튜브 입자와 그라파이트 입자를 포함하는 발열체 조성물로 형성한 면상 발열체는 블랙 바디(block body)이기 때문에, 본 발명에 따른 저전력 에어 히터는 흑체 복사로 인해 추가적인 에너지 효율을 향상을 얻을 수 있다.
발열체 조성물은 비저항이 낮고 두께 조절이 용이하여 저전압 및 저전력으로 고온 발열이 가능한 저전력 에어 히터를 제공할 수 있다.
그리고 발열체 조성물은 스크린 인쇄, 롤투롤 그라비아 인쇄, 롤투롤 콤마 코팅, 플렉소 인쇄, 옵셋 인쇄가 가능하기 때문에, 본 발명에 따른 저전력 에어 히터의 대량 생산에 유리할 뿐만 아니라 제품 길이 및 면적에 대한 제약을 해소할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 저전력 에어 히터를 보여주는 블록도이다.
도 2는 도 1의 발열체 필름을 보여주는 평면도이다.
도 3은 도 2의 3-3선 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 저전력 에어 히터를 보여주는 평면도로서, 발열체 필름이 설치된 케이스의 상부를 보여주는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 저전력 에어 히터를 보여주는 평면도로서, 에어 흐름 지연부로 유로가 형성된 케이스의 하부를 보여주는 평면도이다.
도 6은 도 2의 6-6선 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 저전력 에어 히터를 보여주는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 저전력 에어 히터를 보여주는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 저전력 에어 히터를 보여주는 단면도이다.
도 10은 도 9의 발열체 필름을 보여주는 단면도이다.
도 11은 에어 흐름 지연부로 복수의 돌기가 형성된 케이스를 보여주는 평면도이다.
도 12는 에어 흐름 지연부로 복수의 격벽이 형성된 케이스를 보여주는 평면도이다.
도 13은 발열체 필름의 베이스 기판의 소재에 따른 발열거동을 보여주는 그래프이다.
도 14는 제1 내지 제4 실험예에 따른 발열체 필름의 단위 발열체를 보여주는 평면도이다.
도 15 내지 도 18은 제1 내지 제4 실험예에 따른 단위 발열체의 기전류 및 발열온도의 변화를 보여주는 그래프들이다.
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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
[제1 실시예]
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 저전력 에어 히터를 보여주는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 저전력 에어 히터(100)는 저전력으로 발생되는 높은 발열량을 이용하여 송풍되는 에어를 가열한 후 외부로 배출시켜 주변을 따뜻하게 난방하는 기기이다.
이러한 제1 실시예에 따른 저전력 에어 히터(100)는 발열체 필름(10) 및 케이스(60)를 포함하며, 송풍기(80)를 더 포함할 수 있다. 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. 케이스(60)는 발열체 필름(10)을 내장하며, 한쪽에 발열체 필름(10)으로 에어를 공급하는 에어 공급구(63)가 형성되어 있다. 케이스(60)는 에어 공급구(63)와 떨어진 곳에 발열체 필름(10)과 접촉하여 가열된 에어를 배출하는 에어 배출구(65)가 형성되어 있다. 그리고 송풍기(80)는 케이스(60)의 에어 공급구(63)로 에어를 공급한다.
이와 같이 제1 실시예에 따른 저전력 에어 히터(100)는 저전력으로 구동이 가능한 면상 발열체(40)를 구비하는 발열체 필름(10)을 포함하기 때문에, 저전력으로 높은 발열 특성을 나타낼 수 있다. 즉 제1 실시예에 따른 저전력 에어 히터(100)는 빠른 시간 내에 저전력으로 난방 효과를 제공할 수 있다.
이와 같은 제1 실시예에 따른 저전력 에어 히터(100)의 각 구성에 대해서 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저 발열체 필름(10)에 대해서 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 2는 도 1의 발열체 필름(10)을 보여주는 평면도이다. 도 3은 도 2의 3-3선 단면도이다.
