KR20190058436A - Pwm 제어 방식을 이용한 전기 가열식 흡연 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 가열식 흡연 장치에 관한 것으로, 히터에서 저전력으로 발생되는 높은 발열량에 대한 PWM(pulse width modulation) 제어를 통하여 고체형 담배를 신속하게 가열시키기 위한 것이다. 본 발명은 고체형 담배의 일단부가 삽입되는 관 형태를 가지며 전원을 인가받아 발열하는 나노탄소입자 기반의 복수의 면상 발열체를 구비하는 히터와, 히터에 부착되어 온도를 측정하여 전달하는 온도 센서, 및 온도 센서로부터 전달받은 온도를 기반으로 히터의 온/오프를 PWM 방식으로 제어하는 제어부를 포함하는 PWM 제어 방식을 이용한 전기 가열식 흡연 장치를 제공한다.

Description

PWM 제어 방식을 이용한 전기 가열식 흡연 장치{Electric heating type smoking device using PWM control}
본 발명은 고체형 전자 담배에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 히터에서 저전력으로 발생되는 높은 발열량에 대한 PWM(pulse width modulation) 제어를 통하여 고체형 담배를 신속하게 가열시키는 PWM 제어 방식을 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 유해물질의 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.
한국등록특허 제10-1655716호 (2016.09.01. 등록)
따라서 본 발명의 목적은 저전력으로 발생되는 높은 발열량으로 고체형 담배를 신속하게 가열시키는 PWM 제어 방식을 이용한 전기 가열식 흡연 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 히터에서 발생된 열을 고체형 담배로 전달하는 과정을 효과적으로 제어하여 고체형 담배를 찌는데 필요한 시간을 줄일 수 있는 PWM 제어 방식을 이용한 전기 가열식 흡연 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 관 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 히터를 제공한다. 이때 상기 전극 배선 패턴에 DC 2V 및 DC 3.7V의 구동 전압 인가 시, 전력비가 3.4 내지 4.8 이다.
상기 전극 배선 패턴에 DC 3.7V의 구동 전압 인가 시, 열밀도가 2 W/㎠ 이상이다.
본 발명에 따른 전기 가열식 흡연 장치용 히터는 상기 덮개층을 덮는 단열층;을 더 포함할 수 있다.
상기 단열층의 소재는 내부에 공기층을 갖는 실리콘 튜브, 다공성의 실리콘, PFA(Perfluoroalkoxy) 또는 아라미드 섬유를 포함할 수 있다.
상기 절연층은 코팅 또는 캐스팅으로 상기 금속박판의 일면에 형성될 수 있다.
상기 복수의 면상 발열체는, 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 포함하는 전도성 입자; 및 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하거나 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하는 혼합 바인더;를 포함할 수 있다.
상기 복수의 면상 발열체는 굴곡진 부분을 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 고체형 담배의 일단부가 삽입되는 관 형태를 가지며, 전원을 인가받아 발열하는 나노탄소입자 기반의 복수의 면상 발열체를 구비하는 히터; 상기 히터에 부착되어 온도를 측정하여 전달하는 온도 센서; 및 상기 온도 센서로부터 전달받은 온도를 기반으로 상기 히터의 온/오프를 PWM(pulse width modulation) 방식으로 제어하되, 상기 히터의 온도를 초기에 350 내지 400℃로 피크 히팅(peak heating)한 후, 250 내지 350℃로 유지하도록 PWM 제어하는 제어부;를 포함하는 PWM 제어 방식을 이용한 전기 가열식 흡연 장치를 제공한다.
상기 제어부는, 상기 전극 배선 패턴에 DC 3.7V의 구동 전압 인가 시, 상기 히터의 온도를 3초 이내에 350 내지 400℃로 피크 히팅한 후, 250 내지 350℃로 유지하도록 PWM 제어한다.
그리고 상기 히터는 상기 덮개층을 덮는 단열층을 더 포함하고, 상기 온도 센서는 상기 덮개층 위에 형성되며 상기 단열층에 의해 덮인다.
본 발명에 따르면, 나노탄소입자를 기반으로 하는 관 형태의 히터에서 저전력으로 발생되는 높은 발열량에 대한 PWM 제어를 통하여 히터에 삽입되는 고체형 담배를 신속하게 가열시킬 수 있다.
