WO2012036459A2 - 발열체 및 이의 제조방법 - Google Patents

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WO2012036459A2
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heating
pattern
pattern line
line
bus bar
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김기환
홍영준
최현
김수진
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주식회사 엘지화학
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    • H05B3/84—Heating arrangements specially adapted for transparent or reflecting areas, e.g. for demisting or de-icing windows, mirrors or vehicle windshields
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/002—Heaters using a particular layout for the resistive material or resistive elements
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    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49082—Resistor making
    • Y10T29/49083—Heater type

Definitions

  • the present invention relates to a heating element and a method of manufacturing the same.
  • the present invention relates to a heating element and a method for manufacturing the same, in which heat generation occurs uniformly and there is no visual interference.
  • frost occurs on the glass of the car due to the temperature difference between the outside and the inside of the car.
  • dew condensation occurs due to temperature differences between the slope and the outside of the slope.
  • a heating glass After forming a thermally conductive layer or a hot wire pattern on the glass surface, it is a concept of generating heat by applying electricity and thereby raising the temperature of the glass surface.
  • automotive heating glass is low resistance is important in order to generate heat smoothly, but should not be annoying to human eyes. For this reason, a method of manufacturing the heating glass through ITO (Indium Tin Oxide) sputtering has been attempted. However, in this case, there is a problem that the heat generation is not made sufficiently.
  • ITO Indium Tin Oxide
  • a heating wire as a method of constituting the heating glass
  • a portion where the distance between the bus bars varies depending on the shape of the glass, for example, in the case of a triangle or a trapezoidal shape Can be.
  • the resistance value of the heating wire is changed according to the distance between the bus bars, and the current value flowing through the individual heating wires is changed in the bus bar under a constant voltage so that uniform heat generation is not achieved.
  • the two methods can secure a certain level of uniform heating characteristics, the area distribution occupied by the arranged heating wires, that is, the heating wire density per unit area is changed for each position, and thus a uniform pattern arrangement cannot be achieved.
  • the recognition of the heating wire pattern is increased due to the non-uniform distribution of the heating wire pattern when the vehicle driver inside the vehicle observes the outside through the automobile glass, thereby obstructing the vision of the vehicle driver. Is caused.
  • the heating element including the heating pattern line in order to solve the above-described problem, not only the heat generation occurs uniformly but also the visual disturbance regardless of the shape of the substrate on which the heating pattern line is provided or the change of the distance between the bus bars. It is an object of the present invention to provide a heating element and a method of manufacturing the same.
  • the present invention provides a transparent substrate, a bus bar, a power supply unit connected to the bus bar, a heating pattern line provided on the transparent substrate and electrically connected to the bus bar, and provided on the transparent substrate and the bus bar.
  • a heating element including a non-heating pattern line that is not electrically connected.
  • the present invention provides a method for manufacturing a heating element comprising a bus bar, a heating pattern line electrically connected to the bus bar, and a non-heating pattern line not electrically connected to the bus bar, respectively or simultaneously on a transparent substrate. to provide.
  • the present invention also includes a transparent substrate, a bus bar, a power supply unit connected to the bus bar, and a heating pattern line provided on the transparent substrate and electrically connected to the bus bar, wherein the heating pattern line is divided into two or more regions. Divided by, the heating element having the same length of the heating pattern line connected to the bus bar in each compartment is provided.
  • the heating pattern line electrically connected to the bus bar is configured to achieve uniform heat generation, but by using the non-heating pattern line not electrically connected to the bus bar, the pattern is uniformly distributed, thereby generating heat evenly. It is possible to provide a heating element that does not only occur or obstruct the field of view.
  • the area provided with the heating pattern line is divided into two or more sections, and the length of the heating pattern line is the same in each section, uniform heating occurs in each section by the same heating line length.
  • FIG. 1 illustrates distribution of a heating pattern line for uniform heating.
  • Figure 4 illustrates a method of forming a pattern of the heating element according to the present invention.
  • 5 and 6 illustrate the formation of the pattern on the heating element according to the present invention, respectively.
  • the heating element according to the present invention includes a transparent substrate, a bus bar, a power supply unit connected to the bus bar, a heating pattern line provided on the transparent substrate and electrically connected to the bus bar, and provided on the transparent substrate and not electrically connected to the bus bar. It characterized in that it comprises a non-heating pattern line.
  • the heating pattern line is configured to generate heat evenly when the distance between the bus bars is not the same, but the distribution of the entire pattern line is made uniform. You can prevent it from disturbing you.
  • the electrical connection to the bus bar means that the current flows when the voltage is applied to each of two independent bus bars opposite to each other.
  • the pattern line electrically connected to the bus bar is also referred to as a heating pattern line.
  • the fact that it is not electrically connected to the bus bar means that a current cannot flow when a voltage is applied.
  • the pattern line not electrically connected to the bus bar is also referred to as a non-heating pattern line.
  • the heating pattern line is preferably arranged so that the heating is uniform.
  • the uniform heat generation means that the standard deviation of the surface temperature in the entire region where the heating pattern line is provided is 20% or less, preferably 15% or less, and more preferably 10% or less.
  • the thickness, spacing, height, shape, and the like of the heating pattern line may be adjusted according to the position or spacing of the bus bar and the geometric shape of the heating area for uniform heating.
  • FIG. 1 illustrates a case in which the intervals of the heating pattern lines are varied under the same thickness, height, and shape of the heating pattern lines.
  • the spacing of the heating pattern lines positioned at the narrow spacing between the bus bars may be arranged inversely wide with the distance between the bus bars to uniformly control the amount of heat generated per area.
  • each pattern line acts as a single resistor, and the voltage across the bus bars in the parallel resistance connection is equal to the voltage across each resistor, and each resistor (heating) according to the change of the resistance. The current applied to the pattern line) changes.
  • the resistance of the heating pattern line is proportional to the length (L) of the heating pattern line connected to the bus bar. If the heating area to be given by one heating element is defined as the product of the resistance length (L) and the unit width (W), the amount of heat generated per area is expressed by the following equation (1).
  • V is a transfer applied between both ends of the bus bar
  • I is a current applied to the heating pattern line
  • R is a resistance of the heating pattern line
  • a is a proportional constant value.
  • Equation 1 when the length of the resistor (heating pattern line) is changed, in order to satisfy the same amount of heat generated per area, the W value must be changed in inverse proportion to the L square value.
  • FIG. 1 It can be seen that the spacing W between the resistors (heating pattern lines) in the A region where the length L between the bus bars is short is wide, and the spacing W also changes as the length L between the bus bars changes. It can be seen that the area W is narrow because the length L between the bus bars is longer than the A area. In the area B, the length between the bus bars is constant so that the spaces W between the resistors are arranged at regular intervals.
  • a non-heating pattern line which is not electrically connected may be additionally inserted to achieve a visually uniform distribution.
  • the non-heating pattern line is indicated by a dotted line.
  • the dotted line is to differentiate from the heating pattern line indicated by the solid line, and does not mean that the non-heating pattern line is actually formed in the dotted line form.
  • the one-dimensional straight line which is the pattern shown in Figs. 1 and 2
  • the method provided by the present invention includes not only one-dimensional patterns but also two-dimensional patterns. to be.
  • the lengths of the heating pattern lines connected to the bus bars in each section are arranged to be the same. It may be in the form.
  • An example of arranging the heating pattern lines to have the same length in each section is shown in FIG. 3 (b).
  • the bus bar is located at the bottom.
  • the path of the heating pattern line can be arranged to have a predetermined length in the partition after dividing two or more sections according to the design. Along the route, the pattern design of the heating pattern line is superimposed to form the heating pattern.
  • FIG. 3B An example in which a heating pattern line of the same length is formed in each section is shown in FIG. 3B. As shown in (b) of FIG. 3, in order to make the length of the heating pattern line connecting the bus bars located at the lower end the same, the shorter the distance between the bus bars is, the more the paths are arranged.
  • FIG. 2 when the heating pattern lines connecting the bus bars are straight paths, an example in which the lengths of the heating pattern lines having a three-fold difference in the straight paths are shown in FIG. 4.
  • the heating pattern lines are designed to be twisted about three times in the width direction instead of the longitudinal direction as shown in FIG. The same distance level can be obtained.
  • the portion indicated by the solid line represents the heating line in which the actual heat is generated, and the dotted lines other than the ones represent non-heating pattern lines in which heat is not generated because of no electrical connection. Points on the patterns (a) and (b) shown in FIG.
  • the basic background design of the heating line design shown in FIG. 4 is based on the Voronoi pattern, and the design of the Voronoi pattern will be described later.
  • the non-heating pattern line not electrically connected to the bus bar is arranged such that the distribution of the entire pattern including the heating pattern line and the non-heating pattern line is uniform.
  • the entire pattern including the heating pattern line and the non-heating pattern line according to the present invention has a pattern density having an aperture ratio deviation of 5% or less for any circle having a diameter of 20 cm.
  • the opening ratio means the ratio of the area that the pattern is not covered in the region where the pattern is provided.
