KR20200125032A - Flexible planar heater and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 유연면상발열체 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 저전압 및 저전력 조건에서도 균일한 발열구동이 가능한 유연면상발열체 및 그의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a flexible planar heating element and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a flexible planar heating element capable of uniform heating and driving even under low voltage and low power conditions, and a method of manufacturing the same.
일반적으로 면상발열체는 전기통전에 의해 발생하는 열을 이용하고 있으며 온도조절이 용이하고, 공기를 오염시키지 않아 위생과 소음 면에서 장점이 있어 히팅 매트나 패드 등의 침구류 및 주택의 바닥 난방, 사무실 및 작업장 등의 산업용 난방, 도장 건조 등 각종 산업장의 가열장치, 비닐하우스나 축사, 농업용 설비, 자동차용 백밀러, 주차장의 동결방지장치, 레저용 방한용 장비, 가전제품 등에 폭넓게 이용되고 있다. 특히 투명 유연 면상발열체는 투명성을 유지하면서도 부가적으로 히팅 특성을 부가할 수 있어, 창호, 거울, 또는 자동차 내장재 등으로 응용이 무궁무진하다. In general, the planar heating element uses heat generated by electric current, and it is easy to control temperature and does not pollute the air, so it has advantages in terms of hygiene and noise.Bedding such as heating mats and pads, floor heating of houses, offices And it is widely used in various industrial fields such as industrial heating such as workshops, paint drying, etc., greenhouses and livestock houses, agricultural facilities, automobile rearview mirrors, freeze protection devices for parking lots, winter equipment for leisure, and home appliances. In particular, the transparent flexible planar heating element can add additional heating properties while maintaining transparency, and thus its applications are endless, such as windows, mirrors, or automobile interior materials.
통상적으로 면상발열체에 이용되는 전도성 발열 소재들은 다양한데, 주로 이용되는 것은 철, 니켈, 크롬, 백금 등과 같은 금속 발열체이고, 전도성 금속산화물이나 탄소와 같은 비금속 발열체도 이용된다. 전도성 소재가 투명 유연 면상발열체에 적용되기 위해서는 투명성이 보장되는 낮은 두께에서 충분히 낮은 저항을 가져야 하고, 기판의 제약 없이 낮은 저항을 갖기 위해서는 150 ℃ 이하의 저온에서 전도성 소재들의 충분한 경화 및 소결이 이루어져야 한다. In general, there are a variety of conductive heating materials used in the planar heating element, but mainly used are metal heating elements such as iron, nickel, chromium, and platinum, and non-metallic heating elements such as conductive metal oxide or carbon are also used. In order for a conductive material to be applied to a transparent flexible planar heating element, it must have a sufficiently low resistance at a low thickness that guarantees transparency, and in order to have a low resistance without the limitations of the substrate, sufficient hardening and sintering of the conductive materials must be performed at a low temperature of 150 ℃ or less. .
즉, 전도성 소재들이 균일한 분산에 의해 연속적인 접촉이 이루어져야만 높은 전기전도성 및 고온 안정성을 확보할 수 있다. 그러나 기존의 고 전기전도성 소재들은 500℃ 이상의 높은 소결온도를 요구하기 때문에 기판의 제약으로부터 투명 유연 면상발열체에 적용하기에는 어려움이 있었다. 따라서 저온 소결이 가능한 전도성 소재의 개발로부터 고성능의 투명 유연 면상발열체의 개발이 가능하다.That is, high electrical conductivity and high temperature stability can be ensured only when conductive materials are continuously contacted by uniform dispersion. However, the existing high electrical conductivity materials require a high sintering temperature of 500°C or higher, so it is difficult to apply them to a transparent flexible planar heating element due to the limitations of the substrate. Therefore, it is possible to develop a high-performance transparent flexible planar heating element from the development of a conductive material capable of low-temperature sintering.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 저전압 및 저전력 조건에서도 균일한 발열구동이 가능한 유연면상발열체 및 그의 제조방법을 제공함에 있다. The present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a flexible planar heating element capable of uniform heating even under low voltage and low power conditions, and a method of manufacturing the same.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 유연면상발열체 제조방법은 유연기판 상에, 제1입도분포를 나타내는 제1은나노입자 및 제2입도분포를 나타내는 제2은나노입자를 포함하는 은나노입자를 포함하는 전도성 은나노잉크 패턴을 형성하는 패턴형성단계; 및 유연기판을 가열하는 가열단계;를 포함한다. A method for manufacturing a flexible planar heating element according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is a silver nanoparticle including first silver nanoparticles representing a first particle size distribution and second silver nanoparticles representing a second particle size distribution on a flexible substrate. A pattern forming step of forming a conductive silver nano-ink pattern including particles; And a heating step of heating the flexible substrate.
패턴형성단계는, 전도성 은나노잉크를 유연기판에 형성된 예비패턴에 채워 수행될 수 있다.The pattern forming step may be performed by filling the pre-pattern formed on the flexible substrate with conductive silver nano-ink.