즉 본 발명에 따른 히터는 3~4V의 저전압에서도 500℃ 이상의 높은 발열량을 순간적으로 발생시키면서 단위면적당 2 W/㎠ 이상의 열밀도를 나타낸다. 따라서 히터의 빠른 가열 속도를 이용하여 초기 수초 간 350 내지 400℃로 피크 히팅(peak heating)한 후, 250 내지 350℃로 유지하도록 PWM 제어함으로써, 히터에 삽입되는 고체형 담배를 신속하게 가열시킬 수 있다. 아울러 PWM 제어를 통하여 히터의 높은 발열량으로 인한 히터의 내구성 및 수명이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
본 발명에 따른 히터는 금속박판에 절연층이 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. 특히 PWM 제어를 통해서 히터를 초기에 고온으로 가열하더라도 금속박판과 절연층 간에 안정적인 접합 상태를 유지할 수 있다.
기존에는 관 형태로 직접 금속구조물을 성형하여 제조하기 위해서는, 약 1.5mm의 두께가 필요하며, 이로 인해 금속구조물의 열용량이 증대되고, 금속구조물을 가열하는데 시간과 많은 전력이 소모되기 때문에, 사용자의 편의성이 떨어지는 문제가 발생될 수 있다. 하지만 본 발명은 1mm 이하의 금속박판을 기반으로 형성된 판 상의 필름 히터를 말아서 관 형태로 제조하기 때문에, 기존에 비해서 금속박판의 열용량을 줄일 수 있고, 고체형 담배를 가열하는 시간을 단축하고 전력 사용량을 줄일 수 있다.
본 발명에 따른 히터는 고체형 담배가 삽입될 수 있도록 관 형태로 구현되기 때문에, 고체형 담배를 거치할 구조물을 별도로 제작할 필요가 없다.
본 발명에 따른 히터는 전극 배선 패턴과, 저전압으로 구동이 가능한 면상 발열체를 구비하기 때문에, 저전력으로 높은 발열 특성을 나타낼 수 있다. 면상 발열체는 나노탄소입자와 혼합 바인더를 포함하는 도료 형태의 발열체 조성물로 형성하기 때문에, 비저항이 낮고 열전도율이 우수해 저전압 구동에 유리하고 승온 속도가 빠른 장점이 있다. 이로 인해 본 발명에 따른 히터는 고체형 담배를 신속하게 가열시킬 수 있다.
본 발명에 따른 히터는 굴곡을 갖도록 형성된 면상 발열체를 포함하기 때문에, 관 형태로 말았을 때 면상 발열체와 금속박판의 접촉 면적을 높일 수 있다. 이로 인해 본 발명에 따른 히터는 전력 소모량, 열전달 손실 및 제조 원가를 줄일 수 있고, 금속박판의 열용량을 최소화할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 히터의 외측면에 단열층을 형성함으로써, 면상 발열체에서 발생된 열이 외측으로 방출되어 손실되는 것을 억제할 수 있다. 아울러 단열층은 고체형 담배가 삽입되는 쪽으로 열이 전달될 수 있도록 함으로써, 고체형 담배를 가열하는 시간을 단축하고 전력 사용량을 더욱 더 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고체형 전자 담배를 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기 가열식 흡연 장치용 히터를 보여주는 사시도이다.
도 3은 도 2의 "A"부분의 확대도이다.
도 4는 도 2의 "B"부분의 확대도이다.
도 5 내지 도 16은 본 발명의 제1 실시예에 따른 히터의 제조 방법에 따른 각 단계들을 보여주는 도면들로서,
도 5는 금속박판을 보여주는 평면도이고,
도 6은 도 5의 6-6선 단면도이고,
도 7은 금속박판의 상부면에 절연층을 형성하는 단계를 보여주는 단면도이고,
도 8은 절연층 위에 금속층을 형성하는 단계를 보여주는 단면도이고,
도 9는 금속층을 패터닝하여 전극 배선 패턴을 형성하는 단계를 보여주는 평면도이고,
도 10은 발열체 조성물을 인쇄하여 복수의 면상 발열체를 형성하는 단계를 보여주는 평면도이고,
도 11은 도 10의 11-11선 단면도이고,
도 12는 전극 배선 패턴 및 복수의 면상 발열체를 덮도록 절연층 위에 덮개층을 형성하는 단계를 보여주는 평면도이고,
도 13은 도 12의 13-13선 단면도이고,
도 14는 접합부 및 전극 배선 패턴을 제외한 부분을 절개하여 판 상의 필름 히터를 제조하는 단계를 보여주는 평면도이고,
도 15는 도 14의 15-15선 단면도이고,
도 16은 금속박판이 안쪽면을 향하도록 필름 히터를 관 형태로 마는 단계를 보여주는 단면도이다.
도 17은 금속박판 스트립 상에 형성된 단위 필름 히터를 보여주는 평면도이다.