  • the arrangement pattern of the non-heating pattern line may be determined such that the distribution of the entire pattern is uniform according to the shape of the heating pattern line.
  • the non-heating pattern line when the area having the heating pattern line is divided into two or more sections, when the heating pattern line is arranged to have the same length as the bus bar in each section, the non-heating pattern line is
  • the aperture ratio of the entire pattern line including the heating pattern line and the non-heating pattern line may be 5% or less.
  • the transparent base material is not particularly limited, but light transmittance is preferably 50% or more, preferably 75% or more.
  • glass may be used as the transparent substrate, or a plastic substrate or a plastic film may be used.
  • a plastic film After forming a heating pattern line and a non-heating pattern line, it is preferable to adhere
  • plastic substrate or film materials known in the art may be used, and for example, polyethylene terephthalate (PET), polyvinylbutyral (PVB), polyethylene naphthalate (PEN), polyethersulfon (PES), polycarbonate (PC), acetyl celluloid and the like.
  • PET polyethylene terephthalate
  • PVB polyvinylbutyral
  • PEN polyethylene naphthalate
  • PS polyethersulfon
  • PC polycarbonate
  • acetyl celluloid acetyl celluloid and the like.
  • the film of 80% or more of the same visible light transmittance is preferable. It is preferable that the thickness of the said plastic film is 12.5-500 micrometers, and it is preferable that it is 30-150 micrometers.
  • the heating pattern line or non-heating pattern line may be formed by first printing directly on the transparent substrate and then drying or baking, and second laminating the metal thin film on the transparent substrate.
  • the metal thin film may be formed using a method of patterning the metal thin film.
  • Third, after forming a silver pattern using a photograph method on a transparent substrate coated with silver salt, the thickness of the heating wire may be increased until a desired sheet resistance is obtained through plating. It may be formed using a method.
  • the pattern line forming method described below may be applied to both the heating pattern line and the non-heating pattern line.
  • the line width of the pattern line may be 100 ⁇ m or less, preferably 0.1 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • An interval between lines of the pattern line may be 50 ⁇ m to 30 mm.
  • the interval between the lines of the pattern lines may be the interval between the heating pattern lines, or the interval between the heating pattern lines and the non-heating pattern lines.
  • the height of the pattern line may be 0.2 to 100 ⁇ m. Preferably it is about 10 micrometers.
  • the pattern line may be a stripe, a rhombus, a square lattice, or a circle, but is not limited thereto.
  • a paste containing a thermally conductive material can be printed on the transparent substrate by the printing method.
  • Using the printing method is not only relatively low in cost, but also simple in the manufacturing process, thin line width and precise pattern lines can be formed.
  • the printing method is not particularly limited, and printing methods such as offset printing, screen printing, and gravure printing may be used.
  • offset printing may be performed by filling a paste on a patterned intaglio and then performing a primary transfer with a silicone rubber called a blanket, and then performing a secondary transfer by bringing the blanket and glass into close contact with each other. It is not limited only.
  • the intaglio may be manufactured by precisely etching soda-lime glass engraved with the desired pattern line, and may be metal or DLC (Diamond-like Carbon) coating on the glass surface for durability.
  • the intaglio may be produced by etching a metal plate.
  • the offset printing method is most preferable in order to realize more precise pattern lines.
  • the thermal conductive material it is preferable to use a metal having excellent thermal conductivity, copper, silver, and the like may be used, and silver is most preferred.
  • the thermally conductive material may be used in the form of particles.
  • the paste may further include an organic binder in addition to the above-described thermally conductive material to facilitate a printing process. It is preferable that the organic binder has a property of volatilization in the firing process. In addition, in order to improve adhesion between the paste and the glass, the paste may further include a glass frit. If necessary, more solvent may be added.
  • the paste may be printed so that the line width of the line of the print pattern after firing is 100 ⁇ m or less, preferably 0.1 ⁇ m to 30 ⁇ m or less, and may be printed so that the line interval of the print pattern after firing is 50 ⁇ m to 30 mm. And, it can be printed so that the height of the line from the surface of the transparent substrate is 0.2 to 100 ⁇ m.
  • the opening ratio in the printed pattern is preferably 65% or more, and more preferably 90% or more.
  • the pattern line may be a grid pattern having a line width of 20 ⁇ m and a line interval of 280 ⁇ m.
  • a firing process is performed to form a pattern having thermal conductivity.
  • the firing temperature is not particularly limited, but may be performed at 400 to 700 ° C, preferably 500 to 650 ° C.
  • low temperature baking may be performed at low temperature, for example, 150 to 350 ° C.
  • the patterning of the laminated metal thin film may be performed by etching the metal after etching the resistive resist patterning using photolithography or printing.
  • a reverse offset printing method or a gravure offset method capable of printing a line width of 5 to 100 ⁇ m may be used.
  • the etching resistance layer may be made of a noblock heat, acrylic, silicon-based material, but is not limited thereto.
  • an etching resist layer pattern may be formed using a photoresist material, and in particular, a dry film resist may be used for the roll process.
  • the etching resist layer pattern may have an irregular pattern but have a pattern density having a transmittance deviation of 5% or less for any circle having a diameter of 20 cm.
  • interval between the lines which comprise a pattern is 2 mm or more.
  • the metal thin film is etched by immersing the transparent substrate having the metal thin film having the etching resistance layer in an etching solution.
  • the etching solution may be an acid solution.
  • Acid solutions include strong acids such as hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, and phosphoric acid, and formic acid, butyric acid, lactic acid, sorbic acid, fumaric acid, and malic acid.
  • Organic acids such as (Malic acid), tartaric acid, and citric acid may be used, and hydrogen peroxide solution and other additives may be further added to the solution.
  • the base material with the pattern line obtained through the above process was cut to 10 cm X 10 cm and the resistance was measured by forming an electrode (bus bar) line on one side, 1 ohm or less, preferably 0.35 ohm. It is preferable to have.
  • the obtained resistance has the same meaning as the sheet resistance.
  • the heating pattern line or the non-heating pattern line may be a straight line, but various modifications such as curved lines, wavy lines, and zigzag lines are possible.
  • the area distribution ratio of the entire pattern including the heating pattern line and the non-heating pattern line is 35% or less, preferably 10% or less.
  • the entire pattern including the heating pattern line and the non-heating pattern line may be in the form of a boundary line of figures constituting the Voronoi diagram as shown in FIG. 4.
  • the entire pattern in the form of a boundary line of figures constituting the Voronoi diagram, it is possible to uniformize the distribution of the entire pattern, thereby minimizing side effects due to diffraction and interference of light.
  • the Voronoi diagram if you place the points of the Voronoi diagram generator in the area you want to fill, each point fills the area closest to the point compared to the other points. Pattern in a way. For example, suppose that a large discount store in the country is displayed as a dot and consumers go to the nearest large discount store. That is, if the space is filled with a regular hexagon and each point of the regular hexagon is selected as a Voronoi generator, the honeycomb structure may be the pattern.
  • the pattern is formed using the Voronoi diagram generator, there is an advantage in that a complex pattern shape that can minimize side effects caused by diffraction and interference of light is easily determined. 5 shows the pattern formation using the Voronoi diagram generator.
  • a pattern derived from the generator can be used by regularly or irregularly positioning the Voronoi diagram generator.
  • the number per unit area of the Voronoi diagram generator may be adjusted so that the aperture ratio of the pattern is uniform in the unit area for uniform visibility of the heating element.
  • the unit area is preferably 10 cm 2 or less.
  • the number per unit area of the Conduct D'diagram generator is preferably 10-2500 pieces / cm 2, and 10 to 2,000 / cm 2 is more preferably from.
  • At least one of the figures constituting the pattern within the unit area may have a shape different from the remaining figures.
  • the entire pattern may be in the form of a boundary line of figures consisting of at least one triangle constituting the Delaunay pattern.
  • the pattern may be in the form of a boundary line of triangles constituting the Delaunay pattern, or in the form of a boundary line of figures consisting of at least two triangles constituting the Delaunay pattern, or a combination thereof.
  • Delaunay pattern is a pattern that is called the Delaunay pattern generator in the area to fill the pattern and connects three surrounding points to form a triangle, but includes all the vertices of the triangle.
  • a pattern is formed by drawing a triangle so that no other point exists in the circle.
  • Delaunay triangulation and circulation may be repeated based on the Delaunay pattern generator.
  • the Delaunay triangulation can be performed in such a way as to avoid the skinny triangle by maximizing the minimum angle of all angles of the triangle.
  • the concept of the Delaunay pattern was proposed in 1934 by Boris Delaunay. An example of formation of the Delaunay pattern is illustrated in FIG. 6.
  • the pattern in the form of a boundary line of figures consisting of at least one triangle constituting the Delaunay pattern may use a pattern derived from the generator by regularly or irregularly positioning the location of the Delaunay pattern generator.
  • the pattern is formed using the Delaunay pattern generator, there is an advantage that can easily determine the complex pattern shape that can minimize the side effects caused by the diffraction and interference of light.
  • the pattern is formed in the form of a boundary line of figures consisting of at least one triangle constituting the Delaunay pattern
  • regularity and irregularity can be appropriately balanced when generating the Delaunay pattern generator.
