KR20230150080A - 면상 발열체의 제작 방법 - Google Patents

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KR20230150080A
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Abstract

본 발명에 따라 면상발열체의 제조 설비를 이용한 면상발열체의 제조 방법은, 모재를 제품 투입부(10) 상에 투입한 후에 세척룸부(20)에서 코팅면을 우선 세척하고, 표면 블래스트부(30)에서 코팅면을 블래스트 처리하는 단계; 금속 레이어 코팅부(40) 상에서 본딩 작업을 통해 접착층(110)을 형성하고, 절연 레이어 코팅부(50) 상에서는 1차 절연층(120)을 형성하는 단계; 컨베이어 벨트를 따라 모재를 다시 금속 레이어 코팅부(40)로 이동한 상태에서, 금속 레이어 코팅부(40) 상에서 1차 절연층(120) 상에 배치되는 가열층(130)을 형성하고, 절연 레이어 코팅부(50) 상에서는 2차 절연층(150)을 형성한 후에 단자 레이어 코팅부(60)에서 가열층(130) 상에 패턴 작업되는 단자층을 형성하는 단계; 및 반송 레일(70)을 따라 모재를 다시 금속 레이어 코팅부(40)로 이동한 상태에서, 2차 절연층(150)과 단자층 상에 차폐층(170)을 형성하는 단계;를 포함한다.

Description

면상 발열체의 제작 방법{Planar heating element}
본 발명은 냉각수 가열 장치에 유입된 냉각수 상으로 최대한 열을 전달하기 위한 면상발열체의 제조 방안에 대한 것으로서, 가열층을 기준으로 하여 상하부 상에 절연층을 형성하고 상기 가열층과 모재와의 사이에 접착층을 배치하는 한편, 상기 가열층 상에 전압을 인가하는 기능을 하는 단자층을 배치함으로써 모재와의 절연 및 높은 방열 성능을 구현한 면상발열체의 제조 방안에 관한 것이다.
전기자동차, 하이브리드카 및 연료전지 차량 등에는, 공조 시스템에 히트펌프(heat pump)를 추가하여 이를 열원으로서 사용할 수 있게 하거나, 전기 히터와 같은 별도의 열원을 구비하는 등 여러 연구가 이루어지고 있다. 이 중에서 전기 히터는 공조 시스템에 크게 영향을 주지 않고 보다 용이하게 냉각수를 가열할 수 있어 현재 광범위하게 사용이 이루어지고 있다. 전기 히터는 차량의 실내로 송풍되는 공기를 직접 가열하는 형태의 공기 가열식 히터와, 냉각수를 가열하는 형태의 냉각수 가열식 히터(또는 냉각수 히터)가 있다.
전기차 배터리에서 전기를 받은 발열체에서 발생한 열을 방열부재를 통해 최대한 냉각수로 전달하기 위한 냉각수 가열 장치를 채용할 수 있는데, 상기 발열체와 방열부재와의 사이에 접합방식에 따른 열저항 발생 및 열효율 떨어짐이 발생한다는 문제점이 있다. 상기 문제점을 반영하여 전기차 배터리 용사코팅방식 등을 이용하여 얇고 균일하게 면상발열체를 제작하는 방안 등이 강구되고 있다.
면상발열체는 용어 그대로 면에서 고르게 열을 발생시키는 물체를 의미하는것으로서, 면의 형태를 가진 전기히터용 고용량 발열체를 말한다. 니크롬선 등을 이용한 선의 형태 발열체인 ‘열선’과는 구별되지만, 면상발열체의 원리도 저항을 이용한다는 점에서는 열선 제품과 원리가 비슷하다. 면상발열체는 전기저항을 갖는 세라믹 저항체인 니켈 크롬의 발열 부위를 통해 입력된 전기에너지를 열에너지로 바꿔주고, 부분적으로 열이 발생하는 열선에 비해 면 전체에서 고르게 열이 발생한다.
동일면적에 같은 에너지가 투입된다면, 목표 온도에 더 빠르게 도달할 수 있고 열효율이 높다. 면상발열체에도 여러 종류가 있는데, 대표적으로는, 금속박판을 이용하거나 발열도료(카본잉크 등)를 이용하거나 탄소섬유를 이용한 것 등이 있다. 최근에는 은(silver)으로 코팅한 실을 이용한 제품도 개발되었다.