도 18은 본 발명의 제2 실시예에 따른 히터를 보여주는 사시도이다.
도 19는 도 18의 "C"부분의 확대도이다.
도 20은 본 발명의 제3 실시예에 따른 히터를 보여주는 단면도이다.
도 21은 본 발명의 제4 실시예에 따른 히터의 필름 히터를 보여주는 평면도이다.
도 22는 타발 전 금속박판 스트립 상에 형성된 제4 실시예에 따른 필름 히터들을 보여주는 사진이다.
도 23은 도 22의 타발 후 시료 5번의 필름 히터의 하부면을 보여주는 사진이다.
도 24는 도 23의 시료 5번의 필름 히터의 상부면을 보여주는 사진이다.
도 25는 시료 5번의 히터에 DC 2V 인가 시의 발열거동을 보여주는 그래프이다.
도 26은 시료 5번 히터의 PWM 제어 모식도이다.
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 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(80)를 포함하며, 온도 센서(91)와 제어부(93)를 더 포함할 수 있다.
히터(80)는 양쪽이 개방된 개방구(81,83)가 형성된 관 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 히터(80)는 금속박판을 기저층으로 하는 판 상의 필름 히터를 말아서 제조한다. 히터(80)는 금속박판의 일면에 전원을 인가받아 발열하는 나노탄소입자 기반의 복수의 면상 발열체가 형성된 구조를 갖는다.
온도 센서(91)는 히터(80)에 부착되어 온도를 측정하여 제어부(93)로 전달한다. 온도 센서(91)로는 RTD(Resistance temperature detectors) 타입의 온도 센서가 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
그리고 제어부(93)는 온도 센서(91)로부터 전달받은 온도를 기반으로 히터(80)의 온/오프를 제어한다. 즉 제어부(93)는 삽입구로 삽입된 고체형 담배(95)로 적정 온도의 열을 전달할 수 있도록, 온도 센서(91)로부터 전달받은 온도를 기반으로 히터(80)의 온/오프를 제어한다. 제어부(93)는 삽입구에서 고체형 담배(95)에서 분리되면, 히터(80)를 오프시킨다.
이때 제어부(91)는 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, 히터(80)로 발생시킬 수 있는 온도 범위 중 고체형 담배(95)를 가열할 수 있는 적정 온도를 유지할 수 있도록 히터(80)를 온/오프시킬 수 있다. 즉 제어부(91)는 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 수행한다. 이로 인해 히터(80)에 삽입되는 고체형 담배(95)를 신속하게 가열시킬 수 있다. PWM 제어를 통하여 히터(80)의 높은 발열량으로 인한 히터(80)의 내구성 및 수명이 저하되는 것을 억제하여 히터(80)를 안정적으로 구동시킬 수 있다.
한편 도시하진 않았지만 본 발명에 따른 전기 가열식 흡연 장치(90)는 히터(80)로 전원을 공급하는 전원 공급부를 포함한다. 전원 공급부로는 일차전지 또는 이차전지가 사용될 수 있다.
*이와 같은 본 발명에 따른 전기 가열식 흡연 장치(90)에 사용되는 히터(80,180,280)에 대해서 도 2 내지 도 21을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
[제1 실시예]
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기 가열식 흡연 장치용 히터를 보여주는 사시도이다. 도 3은 도 2의 "A"부분의 확대도이다. 그리고 도 4는 도 2의 "B"부분의 확대도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 제1 실시예에 따른 히터(80)는 고체형 담배의 일단부가 삽입되는 개방구(81,83)가 형성된 관 형태를 가지며, 금속박판(10), 절연층(20), 전극 배선 패턴(30), 복수의 면상 발열체(40) 및 덮개층(50)을 포함한다. 여기서 금속박판(10)은 관 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 덮개층(50)은 복수의 면상 발열체(40)가 형성된 절연층(20)을 덮는다.
이와 같은 제1 실시예에 따른 히터(80)는 금속박판(10)이 안쪽에 위치하고, 덮개층(50)이 외측에 위치하는 구조를 갖는다. 즉 제1 실시예에 따른 히터(80)는 금속박판(10)의 외측면에 절연층(20), 전극 배선 패턴(30), 복수의 면상 발열체(40) 및 덮개층(50)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.
금속박판(10)은 절연층(20), 전극 배선 패턴(30), 복수의 면상 발열체(40) 및 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 1×10-2Ω㎝ 영역대까지는 탄소 입자만으로 비저항 조절이 가능하나, 그 이하의 영역은 금속 분말의 추가적인 도입이 필요하다. 면상 발열체(40)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 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.
