KR20190035996A

KR20190035996A - 단열 튜브 및 그를 이용한 전기 가열식 흡연 장치

Info

Publication number: KR20190035996A
Application number: KR1020170123850A
Authority: KR
Inventors: 김윤진
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2019-04-04
Also published as: KR101983040B1

Abstract

본 발명은 단열 튜브 및 그를 이용한 전기 가열식 흡연 장치에 관한 것으로, 튜브 형태의 필름 히터에서 발생된 열이 외부로 손실되는 것을 억제하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 전기 가열식 흡연 장치용 단열 튜브은 본체와 내부 요철부를 포함한다. 본체는 튜브 형태를 가지며, 튜브 형태의 필름 히터가 삽입되는 히터 삽입 구멍을 갖는다. 내부 요철부는 히터 삽입 구멍의 내측면에 형성되며, 히터 삽입 구멍으로 삽입되는 필름 히터와 외측면에 접촉한다. 그리고 본체의 내부에 복수의 단열 구멍을 형성하거나 본체의 외측면에 형성된 외부 요철부를 더 포함할 수 있다.

Description

단열 튜브 및 그를 이용한 전기 가열식 흡연 장치{Adiabatic tube and electric heating type smoking device using the same}

본 발명은 고체형 전자 담배에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 튜브 형태의 필름 히터에서 발생된 열이 외부로 손실되는 것을 억제하는 단열 튜브 및 그를 이용한 전기 가열식 흡연 장치에 관한 것이다.

일반적인 연소형 담배는 라이터, 성냥 등의 점화를 통한 연소에 의해서 연기를 흡입하는 방식이다. 이러한 연소형 담배는 타르, 중금속 등의 많은 양의 유해물질을 흡입하게 된다.

최근 이러한 문제를 해결하기 위해서, 전기 가열에 의해서 담배(이하 '고체형 담배"라고 함)를 찌는 형태의 고체형 전자 담배가 소개되고 있다. 고체형 전자 담배는 연소형 담배에 비해서 타르, 중금속 등의 유해물질을 흡입을 낮출 수 있고, 동시에 연기 없이 증기를 통해서 흡연하는 담배이다.

이러한 고체형 전자 담배를 즐기기 위해서는 전용 전자기기인 전기 가열식 흡연 장치가 필요하다. 전기 가열식 흡연 장치는 고체형 담배를 찌는데 필요한 히터를 포함한다.

기존의 전기 가열식 흡연 장치의 히터로는 가열 블레이드 또는 금속 에칭형 필름 히터가 사용되고 있다. 하지만 가열 블레이드 또는 금속 에칭형 필름 히터의 금속 구조물을 고체형 담배를 찌는데 필요한 온도까지 가열하는 데 많은 시간과 전력이 소모되는 문제가 있다. 그리고 히터의 전력 소모가 크기 때문에, 기존의 전기 가열식 흡연 장치로는 고체형 담배 2대 이상을 연속으로 피우지 못하는 문제가 있다.

그리고 금속 에칭형 필름 히터는 실린더 형태의 고체형 담배를 수용할 수 있는 튜브 형태를 갖기 때문에, 고체형 담재가 수용되는 튜브 안으로 열을 효과적으로 전달할 필요가 있다.

예컨대 튜브 형태를 갖는 금속 에칭형 필름 히터에서 발생되는 열이 튜브 밖으로 손실되는 것을 최소화 하기 위해서, 금속 에칭형 필름 히터의 외측면에 단열층을 형성하는 방법을 고려할 수 있다.

단열층은 금속 에칭형 필름 히터의 외측면에 단열성 도료 또는 코팅액을 도포하여 형성하는 제1 방법, 단열필름 또는 폼을 접합하는 제2 방법, 진공 단열재를 형성하는 제3 방법이 사용될 수 있다.

여기서 제1 및 제2 방법은 금속 에칭형 필름 히터에서 발생되는 열을 외측으로 손실되는 것을 차단하는 효과는 있지만, 이 과정에서 많은 열손실이 발생한다. 그 이유는 금속 에칭형 필름 히터에서 발생되는 열량 중에서 열을 전달하고자 하는 안쪽보다는 바깥쪽에 위치하는 단열층으로 전달되는 열량이 많기 때문이다.

제3 방법으로 형성한 진공 단열재는 단열효과는 우수하지만 진공 단열재를 형성하는 공정이 복잡하고 고가인 단점이 있다.

그리고 전기 가열식 흡연 장치의 경우, 고체형 담배를 빠르게 가열하는 것도 중요하지만, 기기 외부로의 열 전달을 차단하고 방열하는 것도 중요하다. 즉 전기 가열식 흡연 장치의 경우 히터가 설치된 부분에 고체형 담배가 삽입되고, 사용자는 히터가 설치된 부분을 손가락으로 잡은 상태에서 흡연을 하기 때문에, 전기 가열식 흡연 장치의 외부 온도가 높을 경우, 사용자가 심한 온열감을 느끼거나 화상의 우려가 있다.

한국등록특허 제10-1655716호(2016.09.01. 등록)

따라서 본 발명의 목적은 튜브 형태의 필름 히터의 빠른 히팅, 단열 및 방열 효과를 동시에 구현할 수 있는 단열 튜브 및 그를 이용한 전기 가열식 흡연 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 튜브 형태를 가지며, 튜브 형태의 필름 히터가 삽입되는 히터 삽입 구멍을 갖는 본체; 및 상기 히터 삽입 구멍의 내측면에 형성되며, 상기 히터 삽입 구멍으로 삽입되는 필름 히터와 외측면에 접촉하는 내부 요철부;를 포함하는 전기 가열식 흡연 장치용 단열 튜브를 제공한다.

본 발명에 따른 단열 튜브는, 상기 본체의 외측면에 형성되며, 상기 본체로 전달된 열을 외부로 방출하는 외부 요철부;를 더 포함할 수 있다.

상기 내부 요철부 및 외부 요철부는, 엠보싱, 직선형 또는 나선형으로 형성될 수 있다.

상기 본체의 내부에 복수의 단열 구멍이 형성될 수 있다.

상기 복수의 단열 구멍은 상기 히터 삽입 구멍을 중심으로 방사형으로 형성되며, 단면이 타원형 또는 호 형태의 슬롯으로 형성될 수 있다.

상기 본체는, 일단면과, 상기 일단면에 반대되는 타단면을 가지고, 상기 일단면과 상기 타단면을 관통하는 형태로 상기 히터 삽입 구멍이 형성될 수 있다.

상기 히터 삽입 구멍이 형성되고 남은 상기 일단면과 상기 타단면 부분을 관통하여 상기 복수의 단열 구멍이 형성될 수 있다.

상기 단열 튜브의 소재는 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone; PEEK), 폴리이미드, 폴리아마이드, 아라미드, 실리콘 또는 PFA(Perfluoroalkoxy)을 포함할 수 있다.

본 발명은 또한, 튜브 형태의 필름 히터가 삽입되는 내경을 갖는 튜브 형태를 가지며, 상기 필름 히터와 접촉하는 내측면에 내부 요철이 형성되고, 내부에 복수의 구멍이 형성되고, 외측면에 외부 요철이 형성된 전기 가열식 흡연 장치용 단열 튜브를 제공한다.

본 발명은 또한, 고체형 담배의 일단부가 삽입되는 튜브 형태를 가지며, 전원을 인가받아 발열하는 필름 히터; 및 상기 필름 히터가 삽입되는 내경을 갖는 튜브 형태를 가지며, 상기 필름 히터와 접촉하는 내측면에 내부 요철이 형성되고, 내부에 복수의 구멍이 형성되고, 외측면에 외부 요철이 형성된 단열 튜브;를 포함하는 전기 가열식 흡연 장치용 히터 단열 조립체를 제공한다.

상기 필름 히터는, 고체형 담배의 일단부가 삽입되는 튜브 형태를 가지며, 전원을 인가받아 발열하는 나노탄소입자 기반의 복수의 면상 발열체를 구비할 수 있다.

상기 필름 히터는, 튜브 형태의 금속박판; 상기 금속박판의 일면을 덮는 절연층; 상기 절연층 위에 형성된 전극 배선 패턴; 상기 전극 배선 패턴에 연결되게 나노탄소입자 기반의 발열체 조성물을 상기 절연층 위에 인쇄하여 형성되며, 상기 전극 배선 패턴으로부터 전원을 인가받아 발열하며, 복수의 열로 상기 전극 배선 패턴에 병렬로 연결되는 복수의 면상 발열체; 및 상기 복수의 면상 발열체가 형성된 상기 절연층을 덮는 덮개층;을 포함할 수 있다.

