KR101637892B1 - 발열 페이스트 조성물을 이용한 다층 발열체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발열 페이스트 조성물을 이용한 다층 발열체에 관한 것으로, 한정된 면적 또는 공간에서 많은 열량을 낼 수 있도록 하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 다층 발열체는 3차원으로 적층된 복수의 단위 발열체를 구비한다. 복수의 단위 발열체는 각각, 절연성 기판, 면상 발열체, 및 복수의 전극 단자를 구비한다. 면상 발열체는 절연성 기판의 상부면에 발열 페이스트 조성물을 인쇄하여 형성된다. 복수의 전극 단자는 면상 발열체에 일정 간격을 두고 형성되며, 단부가 면상 발열체 밖으로 돌출되게 형성되어 전압을 인가받는다. 그리고 복수의 단위 발열체의 서로 상하에 위치하는 전극 단자들 끼리 전기적으로 연결된다.
Description
본 발명은 발열체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄소나노튜브 및 그라파이트 입자가 혼성 복합화된 발열 페이스트 조성물을 이용한 단위 발열체들이 적층된 다층 발열체에 관한 것이다.
면상 발열체는 선상 발열체와는 달리 면상에서 고른 발열을 발생시켜 선상 발열체에 비해 20~40% 가량 에너지 효율이 높다. 면상 발열체는 DC 구동시 전자파 방출이 없어 상대적으로 안전한 발열체이다.
통상적으로 면상 발열체로는 열전도가 높은 철, 니켈, 크롬, 백금 등의 금속 발열체를 필름 형태의 수지 등에 균일하게 분사 또는 인쇄 형성하거나 도전성이 있는 탄소, 흑연, 카본블랙 등의 전도성을 지닌 무기입자 발열체를 고분자 수지에 혼합하여 사용된다. 최근에는 면상 발열체로 열과 내구성이 강하고 열전도도가 좋을뿐더러 낮은 열팽창계수를 가지고 가벼운 특징이 있는 탄소계 면상 발열체가 많이 연구되고 있다.
탄소계 물질을 이용한 면상 발열체는 탄소, 흑연, 카본블랙, 탄소나노튜브 등과 같은 도전성의 탄소계 분말과 바인더의 혼합에 의해 형성되는 페이스트(paste)로 제조되며, 사용되는 도전성 물질 및 바인더의 사용량에 따라 전도성, 작업성, 접착성, 내스크래치성 등이 결정된다.
그런데 카본블랙을 기반으로 하는 발열 페이스트는 카본블랙 특유의 PCT(positive coefficient temperature) 거동으로 200℃ 이상의 고내열성을 갖는 발열체로 개발하기 어렵다.
탄소나노튜브를 기반으로 하는 발열 페이스트의 경우에는 고내열성을 가지기가 어렵다. 특히 탄소나노튜브를 기반으로 하는 발열 페이스트로서, 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄 또는 콤마 코팅이 가능하면서 200℃~300℃ 가량의 온도에서 고내열성을 가지는 발열 페이스트는 보고된 바가 없다. 설령 탄소나노튜브를 기반으로 하는 발열 페이스트가 고내열성을 가지도록 설계되는 경우에도, 건조온도(경화온도)가 300℃에 육박하기 때문에, PET, PI 등의 플라스틱 소재의 연성 기판에는 적용하기 어려운 문제점이 있다.
탄소나노튜브의 산화온도가 350℃로 고온이긴 하지만, 이를 바인딩 하는 바인더가 이러한 고온을 감당하기 어렵고, 고내열성 바인더를 설계하더라도 스크린 인쇄나 그라이바 인쇄가 가능하도록 제조하기가 어렵다.
탄소나노튜브를 기반으로 하는 발열 페이스트의 경우 비저항이 상대적으로 높고 후막 공정이 용이하지 않아 이들을 이용한 면상 발열체를 저전압 및 저전력으로 구동하기가 어렵다는 문제도 있다.