그래핀 산화물 입자는 전술된 바와 같이 표면과 에지부에 다수의 관능기를 갖고 있기 때문에, 혼합 바인더 및 유기 용매에 양호한 분산성을 나타낸다.
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 덮개층(50)은 복수의 면상 발열체(40)가 형성된 절연층(20)을 덮도록 형성된다. 덮개층(50)은 절연층(20) 위에 형성된 전극 배선 패턴(30)과 복수의 면상 발열체(40)를 외부 환경으로부터 보호한다. 이러한 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 덮개층(50)은 핫 프레싱(hot pressing) 또는 라미네이팅(laminating) 방법으로 절연층(20)에 접합될 수 있다.
이와 같이 제1 실시예에 따른 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 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 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 히터(80)는 흑체 복사로 인해 추가적인 에너지 효율을 향상을 얻을 수 있다. 제1 실시예에 따른 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 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 히터(80)의 대량 생산에 유리할 뿐만 아니라 제품 길이 및 면적에 대한 제약을 해소할 수 있다.
이와 같이 제1 실시예에 따른 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 히터(80)는 고체형 담배를 신속하게 가열시킬 수 있다.
이와 같이 제1 실시예에 따르면, 나노탄소입자를 기반으로 하는 관 형태의 히터(80)에서 저전력으로 발생되는 높은 발열량에 대한 PWM 제어를 통하여 히터(80)에 삽입되는 고체형 담배를 신속하게 가열시킬 수 있다.
즉 제1 실시예에 따른 히터(80)는 3~4V의 저전압에서도 500℃ 이상의 높은 발열량을 순간적으로 발생시키면서 단위면적당 2 W/㎠ 이상의 열밀도를 나타낸다. 따라서 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, 히터(80)에 삽입되는 고체형 담배를 신속하게 가열시킬 수 있다. 아울러 PWM 제어를 통하여 히터(80)의 높은 발열량으로 인한 히터(80)의 내구성 및 수명이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
따라서 제1 실시예에 따른 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 히터(80)는 고체형 담배가 삽입될 수 있도록 관 형태로 구현되기 때문에, 고체형 담배를 거치할 구조물을 별도로 제작할 필요가 없다.
그리고 제1 실시예에 따른 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.
이와 같은 제1 실시예에 따른 히터(80)의 제조 방법에 대해서 도 2 내지 도 16을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 5 내지 도 16은 본 발명의 제1 실시예에 따른 히터(80)의 제조 방법에 따른 각 단계들을 보여주는 도면들이다.
먼저 도 5 및 도 6에 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 필름 히터를 제조한 후 말아서 관 형태의 히터(80)를 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 관 형태로 제조하기 때문에, 기존에 비해서 금속박판의 열용량을 줄일 수 있고, 고체형 담배를 가열하는 시간을 단축하고 전력 사용량을 줄일 수 있다.
다음으로 도 7에 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 8에 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 9에 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 12의 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 10 및 도 11에 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 상의 필름 히터를 관 형태로 말았을 때 면상 발열체(40)와 금속박판(10)의 접촉 면적을 높이기 위해서이다. 필름 히터를 관 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 히터의 전력 소모량, 열전달 손실 및 제조 원가를 줄일 수 있고, 금속박판(10)의 열용량을 최소화할 수 있다.
다음으로 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 전극 배선 패턴(30) 및 복수의 면상 발열체(40)를 덮도록 덮개층(50)을 절연층(20) 위에 형성한다. 덮개층(50)의 형성 방법으로는 핫 프레싱 또는 라미네이팅 방법이 사용될 수 있다.
이때 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 덮개층(50)이 절연층(20) 위에 형성될 때, 덮개층(50)의 윈도우(51)를 통하여 한 쌍의 전극 패드(31)가 외부로 노출된다. 접합부(17) 또한 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, 덮개층(50)에 의해 봉합된다. 그리고 한 쌍의 전극 패드(31)는 한 쌍의 전극 단자(35)와 각각 연결되며, 덮개층(50) 밖으로 돌출되어 전원을 인가받는다.
다음으로 도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 접합부(17) 및 전극 배선 패턴(30)을 제외한 부분을 절개함으로써, 판 형상의 필름 히터(80a)를 얻을 수 있다. 즉 기역자 형상의 전극 배선 패턴(30)을 중심으로 양쪽에 접합부(17)를 남기고 나머지 부분은 절개하여 필름 히터(80a)를 얻을 수 있다. 필름 히터(80a)는 전극 배선 패턴(30)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 16에 도시된 바와 같이, 금속박판(10)이 안쪽면을 향하도록 필름 히터(80a)를 관 형태로 말아서 양단에 위치하는 접합부(17)를 중첩시킨다.