그리고 본 발명은, 튜브 형태의 필름 히터; 상기 필름 히터가 삽입되는 내경을 갖는 튜브 형태를 가지며 상기 필름 히터와 접촉하는 내측면에 내부 요철이 형성되고, 내부에 복수의 구멍이 형성되고, 외측면에 외부 요철이 형성된 단열 튜브; 상기 필름 히터의 표면에 인쇄로 형성되어 상기 필름 히터의 온도를 감지하는 전달하는 탄소나노튜브 기반으로 하는 온도 센서; 및 상기 온도 센서로부터 전달받은 온도를 기반으로 상기 필름 히터의 온/오프를 PWM(pulse width modulation) 방식으로 제어하는 제어부;를 포함하는 전기 가열식 흡연 장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 단열 튜브는 튜브 형태의 필름 히터가 내설될 수 있는 내경을 가지며, 필름 히터와 접촉하는 내측면에 요철이 형성되어 있기 때문에, 단열 튜브와 필름 히터 간의 접촉 면적을 줄일 수 있다. 이로 인해 단열 튜브와 필름 히터 간의 접촉에 따라 단열 튜브로 전달되는 열을 최소화하고, 단열 튜브 내에 필름 히터에서 발생된 열이 머무를 수 있도록 함으로써, 필름 히터의 안쪽으로 삽입되는 고체형 담배의 히팅 속도를 높일 수 있다.

본 발명에 따른 단열 튜브는 내부에 다수의 구멍을 형성함으로써, 단열 효과를 높일 수 있다.

본 발명에 따른 단열 튜브는 외측면에 요철이 형성되어 있기 때문에, 단열 튜브로 전달되는 열을 효과적으로 외부로 방출할 수 있다. 이로 인해 사용자가 단열 튜브가 설치된 부분을 손가락으로 잡더라도 온열감을 느끼는 것을 최소화할 수 있고, 화상의 우려도 없다.

도 1은 본 발명에 따른 전기 가열식 흡연 장치를 포함하는 고체형 전자 담배를 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기 가열식 흡연 장치용 히터 단열 조립체를 보여주는 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 히터 단열 조립체를 보여주는 사시도이다.
도 4는 도 2의 단열 튜브를 보여주는 사시도이다.
도 5는 도 4의 5-5선 단면도이다.
도 6은 도 2의 히터 조립체를 보여주는 사시도이다.
도 7 및 도 8은 튜브 형태로 말리기 전의 판 상의 히터 조립체를 보여주는 사시도들이다.
도 9는 도 7의 히터 조립체의 평면도이다.
도 10은 도 6의 필름 히터를 보여주는 평면도이다.
도 11은 도 6의 온도 센서를 보여주는 평면도이다.
도 12 내지 도 25는 본 발명의 제1 실시예에 따른 히터 조립체의 제조 방법에 따른 각 단계들을 보여주는 도면들로서,
도 12는 금속박판을 보여주는 평면도이고,
도 13은 도 12의 14-14선 단면도이고,
도 14는 금속박판의 상부면에 절연층을 형성하는 단계를 보여주는 단면도이고,
도 15는 절연층 위에 금속층을 형성하는 단계를 보여주는 단면도이고,
도 16은 금속층을 패터닝하여 전극 배선 패턴을 형성하는 단계를 보여주는 평면도이고,
도 17은 발열체 조성물을 인쇄하여 복수의 면상 발열체를 형성하는 단계를 보여주는 평면도이고,
도 18은 도 17의 18-18선 단면도이고,
도 19는 전극 배선 패턴 및 복수의 면상 발열체를 덮도록 절연층 위에 내부 덮개층을 형성하는 단계를 보여주는 평면도이고,
도 20은 도 19의 20-20선 단면도이고,
도 21은 복수의 면상 발열체가 형성된 내부 덮개층 위에 온도 센싱 조성물을 인쇄하여 온도 센싱부를 형성하는 단계를 보여주는 평면도이고,
도 22는 내부 덮개층 위에 온도 센싱부를 덮는 외부 덮개층을 형성하는 단계를 보여주는 평면도이고,
도 23은 접합부 및 전극 배선 패턴을 제외한 부분을 절개하여 판 형의 히터 조립체를 제조하는 단계를 보여주는 평면도이고,
도 24는 도 23의 24-24선 단면도이고,
도 25는 금속박판이 안쪽면을 향하도록 히터 조립체를 튜브 형태로 마는 단계를 보여주는 단면도이다.
도 26은 본 발명의 제2 실시예에 따른 단열 튜브를 보여주는 단면도이다.
도 27은 본 발명의 제3 실시예에 따른 단열 튜브를 보여주는 사시도이다.

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.

도 1은 본 발명에 따른 전기 가열식 흡연 장치를 포함하는 고체형 전자 담배를 보여주는 개략도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 고체형 전자 담배(100)는 고체형 담배(95)와 전기 가열식 흡연 장치(90)를 포함한다. 고체형 전자 담배(100)는 기존의 액상 니코틴을 사용하는 액상형 전자 담배와는 다르게 스틱 형태의 고체형 담배(95)를 전기 가열식 흡연 장치(90)에 꽂아 전기로 가열하여 사용하는 전자 담배이다.

고체형 담배(95)는 일반적인 연소형 담배와 유사한 형태를 갖는다. 즉 고체형 담배(95)는 연초가 수용되는 연초부(95b)와, 연초부(95b)의 일단부에 형성되며 연초부(95b)를 쪄서 발생되는 에어로졸 속에 포함된 유해물질을 걸러주는 필터부(95a)를 포함한다. 이때 연초부(95b)의 연초는 열로 찔 수 있는 연초로서, 일반적인 연소식 연초와는 구별된다.

본 발명에 따른 전기 가열식 흡연 장치(90)는 전기 가열에 의해서 고체형 담배(95)를 찌는 히터 단열 조립체(97)를 포함한다. 히터 단열 조립체(97)는 히터 조립체(91)와 단열 튜브(70)를 포함한다.

히터 조립체(91)는 튜브 형태의 필름 히터(80)를 포함하며, 온도 센서(60)를 더 포함할 수 있다. 필름 히터(80)는 고체형 담배(95)의 일단부가 삽입되는 튜브 형태를 가지며, 전원을 인가받아 발열하는 나노탄소입자 기반의 복수의 면상 발열체를 구비한다. 온도 센서(60)는 필름 히터(80)의 표면에 인쇄로 형성되어 필름 히터(80)의 온도를 감지하여 전달하며, 탄소나노튜브를 기반으로 한다.

단열 튜브(70)는 필름 히터(80)가 삽입되는 내경을 갖는 튜브 형태를 가지며, 필름 히터(80)와 접촉하는 내측면에 요철이 형성되어 있다.

그리고 본 발명에 따른 전기 가열식 흡연 장치(90)는 필름 히터(80)의 온도 제어를 수행하는 제어부(93)를 더 포함할 수 있다.

여기서 필름 히터(80)는 양쪽이 개방된 개방구(81,83)가 형성된 튜브 형태를 가지며, 개방구(81,83)의 한 쪽은 고체형 담배(95)의 일단부가 삽입되는 삽입구(81)로 사용된다. 개방구(81,89)의 다른 쪽, 즉 삽입구(81)의 반대 쪽은 고체형 담배(95)의 가열에 의해 발생된 에어로졸을 고체형 담배(95)의 필터부(95a)를 통하여 흡입할 때 공기가 유입되는 유입구(83)로 사용된다.

이러한 필름 히터(80)는 금속박판을 기저층으로 하는 판 형의 필름 히터(80)를 말아서 제조한다. 필름 히터(80)는 금속박판의 일면에 전원을 인가받아 발열하는 나노탄소입자 기반의 복수의 면상 발열체가 형성된 구조를 갖는다.

온도 센서(60)는 필름 히터(80)의 온도를 감지하여 제어부(93)로 전달한다. 온도 센서(60)는 탄소나노튜브를 기반으로 하며, 상온에서 400℃까지 선형적으로 저항이 감소하는 NTC 특성을 갖는다. 즉 특정 온도에서 저항이 일정하면 전류제어를 통해서 필름 히터(80)의 온도를 제어할 수 있다. 온도 센서(60)는 온도 증가에 따른 선형적인 저항의 감소를 감지하여 제어부(95)로 전달하면, 제어부(95)는 필름 히터(80)로 공급되는 전류의 제어를 통하여 필름 히터(80)의 온도를 고체형 담배(95)를 찌는데 적합한 온도로 제어할 수 있다.

단열 튜브(70)는 튜브 형태의 필름 히터(80)가 내설될 수 있는 내경을 가지며, 필름 히터(80)와 접촉하는 내측면에 요철이 형성되어 있기 때문에, 단열 튜브(70)와 필름 히터(80) 간의 접촉 면적을 줄일 수 있다. 이로 인해 단열 튜브(70)와 필름 히터(80) 간의 접촉에 따라 단열 튜브(70)로 전달되는 열을 최소화하고, 단열 튜브(70) 내에 필름 히터(80)에서 발생된 열이 머무를 수 있도록 함으로써, 필름 히터(80)의 안쪽으로 삽입되는 고체형 담배(95)의 히팅 속도를 높일 수 있다.

그리고 제어부(93)는 온도 센서(60)로부터 전달받은 온도를 기반으로 필름 히터(80)의 온/오프를 제어한다. 즉 제어부(93)는 삽입구(81)로 삽입된 고체형 담배(95)로 적정 온도의 열을 전달할 수 있도록, 온도 센서(60)로부터 전달받은 온도를 기반으로 필름 히터(80)의 온/오프를 제어한다. 제어부(93)는 삽입구(81)에서 고체형 담배(95)에서 분리되면, 필름 히터(80)를 오프시킨다.