한편 대부분의 발열 제품은 제품의 사이즈 및 사용 환경에 따라 인가 전압이 정해져 있기 때문에, 높은 히트 파워(Heat power) 혹은 열량을 내기 위해서는 발열체의 저항을 낮춰야 하는데 쉽지 않은 실정이다.
투명 발열체의 경우, 면저항을 낮추기 위해서는 헤이즈(Haze), 투과도의 손실을 감수해야 하나, 이러한 경우 제품으로서의 상품성을 잃을 수 있으며, 제조 원가도 높아지는 문제가 있다.
불투명한 발열체는 한정된 전압 소스를 이용하여 단시간에 많은 열량을 요구하는 경우, 발열체의 면저항을 극도로 낮추거나 인가 전압을 높여야 하는 문제가 있다.
더욱이 면상 발열체는 단층으로 형성되기 때문에, 한정된 면적 또는 공간에서 열량을 높이는 데는 한계가 있다.
그리고 탄소계 물질을 이용한 면상 발열체의 경우, 발열 내구성이 낮아 전극 단자로서 소결형의 전극 소재를 사용할 수 없기 때문에, 전극 단자에 도선을 솔더링을 통해 접합하기가 어려운 문제점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 한정된 면적 또는 공간에서 많은 열량을 낼 수 있는 발열 페이스트 조성물을 이용한 다층 발열체를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 온도의 승강이 빠른 발열 페이스트 조성물을 이용한 다층 발열체를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 소결형의 전극 소재를 사용하여 전극 단자에 도선을 솔더링으로 접합할 수 있는 발열 페이스트 조성물을 이용한 다층 발열체를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 복수의 단위 발열체가 적층된 다층 발열체를 제공한다. 상기 복수의 단위 발열체는 각각, 절연성 기판과, 상기 절연성 기판의 상부면에 발열 페이스트 조성물을 인쇄하여 형성된 면상 발열체와, 상기 면상 발열체에 일정 간격을 두고 형성되며 단부가 상기 면상 발열체 밖으로 돌출되게 형성되어 전압을 인가받는 복수의 전극 단자를 포함한다. 이때 상기 복수의 단위 발열체의 서로 상하에 위치하는 전극 단자들 끼리 전기적으로 연결된다.
본 발명에 따른 다층 발열체에 있어서, 상기 복수의 전극 단자는 상기 면상 발열체의 상부면 또는 상기 면상 발열체 아래의 상기 절연성 기판의 상부면에 형성된다.
본 발명에 따른 다층 발열체에 있어서, 상기 복수의 단위 발열체는 각각, 상기 절연성 기판 상부면의 면상 발열체 및 복수의 전극 단자를 덮는 절연성 수지 보호층을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 다층 발열체에 있어서, 상기 복수의 단위 발열체는 각각, 상기 복수의 전극 단자가 상기 면상 발열체의 상부면에 형성될 수 있다. 상기 복수의 단위 발열체는 각각, 상기 절연성 기판 상부면의 면상 발열체 및 복수의 전극 단자를 덮되, 상부면으로 상기 복수의 전극 단자의 상부면을 노출시키는 절연성 수지 보호층을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 다층 발열체에 있어서, 상기 복수의 단위 발열체의 서로 상하에 위치하는 전극 단자들은 상기 면상 발열체 외측의 절연성 기판을 관통하여 형성되는 비아에 의해 서로 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 다층 발열체에 있어서, 상기 복수의 단위 발열체 중 최상부에 적층되는 단위 발열체는, 상기 면상 발열체와, 상기 면상 발열체 상의 복수의 전극 단자를 덮는 절연 단열층을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 다층 발열체에 있어서, 상기 복수의 단위 발열체의 절연성 기판은 소재가 동일하거나 적어도 하나의 소재가 상이할 수 있다.