발열체 필름(10)은 베이스 기판(20), 전극 배선 패턴(30), 복수의 면상 발열체(40) 및 열방출층(50)을 포함한다. 베이스 기판(20)은 전극 배선 패턴(30), 복수의 면상 발열체(40) 및 열방출층(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 열방출층(50)은 복수의 면상 발열체(40)가 형성된 베이스 기판(20)의 일면을 봉합하며 복수의 면상 발열체(40)에서 발생된 열이 방출된다.
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 열방출층(50)이 형성된다. 이러한 베이스 기판(20)으로는 플라스틱 기판, 금속 기판 또는 세라믹 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.
베이스 기판(20)으로 사용되는 금속 기판은 금속판과, 전극 배선 패턴(30) 및 복수의 면상 발열체(40)가 형성되는 금속판의 상부면(23)에 형성된 절연층을 구비한다. 절연층의 소재로는 전술된 플라스틱 기판의 소재 중에 적어도 하나가 사용될 수 있다.
베이스 기판(20)은 저전력 에어 히터(100)가 사용되는 응용 분야나 발열 온도에 따라서 적절히 선택될 수 있다.
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 단자(33)와 한 쌍의 전극 패드(31)를 포함할 수 있다. 한 쌍의 전극 단자(33)를 연결하도록 면상 발열체(40)가 형성되며, 열방출층(50)에 의해 봉합된다. 그리고 한 쌍의 전극 패드(31)는 한 쌍의 전극 단자(33)와 각각 연결되며, 열방출층(50) 밖으로 돌출되어 전원을 인가받는다.
한 쌍의 전극 단자(33)는 서로 마주보게 직선 형태로 형성된다. 베이스 기판(20)의 상부면(23)에 평면 상에 배열되는 복수의 면상 발열체(40)로 전원을 인가할 수 있도록, 한 쌍의 전극 단자(33)는 복수의 면상 발열체(40)를 연결할 수 있도록 형성된다. 예컨대 복수의 면상 발열체(40)가 n행m렬(n, m은 2 이상의 자연수)로 베이스 기판(20)의 상부면(23)에 형성될 경우, 한 쌍의 전극 단자(33)는 굴곡형으로 n행m렬의 면상 발열체(40)를 연결하도록 형성된다. 이때 한 쌍의 전극 단자(33)는 복수의 면상 발열체(40)를 직렬로 연결하는 예를 개시하였지만, 병렬로 연결하도록 구성할 수 있다.
한 쌍의 전극 패드(31)는 한 쌍의 전극 단자(33)의 일단에 연결되며, 전원을 공급하는 케이블(70)이 접합된다. 한 쌍의 전극 패드(31) 중 한쪽에는 (+)전원을 공급하는 케이블(70)이 연결되고, 다른 쪽에는 (-)전원을 공급하는 케이블(70)이 연결된다.
면상 발열체(40)는 전극 배선 패턴(30)의 한 쌍의 전극 단자(33)를 연결하도록 형성된다. 면상 발열체(40)는 발열체 조성물을 한 쌍의 전극 단자(33)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 1×10-2Ω㎝ 영역대까지는 탄소 입자만으로 비저항 조절이 가능하나, 그 이하의 영역은 금속 분말의 추가적인 도입이 필요하다. 면상 발열체(40)(30)는 9×10-2 내지 1.1×10-3 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 원활하게 하기 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 송풍되는 에어에 의해 급격히 온도가 떨어지는 문제를 억제할 수 있다. 이러한 세라믹 입자로는 유리 입자 또는 실리콘 입자가 사용될 수 있다.
그리고 열방출층(50)은 복수의 면상 발열체(40)가 형성된 베이스 기판(20)의 상부면(23)을 덮도록 형성된다. 열방출층(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 열방출층(50)의 소재로는 우레탄 수지, 실리콘 수지, 이미드계 수지 또는 면상 발열체(40)와의 접촉면에 절연 접착층이 형성된 금속박이 사용될 수 있다. 절연 접착층의 소재로는 우레탄 또는 에폭시 수지가 사용될 수 있다. 예컨대 열방출층(50)은 핫 프레싱(hot pressing) 또는 라미네이팅(laminating) 방법으로 베이스 기판(20)에 접합될 수 있다.