전도성 은나노잉크는, 10~80 nm의 입도를 갖는 제1은나노입자와, 100~500 nm의 입도를 갖는 제2은나노입자를 포함하는 은나노입자, 물 및 극성용매를 포함하고, 은나노입자는 35,000~45,000 분자량을 갖는 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone; PVP) 1~99 중량%와 50,000~60,000 분자량을 갖는 PVP 1~99 중량%를 함유하는 고분자 바인더가 표면에 코팅되어 있을 수 있다. The conductive silver nano-ink contains silver nanoparticles including first silver nanoparticles having a particle size of 10 to 80 nm, second silver nanoparticles having a particle size of 100 to 500 nm, water and a polar solvent, and silver nanoparticles are 35,000 to A polymeric binder containing 1 to 99% by weight of polyvinylpyrrolidone (PVP) having a molecular weight of 45,000 and 1 to 99% by weight of PVP having a molecular weight of 50,000 to 60,000 may be coated on the surface.
전도성 은나노잉크는 전도성 증가를 위해 CNT 또는 그래핀을 더 포함할 수 있다.The conductive silver nano-ink may further include CNT or graphene to increase conductivity.
전도성 은나노잉크는 유연기판과의 표면에너지 차이를 감소시키기 위한 습윤제를 더 포함할 수 있다. The conductive silver nano-ink may further include a wetting agent to reduce a difference in surface energy from the flexible substrate.
가열단계는, 100℃ 내지 150℃에서 수행될 수 있다.The heating step may be performed at 100°C to 150°C.
본 발명의 다른 측면에 따른 유연면상발열체는 유연기판; 제1입도분포를 나타내는 제1은나노입자 및 제2입도분포를 나타내는 제2은나노입자를 포함하는 전도성 은나노잉크 패턴으로 형성되는 전도성 패턴; 및 전도성 패턴과 전기적으로 연결되는 전극;을 포함한다. Flexible planar heating element according to another aspect of the present invention is a flexible substrate; A conductive pattern formed of a conductive silver nano-ink pattern including first silver nanoparticles having a first particle size distribution and second silver nanoparticles having a second particle size distribution; And an electrode electrically connected to the conductive pattern.
본 발명에 따른 유연면상발열체는 전도성 패턴은 균일발열을 위한 서브패턴을 포함할 수 있다. In the flexible planar heating element according to the present invention, the conductive pattern may include a sub-pattern for uniform heating.
본 발명의 실시예들에 따르면, 2이상의 입도분포를 갖는 은나노입자를 이용하여 전도성 패턴을 형성하여 투과도가 90% 이상인 메쉬타입 패턴을 형성하여 이를 기반으로 투명하고 유연한 면상발열체를 제조할 수 있는 효과가 있다. According to the embodiments of the present invention, a conductive pattern is formed using silver nanoparticles having a particle size distribution of 2 or more to form a mesh-type pattern having a transmittance of 90% or more, and based on this, a transparent and flexible planar heating element can be manufactured. There is.
또한, 본 발명의 유연면상발열체의 전도성 패턴에 사용되는 전도성 은나노잉크는 150℃ 이하에서의 저온 소결이 가능하여 내열온도가 낮은 유연 플라스틱 기판의 사용이 자유로워 전체 면상발열체의 유연도가 증가하고, 낮은 비저항을 나타내어 저전압, 저전력으로 균일한 발열성능이 구현된 면상발열체를 구현할 수 있는 효과가 있다.In addition, the conductive silver nano-ink used in the conductive pattern of the flexible planar heating element of the present invention can be sintered at a low temperature below 150°C, so that the flexible plastic substrate having a low heat resistance temperature is free to be used, thereby increasing the flexibility of the entire planar heating element. There is an effect of implementing a planar heating element that exhibits low specific resistance and has uniform heating performance at low voltage and low power.
아울러, 본 발명의 본 발명의 유연면상발열체의 전도성 패턴에는 CNT나 그래핀과 같은 탄소소재가 추가로 사용되어 패턴의 전도성을 향상시켜 발열성능이 뛰어난 유연면상발열체를 제조할 수 있는 효과가 있다.In addition, a carbon material such as CNT or graphene is additionally used in the conductive pattern of the flexible planar heating element of the present invention to improve the conductivity of the pattern, thereby producing a flexible planar heating element having excellent heat generation performance.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 유연면상발열체 제조방법의 설명에 제공되는 도면들이다.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유연면상발열체 제조방법에서, 전도성 은나노잉크의 용매 및 습윤제의 함량에 따른 접촉각을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 유연면상발열체 제조방법에서, 예비패턴에 전도성 은나노잉크가 채워진 유연기판의 SEM이미지이고, 도 6은 도 5의 확대도이며, 도 7은 유연기판을 130℃로 가열한 후 전도성 은나노잉크 내의 은나노입자가 서로 접합하고 있는 모습을 나타낸 이미지이고, 도 8은 도 7의 축소도이다.
도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 유연면상발열체의 평면도이다.
도 10은 본 발명의 또다른 실시예에 따라 유연기판으로서 PET기판에 전도성 은나노잉크를 채워 전도성 메쉬 패턴을 형성하고, 유연기판 양단에 은을 인쇄하여 전극을 형성한 유연면상발열체를 도시한 도면이고, 도 11은 도 10의 유연면상발열체의 투과도 및 헤이즈를 도시한 그래프이며, 도 12는 도 10의 유연면상발열체의 서브패턴을 확대한 도면이고, 도 13은 도 10의 유연면상발열체의 IR이미지이다.