그리고 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 관 형태로 말린 필름 히터의 중첩된 접합부(17)를 접합함으로써, 제1 실시예에 따른 히터(80)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, 덮개층(50) 밖으로 노출된 전극 패드(31)에는 전원 공급용 케이블이 접합된다. 전극 패드(31)의 표면에는 전원 공급용 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 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.
한편 제1 실시예에 따른 히터(80)의 제조 방법에서는 금속박판(10)을 이용하여 하나의 히터(80)를 제조하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 도 17에 도시된 바와 같이, 금속박판 스트립(19)을 이용하여 복수의 히터를 일괄적으로 제조할 수도 있다.
도 17을 참조하면, 금속박판 스트립(19)은 어레이된 단위 금속박판(10)을 포함하며, 단위 금속박판(10)에 각각 전극 배선 패턴(30)이 형성된 단위 필름 히터(80a)를 포함한다.
그리고 제1 실시예에 따른 히터(80)의 제조 방법에서는 금속박을 이용한 사진석판술을 이용하여 전극 배선 패턴(30)을 형성하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 절연층(10) 위에 금속 페이스트를 이용한 인쇄 방법으로 전극 배선 패턴(30)을 형성할 수도 있다.
여기서 금속 페이스트는 혼합 바인더, 은 분말 및 탄소나노튜브 입자를 포함하는 전도성 입자, 유기 용매 및 분산제를 포함한다. 여기서 금속 페이스트는 밀도가 2g/㎤ 이하가 될 수 있으며, 바람직하게는 1.7 ~ 2g/㎤ 이 될 수 있다.
혼합 바인더, 전도성 입자에 포함된 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자, 유기 용매 및 분산제로는 발열체 조성물에 사용된 소재가 사용될 수 있기 때문에, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
전도성 입자로는 은 분말 및 탄소나노튜브 입자를 포함할 수 있으며, 그라파이트 입자를 더 포함하여 형성될 수 있다.
은 분말은 플레이크, 구형, 다각형 판상, 막대(rod) 등의 형태를 가질 수 있다.
은 분말은 금속 페이스트 100 중량부에 대하여 50 ~ 80 중량부가 될 수 있다. 여기서 50 중량부 이하일 경우, 은 분말끼리의 전기적 네트워크가 형성되지 않아 저항이 높으며, 80 중량부를 초과하면 스트레스에 대한 내구성이 저하되며, 원가가 상승하는 문제점이 발생될 수 있다.
그리고 은 분말 50 ~ 80 중량부를 첨가함으로써, 밀도가 2g/㎤ 이하인 금속 페이스트를 구현할 수 있으며, 제조되는 전극 배선 패턴의 전기 전도도를 높일 수 있다. 여기서 은 분말의 탭 밀도는 2.5g/㎤ 이하가 될 수 있다.
[제2 실시예]
한편 제1 실시예에서는 금속박판(10)이 안쪽에 위치할 수 있도록 형성한 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 18 및 도 19에 도시된 바와 같이, 금속박판(10)이 외측에 위치할 수 있도록 형성할 수 있다.
도 18은 본 발명의 제2 실시예에 따른 히터(180)를 보여주는 사시도이다. 도 19는 도 18의 "C"부분의 확대도이다.
도 18 및 도 19를 참조하면, 제2 실시예에 따른 히터(180)는 금속박판(10)이 외측에 위치하고, 덮개층(50)이 안쪽에 위치하는 구조를 갖는다. 즉 제2 실시예에 따른 히터(180)는 금속박판(10)의 내측면에 절연층(20), 전극 배선 패턴(30), 복수의 면상 발열체(40) 및 덮개층(50)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 여기서 금속박판(10)의 내측면은 상부면(13)이다.
[제3 실시예]
도 20은 본 발명의 제3 실시예에 따른 히터를 보여주는 도면이다.
도 20을 참조하면, 제3 실시예에 따른 히터(280)는 금속박판(10)이 안쪽에 위치하고, 덮개층(50)이 외측에 위치하는 구조를 가지며, 덮개층(50) 위에 단열층(70)이 형성된 구조를 갖는다. 즉 제3 실시예에 따른 히터(280)는 금속박판(10)의 외측면에 절연층, 전극 배선 패턴, 복수의 면상 발열체, 덮개층(50) 및 단열층(70)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.
이때 금속박판(10)의 외측면에 절연층(20), 전극 배선 패턴, 복수의 면상 발열체 및 덮개층(50)이 형성된 구조는 제1 실시예에 따른 히터와 동일하기 때문에 상세한 설명은 생략한다.