본 발명에 따른 다층 발열체에 있어서, 상기 면상 발열체는 절연성 기판 위에 발열 페이스트 조성물을 인쇄하여 형성된다. 상기 발열 페이스트 조성물은 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 구비하는 전도성 입자; 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합된 혼합 바인더; 유기 용매; 및 분산제;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 다층 발열체에 있어서, 상기 발열 페이스트 조성물은, 발열 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 입자는 0.2 내지 6 중량부, 그라파이트 입자는 0.5 내지 30 중량부, 혼합 바인더는 5 내지 30 중량부, 유기 용매는 29 내지 80 중량부, 분산제는 0.5 내지 5 중량부를 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 제1 절연성 기판, 제1 면상 발열체, 복수의 제1 전극 단자, 절연성 수지 보호층, 제2 절연성 기판, 복수의 제2 전극 단자, 제2 면상 발열체 및 절연 단열층을 포함하는 다층 발열체를 제공한다. 상기 제1 면상 발열체는 상기 제1 절연성 기판의 상부면에 제1 발열 페이스트 조성물을 인쇄하여 형성된다. 상기 복수의 제1 전극 단자는 상기 제1 면상 발열체의 상부면에 일정 간격을 두고 형성되며, 단부가 상기 제1 면상 발열체 밖으로 돌출되게 형성된다. 상기 절연성 수지 보호층은 상기 제1 절연성 기판 상부면의 제1 면상 발열체 및 복수의 제1 전극 단자를 덮되, 상부면으로 상기 복수의 제1 전극 단자의 상부면을 노출시킨다. 상기 제2 절연성 기판은 상기 절연성 수지 보호층 위에 적층되며, 상기 복수의 제1 전극 단자에 대응되게 비아가 형성되어 있다. 상기 복수의 제2 전극 단자는 상기 제2 절연성 기판의 상부면에 상기 복수의 제1 전극 단자에 대응되게 형성되며, 상기 비아를 통해서 상기 복수의 제1 전극 단자에 전기적으로 연결된다. 상기 제2 면상 발열체는 상기 제2 전극 단자를 덮도록 상기 제2 절연성 기판의 상부면에 제2 발열 페이스트 조성물을 인쇄하여 형성된다. 그리고 상기 절연 단열층은 상기 제2 면상 발열체 및 상기 제2 절연성 기판의 상부면을 덮는다.
본 발명에 따른 다층 발열체는 단위 발열체들이 3차원으로 적층된 구조를 갖기 때문에, 한정된 면적 또는 공간에서 많은 열량을 낼 수 있다.
단위 발열체에 포함된 면상 발열체를 형성하는 발열 페이스트 조성물은 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 포함하는 전도성 입자와, 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합된 혼합 바인더를 포함하기 때문에, 200℃ 이상의 온도에서도 내열성을 유지할 수 있어 고온으로 신속하게 가열이 가능하다.
발열 페이스트 조성물은 200℃ 이상의 온도에서도 내열성을 유지할 수 있기 때문에, 온도에 따른 저항 변화가 작아 안정적인 다층 발열체를 제공할 수 있다.
발열 페이스트 조성물은 비저항이 낮고 두께 조절이 용이하여 저전압 및 저전력으로 고온 발열이 가능하기 때문에, 보다 효율성 높은 다층 발열체를 제작할 수 있다.
발열 페이스트 조성물은 스크린 인쇄, 롤투롤 그라비아 인쇄, 롤투롤 콤바 코팅, 플렉소 인쇄, 옵셋 인쇄가 가능하기 때문에, 대량 생산에 유리할 뿐만 아니라 면상 발열체의 두께 제어가 용이하여 다양한 저항대 및 사이즈에 따른 다층 발열체의 설계가 가능하다.
면상 발열체 위에 소결형의 전극 소재를 사용하여 전극 단자를 형성함으로써, 전극 단자 위에 도선을 솔더링으로 접합할 수 있기 때문에, 도선을 전극 단자에 안정적으로 접합할 수 있다.
