KR20230097764A - 발열 전선, 이를 포함하는 발열 물품 및 이의 제조방법 - Google Patents

발열 전선, 이를 포함하는 발열 물품 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20230097764A
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Abstract

발열 전선은, 인가되는 전원에 의해 열을 발생하는 다수의 열선들과, 상기 열선들 전체의 둘레를 감싸도록 구비되고, 상기 열을 외측으로 전달하기 위해 열전도율이 상대적으로 높은 탄소나노튜브와 제1 고분자 수지의 복합체로 이루어지는 전도층 및 상기 전도층을 감싸도록 구비되며, 상기 열선들을 절연시키기 위해 제2 고분자 수지로 이루어지는 절연층을 포함할 수 있다.

Description

발열 전선, 이를 포함하는 발열 물품 및 이의 제조방법{Heating wire, heating article comprising the same and method of manufacturing the same}
본 발명은 발열 전선, 이를 포함하는 발열 물품 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제공되는 전원에 의해 열을 발생하는 발열 전선, 이를 포함하는 발열 물품 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 발열 물품은 발열 전선을 이용하여 열을 발생한다. 상기 발열 물품은 차량의 발열 패드, 발열 시트, 운전자 무릎 워머, 도어트림(door trim), 콘솔(console), 크래시 패드(crach pad), 글로브박스(glove box), 언더커버(under cover) 등에 적용될 수 있다.
상기 발열 물품에 사용되는 상기 발열 전선은 구리, 구리합금 또는 탄소 섬유로 이루어질 수 있다. 상기 발열 전선의 소재는 발열 효율에 비해 제조 단가가 높은 문제가 있다.
또한, 온도 조절 장치에 고장 등 문제가 발생하면 상기 발열 전선의 온도 조절이 어려워 차량 내부에 화재가 발생하거나 탑승자가 화상을 입을 가능성이 있다.
따라서, 종래의 발열 전선과 동등 내지 양호한 수준의 발열 효율을 유지하고, 제조 단가가 낮으며 온도 조절 장치에 문제가 발생하더라도 온도 상승으로 인한 화재나 화상의 위험을 방지할 수 있는 발열 전선의 개발이 필요하다.
(0001) 대한민국 공개특허 제10-2020-0094807호(2020.08.10. 공개)
본 발명은 발열 효율이 우수하고, 제조 단가가 낮으며, 급격한 온도 상승으로 인한 화상이나 화재의 위험을 방지할 수 있는 발열 전선, 이를 포함하는 발열 물품 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 발열 전선은, 인가되는 전원에 의해 열을 발생하는 다수의 열선들과, 상기 열선들 전체의 둘레를 감싸도록 구비되고, 상기 열을 외측으로 전달하기 위해 열전도율이 상대적으로 높은 탄소나노튜브와 제1 고분자 수지의 복합체로 이루어지는 전도층 및 상기 전도층을 감싸도록 구비되며, 상기 열선들을 절연시키기 위해 제2 고분자 수지로 이루어지는 절연층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 전도층에서 상기 탄소나노튜브는 1 내지 5 중량% 일 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 열선들은, 구리, 구리 니켈 합금 및 구리 주석 합금 중 어느 하나로 이루어지며, 상기 제1 고분자 수지는, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오린화에틸렌프로필렌, 퍼플루오로알콕시, 에틸렌테트라플루오로에틸렌 중 어느 하나이고, 상기 제2 고분자 수지는, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오린화에틸렌프로필렌, 퍼플루오로알콕시, 에틸렌테트라플루오로에틸렌 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 발열 전선은, 상기 열선들의 중앙에 배치되고, 상기 열선들의 내굴곡성을 높이기 위해 상기 열선들에 의해 둘러싸이는 중심 인장선을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 열선들은 서로 꼬아져 형성되며, 꼬아진 상기 열선들은 상기 중심 인장선의 둘레를 감쌀 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 중심 인장선은, 폴리에스테르계 섬유, 폴리올레핀계 섬유, 폴리아릴레이트계 섬유, 폴리아마이드계 섬유 및 탄소섬유 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 열선들 사이의 절연을 위해 상기 열선들의 표면에 절연 소재가 코팅될 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 발열 전선의 내굴곡성을 높이기 위해 상기 절연층이 상기 열선들 전체의 둘레를 감싸도록 구비되고, 상기 전도층이 상기 절연층을 감싸도록 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 발열 물품은, 기재 및 상기 기재의 일면에 설정된 패턴으로 구비되는 발열 전선을 포함하고, 상기 발열 전선은, 인가되는 전원에 의해 열을 발생하는 다수의 열선들과, 상기 열선들 전체의 둘레를 감싸도록 구비되고, 상기 열을 외측으로 전달하기 위해 열전도율이 상대적으로 높은 탄소나노튜브와 제1 고분자 수지의 복합체로 이루어지며 전도층 및 상기 전도층을 감싸도록 구비되며, 상기 열선들을 절연시키기 위해 제2 고분자 수지로 이루어지는 절연층을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 발열 전선 제조 방법은, 다수의 열선들을 꼬인 상태로 준비하는 단계와, 상기 열선들을 금형에 삽입하여 탄소나노튜브와 제1 고분자 수지의 복합체와 함께 1차 압출하여 전도층을 형성하는 