WO2017222192A1 - 발열체 - Google Patents

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WO2017222192A1
WO2017222192A1 PCT/KR2017/005231 KR2017005231W WO2017222192A1 WO 2017222192 A1 WO2017222192 A1 WO 2017222192A1 KR 2017005231 W KR2017005231 W KR 2017005231W WO 2017222192 A1 WO2017222192 A1 WO 2017222192A1
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WO
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planar heating
waterproof film
heating element
film layer
layer
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PCT/KR2017/005231
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Inventor
임기현
노치우
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엔디티엔지니어링(주)
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    • H05B2203/02—Heaters using heating elements having a positive temperature coefficient

Definitions

  • the present invention relates to a wet surface heating element that can generate heat evenly in a large area by a power supply, can be wet-installed, and can be applied for ondol and floor, wall heating material, road snow melting, and a manufacturing method thereof.
  • a wire heating element has been mainly used as a heating element for heating in a wet construction method.
  • the linear heating element is made of heating materials such as Ni-Cr-based and Fe Ni-Cr-based, the thermal efficiency is low due to the linear heating and the power consumption is relatively high. ), There is a difficulty in maintenance, such as the entire heating element is not heated.
  • abnormal heat generation phenomenon such as local overheating such as heat collection causes a high risk of damage to the heating element and fire, and lacks safety of the product.
  • the carbon-based planar heating element has better thermal efficiency than the linear heating element, but since conductive particles such as carbon black are applied as a resistive heating source, the resistance value is greatly changed due to repeated use, and abnormal heat generation such as local overheating such as heat collection is performed. There is a high risk of damage to the heating element and fire, and lack of product safety.
  • a temperature control system such as an overheat prevention sensor is provided on the onboard heating element and the onboard heating element, but it causes an abnormal heating phenomenon such as local overheating such as heat collection.
  • the main path of the abnormal heat generation phenomenon is caused by heat retention, heat storage, and overheating.
  • the temperature of the heat storage unit rises sharply, local overheating of the heating element damages the finishing material and causes electric fire.
  • a leakage current breaker operates due to a sharp increase in leakage current than the on-line heating element.
  • the conventional planar heating element is mostly made of PET film for electrical insulation and flame retardant purpose has been mainly used for dry construction.
  • the PET film of the planar heating element that is in contact with the cement mortar floor during wet construction has a weak disadvantage such as moisture or condensation due to the waterproofness by the interface contact having a wider construction bottom surface than the linear heating element.
  • Korean Patent No. 10-1168906 (2012.07.20) by the present applicant has been proposed a constant temperature heating element using a polymer PTC constant temperature heating ink applied PET film, polymer PTC by controlling the amount of various dopant (Dopant) added Solutions to problems such as improvement of properties and stabilization of room temperature resistance have been disclosed.
  • the patent has already been commercialized and exported to the United States.
  • the above patented technology while the polymer PTC constant temperature heating element is safe from energy saving and risk of electric fire due to the self-temperature control property, has a difficulty as described above in applying to a wet construction for heating.
  • the present applicant has proposed a wet planar heating element using a polymer PTC constant temperature heating ink for minimizing leakage current and induction current as Korean Patent No. 10-1593983.
  • An object of the present invention is to provide a wet planar heating element and a method of manufacturing the same, which can minimize leakage current while having flexibility.
  • a planar heating unit including an upper waterproof film layer, a lower waterproof film layer, and a planar heating layer positioned between the upper waterproof film layer and the lower waterproof film layer, and an electrode layer;
  • each of which is formed of fibers and pores are formed between the fibers having a plurality of pores, and includes a non-woven fabric layer having irregularities on the surface,
  • the concave-convex portions of the concave-convex surface are formed by air pockets in the nonwoven fabric layer while being closed by the upper waterproof film layer, the lower waterproof film layer, and the outer waterproof film layer.
  • a second step of forming a second composite film by laminating a nonwoven fabric layer 20a and an upper waterproof film layer 11a formed of fibers and having pores formed between the fibers and having a plurality of pores and having irregularities on a surface thereof.
  • a fifth step of forming a fifth composite film by laminating a nonwoven fabric layer 20b and a lower waterproof film layer 11b formed of fibers and having pores formed between the fibers and having a plurality of pores and having irregularities on the surface thereof.
  • It provides a method for producing a planar heating element comprising a.
  • the leakage current generation can be minimized due to the low dielectric constant of the air in the air pocket formed in the nonwoven fabric layer as well as the pores of the nonwoven substrate, and thus wet construction is possible by solving the problem in which the earth leakage breaker operates. It can reduce power consumption and significantly reduce the risk of electric fire.
  • Figure 1 shows a schematic view of the wet surface heating element for an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a photograph of the leakage current of the planar heating element according to an embodiment of the present invention and the planar heating element of the Republic of Korea Patent No. 10-1593983 of the present applicant.