면상발열체는 각 층마다 제품의 성능과 관련된 역할이 있으며, 역할에 맞는 재질 선정 및 두께 선정 등의 설계가 필요하다. 한편, 제품의 절연성능 확보를 위해 절연재질의 층과 가열층 등 각자의 목적을 갖는 층을 쌓은 구조를 갖게 되는데, 얇은 층 구조를 구현하는 방법은 용사(Thermal spray), 인쇄 기법 등이 있다.
절연층을 갖는 면상발열체의 적층 구조를 제안하는 특허문헌은 등록특허 제10-0965745호 및 제10-0678564호를 들 수 있다.
본 발명은 가열층을 기준으로 하여 상하부 상에 절연층을 형성하고 상기 가열층과 모재와의 사이에 접착층을 배치하는 한편, 상기 가열층 상에 전압을 인가하는 기능을 하는 단자층을 배치함으로써 모재와의 절연 및 높은 방열 성능을 구현한 면상발열체의 제조에 관한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 면상발열체의 제조 방법에 있어서, 면상발열체의 제조 설비는 컨베이어 벨트를 따라 순차적으로 배치되는 제품 투입부(10), 세척룸부(20), 표면 블래스트부(30), 금속 레이어 코팅부(40), 절연 레이어 코팅부(50) 및 단자 레이어 코팅부(60)를 포함하며,
면상발열체의 제조 방법은, 모재를 상기 제품 투입부(10) 상에 투입한 후에 세척룸부(20)에서 코팅면을 우선 세척하고, 표면 블래스트부(30)에서 코팅면을 블래스트 처리하는 단계; 금속 레이어 코팅부(40) 상에서 본딩 작업을 통해 접착층(110)을 형성하고, 절연 레이어 코팅부(50) 상에서는 1차 절연층(120)을 형성하는 단계; 컨베이어 벨트를 따라 모재를 다시 금속 레이어 코팅부(40)로 이동한 상태에서, 금속 레이어 코팅부(40) 상에서 1차 절연층(120) 상에 배치되는 가열층(130)을 형성하고, 절연 레이어 코팅부(50) 상에서는 2차 절연층(150)을 형성한 후에 단자 레이어 코팅부(60)에서 가열층(130) 상에 패턴 작업되는 단자층을 형성하는 단계; 및 반송 레일(70)을 따라 모재를 다시 금속 레이어 코팅부(40)로 이동한 상태에서, 2차 절연층(150)과 단자층 상에 차폐층(170)을 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 접착층, 가열층 및 차폐층은 40ㅁ20㎛ 두께를 갖는 동질의 Ni-Cr 을 채용하고, 원하는 목표저항인 10~100Ω에 맞게 두께 조절을 한다.
상기 1차 절연층과 2차 절연층은 300㎛ 이상의 두께를 갖는 산화알루미늄(Al2O3)을 채용한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 면상발열체의 제조 방안은 가열층을 기준으로 하여 상하부 상에 절연층을 형성하고 상기 가열층과 모재와의 사이에 접착층을 배치하는 한편, 상기 가열층 상에 전압을 인가하는 기능을 하는 단자층을 배치함으로써 모재와의 절연 및 높은 방열 성능을 구현하게 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체의 제조를 위한 설비를 보인다.
도 2는 면상발열체의 제조 공정을 보인다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체의 개념적인 구조를 보인다.
도 4는 면상발열체의 레이어별 사진 구조를 보인다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 면상발열체의 제조를 위한 설비를 보인다. 도 2는 면상발열체의 제조 공정을 보인다.
면상발열체의 제조를 위한 설비는 컨베이어 벨트를 따라 순차적으로 배치되는 제품 투입부(10), 세척룸부(20), 표면 블래스트부(30), 금속 레이어 코팅부(40), 절연 레이어 코팅부(50) 및 단자 레이어 코팅부(60)를 갖는다. 금속 레이어 코팅부(40), 절연 레이어 코팅부(50) 및 단자 레이어 코팅부(60)는 각각 파우더 공급기가 배치된다. 한편, 금속 레이어 코팅부(40)와 단자 레이어 코팅부(60)는 반송 레일(70)을 통해 연결되어짐으로써 단자 레이어 코팅부(60)에서 작업이 완료된 제품을 다시 금속 레이어 코팅부(40)로 이송하는 기능을 한다.