다음으로 케이스(60)에 대해서 도 1, 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 저전력 에어 히터(100)를 보여주는 평면도로서, 발열체 필름(10)이 설치된 케이스(60)의 상부를 보여주는 평면도이다. 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 저전력 에어 히터(100)를 보여주는 평면도로서, 에어 흐름 지연부(69)로 유로가 형성된 케이스(60)의 하부를 보여주는 평면도이다. 그리고 도 6은 도 2의 6-6선 단면도이다.
케이스(60)는 발열체 필름(10)을 내장하여 외부 환경으로부터 보호한다. 케이스(60)는 에어 공급구(63)를 통하여 송풍기(80)로부터 에어를 공급받고, 내장된 발열체 필름(10)을 통하여 공급된 에어를 가열하여 에어 배출구(65)를 통하여 외부로 배출한다.
이러한 케이스(60)는 케이스 본체(67)와 에어 흐름 지연부(69)를 포함한다. 케이스 본체(67)는 발열체 필름(10)이 내장되는 내부 공간(61)을 갖는다. 그리고 에어 흐름 지연부(69)는 케이스 본체(67)의 내부 공간(61)에 형성되되, 발열체 필름(10)이 내장된 위치에 형성된다. 에어 흐름 지연부(69)는 발열체 필름(10)을 향하여 돌출되게 형성되어 에어 공급구(63)에서 에어 배출구(65)로의 에어 흐름을 지연시켜 발열체 필름(10)과의 접촉 시간을 연장한다.
이때 케이스 본체(67)는 내부 공간(61)을 갖는 판 형태를 갖는다. 내부 공간(61)은 천장면(62)과 바닥면(64)을 갖는다. 천장면(62)에 발열체 필름(10)이 설치되고, 발열체 필름(10)에서 이격된 위치에 에어 배출구(65)가 형성되어 있다. 에어 흐름 지연부(69)는 바닥면(64)에서 천장면(62)을 향하여 돌출되게 형성되되, 발열체 필름(10)이 설치된 영역에 형성된다.
이때 케이스 본체(67)의 천장면(62)에 발열체 필름(10)은 접착 부재, 고정 부재 등으로 고정 설치될 수 있다. 발열체 필름(10)을 향하여 돌출된 에어 흐름 지연부(69)에 의해 발열체 필름(10)은 지지될 수 있다.
에어 공급구(63)는 케이스 본체(67)의 천장면(62)과 바닥면(64)에 이웃하는 케이스 본체(67)의 측면에 형성될 수 있다. 에어 공급구(63)는 에어 흐름 지연부(69)로 에어를 공급할 수 있도록, 에어 공급부는 에어 흐름 지연부(69)를 바라보는 방향으로 형성될 수 있다. 에어 배출구(65)는 케이스(60)의 내부 공간(61)의 천장면(62)을 관통하는 복수의 구멍으로 형성된다. 에어 공급구(63)와 에어 배출구(65)는, 에어의 흐름을 최대한 지연시킬 수 있도록, 발열체 필름(10)을 사이에 두고 양쪽에 형성하는 것이 바람직하다.
한편 제1 실시예에서는 에어 공급구(63)를 케이스 본체(67)의 측면에 형성하는 예를 개시하였지만, 천장면(62) 또는 바닥면(64)에 형성할 수도 있다. 에어 배출구(65)는 케이스 본체(67)의 천장면(62)에 형성한 예를 개시하였지만, 케이스 본체(67)의 바닥면(64)에 형성할 수도 있다.
케이스 본체(67)의 외곽에는 제1 실시예에 따른 저젼력 에어 히터를 적용 대상체, 예컨대 자동차의 내부, 데스크의 하부, 벽면 등에 설치하거나 고정할 수 있는 고정 부재가 형성될 수 있다.
에어 흐름 지연부(69)는 지그재그 형태의 유로로 형성할 수 있다. 지그재그 형태의 유로를 통하여, 에어 공급구(63)에서 에어 배출구(65)로 이동하는 에어의 이동 거리를 연장함으로써, 에어와 발열체 필름(10) 간의 열 접촉 시간을 늘릴 수 있다. 이로 인해 에어 공급구(63)에서 공급된 에어의 흐름을 에어 흐름 지연부(69)를 통하여 지연시킴으로써, 에어 공급구(63)에서 공급된 에어를 에어 배출구(65)로 배출되기 전에 충분히 가열할 수 있다.