  • planar heating element 3 is a flexural strength test report of the planar heating element according to an embodiment of the present invention and the planar heating element of the Republic of Korea Patent No. 10-1593983 of the applicant.
  • Figure 1 shows a schematic view of the wet surface heating element for an embodiment of the present invention.
  • the wet surface heating element 100 can generate heat evenly in a large area by the power supply, wet construction is possible ondol and floor, wall heating material, road It can be applied to prevent snow melting.
  • the wet planar heating element 100 includes an upper waterproof film layer 11a, a lower waterproof film layer 11b, and a planar heating layer 12 positioned between the upper waterproof film layer 11a and the lower waterproof film layer 11b. ), The planar heat generating portion 10 including the electrode layer 13 is included.
  • the planar heating portion 10 may be composed of a constant temperature heating element of Korean Patent No. 10-1168906 by the applicant.
  • the upper waterproof film layer 11a and the lower waterproof film layer 11b serve as upper and lower covers of the planar heating part 10 and prevent electricity applied to the planar heating part 10 from escaping to the outside. It is used for the purpose of making it waterproof in wet construction. Therefore, any material that can provide insulation and water resistance can be used without limitation. Specifically, one material selected from the group consisting of polyethylene terephthalate, polypropylene, polyester, polystyrene, polyether ketone, polyethylene terephthalate glycol, and polyethyleneimide may be used, but is not limited thereto.
  • At least one selected from a metal, nonmetal or metal-nonmetal mixed film may be additionally attached to the planar heating element.
  • An air layer may be formed on the metal, nonmetallic, or metal-nonmetal mixed film.
  • Aluminum may be used as the metal film, polymer or ceramic as the nonmetal film, and aluminum-polymer or aluminum-ceramic may be selectively used as the metal-nonmetal mixed film.
  • the polymer film is preferably polyethylene terephthalate and the metal-nonmetal mixed film is preferably aluminum-polyethylene terephthalate, but is not limited thereto.
  • the metal, non-metal or metal-non-metal mixed film may be attached to one or both sides of the outermost surface of the planar heating element, but is not limited thereto and may be added to one or more layers between various layers of the planar heating element as one layer of the planar heating element. Can be.
  • the planar heating layer 12 is stacked on the electrode layer 13 and generates heat when electricity flows.
  • the material is preferably any one or two or more of conductive carbon, carbon black, graphene, carbon nanotubes (CNT), graphite (graphite).
  • CNT carbon nanotubes
  • graphite graphite
  • a heat generating layer woven from carbon fiber, a heat generating layer impregnated with CNT or graphene on the nonwoven fabric, a heat generating layer impregnated with conductive carbon on the nonwoven fabric, and a heat generated by coating CNT or graphene paste or ink on the base film Layers can be used. Gravure method may be used for the coating.
  • the electrode layer 13 is formed at both sides of the planar heating layer 12 at a predetermined width to adjust the flow of current between the electrodes to maintain the heating temperature of the planar heating layer 12 rising.
  • the material of the electrode 15 of the electrode layer 13 may be a conductive polymer such as polyaniline, polypyrrole and polythiophene; Conductive components such as carbon; One or more selected from the group consisting of metals such as silver, gold, platinum, palladium, copper, aluminum, tin, iron and nickel may be used.
  • metals such as silver, gold, platinum, palladium, copper, aluminum, tin, iron and nickel may be used.
  • copper is used that is excellent in thermal conductivity and electrical conductivity.
  • the wet planar heating element 100 according to the embodiment of the present invention including the planar heating unit 10 as described above has a structure capable of minimizing the leakage current of the planar heating unit 10 due to the large area increase during wet construction. Is made of.
  • the wet planar heating element 100 has external waterproof film layers 30a and 30b provided on both sides of the planar heating unit 10 and the planar heating unit 10 and the external waterproof film, respectively. It is interposed between the layers (30a, 30b), respectively formed of fibers and pores are formed between the fibers having a plurality of pores, and further includes a nonwoven fabric layer (20a, 20b) is formed on the surface.
  • the external waterproof film layers 30a and 30b are used for the purpose of minimizing the leakage current generated by the increase of the large area during the wet construction and having waterproofness during the wet construction.
  • the material can be used without limitation as long as it can provide insulation and water resistance, and specifically, polyethylene terephthalate, polypropylene, polyester, polystyrene, polyether ketone, polyethylene terephthalate glycol, and polyethyleneimide. One selected from the group consisting of can be used.
  • the nonwoven layer 20a, 20b is formed of fibers and includes a nonwoven substrate having a plurality of processings formed between the fibers.