  • the irregularity means that the distance between each point is not constant
  • the uniformity means that the number of points included per unit area is the same.
  • the visual distribution can be compensated by preventing the distribution of lines from being concentrated at any one point.
  • the unit area is preferably 10 cm 2 or less.
  • the number per unit area of the Delaunay pattern generator is preferably 10 to 2500 pieces / cm 2 , more preferably 10 to 2,000 pieces / cm 2 .
  • At least one of the figures constituting the pattern within the unit area may have a shape different from the remaining figures.
  • the entire pattern including the heating pattern line and the non-heating pattern line may be configured by the Voronoi pattern or the Delaunay pattern as described above, thereby minimizing visual disturbance caused by the pattern.
  • a part of the Voronoi pattern or the Delaunay pattern is composed of a heating pattern line, and the rest is composed of a non-heating pattern line, thereby achieving uniform heating even if the distance between bus bars is different.
  • the extension to the horizontal axis is short as shown in Fig. 4 (a), and in the area where the distance between the bus bars is close to Figs.
  • the extension to the horizontal axis can be configured long.
  • the length of the heating pattern line in each region can be configured to the same level, thereby realizing uniform heat generation.
  • the bus bar may be formed simultaneously with the formation of the heating pattern line or the non-heating pattern line, or may be formed using the same or different printing method as the pattern line. For example, after forming the pattern line by offset printing, the bus bar may be formed through screen printing.
  • the thickness of the bus bar is preferably 1 to 100 micrometers, preferably 10 to 50 micrometers. If it is less than 1 micrometer, the contact resistance between the pattern line and the bus bar increases, which may result in local heat generation of the contacted portion, and if it exceeds 100 micrometers, the electrode material cost increases.
  • the connection between the bus bar and the power supply can be made through physical contact with the structure, which has good soldering and conductive heat generation.
  • two bus bars to which voltages opposite to each other are applied may be disposed at positions facing each other as shown in FIG. 2, or may be disposed at positions in the same direction on one side of the heating element as shown in FIG. 3.
  • a bus bar is located at the lower side of the vehicle when it is mounted on the automobile.
  • Bus bars arranged in opposing locations may have a minimum spacing between the bus bars of at least 4 cm, preferably at least 10 cm.
  • the bus bars may be positioned on the same line of the lower end of the heating element, and in this case, the spacing between the bus bars may be maintained at 2 mm or more, preferably 5 mm or more.
  • a black pattern may be formed.
  • the black pattern may be printed using a paste containing cobalt oxide.
  • screen printing is suitable for screen printing, and a thickness of 10-100 micrometers is appropriate.
  • the pattern line and the bus bar may be formed before or after forming the black pattern, respectively.
  • the heating pattern line and the non-heating pattern line can be designed by the design of the cliché when the printing method is used and by the design of the photomask when the photolithography method is used.
  • the heating element according to the present invention may include an additional transparent substrate provided on the surface provided with the heating pattern line and the non-heating pattern line of the transparent substrate.
  • the bonding film may be sandwiched between the pattern line and the additional transparent substrate when the additional transparent substrate is bonded. Temperature and pressure can be controlled during the bonding process.
  • the adhesive film is inserted between the transparent substrate on which the pattern line is formed and the additional transparent substrate, and put it in a vacuum bag to increase the temperature under reduced pressure, or raise the temperature using a hot roll, By removing, primary bonding is performed.
  • the pressure, temperature and time is different depending on the type of adhesive film, but the pressure is usually 300 ⁇ 700 torr, can gradually raise the temperature from room temperature to 100 °C. At this time, the time is usually preferably within 1 hour.
  • the pre-bonded laminate is subjected to the secondary bonding process by the autoclaving process of applying pressure in the autoclave and raising the temperature. Secondary bonding is different depending on the type of adhesive film, it is preferable to perform a slow cooling after 1 hour to 3 hours, preferably about 2 hours at a pressure of 140 bar or more and a temperature of about 130 ⁇ 150 °C.
  • a method of bonding in one step using a vacuum laminator device may be used.
  • the temperature can be gradually increased to 80 to 150 ° C. while being cooled slowly, while the pressure can be reduced to 100 ° C. ( ⁇ 5 mbar), and then pressurized ( ⁇ 1000 mbar) to join.
  • any material having adhesion and becoming transparent after bonding can be used.
  • PVB film, EVA film, PU film and the like can be used, but is not limited to these examples.
  • the said bonding film is not specifically limited, It is preferable that the thickness is 100-800 micrometers.
  • the heating element according to the present invention may be connected to a power source for heat generation, in which the amount of heat is preferably 100 to 700 W per m 2 , preferably 200 to 300 W.
  • the heating element according to the present invention has excellent heat generating performance even at low voltage, for example, 30 V or less, preferably 20 V or less, and thus may be usefully used in automobiles and the like.
  • the resistance in the heating element is 1 ohm / square or less, preferably 0.5 ohm / square or less.
  • the heating element according to the present invention may have a shape forming a curved surface.
  • the opening ratio of the entire pattern is preferably 65% or more.
  • the heating element according to the present invention has an excellent heat generation property that can increase the temperature while maintaining an opening ratio of 65% or more and maintaining a temperature deviation of 10% or less within 5 minutes after the heating operation.
  • the heating element according to the present invention may be applied to glass used in various transportation means such as automobiles, ships, railways, high speed trains, airplanes, or houses or other buildings.
  • the heating element according to the present invention not only has a uniform heating characteristics and there is no visual disturbance, it can be applied to the windshield or side glass of a vehicle such as a vehicle unlike the prior art.
  • the heating element according to the present invention may exhibit uniform heating and pattern concealment even when applied to the side glass of the vehicle.
  • the present invention further includes a transparent substrate, a bus bar, a power supply unit connected to the bus bar, and a heating pattern line provided on the transparent substrate and electrically connected to the bus bar, wherein the region in which the heating pattern line is formed is divided into two or more sections. When divided, there is also provided a heating element, characterized in that the length of the heating pattern line connecting the bus bar in each section.
  • a heating element characterized in that the length of the heating pattern line connecting the bus bar in each section.
  • the present invention also provides a bus bar, a heating pattern line electrically connected to the bus bar, and a non-heating pattern line not electrically connected to the bus bar on the transparent substrate at the same time or separately, the manufacturing of the heating element described above. It also provides a method. Transparent substrates, bus bars, hot wires and the like can be selected from the materials and methods described above.
  • the heat generation of may be configured uniformly, or may intentionally configure heat generation between the compartments. Specifically, by changing the spacing of the compartments and the length of the heating line between the compartments, it is possible to intentionally partition a portion of the entire heat generating area into a high heat generating region and a low heat generating region.
  • the heating pattern used in the film of the present invention is based on the Voronoi pattern
  • the bus bar is formed in the manner shown in Figure 1
  • the average pitch of the pattern corresponding to the region B in Figure 1 was designed to 2mm.
  • the pattern pitch of the region A was designed by adjusting W (pitch of the pattern) from 2 to 16 mm according to the distance L between bus bars according to Equation 1 to form a heat generation pattern line.
  • the non-heating pattern line was superimposed on the existing Voronoi pattern to form a visually uniform pattern line.
  • Exothermic laminated glass was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the non-heating pattern line was not inserted.
  • the exothermic characteristics were the same, but the pattern was dense visually due to the non-uniform pattern distribution and a small area was easily recognized by the eyes, resulting in a visual disturbance problem.

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Abstract

본 발명은 투명기재, 버스 바, 상기 버스 바와 연결된 전원부, 상기 투명기재 상에 구비되고 상기 버스 바에 전기적으로 연결된 발열 패턴선, 및 상기 투명기재 상에 구비되고 상기 버스 바와 전기적으로 연결되지 않은 비발열 패턴선을 포함하는 발열체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

발열체 및 이의 제조방법
본 발명은 발열체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 발열이 균일하게 일어나고 시야방해가 없는 발열체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 출원은 2010년 9월 14일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2010-0090150호 및 2011년 9월 14일에 한국특허청에 제출된 한국 특허 출원 제10-2011-0092413호의 출원일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 명세서에 포함된다.
겨울철이나 비 오는 날에는 자동차 외부와 내부의 온도 차이에 의하여 자동차 유리에 성에가 발생한다. 또한 실내 스키장의 경우 슬로프가 있는 내부와 슬로프 외부의 온도 차이에 의해 결로 현상이 발생한다. 이를 해결하기 위하여 발열유리가 개발되었다. 유리 표면에 열전도성 층 또는 열선 패턴을 형성한 후 전기를 인가하여 열을 발생시키고 이에 의하여 유리 표면의 온도를 올리는 개념이다.
특히, 자동차용 발열유리는 열을 원활히 발생시키기 위하여 낮은 저항도 중요하지만, 사람 눈에 거슬리지 않아야 한다. 이 때문에 발열유리를 ITO (Indium Tin Oxide) 스퍼터링(Sputtering)을 통하여 제조하는 방식이 시도되고 있다. 그러나, 이 경우 발열이 충분히 이루어지지 못하는 문제가 있다.