본 발명에 따른 다층 발열체의 단위 발열체에 사용되는 기판으로 동종 뿐만 아니라 이종의 기판도 사용이 가능하기 때문에, 다층 발열체가 사용될 수 있는 제품의 적용 범위를 확대할 수 있는 이점도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 발열 페이스트 조성물을 이용하여 제작한 면상 발열체 시편의 이미지이다.
도 2에서는 실시예 및 비교예에 따라 제조된 면상 발열체 샘플들의 발열안정성 시험 모습의 이미지이다.
도 3은 비교예 1에 따른 면상 발열체가 200℃ 발열 구동하에서 표면이 부풀어 오르는 이미지이다.
도 4는 실시예 1에 따른 면상 발열체가 300℃ 발열 구동하에서 20일간 안정성이 유지되는 것을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발열 페이스트 조성물을 이용한 다층 발열체를 보여주는 분해 사시도이다.
도 6은 도 5의 평면도이다.
도 7은 도 6의 7-7선 단면도이다.
도 8은 도 6의 8-8선 단면도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 발열 페이스트 조성물을 이용한 다층 발열체를 보여주는 단면도들이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 발열 페이스트 조성물을 이용한 다층 발열체를 보여주는 단면도들이다.
도 2에서는 실시예 및 비교예에 따라 제조된 면상 발열체 샘플들의 발열안정성 시험 모습의 이미지이다.
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도 6은 도 5의 평면도이다.
도 7은 도 6의 7-7선 단면도이다.
도 8은 도 6의 8-8선 단면도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 발열 페이스트 조성물을 이용한 다층 발열체를 보여주는 단면도들이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 발열 페이스트 조성물을 이용한 다층 발열체를 보여주는 단면도들이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
본 발명에 따른 발열 페이스트 조성물은 탄소계 소재 기반의 전도성 입자, 혼합 바인더, 유기 용매 및 분산제를 포함한다. 전도성 입자는 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 포함한다. 혼합 바인더는 폴리에스테르(polyester), 에폭시(epoxy), 에폭시 아크릴레이트(epoxy acrylate), 헥사메틸렌 디이소시아네이트(hexamethylene diisocyanate), 폴리비닐 아세탈(polyvinyl acetal) 및 페놀계 수지(phenol resin) 중 적어도 2종을 포함한다.
본 발명에 따른 발열 페이스트 조성물은, 발열 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 입자는 0.2 내지 6 중량부, 그라파이트 입자는 0.5 내지 30 중량부, 혼합 바인더는 5 내지 30 중량부, 유기 용매는 29 내지 80 중량부, 분산제는 0.5 내지 5 중량부를 포함할 수 있다.
탄소나노튜브 입자는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 또는 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 예컨대 탄소나노튜브 입자는 다중벽 탄소나노튜브(multi wall carbon nanotube)일 수 있다. 탄소나노튜브 입자가 다중벽 탄소나노튜브일 때, 직경은 5nm 내지 30nm 일 수 있고, 길이는 3㎛ 내지 40㎛일 수 있다.
그라파이트 입자는 나노 입자로서, 직경이 1㎛ 내지 25㎛일 수 있다.
혼합 바인더는 발열 페이스트 조성물이 300℃ 가량의 온도에서도 내열성을 가질 수 있도록, 폴리에스테르, 에폭시, 에폭시 아크릴레이트, 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지 중 적어도 2종이 혼합된 형태를 갖는다.
예컨대 혼합 바인더는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 수지 및 페놀계 수지가 혼합된 형태를 가질 수 있다. 여기서 혼합 바인더는, 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 폴리비닐 아세탈 수지 10 내지 150 중량부, 페놀계 수지 100 내지 500 중량부를 포함한다. 페놀계 수지가 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 100 중량부 이하인 경우 내열성이 저하되고, 500 중량부를 초과하는 경우 면상 발열체의 유연성이 저하되어 취성이 강해진다.