  • the fibers forming the nonwoven substrate may have an average diameter of 0.1 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the fiber is a polyolefin such as polyethylene, polypropylene, polyester such as polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyamide such as aramid, polyacetal, polycarbonate, polyimide, polyether ether ketone, polyether sulfone, It may be formed of polyphenylene oxide, polyphenylene sulfide, polyethylene naphthalene and the like, but is not limited thereto.
  • the nonwoven fabric layers 20a and 20b may reduce leakage current due to low dielectric constant of air in the plurality of pores formed between the fibers. Therefore, the fall of insulation by a leakage current can be prevented.
  • the nonwoven substrate of the nonwoven fabric layers 20a and 20b may have a weight of 30 g / m 2 to 100 g / m 2 and an area of 0.10 mm to 0.45 mm per thickness.
  • the weight and thickness range per area as described above are intended to minimize leakage current caused by air in the pores formed in the nonwoven fabric substrate, and if the range is out of the range, the effect of the present invention cannot be achieved.
  • the nonwoven fabric base material of the said nonwoven fabric layers 20a and 20b is provided with the unevenness
  • the outer waterproof film layer 30a and the upper waterproof film layer 11a are positioned on the upper and lower surfaces of the nonwoven fabric layer 20a provided on the upper surface of the planar heating element 100, and are provided on the lower surface of the planar heating element 100.
  • the lower waterproof film layer 11b and the outer waterproof film layer 30b are positioned on the upper and lower surfaces of the nonwoven fabric layer 20b.
  • the concave portion of the surface unevenness of the nonwoven fabric layers 20a and 20b becomes a structure blocked by waterproof film layers located on the upper and lower surfaces of the nonwoven fabric layers 20a and 20b, thereby allowing air pockets in the nonwoven layers 20a and 20b. (21) to form a function of reducing the dielectric constant.
  • One surface of the external waterproof film layers 30a and 30b may further include a nonwoven fabric layer 40a and 40b for improving adhesion to mortar or cement.
  • the material of the construction nonwoven fabric layers 40a and 40b may be the same as or different from the nonwoven fabric layers 20a and 20b.
  • the present invention can be prevented from leakage current through the air pocket formed in the nonwoven fabric layer as well as the pores of the nonwoven fabric base to solve the problem that the earth leakage breaker operation, it is possible to wet construction, reducing power consumption and electrical fire The risk can be significantly lowered.
  • the third composite film is manufactured through a ninth step S90 of laminating the sixth composite film having the electrode layer 13 and the planar heating layer 12 formed thereon.
  • the seventh step of forming the electrode layer 13 may be formed by various methods such as printing, weaving, embroidery, and adhesion depending on the properties of the material constituting the electrode 15. Specifically, it may be formed by printing in the form of ink or paste, or may be formed in the form of tape and pasted on the substrate. It may also be formed by impregnating the substrate directly.
  • the eighth step of forming the planar heating layer 12 may be formed in the form of ink or paste, coated or printed, or formed in the form of tape and pasted onto the substrate. It may also be formed by impregnating the substrate directly.
  • the coating method may be a roll coating, Meyer bar coating, blade coating, gravure coating, microgravure coating, slot die coating, slide coating or curtain coating method.
  • FIG. 2 is a photograph of the leakage current of the planar heating element according to an embodiment of the present invention and the planar heating element of the Republic of Korea Patent No. 10-1593983 of the present applicant.
  • the test conditions were film dimension: L 250 mm / W 500 mm, applied voltage: AC 220 ⁇ 2V (60Hz), ambient temp. : 21 ° C., the thickness of the nonwoven fabric layer having irregularities was 0.17 mm, the weight per area was 50 g / m 2, and the leakage current of the planar heating element according to the exemplary embodiment of the present invention to which the nonwoven fabric layer having irregularities was formed on the surface thereof was 0.42.
  • the leakage current of the planar heating element of the Republic of Korea Patent Registration No. 10-1593983 to which the polypropylene film was applied instead of the mA and the nonwoven fabric layer was 0.68 mA, and it was confirmed that the leakage current was reduced by applying the nonwoven fabric layer.
  • planar heating element 3 is a flexural strength test report of the planar heating element according to an embodiment of the present invention and the planar heating element of the Republic of Korea Patent No. 10-1593983 of the applicant.
  • the flexural strength is the result of measuring the length of 55 mm / width 25 mm specimen by tensile tester according to KSM3015 (KS standard).
  • Flexural strength of the planar heating element according to an embodiment of the present invention to which the nonwoven fabric layer (0.17 mm in thickness, 50 g / m 2 per weight) is applied to the surface is 13, 14 N / 2.54 cm, respectively.
  • the flexural strength of the Korean Patent Registration No. 10-1593983 to which the propylene film was applied was 25 and 18 N / 2.54 cm, respectively, and it was confirmed that the flexibility was improved by applying the nonwoven fabric layer.