발열유리를 구성하는 방법으로서 열선을 이용하는 경우에, 열선을 일정 패턴으로 배열하여 구성하면, 유리의 형상에 따라, 예컨대 삼각형이나 사다리꼴 형상인 경우, 버스 바(bus bar) 간의 거리가 달라지는 부분이 발생할 수 있다. 버스 바 간의 거리가 달라지게 되면 버스 바 간의 거리에 따라 열선의 저항값이 변하게 되고, 일정전압하의 버스 바에서는 개별 열선에 흐르는 전류값이 변경되어 균일한 발열이 이루어지지 않게 된다.
상기와 같이 유리 형상에 따라 버스 바 간의 거리가 다르게 되는 경우, 균일한 발열수준을 구현하기 위하여 다음 두 가지 방법이 시도되고 있다.
첫째로 열선의 두께 및 열선간의 스페이스(space)를 조절하여 면적당 부여되는 발열 수준을 맞추는 방법과, 둘째로 두 전극의 버스 바들을 모두 하단부에 위치시키고 양 버스 바 간을 연결하는 열선들의 길이 변화에 따라 열선의 두께를 변화시킴으로써 균일한 발열을 구현하는 방법이 있다.
상기 두 방법은 일정수준의 균일한 발열특성을 확보할 수 있지만, 배열되는 열선들이 차지하는 면적 분포, 즉 단위면적당 열선 밀도가 위치별로 달라지게 되어 균일한 패턴 배열이 이루어질 수 없다. 예컨대, 자동차 유리의 경우, 차량 내부에 있는 차량 운전자가 자동차 유리를 통하여 외부 관측시 불균일한 열선 패턴 분포로 인하여 열선 패턴의 인지성이 증가되고, 이에 의하여 차량 운전자의 시야를 방해할 수 있는 문제점이 야기된다.
본 발명에서는 전술한 문제를 해결하기 위하여, 발열 패턴선을 포함하는 발열체에 있어서, 발열 패턴선이 구비되는 기재의 형상 또는 버스 바 간의 간격의 변화와 무관하게 발열이 균일하게 발생할 뿐만 아니라 시야방해가 없는 발열체 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 투명기재, 버스 바, 상기 버스 바와 연결된 전원부, 상기 투명기재 상에 구비되고 상기 버스 바에 전기적으로 연결된 발열 패턴선, 및 상기 투명기재 상에 구비되고 상기 버스 바와 전기적으로 연결되지 않은 비발열 패턴선을 포함하는 발열체를 제공한다.
또한, 본 발명은 투명기재 상에 버스 바, 상기 버스 바에 전기적으로 연결된 발열 패턴선, 및 상기 버스 바와 전기적으로 연결되지 않은 비발열 패턴선을 각각 또는 동시에 형성하는 단계를 포함하는 발열체의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 투명기재, 버스 바, 상기 버스 바와 연결된 전원부, 및 상기 투명기재 상에 구비되고 상기 버스 바에 전기적으로 연결된 발열 패턴선을 포함하고, 상기 발열 패턴선이 구비된 영역을 2 이상의 구획으로 나누었을 때 각 구획에서 상기 버스 바에 연결된 발열 패턴선의 길이가 동일한 것인 발열체를 제공한다.
본 발명에서는 버스 바에 전기적으로 연결된 발열 패턴선을 균일한 발열이 이루어질 수 있도록 구성하되, 버스 바와 전기적으로 연결되지 않은 비발열 패턴선을 이용하여 패턴의 분포가 균일하게 이루어지도록 함으로써, 발열이 균일하게 발생할 뿐만 아니라 시야를 방해하지 않는 발열체를 제공할 수 있다. 또한, 발열 패턴선이 구비된 영역을 2 이상의 구획으로 나누어, 각 구획 내에서 발열 패턴선의 길이를 동일하게 하는 경우, 각 구획 내에서는 동일한 발열선 길이에 의하여 균일한 발열이 일어나는 한편, 구획의 간격 및 구획들 간의 발열선 길이를 변화시킴으로써 전체 발열 면적에서 일부 영역을 의도적으로 높은 수준의 발열 영역과 낮은 수준의 발열 영역으로 구획화할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 균일한 발열을 위한 발열 패턴선의 분포를 예시한 것이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 실시상태를 예시한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 발열체의 패턴 형성방법을 예시한 것이다.
도 5 및 도 6은 각각 본 발명에 따른 발열체 상의 패턴의 형성과정을 예시한 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 발열체는 투명기재, 버스 바, 상기 버스 바와 연결된 전원부, 상기 투명기재 상에 구비되고 상기 버스 바에 전기적으로 연결된 발열 패턴선, 및 상기 투명기재 상에 구비되고 상기 버스 바와 전기적으로 연결되지 않은 비발열 패턴선을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는, 버스 바와 전기적으로 연결되지 않은 비발열 패턴선을 이용함으로써, 버스 바 간의 거리가 동일하지 않은 경우에 발열 패턴선을 균일한 발열이 이루어지도록 구성하면서도 전체 패턴선의 분포를 균일하게 함으로써 시야를 방해하지 않도록 할 수 있다.
본 명세서에 있어서, 버스 바에 전기적으로 연결되었다고 하는 것은 상호 반대되는 2개의 독립적인 버스 바에 각각 연결되어 전압을 인가하였을 때 전류가 흐르는 상태가 되는 것을 의미한다. 본 명세서에서는 편의상 버스 바와 전기적으로 연결된 패턴선을 발열 패턴선이라고도 칭한다. 반대로, 버스 바에 전기적으로 연결되지 않았다고 하는 것은 전압을 인가하였을 때 전류가 흐를 수 없는 상태인 것을 의미한다. 본 명세서에서는 편의상 버스 바와 전기적으로 연결되지 않은 패턴선을 비발열 패턴선이라고도 칭한다.
본 발명에 있어서, 상기 발열 패턴선은 발열이 균일하게 이루어지도록 배치되는 것이 바람직하다. 여기서, 발열이 균일하게 이루어진다는 것은 발열 패턴선이 구비된 영역 전체에서의 표면 온도의 표준 편차가 20% 이하, 바람직하게는 15% 이하, 더욱 바람직하게는 10% 이하인 것을 의미한다.
상기와 같이 균일한 발열을 위하여 버스 바의 위치나 간격 및 발열 면적의 기하학적 모양에 따라 발열 패턴선의 두께, 간격, 높이, 형태 등을 조절하여 형성할 수 있다.
발열 패턴선의 두께, 높이 및 형태가 동일한 조건에서 발열 패턴선의 간격을 달리한 경우를 도 1에 도시하였다. 도 1에 나타난 바와 같이, 버스 바 간 간격이 좁은 곳에 위치한 발열 패턴선의 간격은 버스 바 간의 거리에 반비례하게 넓게 배치함으로써 면적당 발열량을 균일하게 조절해 줄 수 있다. 도 1에 예시된 발열체에서 각 패턴선 하나가 각각 하나의 저항으로 작용하고, 병렬 저항 연결에서 버스 바 양단간에 걸리는 전압은 각 저항에 걸리는 전압과 동일하게 되며, 저항의 변화에 따라 각 저항체(발열 패턴선)에 걸리는 전류가 변화하게 된다. 동일한 두께, 높이, 재질의 발열 패턴선이라면, 발열 패턴선의 저항은 버스 바에 연결된 발열 패턴선의 길이(L)에 비례한다. 한 발열체가 부여해야 하는 발열 면적을 저항 길이(L)와 단위 폭(W)의 곱으로 정의한다면, 면적당 발열량은 다음 식 1과 같다.
[식 1]
Figure PCTKR2011006774-appb-I000001
여기서, V는 버스 바 양단간에 인가되는 전입이고, I는 발열 패턴선에 걸리는 전류이며, R은 발열 패턴선의 저항이고, a는 비례상수값이다.
상기 식 1과 같은 관계식으로부터, 저항체(발열 패턴선)의 길이가 변화될 때 동일한 면적당 발열량을 만족하기 위해서는 W 값이 L 제곱값에 반비례하게 변화하여야 한다. 이에 대한 예시가 도 1이다. 버스 바 간의 길이(L)가 짧은 A 영역의 저항체(발열 패턴선) 간의 간격(W)은 넓으며, 버스 바 간의 길이(L)가 변화됨에 따라 간격(W)도 변화함을 볼 수 있다. B 영역은 A 영역 대비 버스 바 간의 길이(L)가 길기 때문에 간격(W)이 좁은 것을 볼 수 있다. B 영역 내에서는 버스 바 간의 길이가 일정하여 저항체간의 간격(W)을 일정한 간격으로 배치시킨 것이다.
상기와 같은 발열체에 있어서는, 저항체(발열 패턴선) 간 간격(W)의 물리적 치수를 조절함으로써, 균일한 발열은 만족시킬 수 있으나, 저항체가 배치된 분포는 불균일하다. 이러한 불균일성이 육안 관찰시 저항체 분포의 밀하고 소한 특성으로 눈에 잘 뛰게 되어 패턴 인지성이 커지게 되는 단점이 야기된다.