이러한 케이스(60)는 인서트 사출을 통하여 제조할 수 있다. 예컨대 케이스(60)는 발열체 필름(10)이 설치되는 상부 케이스와, 에어 흐름 지연부(69)가 형성되는 하부 케이스를 각각 인서트 사출을 통하여 제조한 후, 상부 케이스와 하부 케이스를 조립하여 제조할 수 있다. 케이스(60)의 소재로는 인서트 사출이 가능한 플라스틱 소재, 예컨대 ABS, PP, PE, PC, PS, SBS 등이 사용될 수 있다. 케이스(60)의 소재는 발열 온도, 공정 조건 등을 고려하여 전술된 플라스틱 소재에서 선택적으로 사용될 수 있다.
그리고 송풍기(80)는, 도 1 및 도 6에 도시된 바와 같이, 케이스(60)의 에어 공급구(63)로 에어를 공급한다. 송풍기(80)로는 DC 3.6V, 5V, 12V, 12V, 24V 등의 다양한 구동 전압 및 송풍 속도를 갖는 송풍기(80)가 사용될 수 있다. 송풍기(80)의 구동 전압에 대응되게 발열체 필름(10)의 구동 전압을 조절할 수 있다. 즉 발열체 필름(10)을 형성하는 면상 발열체(40) 및 전극 배선 패턴(30)의 디멘션을 조절함으로써, 발열체 필름(10)의 구동 전압을 DC 3V 내지 24V 범위에서 조절할 수 있다.
한편 제1 실시예에서는 송풍기(80)가 케이스(60)의 외측에 설치된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 송풍기(80)는 케이스(60)의 내부 공간(61)에 함께 설치될 수 있다.
이와 같이 제1 실시예에 따른 저전력 에어 히터(100)는 저전력으로 구동이 가능한 면상 발열체(40)를 구비하는 발열체 필름(10)을 포함하기 때문에, 저전력으로 높은 발열 특성을 나타낼 수 있다. 즉 제1 실시예에 따른 저전력 에어 히터(100)는 빠른 시간 내에 저전력으로 난방 효과를 제공할 수 있다.
발열체 필름(10)의 면상 발열체(40)는 일반적인 열선 히터와 비교할 때, 발열 면적이 크기 때문에, 열전달 과정에서의 열손실을 최소화할 수 있다.
발열체 필름(10)의 면상 발열체(40)는 인쇄 공정을 통하여 다양하게 설계가 가능하기 때문에, 송풍기(80)의 구동 전압에 따라 동일한 구동 전압으로 구동하도록 발열체 필름(10)을 제조할 수 있다.
발열체 필름(10)의 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 혼합 바인더를 포함하기 때문에, 200℃ 이상의 온도에서도 내열성을 유지할 수 있다. 이로 인해 제1 실시예에 따른 저전력 에어 히터(100)는 온도에 따른 저항 변화가 작아 발열 거동 및 안정성이 높은 면상 발열체(40)를 구비하는 저전력 에어 히터(100)를 제공할 수 있다.
탄소나노튜브 입자와 그라파이트 입자를 포함하는 발열체 조성물로 형성한 면상 발열체(40)는 블랙 바디(block body)이기 때문에, 제1 실시예에 따른 저전력 에어 히터(100)는 흑체 복사로 인해 추가적인 에너지 효율을 향상을 얻을 수 있다.
발열체 조성물은 비저항이 낮고 두께 조절이 용이하여 저전압 및 저전력으로 고온 발열이 가능한 저전력 에어 히터(100)를 제공할 수 있다.
발열체 조성물은 스크린 인쇄, 롤투롤 그라비아 인쇄, 롤투롤 콤마 코팅, 플렉소 인쇄, 옵셋 인쇄가 가능하기 때문에, 제1 실시예에 따른 저전력 에어 히터(100)의 대량 생산에 유리할 뿐만 아니라 제품 길이 및 면적에 대한 제약을 해소할 수 있다.