단계 및 상기 전도층의 표면에 제2 고분자 수지를 2차 압출하여 절연층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 탄소나노튜브와 상기 제1 고분자 수지의 복합체에서 상기 탄소나노튜브는 1 내지 5 중량%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 열선들은, 구리, 구리 니켈 합금 및 구리 주석 합금 중 어느 하나로 이루어지며, 상기 제1 고분자 수지는, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오린화에틸렌프로필렌, 퍼플루오로알콕시, 에틸렌테트라플루오로에틸렌 중 어느 하나이고, 상기 제2 고분자 수지는, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오린화에틸렌프로필렌, 퍼플루오로알콕시, 에틸렌테트라플루오로에틸렌 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 열선들의 중앙에 상기 열선들에 의해 둘러싸이는 중심 인장선이 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 중심 인장선은, 폴리에스테르계 섬유, 폴리올레핀계 섬유, 폴리아릴레이트계 섬유, 폴리아마이드계 섬유 및 탄소섬유 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 열선들 사이의 절연을 위해 상기 열선들의 표면에 절연 소재가 코팅될 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따르면, 발열 전선의 내굴곡성을 높이기 위해 상기 열선들의 표면에 절연층을 먼저 형성하고, 상기 절연층의 표면에 상기 전도층을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 절연층을 형성하는 단계는 상기 전도층을 형성하는 단계 이후에 0.01 내지 1초 내에 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 발열 전선들의 지름은 0.3 내지 2.0 mm이고, 상기 열선들은 7 내지 19 개로 이루어지며, 상기 열선들의 전체 지름은 0.15 내지 0.50 mm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 전도층의 두께는 0.05 내지 0.75 mm이고, 상기 절연층의 두께는 0.1 내지 0.75 mm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예들에 따르면, 상기 발열 전선의 미터(m) 당 저항은 0.9 내지 3.0Ω(옴)일 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 전도층이 상기 탄소나노튜브와 상기 제1 고분자 수지의 복합체로 이루어지므로, 상기 전도층의 열전도율이 높아 상기 열선들에서 발생한 열을 외부로 효과적으로 전달한다. 따라서, 상기 발열 전선의 발열 효율을 높일 수 있다.
또한, 상기 전도층에서 상기 탄소나노튜브와 제1 고분자수지의 중량비를 조절하여 상기 발열 전선의 고온 한계점을 설정할 수 있다. 따라서, 온도 조절 장치에 고장 등 문제가 발생하더라도 상기 발열 전선의 온도가 급격히 상승하는 것을 방지하고, 상기 발열 전선에 의해 차량 내부에 화재가 발생하거나 탑승자가 화상을 입는 것을 방지할 수 있다.
그리고, 상기 발열 전성은 상기 탄소나노튜브를 포함하므로, 상기 탄소나노튜브에서 방출되는 원적외선으로 인해 사용자의 건강에 도움을 줄 수 있다.
한편, 상기 발열 전선의 제조시 상기 전도층과 상기 절연층을 압출하므로, 상기 발열 전선의 제조 단가를 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 전선을 설명하기 위한 사시도이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 발열 전선들을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 전선을 이용한 자동차용 발열 패드를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 전선의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 전선을 설명하기 위한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 상기 발열 열선(10)은 다수의 열선들(100), 전도층(200) 및 절연층(300)을 포함할 수 있다.
상기 열선들(100)은 대략 원통 형상을 이루도록 배치되며, 상기 열선들(100)은 인가되는 전원에 의해 열을 발생한다.
상기 열선들(100)은 서로 꼬아져서 엉키게 형성되며, 적어도 일부가 맞닿아 서로 간에 전기적으로 연결된다.
예를 들면, 상기 열선들(100)이 중심의 열선을 감싸도록 원통 형상으로 배치되고, 서로 간에 전기적으로 연결되기 위하여 외주면이 순차적으로 맞닿는다. 상기 열선들(100)이 서로 맞닿은 상태에서 상기 중심의 열선을 기준으로 회전하여 꼬아진 상태인 트위스트(twist) 형으로 형성된다.
따라서, 상기 열선들(100)은 서로 간에 맞닿는 면적이 많아지므로, 상기 열선들(100) 사이의 전도성이 향상되고, 상기 열선들(100)이 꼬아져 형성되므로 단위 길이당 표면 면적이 넓어져 발열 면적이 증가한다. 또한, 상기 열선들(100)은 서로 간에 꼬아져 형성되므로, 구부림과 펴짐 등에 의한 소성 변형이 줄어들게 된다.
상기 열선들(100)은 구리, 구리 니켈 합금, 구리 주석 합금, 은도금 구리, 구리 마그네슘 합금 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 구리 니켈 합금은 니켈이 약 12% 이하로 함유될 수 있다. 상기 구리 주석 합금은 주석이 약 3% 이하로 함유될 수 있다. 상기 은도금 구리는 은이 약 5 내지 9 % 함유될 수 있다. 상기 구리 마그네슘 합금은 마그네슘이 약 2 % 이하로 함유될 수 있다.