면상발열체의 제조를 위한 설비를 이용한 면상발열체의 제조 공정을 보면 다음과 같다.
먼저, 방열량이 높은 금속을 채용하는 모재(10)를 제품 투입부(10) 상에 투입한 후에 세척룸부(20)에서 코팅면을 우선 세척하고 표면 블래스트부(30)에서 코팅면을 블래스트 처리한다.
다음으로, 금속 레이어 코팅부(40) 상에서 본딩 작업을 통해 접착층(110)을 형성한다. 절연 레이어 코팅부(50) 상에서는 1차 절연층(120)을 형성한다.
절연 레이어 코팅부(50)에서 1차 절연층(120)이 형성된 후에, 모재(10)는 다시 컨베이어 벨트를 따라 금속 레이어 코팅부(40)로 이동하게 된다. 상기 상태에서, 금속 레이어 코팅부(40) 상에서 1차 절연층(120) 상에 배치되는 가열층(130)을 형성하고, 절연 레이어 코팅부(50) 상에서는 2차 절연층(150)을 형성한 후에 단자 레이어 코팅부(60)에서 가열층(130) 상에 패턴 작업되는 단자층을 형성한다.
단자 레이어 코팅부(60)서 단자층이 형성된 후에, 모재(10)는 다시 반송 레일(70)을 따라 금속 레이어 코팅부(40)로 이동하게 된다. 상기 상태에서, EMI 차폐 기능을 위하여 2차 절연층(150)과 단자층 상에 차폐층(170)을 형성한다.
본 발명에 따른 면상발열체(100)는, 방열량이 높은 금속을 채용하는 모재(10) 상에 적층되는 접착층(110), 접착층(110) 상에 적층되는 1차 절연층(120), 1차 절연층(120) 상에 배치되는 가열층(130), 가열층(130) 상에 패턴 작업되는 단자층, 가열층(130)과 단자층 상에 적층되는 2차 절연층(150), 가열층(130)에 전압을 인가 하기 위해서 단자층의 끝단에 배치되는 단자(160) 및 EMI 차폐 기능을 위하여 2차 절연층(150)과 단자(160)의 일측 상에 배치되는 차폐층(170)을 포함한다.
면상발열체(100)는 이루는 각 층들은 원하는 제품의 성능에 맞게 고순도의 Al2O3, MgO, Ni-Cr 등을 포함하는 재질들 중에서 선정한다. 각 층들의 두께는 목표 성능에 맞게 20~400μm 범위 내에서 설계될 수 있다.
면상발열체(100)의 모재는 방열량이 높은 모든 금속이 적용 가능하나, 다양한 형상을 구현할 수 있고 가벼운 재질의 알루미늄을 선택한다.
면상발열체의 최하부에는 모재와의 접착제 역할을 하는 접착층(110)이 있고, 면상발열체에 전기 인가 시에 모재(10)와의 절연 기능 및 높은 방열성능을 갖도록 1차 절연층(120)인 산화알루미늄(Al2O3)을 적용한다.
직접적으로 발열 작용을 하는 가열층(130)은 목표 저항에 적정한 금속재질을 선정한다. 이 때 가열층의 두께는 5~10μm 단위의 차이에도 저항 차이가 심하므로, 양산 시에 가열층의 두께 관리는 필수적으로 필요하다.
한편, 면상발열체의 외곽에는 이물질이나 수분침투로부터의 보호를 위해 금속 재질의 커버가 씌워지기 때문에 가열층(130) 상에 2차 절연층(150)이 필요하다. 2차 절연층(150)은 작업 공수의 최소화 등을 위해 1차 절연층(120)과 동일한 재질을 적용 가능하다.
단자(160)는 가열층(130)의 상단 일측 상에 배치된다. 상기 단자(160)의 내측으로는, 가열층(130) 상에 2차 절연층(150)과 차폐층(170)이 적층되는 것일 수 있다.
저항인 가열층(130)에 전압을 인가하기 위해서 단자(160)와 가열층(130)을 연결해야 해야 하고, 이를 위해서는 최소한 500μm 두께 이상의 단자층이 필요하다. 구리(Cu)를 포함하는 단자층과 연결 시에는 웰딩 방식이 적절하고 웰딩 품질을 위해 단자와 동일한 재질의 단자층을 구성한다.