Landscapes

  • Surface Heating Bodies (AREA)
  • Central Heating Systems (AREA)
  • Resistance Heating (AREA)

Abstract

본 발명은 습식용 면상 발열체 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상부 방수 필름층, 하부 방수 필름층 및 상기 상부 방수 필름층과 하부 방수 필름층 사이에 위치하는 면상 발열층, 전극층을 포함하는 면상 발열부; 상기 면상 발열부의 양면에 각각 구비되는 외부 방수 필름층; 및 상기 면상 발열부와 외부 방수 필름층 사이에 각각 개재되고, 섬유들로 형성되며 상기 섬유들 사이에 기공이 형성되어 다수의 기공을 갖으며 표면에 요철이 형성된 부직포층을 포함하고, 이때 상기 요철의 오목부는 상부 방수 필름층, 하부 방수 필름층 및 외부 방수 필름층에 의해 닫히면서 부직포층 내에 에어 포켓으로 형성되는, 습식용 면상 발열체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 부직포 기재가 갖는 기공뿐만 아니라 부직포층에 형성된 에어 포켓 내 공기가 갖는 낮은 유전 상수로 인해 누설전류 발생을 최소화할 수 있어 누전차단기가 작동하는 문제점을 해결함으로써 습식 시공이 가능하며, 소비전력 절감 및 전기화재의 위험성을 현저하게 낮출 수 있다. 또한 부직포 사용을 통해 면상 발열체의 유연성(Flexibility)을 향상하여 면상 발열체의 용도 확대 및 시공 작업의 효율성 증대가 가능하다.

Description

발열체
본 발명은 전원 공급에 의해 넓은 면적에서 고르게 열을 발생시킬 수 있고, 습식 시공이 가능하여 온돌 및 바닥, 벽 난방 재료, 도로 융설 방지용으로 적용될 수 있는 습식용 면상 발열체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근, 에너지 절약형 난방용 발열소재 및 이를 이용한 발열체의 연구개발이 가속화되면서 습식 시공에 따른 누설전류를 최소화시키는 새로운 기술의 개발이 대두하고 있다.
현재까지 습식 시공 방식의 난방용 발열체로는 선상 발열체(Wire Heater)가 주로 사용되어 오고 있다. 하지만 선상 발열체는 Ni-Cr계 및 Fe Ni-Cr계와 같은 발열소재로 제조되기 때문에 선상 발열로 인해 열효율이 낮아 상대적으로 소비전력이 높고, 직렬회로 구성으로 인해 어느 한 곳의 회로가 오픈(Open)될 경우 발열체 전체가 열이 나지 않는 등 유지 보수의 어려움이 있다. 또한, 집열 등 국부과열과 같은 이상 발열 현상으로 발열체의 손상 및 화재의 위험성이 크고 제품의 안전성이 결여되어 있다.
또한, 카본계 면상 발열체는 선상 발열체에 비해 열효율이 우수한 반면, 카본블랙과 같은 전도성 입자를 저항 발열원으로 적용하기 때문에 반복적인 사용으로 인해 저항값이 크게 변화하고 집열 등 국부과열과 같은 이상 발열 현상으로 발열체의 손상 및 화재의 위험성이 크고 제품의 안전성이 결여되어 있다.
안정성 확보를 위해, 선상 발열체와 면상 발열체에 과열방지 센서 등 온도제어시스템이 강구되어 있으나 집열 등 국부과열과 같은 이상 발열 현상을 유발시키고 있다. 이상 발열 현상의 주요 경로는 보온이나 축열, 과열로부터 발생하며, 특히 축열부의 온도가 급격하게 상승하면서 발열체의 국부과열이 마감재에 손상을 입혀 전기화재의 원인이 되고 있다.
특히, 현재 습식용으로 시공되고 있는 선상 발열체의 문제점을 극복하고 상대적으로 열효율이 우수한 면상 발열체를 습식 시공용 발열체로 사용할 경우, 선상 발열체보다 누설전류의 급격한 증가로 누전차단기가 작동하는 문제점이 발생한다.
이러한 이유는, 기존의 면상 발열체는 전기절연 및 난연 목적으로 대부분 PET 필름으로 제조되어 건식용 시공에 주로 사용되어 왔기 때문이다. 또한, 습식시공 시 시멘트 모르타르 바닥과 접촉되는 면상 발열체의 PET 필름이 선상 발열체에 비해 보다 넓은 시공 바닥면을 갖는 계면접촉성에 의한 방수성으로 습기나 결로 발생 등의 취약한 단점이 있기 때문이다.
한편, 본 출원인에 의한 대한민국 등록특허 제10-1168906호(2012.07.20)에는 PET 필름이 적용된 고분자 PTC 정온발열잉크를 이용한 정온발열체가 제안된 바 있고, 다양한 도펀트(Dopant) 첨가량 조절에 의한 고분자 PTC 특성향상과 상온저항의 안정화 등의 문제점에 대한 해법이 개시되어 있으며, 이 등록특허로 이미 제품을 상용화시켜 미국 등에 수출이 이루어지고 있다.