도 14는 도 10의 유연면상발열체의 구동시간에 따른 전압 및 전류 변화를 도시한 그래프이고, 도 15는 측정된 전압 및 전류 값으로부터 구동 중인 유연면상발열체의 저항을 도시한 도면이고, 도 16은 온도-시간 그래프이며, 도 17은 다양한 인가전압 조건에서 유연면상발열체의 on/off 거동을 도시한 그래프이다.
도 18a는 도 10의 유연면상발열체의 인가전압에 따른 온도 변화를 도시한 그래프이고, 도 18b는 인가 전력밀도에 따른 온도 변화를 도시한 그래프이다.
도 19는 도 10의 유연면상발열체의 굽힘성 테스트 결과를 도시한 그래프이고, 도 20은 굽힘성 테스트 전후의 유연면상발열체의 IR 이미지이다. 1 to 3 are views provided to explain a method of manufacturing a flexible planar heating element according to an embodiment of the present invention.
4A to 4H are views showing a contact angle according to the content of a solvent and a wetting agent of a conductive silver nano-ink in a method of manufacturing a flexible planar heating element according to another embodiment of the present invention.
5 is a SEM image of a flexible substrate filled with conductive silver nano-ink in a preliminary pattern in a method of manufacturing a flexible planar heating element according to another embodiment of the present invention, FIG. 6 is an enlarged view of FIG. 5, and FIG. 7 is a flexible substrate. It is an image showing a state in which the silver nanoparticles in the conductive silver nanoink are bonded to each other after heating to 130°C, and FIG. 8 is a reduced view of FIG. 7.
9 is a plan view of a flexible planar heating element according to another embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a view showing a flexible surface heating element in which a conductive mesh pattern is formed by filling a PET substrate with conductive silver nano-ink as a flexible substrate, and silver is printed on both ends of the flexible substrate according to another embodiment of the present invention. , FIG. 11 is a graph showing the transmittance and haze of the flexible surface heating element of FIG. 10, FIG. 12 is an enlarged view of the sub-pattern of the flexible surface heating element of FIG. 10, and FIG. 13 is an IR image of the flexible surface heating element of FIG. to be.
14 is a graph showing changes in voltage and current according to the driving time of the flexible planar heating element of FIG. 10, FIG. 15 is a view showing the resistance of the flexible planar heating element being driven from the measured voltage and current values, and FIG. It is a temperature-time graph, and FIG. 17 is a graph showing on/off behavior of a flexible planar heating element under various applied voltage conditions.
18A is a graph showing a temperature change according to an applied voltage of the flexible planar heating element of FIG. 10, and FIG. 18B is a graph showing a temperature change according to an applied power density.
19 is a graph showing the results of a bendability test of the flexible planar heating element of FIG. 10, and FIG. 20 is an IR image of the flexible planar heating element before and after the bendability test.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention may be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. Embodiments of the present invention are provided to more completely describe the present invention to those of ordinary skill in the art. In the accompanying drawings, there may be elements having a specific pattern or having a predetermined thickness, but this is for convenience of description or distinction, so even if they have a specific pattern and a predetermined thickness, the present invention is characterized by the illustrated elements. It is not limited to only.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 유연면상발열체 제조방법의 설명에 제공되는 도면들이다. 본 실시예에 따른 유연면상발열체 제조방법은 유연기판(110) 상에, 제1입도분포를 나타내는 제1은나노입자 및 제2입도분포를 나타내는 제2은나노입자를 포함하는 은나노입자를 포함하는 전도성 은나노잉크(120) 패턴을 형성하는 패턴형성단계; 및 유연기판(110)을 가열하는 가열단계;를 포함한다.1 to 3 are views provided to explain a method of manufacturing a flexible planar heating element according to an embodiment of the present invention. The method of manufacturing a flexible planar heating element according to the present embodiment is a conductive silver nanoparticle including silver nanoparticles including first silver nanoparticles showing a first particle size distribution and second silver nanoparticles showing a second particle size distribution on the
