WO2015152575A1 - 자동차용 고효율 발열시트 - Google Patents

자동차용 고효율 발열시트 Download PDF

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WO2015152575A1
WO2015152575A1 PCT/KR2015/003061 KR2015003061W WO2015152575A1 WO 2015152575 A1 WO2015152575 A1 WO 2015152575A1 KR 2015003061 W KR2015003061 W KR 2015003061W WO 2015152575 A1 WO2015152575 A1 WO 2015152575A1
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pattern
automobiles
layer
heating sheet
high efficiency
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PCT/KR2015/003061
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송예리
예성훈
이종훈
권동주
신창학
황덕율
박환석
유다영
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(주)엘지하우시스
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    • H05B2214/04—Heating means manufactured by using nanotechnology

Definitions

  • It relates to a high efficiency heating sheet for automobiles.
  • the planar heating body using the transfer energy was applied to the battery to ensure uniformity of temperature, but there was a limit in power consumption in warming the interior temperature of the car in winter, so the effect was not large.
  • there is a need for developing a heating element for electric vehicles because a person who is in a car feels comfortable, sets a standard for a general air temperature, and an efficient way to reach the temperature. It is becoming.
  • to provide a high-efficiency heat-generating sheet for a vehicle that realizes excellent weight efficiency, uniform heating performance and excellent stability while realizing light weight.
  • a high-efficiency heating sheet for automobile comprising a laminated structure of the base layer, the first insulating layer, the carbon nanotube heating layer and the second insulating layer.
  • the base layer may include a metal plate formed of a material including at least one selected from the group consisting of aluminum, copper, gold, silver, platinum, and combinations thereof.
  • the high efficiency heating sheet for automobiles may not include an adhesive layer.
  • the substrate layer may have a thickness of about 15 ⁇ m to about 500 ⁇ m.
  • the first insulating layer and the second insulating layer may include an inorganic insulating material.
  • the inorganic insulating material is LiF, BaF 2 , TiO 2 , ZnO, SiO 2 , SiC, SnO 2 , WO 3 , ZrO 2 , HfO 2 , Ta 2 O 5 , BaTiO 3 , BaZrO 3 , Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , ZrSiO 4 , Si 3 N 4 , TiN, and combinations thereof.
  • Each of the first and second insulating layers may have a thickness of about 5 ⁇ m to about 50 ⁇ m.
  • the carbon nanotube heating layer may be patterned into a predetermined shape by coating the carbon nanotube paste on the substrate layer by a silk screen printing method.
  • the carbon nanotubes may be carbon nanotubes doped with metal.
  • the predetermined shape may include a parallel pattern or a serial pattern.
  • the parallel pattern may include a first main pattern; A second main pattern; And at least one straight line pattern connecting the first main pattern and the second main pattern.
  • the width of the straight line pattern connecting the first main pattern and the second main pattern may be about 100 ⁇ m to about 2 mm.
  • the serial pattern includes a first main pattern and a second main pattern, wherein one of the first main pattern and the second main pattern is formed as a main jig pattern; Alternatively, the method may further include one zigzag pattern connecting the first main pattern and the second main pattern.
  • a width of a zigzag pattern connecting the first main pattern and the second main pattern may be about 100 ⁇ m to about 2 mm.
  • the carbon nanotube heating layer may have a thickness of about 5 ⁇ m to about 50 ⁇ m.
  • the high-efficiency heating sheet for automobiles may further include a power supply electrically connected to the carbon nanotube heating layer and inducing heat generation of the carbon nanotube heating layer when a voltage is applied.
  • the heating temperature of the heating layer may be formed at about 50 ° C to about 130 ° C.
  • the high-efficiency heating sheet for automobiles can realize excellent energy efficiency, uniform heating performance and excellent stability while realizing light weight.
  • FIG. 1 is a schematic diagram schematically showing a cross section of a portion including a carbon nanotube heating layer in a high-efficiency heating sheet for automobiles according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 (a) is a schematic diagram schematically showing a cross section of a conventional car heating sheet.
  • Figure 2 (b) is a schematic diagram showing a cross-section of a high-efficiency heating sheet for automobiles which is an embodiment of the present invention.
  • 3 (a) and 4 (a) are schematic diagrams schematically showing an example of a parallel pattern of the carbon nanotube heating layer.
  • 3 (b) and 4 (b) are schematic diagrams schematically showing an example of a series pattern of a carbon nanotube heating layer.
  • 3 (c) and 4 (c) are schematic diagrams schematically showing another example of a series pattern of a carbon nanotube heating layer.
  • FIG. 5 is a schematic diagram schematically showing a carbon nanotube heating layer electrically connected to a power supply unit in the high-efficiency heating sheet for automobiles.
  • any configuration is formed on the “top (or bottom)" of the substrate or “top (or bottom)” of the substrate means that any configuration is formed in contact with the top (or bottom) of the substrate.
  • it is not limited to not including other configurations between the substrate and any configuration formed on (or under) the substrate.
  • a high-efficiency heating sheet for automobiles including a laminated structure of the base layer, the first insulating layer, the carbon nanotube heating layer and the second insulating layer.
  • HVAC heating, ventilation, air conditioning
  • the air-conditioning system used in the existing automobiles was reflected as the electric heating system of electric vehicles, but about 40% of the total energy of the electric vehicle batteries was consumed for heating and cooling. High efficiency is constantly required, and heat loss reduction for heating and cooling system and structural improvement of the heating sheet applied to the system are increasing.
  • the automotive high efficiency heating sheet includes a laminated structure of a base layer, a first insulating layer, a carbon nanotube heating layer, and a second insulating layer. It is possible to realize excellent performance by increasing temperature uniformity during heating. In addition, the electric vehicle to which the heating sheet is applied can control the indoor environment despite the outdoor air in winter.
  • FIG. 1 is a schematic diagram schematically showing a cross section of a portion including a carbon nanotube heating layer in a high-efficiency heating sheet for automobiles according to an embodiment of the present invention.
  • the automotive high efficiency heating sheet 100 includes a base layer 10, a first insulating layer 20, a carbon nanotube heating layer 30, and a second insulating layer 40 from below. can do.
  • the high-efficiency heating sheet for automobiles has a structure in which three thin film layers are stacked on the base layer, and may be formed based on the material of each layer, the printing technology of each layer, and the pattern design of the carbon nanotube heating layer 30.
  • the base layer 10 may include a metal plate formed of a material including at least one selected from the group consisting of aluminum, copper, gold, silver, platinum, and combinations thereof.
  • a metal plate formed of a material including at least one selected from the group consisting of aluminum, copper, gold, silver, platinum, and combinations thereof.
  • an aluminum plate having high electrical conductivity may be used as the base layer, and it is advantageous in that cracks do not occur in the aluminum plate even at an external pressure such as thermal contraction or expansion.
  • the base layer 10 may have a thickness of about 15 ⁇ m to about 500 ⁇ m. By maintaining the thickness of the base layer in the above range, the base material can be prevented from being bent, and heat can be diffused in the horizontal direction or the vertical direction during heating.
  • the first insulating layer 20 and the second insulating layer 40 may include an inorganic insulating material.