그러나, 위 등록특허 기술은 고분자 PTC 정온발열체가 자기온도제어 특성으로 인해 에너지 절감 및 전기화재의 위험으로부터 안전한 반면, 난방용 습식 시공에 적용하는데 있어 전술한 바와 같은 어려움이 따른다.
이에 본 출원인은 대한민국 등록특허 제10-1593983호로 누설전류 및 유도전류를 최소화하기 위한 고분자 PTC 정온발열잉크를 이용한 습식용 면상발열체를 제안한 바 있다.
본 발명의 과제는 유연성을 가지면서 누설전류를 최소화할 수 있는 습식용 면상 발열체 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
이를 위해 본 발명은,
상부 방수 필름층, 하부 방수 필름층 및 상기 상부 방수 필름층과 하부 방수 필름층 사이에 위치하는 면상 발열층, 전극층을 포함하는 면상 발열부;
상기 면상 발열부의 양면에 각각 구비되는 외부 방수 필름층; 및
상기 면상 발열부와 외부 방수 필름층 사이에 각각 개재되고, 섬유들로 형성되며 상기 섬유들 사이에 기공이 형성되어 다수의 기공을 갖으며 표면에 요철이 형성된 부직포층을 포함하고,
이때 상기 요철의 오목부는 상부 방수 필름층, 하부 방수 필름층 및 외부 방수 필름층에 의해 닫히면서 부직포층 내에 에어 포켓으로 형성되는, 습식용 면상 발열체를 제공한다.
또한, 본 발명은,
시공용 부직포층(40a)과 외부 방수 필름층(30a)을 합지한 후 로고를 인쇄하여 제1 복합필름을 얻는 제1 단계와,
섬유들로 형성되며 상기 섬유들 사이에 기공이 형성되어 다수의 기공을 갖으며 표면에 요철이 형성된 부직포층(20a)과 상부 방수 필름층(11a)을 합지하여 제2 복합필름을 얻는 제2 단계와,
상기 제1 복합필름과 제2 복합필름을 합지하여 제3 복합필름을 얻는 제3 단계와,
시공용 부직포층(40b)과 외부 방수필름층(30b)을 합지하여 제4 복합필름을 얻는 제4 단계와,
섬유들로 형성되며 상기 섬유들 사이에 기공이 형성되어 다수의 기공을 갖으며 표면에 요철이 형성된 부직포층(20b)과 하부 방수 필름층(11b)을 합지하여 제5 복합필름을 얻는 제5 단계와,
상기 제4 복합필름과 제5 복합필름을 합지하여 제6 복합필름을 얻는 제6 단계와,
상기 제6 복합필름 일면에 전극층(13)을 형성하는 제7 단계와,
상기 전극층 상면에 면상 발열층(12)을 형성하는 제8 단계와,
상기 제3 복합필름과 전극층(13) 및 면상 발열층(12)이 형성된 제6 복합필름을 합지하는 제9 단계
를 포함하는 면상 발열체의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 부직포 기재가 갖는 기공뿐만 아니라 부직포층에 형성된 에어 포켓 내 공기가 갖는 낮은 유전 상수로 인해 누설전류 발생을 최소화할 수 있어 누전차단기가 작동하는 문제점을 해결함으로써 습식 시공이 가능하며, 소비전력 절감 및 전기화재의 위험성을 현저하게 낮출 수 있다. 또한 부직포 사용을 통해 면상 발열체의 유연성(Flexibility)을 향상하여 면상 발열체의 용도 확대 및 시공 작업의 효율성 증대가 가능하다.
이 도면들은 본 발명의 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 구현예인 습식용 면상 발열체를 도식화하여 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 면상 발열체와 본 출원인의 대한민국 특허등록 제10-1593983호의 면상 발열체의 누설전류를 실험한 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 면상 발열체와 본 출원인의 대한민국 특허등록 제10-1593983호의 면상 발열체의 굴곡강도 시험성적서이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
이와 같은 도면은 본 발명의 바람직한 실시예와 기술적인 사상 또는 특징 등을 구체적이고 명확하게 설명하기 위한 참고용이므로, 실제 제품 사양과 다를 수도 있음을 미리 밝혀둔다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예인 습식용 면상 발열체를 도식화하여 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 습식용 면상 발열체(100)는 전원 공급에 의해 넓은 면적에서 고르게 열을 발생시킬 수 있고, 습식 시공이 가능하여 온돌 및 바닥, 벽 난방 재료, 도로 융설 방지용으로 적용될 수 있다.