전술한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 전기적으로 연결되지 않은 비발열 패턴선을 추가 삽입함으로써, 시각적으로 균일한 분포를 이룰 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 발열체의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서 제공하는 비발열 패턴선을 구비함으로써 균일한 발열 및 균일한 패턴 분포를 통해 패턴의 인지성을 낮춘, 즉 패턴의 은닉 특성을 개선한 발열체를 도시한 예이다. 도 2에서 비발열 패턴선을 점선으로 표기하였다. 여기서, 점선은 실선으로 표시된 발열 패턴선과 차별화하기 위한 것으로서, 실제로 비발열 패턴선의 형태가 점선 형태로 형성된 것을 의미한 것은 아니다. 도 2는, 도 1에서 B 영역과 발열 패턴선간 간격이 상이한 A 영역에 점선의 비발열 패턴선을 분포시킴으로써 B 영역과 동일한 패턴선간 간격을 갖는 패턴을 형성한 예를 나타낸다. 본 발명에 있어서, 도 1 및 도 2에 도시한 패턴인 1차원의 직선은 일례로 나타낸 것에 불과할 뿐이며, 본 발명에서 제공하는 방법은 1차원의 패턴 뿐만 아니라 2 차원 형상의 패턴을 모두 포함하는 방법이다.
본 발명에 따른 하나의 실시상태에 있어서, 상기 발열 패턴선이 구비된 영역을 2 이상의 구획으로 나누었을 때(도 3(a) 참조) 각 구획에서 상기 버스 바와 연결된 발열 패턴선의 길이가 동일하도록 배치된 형태일 수 있다. 각 구획 내에서 발열 패턴선이 동일한 길이를 갖도록 배치한 예시를 도 3(b)에 나타내었다. 도 3의 발열체의 경우 버스 바를 하단에 위치한 경우이다. 일정 발열량 이상의 수준을 목적으로 하는 경우 도 2와 같이 선간 간격을 조절하는 방식만으로 균일한 발열을 얻기에 기하학적으로 힘든 경우, 도 3과 같은 구성에 의하여 보완할 수 있다. 이와 같은 경우에 있어서, 설계에 따라 2개 이상의 구획을 나눈 후 구획 내에서 일정 길이를 갖도록 발열 패턴선의 경로를 배치할 수 있다. 배치된 경로를 따라, 발열 패턴선의 패턴 디자인을 겹쳐 놓고 발열 패턴을 형성한다.
각 구획 내에서 동일한 길이의 발열 패턴선을 형성한 예시를 도 3의 (b)에 나타내었다. 도 3의 (b)에 나타낸 바와 같이, 하단에 위치한 버스 바 간을 연결하는 발열 패턴선의 길이를 동일하게 하기 위하여, 버스 바 간의 거리가 짧은 영역일수록 경로를 구불거리게 배치하였다.
도 2와 같이 버스 바 간을 연결하는 발열 패턴선이 직선 경로인 경우, 직선 경로가 3배 차이가 나는 발열 패턴선의 길이를 동일하게 하는 예를 도 4에 나타내었다. 도 4 (a) 영역 대비 도 4 (b) 영역에서 직선경로 차이가 3배 짧은 경우, 도 4 (b)와 같이 길이방향이 아닌 폭방향으로 3배 정도로 발열 패턴선을 구불거리게 배치하여 설계함으로써 동일한 거리수준을 얻을 수 있다. 실선으로 표시한 부분이 실제 발열이 이루어지는 발열선을 나타낸 것이며, 이외의 점선은 전기적으로 연결되지 않아 발열이 이루어지지 않는 비발열 패턴선을 나타낸 것이다. 도 4에 나타낸 (a)와 (b) 패턴 위 점은 발열선이 지나가는 꼭지점을 표시한 것으로 두 개의 설계에서 꼭지점 수를 각각 동일한 개수 수준을 유지하여, 결과적으로 동일 길이를 갖도록 할 수 있다. 이와 같은 방식을 통해 버스 바 두 개를 동일선상에 위치한 경우에 있어서도, 균일한 발열 및 균일한 패턴 분포를 형성함으로써, 시각적으로 균일함을 구현할 수 있게 된다. 도 4에 나타낸 발열선 설계의 기본 백그라운드 설계는 보로노이 패턴을 바탕으로 진행한 것이며, 이와 같은 보로노이 패턴의 설계는 후술하기로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 버스 바와 전기적으로 연결되지 않은 비발열 패턴선은, 발열 패턴선과 비발열 패턴선을 포함한 전체 패턴의 분포가 균일하게 되도록 배치되는 것이 바람직하다. 이에 의하여 실질적으로 발열을 하는 발열 패턴선의 분포가 균일하지 않더라도 전체 패턴의 분포를 균일하게 함으로써 패턴선에 의한 시야 방해를 방지할 수 있다. 예컨대, 본 발명에 따른 발열 패턴선과 비발열 패턴선을 포함한 전체 패턴은 직경 20 cm의 임의의 원에 대한 개구율 편차가 5% 이하를 가지는 패턴 밀도를 가지는 것이 바람직하다. 여기서 개구율이라 함은 패턴이 구비된 영역에서 패턴이 덮고 있지 않은 면적의 비율을 의미한다.
상기 비발열 패턴선은 상기 발열 패턴선의 형태에 따라 전체 패턴의 분포가 균일하게 되도록 그 배치 형태가 정해질 수 있다.
전술한 실시상태에서와 같이, 상기 발열 패턴선이 구비된 영역을 2 이상의 구획으로 나누었을 때 각 구획에서 상기 발열 패턴선이 상기 버스 바와 연결된 길이가 동일하도록 배치되는 경우, 상기 비발열 패턴선은, 상기 발열 패턴선과 상기 비발열 패턴선을 포함한 전체 패턴선의 상기 구획간 개구율 편차가 5% 이하가 되도록 배치될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 투명기재로는 특별히 한정되지 않으나, 빛투과율이 50 % 이상, 바람직하게는 75 % 이상인 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 투명기재로는 유리를 사용할 수도 있고, 플라스틱 기판 또는 플라스틱 필름을 사용할 수 있다. 플라스틱 필름을 사용하는 경우에는 발열 패턴선 및 비발열 패턴선을 형성한 후, 기재의 적어도 일면에 유리 기판 또는 플라스틱 기판을 합착하는 것이 바람직하다. 이 때 투명기재의 발열 패턴선 및 비발열 패턴선이 형성된 면에 유리 기판 또는 플라스틱 기판을 합착하는 것이 더욱 바람직하다. 상기 플라스틱 기판 또는 필름으로는 당기술분야에 알려져 있는 재료를 사용할 수 있으며, 예컨대 PET(Polyethylene terephthalate), PVB(polyvinylbutyral), PEN(polyethylene naphthalate), PES(polyethersulfon), PC(polycarbonate), 아세틸 셀룰로이드와 같은 가시광 투과율 80 % 이상의 필름이 바람직하다. 상기 플라스틱 필름의 두께는 12.5 내지 500 마이크로미터인 것이 바람직하고, 30 내지 150 마이크로미터인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 발열 패턴선 또는 비발열 패턴선은 첫째 상기 투명기재 상에 직접 인쇄한 후 건조 또는 소성을 하는 방식을 이용하여 형성될 수도 있고, 둘째 금속 박막을 상기 투명기재에 라미네이션한 후 상기 금속 박막을 패터닝하는 방법을 이용하여 형성될 수도 있으며, 셋째 은염이 코팅된 투명기재 위에 포토그래프 방식을 이용하여 은 패턴을 형성한 후, 도금을 통하여 원하는 면저항을 얻을 때까지 열선의 두께를 높이는 방식을 이용하여 형성될 수도 있다.
이하에서 설명하는 패턴선 형성 방법은 발열 패턴선과 비발열 패턴선에 모두 적용될 수 있다.
상기 패턴선의 선폭은 100㎛ 이하, 바람직하게는 0.1 ㎛ 내지 30 ㎛일 수 있다.
상기 패턴선의 선간 간격이 50㎛ 내지 30mm 일 수 있다. 여기서 패턴선의 선간 간격은 발열 패턴선간의 간격일 수도 있고, 발열 패턴선과 비발열 패턴선간의 간격일 수도 있다.
상기 패턴선의 높이는 0.2 내지 100㎛ 일 수 있다. 바람직하게는 10㎛ 내외이다.
상기 패턴선이 상기 수치 범위 내인 경우에는 충분한 발열 성능을 얻는데 유리하다.
상기 패턴선은, 스트라이프(Stripe), 마름모, 정사각형 격자 또는 원형일 수 있으나, 반드시 이에만 한정되는 것은 아니다.
상기 방식 중 첫번째 방법인 인쇄법을 이용하는 경우, 투명기재 상에 열전도성 재료를 포함하는 페이스트를 인쇄법에 의하여 인쇄할 수 있다. 인쇄법을 이용하는 경우 비용이 비교적 적게 소요될 뿐만 아니라 제조 공정도 간단하고, 선폭이 얇으며 정밀한 패턴선을 형성할 수 있다.