[제2 실시예]
한편 제1 실시예에서는 케이스(60)의 내부 공간(61)의 천장면(62)에 발열체 필름(10)을 설치하고, 내부 공간(61)의 바닥면(64)에 에어 흐름 지연부(69)를 형성하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 7에 도시된 바와 같이, 발열체 필름(10)과 에어 흐름 지연부(69)의 위치를 역전하여 형성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 저전력 에어 히터(200)를 보여주는 단면도이다.
도 7을 참조하면, 제2 실시예에 따른 저전력 에어 히터(200)는 발열체 필름(10)과 케이스(60)를 포함한다. 케이스(60)의 내부 공간(61)의 천장면(62)에 에어 흐름 지연부(69)가 형성되고, 내부 공간(61)의 바닥면(64)에 발열체 필름(10)이 설치된다. 에어 흐름 지연부(69)가 형성된 천장면(62)에 에어 배출구(65)가 형성되어 있다.
[제3 실시예]
한편 제1 및 제2 실시예에서는 케이스(60)의 내부 공간(61)의 천장면(62) 및 바닥면(64) 중에 하나에 발열체 필름(10)을 설치하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 8에 도시된 바와 같이, 케이스(60)의 내부 공간(61)의 천장면(62) 및 바닥면(64)에 각각 발열체 필름(10)을 설치할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 저전력 에어 히터(300)를 보여주는 단면도이다.
도 8을 참조하면, 제3 실시예에 따른 저전력 에어 히터(300)는 한 쌍의 발열체 필름(10)과 케이스(60)를 포함한다.
한 쌍의 발열체 필름(10)은 케이스(60)의 내부 공간(61)의 천장면(62)에 설치되는 제1 발열체 필름(10a)과, 케이스(60)의 내부 공간(61)의 바닥면(64)에 설치되는 제2 발열체 필름(10b)을 포함한다.
에어 흐름 지연부(69)는 제1 및 제2 발열체 필름(10a,10b) 사이에 개재될 수 있다.
케이스(60)는 제1 및 제2 발열체 필름(10a,10b)을 중심으로 한쪽에 에어 공급구(63)가 형성되고, 반대쪽에 에어 배출구(65)가 형성된다. 에어 공급구(63)는 제1 및 제2 발열체 필름(10a,10b) 사이에 위치하는 에어 흐름 지연부(69)를 향하도록 형성된다. 에어 배출구(65)는 케이스(60)의 내부 공간(61)의 천장면(62)을 관통하는 복수의 구멍으로 형성된다.
[제4 실시예]
제1 내지 제3 실시예에 따른 저전력 에어 히터(100,200,300)는 베이스 기판(20)의 일면에 면상 발열체(40)가 형성된 발열체 필름(10)(이하 '단면 발열체 필름(10)'이라 함)이 사용된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 베이스 기판(20)의 양면에 면상 발열체(40)가 형성된 발열체 필름(110)(이하 '양면 발열체 필름(110)'이라 함)이 제4 실시예에 따른 저전력 에어 히터(400)에 적용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 저전력 에어 히터(400)를 보여주는 단면도이다. 도 10은 도 9의 양면 발열체 필름(110)을 보여주는 단면도이다.
도 9를 참조하면, 제4 실시예에 따른 저전력 에어 히터(400)는 양면 발열체 필름(110)과 케이스(60)를 포함한다.
양면 발열체 필름(110)은 양면에 복수의 면상 발열체(40)가 형성된 구조를 갖는다. 즉 양면 발열체 필름(110)은 양면에 형성된 복수의 면상 발열체(40)를 통하여 발열할 수 있는 구조를 갖는다.
그리고 케이스(60)는 내부 공간(61)의 천장면(62)과 바닥면(64)에 각각 형성된 에어 흐름 지연부(69)를 구비한다. 에어 흐름 지연부(69)는 내부 공간(61)의 바닥면(64)에 형성된 제1 에어 흐름 지연부(69a)와, 내부 공간(61)의 천장면(62)에 형성된 제2 에어 흐름 지연부(69b)를 포함한다.