이와 같이 본 발명에서는 혼합 바인더의 내열성을 높임으로써, 면상 발열체를 300℃ 가량의 고온으로 발열시키는 경우에도, 면상 발열체의 저항 변화나 면상 발열체의 파손을 억제할 수 있다.
여기에서 페놀계 수지는 페놀 및 페놀 유도체를 포함하는 페놀계 화합물을 의미한다. 예컨대 페놀 유도체는 p-크레졸(p-Cresol), o-구아야콜(o-Guaiacol), 크레오졸(Creosol), 카테콜(Catechol), 3-메톡시-1,2-벤젠디올(3-methoxy-1,2-Benzenediol), 호모카테콜(Homocatechol), 비닐구아야콜(Vinylguaiacol), 시링콜(Syringol), 이소-유제놀(Iso-eugenol), 메톡시 유제놀(Methoxyeugenol), o-크레졸(o-Cresol), 3-메틸-1,2-벤젠디올 (3-methyl-1,2-Benzenediol), (z)-2-메톡시-4-(1-프로페닐)-페놀((z)-2-methoxy-4-(1-propenyl)-Phenol), 2,6-디에톡시-4-(2-프로페닐)-페놀(2,6-dimethoxy-4-(2-propenyl)-Phenol), 3,4-디메톡시-페놀(3,4-dimethoxy-Phenol), 4-에틸-1,3-벤젠디올(4-ethyl-1,3-Benzenediol), 레졸 페놀(Resole phenol), 4-메틸-1,2-벤젠디올(4-methyl-1,2-Benzenediol), 1,2,4-벤젠트리올(1,2,4-Benzenetriol), 2-메톡시-6-메틸페놀(2-Methoxy-6-methylphenol), 2-메톡시-4-비닐페놀(2-Methoxy-4-vinylphenol) 또는 4-에틸-2-메톡시-페놀(4-ethyl-2-methoxy-Phenol) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
유기 용매는 전도성 입자 및 혼합 바인더를 분산시키기 위한 것으로, 카비톨 아세테이트(Carbitol acetate), 부틸 카비톨 아세테이트(Butyl carbotol acetate), DBE(dibasic ester), 에틸카비톨, 에틸카비톨아세테이트, 디프로필렌글리콜메틸에테르, 셀로솔브아세테이트, 부틸셀로솔브아세테이트, 부탄올(Butanol) 및 옥탄올(Octanol) 중에서 선택되는 2 이상의 혼합 용매일 수 있다.
한편, 분산을 위한 공정은 통상적으로 사용되는 다양한 방법들이 적용될 수 있으며, 예를 들면 초음파처리(Ultra-sonication), 롤밀(Roll mill), 비드밀(Bead mill) 또는 볼밀(Ball mill) 과정을 통해 이루어질 수 있다.
그리고 분산제는 분산을 보다 원활하게 하기 위한 것으로, BYK류와 같이 당업계에서 이용되는 통상의 분산제, Triton X-100과 같은 양쪽성 계면활성제, SDS 등과 같은 이온성 계면활성제를 이용할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 발열 페이스트 조성물은 발열 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여, 첨가제로서 실란 커플링제 0.5 내지 5 중량부를 더 포함할 수 있다.