이러한 습식용 면상 발열체(100)는 상부 방수 필름층(11a), 하부 방수 필름층(11b) 및 상기 상부 방수 필름층(11a)과 하부 방수 필름층(11b) 사이에 위치하는 면상 발열층(12), 전극층(13)을 포함하는 면상 발열부(10)를 포함하고 있다.
상기 면상 발열부(10)는 본 출원인에 의한 대한민국 등록특허 제10-1168906호의 정온발열체로 구성될 수 있다.
상부 방수 필름층(11a)과 하부 방수 필름층(11b)은 면상 발열부(10)의 상, 하부 커버 역할을 하는 것으로, 면상 발열부(10)에 인가된 전기가 외부 등으로 빠져나가지 않게 하며, 습식 시공시 방수성을 갖게 할 목적으로 사용된다. 따라서 절연성 및 방수성을 부여할 수 있는 물질이라면 제한 없이 사용할 수 있다. 구체적으로 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리스틸렌, 폴리에테레테르케톤, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜, 및 폴리에틸렌이미드로 이루어진 군에서 선택된 1종의 재질을 이용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 면상 발열체에는 금속, 비금속 또는 금속-비금속 혼용 필름 중에 선택된 1종 이상이 1층 이상 추가로 부착될 수 있다. 상기 금속, 비금속 또는 금속-비금속 혼용 필름에는 공기층이 형성될 수 있다. 상기 금속 필름으로는 알루미늄, 상기 비금속 필름으로는 폴리머 또는 세라믹, 상기 금속-비금속 혼용 필름으로는 알루미늄-폴리머 또는 알루미늄-세라믹이 선택적으로 사용될 수 있다. 구체적으로 폴리머 필름은 폴리에틸렌테레프탈레이트, 금속-비금속 혼용 필름은 알루미늄-폴리에틸렌테레프탈레이트가 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
특히, 금속, 비금속 또는 금속-비금속 혼용 필름은 상기 면상 발열체의 최외각의 일면 또는 양면에 부착될 수 있으나, 이에 한정되지 않고 면상 발열체의 한 층으로 면상 발열체의 다양한 층 사이에 1층 이상 추가될 수 있다.
면상 발열층(12)은 전극층(13) 상부에 적층되어 있으며, 전기가 흐를 때 발열하게 된다. 그 재질은 도전성 카본, 카본블랙, 그래핀, 탄소나노튜브(CNT), 그래파이트(graphite) 중 어느 하나 또는 둘 이상 혼합된 것이 바람직하다. 구체적으로, 카본섬유로 직조된 발열층, 부직포에 CNT나 그래핀을 함침시킨 발열층, 부직포에 전도성 카본을 함침시킨 발열층, 기재필름 상에 CNT나 그래핀 페이스트 또는 잉크를 코팅하여 제조한 발열층을 사용할 수 있다. 상기 코팅에는 그라비아(Gravure) 방식을 이용할 수 있다.
전극층(13)은 면상 발열층(12)의 양 옆에 일정폭으로 형성되어 전극 간의 전류의 흐름을 조절하여 면상 발열층(12)의 발열 온도를 상승 유지한다. 전극층(13)의 전극(15)의 재질은 폴리아닐린, 폴리피롤 및 폴리티오펜과 같은 전도성 고분자; 탄소와 같은 전도성 성분; 은, 금, 백금, 팔라듐, 구리, 알루미늄, 주석, 철 및 니켈과 같은 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상이 사용될 수 있다. 바람직하게는 열전도성 및 전기전도성이 우수한 구리를 사용한다.
상기와 같이 면상 발열부(10)를 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 습식용 면상 발열체(100)는 습식 시공시 대면적 증가에 따른 면상 발열부(10)의 누설전류를 최소화할 수 있는 구조로 이루어진다.
이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 습식용 면상 발열체(100)는 면상 발열부(10)의 양면에 각각 구비되는 외부 방수 필름층(30a, 30b) 및 상기 면상 발열부(10)와 외부 방수 필름층(30a, 30b) 사이에 각각 개재되고, 섬유들로 형성되며 상기 섬유들 사이에 기공이 형성되어 다수의 기공을 갖으며 표면에 요철이 형성된 부직포층(20a, 20b)를 더 포함하고 있다.
외부 방수 필름층(30a, 30b)은 습식 시공 시 대면적 증가에 따라 발생되는 누설전류를 최소화하고, 습식 시공시 방수성을 갖게 할 목적으로 사용된다. 그 재질은 절연성 및 방수성을 부여할 수 있는 물질이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 구체적으로, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리스틸렌, 폴리에테레테르케톤, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜, 및 폴리에틸렌이미드로 이루어진 군에서 선택된 1종을 이용할 수 있다.
상기 부직포층(20a, 20b)은 섬유들로 형성되며 상기 섬유들 사이에 형성된 다수의 가공을 갖는 부직포 기재를 포함한다.