단열층(70)은 면상 발열체에서 발생된 열이 덮개층(50)을 통하여 외측으로 방출되어 손실되는 것을 억제한다. 단열층(70)의 소재로는 내열성과 전기절연성을 갖는 플라스틱 소재 또는 다공성 실리콘이 사용될 수 있다. 예컨대 단열층(70)의 소재로는 내부에 공기층을 갖는 실리콘 튜브, 다공성의 실리콘, PFA(Perfluoroalkoxy), 아라미드 섬유 등이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 제3 실시예에 따른 히터(280)는 외측면에 단열층(70)을 형성함으로써, 면상 발열체에서 발생된 열이 외측으로 방출되어 손실되는 것을 억제할 수 있다. 아울러 단열층(70)은 고체형 담배가 삽입되는 쪽으로 열이 전달될 수 있도록 함으로써, 고체형 담배를 가열하는 시간을 더욱 단축하고 전력 사용량을 더욱 더 줄일 수 있다.
한편 온도 센서가 덮개층(50) 위에 형성되어 있는 경우, 덮개층(50)을 덮는 단열층(70)에 의해 덮이거나 일부가 외부로 노출될 수 있다.
[제4 실시예]
도 21은 본 발명의 제4 실시예에 따른 히터의 필름 히터(380a)를 보여주는 평면도이다.
도 21을 참조하면, 제4 실시예에 따른 히터의 필름 히터(380a)는 금속박판(10), 절연층(20), 전극 배선 패턴(30), 복수의 면상 발열체(40) 및 덮개층(50)을 포함한다.
전극 배선 패턴(30)은 복수의 면상 발열체(40)가 병렬로 전기적으로 연결되어 배열될 수 있도록 절연층(20) 위에 형성된다. 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 복수의 면상 발열체(40)가 연결된다. 제4 실시예에서는 한 쌍의 전극 단자(35)에 4개의 면상 발열체(40)가 형성된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다.
여기서 한 쌍의 전극 패드(31)는 한 쌍의 연결 배선(33)의 일단에 연결되며, 전원을 공급하는 케이블이 접합된다. 이러한 한 쌍의 전극 패드(33)는 제1 전극 패드와 제2 전극 패드를 포함한다. 한 쌍의 전극 패드(33)는 덮개 필름(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 발열체(40)에서 이격되게 형성된다. 제1 실시예에서는 복수의 면상 발열체(40)가 배열된 방향으로, 최외곽에 위치하는 면상 발열체(40)에서 이격된 위치에 한 쌍의 전극 패드(31)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 패드에 연결되는 제1 연결 배선(33a)과, 제2 전극 패드에 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.
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.
복수의 면상 발열체(40)는 필름 히터(380a)가 관 형태로 말리는 방향으로 길게 형성된다. 즉 복수의 면상 발열체(40)는 제1 및 제2 연결 배선(33a,33b)이 형성된 방향으로 형성된다. 이와 같이 복수의 면상 발열체(40)를 형성함으로써, 판 상의 필름 히터(380a)를 관 형태로 말았을 때 면상 발열체(40)와 금속박판(10)의 접촉 면적을 높일 수 있고, 필름 히터(380a)를 관 형태로 말 때 안정적으로 휠 수 있도록 한다.
물론 복수의 면상 발열체(40)는 직선 형태가 아닌 중간 부분에 굴곡진 부분을 갖도록 형성될 수 있다.
[실험예]
이와 같은 본 실시예에 따른 히터의 특성을 확인하기 위해서 아래와 같은 실험을 수행하였다.
먼저 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 제조하였다. 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, 도 22 내지 도 24에 도시된 바와 같이, 시료 히터를 제조하였다. 여기서 도 22는 타발 전 금속박판 스트립(19) 상에 형성된 제4 실시예에 따른 필름 히터(380a)들을 보여주는 사진이다. 도 23은 도 22의 타발 후 시료 5번 필름 히터(380a)의 상부면을 보여주는 사진이다. 그리고 도 24는 도 23의 시료 5번 필름 히터(380a)의 하부면을 보여주는 사진이다.
도 22를 참조하면, 금속박판 스트립(19)을 이용하여 제4 실시예에 따른 시료 1번 내지 9번의 히터(380a)를 일괄적으로 제조할 수도 있다.