도 1을 참조하면, 유연기판(110) 상에는 전도성 은나노잉크(120)를 이용하여 형성하려는 패턴의 형상과 동일한 예비패턴(111)이 형성되어 있다. 유연기판(110)은 유연한 면상발열체를 제조하기 위하여 유연한 플라스틱 필름과 같은 기판이 사용된다. 면상발열체가 투명할 필요가 있으면 투명성을 갖는 기판일 수 있다. 예를 들어, 유연기판(110)으로는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌설포네이트(PES), 폴리옥시메틸렌(POM), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르설폰(PES) 및 폴리에테르이미드(PEI)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 투명 플라스틱 기재 필름을 사용할 수 있다. Referring to FIG. 1, a
예비패턴(111)은 유연기판(110) 상에 다양한 방식으로 형성될 수 있으나, 예를 들어 나노임프린팅 공정으로 형성될 수 있다. 예비패턴(111)이 형성되면, 도 2와 같이 전도성 은나노잉크(120)를 유연기판(110)에 형성된 예비패턴(111)에 채울 수 있다. The
본 발명에 사용될 수 있는 전도성 은나노잉크는, 제1입도분포를 나타내는 제1은나노입자 및 제2입도분포를 나타내는 제2은나노입자를 포함할 수 있다. 본 발명에서는 동발명자들이 출원한 한국특허출원 제 2016-0038360호에 개시된 전도성 은나노잉크를 사용할 수 있다. 전도성 은나노잉크(120)는 10~80 nm의 입도를 갖는 제1은나노입자와, 100~500 nm의 입도를 갖는 제2은나노입자를 포함하는 은나노입자, 물 및 극성용매를 포함하고, 은나노입자는 35,000~45,000 분자량을 갖는 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone; PVP) 1~99 중량%와 50,000~60,000 분자량을 갖는 PVP 1~99 중량%를 함유하는 고분자 바인더가 표면에 코팅되어 있을 수 있다.The conductive silver nanoink that can be used in the present invention may include first silver nanoparticles having a first particle size distribution and second silver nanoparticles having a second particle size distribution. In the present invention, the conductive silver nano-ink disclosed in Korean Patent Application No. 2016-0038360 filed by the same inventors may be used. Conductive silver nano-
2이상의 입도분포를 나타내는 은나노입자를 포함하는 전도성 은나노잉크(120)를 사용하면, 크기가 작은 제1은나노입자가 상대적으로 크기가 큰 제2은나노입자 주변을 둘러싸거나 제2은나노입자 사이를 제1은나노입자가 채우는 형태로 전도성 은나노잉크(120)내에 분산될 수 있다. 이 때, 가열단계를 거치게 되면(도 3), 크기가 작은 제1은나노입자가 제2은나노입자 들을 접합하는 형태를 이룰 수 있고, 제2은나노입자가 용융 또는 소결되지 않아도 제1은나노입자들에 의해 전체 전도성 패턴이 전기적으로 연결될 수 있으므로 보다 저온에서 전도성 패턴(130) 형성이 가능하다. 가열단계는, 100℃ 내지 150℃에서 수행될 수 있고, 보다 바람직하게는 130℃에서 수행될 수 있다.When the conductive silver nano-
전도성 은나노잉크는 전도성 증가를 위해 CNT 또는 그래핀과 같은 탄소소재를 더 포함할 수 있다. The conductive silver nano ink may further include a carbon material such as CNT or graphene to increase conductivity.
도 4a 내지 도 4h는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유연면상발열체 제조방법에서, 전도성 은나노잉크의 용매 및 습윤제의 함량에 따른 접촉각을 도시한 도면이다. 4A to 4H are views showing a contact angle according to the content of a solvent and a wetting agent of a conductive silver nano-ink in a method of manufacturing a flexible planar heating element according to another embodiment of the present invention.
전도성 은나노잉크는 유연기판과의 표면에너지 차이를 감소시키기 위한 습윤제를 더 포함할 수 있다. 도 2를 참조하면, 전도성 은나노잉크(120)는 유연기판(110) 상에 형성된 예비패턴(111)에 채워지게 되는데, 전도성 은나노잉크(120)와 유연기판(110)과의 표면에너지 차이가 있어 예비패턴이 완전히 채워지지 않을 수 있다. 따라서, 적절한 습윤제(wetting agent)를 사용하여 전도성 은나노잉크(120)를 예비패턴(111)에 완전히 채워야 우수한 특성의 전도성 패턴을 형성할 수 있다. The conductive silver nano-ink may further include a wetting agent to reduce a difference in surface energy from the flexible substrate. 2, the conductive silver nano-
도 4a 내지 도 4h에서는 나노임프린팅 공정을 적용하여 PET기판 상에 음각으로 마이크로 채널을 형성하고, 닥터블레이딩을 통해 은나노잉크를 마이크로 채널 안에 채우는 코팅 공정을 수행할 때, 각각 습윤제의 함량을 달리하여 접촉각이 서로 다른 것이 나타나있다. 마이크로 채널의 너비, 높이 및 면적은 각각 2.3 μm, 3 μm 및 5.47 μm2이었다. 사용된 습윤제는 카르비톨 아세테이트(Carbitol Acetate, CA)였다. 전도성 은나노잉크의 용매 중 에틸렌글리콜(Etylene Glycol, EG)와 CA의 비율에 따라 접촉각을 살펴본 바, 도 4g의 경우와 같이 EG:CA의 비율이 100:50일 때 PET 기판과 전도성 은나노잉크의 접촉특성이 최적화되었다. In FIGS. 4A to 4H, when performing a coating process in which microchannels are formed in an intaglio on a PET substrate by applying a nanoimprinting process, and the silver nanoink is filled into the microchannels through doctor blading, the content of the wetting agent is different. Thus, it is shown that the contact angles are different. The width, height and area of the microchannels were 2.3 μm, 3 μm and 5.47 μm2, respectively. The wetting agent used was Carbitol Acetate (CA). The contact angle was examined according to the ratio of ethylene glycol (EG) and CA in the solvent of the conductive silver nanoink. As shown in FIG. The properties have been optimized.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 유연면상발열체 제조방법에서, 예비패턴에 전도성 은나노잉크가 채워진 유연기판의 SEM이미지이고, 도 6은 도 5의 확대도이며, 도 7은 유연기판을 130℃로 가열한 후 전도성 은나노잉크 내의 은나노입자가 서로 접합하고 있는 모습을 나타낸 이미지이고, 도 8은 도 7의 축소도이다. 5 is a SEM image of a flexible substrate filled with conductive silver nano-ink in a preliminary pattern in a method of manufacturing a flexible planar heating element according to another embodiment of the present invention, FIG. 6 is an enlarged view of FIG. 5, and FIG. 7 is a flexible substrate. It is an image showing a state in which the silver nanoparticles in the conductive silver nanoink are bonded to each other after heating to 130°C, and FIG. 8 is a reduced view of FIG. 7.