추가로, EMI 차폐 기능을 위하여 금속 재질의 차폐층(170)을 면상발열체의 최상단에 적용한다. 한편, 원가 절감 방안으로 가열층(130)과 차폐층(170)을 동일한 재질의 사용이 가능하다.
모재(10)와 1차 절연층(120) 간의 본딩 기능을 하는 접착층(110)은 Ni-Cr 재질을 갖는 것으로서 20ㅁ5㎛ 두께를 갖는다.
1차 절연층(120)은 300㎛ 이상의 두께를 갖는 산화알루미늄(Al2O3)을 채용한다.
가열층(130)은 40ㅁ20㎛ 두께의 Ni-Cr 을 채용한다.
2차 절연층(150)은 300㎛ 이상의 두께를 갖는 산화알루미늄(Al2O3)을 채용한다.
단자(160)는 500ㅁ10㎛ 두께의 Cu를 채용한다.
차폐층(170)은 20ㅁ5㎛ 두께의 Ni-Cr 을 채용한다.
상기와 같이, 접착층(110), 가열층(130) 및 차폐층(170)은 공히 40ㅁ20㎛ 두께의 동질의 Ni-Cr 을 채용함으로써 원가 절감을 이루게 한다.
1차 절연층(120)과 2차 절연층(150)은 300㎛ 이상의 두께를 갖는 산화알루미늄(Al2O3)을 채용함으로써 원가 절감을 이루게 한다.
본 발명에 따른 면상발열체는 방열량이 높은 금속인 발열체를 기준으로 하여 상하부 상에 절연층을 형성하고 상기 발열체와 모재와의 사이에 접착층을 배치하는 한편, 상기 발열체 상에 전압을 인가하는 기능을 하는 단자층을 배치함으로써 모재와의 절연 및 높은 방열 성능을 구현하게 한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 면상발열체
110 : 접착층
120 : 1차 절연층
130 : 가열층
140 : 단자층
150 : 2차 절연층
160 : 단자
170 : 차폐층

Claims (4)

  1. 면상발열체의 제조 설비를 통한 면상발열체의 제조 방법에 있어서,
    상기 면상발열체의 제조 설비는 컨베이어 벨트를 따라 순차적으로 배치되는 제품 투입부(10), 세척룸부(20), 표면 블래스트부(30), 금속 레이어 코팅부(40), 절연 레이어 코팅부(50) 및 단자 레이어 코팅부(60)를 포함하며,
    상기 면상발열체의 제조 방법은,
    모재를 상기 제품 투입부(10) 상에 투입한 후에 세척룸부(20)에서 코팅면을 우선 세척하고, 표면 블래스트부(30)에서 코팅면을 블래스트 처리하는 단계;
    금속 레이어 코팅부(40) 상에서 본딩 작업을 통해 접착층(110)을 형성하고, 절연 레이어 코팅부(50) 상에서는 1차 절연층(120)을 형성하는 단계;
    컨베이어 벨트를 따라 모재를 다시 금속 레이어 코팅부(40)로 이동한 상태에서, 금속 레이어 코팅부(40) 상에서 1차 절연층(120) 상에 배치되는 가열층(130)을 형성하고, 절연 레이어 코팅부(50) 상에서는 2차 절연층(150)을 형성한 후에 단자 레이어 코팅부(60)에서 가열층(130) 상에 패턴 작업되는 단자층을 형성하는 단계; 및
    반송 레일(70)을 따라 모재를 다시 금속 레이어 코팅부(40)로 이동한 상태에서, 2차 절연층(150)과 단자층 상에 차폐층(170)을 형성하는 단계;를 포함하는,
    면상발열체의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 접착층과 가열층은 공히 동질의 재료를 채용하고,
    상기 1차 절연층과 2차 절연층 동질의 재료를 채용함으로써 원가 절감을 이루게 하는, 면상발열체의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 접착층, 가열층 및 차폐층은 40ㅁ20㎛ 두께를 갖는 동질의 Ni-Cr 을 채용하는,
    면상발열체의 제조 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 1차 절연층과 2차 절연층은 300㎛ 이상의 두께를 갖는 산화알루미늄(Al2O3)을 채용하는, 면상발열체의 제조 방법.
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