  • the inorganic insulating material is LiF, BaF 2 , TiO 2 , ZnO, SiO 2 , SiC, SnO 2 , WO 3 , ZrO 2 , HfO 2 , Ta 2 O 5 , BaTiO 3 , BaZrO 3 , Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , ZrSiO 4 , Si 3 N 4 and TiN may include one or more selected from the group consisting of.
  • the insulating material means a material that does not allow heat, and includes an insulating material formed of an inorganic material on the first insulating layer and the second insulating layer, and each layer includes the base layer and the carbon nanotube heating layer to be described later.
  • the first insulating layer prevents electric shock of the base layer when heat is generated by applying a voltage to the high efficiency heat generating sheet for automobiles
  • the second insulating layer protects a portion generated by voltage application.
  • the heating sheet can prevent the electric shock and fire in the heating module.
  • Each of the first insulating layer 20 and the second insulating layer 40 may have a thickness of about 5 ⁇ m to about 50 ⁇ m. By maintaining the thickness of the first insulating layer and the second insulating layer in the above range, it is possible to prevent cracking of the insulating layer and to prevent distortion during drying. In addition, thicknesses of the first insulating layer and the second insulating layer may be the same or different. If the thickness of each layer is the same, it is advantageous in terms of efficiency in the printing process and the heat transfer efficiency can be predicted.
  • the carbon nanotube heating layer 30 may be patterned into a predetermined shape by coating the carbon nanotube paste on the substrate layer by a silk screen printing method, for example, the predetermined shape is shown in FIGS. As shown in 4, it may comprise a parallel pattern or a serial pattern.
  • the carbon nanotube paste refers to a composition obtained by processing carbon nanotubes in the form of a paste.
  • the paste may include an organic solvent, carbon nanotubes, a filler, an organic binder, and the like. It may include one or more of single-walled carbon nanofibers or multi-walled carbon nanofibers.
  • the silk screen printing method is to make the screen of the chemical fiber tensioned to form a screen, and then to give the ink to the ink to leak only on the wire, so that the carbon nanotube paste in a predetermined pattern or shape It may be to be coated on the base layer. Since the carbon nanotube heating layer is formed by a silk screen printing method, the carbon nanotube heating layer may have a parallel pattern or a serial pattern, and by easily changing the heating portion and the heating area through the pattern, the efficiency of the heating sheet is improved. Can be improved.
  • the carbon nanotubes may be carbon nanotubes doped with metal.
  • the metal may be silver.
  • Carbon nanotubes doped with metal have a temperature resistance coefficient of nearly zero, and there is no change in resistance value even after repeated use, so it is easy to secure reliability. This is not simply corrected by mixing a carbon having a negative temperature resistance coefficient and a metal having a positive temperature resistance coefficient, but the chemical effect of the metal ion is chemically bonded to the functional group at the end of the acid-treated carbon nanotubes. Can be implemented.
  • the carbon nanotube heating layer 30 may be doped with silver on the carbon nanotubes so that the carbon nanotube paste having a sheet resistance of 10 ⁇ s / ⁇ or less may be coated by silk screen printing to be patterned into a predetermined shape. Can be.
  • the paste By directly coating the paste on the aluminum plate, adhesion to the aluminum plate, that is, the base layer may be improved, thereby reducing heat loss of the high-efficiency heating sheet for automobiles.
  • the carbon nanotube heating layer may have a thickness of about 5 ⁇ m to about 50 ⁇ m. By maintaining the thickness of the carbon nanotube heating layer uniformly in the above range it is possible to prevent the occurrence of cracks, and to ensure a certain level of durability. In addition, by maintaining the thickness in the above range, it is possible to easily change the pattern of the carbon nanotube heating layer according to the heat transfer area.
  • Figure 2 (a) is a schematic cross-sectional view of a conventional automotive heating sheet
  • Figure 2 (b) is a schematic cross-sectional view of a high-efficiency heating sheet for automobiles that is an embodiment of the present invention.
  • the conventional automotive heating sheet 101 mounted on the existing PTC heater is sequentially bonded with the metal base layer 11 and the ceramic heating layer 31 embedded therein. ), And a laminated structure in which the metal base layer 11 is laminated, thereby generating heat by applying a voltage directly to the metal base layer 11 to transfer current to the ceramic heat generating layer 31 through the adhesive layer 21. Performance can be exhibited.
  • the ceramic heating layer 31 is attached to the metal base layer through the adhesive layer 21 to increase the thickness by the adhesive layer 21 having a predetermined thickness, and firmly maintain the appearance shape for a long time. Since both sides of the adhesive layer 21 must include a metal base layer to maintain, as a result, the total thickness and weight of the heat generating sheet 101 can only be formed at a high level. In addition, the heat generation performance of the ceramic material is low, in order to generate heat to a desired level of temperature, the thickness or volume of the ceramic heating layer 31 is inevitably formed at a high level. Accordingly, the conventional automotive heating sheet 101 has a high total thickness and weight, and thus, there is a problem in that driving performance and fuel efficiency of the vehicle are further reduced.
  • the automotive high efficiency heating sheet 100 sequentially includes a laminated structure of a base layer, a first insulating layer, a carbon nanotube heating layer, and a second insulating layer, which will be described later.
  • a rivet to the carbon nanotube heating layer to directly contact the wire to apply a voltage directly, it is possible to exhibit the heat generating performance.
  • the automotive high-efficiency heating sheet 100 may be formed of a carbon nanotube material to form a heat generating layer, so that the heat generation performance is relatively increased, so that the thickness of the carbon nanotube heat generating layer may be thinly formed. By forming, it is possible to implement the heat generation performance uniformly as a whole.
  • the high-efficiency heating sheet for automobiles can realize excellent energy efficiency by improving the driving performance and fuel efficiency of the vehicle by realizing weight reduction by reducing the total thickness and weight, and at the same time uniform
  • the weight of the HVAC module to which the high-efficiency heat generating sheet 100 for automobiles is applied is about 57 g, which is about 31% less than that of a conventional PTC heater, and can heat the entire base layer area. Can reduce power consumption by about 20% compared to existing PTC heaters.
  • the high-efficiency heating sheet 100 for automobiles may further include a power source electrically connected to the carbon nanotube heating layer 30 and inducing heat generation of the carbon nanotube heating layer when a voltage is applied.
  • FIG. 5 schematically shows a schematic view of a carbon nanotube heating layer electrically connected to the power supply unit 50 in the automotive high efficiency heating sheet 100.
  • the automotive high-efficiency heating sheet 100 schematically shows a schematic diagram in which the power supply unit 50 is electrically connected to the carbon nanotube heating layer.
  • the power supply unit 50 may include a rivet 54, a wire 55, and a power supply 56.
  • the rivet 54 is a crimp fixing member, and includes, for example, a wire connecting terminal, and the like, and fixes the wire 55 to be in contact with the carbon nanotube heating layer 30. 30) and the wire 55 may serve to connect.
  • the rivet 54, the wire 55 and the power supply 56 may use a kind known in the art, and is not particularly limited.
  • a voltage for example, a voltage of about 3V to about 24V may be applied to the power supply unit 50.
  • an inrush current does not occur, and thus electrical characteristics may be ensured when the power supply unit 50 is turned on / off.
  • the high efficiency heat generating sheet mounted on the HVAC module increases the surface and the ambient temperature of the heat generating sheet uniformly, and the heat generating area can also be widened.