이때 제어부(91)는 필름 히터(80)의 온/오프를 PWM(pulse width modulation) 방식으로 제어할 수 있다. 여기서 PWM 방식이란 펄스 변조 방식의 하나로, 변조 신호의 크기에 따라서 펄스의 듀티비를 변화시켜 제어하는 방식을 말한다. 즉 PWM 제어는 듀티비를 조절함으로써 제어값을 조정하게 되며, 펄스 신호의 듀티비가 변함으로써 이 펄스 신호의 평균값이 변하게 되고 이러한 평균값을 제어 신호값으로 사용하는 것이다.

제어부(91)는 PWM 방식의 제어를 통하여, 필름 히터(80)로 발생시킬 수 있는 온도 범위 중 고체형 담배(95)를 찔 수 있는 적정 온도를 유지할 수 있도록 필름 히터(80)를 온/오프시킬 수 있다. 즉 제어부(91)는 필름 히터(80)의 빠른 가열 속도를 이용하여 초기 수초 간 350 내지 400℃로 피크 히팅(peak heating)한 후, 250 내지 350℃로 유지하도록 PWM 제어를 수행할 수 있다. 이로 인해 필름 히터(80)에 삽입되는 고체형 담배(95)를 신속하게 가열시킬 수 있다. PWM 제어를 통하여 필름 히터(80)의 높은 발열량으로 인한 필름 히터(80)의 내구성 및 수명이 저하되는 것을 억제하여 필름 히터(80)를 안정적으로 구동시킬 수 있다.

한편 도시하진 않았지만 본 발명에 따른 전기 가열식 흡연 장치(90)는 필름 히터(80)로 전원을 공급하는 전원 공급부를 더 포함한다. 전원 공급부로는 일차전지 또는 이차전지가 사용될 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 전기 가열식 흡연 장치(90)에 사용되는 히터 조립체(91)에 대해서 도 2 내지 도 25를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

[제1 실시예]

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기 가열식 흡연 장치용 히터 단열 조립체를 보여주는 분해 사시도이다. 도 3은 도 2의 히터 단열 조립체를 보여주는 사시도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 제1 실시예에 따른 히터 단열 조립체(97)는 단열 튜브(70)와, 단열 튜브(70)의 안쪽에 히터 조립체(91)가 삽입된 구조를 갖는다.

단열 튜브(70)는 고온 단열 소재로 제조된다. 예컨대 단열 튜브(70)의 소재로는 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone; PEEK), 폴리이미드, 폴리아마이드, 아라미드, 실리콘, PFA(Perfluoroalkoxy) 등이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.

단열 튜브(70)는 사출, 캐스팅, 프레스 성형, 절삭 가공 등의 방법으로 제조될 수 있다.

이러한 제1 실시예에 따른 단열 튜브(70)에 대해서 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 4는 도 2의 단열 튜브(70)를 보여주는 사시도이다. 그리고 도 5는 도 4의 5-5선 단면도이다.

단열 튜브(70)는 본체(71)와 내부 요철부(73)를 포함한다. 본체(71)는 튜브 형태를 가지며, 튜브 형태의 필름 히터(80)가 삽입되는 히터 삽입 구멍(72)을 갖는다. 내부 요철부(73)는 히터 삽입 구멍(72)의 내측면에 형성되며, 히터 삽입 구멍(72)으로 삽입되는 필름 히터(80)와 외측면에 접촉한다. 그리고 단열 튜브(70)는 복수의 단열 구멍(75) 또는 외부 요철부(77)를 더 포함할 수 있다.

이와 같이 단열 튜브(70)는 필름 히터(80)와 접촉하는 면에 내부 요철부(73)가 형성되어 있기 때문에, 필름 히터(80)와 단열 튜브(70) 간의 접촉 면적을 줄일 수 있다. 이로 인해 필름 히터(80)와의 접촉을 통해서 필름 히터(80)에서 발생된 열이 단열 튜브(70)를 통하여 외부로 손실되는 것을 억제할 수 있다.

단열 튜브(70)의 내측면에 내부 요철부(73)가 형성되지 않은 비표면적을 100%로 가정할 때, 내부 요철부(73)가 형성된 단열 튜브(70)의 내측면은 최소 110% 이상의 비표면적을 가질 수 있다.

본체(71)는 일단면과, 일단면에 반대되는 타단면을 갖는다. 본체(71)는 일단면과 타단면을 연결하는 튜브 형태의 외측면을 갖는다. 튜브 형태의 외측면은 원형의 실린더 형태일 수 있다. 본체(71)는 일단면과 타단면을 관통하는 형태로 히터 삽입 구멍(72)이 형성되어 있다. 히터 삽입 구멍(72)은 본체(71)의 중심축 방향으로 형성된다.

내부 요철부(73)는 본체(71)의 내측면, 즉 히터 삽입 구멍(72)의 내측면에 형성된다. 내부 요철부(73)는 히터 삽입 구멍(72)의 내측면에 균일하게 형성될 수 있다. 즉 내부 요철부(73)는 히터 삽입 구멍(72)의 중심에 대해서 내측면에 방사형으로 형성되며, 직선 형태의 요부와 철부가 교대로 배치되는 형태로 형성될 수 있다. 내부 요철부(73)는 철부는, 필름 히터(80)와의 접촉 면적을 줄이기 위해서, 단면이 반타원 형태로 볼록하게 형성될 수 있다.

외부 요철부(77)는 본체(71)의 외측면에 형성되며, 필름 히터(80)를 통하여 본체(71)로 전달된 열을 외부로 방출한다. 외부 요철부(77)는 히터 삽입 구멍(72)의 중심에 대해서 외측면에 방사형으로 형성되며, 직선 형태의 요부와 철부가 교대로 배치되는 형태로 형성될 수 있다. 이와 같이 본체(71)의 외측면에 외부 요철부(77)를 형성하여 공기와의 접촉 면적을 높임으로써, 방열 효율을 높일 수 있다.

이와 같이 내부 요철부(73) 및 외부 요철부(75)의 철부는 직선 형태의 바 형태로 형성될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 후술되겠지만, 내부 요철부(73) 및 외부 요철부(75)의 철부는 엠보싱 또는 나선형으로 형성될 수 있다.

복수의 단열 구멍(75)은 본체(71)의 내부에 형성된다. 본체(71)의 내부에 복수의 단열 구멍(75)을 형성하고, 그 복수의 단열 구멍(75)에 단열 기능이 있는 공기가 머무를 수 있도록 함으로써, 단열 튜브(70)의 단열 효과를 더욱 증가시킬 수 있다.

이러한 복수의 단열 구멍(75)은 히터 삽입 구멍(72)을 중심으로 방사형으로 균일하게 형성될 수 있다. 복수의 단열 구멍(75)은 본체(71)의 일단면과 타단면을 관통하는 형태로 본체(71)의 내부에 형성될 수 있다.

복수의 단열 구멍(75)은 단면이 원형 또는 타원을 갖도록 형성될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 후술되겠지만 복수의 단열 구멍(75)은 호 형태의 슬릿으로 형성될 수 있다.

본체(71)의 양단면에 노출된 복수의 단열 구멍(75)의 입구와 출구는 봉합부재로 봉합할 수 있다. 봉합부재로는 봉합재, 마개 또는 덮개가 사용될 수 있다. 봉합부재에는 단열 구멍(75)으로 공기가 입출할 수 있는 공기 입출구가 형성되어 있다. 즉 단열 튜브(70)가 필름 히터(80)로부터 열을 전달받게 되면, 단열 구멍(75) 내의 공기가 팽창하게 된다. 그런데 단열 구멍(75)이 완전히 밀폐되어 있는 경우, 단열 구멍(75)의 팽창에 의해 단열 튜브(70)가 손상되는 문제가 발생될 수 있다. 따라서 봉합부재에 공기 입출구를 형성함으로써, 단열 구멍(75)의 팽창된 공기가 외부로 배출되도록 하여 단열 튜브(70)가 손상되는 문제를 억제할 수 있다.

이와 같이 제1 실시예에 따른 단열 튜브(70)는 필름 히터(80)와 접촉하는 내측면에 내부 요철부(73)가 형성되고, 내부에 복수의 단열 구멍(75)이 형성되고, 외측면에 외부 요철부(77)가 형성되기 때문에, 튜브 형태의 필름 히터(80)의 빠른 히팅, 단열 및 방열 효과를 동시에 구현할 수 있다. 즉 내부 요철부(73)를 통하여 단열 튜브(70)와 필름 히터(80)의 접촉 면적을 줄일 수 있다. 복수의 단열 구멍(75)을 통하여 단열 튜브(70)의 내부에 공기층을 형성함으로써, 단열 튜브(70)의 단열 효과를 높일 수 있다. 그리고 외부 요철부(77)를 통하여 단열 튜브(70)로 전달된 열을 외부로 효과적으로 방출함으로써, 사용자가 단열 튜브(70)가 설치된 부분을 손가락으로 잡더라도 온열감을 느끼는 것을 최소화할 수 있고, 화상의 우려도 없다.