상기 인쇄법으로는 특별히 한정되지 않으며, 오프셋 인쇄, 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄 등의 인쇄법이 사용될 수 있다. 예컨대 오프셋 인쇄는 패턴이 새겨진 요판에 페이스트를 채운 후 블랑킷(blanket)이라고 부르는 실리콘 고무로 1차 전사를 시킨 후, 블랑킷과 유리를 밀착시켜 2차 전사를 시키는 방식으로 수행될 수 있으나, 이에만 한정되는 것은 아니다.
상기 블랑킷이 갖는 이형 특성으로 인하여 페이스트가 유리에 거의 대부분 전사되기 때문에 별도의 블랑킷 세정공정이 필요하지 않다. 상기 요판은 목적하는 패턴선이 새겨진 소다라임 유리를 정밀 에칭하여 제조할 수 있으며, 내구성을 위하여 유리 표면에 금속 또는 DLC(Diamond-like Carbon) 코팅을 할 수도 있다. 상기 요판은 금속판을 에칭하여 제조할 수도 있다.
본 발명에서는 보다 정밀한 패턴선을 구현하기 위하여 오프셋 인쇄법이 가장 바람직하다.
상기 열전도성 재료로는, 열전도도가 우수한 금속을 사용하는 것이 바람직하며, 구리, 은(silver) 등이 사용될 수 있고, 은이 가장 바람직하다. 본 발명에서는 상기 열전도성 재료는 입자 형태로 사용할 수 있다.
상기 페이스트는 전술한 열전도성 재료 이외에 인쇄 공정이 용이하도록 유기 바인더를 더 포함할 수도 있다. 상기 유기 바인더는 소성 공정에서 휘발되는 성질을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 페이스트와 유리와의 부착력을 향상시키기 위하여, 상기 페이스트는 글래스 프릿(Glass Frit)을 더 포함할 수 있다. 필요에 따라, 용매가 더 추가될 수 있다.
상기 페이스트는, 소성 후 인쇄 패턴의 선의 선폭이 100 ㎛ 이하, 바람직하게는 0.1 ㎛ 내지 30 ㎛ 이하가 되도록 인쇄될 수 있고, 소성 후 인쇄 패턴의 선간 간격이 50 ㎛ 내지 30 mm가 되도록 인쇄될 수 있으며, 상기 투명 기재의 표면으로부터 선의 높이가 0.2 내지 100 ㎛ 가 되도록 인쇄될 수 있다.
인쇄 패턴에서 개구율, 즉 인쇄 패턴에 의하여 덮여지지 않는 투명기재 영역의 비율은 65% 이상인 것이 바람직하고, 90% 이상인 것이 더욱 바람직하다.
상기 패턴선은, 한 예로서, 선폭 20 ㎛, 선간 간격 280 ㎛의 그리드(grid) 방식의 패턴일 수 있다.
전술한 페이스트를 인쇄법에 의하여 투명기재에 특정 패턴으로 인쇄한 후 소성 과정을 거치면 열전도성을 갖는 패턴이 형성된다. 이 때 소성온도는 특별히 아니하지만, 400 내지 700 ℃, 바람직하게는 500 내지 650 ℃로 수행할 수 있다. 투명기재로서 플라스틱 필름 또는 플라스틱 기판을 사용하는 경우 저온, 예컨대 150 내지 350 ℃에서 저온 소성을 수행할 수 있다.
상기 패턴선을 형성하는 방식 중 두번째 방법인 라미네이션 방법을 이용하는 경우, 라미네이션된 금속 박막의 패터닝은 포토리소그래피(photolithography) 또는 인쇄법을 이용하여 에칭 저항막 패터닝한 후 금속 에칭을 하는 방식을 이용할 수 있다.
상기 인쇄법에서는 5~100 ㎛의 선폭을 인쇄할 수 있는 리버스 오프셋 프린팅(reverse offset printing) 방식 또는 그라비어 오프셋(gravure offset) 방식을 사용할 수 있다. 상기의 에칭 저항층은 노블락 게열, 아크릴계열, 실리콘 계열의 물질을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 포토리소그래피를 이용하는 경우, 포토레지스트(Photoresist) 물질을 이용하여 에칭 저항층 패턴을 형성 할 수 있으며, 특히 롤 공정에 적용하기 위하여 드라이 필름 레지스트(Dry film resist)를 사용할 수도 있다.
상기 에칭 저항층 패턴은 단일광원에 의한 회절/간섭을 최소화 하기 위하여 불규칙적인 패턴이 유리하나 직경 20 cm의 임의의 원에 대한 투과율 편차가 5% 이하를 가지는 패턴 밀도를 가지는 것이 바람직하다. 또한 웨이브 패턴(wave pattern)과 같은 규칙 패턴의 경우, 패턴을 이루는 선들 간의 간격이 2 ㎜ 이상 인 것이 바람직하다.
상기 에칭 저항층을 구비한 금속 박막이 있는 투명기재를 에칭액에 침지하여 금속 박막을 식각한다. 상기 에칭액은 산성용액을 사용할 수 있다. 산성용액은 염산, 질산, 황산, 인산과 같은 강산과 포믹산(Formic acid), 부티르산(Butyric acid), 라틱산(Lactic acid), 소르빈산(Sorbic acid), 포마르산(Fumaric acid), 말릭산(Malic acid), 타르타르산(Tartaric acid), 시트르산(Citric acid)과 같은 유기산을 사용할 수 있으며 상기 용액에 과산화수소수 및 기타 첨가제를 더 첨가할 수 있다.
상기의 과정을 거쳐 얻은 패턴선이 있는 기재를 10 ㎝ X 10 ㎝로 재단한 후 한 변에 전극(버스 바) 라인을 형성하여 저항을 측정하였을 때 1 오옴[ohm] 이하, 바람직하게는 0.35 오옴을 가지는 것이 바람직하다. 이때 얻은 저항값은 면저항과 같은 의미를 지닌다.
본 발명에 있어서, 발열 패턴선 또는 비발열 패턴선은 직선일 수도 있으나, 곡선, 물결선, 지그재그선 등 다양한 변형이 가능하다.
본 발명에 있어서, 발열 패턴선과 비발열 패턴선을 포함한 전체 패턴의 면적 분포 비율은 35% 이하, 바람직하게는 10% 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 발열 패턴선과 비발열 패턴선을 포함한 전체 패턴은 도 4에 나타낸 바와 같이 보로노이 다이어그램(Voronoi diagram)을 이루는 도형들의 경계선 형태일 수 있다.
상기 전체 패턴을 보로노이 다이어그램을 이루는 도형들의 경계선 형태로 형성함으로써 전체 패턴의 분포를 균일하게 할 수 있고, 이에 의하여 빛의 회절 및 간섭에 의한 부작용을 최소화할 수 있다. 보로노이 다이어그램(Voronoi diagram)이란, 채우고자 하는 영역에 보로노이 다이어그램 제너레이터(Voronoi diagram generator)라는 점들을 배치하면, 각 점들이 다른 점들로부터의 거리에 비하여 해당 점과의 거리가 가장 가까운 영역을 채우는 방식으로 이루어진 패턴이다. 예를 들어, 전국의 대형 할인점을 점으로 표시하고 소비자들은 가장 가까운 대형 할인점을 찾아간다고 할 때, 각 할인점의 상권을 표시하는 패턴을 예로 들 수 있다. 즉, 정육각형으로 공간을 채우고 정육각형들의 각점들을 보로노이 제너레이터로 선정하면 벌집(honeycomb) 구조가 상기 패턴이 될 수 있다. 본 발명에서 보로노이 다이어그램 제너레이터를 이용하여 패턴을 형성하는 경우, 빛의 회절 및 간섭에 의한 부작용을 최소화할 수 있는 복잡한 패턴 형태를 용이하게 결정할 수 있는 장점이 있다. 도 5에 보로노이 다이어그램 제너레이터를 이용한 패턴 형성이 나타나 있다.
본 발명에서는 보로노이 다이어그램 제너레이터의 위치를 규칙 또는 불규칙하게 위치시킴으로써 상기 제너레이터로부터 파생된 패턴을 이용할 수 있다.
전체 패턴을 보로노이 다이어그램을 이루는 도형들의 경계선 형태로 형성하는 경우에도, 보로노이 다이어그램 제너레이터를 생성할 때 규칙성과 불규칙성을 적절히 조화시킬 수 있다. 예를 들어, 패턴이 들어갈 면적에 일정크기의 면적을 기본 단위(unit)로 지정한 후, 기본 단위 안에서의 점의 분포가 불규칙성을 갖도록 점을 생성한 후 보로노이 패턴을 제작할 수도 있다. 이와 같은 방법을 이용하면 패턴선의 분포가 어느 한 지점에 몰리지 않게 함으로써 시각성을 보완할 수 있다.