도 5는 PET 기판 상의 예비패턴에 전도성 은나노잉크가 채워진 이미지이고, 도 6은 그의 확대도이다. 도 6을 참조하면, 유연기판과 전도성 은나노잉크의 접촉특성이 최적화된 결과, 전도성 은나노잉크가 예비패턴 내에 기공없이 채워진 것을 확인할 수 있다. 5 is an image of a preliminary pattern on a PET substrate filled with conductive silver nano-ink, and FIG. 6 is an enlarged view thereof. Referring to FIG. 6, as a result of optimizing the contact characteristics between the flexible substrate and the conductive silver nano-ink, it can be seen that the conductive silver nano-ink is filled without pores in the preliminary pattern.
이후, PET기판을 130℃에서 5분간 가열 건조한 결과, 도 7과 같이 전도성 은나노잉크는 크기가 작은 제1은나노입자가 크기가 큰 제2은나노입자에 접합(welding)되어 제1은나노입자에 의해 제2은나노입자가 서로 접합 내지는 연결된 것을 알 수 있다. 이에 따라, PET 기판의 패턴 내에 은나노입자가 서로 밀집, 접합되어 전도성 패턴이 형성되었다(도 8). Thereafter, as a result of heating and drying the PET substrate at 130° C. for 5 minutes, as shown in FIG. 7, the first silver nanoparticles having a small size are welded to the second silver nanoparticles, and the first silver nanoparticles It can be seen that the 2 silver nanoparticles are bonded or connected to each other. Accordingly, silver nanoparticles were densely bonded to each other in the pattern of the PET substrate to form a conductive pattern (FIG. 8).
은나노크기가 작은 제1은나노입자는 녹는점이 낮으므로 130℃라는 비교적 낮은 온도에서도 녹을 수 있으므로 효과적으로 제1은나노입자 및 제2은나노입자가 서로 접합될 수 있는 것이다. 유연면상발열체는 유연성 특성상 고온내열성이 낮은 유연플라스틱 기판을 사용하는 경우가 다수이므로 이렇게 낮은 온도에서 전도성 패턴이 효과적으로 형성된다면 우수한 특성의 유연면상발열체를 제조할 수 있다. Since the first silver nanoparticles having a small silver nano size have a low melting point, they can be melted at a relatively low temperature of 130°C, so that the first silver nanoparticles and the second silver nanoparticles can be effectively bonded to each other. Flexible planar heating elements are often used with flexible plastic substrates having low high temperature heat resistance due to their flexibility characteristics, so if the conductive pattern is effectively formed at such a low temperature, a flexible planar heating element with excellent properties can be manufactured.
도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 유연면상발열체의 평면도이다. 본 실시예의 유연면상발열체(100)는 유연기판(110); 제1입도분포를 나타내는 제1은나노입자 및 제2입도분포를 나타내는 제2은나노입자를 포함하는 전도성 은나노잉크 패턴으로 형성되는 전도성 패턴(121); 및 전도성 패턴(121)과 전기적으로 연결되는 전극(130);을 포함한다. 전극(130)은 외부전원으로부터 전도성 패턴(121)에 전압을 인가하여 전도성 패턴(121)이 발열되도록 한다. 전극(130)은 은 또는 구리와 같은 금속전극일 수 있다.9 is a plan view of a flexible planar heating element according to another embodiment of the present invention. The flexible
도 10은 본 발명의 또다른 실시예에 따라 유연기판으로서 PET기판에 전도성 은나노잉크를 채워 전도성 메쉬 패턴을 형성하고, 유연기판 양단에 은을 인쇄하여 전극을 형성한 유연면상발열체를 도시한 도면이고, 도 11은 도 10의 유연면상발열체의 투과도 및 헤이즈를 도시한 그래프이며, 도 12는 도 10의 유연면상발열체의 서브패턴을 확대한 도면이고, 도 13은 도 10의 유연면상발열체의 IR이미지이다. FIG. 10 is a view showing a flexible surface heating element in which a conductive mesh pattern is formed by filling a PET substrate with conductive silver nano-ink as a flexible substrate, and silver is printed on both ends of the flexible substrate according to another embodiment of the present invention. , FIG. 11 is a graph showing the transmittance and haze of the flexible surface heating element of FIG. 10, FIG. 12 is an enlarged view of the sub-pattern of the flexible surface heating element of FIG. 10, and FIG. 13 is an IR image of the flexible surface heating element of FIG. to be.
도 10을 참조하면, 유연기판이나 전도성 패턴 등이 박막이므로 전체적으로 유연한 면상발열체가 제조됨을 알 수 있다. 도 11을 참조하면, 유연면상발열체의 전도성 패턴부분의 투과도는 90%이고 헤이즈는 1.5이므로 투명하면서도 유연한 면상발열체가 제조가 가능하다. 도 10의 투명유연면상발열체의 발열 면적은 8×8cm2이다. Referring to FIG. 10, it can be seen that a flexible substrate or a conductive pattern is a thin film, so that a flexible planar heating element is manufactured as a whole. Referring to FIG. 11, since the transmittance of the conductive pattern portion of the flexible planar heating element is 90% and the haze is 1.5, a transparent and flexible planar heating element can be manufactured. The heating area of the transparent flexible surface heating element of FIG. 10 is 8×8cm 2 .