상기 부직포 기재를 형성하는 섬유는 평균 직경이 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛일 수 있다. 상기 섬유는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 등의 폴리올레핀, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트 등의 폴리에스테르, 아라미드와 같은 폴리아미드, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르설폰, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리에틸렌나프탈렌 등으로 형성할 수 있으며, 이에 한정되지 않는다.
상기 부직포층(20a, 20b)은 섬유들 사이에 형성된 다수의 기공 내 공기가 갖는 낮은 유전 상수로 인해 누설전류(leakage current) 발생을 줄일 수 있다. 따라서 누설전류에 의한 절연성 저하를 방지할 수 있다. 구체적으로, 부직포층(20a, 20b)의 부직포 기재는 면적당 중량 30 g/㎡ 내지 100 g/㎡이고, 두께 0.10 mm 내지 0.45 mm일 수 있다. 상기와 같은 면적당 중량과 두께 범위는 부직포 기재에 형성된 기공 내 공기에 의한 누설전류 발생을 최소화하기 위한 것으로, 상기 범위를 벗어나는 경우 본 발명의 효과를 달성할 수 없다.
특히, 상기 부직포층(20a, 20b)의 부직포 기재는 그 표면에 오목부와 볼록부가 반복되는 요철이 형성되어 있다. 한편, 면상 발열체(100)의 상면에 구비되는 부직포층(20a)의 상면과 하면에는 외부 방수 필름층(30a)과 상부 방수 필름층(11a)가 위치하고, 면상 발열체(100)의 하면에 구비되는 부직포층(20b)의 상면과 하면에는 하부 방수 필름층(11b)과 외부 방수 필름층(30b)이 위치한다. 따라서 부직포층(20a, 20b)의 표면 요철 중 오목부는 부직포층(20a, 20b)의 상면과 하면에 위치한 방수 필름층들에 의해 막혀진 구조가 되어, 부직포층(20a, 20b) 내에서 에어 포켓(21)을 형성하여 유전 상수를 감소시키는 기능을 수행하게 된다.
상기 외부 방수 필름층(30a, 30b)의 일면에는 모르타르 또는 시멘트와의 부착성을 개선하기 위한 시공용 부직포층(40a, 40b)을 추가로 포함할 수 있다. 시공용 부직포층(40a, 40b)의 재질은 부직포층(20a, 20b)과 동일하거나 다른 것을 사용할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 부직포 기재가 갖는 기공뿐만 아니라 부직포층에 형성된 에어 포켓을 통해 누설전류를 방지할 수 있어 누전차단기가 작동하는 문제점을 해결함으로써 습식 시공이 가능하며, 소비전력 절감 및 전기화재의 위험성을 현저하게 낮출 수 있다.
본 발명에 따른 습식용 면상 발열체는,
시공용 부직포층(40a)과 외부 방수 필름층(30a)을 합지한 후 로고를 인쇄하여 제1 복합필름을 얻는 제1 단계(S10)와,
섬유들로 형성되며 상기 섬유들 사이에 기공이 형성되어 다수의 기공을 갖으며 표면에 요철이 형성된 부직포층(20a)과 상부 방수 필름층(11a)을 합지하여 제2 복합필름을 얻는 제2 단계(S20)와,
상기 제1 복합필름과 제2 복합필름을 합지하여 제3 복합필름을 얻는 제3 단계(S30)와,
시공용 부직포층(40b)과 외부 방수필름층(30b)을 합지하여 제4 복합필름을 얻는 제4 단계(S40)와,
섬유들로 형성되며 상기 섬유들 사이에 기공이 형성되어 다수의 기공을 갖으며 표면에 요철이 형성된 부직포층(20b)과 하부 방수 필름층(11b)을 합지하여 제5 복합필름을 얻는 제5 단계(S50)와,
상기 제4 복합필름과 제5 복합필름을 합지하여 제6 복합필름을 얻는 제6 단계(S60)와,
상기 제6 복합필름 일면에 전극층(13)을 형성하는 제7 단계(S70)와,
상기 전극층 상면에 면상 발열층(12)을 형성하는 제8 단계(S8)와,
상기 제3 복합필름과 전극층(13) 및 면상 발열층(12)이 형성된 제6 복합필름을 합지하는 제9 단계(S90)를 거쳐 제조된다.
상기 각 단계에서 합지는 T-다이법, 인플레이션법, 압출 라미네이션, 공압출 라미네이션; 폴리우레탄, 불포화폴리에스테르, 에폭시 수지 등의 접착제를 사용한 드라이 라미네이션, 샌드위치 라미네이션 또는 열 라미네이션 등의 접착방법을 사용할 수 있는데, 폴리우레탄 접착제와 이소시아네이트 경화제에 의한 드라이 라미네이션이 가장 바람직하다.