즉 먼저 0.025 내지 0.03 mm 두께의 SUS 소재의 금속박판 스트립(19)에 폴리이미드 혹은 고내열 절연 잉크를 캐스팅 한 후 건조 및 열경화하여 절연층(20)을 형성한다. 다음으로 절연층(20) 위에 황동 소재의 금속층을 형성한다. 다음으로 금속층을 사진석판술 공정으로 패터닝하여 전극 배선 패턴(30)을 형성한다. 다음으로 전술된 제조 방법으로 제조된 발열체 조성물을 전극 배선 패턴(30)에 따라 250메쉬 스크린 마스크를 이용하여 스크린 인쇄한 후, 인쇄한 발열 조성물을 100℃ 내지 180℃에서 열경화한 후, 250 내지 350℃에서 에이징하여 복수의 면상 발열체(40)를 형성하였다. 그리고 덮개층(50)을 전극 배선 패턴(30) 및 면상 발열체(40)가 형성된 절연층(20) 위에 핫 프레싱하여 금속박판 스트립(19) 상에 복수의 필름 히터(380a)를 일괄적으로 제조하였다.
그리고 복수의 필름 히터(380a)를 금속박판 스트립(19)에서 타발함으로써, 도 23 및 도 24에 도시된 바와 같이, 개별 필름 히터(380a)를 얻을 수 있다. 여기서 도 23 및 도 24에 도시된 개별 필름 히터(380a)는 시료 5번의 필름 히터(380a)이다.
이어서 금속박판(10)이 안쪽면을 향하도록 개별 필름 히터(380a)를 관 형태로 말아서 양단에 위치하는 접합부(17)를 중첩시킨다.
그리고 관 형태로 말린 필름 히터(380a)의 중첩된 접합부(17)를 파이버 레이저로 접합하여, 시료 1번 내지 9번의 히터를 제조하였다. 이때 파이버 레이저를 이용하여 40~60W의 파워로 20mm/s 내지 30mm/s의 이송속도로 맞대기 용접(butt welding)을 함으로써, 관 형태로 말린 필름 히터(380a)의 중첩된 접합부(17)를 접합한다.
도 25는 시료 5번의 히터에 DC 2V 인가 시의 발열거동을 보여주는 그래프이다.
도 25를 참조하면, 시료 5번의 히터에 구동전압 DC 2V 인가 시의 금속박판의 발열거동과 구동전압 오프(off) 시의 냉각 거동을 보여준다. DC 2V를 인가했을 때 25초 내외의 속도로 금속박판이 300℃까지 가열되는 것을 확인할 수 있다.
따라서 시료 5번의 히터에 구동전압 DC 2V 이상으로 인가할 경우, 25초보다 짧은 시간에 금속박판이 300℃ 이상으로 가열될 것이라는 것을 예측할 수 있다.
표 1은 시료 1번 내지 9번의 히터에 구동전압 DC 2V 및 3.7V를 인가했을 때의 발열 특성 및 전기적 특성을 측정 및 산출한 결과이다.
Figure pat00001
표 1을 참조하면, DC 3.7V를 인가할 경우, 시료 1번 내지 9번의 히터는 500℃ 이상의 고온으로 발열할 것으로 예상된다. 하지만 500℃ 이상의 고온에서는 시료 1번 내지 9번의 히터는 내구성 및 수명을 유지하기 어렵고, 전력소모량 또한 8W 이상으로 높다.
이와 같이 단위면적당 2 W/㎠ 이상의 열밀도를 갖고, DC 3.7V의 구동전압에서 500℃ 이상 발열이 가능하고 출력이 8W 이상인 히터는 제어 없이 구동이 불가하다.
따라서 시료 1번 내지 9번에 따른 히터에 DC 3.7V를 인가하는 경우에 있어서, 도 26에 도시된 바와 같이, PWM 제어를 통한 온도 제어가 필요하다. 여기서 도 26은 시료 5번 히터의 PWM 제어 모식도이다.
도 26을 참조하면, a는 시료 5번 히터에 DC 3.7V 미만의 구동전압을 인가한 경우의 발열 거동 프로파일이고, a1은 시료 5번 히터에 DC 3.7V 미만의 구동전압을 인가하면서 PWM 제어를 수행한 발열 거동 프로파일이다.
b는 시료 5번 히터에 DC 3.7V를 인가한 경우의 실제 발열 거동 프로파일이고, b1은 시료 5번 히터에 DC 3.7V를 인가하면서 PWM 제어를 수행한 발열 거동 프로파일이다.
a 프로파일과 b 프로파일을 비교하면, 인가되는 구동전압이 증가할수록 가열 속도가 증가하는 것을 알 수 있다.
시료 5번 히터의 빠른 가열 속도를 이용하여 초기에 350 내지 400℃로 피크 히팅(peak heating)한 후, 250 내지 350℃로 유지하도록 PWM 제어함으로써, 히터에 삽입되는 고체형 담배를 150 내지 160℃로 가열시킬 수 있다.