상기 전도층(200)은 상기 열선들(100) 전체의 둘레를 감싸도록 구비된다. 되고, 상기 열을 외측으로 전달하기 위해 열전도율이 상대적으로 높은 탄소나노튜브와 제1 고분자 수지의 복합체로 이루어질 수 있다.
상기 전도층(200)은 상기 탄소나노튜브와 상기 제1 고분자 수지의 복합체를 상기 열선들(100)의 표면에 압출하여 형성할 수 있다.
상기 전도층(200)의 전체 중량%에서 상기 탄소나노튜브는 약 1 내지 5 중량%를 포함될 수 있다.
상기 탄소나노튜브가 약 5 중량 %를 초과하여 포함되면, 상기 제1 고분자 수지와의 결합력이 낮아져 상기 전도층(200)의 강도가 저하될 수 있다. 따라서, 상기 전도층(200)의 내구성이 약해지고, 성형이 용이하지 못할 수 있다.
상기 탄소나노튜브가 약 1 중량 % 미만으로 포함되면, 상기 전도층(200)의 열전도율이 낮아져 상기 열선들(100)에서 발생한 열을 외부로 효과적으로 전달하지 못할 수 있다.
따라서 상기 탄소나노튜브가 약 1 내지 5 중량% 포함되면, 상기 전도층(200)이 충분한 내구성과 성형성을 가지면서 충분한 열전도율을 가질 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노튜브(single-walled carbon nanotube), 이중벽 탄소나노튜브(double-walled carbon nanotube) 및 다중벽 탄소나노튜브(multi-walled carbon nanotube) 중 어느 하나일 수 있다.
상기 제1 고분자 수지는, 폴리아미드(Polyamide, PA), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethlene, PTFE), 플루오린화에틸렌프로필렌(Fluorinatedethylenepropylene, FEP), 퍼플루오로알콕시(Perfluoroalkoxy, PFA), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(Ethylenetetrafluoroethylene, ETFE) 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 제1 고분자 수지는, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리아마이드(PA), 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 열가소성 폴리우레탄(TPU), 폴리이미드(PI), 폴리에스테르(polyester), 폴리에스테르이미드(PEI), 폴리아미드이미드(PAI), 폴리페닐렌 설파이드(PPS), 폴리설폰(PSF), 열가소성 폴리엘라스토머(TPE) 등과 같은 재질의 것으로 구성되는 나일론(nylon)을 포함하거나, 폴리에틸렌 수지(polyethylene) 또는 폴리프로필렌 수지(PP)와 같은 폴리올레핀계 수지일 수 있다.
상기 폴리아마이드(PA)는 PA6, PA66, PA10, PA11, PA12, PA610, PA612, PA4 및 폴리아마이드 코폴리머로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 폴리아마이드는, 아마이드 결합을 포함하는 중합체 중에서 이들은 단독 또는 2종 이상 혼합하여 사용할 수 있으나, 이에 제한 되지 않는다.
한편, 상기 제1 고분자 수지는 중량 평균 분자량이 30,000 내지 40,000 g/mol일 수 있다.
상기 절연층(300)은 상기 전도층(200)을 감싸도록 구비되며, 상기 열선들(100)을 절연시키기 위해 제2 고분자 수지로 이루어질 수 있다.
상기 제2 고분자 수지는 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오린화에틸렌프로필렌, 퍼플루오로알콕시, 에틸렌테트라플루오로에틸렌 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 제2 고분자 수지는, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리아마이드, 폴리염화비닐, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 열가소성 폴리우레탄, 폴리이미드, 폴리에스테르, 폴리에스테르이미드, 폴리아미드이미드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리설폰, 열가소성 폴리엘라스토머 등과 같은 재질의 것으로 구성되는 나일론을 포함하거나, 폴리에틸렌 수지 또는 폴리프로필렌 수지와 같은 폴리올레핀계 수지일 수 있다.
상기 제2 고분자 수지도 중량 평균 분자량이 30,000 내지 40,000 g/mol일 수 있다.
상기 절연층(300)은 상기 제2 고분자 수지에 인계 난연제를 더 포함할 수 있다. 상기 발열 전선(10)에서 요구되는 난연 성능에 따라 상기 전도층(200)과 상기 절연층(300) 모두에 인계 난연제를 첨가하더라도 무방하다.
상기 인계 난연제는 상기 제1 고분자 수지 또는 상기 제2 고분자 수지 100 중량부를 기준으로 25 중량부 이하로 첨가될 수 있다.
상기 인계 난연제가 상기 함량보다 과량으로 첨가되는 경우에는, 상기 전도층(200) 및 상기 절연층(300)의 압출 시 성형성이 떨어지거나, 상기 발열 전선(10)의 내구성이 저하될 수 있다,
상기 전도층(200)과 상기 절연층(300)이 상기 제1 고분자 수지 및 상기 제2 고분자 수지를 각각 포함하므로, 상기 절연층(300)이 상기 전도층(200)의 표면에 안정적으로 밀착할 수 있다. 따라서, 상기 절연층(300)이 상기 전도층(200)으로부터 박리되거나 분리되는 것을 방지할 수 있다.
상기 발열 전선(10)은 지름이 약 0.3 내지 2.0 mm 일 수 있다.