  • the heating temperature of the heating layer may be formed at about 50 ° C. to about 130 ° C.
  • the high-efficiency heating sheet 100 for automobiles when the same voltage is applied in heat generation performance, the heat generation temperature is higher than about 15 ° C to about 30 ° C higher than the conventional PTC heater to reach the target temperature consumed less power to reach Can be.
  • the heat generation temperature refers to the surface temperature of the carbon nanotube heat generating layer when a voltage is applied to the power supply unit 50. Heat is generated in the carbon nanotube heat generating layer by applying a voltage to the power supply unit 50. Due to the heat generated, the carbon nanotube heating layer may maintain a constant heating temperature.
  • the heat generating temperature of the heat generating layer is less than about 50 ° C, there is a concern that the heat generating effect of the heat generating sheet does not affect the overall heating and heating system, and if the heat generating temperature of the heat generating layer exceeds about 130 ° C. Heat may occur, there is a possibility that the heating and cooling system itself is not executed, and may reduce the life of the heating sheet.
  • FIG. 3 (a) and 4 (a) is a schematic diagram schematically showing an example of the parallel pattern of the carbon nanotube heating layer
  • Figure 3 (b) and Figure 4 (b) is carbon nanotube heating
  • Figure 3 (c) and Figure 4 (c) is a schematic diagram schematically showing another example of the series pattern of the carbon nanotube heating layer, as described above
  • the carbon nanotube heating layer 30 may include a parallel pattern or a series pattern.
  • the parallel pattern may include a first main pattern 31; Second main pattern 32; And one or more straight line patterns 33 connecting the first main pattern 31 and the second main pattern 32. Accordingly, the parallel pattern may be a pattern connected by the first main pattern 31, the second main pattern 32, and one or more straight line patterns 33.
  • the first main pattern 31 and the second main pattern 32 may be patterns in which the power supply unit 50 is electrically connected directly.
  • the power supply unit ( The wire 55 may be a pattern in which the wire 55 is directly contacted and connected by the wire connection terminal of the rivet 54 included in 50.
  • the wire 55 may be fixedly connected to the distal ends of the first main pattern 31 and the second main pattern 32 by the rivets 54. have.
  • each of the first main pattern 31 and the second main pattern 32 may have a width of about 100 ⁇ m to about 2 mm.
  • the first main pattern 31 and the second main pattern 32 may be a pair of main straight patterns parallel to each other at a predetermined interval, and the predetermined interval may be For example, it may be about 0.5mm to about 50mm, but is not limited thereto, and may be appropriately changed according to the size of the high efficiency heat generating sheet 100 for automobiles.
  • the one or more straight line patterns 33 connecting the first main pattern 31 and the second main pattern 32 may be formed as shown in FIGS. 3A and 4A. Orthogonal to the main pattern and the second main pattern may be connected to each other, and in the case of including a plurality of the linear pattern 33, the plurality of linear patterns 33 may be parallel to each other.
  • the width of each linear pattern connecting the first main pattern 31 and the second main pattern 32 may be about 100 ⁇ m to about 2 mm.
  • the serial pattern includes a first main pattern 31 and a second main pattern 32, wherein one of the first main pattern 31 and the second main pattern 32 is formed as a main jig pattern.
  • the zigzag pattern 34 may further include a zigzag pattern 34 connecting the first main pattern 31 and the second main pattern 32 to each other.
  • the first main pattern 31 and the second main pattern 32 may be patterns in which the power supply unit 50 is electrically connected directly.
  • the power supply unit The wire 55 may be a pattern in which the wire 55 is directly contacted by the wire connection terminal of the rivet 54 included in the 50.
  • the wire 55 may be fixedly connected to contact end portions of the first main pattern 31 and the second main pattern 32.
  • each of the first main pattern 31 and the second main pattern 32 may have a width of about 100 ⁇ m to about 2 mm.
  • one of the first main pattern 31 and the second main pattern 32 is a main zigzag pattern.
  • the other may be formed as a main straight pattern connected to the main zigzag pattern.
  • the first main pattern 31 and the second main pattern 32 have a predetermined interval. It may be a pair of main straight pattern to be parallel to each other, the predetermined interval may be, for example, about 0.5mm to about 50mm, but is not limited thereto.
  • the first main pattern 31 and the second main pattern 32 when the first main pattern 31 and the second main pattern 32 are a pair of main straight patterns, the first main pattern 31 and the second main pattern 32 ) May further include one zigzag pattern 34. That is, the one zigzag pattern 34 having a predetermined area may connect the first main pattern and the second main pattern.
  • the width of the zigzag pattern connecting the first main pattern 31 and the second main pattern 32 may be about 100 ⁇ m to about 2 mm. As the zigzag pattern maintains the width of the above range, a contact area between the first main pattern and the second main pattern is secured so that a current according to a voltage applied to the power supply unit 50 can flow, thereby preventing local heating.
  • the heat generating area of the heat generating layer by the pattern can be easily implemented.
  • the sheet resistance of the heat generating layer is about 0.5 kW / ⁇ to about 10 kW / ⁇
  • the sheet resistance of the heating layer is about 0.5 kW / ⁇ to about 10 kW / ⁇
  • the parallel pattern may be input less process cost and work time than the serial pattern.
  • the serial pattern is advantageous in terms of uniformity of heat generation compared to the parallel pattern.
  • the parallel pattern and the serial pattern are mixed, and the advantages of the straight line pattern and the zigzag pattern are simultaneously applied to the stability of the heating sheet. Both temperature and temperature uniformity can be improved.
  • a first insulating layer having a thickness of 20 ⁇ m including an inorganic insulating material composed of SiO 2 and ZnO was laminated on an aluminum plate having a thickness of 500 ⁇ m, and 30 weight parts of carbon nanotubes per 100 parts by weight of the organic solvent by silk screen printing.
  • the carbon nanotube paste including 5 parts by weight of the filler and 20 parts by weight of the organic binder was coated and coated to form a carbon nanotube heating layer having a thickness of 10 ⁇ m.
  • a second insulating layer having a thickness of 20 ⁇ m including an inorganic insulating material composed of SiO 2 and ZnO was formed on the carbon nanotube heating layer to manufacture a high efficiency heating sheet for automobiles.
  • the high-efficiency heating sheet for the vehicle used an electric vehicle heater applied to the heat core (Heat Core) for the electric vehicle.
  • the PTC heater (PTC Polo, HVAC system) was applied to the heat core (Heat Core) for electric vehicles.
  • the PTC heater (PTC Polo, HVAC system) is a heating sheet formed of a laminated structure of a 500 ⁇ m thick aluminum plate, an adhesive layer embedded with a 1.8 mm thick ceramic heating layer, and a 500 ⁇ m thick aluminum plate. Included.
  • the exothermic temperature of the heat generating sheet was measured to be about 30 ° C. or more higher than the heat generating temperature of the heat generating sheet of the comparative example. It was confirmed that it is superior to the performance of the heating sheet.
  • Module performance evaluation The heaters of the above-described examples and comparative examples are mounted on a normal HVAC module, and voltages (8V and 6V) are applied to the power supply unit with the same power (210W), and then the temperature is set in an electric vehicle using a thermometer. And the maximum surface temperature of the heater was measured and the results are shown in Table 2 below.