실란 커플링제는 발열 페이스트 조성물의 배합 시에 수지들 간에 접착력을 증진시키는 접착증진제 기능을 한다. 실란 커플링제는 에폭시 함유 실란 또는 머켑토 함유 실란일 수 있다. 이러한 실란 커플링제의 예로는 에폭시가 함유된 것으로 2-(3,4 에폭시 사이클로헥실)-에틸트리메톡시실란, 3-글리시독시트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필트리에톡시실란, 3-글리시독시프로필트리에톡시실란이 있고, 아민기가 함유된 것으로 N-2(아미노에틸)3-아미토프로필메틸디메톡시실란, N-2(아미노에틸)3-아미노프로필트리메톡시실란, N-2(아미노에틸)3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-트리에톡시실리-N-(1,3-디메틸뷰틸리덴)프로필아민, N-페닐-3-아미노프로필트리메톡시실란이 있으며, 머켑토가 함유된 것으로 3-머켑토프로필메틸디메톡시실란, 3-머켑토프로필트리에톡시실란, 이소시아네이트가 함유된 3-이소시아네이트프로필트리에톡시실란 등이 있으며, 이것에 한정되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 발열 페이스트 조성물 및 이를 이용한 면상 발열체를 시험예를 통하여 상세히 설명한다. 하기 시험예는 본 발명을 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명이 하기 시험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
시험예
(1) 실시예 및 비교예의 준비
하기 [표 1]과 같이 실시예(3종류) 및 비교예(3종류)를 준비하였다.
[표 1]에 표기된 조성비는 중량%로 기재된 것임을 밝혀둔다.
[표 1]
실시예들의 경우 탄소나노튜브 입자와, 그라파이트(CNP) 입자(실시예 1 내지 3)를 [표 1]의 조성에 따라 카비톨아세테이트 용매에 첨가하고 BYK 분산제를 첨가한 후, 60분 간 초음파 처리를 통해 분산액 A를 제조하였다.
이후, 혼합 바인더를 카비톨아세테이트 용매에 첨가한 후 기계적 교반을 통해 마스터 배치를 제조하였다. 다음으로 분산액 A 및 마스터 배치를 기계적 교반을 통해 1차 혼련한 후에 3-롤-밀 과정을 거쳐 2차 혼련함으로써 발열 페이스트 조성물을 제조하였다.
비교예들의 경우 CNT 입자를 [표 1]의 조성에 따라 카비톨아세테이트 용매에 첨가하고 BYK 분산제를 첨가한 후, 60분간 초음파 처리를 통해 분산액을 제조하였다. 이후, 에틸셀룰로오스를 카비톨아세테이트 용매에 첨가한 후 기계적 교반을 통해 마스터 배치를 제조하였다. 다음으로 분산액 B 및 마스터배치를 기계적 교반을 통해 1차 혼련한 후에 3-롤-밀 과정을 거쳐 2차 혼련함으로써 발열 페이스트 조성물을 제조하였다.
(2) 면상발열체 특성 평가
실시예 및 비교예에 따른 발열 페이스트 조성물을 10×10cm 크기로 폴리이미드 기판 위에 스크린 인쇄하고 경화한 후에, 상부 양단에는 은 페이스트 전극을 인쇄하고 경화하여 면상 발열체 샘플을 제조하였다.
관련하여 도 1은 본 발명에 따른 발열 페이스트 조성물을 이용하여 제작한 면상 발열체 시편의 이미지이다. 도 1a는 폴리이미드 기판 위에 발열 페이스트 조성물이 스크린 인쇄되어 형성된 면상 발열체이다. 도 1b는 유리섬유 매트 위에 발열 페이스트 조성물이 스크린 인쇄되어 형성된 면상 발열체이다. 도 1c 및 도 1d는 도 1a의 면상 발열체 상부에 보호층을 코팅한 경우의 이미지이다(도 1c는 검은색 보호층 코팅, 도 1d는 녹색 보호층 코팅).
도 1a에 도시된 바와 같이, 면상 발열체 샘플(실시예) 및 비교예에 따라 제조된 면상 발열체 샘플들의 비저항을 측정하였다(인가되는 전압/전류는 표 2에 표기됨).
또한, 인가되는 전압/전류에 따른 승온 효과를 확인하기 위해 실시예 및 비교예에 해당하는 면상 발열체를 각각 40℃, 100℃ 및 200℃ 까지 승온시키고, 온도에 도달하였을 때의 DC 전압 및 전류를 측정하였다.