제1 및 제2 에어 흐름 지연부(69a,69b) 사이에 양면 발열체 필름(110)이 개재될 수 있도록, 제1 및 제2 에어 흐름 지연부(69a,69b) 사이에는 공간이 형성되어 있다. 양면 발열체 필름(110)은 제1 및 제2 에어 흐름 지연부(69a,69b) 사이에 위치하여, 제1 및 제2 에어 흐름 지연부(69a,69b)에 의해 지지될 수 있다.
이와 같은 제4 실시예에 따른 양면 발열체 필름(110)은 베이스 기판(20), 전극 배선 패턴(30), 면상 발열체(40) 및 열방출층(50)을 포함한다. 베이스 기판(20), 전극 배선 패턴(30), 면상 발열체(40) 및 열방출층(50)은 제1 실시예에 따른 저전력 에어 히터(100)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 열방출층(50)은 복수의 면상 발열체(40)가 형성된 베이스 기판(20)의 양면을 덮도록 형성된다. 열방출층(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. 열방출층(50)은 베이스 기판(20)의 하부면(21)을 덮는 하부 열방출층(51)과, 베이스 기판(20)의 상부면(23)을 덮는 상부 열방출층(53)을 포함한다.
한편 제4 실시예에서는 양면 발열체 필름(110)을 적용한 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 제4 실시예에 따른 발열체 필름으로 베이스 기판(20)의 일면에 복수의 면상 발열체(40)가 형성된 단면 발열체 필름(10)을 사용할 수 있다.
이 경우, 베이스 기판(20) 쪽으로부터 양호하게 발열이 이루어질 수 있도록, 베이스 기판(20)으로는 열전도성이 양호한 금속 기판이 사용될 수 있다. 물론 금속 기판은 전극 배선 패턴(30) 및 복수의 면상 발열체(40)가 형성되는 일면에 절연층이 형성되어 있다.
또한 제1 실시예에서는 에어 흐름 지연부(69)가 지그재그 형태의 유로로 형성된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다.
예컨대 도 11에 도시된 바와 같이, 에어 흐름 지연부(169)는 복수의 돌기로 형성될 수 있다. 도 11은 에어 흐름 지연부(169)로 복수의 돌기가 형성된 케이스(160)를 보여주는 평면도이다.
또는 도 12에 도시된 바와 같이, 에어 흐름 지연부(269)는 복수의 격벽으로 형성될 수 있다. 도 12는 에어 흐름 지연부(269)로 복수의 격벽이 형성된 케이스(260)를 보여주는 평면도이다.
이와 같이 에어 흐름 지연부(69,169,269)는 에어 공급구(63)와 에어 배출구(65) 사이에 형성되며, 에어 공급구(63)와 에어 배출구(65)로 이동하는 에어의 흐름을 방해할 수 있는 구조물이라면 본 발명의 범위에 속한다.
이와 같은 본 발명에 따른 저전력 에어 히터의 특성을 확인하기 위해서 아래와 같은 실험을 수행하였다.
먼저 베이스 기판의 소재에 따른 저전력 에어 히터의 승온 속도를 비교한 결과는 도 13과 같다. 여기서 도 13은 발열체 필름의 베이스 기판의 소재에 따른 발열거동을 보여주는 그래프이다.
도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 저전력 에어 히터는 베이스 기판의 소재로 폴리이미드를 사용하였고, 비교예에 따른 저전력 에어 히터는 베이스 기판의 소재로 섬유를 사용하였다. 섬유는 TCK Textiles 섬유를 사용하였다. 본 발명 및 비교예에 따른 저전력 에어 히터는 베이스 기판의 소재를 제외하고 동일한 구성을 가지며, 동일 조건에서 승온 실험을 수행하였다.
폴리이미드 소재의 베이스 기판을 구비하는 본 발명에 따른 저전력 에어 히터가 섬유 소재의 베이스 기판을 구비하는 비교예에 따른 저전력 에어 히터에 비해서 승온 속도가 빠른 것을 확인할 수 있다.