상기 발열 전선(10)의 지름이 약 0.3 mm 미만인 경우, 상기 전도층 (200) 및 상기 절연층(300)의 압출 공정을 적용하기 어렵다. 상기 발열 전선(10)의 지름이 약 2.0 mm를 초과하는 경우, 상기 발열 전선(10)을 부직포 등 기재에 박음질하기 어렵다.
또한, 상기 발열 전선(10)은 미터(m) 당 저항이 약 0.9 내지 3.0Ω(옴)일 수 있다.
상기 열선들(100)은 약 7 내지 19개를 포함할 수 있고, 요구되는 발열 특성이나 저항값 설정에 따라 다양한 수량과 굵기로 선택하여 적용할 수 있다.
상기 열선들(100)이 약 19개를 초과하는 경우, 상기 발열 전선(10)의 지름이 증가하여 발열 효율이 오히려 감소할 수 있고, 상기 열선들(100)이 약 7개 미만인 경우, 상기 발열 전선(10)의 인장 강도나 유연성 등이 떨어져 상기 발열 전선(10)의 내구성이 저하될 수 있다.
상기 열선들(100)의 전체 지름은 약 0.15 내지 0.50 mm일 수 있고, 상기 전도층(200)의 두께는 약 0.05 내지 0.75 mm 일 수 있고, 상기 절연층(300)의 두께는 약 0.1 내지 0.75 mm 일 수 있다.
상기 열선들(100)의 전체 지름, 상기 전도층(200)의 두께 및 상기 절연층(300)의 두께는 상기 발열 전선(10)의 지름의 범위에 따라 적절이 조절될 수 있다.
도 2 내지 도 5는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 발열 전선들을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 2를 참조하면, 상기 절연층(300)이 상기 열선들(100) 전체의 둘레를 감싸도록 구비되고, 상기 전도층(200)이 상기 절연층(300)을 감싸도록 구비될 수 있다.
상기 전도층(200)이 탄소나노튜브를 포함하고, 상기 절연층(300)이 탄소나노튜브를 포함하지 않으므로, 상기 절연층(300)이 상기 전도층(200)에 비해 유연성과 연신율을 좋다. 상기 절연층(300)이 상기 열선들(100)을 직접 둘러싸므로, 상기 발열 전선(10)의 내굴곡성을 높일 수 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 상기 발열 전선(10)은 중심 인장선(400)을 더 포함할 수 있다.
상기 중심 인장선(400)은 상기 열선들(100)의 중앙에 배치되고, 상기 열선들(100)에 의해 둘러싸인다. 이때, 상기 열선들(100)은 상기 중심 인장선(400)을 기준으로 회전하여 꼬아진 상태인 트위스트(twist) 형으로 형성된다.
상기 중심 인장선(400)은 하나로 이루어지거나, 복수의 인장선들을 꼬아 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 중심 인장선(400)은 스트링, 합사 또는 연사 형태의 섬유를 포함할 수 있다.
상기 중심 인장선(400)은 폴리에스테르계 섬유, 폴리올레핀계 섬유, 폴리아릴레이트계 섬유, 폴리아마이드계 섬유 및 탄소섬유 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 폴리에스테르계 섬유로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 섬유, 폴리트리메틸렌테레프탈산 섬유, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 섬유 및 폴리에틸렌 나프탈레이트 섬유 등을 사용할 수 있다. 상기 폴리올레핀계 섬유로는 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 섬유 등을 사용할 수 있다. 상기 폴리아릴레이트계 섬유로는 벡트란(vectran, 일본 kuraray사) 제품을 사용할 수 있다. 상기 폴리아마이드계 섬유로는 케블라 (Kevlar, 미국 dupont사) 제품을 사용 할 수 있다.
도 3과 같이 상기 열선들(100)은 상기 중심 인장선(400)의 둘레를 한층으로 감싸거나, 도 4와 같이 상기 열선들(100)은 상기 중심 인장선(400)의 둘레를 복수층으로 감싸거나, 도 5와 같이 상기 열선들(100)이 서로 꼬아져 형성되고, 꼬아진 상기 열선들(100)이 상기 중심 인장선(400)의 둘레를 감쌀 수 있다.
상기 열선들(100)이 상기 중심 인장선(400)을 감싸고 있으므로, 상기 열선들(100)에 전달되는 굴곡 하중이 상기 중심 인장선(400)에 의해 분산된다. 따라서, 발열 전선(10)의 내굴곡성을 향상시킬 수 있다.
특히 도 5의 경우, 서로 꼬아진 상기 열선들(100)이 상기 중심 인장선(400)의 둘레를 감싸면서 다시 꼬기 때문에 상기 발열 전선(10)의 굴곡시 상기 열선들(100)이 개별적으로 굴곡되거나 인장하중을 받는게 아니라 서로 꼬아진 상기 열선들(100)이 굴곡되고 상기 인장하중도 상기 중심 인장선(400)을 중심으로 서로 꼬아진 상기 열선들(100) 전체로 분산된다. 따라서, 상기 열선들(100)은 개별적으로 외부 하중 영향이 거의 미치지 않으므로, 상기 열선들(100)의 내굴곡성 및 인장하중이 증가될 수 있다.