또한, 각 샘플들에 대하여 200℃에서의 발열안정성을 테스트 하였다. 관련하여, 도 2에서는 실시예 및 비교예에 따라 제조된 면상 발열체 샘플들의 발열안정성 시험 모습의 이미지를 나타내었으며, 시험결과는 하기 [표 2]에 정리하였다.
[표 2]
[표 2]를 참조하면, 비저항은 실시예들에 해당하는 면상 발열체가 비교예들에 해당하는 면상 발열체보다 작게 측정되었으며, 이에 따라 각 온도에 도달하기 위해 필요한 구동 전압/전류 역시 실시예들에 해당하는 면상 발열체가 비교예들에 해당하는 면상 발열체보다 작게 측정되었다. 즉 실시예들에 해당하는 면상 발열체가 비교예보다 저전압 및 저전력으로 구동 가능함을 확인할 수 있었다.
구체적으로, 실시예 1 내지 3에 따른 면상 발열체에서는 300℃의 발열 구동하에서도 20일간 안정성이 유지되는 것으로 나타나는 반면에(별도의 보호용 절연층 없음), 비교예 1 내지 3에서는 200℃의 발열 구동 하에서도 2시간 이내에 발열부 표면이 부풀어 오르는 불량 현상이 관찰되었다(300℃까지 승온이 가능하지만 이미 200℃에서부터 불량 현상이 나타남). 관련하여 도 3에서는 비교예 1에 따른 면상 발열체가 200℃ 발열 구동 하에서 표면이 부풀어 오르는 이미지를 나타내었으며, 도 4에서는 실시예 1에 따른 면상 발열체가 300℃ 발열 구동하에서 20일간 안정성이 유지되는 결과 그래프를 나타내었다(도 4의 X축은 시간(day)이고, Y축은 발열 구동 온도를 나타낸다). 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 발열 페이스트 조성물을 이용하여 제조된 면상 발열체가 300℃ 발열 구동하에서도 20일간 안정적으로 구동됨을 확인할 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 발열 페이스트 조성물이 200℃ 이상, 예컨대 300℃ 가량의 온도에서도 내열성을 유지 가능함으로써, 고온으로 가열 가능한 면상 발열체를 제공할 수 있음을 확인하였다.
이와 같은 본 발명에 따른 발열 페이스트 조성물을 기판 상에 인쇄하여 형성되는 면상 발열체를 다층으로 적층한 다층 발열체를 제공한다.
본 발명에 따른 발열 페이스트 조성물을 이용한 다층 발열체에 대해서 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
제1 실시예
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 발열 페이스트 조성물을 이용한 다층 발열체를 보여주는 분해 사시도이다. 도 6은 도 5의 평면도이다. 도 7은 도 6의 7-7선 단면도이다. 그리고 도 8은 도 6의 8-8선 단면도이다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 제1 실시예에 따른 다층 발열체(100)는 복수의 단위 발열체(10,20)가 3차원으로 적층된 구조를 갖는다. 단위 발열체(10,20)는 발열 페이스트 조성물을 이용하여 형성한 면상 발열체(13,23)를 구비한다.
제1 실시예에 따른 다층 발열체(100)는 두 개의 단위 발열체(10,20)가 적층된 구조를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉 다층 발열체(100)는 3 개 이상의 단위 발열체를 적층하여 구현할 수 있음은 물론이다.
이와 같은 제1 실시예에 따른 다층 발열체(100)는 제1 단위 발열체(10)와, 제1 단위 발열체(10)의 상부에 적층된 제2 단위 발열체(20)를 포함한다. 제2 단위 발열체(20) 위에는 절연 단열층(30)이 형성될 수 있다. 제1 및 제2 단위 발열체(10,20)에 각각 형성되며, 서로 대응되는 복수의 전극 단자(15,25)는 전기적으로 연결된다.