전극층(13)을 형성하는 제7 단계는 전극(15)을 구성하는 재료의 특성에 따라 프린트, 직조, 자수, 접착 등의 다양한 방법으로 형성시킬 수 있다. 구체적으로 잉크나 페이스트 형태로 제작하여 프린트하거나 테이프 형태로 제작하여 기재 위에 붙여서 형성시킬 수 있다. 또한 기재에 직접 함침하여 형성시킬 수도 있다.
면상 발열층(12)을 형성하는 제8 단계는 잉크나 페이스트 형태로 제작하여 코팅 또는 프린트하거나 테이프 형태로 제작하여 기재 위에 붙여서 형성시킬 수 있다. 또한 기재에 직접 함침하여 형성시킬 수도 있다. 이때 코팅 방법으로 롤 코팅, 메이어바코팅, 블레이드 코팅, 그라비아 코팅, 마이크로그라비아 코팅, 슬롯다이 코팅, 슬라이드 코팅 또는 커튼 코팅 방법을 사용할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 면상 발열체와 본 출원인의 대한민국 특허등록 제10-1593983호의 면상 발열체의 누설전류를 실험한 사진이다.
이때 시험 조건은 film dimension : L 250 mm/ W 500 mm, applied voltage : AC 220±2V (60Hz), ambient temp. : 21℃, 요철이 형성된 부직포층의 두께는 0.17 mm, 면적당 중량은 50 g/㎡이었으며, 시험 결과 표면에 요철이 형성된 부직포층이 적용된 본 발명의 일 실시예에 따른 면상 발열체의 누설 전류는 0.42 mA, 부직포층 대신 폴리프로필렌 필름이 적용된 대한민국 특허등록 제10-1593983호 면상 발열체 누설 전류는 0.68 mA로, 부직포층 적용에 따라 누설 전류가 감소하였음을 확인할 수 있었다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 면상 발열체와 본 출원인의 대한민국 특허등록 제10-1593983호의 면상 발열체의 굴곡강도 시험성적서이다.
이때 굴곡강도는 KSM3015(KS표준)에 따라 길이 55 mm/폭 25 mm 시편을 인장시험기로 측정한 결과이다. 표면에 요철이 형성된 부직포층(두께는 0.17 mm, 면적당 중량은 50 g/㎡)이 적용된 본 발명의 일 실시예에 따른 면상 발열체의 굴곡강도는 각각 13, 14 N/2.54 cm, 부직포층 대신 폴리프로필렌 필름이 적용된 대한민국 특허등록 제10-1593983호 면상 발열체의 굴곡강도는 각각 25, 18 N/2.54 cm로, 부직포층 적용에 따라 유연성이 향상되었음을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.
[부호의 설명]
10: 면상 발열부
11a: 상부 방수 필름층
11b: 하부 방수 필름층
12: 면상 발열층
13: 전극층
15: 전극
20a, 20b: 부직포층
21: 에어 포켓
30a, 30b: 외부 방수 필름층
40a, 40b: 시공용 부직포층

Claims (8)

  1. 상부 방수 필름층, 하부 방수 필름층 및 상기 상부 방수 필름층과 하부 방수 필름층 사이에 위치하는 면상 발열층을 포함하는 면상 발열부;
    상기 면상 발열부의 어느 일면에 구비되는 외부 방수 필름층; 및
    상기 면상 발열부와 외부 방수 필름층 사이에 표면에 요철이 형성된 부직포층을 포함하고,
    이때 상기 요철의 오목부는 상기 외부 방수 필름 층에 의해 닫히면서 상기 상부 방수 필름층 또는 하부 방수 필름층 중 어느 하나와 부직포 층의 오목한 부분에 의해 고립된 공간을 형성하는 면상 발열체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고립되는 공간은 공기층을 형성하는 것을 특징으로 하는 면상 발열체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 부직포는 섬유들로 형성되며 상기 섬유들 사이에 기공이 형성되어 다수의 기공을 가지며 표면에 요철이 형성되는 면상 발열체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상부 방수 필름층 또는 하부 방수 필름층은 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리프로필렌, 폴리에스테르, 폴리스틸렌, 폴리에테레테르케톤, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 글리콜, 및 폴리에틸렌이미드로 이루어진 군에서 선택된 1종의 재질인 것인 면상 발열체.
  5. 제1항에 있어서,
    공기층이 형성된 금속, 비금속 또는 금속-비금속 혼용 필름을 1층 이상 추가로 포함하는 면상 발열체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 면상 발열체는 고분자 PTC 정온발열잉크를 포함하는 면상 발열체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 면상 발열체는 시멘트 또는 모르타르에 시공되는 습식용의 면상 발열체.
  8. 표면에 요철이 형성된 부직포층과 방수 필름층을 합지하여 복합필름을 얻는 단계를 포함하는 면상 발열체 제조방법.
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