본 발명에 따른 유연면상발열체는 전도성 패턴은 균일발열을 위한 서브패턴을 포함할 수 있다. 서브패턴은 유연면상발열체의 전체 면적을 통한 균일한 발열을 위한 것으로서, 도 12를 참조하면, 붉은 원 내에 패턴이 끊어져 있는 부분이 서브패턴을 구성한다. 즉, 서브패턴은 유연면상발열체의 발열면적을 예를 들어 100개의 작은 직사각형 영역으로 나누는 패턴으로 구현될 수 있으며, PET 기판 상에 나노임프린팅 공정으로 예비패턴인 마이크로 채널을 제작할 때 의도적으로 패턴이 없는 영역을 두어 이 영역들이 직사각형 영역을 구성하게 할 수 있다. In the flexible planar heating element according to the present invention, the conductive pattern may include a sub-pattern for uniform heating. The sub-pattern is for uniform heat generation through the entire area of the flexible planar heating element. Referring to FIG. 12, a portion where the pattern is cut in a red circle constitutes a sub-pattern. That is, the sub-pattern can be implemented as a pattern that divides the heating area of the flexible planar heating element into, for example, 100 small rectangular areas, and when a microchannel, which is a preliminary pattern, is manufactured on a PET substrate by a nanoimprinting process, the pattern is intentionally changed. You can leave the missing areas so that these areas constitute a rectangular area.
이에 따라, 도 13의 IR 이미지를 보면, 직사각형 형태로 나누어져 발열되는 것을 알 수 있고, 따라서, 발열을 균일하게 유도할 수 있다. 서브패턴의 형상이나 면적은 유연면상발열체의 발열면적이나 패턴 형상에 따라 달라질 수 있음은 물론이다. Accordingly, looking at the IR image of FIG. 13, it can be seen that heat is generated by being divided into a rectangular shape, and thus, heat generation can be uniformly induced. It goes without saying that the shape or area of the subpattern may vary depending on the heating area or pattern shape of the flexible surface heating element.
도 13에서는 제조된 유연면상발열체에 21V의 전압을 인가한 후, 발열체의 발열 모습을 IR 카메라로 찍은 이미지가 나타나있다. 유연면상발열체의 발열 균일도를 확인하기 위해 서로 다른 위치의 L1 (흰 점선)과 L2 (초록 점선) 라인의 발열 온도를 측정하였으며, 그 결과가 도 13의 inset 그래프로 표시되어 있다. 각 라인의 히팅 블록들은 약 124℃의 균일한 발열 온도를 나타냈으며, 히팅 블록 사이의 상대적으로 낮은 온도 (100℃이하)는 의도적인 패터닝, 즉 서브패턴으로 인해 끊어진 전도성 메쉬 패턴에 기인한 것이다. In FIG. 13, after applying a voltage of 21V to the manufactured flexible planar heating element, an image of the heating state of the heating element taken with an IR camera is shown. In order to check the heating uniformity of the flexible planar heating element, the heating temperatures of the L1 (white dotted line) and L2 (green dotted line) lines at different locations were measured, and the results are shown in the inset graph of FIG. 13. The heating blocks of each line exhibited a uniform heating temperature of about 124°C, and the relatively low temperature (less than 100°C) between the heating blocks is due to intentional patterning, that is, the conductive mesh pattern broken due to the sub-pattern.
도 14는 도 10의 유연면상발열체의 구동시간에 따른 전압 및 전류 변화를 도시한 그래프이고, 도 15는 측정된 전압 및 전류 값으로부터 구동 중인 유연면상발열체의 저항을 도시한 도면이고, 도 16은 온도-시간 그래프이며, 도 17은 다양한 인가전압 조건에서 유연면상발열체의 on/off 거동을 도시한 그래프이다. 14 is a graph showing changes in voltage and current according to the driving time of the flexible planar heating element of FIG. 10, FIG. 15 is a view showing the resistance of the flexible planar heating element being driven from the measured voltage and current values, and FIG. It is a temperature-time graph, and FIG. 17 is a graph showing the on/off behavior of the flexible planar heating element under various applied voltage conditions.
도 8(a)에서는 면상발열체의 구동시간에 따른 전압, 전류의 변화가 나타나있는데, 100분의 측정 시간 동안, 초기 인가 전압(21V, 검정 점선) 및 전류(0.355A, 파랑 점선)는 124℃ 이하의 발열 구동동안 안정하게 유지되었다. 측정된 전압 및 전류 값으로부터 구동 중인 발열체의 저항 (59 Ω, 초록 점선) 및 전력밀도 (0.117 Wcm-2, 빨강 점선)가 측정 소프트웨어 프로그램을 통해 계산되었다(도 15). 도 16은 유연면상발열체의 온도-시간 그래프이며, 유연면상발열체 내부 서로 다른 5개의 블록들에서 모두 약 124℃의 균일한 온도 분포를 보이며, 측정시간 동안 일정한 온도를 유지하고 있음을 확인할 수 있다. In Fig. 8(a), changes in voltage and current according to the driving time of the planar heating element are shown. During the measurement time of 100 minutes, the initial applied voltage (21V, black dotted line) and current (0.355A, blue dotted line) are 124°C. It remained stable during the following exothermic drive. From the measured voltage and current values, the resistance (59 Ω, green dotted line) and power density (0.117 Wcm -2 , red dotted line) of the driving heating element were calculated through the measurement software program (FIG. 15). FIG. 16 is a temperature-time graph of the flexible planar heating element, showing a uniform temperature distribution of about 124°C in all five different blocks inside the flexible planar heating element, and it can be seen that a constant temperature is maintained during the measurement time.