구동전압으로 DC 3.7V를 인가하는 경우, 350 내지 400℃로 피크 히팅하는 데 3초 이내의 시간이 소요된다. 그리고 PWM 제어를 통하여, 히터가 250 내지 350℃로 유지하도록 함으로써, 히터에 삽입되는 고체형 담배를 10초 이내에 150 내지 160℃로 신속하게 가열시킬 수 있다. 이러한 PWM 제어를 통하여 시료 5번 히터의 높은 발열량으로 인한 히터의 내구성 및 수명이 저하되는 것을 억제할 수 있다.
이와 같은 시료 1번 내지 9번 히터는 DC 2V 및 DC 3.7V의 구동 전압 인가 시, 전력비가 3.4 내지 4.8이다. 시료 1번 내지 9번 히터는 DC 3.7V의 구동 전압 인가 시, 열밀도가 2 W/㎠ 이상이다.
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
70 : 단열층
80, 180, 280 : 히터
80a, 380a : 필름 히터
81 : 삽입구
83 : 유입구
90 : 전기 가열식 흡연 장치
91 : 온도 센서
93 : 제어부
95 : 고체형 담배
100 : 고체형 전자 담배

Claims (10)

  1. 구부러질 수 있는 유연한 소재의 금속 박판;
    상기 금속 박판 위에 코팅 또는 캐스팅되는 절연층;
    상기 절연층 위에 금속층 또는 금속 페이스트를 인쇄하여 형성되는 전극 배선 패턴;
    나노탄소입자와 혼합 바인더를 포함하는 도료 형태의 발열체 조성물을 상기 절연층 위에 인쇄하여 형성되며, 상기 전극 배선 패턴에 의해 전기적으로 병렬로 연결되는 복수의 면상 발열체; 및
    상기 절연체 위 형성된 상기 전극 배선 패턴 및 상기 복수의 면상 발열체를 덮는 덮개층;
    을 포함하는, 전기 가열식 흡연 장치용 히터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 플라스틱 소재 또는 절연 잉크 조성물이 상기 금속 박판 위에 코팅 또는 캐스팅되는, 전기 가열식 흡연 장치용 히터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극 배선 패턴은 한 쌍 이상의 전극 단자를 포함하고,
    상기 복수의 면상 발열체는 상기 한 쌍의 전극 단자 사이의 이격된 공간에 배열되는, 전기 가열식 흡연 장치용 히터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 면상발열체는, 상기 절연층 위에 발열체 조성물을 인쇄한 후 열경화 및 에이징하여 상기 한 쌍의 전극 단자 사이의 이격된 공간에 굴곡진 부분을 갖도록 형성되는, 전기 가열식 흡연 장치용 히터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 면상발열체에서 상기 굴곡진 부분은 사인파 또는 물결무늬 형태인, 전기 가열식 흡연 장치용 히터.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 한 쌍의 전극 단자 사이의 이격된 공간의 거리는 상기 복수의 면상 발열체의 열밀도 및 인가 전압 범위에 기초하여 결정되는, 전기 가열식 흡 연장치용 히터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 히터는,
    금속 박판을 기저층으로 절연층, 전극 배선 패턴 및 복수의 면상발열체를 얇게 적층한 판 상의 필름 히터로,
    상기 필름 히터가 관 형태로 말리면서 고체형 담배와 접촉 면적을 넓혀 발열 효율을 증가시키는, 전기 가열식 흡연 장치용 히터.
  8. 나노탄소입자 기반의 복수의 면상 발열체를 포함하고, 3~4V 저전압에서 500 ℃ 이상의 높은 발열량을 순간적으로 발생시키는 승온 특성을 가지는 히터;
    상기 히터의 일면에 형성되고, 상기 히터의 온도를 측정하여 제어부에 전달하는 온도 센서; 및
    상기 전달받은 온도 정보를 기반으로 상기 히터의 온도를 제어하는 제어하는 제어부;
    를 포함하는, 전기 가열식 흡연 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는 구동 전압 인가시 초기 수초간 상기 히터의 온도를 피크 히팅시킨 후, PWM(Pulse width modulation) 제어를 통해 상기 히터를 자동적으로 온/오프시켜 상기 히터가 소정의 온도 범위를 유지하도록 제어하는, 전기 가열식 흡연 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 PWM 제어는 변조 신호의 크기에 따라서 펄스의 듀티비를 변화시키는 방식인, 전기 가열식 흡연 장치.
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