다음으로 본 발명에 따른 저전력 에어 히터를 자동차에 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 14와 같은 형태로 단위 발열체(10a)를 구현하였다.
도 14는 제1 내지 제4 실험예에 따른 발열체 필름의 단위 발열체(10a)를 보여주는 평면도이다.
도 14를 참조하면, 단위 발열체(10c)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)×세로(Y)의 면적을 갖는다. 도 14에 따른 단위 발열체(10c)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 저전력 에어 히터용 단위 발열체(10c)를 제조하였다.
우레탄 소재의 베이스 기판을 준비하고, 베이스 기판 위에 금속 페이스트를 250메쉬 스크린 마스크를 이용하여 스크린 인쇄한 후 150℃에서 30분간 열처리하여 한 쌍의 전극 배선 패턴(30)을 형성한다. 이후 발열체 조성물을 동일하게 한 쌍의 전극 배선 패턴(30)에 따라 스크린 인쇄한 후 150℃에서 30분간 열처리하여 면상 발열체(40)를 형성한다. 그리고 접착층이 있는 우레탄 필름(열방출층)을 핫 프레싱하고 타발한 후 와이어링하여 단위 발열체(10c)를 제조하였다.
이때 면상 발열체(40)는 제1 내지 제4 실험예에 사용될 단위 발열체(10c)의 크기에 맞게 스크린 인쇄하여 형성하였다.
면상 발열체(40)의 형태에 따른 기전류 및 발열온도 변화를 분석한 결과는 도 15 내지 도 18과 같다. 여기서 도 15 내지 도 18은 제1 내지 제4 실험예에 따른 단위 발열체의 기전류와 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 15 내지 도 18에 도시된 그래프와 같다. 여기서 도 15는 Y값이 1cm인 경우, 도 16은 Y값이 1.5cm인 경우, 도 17은 Y값이 2cm인 경우, 그리고 도 18은 Y값이 2.5cm인 경우이다. 4가지 Y값에 대해서 X값은 각각 2cm, 2.5cm, 3cm, 3.5cm, 4cm, 4.5cm이다.
도 15 내지 도 18을 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. 특히 면상 발열체는 X값이 4cm 이하일 경우, 100℃ 이상 발열하는 것을 확인할 수 있다.
따라서 DC 12V로 구동하는 저전류 에어 히터를 제조할 경우, 면상 발열체의 면적 조절을 통하여 발열온도 및 전력량을 자유롭게 설계할 수 있다.
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 : 발열체 필름
20 : 베이스 기판
21 : 하부면
23 : 상부면
30 : 전극 배선 패턴
31 : 전극 패드
33 : 전극 단자
35 : 하부 배선 패턴
37 : 상부 배선 패턴
40 : 면상 발열체
41 : 하부 면상 발열체
43 : 상부 면상 발열체
50 : 열방출층
51 : 하부 열방출층
53 : 상부 열방출층
60 : 케이스
61 : 내부 공간
62 : 천장면
63 : 에어 공급구
64 : 바닥면
65 : 에어 배출구
67 : 케이스 본체
69 : 에어 흐름 지연부
70 : 케이블
80 : 송풍기
100, 200, 300, 400 : 저전력 에어 히터

Claims (18)

  1. 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; 및
    상기 발열체 필름을 내장하며, 한쪽에 상기 발열체 필름으로 에어를 공급하는 에어 공급구가 형성되어 있고, 상기 에어 공급구와 떨어진 곳에 상기 발열체 필름과 접촉하여 가열된 에어를 배출하는 에어 배출구가 형성된 케이스;
    를 포함하는 저전력 에어 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 봉합하며 상기 복수의 면상 발열체에서 발생된 열이 방출되는 열방출층;
    을 포함하는 저전력 에어 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 저전력 에어 히터.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 베이스 기판은 상기 전극 배선 패턴 및 상기 복수의 면상 발열체가 형성되는 면에 절연층이 형성된 금속 기판, 플라스틱 기판 또는 세라믹 기판을 포함하는 저전력 에어 히터.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 면상 발열체는 평면 상에 배열되는 저전력 에어 히터.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 열방출층은 우레탄 수지, 실리콘 수지, 이미드계 수지 또는 면상 발열체와의 접촉면에 절연 접착층이 형성된 금속박을 포함하는 저전력 에어 히터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 케이스는,
    상기 발열체 필름이 내장되는 내부 공간을 갖는 케이스 본체; 및
    상기 케이스 본체의 내부 공간에 형성되되 상기 발열체 필름이 내장된 위치에 형성되며, 상기 발열체 필름을 향하여 돌출되게 형성되어 상기 에어 공급구에서 상기 에어 배출구로의 에어 흐름을 지연시켜 상기 발열체 필름과의 접촉 시간을 연장하는 에어 흐름 지연부;
    를 포함하는 저전력 에어 히터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 에어 흐름 지연부는 지그재그로 형성된 유로, 복수의 돌기 또는 복수의 격벽을 포함하는 저전력 에어 히터.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 발열체 필름의 일측면은 상기 케이스 본체의 내측면에 위치하고, 상기 발열체 필름의 일측면에 반대되는 타측면은 상기 에어 흐름 지연부에 의해 지지되는 저전력 에어 히터.