도 17은 0초에서 일정한 전압이 인가되기 시작하고 225초에서 전압이 제거되는 프로그램으로, 다양한 인가전압 (8, 15, 21V) 조건에서 면상발열체의 on/off 거동이 나타나있다. 전압이 인가됨에 따라 면상발열체의 발열 온도가 점진적으로 상온에서부터 특정 온도로 증가하였고, 열적 평형 상태가 되면 일정한 온도를 유지하였다. 인가전압이 8V 일 때에는 43℃까지 23초 (1.9℃/s) 안에 도달하였고, 인가전압이 15V 및 21V 일 때에는 88℃ 및 124℃까지 각각 26초 (3.4℃/s) 및 28초 (4.5℃/s) 안에 도달하여 인가전압에 상관없이 각각 안정적으로 소정온도로 발열이 가능함을 확인할 수 있었다. 17 is a program in which a constant voltage is applied at 0 seconds and the voltage is removed at 225 seconds, and the on/off behavior of the planar heating element under various applied voltages (8, 15, 21V) is shown. As voltage was applied, the heating temperature of the planar heating element gradually increased from room temperature to a specific temperature, and when the thermal equilibrium state was reached, a constant temperature was maintained. When the applied voltage was 8V, it reached 43℃ in 23 seconds (1.9℃/s), and when the applied voltage was 15V and 21V, it reached 88℃ and 124℃ for 26 seconds (3.4℃/s) and 28 seconds (4.5℃), respectively. /s), and it was confirmed that heat can be stably heated at a predetermined temperature regardless of the applied voltage.
도 18a는 도 10의 유연면상발열체의 인가전압에 따른 온도 변화를 도시한 그래프이고, 도 18b는 인가 전력밀도에 따른 온도 변화를 도시한 그래프이다. 면상발열체의 전력밀도 (PD = VI/A)는 인가된 전압(V), 측정된 전류(I) 및 발열 면적 (A: 8×8 cm2)으로부터 계산되었으며, 그 결과 0.017 (43 °C @ 8V) 내지 0.117 (124 °C @ 21V) Wcm-2의 값을 나타내었다. 면상발열체는 가능한 낮은 인가 전력으로 원하는 온도를 유지해야하기 때문에, 전력 소비 효율은 중요한 성능 인자 중의 하나인데, 문헌상의 다른 결과들과 비교하였을 때 본 발명을 통해 제작된 유연면상발열체는 바이모달 입도를 가지는 은나노입자들의 높은 전기적 특성으로 인해 우수한 전력 밀도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.18A is a graph showing a temperature change according to an applied voltage of the flexible planar heating element of FIG. 10, and FIG. 18B is a graph showing a temperature change according to an applied power density. The power density (PD = VI/A) of the planar heating element was calculated from the applied voltage (V), the measured current (I), and the heating area (A: 8×8 cm 2 ), and as a result, 0.017 (43 °C @ 8V) to 0.117 (124 °C @ 21V) Wcm -2 . Since the planar heating element must maintain the desired temperature with as low as possible applied power, power consumption efficiency is one of the important performance factors. Compared to other results in the literature, the flexible planar heating element manufactured through the present invention has a bimodal particle size. It was confirmed that eggplant exhibited excellent power density due to the high electrical properties of the silver nanoparticles.
도 19는 도 10의 유연면상발열체의 굽힘성 테스트 결과를 도시한 그래프이고, 도 20은 굽힘성 테스트 전후의 유연면상발열체의 IR 이미지이다. 도 19는 제작된 투명유연면상발열체의 기계적 특성을 평가하기 위해 5 mm 반경에서 10,000회 굽힘성 테스트를 진행한 결과이다. 19 is a graph showing the results of a bendability test of the flexible planar heating element of FIG. 10, and FIG. 20 is an IR image of the flexible planar heating element before and after the bendability test. 19 is a result of a bendability test performed 10,000 times in a 5 mm radius in order to evaluate the mechanical properties of the manufactured transparent flexible surface heating element.