  • the weight of the heating sheet according to the embodiment is further reduced to effectively realize the weight reduction can be clearly expected that the driving performance and fuel efficiency of the vehicle is improved to implement more excellent energy efficiency.

Landscapes

  • Resistance Heating (AREA)
  • Surface Heating Bodies (AREA)
  • Air-Conditioning For Vehicles (AREA)
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Abstract

기재층, 제1절연층, 탄소나노튜브 발열층 및 제2절연층의 적층구조를 포함하는 자동차용 고효율 발열시트를 제공한다.

Description

자동차용 고효율 발열시트
자동차용 고효율 발열시트에 관한 것이다.
전기 자동차의 개발이 가속화되면서 종래 자동차에서는 문제가 되지 않았던 난방 시스템에 대한 관심이 급증하고 있다. 종래 자동차에서는 공기취입식(Air-blowing system) 난방체를 사용하였으나, 전기 자동차는 별도의 난방 수단을 가지고 있지 않으며 전기 자동차의 배터리는 겨울철에 외부 온도가 급감하여 영하 약 10°C 이하가 되면 연비 및 효율이 감소하는 단점을 가지고 있었다.
상기의 단점을 극복하기 위해 전달 에너지를 이용한 면상난방체를 배터리에 적용하여 온도의 균일성을 확보하였으나, 동절기에 차 내부 온도를 따뜻하게 하는데에는 소비 전력의 한계가 있어 그 효과가 크지 않았다. 또한 차에 탑승하는 사람이 쾌적하다고 느끼고, 일반적으로 통용할 수 있는 대기 온도의 기준을 정하고, 그 온도에 도달할 수 있는 효율적인 방법이 필요한바, 전기 자동차에 적용하기 위한 난방체 개발의 필요성이 대두되고 있다.
본 발명의 일 구현예서, 경량화를 실현하면서도 우수한 에너지 효율, 균일한 발열 성능 및 우수한 안정성을 구현하는 자동차용 고효율 발열시트를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 기재층, 제1절연층, 탄소나노튜브 발열층 및 제 2절연층의 적층구조를 포함하는 자동차용 고효율 발열시트를 제공한다.
상기 기재층은 알루미늄, 구리, 금, 은, 백금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 재질로 형성된 금속 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 자동차용 고효율 발열시트는 접착층을 포함하지 않을 수 있다.
상기 기재층의 두께는 약 15㎛ 내지 약 500㎛일 수 있다.
상기 제1절연층 및 제2절연층은 무기 절연물질을 포함할 수 있다.
상기 무기 절연물질은 LiF, BaF2, TiO2, ZnO, SiO2, SiC, SnO2, WO3, ZrO2, HfO2, Ta2O5, BaTiO3, BaZrO3, Al2O3, Y2O3, ZrSiO4, Si3N4,TiN 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 제1절연층 및 제2절연층 각각의 두께는 약 5㎛ 내지 약 50㎛일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 발열층은 상기 기재층 상부에 탄소나노튜브 페이스트가 실크 스크린 인쇄방식으로 코팅되어 소정의 형상으로 패턴화될 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 금속을 도핑한 탄소나노튜브일 수 있다.
상기 소정의 형상은 병렬 패턴 또는 직렬 패턴을 포함할 수 있다.
상기 병렬 패턴은 제 1 메인 패턴; 제 2 메인 패턴; 및 상기 제 1 메인 패턴 및 상기 제 2 메인 패턴을 연결하는 하나 이상의 직선 패턴;을 포함할 수 있다.
상기 제 1 메인 패턴 및 상기 제 2 메인 패턴을 연결하는 직선 패턴의 폭은 약 100㎛ 내지 약 2 mm일 수 있다.
상기 직렬 패턴은 상기 직렬 패턴은 제 1 메인 패턴 및, 제 2 메인 패턴을 포함하고, 상기 제 1 메인 패턴 및 상기 제 2 메인 패턴 중 하나가 메인 지그지그 패턴으로 형성되거나; 또는 상기 제 1 메인 패턴 및 상기 제 2 메인 패턴을 연결하는 하나의 지그재그 패턴을 추가로 포함할 수 있다
상기 제 1 메인 패턴 및 상기 제 2 메인 패턴을 연결하는 지그재그 패턴의 폭은 약 100㎛ 내지 약 2mm일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 발열층의 두께는 약 5㎛ 내지 약 50㎛일 수 있다.
상기 자동차용 고효율 발열시트는 상기 탄소나노튜브 발열층에 전기적으로 연결되고 전압 인가시 상기 탄소나노튜브 발열층의 발열을 유도하는 전원부를 더 포함할 수 있다.
상기 전원부에 전압 인가시 상기 발열층의 발열온도는 약 50°C 내지 약 130°C로 형성될 수 있다.
상기 자동차용 고효율 발열시트는 경량화를 실현하면서도 우수한 에너지 효율, 균일한 발열 성능 및 우수한 안정성을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 구현예에 따른 자동차용 고효율 발열시트에서 탄소나노튜브 발열층이 포함된 부분의 단면을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2(a)는 종래의 자동차용 발열시트의 단면을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 2(b)는 본 발명의 일 실시예인 자동차용 고효율 발열시트의 단면을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3의 (a) 및 도 4의 (a)는 탄소나노튜브 발열층의 병렬 패턴의 일 예시를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3의 (b) 및 도 4의 (b)는 탄소나노튜브 발열층의 직렬 패턴의 일 예시를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 3의 (c) 및 도 4의 (c)는 탄소나노튜브 발열층의 직렬 패턴의 다른 예시를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 5는 상기 자동차용 고효율 발열시트에서 전원부가 전기적으로 연결된 탄소나노튜브 발열층을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계 없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위해서 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
이하에서 기재의 “상부 (또는 하부)” 또는 기재의 “상 (또는 하)”에 임의의 구성이 형성된다는 것은, 임의의 구성이 상기 기재의 상면 (또는 하면)에 접하여 형성되는 것을 의미할 뿐만 아니라, 상기 기재와 기재 상에 (또는 하에) 형성된 임의의 구성 사이에 다른 구성을 포함하지 않는 것으로 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 기재층, 제1절연층, 탄소나노튜브 발열층 및 제2절연층의 적층구조를 포함하는 자동차용 고효율 발열시트를 제공한다.
통상의 자동차가 포함하고 있는 냉난방공조(Heating, Ventilation, Air Conditioning, HVAC) 시스템은 자동차의 실내 환경 제어에서 핵심적인 기술이다. 그러나, 통상의 자동차 난방에 사용되는 PTC 히터는 냉각수를 직접 가열하여 열을 전도하는 방식으로, 냉각수의 온도를 높이는데 장시간이 소비되며, 별도의 펌프와 금속판, 냉각수에 의해 중량이 증가한다는 단점이 있었다.
또한, 전기자동차의 냉난방시스템으로 기존 자동차에 사용하고 있는 냉난방시스템이 반영되었으나, 전기자동차 배터리의 총 에너지 중 약 40%의 전력이 냉난방에 소모되는 문제점으로 인해, 주행거리 감소로 냉난방시스템의 슬림화 및 고효율과가 지속적으로 요구되고 있으며 냉난방 시스템에 대한 열손실 감소 및 상기 시스템에 적용되는 발열시트의 구조적 개선이 증가하고 있다.