상기 중심 인장선(400)을 둘러싸는 상기 열선들(100)의 표면에 절연 코팅(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 절연 코팅은 에나멜 또는 테플론 등의 절연소재로 이루어질 수 있다.
상기 열선들(100)은 길이방향으로 신장(stretch)되어 인접한 열선들(100)과 밀착된 상태를 유지한다. 하지만 상기 각 열선들(100)은 개별적으로 절연코팅되어 있으므로, 상기 각 열선들(100)이 과열이나 기타 외부의 물리적인 힘에 의해 단선되더라도 인접한 다른 열선과 전기적으로 절연 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 상기 열선들(100)에서 전류의 흐름이 원활히 이루어지지 않아 발생하게 되는 단선 부위에서의 아크 또는 화재 발생을 방지할 수 있고, 상기 발열 전선(10)의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 전선을 이용한 자동차용 발열 패드를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 상기 발열 패드(30)는 기재(20) 및 상기 기재(20)의 일면에 설정된 패턴으로 구비되는 발열 전선(10)을 포함할 수 있다.
상기 기재(20)는 원단일 수 있다. 상기 원단의 예로는 직물 또는 부직포를 들 수 있다.
상기 발열 전선(10)에 대한 구체적인 설명은 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명된 발열 전선(10)과 실질적으로 동일하다.
상기 발열 전선(10)은 상기 기재(20)의 일면에 설정된 패턴으로 배치된다. 이때, 상기 발열 전선(10)은 봉제, 접착 등의 방법을 이용하여 상기 기재(20)에 고정될 수 있다.
상기 발열 전선(10)은 상기 기재(20) 표면에 일정한 간격을 갖도록 배열함으로써, 상기 발열 패드(30)에서 열이 고르게 발생하도록 하고, 발열 시에 발생되는 열로 인하여 상기 발열 전선(10) 사이에 합선이 발생 및 과도한 발열로 인한 화재 발생을 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 전선의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 7을 참조한 상기 발열 전선의 제조 방법은, 먼저 다수의 열선들(100)을 꼬인 상태로 준비한다. (S10)
일 예로, 상기 열선들(100)은 서로 꼬아져서 엉키게 형성되며, 적어도 일부가 맞닿아 서로 간에 전기적으로 연결될 수 있다.
다른 예로, 상기 열선들(100)의 중앙에 중심 인장선(400)이 배치되고, 상기 중심 인장선(400)은 상기 열선들(100)에 의해 둘러싸일 수 있다. 이때, 상기 중심 인장선(400)을 둘러싸는 상기 열선들(100)의 표면에 절연 코팅 형성될 수도 있다.
상기 발열 전선(10)에 요구되는 저항값에 따라 상기 열선들(100)의 구성이 달라지거나, 상기 열선들(100)의 개수 및 두께가 달라질 수 있다.
구체적으로, 상기 열선들(100)은 약 7 내지 19개를 포함할 수 있고, 요구되는 발열 특성이나 저항값 설정에 따라 다양한 수량과 굵기로 선택하여 적용할 수 있다.
상기 열선들(100)이 약 19개를 초과하는 경우, 상기 발열 전선(10)의 지름이 증가하여 발열 효율이 오히려 감소할 수 있고, 상기 열선들(100)이 약 7개 미만인 경우, 상기 발열 전선(10)의 인장 강도나 유연성 등이 떨어져 상기 발열 전선(10)의 내구성이 저하될 수 있다.
상기 열선들(100)의 전체 지름은 약 0.15 내지 0.50 mm일 수 있고, 상기 전도층(200)의 두께는 약 0.05 내지 0.75 mm 일 수 있고, 상기 절연층(300)의 두께는 약 0.1 내지 0.75 mm 일 수 있다.
상기 열선들(100)의 전체 지름, 상기 전도층(200)의 두께 및 상기 절연층(300)의 두께는 상기 발열 전선(10)의 지름의 범위에 따라 적절이 조절될 수 있다.
상기 열선들(100)은 구리, 구리 니켈 합금, 구리 주석 합금, 은도금 구리, 구리 마그네슘 합금 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 중심 인장선(400)은 폴리에스테르계 섬유, 폴리올레핀계 섬유, 폴리아릴레이트계 섬유, 폴리아마이드계 섬유 및 탄소섬유 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 상기 폴리에스테르계 섬유로는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 섬유, 폴리트리메틸렌테레프탈산 섬유, 폴리부틸렌 테레프탈레이트 섬유 및 폴리에틸렌 나프탈레이트 섬유 등을 사용할 수 있다. 상기 폴리올레핀계 섬유로는 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 섬유 등을 사용할 수 있다. 상기 폴리아릴레이트계 섬유로는 벡트란(vectran, 일본 kuraray사) 제품을 사용할 수 있다. 상기 폴리아마이드계 섬유로는 케블라 (Kevlar, 미국 dupont사) 제품을 사용 할 수 있다.
다음으로, 상기 열선들(100)을 금형에 삽입하여 탄소나노튜브와 제1 고분자 수지의 복합체와 함께 1차 압출하여 전도층(200)을 형성한다. (S20)
상기 전도층(200)을 형성하기 위해 상기 탄소나노튜브와 상기 제1 고분자 수지는 요구되는 발열 특성에 따라 특정 배합 비율로 혼합될 수 있다.