제1 실시예에 따른 히터 조립체(91)에 대해서 도 2, 도 3, 도 6 내지 도 11을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 6은 도 2의 히터 조립체(91)를 보여주는 사시도이다. 도 7 및 도 8은 튜브 형태로 말리기 전의 판 상의 히터 조립체(91)를 보여주는 사시도들이다. 도 9는 도 7의 히터 조립체(91)의 평면도이다. 도 10은 도 6의 필름 히터(80)를 보여주는 평면도이다. 그리고 도 11은 도 6의 온도 센서(60)를 보여주는 평면도이다.

도 6 내지 도 11을 참조하면, 제1 실시예에 따른 히터 조립체(80)는 튜브 형태의 필름 히터(80)와, 필름 히터(80)의 외측면에 인쇄로 형성된 온도 센서(60)를 포함한다.

필름 히터(80)는 고체형 담배의 일단부가 삽입되는 개방구(81,83)가 형성된 튜브 형태를 가지며, 금속박판(10), 절연층(20), 전극 배선 패턴(30), 복수의 면상 발열체(40) 및 내부 덮개층(50)을 포함한다. 여기서 금속박판(10)은 튜브 형태를 갖는다. 절연층(20)은 금속박판(10)의 일면을 덮는다. 전극 배선 패턴(30)은 절연층(20) 위에 형성된다. 복수의 면상 발열체(40)는 전극 배선 패턴(30)에 연결되게 나노탄소입자 기반의 발열체 조성물을 절연층(20) 위에 인쇄하여 형성되며, 전극 배선 패턴(30)으로부터 전원을 인가받아 발열한다. 그리고 내부 덮개층(50)은 복수의 면상 발열체(40)가 형성된 절연층(20)을 덮는다.

이와 같은 필름 히터(80)는 금속박판(10)이 안쪽에 위치하고, 덮개층(50)이 외측에 위치하는 구조를 갖는다. 필름 히터(80)는 금속박판(10)의 외측면에 절연층(20), 전극 배선 패턴(30), 복수의 면상 발열체(40) 및 내부 덮개층(50)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.

금속박판(10)은 절연층(20), 전극 배선 패턴(30), 복수의 면상 발열체(40) 및 내부 덮개층(50)을 형성할 수 있는 기저층이다. 금속박판(10)은 하부면(11)과, 하부면(11)에 반대되는 상부면(13)을 갖는다. 금속박판(10)의 소재로는 알루미늄, 구리, 니켈, 스테인리스 스틸, 황동 또는 이들의 합금이 사용될 수 있다. 이때 황동은 구리와 아연을 포함하는 구리합금으로, 추가적으로 As, P, Al, Si 등이 소량 포함할 수 있다. 황동으로는 아연의 함량이 50 중량%이하인 황동을 사용할 수 있다.

절연층(20)은 금속박판(10)의 상부면(13)에 코팅 또는 캐스팅으로 형성된다. 절연층(20)의 소재로는 플라스틱 소재가 사용될 수 있다. 예컨대 절연층(20)의 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.

절연층(20)의 소재로 절연 잉크 조성물이 사용될 수 있다. 예컨대 절연 잉크 조성물은 혼합 바인더, 무기 나노 입자, 분산제 및 유기 용매를 포함한다. 절연 잉크 조성물은 무기 필러, 레벨링제를 더 포함할 수 있다.

절연 잉크 조성물은 유기 용매의 사용량을 조절함으로써, 도료 또는 용액 형태로 구현할 수 있다.

그리고 절연 잉크 조성물은, 절연 잉크 조성물 100 중량부에 대하여 혼합 바인더 8 내지 10 중량부, 무기 나노 입자 0.001 내지 0.5 중량부, 유기 용매20 내지 80 중량부, 및 분산제는 0.5 내지 5 중량부를 포함한다.

여기서 혼합 바인더, 분산제, 유기 용매, 레벨링제는 후술될 발열체 조성물에 포함된 혼합 바인더, 분산제, 유기 용매, 레벨링제와 동일한 소재가 사용될 수 있다.

무기 나노 입자는 그래핀 산화물(Graphene oxide; GO) 입자, 부분적으로 환원된 그래핀 산화물 입자(partially reduced graphene oxide particle) 또는 직경이 나노크기인 전도성 카본 입자를 포함한다. 무기 나노 입자는 절연 잉크 조성물의 내열성과 절연성을 강화한다.

무기 나노 입자는, 절연 잉크 조성물 100 중량부에 대해서, 0.001 내지 0.5 중량부를 포함한다. 이로 인해 전도성 카본 입자는 혼합 바인더가 형성하는 메트릭스 사이에 아일랜드 형태로 분포할 수 있다.

그래핀 산화물 입자는 120층 이내에서 절연성을 가지며, 부분적으로 흑연화(graphitization)된 입자이다.

그래핀 산화물 입자는 다양한 관능기를 가지고 있다. 이러한 다양한 관능기를 이용하여 그래핀 산화물 입자는 유기 바인더인 혼합 바인더와 직접적인 화학적 공유 결합을 유도할 수 있다. 이로 인해 절연 잉크 조성물은 300℃ 부근 온도에서도 안정적인 내열성을 갖는다.

그래핀 산화물 입자는 표면과 에지부에 카르복실, 아민, 이민, 하이드록실, 카로보닐, 락톤 등의 다양한 화학적 반응성이 우수한 관능기를 가지고 있다. 그래핀 산화물 입자에 포함된 관능기는 디이소시아네이트, 페놀, 에폭시에 포함된 관능기와 화학적 공유결합이 가능하다. 따라서 그래핀 산화물 입자는 혼합 바인더에 포함되는 에폭시 아크릴레이트, 헥사메틸렌 디이소시아네이트 및 페놀계 수지와 화학적 공유 결합을 형성한다. 이러한 그래핀 산화물 입자와 혼합 바인더 간의 화학적 공유 결합은 3차원 네트워크를 형성하고, 고분자 사슬의 움직임을 억제하는 효과가 있기 때문에, 유리전이도 및 분해개시온도의 상승을 유발할 수 있다.

그래핀 산화물 입자는 전술된 바와 같이 표면과 에지부에 다수의 관능기를 갖고 있기 때문에, 혼합 바인더 및 유기 용매에 양호한 분산성을 나타낸다.

전도성 카본 입자는 카본블랙 또는 20층 이하의 그라파이트 입자를 포함할 수 있다. 그라파이트 입자는 2㎛ 미만의 직경을 가질 수 있다. 그라파이트 입자의 직경이 2㎛를 초과하는 경우, 임펄스 파괴강도가 낮아지는 문제가 발생될 수 있기 때문이다.

한편 전도성 카본 입자로서 탄소나노튜브, 카본 파이버와 같은 침상형은 바람직하지 못한다. 이유는 침상형의 탄소나노튜브 또는 카본 파이버는 작은 함량으로도 전기적 네트워크를 형성할 수 있기 때문에, 절연층(20)을 형성하기 위한 절연 잉크 조성물의 성분으로는 적합하지 못하다.

무기 필러는 절연 잉크 조성물을 이용하여 형성하는 절연층(20)의 표면강도 및 내흡습 특성 등과 같은 신뢰성을 향상시키기 위한 목적으로 첨가할 수 있다. 무기 필러는, 절연 잉크 조성물 100 중량부에 대해서, 10 내지 70 중량부를 포함할 수 있다. 무기 필러로는 입자 크기가 50nm 내지 2㎛인 용융 실리카 입자 또는 알루미나 입자가 사용될 수 있다. 패킹율(packing ratio)을 증가시키기 위해서, 용융 실리카 입자는 2종 이상의 입도를 갖는 입자를 사용할 수 있다.

이와 같이 절연층(20)은 금속박판(10) 위에 코팅 또는 캐스팅으로 형성되기 때문에, 금속박판(10)에 절연층(20)을 형성하기 위해서 별도의 접착제를 사용할 필요가 없다.

절연층(20)은 금속박판(10)의 양단부의 양쪽에 형성된다. 절연층(20) 밖으로 노출된 금속박판(10)의 양단부는 접합부(17)로 사용된다. 접합부(17)는 판 형으로 제조된 필름 히터를 말아서 양단부를 접합할 때 접합되는 부분이다.

전극 배선 패턴(30)은 절연층(20) 위에 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, 황동 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 절연층(20) 위에 금속박을 적층한 후 에칭 방법으로 패터닝하여 형성할 수 있다. 또는 전극 배선 패턴(30)은 금속 페이스트를 절연층(20) 위에 인쇄하여 형성할 수 있다.

면상 발열체(40)는 전극 배선 패턴(30)에 연결하도록 형성된다. 면상 발열체(40)는 발열체 조성물을 전극 배선 패턴(30)에 연결하도록 인쇄한 후, 열경화 및 에이징하여 형성할 수 있다. 발열 조성물의 인쇄 방법으로는 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄(내지 롤투롤 그라비아 인쇄), 콤마 코팅(내지 롤투롤 콤마코팅), 플렉소, 임프린팅, 옵셋 인쇄 등이 사용될 수 있다. 열경화는 100℃ 내지 180℃에서 수행하고, 에이징은 250 내지 350℃에서 수행할 수 있다. 이와 같이 면상 발열체(40)를 열경화 후 에이징하여 형성하는 이유는 면상 발열체(40)의 고온 안정성을 확보하기 위해서이다.