이에, 상기 자동차용 고효율 발열시트는 기재층, 제1절연층, 탄소나노튜브 발열층 및 제2절연층의 적층구조를 포함하는바, 냉난방시스템에 상기 자동차용 고효율 발열시트를 사용함으로써 소모전력이 절감되며, 발열시 온도의 균일성이 증가하여 우수한 성능을 구현할 수 있다. 또한, 상기 발열시트가 적용된 전기자동차는 겨울철 외기에도 불구하고 실내환경을 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 구현예에 따른 자동차용 고효율 발열시트에서 탄소나노튜브 발열층이 포함된 부분의 단면을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 1을 참고하면, 상기 자동차용 고효율 발열시트(100)는 아래부터 기재층(10), 제1절연층(20), 탄소나노튜브 발열층(30), 제2절연층(40)을 포함할 수 있다. 상기 자동차용 고효율 발열시트는 기재층 상부에 3개의 박막층이 적층된 구조를 가지고, 각층의 소재, 각층의 인쇄기술 및 상기 탄소나노튜브 발열층(30)의 패턴설계를 바탕으로 형성될 수 있다.
상기 기재층(10)은 알루미늄, 구리, 금, 은, 백금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 재질로 형성된 금속 플레이트를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 기재층으로 전기전도성이 높은 알루미늄 플레이트를 사용할 수 있고, 열수축이나 팽창등의 외부 압력시에도 상기 알루미늄 플레이트에 크랙이 발생하지 않다는 점에서 유리하다.
상기 기재층(10)의 두께는 약 15㎛ 내지 약 500㎛일 수 있다. 상기 기재층이 상기 범위의 두께를 유지함으로써 기재의 휘어짐을 방지하고, 발열시 열이 수평방향 또는 수직방향으로 확산되도록 할 수 있다.
상기 제1절연층(20) 및 제2절연층(40)은 무기 절연물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 무기 절연물질은 LiF, BaF2, TiO2, ZnO, SiO2, SiC, SnO2, WO3, ZrO2, HfO2, Ta2O5, BaTiO3, BaZrO3, Al2O3, Y2O3, ZrSiO4, Si3N4 및 TiN으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
절연물질은 열을 통하게 하지 않는 물질을 의미하는바, 상기 제1절연층 및 제2절연층에 무기소재로 형성된 절연물질을 포함하고, 각각의 층이 상기 기재층과 후술할 탄소나노튜브 발열층을 분리함으로써 감전을 방지하는 역할을 수행할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1절연층은 상기 자동차용 고효율 발열시트에 전압이 인가됨으로써 발열이 진행되는 경우 기재층의 감전을 방지하고, 상기 제2절연층은 전압 인가에 의해 발열되는 부분을 보호하고, 상기 발열시트가 난방모듈 내에서 감전 및 화재를 방지할 수 있게 한다.
상기 제1절연층(20) 및 제2절연층(40) 각각의 두께는 약 5㎛ 내지 약 50㎛일 수 있다. 상기 제1절연층 및 상기 제2절연층이 각각 상기 범위의 두께를 유지함으로써 절연층의 크랙을 방지하고 건조시 뒤틀림이 생기지 않게 할 수 있다. 또한, 상기 제1절연층 및 상기 제2절연층의 두께는 각각 같거나 다를 수 있다. 각층의 두께가 동일한 경우 인쇄 공정상 효율면에서 유리하며 열전달 효율을 예측할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 발열층(30)은 상기 기재층 상부에 탄소나노튜브 페이스트가 실크 스크린 인쇄방식으로 코팅되어 소정의 형상으로 패턴화될 수 있고, 예를 들어, 상기 소정의 형상은 도 3 및 도 4에 나타난 바와 같이, 병령 패턴 또는 직렬 패턴을 포함할 수 있다. 상기 탄소나노튜브 페이스트는 탄소나노튜브를 페이스트 형태로 가공한 조성물을 일컫는바, 예를 들어, 상기 페이스트는 유기용매, 탄소나노튜브, 충진제 및 유기 결합제등을 포함할 수 있고, 상기 탄소나노튜브는 단일벽 탄소나노섬유 또는 다중벽 탄소나노섬유 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 실크 스크린 인쇄방식은 화학섬유의 천을 팽팽하게 하여 스크린으로 하고 화선부를 형성한 뒤, 그 위에 잉크를 부여하여 화선부에만 잉크를 새어나가게 하는 방식으로써, 상기 탄소나노튜브 페이스트를 일정한 패턴이나 모양으로 상기 기재층 상부에 코팅되게 할 수 있다. 상기 탄소나노튜브 발열층이 실크 스크린 인쇄방식으로 형성됨으로써, 상기 탄소나노튜브 발열층이 병렬 패턴 또는 직렬 패턴을 가질 수 있고, 패턴을 통해 발열부위 및 발열면적을 손쉽게 변경함으로써, 발열시트의 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 탄소나노튜브는 금속을 도핑한 탄소나노튜브일 수 있다. 이때, 상기 금속은 은일 수 있다. 금속을 도핑한 탄소나노튜브는 온도 저항계수가 거의 0에 가까우며, 반복적인 사용에도 저항수치의 변화가 없어서 신뢰성 확보가 용이하다. 이는 단순히 음의 온도저항계수를 갖는 카본과 양의 온도저항계수를 갖는 금속의 혼합으로만 보정이 되는 것이 아니라, 산처리된 탄소나노튜브의 말단의 기능기에 금속이온이 화학적으로 결합함으로써 상기 효과를 구현할 수 있다.
예를 들어, 상기 탄소나노튜브 발열층(30)은 탄소나노튜브에 은을 도핑하여 10Ω/□이하의 면저항을 갖는 탄소나노튜브 페이스트가 실크 스크린 인쇄방식에 의해 코팅되어 소정의 형상으로 패턴화될 수 있다. 상기 페이스트를 알루미늄 플레이트에 직접 코팅함으로써 알루미늄 플레이트, 즉 기재층과의 밀착성이 향상되어 자동차용 고효율 발열시트의 열손실을 감소시킬 수 있다.
상기 탄소나노튜브 발열층의 두께는 약 5㎛ 내지 약 50㎛일 수 있다. 상기 탄소나노튜브 발열층의 두께를 상기 범위로 균일하게 유지함으로써 크랙 발생을 방지할 수 있고, 일정수준의 내구성을 확보할 수 있다. 또한, 상기 범위의 두께를 유지함으로써, 열전달 면적에 따른 탄소나노튜브 발열층의 패턴을 쉽게 변경할 수 있다.
도 2(a)는 종래의 자동차용 발열시트의 단면을, 도 2(b)는 본 발명의 일 실시예인 자동차용 고효율 발열시트의 단면을 개략적으로 나타낸 모식도이다.
구체적으로, 도 2(a)에 나타난 바와 같이, 기존 PTC히터에 장착된 종래의 자동차용 발열시트(101)는 순차적으로 금속 기재층(11), 세라믹 발열층(31)이 매몰된 접착층(21), 및 금속 기재층(11)이 적층된 적층 구조를 포함하고, 그에 따라 금속 기재층(11)에 직접 전압을 인가하여 접착층(21)을 통해 세라믹 발열층(31)에 전류를 전달함으로써 발열 성능을 발휘할 수 있다.