전술한 바와 같이, 발열체의 균일한 시각성을 위하여 패턴의 개구율이 단위면적에서 일정하게 하기 위하여 보로노이 다이어그램 제너레이터의 단위면적당 개수를 조절할 수 있다. 이 때, 보로노이 다이어그램 제너레이터의 단위면적당 개수를 균일하게 조절시 상기 단위면적은 10 cm2이하인 것이 바람직하다. 상기 보로노이 다이어그램 제너레이터의 단위면적당 개수는 10-2,500 개/cm2인 것이 바람직하고, 10~2,000 개/cm2인 것이 더욱 바람직하다.
상기 단위면적 내의 패턴을 구성하는 도형들 중 적어도 하나는 나머지 도형들과 상이한 형태를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 하나의 실시상태에 따르면, 상기 전체 패턴은 델로니 패턴을 이루는 적어도 하나의 삼각형으로 이루어진 도형들의 경계선 형태일 수 있다. 구체적으로, 상기 패턴의 형태는 델로니 패턴을 구성하는 삼각형들의 경계선 형태이거나, 델로니 패턴을 구성하는 적어도 2개의 삼각형들로 이루어진 도형들의 경계선 형태이거나, 이들의 조합 형태일 수 있다.
상기 패턴을 델로니 패턴을 이루는 적어도 하나의 삼각형으로 이루어진 도형들의 경계선 형태로 형성함으로써 전체 패턴의 분포를 균일하게 할 수 있고, 빛의 회절 및 간섭에 의한 부작용을 최소화할 수 있다. 델로니 패턴(Delaunay pattern)이란, 패턴을 채우고자 하는 영역에 델로니 패턴 제너레이터(generator)라는 점들을 배치하고, 주변에 위치한 3개의 점들을 서로 연결하여 삼각형을 그리되, 삼각형의 모든 꼭지점을 포함하는 원(circumcircle)을 그렸을 때, 상기 원 내에는 다른 점이 존재하지 않도록 삼각형을 그림으로써 형성된 패턴이다. 이와 같은 패턴을 형성하기 위하여, 델로니 페턴 제너레이터를 바탕으로 델로니 삼각형 분할(Delaunay triangulation)과 원그리기(circulation)를 반복할 수 있다. 상기 델로니 삼각형 분할은 삼각형의 모든 각의 최소 각도를 최대화하여 마른 체형의 삼각형을 피하는 방식으로 수행될 수 있다. 상기 델로니 패턴의 개념은 Boris Delaunay에 의하여 1934년에 제안되었다. 상기 델로니 패턴의 형성 예를 도 6에 도시하였다.
상기 델로니 패턴을 이루는 적어도 하나의 삼각형으로 이루어진 도형들의 경계선 형태의 패턴은 델로니 패턴 제너레이터의 위치를 규칙 또는 불규칙하게 위치시킴으로써 상기 제너레이터로부터 파생된 패턴을 이용할 수 있다. 본 발명에서 델로니 패턴 제너레이터를 이용하여 패턴을 형성하는 경우, 빛의 회절 및 간섭에 의한 부작용을 최소화할 수 있는 복잡한 패턴 형태를 용이하게 결정할 수 있는 장점이 있다.
패턴을 델로니 패턴을 이루는 적어도 하나의 삼각형으로 이루어진 도형들의 경계선 형태로 형성하는 경우, 델로니 패턴 제너레이터를 생성할 때 규칙성과 불규칙성을 적절히 조화시킬 수 있다. 예를 들어, 먼저 패턴이 들어갈 면적에 불규칙하면서 균질한 기준점을 생성한다. 이 때 불규칙하다는 것은 각 점들의 거리가 일정하지 않음을 의미하는 것이고, 균질하다는 것을 단위 면적당 포함되는 점의 개수가 동일함을 의미한다. 이와 같은 방법을 이용하면 선의 분포가 어느 한 지점에 몰리지 않게 함으로써 시각성을 보완할 수 있다.
전술한 바와 같이, 발열체의 균일한 발열 및 시각성을 위하여 패턴의 개구율을 단위면적에서 일정하게 하는 경우, 델로니 패턴 제너레이터의 단위면적당 개수를 조절하는 것이 바람직하다. 이 때, 델로니 패턴 제너레이터의 단위면적당 개수를 균일하게 조절시 상기 단위면적은 10 cm2 이하인 것이 바람직하다. 상기 델로니 패턴 제너레이터의 단위면적당 개수는 10~2,500 개/cm2인 것이 바람직하고, 10~2,000 개/cm2 인 것이 더욱 바람직하다.
상기 단위면적 내의 패턴을 구성하는 도형들 중 적어도 하나는 나머지 도형들과 상이한 형태를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 발열 패턴선과 비발열 패턴선을 포함한 전체 패턴을 전술한 보로노이 패턴 또는 델로니 패턴으로 구성함으로써 패턴에 의한 시야 방해를 최소화할 수 있다. 이와 동시에, 상기 보로노이 패턴 또는 델로니 패턴의 일부는 발열 패턴선으로 구성하고 나머지는 비발열 패턴선으로 구성함으로써 버스 바 간의 간격이 다르더라도 균일한 발열을 달성할 수 있다. 예컨대, 도 4에 도시한 바와 같이, 버스 바 간의 간격이 먼 영역에서는 도 4의 (a)와 같이 가로축으로의 연장을 짧게 구성하고, 버스 바 간의 간격이 가까운 영역에서는 도 4의 (b)와 같이 가로축으로의 연장을 길게 구성할 수 있다. 이 경우, 전술한 바와 같이, 발열 패턴선의 꼭지점의 개수를 동일한 수준으로 유지함으로써, 각 영역에서의 발열 패턴선의 길이를 동일한 수준으로 구성할 수 있고, 이에 의하여 균일한 발열을 구현할 수 있다.
본 발명에 있어서, 버스 바는 발열 패턴선 또는 비발열 패턴선의 형성과 동시에 형성할 수도 있으며 상기 패턴선과 동일 또는 상이한 인쇄 방법을 사용하여 형성할 수도 있다. 예를 들어 상기 패턴선을 오프셋 인쇄(offset printing) 방식으로 형성한 후, 스크린 프린팅을 통하여 버스 바를 형성할 수 있다. 이때 버스 바의 두께는 1 내지 100 마이크로미터가 적당하며, 바람직하게는 10 내지 50 마이크로미터이다. 1 마이크로미터 미만이 되면 상기 패턴선과 버스 바 사이의 접촉 저항이 증가하게 되어 접촉된 부분의 국부적인 발열이 될 수 있으며 100 마이크로미터를 초과하면 전극 재료 비용이 증가하게 된다. 버스 바와 전원 사이의 연결은 납땜, 전도성 발열이 좋은 구조체와의 물리적인 접촉을 통하여 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 서로 반대 전압이 인가되는 2개의 버스 바가 도 2와 같이 서로 대향하는 위치에 배치될 수도 있고, 도 3과 같이 발열체의 일측에 같은 방향의 위치에 배치될 수도 있다. 예컨대, 본 발명에 따른 발열체가 자동차 유리에 적용되는 경우 자동차에 장착될 때를 기준으로 하부에 버스 바가 위치하는 것이 바람직하다.
대향하는 위치에 배치되는 버스 바는 최소 버스 바 간의 간격이 4 cm 이상, 바람직하게는 10 cm 이상으로 위치할 수 있다. 발열체의 하단 부의 동일 선 상에 버스 바를 위치시킬 수 있으며, 이 경우 버스 바 간의 간격을 2 mm 이상, 바람직하게는 5mm 이상의 간격을 유지하도록 할 수 있다.
상기 패턴선과 버스 바를 은폐하기 위하여 블랙 패턴을 형성할 수 있다. 상기 블랙 패턴은 코발트 산화물을 함유한 페이스트를 이용하여 프린트할 수 있다. 이때 프린팅 방식은 스크린 프린팅이 적당하며, 두께는 10-100 마이크로미터가 적당하다. 상기 패턴선과 버스 바는 각기 블랙 패턴 형성 전이거나 후에 형성할 수도 있다.
본 발명에 있어서, 발열 패턴선과 비발열 패턴선은 인쇄방법이 사용되는 경우 클리쉐의 설계에 의하여, 포토리소그래피방법을 사용하는 경우에 포토마스크의 설계에 의하여 디자인될 수 있다.
본 발명에 따른 발열체는 상기 투명기재의 발열 패턴선 및 비발열 패턴선이 구비된 면에 구비된 추가의 투명기재를 포함할 수 있다. 상기 추가의 투명기재의 합착시 패턴선선과 추가의 투명기재 사이에 접합 필름을 끼워넣을 수 있다. 접합하는 과정에서 온도 및 압력을 조절할 수 있다.