면상 발열체(40)는 절연층(20) 위에 수평 방향으로 배열되게 형성된다. 즉 면상 발열체(40)는 n행m렬(n, m은 2 이상의 자연수)로 절연층(20) 위에 형성될 수 있다. 이때 전극 배선 패턴(30)은 절연층(20) 위에 형성되는 복수의 면상 발열체(40)를 병렬로 연결하도록 형성된다.

이러한 면상 발열체(40)를 형성하는 발열체 조성물은 혼합 바인더 및 나노탄소입자 기반의 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 나노 크기의 탄소 입자를 포함하고, 금속 분말을 더 포함할 수 있다. 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)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)는 9ㅧ10^-2 내지 1.1ㅧ10^-3Ω㎝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. 이러한 세라믹 입자로는 유리 입자 또는 실리콘 입자가 사용될 수 있다.

또한 발열체 조성물은 발열체 조성물 100 중량부에 대하여, 첨가제로서 그래핀 산화물 입자 0.0001 내지 1 중량부를 더 포함할 수 있다. 여기서 그래핀 산화물 입자로는 1층 내지 20층 이내의 절연성을 가지며, 부분적으로 흑연화(graphitization)된 입자가 사용된다.

그래핀 산화물 입자는 다양한 관능기를 가지고 있다. 이러한 다양한 관능기를 이용하여 그래핀 산화물 입자는 유기 바인더인 혼합 바인더와 직접적인 화학적 공유 결합을 유도할 수 있다. 이로 인해 본 발명에 따른 발열 조성물은 300℃ 부근 온도에서도 안정적인 내열성을 갖는다.

즉 그래핀 산화물 입자는 표면과 에지부에 카르복실, 아민, 이민, 하이드록실, 카로보닐, 락톤 등의 다양한 화학적 반응성이 우수한 관능기를 가지고 있다. 그래핀 산화물 입자에 포함된 관능기는 디이소시아네이트, 페놀, 에폭시에 포함된 관능기와 화학적 공유결합이 가능하다. 따라서 그래핀 산화물 입자는 혼합 바인더에 포함되는 에폭시 아크릴레이트, 헥사메틸렌 디이소시아네이트 및 페놀계 수지와 화학적 공유 결합을 형성한다. 이러한 그래핀 산화물 입자와 혼합 바인더 간의 화학적 공유 결합은 3차원 3차원 네트워크를 형성하고, 고분자 사슬의 움직임을 억제하는 효과가 있기 때문에, 유리전이도 및 분해개시온도의 상승을 유발할 수 있다.

한편 제1 실시예에서는 절연층(20) 위에 전극 배선 패턴(30) 및 면상 발열체(40)를 순차적으로 형성하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉 절연층 위에 면상 발열체를 형성한 후 전극 배선 패턴을 형성할 수 있다.

그리고 내부 덮개층(50)은 복수의 면상 발열체(40)가 형성된 절연층(20)을 덮도록 형성된다. 내부 덮개층(50)은 절연층(20) 위에 형성된 전극 배선 패턴(30)과 복수의 면상 발열체(40)를 외부 환경으로부터 보호한다. 이러한 내부 덮개층(50)의 소재로는 에폭시 수지, 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 내부 덮개층(50)은 핫 프레싱(hot pressing) 또는 라미네이팅(laminating) 방법으로 절연층(20)에 접합될 수 있다.

이와 같이 제1 실시예에 따른 필름 히터(80)는 저전력으로 구동이 가능한 복수의 면상 발열체(40)를 포함하기 때문에, 저전력으로 높은 발열량을 나타낸다.

면상 발열체(40)는 발열 면적이 크기 때문에, 열전달 과정에서의 열손실을 최소화할 수 있다.

면상 발열체(40)는 인쇄 공정을 통하여 다양하게 설계가 가능하기 때문에, 제1 실시예에 따른 필름 히터(80)가 사용되는 기기나 환경에서 사용 가능한 다양한 구동 전압에서 구동하도록 제조할 수 있다.

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 제1 실시예에 따른 필름 히터(80)는 온도에 따른 저항 변화가 작아 발열 거동 및 안정성이 높은 면상 발열체(40)를 구비하는 히터를 제공할 수 있다.

탄소나노튜브 입자와 그라파이트 입자를 포함하는 발열체 조성물로 형성한 면상 발열체(40)는 블랙 바디(block body)이기 때문에, 제1 실시예에 따른 필름 히터(80)는 흑체 복사로 인해 추가적인 에너지 효율을 향상을 얻을 수 있다. 제1 실시예에 따른 필름 히터(80)는 흑체 복사로 인해 원적외선도 방사하기 때문에, 사용자에게 유익한 원적외선을 제공할 수 있다.

발열체 조성물은 비저항이 낮고 두께 조절이 용이하여 저전압 및 저전력으로 고온 발열이 가능한 제1 실시예에 따른 필름 히터(80)를 제공할 수 있다.

그리고 발열체 조성물은 스크린 인쇄, 롤투롤 그라비아 인쇄, 롤투롤 콤마 코팅, 플렉소 인쇄, 옵셋 인쇄가 가능하기 때문에, 제1 실시예에 따른 필름 히터(80)의 대량 생산에 유리할 뿐만 아니라 제품 길이 및 면적에 대한 제약을 해소할 수 있다.

이와 같이 제1 실시예에 따른 필름 히터(80)는 전극 배선 패턴(30)과, 저전압이 구동이 가능한 면상 발열체(40)를 포함하기 때문에, 저전력으로 높은 발열 특성을 나타낼 수 있다. 면상 발열체(40)는 탄소 입자와 혼합 바인더를 포함하는 도료 형태의 발열체 조성물로 형성하기 때문에, 비저항이 낮고 열전도율이 우수해 저전압 구동에 유리하고 승온 속도가 빠른 장점이 있다. 이로 인해 제1 실시예에 따른 필름 히터(80)는 고체형 담배를 신속하게 가열시킬 수 있다.

이와 같이 제1 실시예에 따르면, 나노탄소입자를 기반으로 하는 튜브 형태의 필름 히터(80)에서 저전력으로 발생되는 높은 발열량에 대한 PWM 제어를 통하여 필름 히터(80)에 삽입되는 고체형 담배를 신속하게 가열시킬 수 있다.

즉 제1 실시예에 따른 필름 히터(80)는 3~4V의 저전압에서도 500℃ 이상의 높은 발열량을 순간적으로 발생시키면서 단위면적당 2 W/㎠ 이상의 열밀도를 나타낸다. 따라서 필름 히터(80)의 빠른 가열 속도를 이용하여 초기 수초 간 350 내지 400℃로 피크 히팅(peak heating)한 후, 250 내지 350℃로 유지하도록 PWM 제어함으로써, 필름 히터(80)에 삽입되는 고체형 담배를 신속하게 가열시킬 수 있다. 아울러 PWM 제어를 통하여 필름 히터(80)의 높은 발열량으로 인한 필름 히터(80)의 내구성 및 수명이 저하되는 것을 억제할 수 있다.

따라서 제1 실시예에 따른 필름 히터(80)를 포함하는 전기 가열식 흡연 장치는 2대 이상의 고체형 담배를 연속적으로 피울 수 있기 때문에, 사용자의 편의성을 증대시킬 수 있다.

제1 실시예에 따른 필름 히터(80)는 고체형 담배가 삽입될 수 있도록 튜브 형태로 구현되기 때문에, 고체형 담배를 거치할 구조물을 별도로 제작할 필요가 없다.

그리고 제1 실시예에 따른 필름 히터(80)는 금속박판(10)에 절연층(20)이 코팅 또는 캐스팅으로 직접 형성되기 때문에, 기존의 금속박판(금속구조물)과 절연층 사이에 사용했던 접착제의 사용을 배제할 수 있다. 이로 인해 기존의 접착제 사용으로 인한 문제를 해소할 수 있다.

온도 센서(60)는 온도 센싱부(61)와 외부 덮개층(67)을 포함한다. 온도 센싱부(61)는 내부 덮개층(50) 위에 탄소나노튜브와 고내열성 수지를 함유하는 온도 센싱 조성물을 인쇄하여 형성된다. 그리고 외부 덮개층(67)은 온도 센싱부(61)가 형성된 내부 덮개층(50)을 덮는다. 온도 센서(60)는 필름 히터(80)의 표면에 인쇄 공정을 통해서 형성하기 때문에, 필름 히터(80)의 표면에 50㎛ 이하의 두께로 얇게 형성할 수 있다.

온도 센싱부(61)를 탄소나노튜브를 기반으로 형성한 이유는 200℃ 이상으로 가열되는 필름 히터(80)의 온도를 감지하기 위해서이다. 즉 일반적으로 인쇄가 가능한 유기물 기반의 탄소 물질은 온도 상승에 따른 정온도계수(positive temperature coefficient; PTC) 특성을 보인다. 이것은 온도 상승에 따라 유기물 매트릭스의 부피팽창에 따라 탄소 입자 간의 거리가 멀어짐에 따라 저항이 상승하기 때문이다. 따라서 200℃ 이하에서는 PTC 거동을 보이다가 결국에는 전기적으로 절연상태로 변화하게 되기 때문에, 200℃ 이상의 온도를 감지하기 위한 온도 센서로는 사용이 불가능하다.