상기 전도층(200)의 전체 중량%에서 상기 탄소나노튜브는 약 1 내지 5 중량%를 포함될 수 있다.
상기 탄소나노튜브가 약 5 중량 %를 초과하여 포함되면, 상기 제1 고분자 수지와의 결합력이 낮아져 상기 전도층(200)의 강도가 저하될 수 있다. 따라서, 상기 전도층(200)의 내구성이 약해지고, 성형이 용이하지 못할 수 있다.
상기 탄소나노튜브가 약 1 중량 % 미만으로 포함되면, 상기 전도층(200)의 열전도율이 낮아져 상기 열선들(100)에서 발생한 열을 외부로 효과적으로 전달하지 못할 수 있다.
따라서 상기 탄소나노튜브가 약 1 내지 5 중량% 포함되면, 상기 전도층(200)이 충분한 내구성과 성형성을 가지면서 충분한 열전도율을 가질 수 있다.
상기 제1 고분자 수지는, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오린화에틸렌프로필렌, 퍼플루오로알콕시, 에틸렌테트라플루오로에틸렌 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 제1 고분자 수지는, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리아마이드, 폴리염화비닐, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 열가소성 폴리우레탄, 폴리이미드, 폴리에스테르, 폴리에스테르이미드, 폴리아미드이미드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리설폰, 열가소성 폴리엘라스토머 등과 같은 재질의 것으로 구성되는 나일론을 포함하거나, 폴리에틸렌 수지 또는 폴리프로필렌 수지와 같은 폴리올레핀계 수지일 수 있다.
상기 제1 고분자 수지는, 중량 평균 분자량이 30,000 내지 40,000 g/mol일 수 있다.
이후 상기 전도층(200)의 표면에 제2 고분자 수지를 2차 압출하여 절연층(300)을 형성한다. (S30)
상기 전도층(200)을 형성한 후, 상기 절연층(300)을 바로 형성할 수 있도록 상기 전도층(200)과 상기 절연층(300)은 이중 압출에 의해 빠르고 연속적으로 형성될 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 절연층(300)의 형성은 상기 전도층(200)을 형성한 후 약 0.01 내지 1초 내에 수행될 수 있다.
상기 절연층(300)의 형성이 상기 전도층(200)을 형성한 후 약 0.01 초보다 짧은 시간 내에 수행되는 경우, 상기 압출을 수행하는 장비에 요구되는 정밀성과 스피드가 증가하여 제조단가가 증가될 수 있다.
상기 절연층(300)의 형성이 상기 전도층(200)을 형성한 후 약 1 보다 긴 시간 후에 수행되는 경우, 상기 전도층(200)과 상기 절연층(300)의 접합력이 떨어져, 상기 발열 전선(10)의 열전도도 및 발열 효율성이 저하될 수 있다.
상기 제2 고분자 수지는, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오린화에틸렌프로필렌, 퍼플루오로알콕시, 에틸렌테트라플루오로에틸렌 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 제2 고분자 수지 각각은, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리아마이드, 폴리염화비닐, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 열가소성 폴리우레탄, 폴리이미드, 폴리에스테르, 폴리에스테르이미드, 폴리아미드이미드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리설폰, 열가소성 폴리엘라스토머 등과 같은 재질의 것으로 구성되는 나일론을 포함하거나, 폴리에틸렌 수지 또는 폴리프로필렌 수지와 같은 폴리올레핀계 수지일 수 있다.
상기 제2 고분자 수지는 중량 평균 분자량이 30,000 내지 40,000 g/mol일 수 있다.
상기 절연층(300)은 상기 제2 고분자 수지에 인계 난연제를 더 포함할 수 있다. 상기 발열 전선(10)에서 요구되는 난연 성능에 따라 상기 전도층(200)과 상기 절연층(300) 모두에 인계 난연제를 첨가하더라도 무방하다.
상기 인계 난연제는 상기 제1 고분자 수지 또는 상기 제2 고분자 수지 100 중량부를 기준으로 25 중량부 이하로 첨가될 수 있다.
상기 인계 난연제가 상기 함량보다 과량으로 첨가되는 경우에는, 상기 전도층(200) 및 상기 절연층(300)의 압출 시 성형성이 떨어지거나, 상기 발열 전선(10)의 내구성이 저하될 수 있다.
또한, 상기 절연층(300)을 형성함과 동시에 상기 발열 전선(10)을 연신시켜 상기 발열 전선(10)의 지름이 줄어들도록 구성할 수 있다.
상기 발열 전선(10)은 지름이 약 0.3 내지 2.0 mm 일 수 있다.
상기 발열 전선(10)의 지름이 약 0.3 mm 미만인 경우, 상기 전도층 (200) 및 상기 절연층(300)의 압출 공정을 적용하기 어렵다. 상기 발열 전선(10)의 지름이 약 2.0 mm를 초과하는 경우, 상기 발열 전선(10)을 부직포 등 기재에 박음질하기 어렵다.
또한, 상기 발열 전선(10)은 미터(m) 당 저항이 약 0.9 내지 3.0Ω(옴)일 수 있다.