하나의 구체적인 실시상태에 있어서, 패턴선이 형성되어 있는 투명기재와 추가의 투명기재 사이에 접착필름을 삽입하고, 이를 진공백에 넣어 감압하며 온도를 올리거나, 핫롤을 이용하여 온도를 올려, 공기를 제거함으로써 1차 접합을 하게 된다. 이때 압력, 온도 및 시간은 접착필름의 종류에 따라 차이가 있지만 보통 300~700 토르의 압력으로, 상온에서 100 ℃까지 온도를 점진적으로 올릴 수 있다. 이때 시간은 보통 1 시간 이내로 하는 것이 바람직하다. 1차 접합을 마친 예비 접합된 적층체는 오토클레이브에서 압력을 가하며 온도를 올리는 오토클레이빙 과정에 의하여 2차 접합 과정을 거치게 된다. 2차 접합은 접착필름의 종류에 따라 차이가 있지만, 140 bar 이상의 압력과 130~150 ℃ 정도의 온도에서 1 시간 내지 3 시간, 바람직하게는 약 2시간 수행한 후 서냉하는 것이 바람직하다.
또 하나의 구체적인 실시상태에서는 전술한 2단계의 접합 과정과는 달리 진공라미네이터 장비를 이용하여 1 단계로 접합하는 방법을 이용할 수 있다. 80~150 ℃까지 단계적으로 온도를 올리고 서냉하면서, 100 ℃까지는 감압(~5 mbar)을, 그 이후에는 가압(~1000 mbar)을 하여 접합을 할 수 있다.
상기 접합 필름의 재료로는 접착력이 있고 접합 후 투명하게 되는 어떤 물질이라도 사용할 수 있다. 예컨대 PVB 필름, EVA 필름, PU 필름 등이 사용될 수 있으나, 이들 예로만 한정되는 것은 아니다. 상기 접합 필름은 특별히 한정되지 않으나, 그 두께가 100 내지 800 마이크로미터인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 발열체는 발열을 위하여 전원에 연결될 수 있으며, 이 때 발열량은 m2 당 100 내지 700 W, 바람직하게는 200 내지 300 W인 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 발열체는 저전압, 예컨대 30V 이하, 바람직하게는 20 V 이하에서도 발열성능이 우수하므로, 자동차 등에서도 유용하게 사용될 수 있다. 상기 발열체에서의 저항은 1 오옴/스퀘어 이하, 바람직하게는 0.5 오옴/스퀘어 이하이다.
본 발명에 따른 발열체는 곡면을 이루는 형태일 수 있다.
본 발명에 따른 발열체에 있어서, 전체 패턴의 개구율, 즉 패턴에 의하여 덮여지지 않는 투명기재 영역의 비율은 65 % 이상인 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 발열체는 개구율이 65 % 이상이면서 발열 작동 후 5 분내 온도편차가 10 % 이하를 유지하면서 온도를 상승시킬 수 있는 우수한 발열 특성을 갖는다.
본 발명에 따른 발열체는 자동차, 선박, 철도, 고속철, 비행기 등 각종 운송 수단 또는 집이나 기타 건축물에 사용되는 유리에 적용될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 발열체는 균일한 발열특성을 가지고 있을 뿐만 아니라 시야방해가 없으므로, 종래기술과 달리 자동차와 같은 운송수단의 앞유리 또는 옆유리에 적용할 수도 있다. 본 발명에 따른 발열체는 특히 운송수단의 옆유리에 적용되는 경우에도 균일한 발열 및 패턴 은폐성을 나타낼 수 있다.
본 발명은 추가로 투명기재, 버스 바, 상기 버스 바와 연결된 전원부, 및 상기 투명기재 상에 구비되고 상기 버스 바에 전기적으로 연결된 발열 패턴선을 포함하고, 상기 발열 패턴선이 형성된 영역을 2 이상의 구획으로 나누었을 때 각 구획에서 상기 버스 바를 연결하는 발열 패턴선의 길이가 동일한 것을 특징으로 하는 발열체도 제공한다. 관련 내용은 전술한 설명에서 선택될 수 있다.
본 발명은 또한, 투명기재 상에 버스 바, 상기 버스 바에 전기적으로 연결된 발열 패턴선, 및 상기 버스 바와 전기적으로 연결되지 않은 비발열 패턴선을 동시에 또는 각각 형성하는 단계를 포함하는 전술한 발열체의 제조방법도 제공한다. 투명기재, 버스 바, 열선 등은 전술한 재료 및 방법에서 선택될 수 있다.
발열 패턴선이 구비된 영역을 2 이상의 구획으로 나누어, 각 구획 내에서 발열 패턴선의 길이를 동일하게 하는 경우, 각 구획 내에서는 동일한 발열선 길이에 의하여 균일한 발열이 일어나게 할 수 있을 뿐만 아니라, 구획들간의 발열을 균일하게 구성할 수도 있고, 의도적으로 구획들간의 발열을 상이하게 구성할 수도 있다. 구체적으로, 구획의 간격 및 구획들 간의 발열선 길이를 변화시킴으로써 전체 발열 면적에서 일부 영역을 의도적으로 높은 수준의 발열 영역과 낮은 수준의 발열 영역으로 구획화할 수 있다. 예컨대, 자동차 옆유리에 작용시 사이드 미러의 인접지역 영역의 구획을 타영역의 구획 대비 높은 수준의 발열 영역으로 설계시 운전자가 일차적으로 시야를 확보해야하는 사이드 미러 영역의 시계를 단시간 내에 확보할 수 있는 장점을 제공할 수 있다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 한정할 것을 의도한 것은 아니다.
실시예 1
자동차 옆유리에 발열기능을 부여하기 위하여 발열 필름을 삽입하여 발열 접합유리를 제조하였다. 본 발명 필름에 사용된 발열패턴은 보로노이 패턴을 기반으로 하고, 버스 바는 도 1에 도시된 방식으로 형성하였으며, 도 1에서 B 영역에 해당하는 패턴의 평균 피치는 2mm로 설계하였다. A 영역의 패턴 피치는 균일한 발열을 만족시키기 위하여 식 1에 따라 버스 바 간의 거리 L에 따라 W(패턴의 피치)를 2에서부터 16mm까지 조절하여 패턴을 설계하여 발열 패턴선을 형성하였다. 패턴 피치가 2mm 보다 넓어진 부분에 대해서는 비발열 패턴선을 기존 보로노이 패턴에 중첩시켜, 시각적으로는 균일한 패턴선을 형성시켰다. 이러한 방식으로 제조된 발열 접합유리를 자동차 전압인 12V 인가하였을 때 발열량은 700 W/m2 급이었으며, 발열에 의한 온도편차는 6% 이내로 형성됨으로써 균일한 발열을 이루었다.
비교예 1
비발열 패턴선을 삽입하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 발열 접합 유리를 제조하였다. 발열 특성은 동일한 특성을 보이나, 균일하지 않은 패턴 분포도에 의하여 시각적으로 패턴이 밀하고 소한 영역이 눈에 쉽게 인지되어 시야 거슬림 문제가 나타났다.

Claims (11)

  1. 투명기재, 버스 바, 상기 버스 바와 연결된 전원부, 상기 투명기재 상에 구비되고 상기 버스 바에 전기적으로 연결된 발열 패턴선, 및 상기 투명기재 상에 구비되고 상기 버스 바와 전기적으로 연결되지 않은 비발열 패턴선을 포함하는 발열체.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 투명기재는 플라스틱 필름, 플라스틱 기판 또는 유리 기판인 것인 발열체.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 발열 패턴선은 발열이 균일하게 이루어지도록 배치된 것인 발열체.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 발열 패턴선은 발열 패턴선이 구비된 영역 전체에서의 표면 온도의 표준 편차가 20% 이하가 되도록 배치된 것인 발열체.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 비발열 패턴선은, 상기 발열 패턴선과 상기 비발열 패턴선을 포함한 전체 패턴의 분포가 균일하게 되도록 배치된 것인 발열체.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 비발열 패턴선은 상기 발열 패턴선과 상기 비발열 패턴선을 포함한 전체 패턴의 직경 20cm의 원에 대한 개구율 편차가 5% 이하가 되도록 배치된 것인 발열체.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 발열 패턴선이 구비된 영역을 2 이상의 구획으로 나누었을 때 각 구획에서 상기 버스 바와 연결된 발열 패턴선의 길이가 동일한 것인 발열체.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 비발열 패턴선은, 상기 발열 패턴선과 상기 발열 패턴선을 포함한 전체 패턴의 직경 20cm의 원에 대한 개구율 편차가 5% 이하가 되도록 배치가 된 것인 발열체.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 발열 패턴선과 상기 비발열 패턴선을 포함한 전체 패턴의 형태가 보로노이 패턴 또는 델로니 패턴인 것인 발열체.
  10. 투명기재, 버스 바, 상기 버스 바와 연결된 전원부, 및 상기 투명기재 상에 구비되고 상기 버스 바에 전기적으로 연결된 발열 패턴선을 포함하고, 상기 발열 패턴선이 구비된 영역을 2 이상의 구획으로 나누었을 때 각 구획에서 상기 버스 바를 연결하는 발열 패턴선의 길이가 동일한 것인 발열체.
  11. 투명기재 상에 버스 바, 상기 버스 바에 전기적으로 연결된 발열 패턴선, 및 상기 버스 바와 전기적으로 연결되지 않은 비발열 패턴선을 동시에 또는 각각 형성하는 단계를 포함하는 청구항 1 내지 9 중 어느 하나의 항에 따른 발열체의 제조방법.
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