하지만 제1 실시예에 따른 온도 센서(60)는 상온에서부터 400℃까지 선형적으로 저항이 감소하는 NTC 특성을 보인다. 이것은 카본나노튜브의 형상이 침상형이기 때문에, 유기물의 부피팽창에 따른 저항의 증가 영향이 거의 없고 반대로 온도 상승에 따라 전자방출량이 많아지는 특성으로 기인한 것으로 판단된다.

온도 센서(60)가 200℃ 이상의 온도에 대해서 내열성을 가질 수 있도록, 온도 센싱 조성물은 고내열성 수지를 포함한다. 여기서 고내열성 수지로는 에폭시계 수지, 페놀계 수지 등이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.

온도 센싱부(61)는 굴곡을 갖는 라인 형태로 복수의 면상 발열체(40)가 형성된 내부 덮개층(50) 위에 형성된다. 이러한 온도 센싱부(61)는 복수의 면상 발열체(40)가 형성된 내부 덮개층(50) 위에 형성되는 온도 센싱 패턴(63)과, 온도 센싱 패턴(63)의 양단부에 형성된 온도 센싱 패드(65)를 포함한다. 온도 센싱 패드(65)는 전극 패드(31)가 형성된 쪽에 배치될 수 있다.

온도 센싱 패턴(63)은 수직 방향으로 진행하는 사각파 형태로 형성될 수 있다. 즉 복수의 면상 발열체(40)가 수직 방향으로 복수의 라인으로 형성된다. 따라서 복수의 면상 발열체(40)에서 발생되는 열에 따른 저항 변화를 감지할 수 있도록, 온도 센싱 패턴(63)은 복수의 면상 발열체(40)가 형성된 방향에 직교하는 방향으로 형성하였다.

이와 같이 온도 센서(60)는 필름 히터(80)의 표면에 인쇄를 통하여 형성되기 때문에, 온도 센서(60)의 부착 공간 및 두께 증가를 최소화할 수 있다. 온도 센서(60)는 탄소나노튜브를 기반으로 하기 때문에, 400℃에서도 NTC 특성을 유지한다. 따라서 필름 히터(80)에서 발생되는 높은 발열량에 대해서도, 온도 센서(60)는 PWM 제어를 위해 필름 히터(80)의 온도를 정확히 감지할 수 있다.

그리고 온도 센서(60)는 탄소나노튜브를 기반으로 고내열성 수지가 혼합된 조성물을 필름 히터(80)의 표면에 인쇄하여 필름 형태로 형성되기 때문에, 필름 히터(80)와 더불어 튜브 형태로 구부릴 수 있는 유연성을 갖는다.

이와 같은 제1 실시예에 따른 히터 조립체(91)의 제조 방법에 대해서 도 2 내지 도 25를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 12 내지 도 25는 본 발명의 제1 실시예에 따른 히터 조립체(91)의 제조 방법에 따른 각 단계들을 보여주는 도면들이다.

제1 실시예에 따른 히터 조립체(91)의 제조 방법은 금속박판(10)을 기반으로 판 형의 필름 히터(80)를 제조하는 단계, 판 형의 필름 히터(80) 위에 온도 센서(60)를 제조하는 단계, 및 판 형의 필름 히터(80) 및 온도 센서(60)를 튜브 형태로 말아서 히터 조립체(91)로 제조하는 단계를 포함한다.

금속박판(10)을 기반으로 하는 판 형의 필름 히터(80)를 제조하는 단계를 도 8 내지 도 16을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 판 형상의 금속박판(10)을 준비한다. 이때 금속박판(10)의 두께는 1mm 이하이다.

1mm 이하의 금속박판(10)을 사용할 수 있는 이유는, 금속박판(10)을 이용하여 판 형태의 필름 히터를 제조한 후 말아서 튜브 형태의 필름 히터를 제조하기 때문이다. 또한 1mm 초과하는 금속박판을 이용할 경우, 금속박판의 열용량이 증대되고, 금속박판을 가열하는데 시간과 많은 전력이 소모되기 때문에, 사용자의 편의성이 떨어지는 문제가 발생될 수 있다. 따라서 제1 실시예에서는 1mm 이하의 금속박판(10)을 말아서 튜브 형태로 제조하기 때문에, 기존에 비해서 금속박판의 열용량을 줄일 수 있고, 고체형 담배를 가열하는 시간을 단축하고 전력 사용량을 줄일 수 있다.

다음으로 도 14에 도시된 바와 같이, 금속박판(10)의 상부면(13)에 절연층(20)을 형성한다. 절연층(20)은 코팅 또는 캐스팅 방법으로 형성할 수 있다.

이때 절연층(20)은 금속박판(10)의 양단부에 형성될 접합부(17) 안쪽에 형성된다.

다음으로 도 15에 도시된 바와 같이, 절연층(20) 위에 금속층(39)을 형성한다. 즉 절연층(20) 위에 금속박을 접합하여 금속층(39)을 형성할 수 있다. 또는 절연층(20)에 금속을 증착하여 금속층(39)을 형성할 수 있다.

다음으로 도 16에 도시된 바와 같이, 금속층을 패터닝하여 전극 배선 패턴(30)을 형성한다. 이때 금속층의 패터닝 방법으로는 사진석판술(photolithography)이 이용될 수 있다.

전극 배선 패턴(30)은 한 쌍의 전극 패드(31)와 한 쌍의 전극 단자(35)를 포함한다. 한 쌍의 전극 패드(31)는 일정 간격으로 이격되며, 전원을 인가받는 부분이다. 한 쌍의 전극 단자(35)는 한 쌍의 전극 패드(31)에 각각 연결되어 연장되며, 복수의 면상 발열체가 병렬로 연결되는 부분이다.

전극 배선 패턴(30)은 한 쌍의 전극 단자(35)의 일측에 수직 방향으로 한 쌍의 전극 패드(31)가 연결된 구조를 갖는다. 즉 전극 배선 패턴(30)은 기역자 형상으로 형성될 수 있다.

한 쌍의 전극 패드(31)는 한 쌍의 전극 단자(35)의 일단에 연결되며, 전원을 공급하는 케이블이 접합된다. 이러한 한 쌍의 전극 패드(31)는 덮개 필름(도 15의 50) 밖으로 돌출되어 케이블을 통하여 전원을 인가받는다. 한 쌍의 전극 패드(31) 중 한쪽에는 (+)전원을 공급하는 케이블이 연결되고, 다른 쪽에는 (??)전원을 공급하는 케이블이 연결된다.

한 쌍의 전극 패드(31)는 복수의 면상 발열체에서 이격되게 형성된다. 제1 실시예에서는 복수의 면상 발열체가 배열된 방향으로, 최외곽에 위치하는 면상 발열체(50)에서 이격된 위치에 한 쌍의 전극 패드(31)가 형성된 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.

한 쌍의 전극 단자(35)는 제1 전극 단자(35a)와 제2 전극 단자(35b)를 포함한다. 제1 전극 단자(35a)는 일자로 형성되고, 제2 전극 단자(35b)는 제1 전극 단자(35a)를 디귿자 형상으로 둘러싸는 형태로 형성될 수 있다.

한편 제1 실시예에 따른 전극 배선 패턴(30)은 수평하게 형성된 한 쌍의 전극 단자(35)의 일측에 한 쌍의 전극 패드(31)가 수직 방향으로 연결되어 기역자 형상으로 형성된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 한 쌍의 전극 단자에 연결되는 한 쌍의 전극 패드의 위치에 따라서 영문자 "T"자형으로도 구현이 가능함은 물론이다.

다음으로 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이, 절연층(20) 위에 발열체 조성물을 인쇄한 후 열경화 및 에이징하여 복수의 면상 발열체(40)를 형성한다. 이때 복수의 면상 발열체(40)는 한 쌍의 전극 단자(35)와, 한 쌍의 전극 단자(35) 사이의 절연층(20) 위에 형성되어, 한 쌍의 전극 단자(35)를 연결하도록 형성된다. 전극 배선 패턴(30)의 한 쌍의 전극 패드(31)는 면상 발열체(40) 밖으로 노출되어 있다.

면상 발열체(40)의 인쇄 방법으로는 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄(내지 롤투롤 그라비아 인쇄), 콤마 코팅(내지 롤투롤 콤마 코팅), 플렉소, 임프린팅, 옵셋 인쇄 등이 사용될 수 있다. 열경화는 100℃ 내지 180℃에서 수행하고, 에이징은 250 내지 350℃에서 수행할 수 있다.

한 쌍의 전극 단자(33)를 연결하는 복수의 면상 발열체(40)는 직선 형태가 아닌 중간 부분에 굴곡진 부분을 갖도록 형성된다. 면상 발열체(40)의 굴곡은 사인파나 물결무늬 형태와 같은 곡선으로 형성될 수 있다.이때 굴곡진 부분의 곡률 반경은 2cm 이하가 되도록 면상 발열체(40)가 형성한다. 굴곡진 부분의 곡률 반경이 2cm를 초과하게 되면, 면상 발열체의 길이가 길어지고 한 쌍의 전극 단자(33) 사이에 형성할 수 있는 면상 발열체의 개수가 줄어들기 때문에, 신속히 발열되지 않거나 발열량이 떨어지는 문제가 발생될 수 있다.