이러한 종래의 자동차용 발열시트(101)는 세라믹 발열층(31)이 접착층(21)을 매개로 금속 기재층에 부착됨으로써 일정 두께의 접착층(21)에 의해 두께가 증가하고, 장기간 외관 형상을 견고히 유지하기 위해 접착층(21)의 양 면 모두에 금속 기재층을 포함해야 하므로 결과적으로 발열시트(101)의 총 두께 및 중량을 높은 수준으로 형성할 수 밖에 없다. 또한, 세라믹 재질의 발열 성능이 낮아 원하는 수준의 온도까지 발열을 시키기 위해서는 세라믹 발열층(31)의 두께 또는 부피를 높은 수준으로 형성할 수 밖에 없다. 그에 따라, 종래의 자동차용 발열시트(101)는 총 두께 및 중량이 높아, 자동차의 구동성능 및 연비 효율이 더욱 저하되는 문제가 있다.
게다가, 금속 기재층 자체에 전류가 흐르기 때문에 사용 과정에서 돌입 전류(rush current)가 쉽게 발생하여 국소 부위에서 과도한 발열이 발생할 수 있고, 그에 따라 화재의 위험성이 높은 수준이다.
그러나, 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 자동차용 고효율 발열시트(100)는 순차적으로, 기재층, 제1절연층, 탄소나노튜브 발열층, 및 제2절연층의 적층 구조를 포함하고, 후술하는 전원부에 기재된 바와 같이, 상기 탄소나노튜브 발열층에 리벳을 사용하여 전선을 직접 접하도록 하여 전압을 직접 인가하여 전류를 전달함으로써 발열 성능을 발휘할 수 있다.
이와 같이, 상기 자동차용 고효율 발열시트(100)는 탄소나노튜브 재질로 발열층을 형성하여 상대적으로 발열 성능이 증가함으로써 탄소나노튜브 발열층의 두께를 얇게 형성할 수 있고, 또한, 이를 패턴화하여 형성함으로써 전체적으로 균일하게 발열 성능을 구현할 수 있다.
이와 동시에, 접착층(21)을 포함하지 않고 절연층을 포함함으로써 기재층을 하나만 포함할 수 있어 발열시트의 두께 및 중량을 감소시킬 수 있으면서 돌입 전류의 발생을 효과적을 방지할 수 있다.
그 결과, 본 발명의 일 구현예에 따른 자동차용 고효율 발열시트는 총 두께 및 중량이 감소하여 경량화를 실현하여 자동차의 구동 성능 및 연비 효율을 향상시킴으로써 우수한 에너지 효율을 구현할 수 있고, 이와 동시에 균일한 발열 성능 및 우수한 안정성을 구현할 수 있는 이점이 있다.
하나의 예시로서, 효율면에서 상기 자동차용 고효율 발열시트(100)가 적용된 HVAC 모듈의 무게는 약 57g내외로 종래 PTC 히터와 대비하여 약 31% 감소하였고, 기재층 면적 전체를 발열시킬 수 있다는 점에서 기존 PTC 히터와 대비하여 소비전력을 약 20% 절감할 수 있다.
상기 자동차용 고효율 발열시트(100)는 상기 탄소나노튜브 발열층(30)에 전기적으로 연결되며 전압 인가시 상기 탄소나노튜브 발열층의 발열을 유도하는 전원부를 더 포함할 수 있다. 도 5는 상기 자동차용 고효율 발열시트(100)에서 전원부(50)가 전기적으로 연결된 탄소나노튜브 발열층의 모식도를 개략적으로 나타낸다.
상기 자동차용 고효율 발열시트(100)에서 상기 탄소나노튜브 발열층에 상기 전원부(50)가 전기적으로 연결된 모식도를 개략적으로 나타낸다.
상기 전원부(50)는 리벳(rivet)(54), 전선(55) 및 전원공급장치(56)를 포함할 수 있다.
상기 리벳(54)은 압착 고정 부재로서, 예를 들어, 전선 연결단자 등을 포함하여, 상기 전선(55)이 상기 탄소나노튜브 발열층(30)에 접하도록 고정시켜 상기 탄소나노튜브 발열층(30) 및 상기 전선(55)을 연결시키는 역할을 할 수 있다.
상기 리벳(54), 상기 전선(55) 및 상기 전원공급장치(56)는 이 기술분야에서 공지된 종류를 사용할 수 있고, 특별히 제한되는 것은 아니다.
상기 전원부(50)에 전압, 구체적으로 약 3V 내지 약 24V의 전압이 인가될 수 있고, 이 때, 돌입 전류가 발생하지 않아 전원부(50)를 ON/OFF하는 경우 안정을 확보할 수 있다는 전기적 특성을 가질 수 있다. 또한, HVAC 모듈에 장착된 고효율 발열시트로 인해 발열시트의 표면 및 주위 온도가 균일하게 증가하며, 발열면적 또한 넓어질 수 있다.
상기 전원부(50)에 전압 인가시 상기 발열층의 발열온도는 약 50°C 내지 약 130°C로 형성될 수 있다. 상기 자동차용 고효율 발열시트(100)는 발열 성능에 있어서 동일 전압 인가시 발열온도가 기존의 PTC히터에 비해 약 15°C 내지 약 30°C도 높아 목표한 타겟 온도까지 적은 전력을 소모하여 도달할 수 있다. 상기 발열온도는 상기 전원부(50)에 전압 인가시 상기 탄소나노튜브 발열층의 표면온도를 일컫는바, 상기 전원부(50)에 전압이 가해짐으로써 탄소나노튜브 발열층에 열이 발생하고, 이 때 발생하는 열로 인해 상기 탄소나노튜브 발열층이 일정한 발열온도를 유지할 수 있다.
구체적으로, 상기 발열층의 발열온도가 약 50°C미만인 경우 냉난방시스템 전반에 발열시트의 발열효과가 영향을 미치지 아니할 염려가 있고, 상기 발열층의 발열온도가 약 130°C를 초과하는 경우 과다한 발열이 생길 수 있으며, 냉난방시스템의 자체가 실행되지 않을 가능성이 있으며, 발열시트의 수명을 줄어들게 할 수 있다.
도 3의 (a) 및 도 4의 (a)는 탄소나노튜브 발열층의 병렬 패턴의 일 예시를 개략적으로 나타낸 모식도이고, 도 3의 (b) 및 도 4의 (b)는 탄소나노튜브 발열층의 직렬 패턴의 일 예시를 개략적으로 나타낸 모식도이며, 도 3의 (c) 및 도 4의 (c)는 탄소나노튜브 발열층의 직렬 패턴의 다른 예시를 개략적으로 나타낸 모식도로서, 이와 같이, 상기 탄소나노튜브 발열층(30)은 병렬 패턴 또는 직렬 패턴을 포함할 수 있다.