상기 열선들(100)은 약 7 내지 19개를 포함할 수 있고, 요구되는 발열 특성이나 저항값 설정에 따라 다양한 수량과 굵기로 선택하여 적용할 수 있다.
상기 열선들(100)이 약 19개를 초과하는 경우, 상기 발열 전선(10)의 지름이 증가하여 발열 효율이 오히려 감소할 수 있고, 상기 열선들(100)이 약 7개 미만인 경우, 상기 발열 전선(10)의 인장 강도나 유연성 등이 떨어져 상기 발열 전선(10)의 내구성이 저하될 수 있다.
상기 열선들(100)의 전체 지름은 약 0.15 내지 0.50 mm일 수 있고, 상기 전도층(200)의 두께는 약 0.05 내지 0.75 mm 일 수 있고, 상기 절연층(300)의 두께는 약 0.1 내지 0.75 mm 일 수 있다.
상기 열선들(100)의 전체 지름, 상기 전도층(200)의 두께 및 상기 절연층(300)의 두께는 상기 발열 전선(10)의 지름의 범위에 따라 적절이 조절될 수 있다.
상기에 기재되지 않은 상기 열선들(100), 상기 전도층(200), 상기 절연층(300) 및 상기 중심 인장선(400)에 대한 구체적인 설명은 도 1 내지 도 5를 참조한 상기 열선들(100), 상기 전도층(200), 상기 절연층(300) 및 상기 중심 인장선(400)과 실질적으로 동일하다.
이하, 본 발명의 실시예를 기초로 보다 상세히 설명하나 이는 본 발명의 이해를 위한 하나의 예시적인 기재에 불과한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음의 실시예로 한정되거나 제한되지 아니한다.
[제조예]
<실시예 1>
평균 지름이 0.06 mm인 구리 니켈 합금 재질의 열선들을 19개 준비하여 1x19 형태로 꼬아 만든 후, 금형에 넣고, 탄소나노튜브가 3 중량%가 배합된 PA12 고분자 수지 혼합 조성물로 1차 압출하여 전도층을 형성하고, 즉시 인계난연제가 함유된 PA12 고분자 수지로 2차 압출하여 절연층을 형성하여 평균 지름이 0.9mm인 발열 전선을 제조하였다.
이를 이용하여 부직포 표면에 1 cm 간격으로 봉제하여 자동차 시트용 발열체를 제조하였다.
<비교예 1, 2>
PA12 고분자 수지로 1차 압출하여 전도층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 자동차 시트용 발열체를 제조하였다.
[실험예]
제조예(실시예)와 비교예에 따라 제조된 발열체에 대하여, 파워서플라이의 온 횟수를 표 1에 나타내고, 비교예에 대한 실시예의 파워서플라이의 온 횟수의 비율을 표 2에 나타냈다.
파워 서플라이 ON 횟수 실시예1 비교예1 비교예2
0~10분 ON횟수 355 422 419
10~20분 ON횟수 180 215 211
20~30분 ON횟수 158 179 181
30~40분 ON횟수 134 154 151
40~50분 ON횟수 64 81 71
50~60분 ON횟수 76 86 88
3단 중 ON횟수 827 970 962
2단 중 ON횟수 140 167 159
0~100분 ON 횟수 967 1137 1121
파워 서플라이 ON 횟수 실시예1/비교예1 실시예1/비교예2
0~10분 ON횟수 84% 85%
10~20분 ON횟수 84% 85%
20~30분 ON횟수 88% 87%
30~40분 ON횟수 87% 89%
40~50분 ON횟수 79% 90%
50~60분 ON횟수 88% 86%
3단 중 ON횟수 85% 86%
2단 중 ON횟수 84% 88%
0~100분 ON 횟수 85% 86%
표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1의 파워 서플라이 ON 횟수가 비교예 1, 2의 파워 서플라이 ON 횟수보다 적으므로, 실시예 1의 소비 전력이 상대적으로 낮음을 알 수 있다.