이와 같이 굴곡을 갖도록 면상 발열체(40)를 형성하는 이유는, 판 형의 필름 히터를 튜브 형태로 말았을 때 면상 발열체(40)와 금속박판(10)의 접촉 면적을 높이기 위해서이다. 필름 히터를 튜브 형태로 말 때 안정적으로 휠 수 있도록 하기 위해서이다. 그리고 굴곡진 부분을 갖는 면상 발열체(40)가 직선 형태의 면상 발열체 보다는 더 큰 단면적을 갖기 때문에, 발열면적을 높일 수 있기 때문이다.

그리고 한 쌍의 전극 단자(33)에 하나의 면상 발열체(40)를 형성할 수도 있지만, 복수개로 형성한 이유는 면상 발열체(40)의 발열에 사용되는 전력량을 줄이기 위해서이다.

이로 인해 제1 실시예에 따른 필름 히터(80)의 전력 소모량, 열전달 손실 및 제조 원가를 줄일 수 있고, 금속박판(10)의 열용량을 최소화할 수 있다.

다음으로 도 19 및 도 20에 도시된 바와 같이, 전극 배선 패턴(30) 및 복수의 면상 발열체(40)를 덮도록 내부 덮개층(50)을 절연층(20) 위에 형성한다. 내부 덮개층(50)의 형성 방법으로는 핫 프레싱 또는 라미네이팅 방법이 사용될 수 있다.

이때 내부 덮개층(50)에는 전극 배선 패턴(30)의 한 쌍의 전극 패드(31)가 노출되도록, 한 쌍의 전극 패드(31)에 대응되게 윈도우(51)가 형성되어 있다. 따라서 내부 덮개층(50)이 절연층(20) 위에 형성될 때, 내부 덮개층(50)의 윈도우(51)를 통하여 한 쌍의 전극 패드(31)가 외부로 노출된다. 접합부(17) 또한 내부 덮개층(50) 밖으로 노출되어 있다.

이와 같이 전극 배선 패턴(30)은 한 쌍의 전극 패드(31)와 한 쌍의 전극 단자(35)를 포함한다. 한 쌍의 전극 단자(35)를 연결하도록 면상 발열체(40)가 형성되며, 내부 덮개층(50)에 의해 봉합된다. 그리고 한 쌍의 전극 패드(31)는 한 쌍의 전극 단자(35)와 각각 연결되며, 내부 덮개층(50) 밖으로 돌출되어 전원을 인가받는다.

다음으로 도 21 및 도 22에 도시된 바와 같이, 내부 덮개층(50) 위에 온도 센서(60)를 인쇄 방식으로 형성한다.

도 21에 도시된 바와 같이, 내부 덮개층(50) 위에 탄소나노튜브와 고내열성 수지를 함유하는 온도 센싱 조성물을 인쇄하여 온도 센싱부(61)를 형성한다. 온도 센싱부(61)의 인쇄 방법으로는 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄(내지 롤투롤 그라비아 인쇄), 콤마 코팅(내지 롤투롤 콤마 코팅), 플렉소, 임프린팅, 옵셋 인쇄 등이 사용될 수 있다.

온도 센싱부(61)는 복수의 면상 발열체에서 발생되는 온도를 감지할 수 있도록, 복수의 면상 발열체가 형성된 내부 덮개층(50) 위에 형성된다. 즉 온도 센싱부(61)는 복수의 면상 발열체가 형성된 내부 덮개층(50) 위에 형성되는 온도 센싱 패턴(63)과, 온도 센싱 패턴(63)의 양단부에 형성된 한 쌍의 온도 센싱 패드(65)를 포함한다.

한 쌍의 온도 센싱 패드(65)에는 온도 센싱 패턴(63)의 저항 변화를 검출하기 위한 검출 케이블이 연결된다.

한 쌍의 온도 센싱 패드(65)는 한 쌍의 전극 패드(31)가 형성된 쪽에 배치될 수 있다. 따라서 온도 센싱부(61)는 전극 배선 패턴(30)에 대응되는 형태로 전극 배선 패턴(30)의 상부에 형성될 수 있다. 즉 전극 배선 패턴(30)이 기역자 형태로 형성되기 때문에, 온딩 센싱부(61)도 기역자 형태로 형성될 수 있다.

다음으로 도 22에 도시된 바와 같이, 온도 센싱부(61)를 덮도록 외부 덮개층(67)을 내부 덮개층(50) 위에 형성하여 온도 센서를 제조한다. 외부 덮개층(67)의 형성 방법으로는 핫 프레싱 또는 라미네이팅 방법이 사용될 수 있다.

이때 외부 덮개층(60)에는 온도 센싱부(61)의 한 쌍의 온도 센싱 패드(65)가 노출되도록, 한 쌍의 온도 센싱 패드(65)에 대응되게 윈도우(69)가 형성되어 있다. 따라서 외부 덮개층(67)이 내부 덮개층(50) 위에 형성될 때, 외부 덮개층(67)의 윈도우(69)를 통하여 한 쌍의 온도 센싱 패드(65)가 외부로 노출된다. 접합부(17) 또한 외부 덮개층(67) 밖으로 노출되어 있다.

다음으로 도 23 및 도 24에 도시된 바와 같이, 접합부(17), 전극 배선 패턴(30) 및 온도 센싱부(61)를 제외한 부분을 절개함으로써, 판 형상의 필름 히터(80) 와 온도 센서(60)를 구비하는 히터 조립체(91)를 얻을 수 있다. 즉 기역자 형상의 전극 배선 패턴(30) 및 온도 센싱부(61)를 중심으로 양쪽에 접합부(17)를 남기고 나머지 부분은 절개하여 판 형의 히터 조립체(91)를 얻을 수 있다. 히터 조립체(91)는 전극 배선 패턴(30) 및 온도 센싱부(61)의 형상에 대응되게 기역자 형상을 갖는다.

접합부(17)는 전극 배선 패턴(30)의 한 쌍의 전극 단자(35)의 양쪽에 위치한다. 한 쌍의 접합부(17)를 연결하는 가상 선에 수직한 방향으로 한 쪽에 한 쌍의 전극 패드(31)가 위치한다. 제1 실시예에서는 한 쌍의 전극 패드(31)는 한 쌍의 접합부(17) 하나가 위치하는 쪽에 형성된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다.

이어서 도 25에 도시된 바와 같이, 금속박판(10)이 안쪽면을 향하도록 히터 조립체(91)를 튜브 형태로 말아서 양단에 위치하는 접합부(17)를 중첩시킨다.

그리고 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 튜브 형태로 말린 히터 조립체(91)의 중첩된 접합부(17)를 접합함으로써, 제1 실시예에 따른 히터 조립체(91)를 얻을 수 있다. 접합 방법으로는 초음파 또는 레이저 용접 방법이 사용될 수 있다. 레이저 용접 방법에는 야그(yag) 레이저, 파이버(fiber) 레이버, 펨토(femto) 레이저 등이 사용될 수 있다.

도시하진 않았지만, 내부 덮개층(50) 밖으로 노출된 전극 패드(31)에는 전원 공급용 케이블이 접합되고, 외부 덮개층(67) 밖으로 노출된 온도 센싱 패드(65)에는 저항 센싱용 케이블이 접합된다. 전극 패드(31) 및 온도 센싱 패드(65)의 표면에는 케이블과의 안정적인 접합 및 양호한 전기전도성을 확보하기 위해서, 도금을 수행할 수도 있다. 도금 소재로는 구리, 니켈, 금 등이 사용될 수 있다.

이와 같은 구조를 갖는 제1 실시예에 따른 필름 히터(80)는 3~4V의 저전압에서도 500℃ 이상의 높은 발열량을 순간적으로 발생시키면서 단위면적당 2 W/㎠ 이상의 열밀도를 나타낸다. 예컨대 전극 배선 패턴(30)에 DC 2 내지 3.7V가 인가되는 경우, 면상 발열체(40)가 형성된 한 쌍의 전극 단자(35) 간의 거리는 4mm 내지 6.5mm 일 수 있다.

그리고 이와 같이 제조된 필름 히터(80)를, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 단열 튜브(70)의 히터 삽입 구멍(72)에 삽입함으로써, 제1 실시예 따른 단열 히터 조립체(97)를 제조할 수 있다. 이때 필름 히터(80)는 단열 튜브(70)의 히터 삽입 구멍(72)에 물리적인 끼움 방식으로 삽입하여 설치할 수 있다.

[제2 실시예]

한편 제1 실시예에서는 단열 튜브(70)에 원형의 단열 구멍들(75)이 형성된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 26에 도시된 바와 같이, 단열 구멍들(175)이 호 형태의 슬롯으로 형성될 수 있다.

도 26은 본 발명의 제2 실시예에 따른 단열 튜브(170)를 보여주는 단면도이다.

도 26을 참조하면, 제2 실시예에 따른 단열 튜브(170)는 히터 삽입 구멍(172) 및 복수의 단열 구멍(175)이 형성된 본체(171), 내부 요철부(173) 및 외부 요철부(177)를 포함한다.