상기 병렬 패턴은 제 1 메인 패턴(31); 제 2 메인 패턴(32); 및 상기 제 1 메인 패턴(31) 및 상기 제 2 메인 패턴(32)을 연결하는 하나 이상의 직선 패턴(33)을 포함할 수 있다. 그에 따라, 상기 병렬 패턴은 제 1 메인 패턴(31), 제 2 메인 패턴(32) 및 하나 이상의 직선 패턴(33)으로 연결된 패턴일 수 있다.
상기 제 1 메인 패턴(31) 및 상기 제 2 메인 패턴(32)은 상기 전원부(50)를 더 포함하는 경우 상기 전원부(50)가 전기적으로 직접 연결되는 패턴일 수 있고, 구체적으로, 상기 전원부(50)에 포함된 상기 리벳(54)의 전선 연결단자에 의해 전선(55)이 직접 접하여 연결되는 패턴일 수 있다. 예를 들어, 상기 전선(55)은 도 5에 나타난 바와 같이, 상기 리벳(54)에 의해 상기 제 1 메인 패턴(31) 및 상기 제 2 메인 패턴(32)의 말단부에 접하도록 고정되어 연결될 수 있다.
또한, 상기 제 1 메인 패턴(31) 및 상기 제 2 메인 패턴(32) 각각의 폭은 약 100㎛ 내지 약 2mm일 수 있다.
예를 들어, 상기 병렬 패턴에서, 상기 제 1 메인 패턴(31) 및 상기 제 2 메인 패턴(32)은 소정의 간격을 두고 서로 평행하는 한 쌍의 메인 직선 패턴일 수 있고, 상기 소정의 간격은 예를 들어, 약 0.5mm 내지 약 50mm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니고, 상기 자동차용 고효율 발열시트(100)의 크기에 따라 적절히 변경될 수 있다.
상기 제 1 메인 패턴(31) 및 상기 제 2 메인 패턴(32)을 연결하는 상기 하나 이상의 직선 패턴(33)은 도 3의 (a) 및 도 4의 (a)에 나타난 바와 같이, 상기 제 1 메인 패턴과 상기 제 2 메인 패턴에 대하여 직교하여 이들을 연결할 수 있고, 상기 직선 패턴(33)을 복수로 포함하는 경우 상기 복수의 직선 패턴(33)은 서로 평행할 수 있다.
구체적으로, 상기 제 1 메인 패턴(31) 및 상기 제 2 메인 패턴(32)을 연결하는 각각의 직선 패턴의 폭은 약 100㎛ 내지 약 2mm일 수 있다. 병렬 패턴에서 상기 직선 패턴의 폭 범위를 유지함으로써 탄소나노튜브 발열층의 면적을 용이하게 확보할 수 있고, 패턴형상에 따른 발열층의 면적을 쉽게 변화시킬 수 있다.
상기 직렬 패턴은 제 1 메인 패턴(31) 및, 제 2 메인 패턴(32)을 포함하고, 상기 제 1 메인 패턴(31) 및 상기 제 2 메인 패턴(32) 중 하나가 메인 지그지그 패턴으로 형성되거나; 또는 상기 제 1 메인 패턴(31) 및 상기 제 2 메인 패턴(32)을 연결하는 하나의 지그재그 패턴(34)을 추가로 포함할 수 있다.
상기 제 1 메인 패턴(31) 및 상기 제 2 메인 패턴(32)은 상기 전원부(50)를 더 포함하는 경우 상기 전원부(50)가 전기적으로 직접 연결되는 패턴일 수 있고, 예를 들어, 상기 전원부(50)에 포함된 상기 리벳(54)의 전선 연결단자에 의해 전선(55)이 직접 접하여 연결되는 패턴일 수 있다. 예를 들어, 상기 전선(55)은 도 5에 나타난 바와 같이, 상기 제 1 메인 패턴(31) 및 상기 제 2 메인 패턴(32)의 말단부에 접하도록 고정되어 연결될 수 있다.
또한, 상기 제 1 메인 패턴(31) 및 상기 제 2 메인 패턴(32) 각각의 폭은 약 100㎛ 내지 약 2mm일 수 있다.
예를 들어, 상기 직렬 패턴에서 도 3의 (b) 및 도 4의 (b)에 나타난 바와 같이, 상기 제 1 메인 패턴(31) 및 상기 제 2 메인 패턴(32) 중 하나가 메인 지그재그 패턴으로 형성되는 경우 다른 하나가 상기 메인 지그재그 패턴과 연결된 메인 직선 패턴으로 형성될 수 있다.
또한, 예를 들어, 상기 직렬 패턴에서는 도 3의 (c) 및 도 4의 (c)에 나타난 바와 같이, 상기 제 1 메인 패턴(31) 및 상기 제 2 메인 패턴(32)은 소정의 간격을 두고 서로 평행하는 한 쌍의 메인 직선 패턴일 수도 있고, 상기 소정의 간격은 예를 들어, 약 0.5mm 내지 약 50mm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이와 같이, 상기 직렬 패턴에서, 상기 제 1 메인 패턴(31) 및 상기 제 2 메인 패턴(32)이 한 쌍의 메인 직선 패턴인 경우 상기 제 1 메인 패턴(31) 및 상기 제 2 메인 패턴(32)을 연결하는 하나의 지그재그 패턴(34)을 추가로 포함할 수 있다. 즉, 일정면적을 가지는 상기 하나의 지그재그패턴(34)이 제 1 메인 패턴과 제 2 메인 패턴을 연결할 수 있다.
상기 제 1 메인 패턴(31) 및 상기 제 2 메인 패턴(32)을 연결하는 지그재그 패턴의 폭은 약 100㎛ 내지 약 2mm일 수 있다. 상기 지그재그 패턴이 상기 범위의 폭을 유지함으로써 제 1 메인 패턴 및 제 2 메인 패턴과의 접촉면적을 확보하여 전원부(50)에 인가된 전압에 따른 전류가 흐를 수 있고, 국부적인 가열을 방지함으로써 직렬 패턴에 의한 발열층의 발열면적을 용이하게 구현할 수 있다.
상기 발열층이 병렬 패턴을 포함하는 경우 발열층의 면저항은 약 0.5Ω/□ 내지 약 10Ω/□, 상기 발열층이 직렬 패턴을 포함하는 경우 발열층의 면저항은 약 0.5Ω/□ 내지 약 10Ω/□ 인바, 발열층이 병렬 패턴을 포함하는 경우 더 적은 면저항을 가짐으로써 전류가 원활히 흐를 수 있다는 면에서 유리하다. 또한, 병렬 패턴이 직렬 패턴에 비해 공정비용 및 작업시간이 비해 적게 투입될 수 있다.
그러나, 국부적이 가열을 방지한다는 면에서는 병렬 패턴에 비해 직렬 패턴이 발열의 균일성 면에서는 유리한바, 병렬 패턴 및 직렬 패턴을 혼합하여, 직선 패턴과 지그재그 패턴의 장점을 동시에 접목시킴으로써 발열시트의 안정성과 온도 균일성을 모두 개선할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
<실시예 및 비교예>
실시예
두께가 500㎛인 알루미늄 플레이트 상부에 SiO2 및 ZnO로 이루어진 무기절연물질을 포함하는 두께가 20㎛인 제1절연층을 적층시키고, 실크 스크린 인쇄방식으로 유기용매 100중량부에 대하여 탄소나노튜브 30중량부, 충진제 5중량부, 유기 결합체 20중량부를 포함한 탄소나노튜브 페이스트를 도포 및 코팅하여 두께가 10㎛인 탄소나노튜브 발열층을 형성하였다. 그 후 상기 탄소나노튜브 발열층 상부에 SiO2 및 ZnO로 이루어진 무기절연물질을 포함하는 두께가 20㎛인 제2절연층을 형성하여 자동차용 고효율 발열시트를 제조하였다.