매 사이클마다 면상 발열체의 저항 변화율(ΔR/R0, 검정 선) 및 발열 온도 변화율(ΔT/T0, 파랑 선)을 측정하였으며, 1,000 사이클마다의 결과를 그래프로 나타내었다. 10,000 사이클 굽힘성 테스트 종료 후 변화율은 초기 저항 및 초기 발열온도 대비 3.7% 및 2.2%의 작은 변화율이 측정되어 유연특성이 우수함을 알 수 있었다. 도 20은 10,000회 굽힘성 테스트 전/후 면상발열체의 IR 이미지이며, 18.5V에서 110℃의 발열 성능을 보였던 면상발열체는 10,000회 굽힘성 테스트 후 동일 전압에서 108℃의 발열 성능을 보여 안정적인 발열성능이 나타남을 알 수 있었다.The resistance change rate (ΔR/R0, black line) and the heating temperature change rate (ΔT/T0, blue line) of the planar heating element were measured for each cycle, and the results for every 1,000 cycles were shown as a graph. After the completion of the 10,000 cycle bendability test, small change rates of 3.7% and 2.2% compared to the initial resistance and initial heating temperature were measured, indicating excellent flexibility. 20 is an IR image of the planar heating element before/after the 10,000-bending test, and the planar heating element, which showed a heating performance of 110°C at 18.5V, showed a heating performance of 108°C at the same voltage after 10,000-bending test, showing stable heating performance. I could see that appears.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.In the above, embodiments of the present invention have been described, but those of ordinary skill in the art will add, change, delete or add components within the scope not departing from the spirit of the present invention described in the claims. Various modifications and changes can be made to the present invention by means of the like, and it will be said that this is also included within the scope of the present invention.
100: 유연면상발열체
110: 유연기판
111: 패턴
120: 전도성 은나노잉크
121: 전도성 패턴
100: flexible planar heating element
110: flexible substrate
111: pattern
120: conductive silver nano ink
121: conductive pattern
Claims (8)
유연기판을 가열하는 가열단계;를 포함하는 유연면상발열체 제조방법.On the flexible substrate, a pattern forming step of forming a conductive silver nano-ink pattern including silver nanoparticles including first silver nanoparticles showing a first particle size distribution and second silver nanoparticles showing a second particle size distribution; And
A method of manufacturing a flexible planar heating element comprising a; heating step of heating the flexible substrate.
패턴형성단계는, 전도성 은나노잉크를 유연기판에 형성된 예비패턴에 채워 수행되는 것을 특징으로 하는 유연면상발열체 제조방법. The method according to claim 1,
The pattern forming step is a flexible planar heating element manufacturing method, characterized in that the conductive silver nano-ink is filled in the preliminary pattern formed on the flexible substrate.
전도성 은나노잉크는,
10~80 nm의 입도를 갖는 제1은나노입자와, 100~500 nm의 입도를 갖는 제2은나노입자를 포함하는 은나노입자, 물 및 극성용매를 포함하고,
은나노입자는 35,000~45,000 분자량을 갖는 폴리비닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone; PVP) 1~99 중량%와 50,000~60,000 분자량을 갖는 PVP 1~99 중량%를 함유하는 고분자 바인더가 표면에 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 유연면상발열체 제조방법.The method according to claim 1,
Conductive silver nano ink,
Including silver nanoparticles including first silver nanoparticles having a particle size of 10 to 80 nm, second silver nanoparticles having a particle size of 100 to 500 nm, water and a polar solvent,
Silver nanoparticles are characterized in that the surface is coated with a polymer binder containing 1 to 99% by weight of polyvinylpyrrolidone (PVP) having a molecular weight of 35,000 to 45,000 and 1 to 99% by weight of PVP having a molecular weight of 50,000 to 60,000. Flexible planar heating element manufacturing method.
전도성 은나노잉크는 유연기판과의 표면에너지 차이를 감소시키기 위한 습윤제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유연면상발열체 제조방법.The method of claim 3,
Conductive silver nano-ink is a flexible planar heating element manufacturing method, characterized in that it further comprises a wetting agent for reducing the difference in surface energy from the flexible substrate.
전도성 은나노잉크는 전도성 증가를 위해 CNT 또는 그래핀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유연면상발열체 제조방법.The method according to claim 1,
Conductive silver nano-ink is a flexible planar heating element manufacturing method, characterized in that it further comprises CNT or graphene to increase the conductivity.
가열단계는, 100℃ 내지 150℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 유연면상발열체 제조방법.The method according to claim 1,
The heating step is a flexible planar heating element manufacturing method, characterized in that performed at 100 ℃ to 150 ℃.
제1입도분포를 나타내는 제1은나노입자 및 제2입도분포를 나타내는 제2은나노입자를 포함하는 전도성 은나노잉크 패턴으로 형성되는 전도성 패턴; 및
전도성 패턴과 전기적으로 연결되는 전극;을 포함하는 유연면상발열체.Flexible substrate;
A conductive pattern formed of a conductive silver nano-ink pattern including first silver nanoparticles having a first particle size distribution and second silver nanoparticles having a second particle size distribution; And
Flexible planar heating element comprising a; electrode electrically connected to the conductive pattern.
전도성 패턴은 균일발열을 위한 서브패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연면상발열체.The method of claim 7,
The conductive pattern is a flexible planar heating element, characterized in that it comprises a sub-pattern for uniform heating.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190048684A KR20200125032A (en) | 2019-04-25 | 2019-04-25 | Flexible planar heater and manufacturing method thereof |
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| KR (1) | KR20200125032A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023095960A1 (en) * | 2021-11-24 | 2023-06-01 | 엔디티엔지니어링㈜ | Ptc constant temperature heating element containing silver particle-graphene composite |
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2019
- 2019-04-25 KR KR1020190048684A patent/KR20200125032A/en unknown
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