제2 실시예에 따른 단열 튜브(170)는 복수의 단열 구멍(175)을 제외하면 제1 실시예에 따른 단열 튜브와 동일한 구성을 갖기 때문에, 본체(171)에 형성된 복수의 단열 구멍(175)을 중심으로 설명하겠다.

복수의 단열 구멍(175)은 히터 삽입 구멍(172)을 중심으로 방사형으로 균일하게 형성될 수 있다. 복수의 단열 구멍(175)은 본체(171)의 일단면과 타단면을 관통하는 형태로 본체(171)의 내부에 형성될 수 있다. 복수의 단열 구멍(175)은 단면이 호 형태의 슬롯으로 형성될 수 있다.

제2 실시예에서는 히터 삽입 구멍(172)을 중심으로 4 개의 단열 구멍(175)이 형성된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다.

이와 같이 본체(171)의 내부에 복수의 단열 구멍(175)을 형성함으로써, 단열 튜브(170)의 단열 효과를 더욱 증가시킬 수 있다.

[제3 실시예]

한편 제1 실시예에서는 내부 요철부 및 외부 요철부의 철부가 직선 형태의 바 형태로 형성된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 27에 도시된 바와 같이, 내부 요철부(273) 및 외부 요철부(277)는 엠보싱 형태로 형성될 수 있다.

도 27은 본 발명의 제3 실시예에 따른 단열 튜브(270)를 보여주는 단면도이다.

도 27을 참조하면, 제3 실시예에 따른 단열 튜브(270)는 히터 삽입 구멍(272) 및 복수의 단열 구멍(275)이 형성된 본체(271), 내부 요철부(273) 및 외부 요철부(277)를 포함한다.

제3 실시예에 따른 단열 튜브(270)는 내부 요철부(273) 및 외부 요철부(277)를 제외하면 제1 실시예에 따른 단열 튜브와 동일한 구성을 갖기 때문에, 내부 요철부(273) 및 외부 요철부(277)를 중심으로 설명하겠다.

내부 요철부(273) 및 외부 요철부(277)는 본체(271)의 내측면과 외측면에 엠보싱 형태로 형성될 수 있다.

한편 제3 실시예에서는 내부 요철부(273) 및 외부 요철부(277)가 모두 엠보싱 형태로 형성된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 내부 요철부(273) 및 외부 요철부(277) 중에 하나만 엠보싱 형태로 형성되고, 다른 하나는 제1 실시예와 같이 직선 형태의 바 형태로 형성될 수 있다.

이와 같이 제3 실시예에 따른 단열 튜브(370)는 엠보싱 형태의 내부 요철부(273) 및 외부 요철부(277)를 포함함으로써, 필름 히터와의 접촉 면적을 줄이고 방열 효율을 높일 수 있다.

한편 제1 실시예에서는 내부 요철부 및 외부 요철부의 철부가 직선 형태의 바 형태로 형성된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 내부 요철부 및 외부 요철부의 철부는 나선 형태의 바 형태로 형성될 수 있다. 즉 내부 요철부 및 외부 요철부는 본체의 내측면과 외측면에 나선형의 바 형태로 형성될 수 있다.

내부 요철부 및 외부 요철부가 모두 나선형의 바 형태로 형성된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 내부 요철부 및 외부 요철부 중에 하나만 나선형의 바 형태로 형성되고, 다른 하나는 제1 실시예와 같이 직선 형태의 바 형태 또는 제3 실시예와 같이 엠보싱 형태로 형성될 수 있다.

이와 같이 단열 튜브는 나선형의 바 형태의 내부 요철부 및 외부 요철부를 포함함으로써, 필름 히터와의 접촉 면적을 줄이고 방열 효율을 높일 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 : 금속박판
11 : 하부면
13 : 상부면
17 : 접합부
19 : 금속박판 스트립
20 : 절연층
30 : 전극 배선 패턴
31 : 전극 패드
33 : 연결 배선
35 : 전극 단자
39 : 금속층
40 : 면상 발열체
50 : 덮개층
51 : 윈도우
60 : 온도 센서
70, 170, 270 : 단열 튜브
71, 171, 271 : 본체
72, 172, 272 : 히터 삽입 구멍
73, 173, 273 : 내부 요철부
75, 175, 275 : 단열 구멍
77, 177, 277 : 외부 요철부
80 : 필름 히터
81 : 삽입구
83 : 유입구
90 : 전기 가열식 흡연 장치
91 : 히터 조립체
93 : 제어부
95 : 고체형 담배
97 : 히터 단열 조립체
100 : 고체형 전자 담배

Claims

튜브 형태를 가지며, 튜브 형태의 필름 히터가 삽입되는 히터 삽입 구멍을 갖는 본체; 및
상기 히터 삽입 구멍의 내측면에 형성되며, 상기 히터 삽입 구멍으로 삽입되는 필름 히터와 외측면에 접촉하는 내부 요철부;
를 포함하는 전기 가열식 흡연 장치용 단열 튜브.
제1항에 있어서,
상기 본체의 외측면에 형성되며, 상기 본체로 전달된 열을 외부로 방출하는 외부 요철부;
를 더 포함하는 전기 가열식 흡연 장치용 단열 튜브.
제2항에 있어서, 상기 내부 요철부 및 외부 요철부는,
엠보싱, 직선형 또는 나선형으로 형성되는 전기 가열식 흡연 장치용 단열 튜브.
제2항에 있어서,
상기 본체의 내부에 복수의 단열 구멍이 형성되는 전기 가열식 흡연 장치용 단열 튜브.
제4항에 있어서,
상기 복수의 단열 구멍은 상기 히터 삽입 구멍을 중심으로 방사형으로 형성되며, 단면이 타원형 또는 호 형태의 슬롯으로 형성되는 전기 가열식 흡연 장치용 단열 튜브.
제5항에 있어서, 상기 본체는,
일단면과, 상기 일단면에 반대되는 타단면을 가지고,
상기 일단면과 상기 타단면을 관통하는 형태로 상기 히터 삽입 구멍이 형성되고,
상기 히터 삽입 구멍이 형성되고 남은 상기 일단면과 상기 타단면 부분을 관통하여 상기 복수의 단열 구멍이 형성되는 전기 가열식 흡연 장치용 단열 튜브.
제1항에 있어서,
상기 단열 튜브의 소재는 폴리에테르에테르케톤(polyether ether ketone; PEEK), 폴리이미드, 폴리아마이드, 아라미드, 실리콘 또는 PFA(Perfluoroalkoxy)을 포함하는 전기 가열식 흡연 장치용 단열 튜브.
튜브 형태의 필름 히터가 삽입되는 내경을 갖는 튜브 형태를 가지며, 상기 필름 히터와 접촉하는 내측면에 내부 요철이 형성되고, 내부에 복수의 구멍이 형성되고, 외측면에 외부 요철이 형성된 전기 가열식 흡연 장치용 단열 튜브.
고체형 담배의 일단부가 삽입되는 튜브 형태를 가지며, 전원을 인가받아 발열하는 필름 히터; 및
상기 필름 히터가 삽입되는 내경을 갖는 튜브 형태를 가지며, 상기 필름 히터와 접촉하는 내측면에 내부 요철이 형성되고, 내부에 복수의 구멍이 형성되고, 외측면에 외부 요철이 형성된 단열 튜브;
를 포함하는 전기 가열식 흡연 장치용 히터 단열 조립체.
제9항에 있어서, 상기 필름 히터는,
고체형 담배의 일단부가 삽입되는 튜브 형태를 가지며, 전원을 인가받아 발열하는 나노탄소입자 기반의 복수의 면상 발열체를 구비하는 전기 가열식 흡연 장치용 히터 단열 조립체.
제10항에 있어서, 상기 필름 히터는,
튜브 형태의 금속박판;
상기 금속박판의 일면을 덮는 절연층;
상기 절연층 위에 형성된 전극 배선 패턴;
상기 전극 배선 패턴에 연결되게 나노탄소입자 기반의 발열체 조성물을 상기 절연층 위에 인쇄하여 형성되며, 상기 전극 배선 패턴으로부터 전원을 인가받아 발열하며, 복수의 열로 상기 전극 배선 패턴에 병렬로 연결되는 복수의 면상 발열체; 및
상기 복수의 면상 발열체가 형성된 상기 절연층을 덮는 덮개층;
을 포함하는 전기 가열식 흡연 장치용 히터 단열 조립체.
튜브 형태의 필름 히터;
상기 필름 히터가 삽입되는 내경을 갖는 튜브 형태를 가지며 상기 필름 히터와 접촉하는 내측면에 내부 요철이 형성되고, 내부에 복수의 구멍이 형성되고, 외측면에 외부 요철이 형성된 단열 튜브;
상기 필름 히터의 표면에 인쇄로 형성되어 상기 필름 히터의 온도를 감지하는 전달하는 탄소나노튜브 기반으로 하는 온도 센서; 및
상기 온도 센서로부터 전달받은 온도를 기반으로 상기 필름 히터의 온/오프를 PWM(pulse width modulation) 방식으로 제어하는 제어부;
를 포함하는 전기 가열식 흡연 장치.