표 2에 나타난 바와 같이, 파워 서플라이 ON 횟수에 대해 비교예 1에 대한 실시예 1의 비율이나 비교예2에 대한 실시예 1의 비율이 약 10 내지 21% 정도 낮으므로, 실시예 1의 소비 전력이 비교예 1 및 2에 비해 약 10 내지 21% 정도 적게 소모됨을 알 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 발열 전선
20 : 기재
30 : 발열 패드
100 : 열선
200 : 전도층
300 : 절연층
400 : 중심 인장선

Claims (20)

  1. 인가되는 전원에 의해 열을 발생하는 다수의 열선들;
    상기 열선들 전체의 둘레를 감싸도록 구비되고, 상기 열을 외측으로 전달하기 위해 열전도율이 상대적으로 높은 탄소나노튜브와 제1 고분자 수지의 복합체로 이루어지는 전도층; 및
    상기 전도층을 감싸도록 구비되며, 상기 열선들을 절연시키기 위해 제2 고분자 수지로 이루어지는 절연층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 발열 전선.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전도층에서 상기 탄소나노튜브는 1 내지 5 중량%인 것을 특징으로 하는 발열 전선.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열선들은, 구리, 구리 니켈 합금 및 구리 주석 합금 중 어느 하나로 이루어지며,
    상기 제1 고분자 수지는, 폴리아미드(Polyamide, PA), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethlene, PTFE), 플루오린화에틸렌프로필렌(Fluorinatedethylenepropylene, FEP), 퍼플루오로알콕시(Perfluoroalkoxy, PFA), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(Ethylenetetrafluoroethylene, ETFE) 중 어느 하나이고,
    상기 제2 고분자 수지는, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오린화에틸렌프로필렌, 퍼플루오로알콕시, 에틸렌테트라플루오로에틸렌 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발열 전선.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열선들의 중앙에 배치되고, 상기 열선들의 내굴곡성을 높이기 위해 상기 열선들에 의해 둘러싸이는 중심 인장선을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발열 전선.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열선들은 서로 꼬아져 형성되며,
    꼬아진 상기 열선들은 상기 중심 인장선의 둘레를 감싸는 것을 특징으로 하는 발열 전선.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 중심 인장선은, 폴리에스테르계 섬유, 폴리올레핀계 섬유, 폴리아릴레이트계 섬유, 폴리아마이드계 섬유 및 탄소섬유 중 적어도 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발열 전선.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 열선들 사이의 절연을 위해 상기 열선들의 표면에 절연 소재가 코팅되는 것을 특징으로 하는 발열 전선.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 발열 전선의 내굴곡성을 높이기 위해 상기 절연층이 상기 열선들 전체의 둘레를 감싸도록 구비되고,
    상기 전도층이 상기 절연층을 감싸도록 구비되는 것을 특징으로 하는 발열 전선.
  9. 기재; 및
    상기 기재의 일면에 설정된 패턴으로 구비되는 발열 전선;을 포함하고,
    상기 발열 전선은,
    인가되는 전원에 의해 열을 발생하는 다수의 열선들;
    상기 열선들 전체의 둘레를 감싸도록 구비되고, 상기 열을 외측으로 전달하기 위해 열전도율이 상대적으로 높은 탄소나노튜브와 제1 고분자 수지의 복합체로 이루어지며 전도층; 및
    상기 전도층을 감싸도록 구비되며, 상기 열선들을 절연시키기 위해 제2 고분자 수지로 이루어지는 절연층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 발열 물품.
  10. 다수의 열선들을 꼬인 상태로 준비하는 단계;
    상기 열선들을 금형에 삽입하여 탄소나노튜브와 제1 고분자 수지의 복합체와 함께 1차 압출하여 전도층을 형성하는 단계; 및
    상기 전도층의 표면에 제2 고분자 수지를 2차 압출하여 절연층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발열 전선 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브와 상기 제1 고분자 수지의 복합체에서 상기 탄소나노튜브는 1 내지 5 중량%인 것을 특징으로 하는 발열 전선 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 열선들은, 구리, 구리 니켈 합금 및 구리 주석 합금 중 어느 하나로 이루어지며,
    상기 제1 고분자 수지는, 폴리아미드(Polyamide, PA), 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethlene, PTFE), 플루오린화에틸렌프로필렌(Fluorinatedethylenepropylene, FEP), 퍼플루오로알콕시(Perfluoroalkoxy, PFA), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(Ethylenetetrafluoroethylene, ETFE) 중 어느 하나이고,
    상기 제2 고분자 수지는, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리테트라플루오로에틸렌, 플루오린화에틸렌프로필렌, 퍼플루오로알콕시, 에틸렌테트라플루오로에틸렌 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 발열 전선 제조 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 열선들의 중앙에 상기 열선들에 의해 둘러싸이는 중심 인장선이 구비되는 것을 특징으로 하는 발열 전선 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 중심 인장선은, 폴리에스테르계 섬유, 폴리올레핀계 섬유, 폴리아릴레이트계 섬유, 폴리아마이드계 섬유 및 탄소섬유 중 적어도 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 발열 전선 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 열선들 사이의 절연을 위해 상기 열선들의 표면에 절연 소재가 코팅되는 것을 특징으로 하는 발열 전선 제조 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    발열 전선의 내굴곡성을 높이기 위해 상기 열선들의 표면에 절연층을 먼저 형성하고,
    상기 절연층의 표면에 상기 전도층을 형성하는 것을 특징으로 하는 발열 전선 제조 방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 절연층을 형성하는 단계는 상기 전도층을 형성하는 단계 이후에 0.01 내지 1초 내에 수행되는 것을 특징으로 하는 발열 전선 제조 방법.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 발열 전선들의 지름은 0.3 내지 2.0 mm이고,
    상기 열선들은 7 내지 19 개로 이루어지며,
    상기 열선들의 전체 지름은 0.15 내지 0.5 mm인 것을 특징으로 하는 발열 전선 제조 방법.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 전도층의 두께는 0.05 내지 0.75 mm이고,
    상기 절연층의 두께는 0.1 내지 0.75 mm인 것을 특징으로 하는 발열 전선 제조 방법.
  20. 제10항에 있어서,
    상기 발열 전선의 미터(m) 당 저항은 0.9 내지 3.0Ω(옴)인 것을 특징으로 하는 발열 전선 제조 방법.
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