  10. 제7항에 있어서, 상기 에어 흐름 지연부는,
    상기 케이스 본체의 제1 내측면에서 돌출되게 형성된 제1 에어 흐름 지연부; 및
    상기 제1 내측면과 마주보는 제2 내측면에서 돌출되게 형성되는 제2 에어 흐름 지연부;를 포함하며,
    상기 발열체 필름이 상기 제1 및 제2 에어 흐름 지연부 사이에 위치하여 상기 제1 및 제2 에어 흐름 지연부에 의해 지지되는 저전력 에어 히터.
  11. 제10항에 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 봉합하며 상기 복수의 면상 발열체에서 발생된 열이 방출되는 열방출층;
    을 포함하는 저전력 에어 히터.
  12. 제7항에 있어서, 상기 발열체 필름은,
    상기 케이스 본체의 제1 내측면에 설치된 적어도 하나의 제1 발열체 필름; 및
    상기 제1 내측면과 마주보는 제2 내측면에 설치된 적어도 하나의 제2 발열체 필름;을 포함하며,
    상기 에어 흐름 지연부는 상기 적어도 하나의 제1 발열체 필름과 상기 적어도 하나의 제2 발열체 필름 사이에 위치하는 저전력 에어 히터.
  13. 제7항에 있어서, 상기 케이스 본체는,
    상기 발열체 필름이 내장된 위치를 중심으로 양쪽에 상기 에어 공급구와 상기 에어 배출구가 형성된 저전력 에어 히터.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 케이스의 에어 공급구로 에어를 공급하는 송풍기;
    를 더 포함하는 저전력 에어 히터.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 발열체 필름과 상기 송풍기의 구동 전압이 동일한 저전력 에어 히터.
  16. 전원을 인가받아 발열하며 수평 방향으로 배열된 복수의 면상 발열체를 구비하며, 상기 복수의 면상 발열체는 전도성 입자로 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 함유하는 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되는 발열체 필름; 및
    상기 발열체 필름을 내장하는 내부 공간을 가지며, 상기 발열체 필름으로 에어를 공급하는 에어 공급구가 상기 내부 공간과 연통되게 형성되고, 상기 에어 공급구로 공급된 에어는 상기 발열체 필름과 접촉하여 가열된 후 외부로 배출하는 에어 배출구가 상기 내부 공간과 연통되게 형성된 케이스;
    를 포함하는 저전력 에어 히터.
  17. 제16항에 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 저전력 에어 히터.
  18. 제16항에 있어서, 상기 케이스는,
    상기 발열체 필름이 내장되는 내부 공간을 갖는 케이스 본체; 및
    상기 케이스 본체의 내부 공간에 형성되되 상기 발열체 필름이 내장된 위치에 형성되며, 상기 발열체 필름을 향하여 돌출되게 형성되어 상기 에어 공급구에서 상기 에어 배출구로 에어의 흐름을 지연시켜 상기 발열체 필름과의 접촉 시간을 연장하는 에어 흐름 지연부;
    를 포함하는 저전력 에어 히터.
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