이 때, 상기 자동차용 고효율 발열시트가 전기자동차용 히트코어(Heat Core)에 적용된 전기자동차용 히터를 사용하였다.
비교예
PTC 히터(PTC Polo, HVAC system)를 전기자동차용 히트코어(Heat Core)에 적용하여 사용하였다. 구체적으로, PTC 히터(PTC Polo, HVAC system)는 순차적으로, 500㎛ 두께의 알루미늄 플레이트, 1.8mm 두께의 세라믹 발열층이 매몰된 접착층, 및 500㎛ 두께의 알루미늄 플레이트의 적층 구조로 형성된 발열시트를 포함하였다.
<실험예> - 자동차용 고효율 발열시트의 발열 특성
1) 히터 성능 평가: 상기 실시예 및 비교예 히터의 전원부에 하기 표 1에 기재된 각각의 전력으로 전압을 인가 한 후, 각 발열시트의 발열온도를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
표 1
3V 6V 8V
실시예 Heating power(W) 209 210 212
Air mass flow(kg/min) 1.34 2.94 3.95
Temp difference(℃) 14 10 9
Max. heat core temp.(℃) 115 78 72
비교예 Heating power(W) 206 211 207
Air mass flow(kg/min) 1.36 2.97 4.16
Temp difference(℃) 11 5 5
Max. heat core temp.(℃) 75 47 43
상기 표 1을 참고하면, 실시예 발열시트의 발열온도가 비교예 발열시트의 발열온도에 비해 약 30℃ 이상 높은 것으로 측정되었는바, 같은 전력 및 같은 전압 인가시 실시예의 발열시트의 성능이 비교예 발열시트의 성능에 비해 우수함을 확인하였다.
2) 모듈 성능 평가: 상기 실시예 및 비교예의 히터를 통상의 HVAC 모듈에 장착하고, 동일한 전력(210W)으로 전원부에 전압(8V, 6V)을 인가한 후 써모미터를 사용하여 전기자동차내 실내온도 및 히터의 최대 표면온도를 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
표 2
8V(4kg/min) 6V(3kg/min)
실시예 Air Temperature 증가폭(K) 9 10
Maximum Surface Temp.(℃) 72 78
비교예 Air Temperature 증가폭(K) 5 5
Maximum Surface Temp.(℃) 43 47
상기 표 2를 참고하면, 실시예의 히터를 사용한 경우가 비교예의 히터를 사용한 경우에 비해 전기자동차내 실내온도 및 히터의 최대 표면온도가 높았는바, 전원부에 같은 전력 및 같은 전압 인가시 실시예의 히터가 소모전력 대비 비교예의 히터에 비해 보다 고성능임을 알 수 있었다. 즉, 동일 전압 하에 실시예에 따른 발열시트의 발열 성능이 더 우수함을 명확히 확인할 수 있었다.
3) 중량 평가: 실시예 및 비교예에 따른 발열시트의 각 중량을 저울(일본 AND 社, GF-4000)로 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.
표 3
중량(g)
실시예 58
비교예 89
상기 표 3를 참고하면, 실시예에 따른 발열시트의 중량이 더욱 감소되어 경량화를 효과적으로 실현함으로써 자동차의 구동 성능 및 연비 효율이 향상되어 더욱 우수한 에너지 효율을 구현함을 명확히 예상할 수 있다.
<부호의 설명>
100 : 자동차용 고효율 발열시트
10: 기재층
20: 제1절연층
21: 접착층
30: 탄소나노튜브 발열층
31: 세라믹 발열층
31: 제 1 메인패턴, 32: 제 2 메인패턴,
33: 직선 패턴, 34: 지그재그패턴
40: 제2절연층
50: 전원부
54: 리벳
55: 전선
56: 전원공급장치

Claims (17)

  1. 기재층, 제1절연층, 탄소나노튜브 발열층 및 제2절연층의 적층구조를 포함하는
    자동차용 고효율 발열시트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기재층은 알루미늄, 구리, 금, 은, 백금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 재질로 형성된 금속 플레이트를 포함하는
    자동차용 고효율 발열시트.
  3. 제1항에 있어서,
    접착층을 포함하지 않는
    자동차용 고효율 발열시트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기재층의 두께는 15㎛ 내지 500㎛인
    자동차용 고효율 발열시트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1절연층 및 제2절연층은 무기 절연물질을 포함하는
    자동차용 고효율 발열시트.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 무기 절연물질은 LiF, BaF2, TiO2, ZnO, SiO2, SiC, SnO2, WO3, ZrO2, HfO2, Ta2O5, BaTiO3, BaZrO3, Al2O3, Y2O3, ZrSiO4, Si3N4, TiN 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는
    자동차용 고효율 발열시트.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1절연층 및 제2절연층 각각의 두께는 5㎛ 내지 50㎛인
    자동차용 고효율 발열시트.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 발열층은 상기 기재층 상부에 탄소나노튜브 페이스트가 실크 스크린 인쇄방식으로 코팅되어 소정의 형상으로 패턴화된
    자동차용 고효율 발열시트.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브는 금속이 도핑된 탄소나노튜브인
    자동차용 고효율 발열시트.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 소정의 형상은 병렬 패턴 또는 직렬 패턴을 포함하는
    자동차용 고효율 발열시트.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 병렬 패턴은 제 1 메인 패턴; 제 2 메인 패턴; 및 상기 제 1 메인 패턴 및 상기 제 2 메인 패턴을 연결하는 하나 이상의 직선 패턴;을 포함하는
    자동차용 고효율 발열시트.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제 1 메인 패턴 및 상기 제 2 메인 패턴을 연결하는 직선 패턴의 폭은 100㎛ 내지 2 mm인
    자동차용 고효율 발열시트.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 직렬 패턴은 제 1 메인 패턴 및, 제 2 메인 패턴을 포함하고,
    상기 제 1 메인 패턴 및 상기 제 2 메인 패턴 중 하나가 메인 지그지그 패턴으로 형성되거나; 또는 상기 제 1 메인 패턴 및 상기 제 2 메인 패턴을 연결하는 하나의 지그재그 패턴을 추가로 포함하는
    자동차용 고효율 발열시트.
  14. 제 13에 있어서,
    상기 제 1 메인 패턴 및 상기 제 2 메인 패턴을 연결하는 지그재그 패턴의 폭은 100㎛ 내지 2mm인
    자동차용 고효율 발열시트.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 발열층의 두께는 5㎛ 내지 50㎛인
    자동차용 고효율 발열시트.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 발열층에 전기적으로 연결되며 전압 인가시 상기 탄소나노튜브 발열층의 발열을 유도하는 전원부를 더 포함하는
    자동차용 고효율 발열시트.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 전원부에 전압 인가시 상기 발열층의 발열온도는 50°C 내지 130°C로 형성되는
    자동차용 고효율 발열시트.
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