제1 단위 발열체(10)는 제1 절연성 기판(11), 제1 면상 발열체(13) 및 복수의 제1 전극 단자(15)를 포함한다. 제1 단위 발열체(10)는 제1 절연성 수지 보호층(17)을 더 포함할 수 있다.
제1 절연성 기판(11)은 상부면에 형성되는 제1 면상 발열체(13)에 인가되는 전원과 열이 외부로 빠져가는 것을 억제하는 기능을 하는 절연성과 단열성을 갖는 소재로 제조된다. 이러한 제1 절연성 기판(11)의 소재로는 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 플리이미드, 셀룰로스 에스테르, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리술폰, 폴리에스테르술폰, 폴리비닐리덴플로라이드, 유리, 유리섬유(매트), 세라믹, 운모석, 실리콘 고무, SUS, 구리, 알루미늄 등이 사용될 수 있으며, 나열된 것들로 한정되는 것은 아니다. 제1 절연성 기판(11)의 소재는 다층 발열체(100)의 응용 분야나 사용 온도에 따라 적절히 선택될 수 있다.
제1 면상 발열체(13)는 제1 절연성 기판(11)의 상부면에 본 발명에 따른 발열 페이스트 조성물을 인쇄한 후, 건조 및 경화하여 형성한다. 즉 제1 면상 발열체(13)의 인쇄 방법으로는 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄(내지 롤투롤 그라비아 인쇄), 콤마 코팅(내지 롤투롤 콤마코팅), 플렉소, 임프린팅, 옵셋 인쇄 등이 사용될 수 있다. 건조 및 경화는 100℃ 내지 180℃에서 수행할 수 있다.
복수의 제1 전극 단자(15)는 제1 면상 발열체(13)에 일정 간격을 두고 형성되며, 단부가 제1 면상 발열체(13) 밖으로 돌출되게 형성되어 외부로부터 전압을 인가받는다. 복수의 제1 전극 단자(15)는 제1 면상 발열체(13) 상부에 구리 소재의 박막을 부착하여 형성할 수 있다. 또는 복수의 제1 전극 단자(15)는 제1 면상 발열체(13) 상부에 은 페이스트 또는 구리 페이스트를 인쇄, 건조 및 경화시켜 형성할 수 있다.
그리고 제1 절연성 수지 보호층(17)은 제1 절연성 기판(11) 상부면의 제1 면상 발열체(13) 및 복수의 제1 전극 단자(15)를 덮도록 형성되되, 상부면으로 복수의 제1 전극 단자(15)의 상부면이 노출되도록 형성된다. 제1 절연성 수지 보호층(17)은 제1 면상 발열체(13) 및 복수의 제1 전극 단자(15)의 보호와, 상부에 제2 단위 발열체(20)를 부착시키는 접착 부재로서의 기능을 수행한다. 제1 절연성 수지 보호층(17)의 소재로는 폴리이미드, 에폭시 수지, OCA(optically clear adhesive) 또는 OCR(optically clear resin) 등이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 다층 발열체(100)를 투명 발열체로 제조하는 경우, PET, PC, PAN 소재의 제1 절연성 기판(11)의 상부면에 본 발명에 따른 발열 페이스트 조성물을 메쉬 패턴으로 인쇄하여 제1 면상 발열체(13)를 형성하고, 제1 면상 발열체(13) 위에 OCA 또는 OCR과 같은 제1 절연성 수지 보호층(17)을 사용하여 제2 단위 발열체(20)의 제2 절연성 기판(21)을 합지할 수 있다.
제2 단위 발열체(20)는 제2 절연성 기판(21), 제2 면상 발열체(23) 및 복수의 제2 전극 단자(25)를 포함한다. 제2 단위 발열체(20)는 제2 절연성 수지 보호층(27)을 더 포함할 수 있다. 즉 제2 단위 발열체(20)는 제1 단위 발열체(10)와 동일한 구성을 갖기 때문에, 상세한 설명은 생략한다.
이때 복수의 제1 및 제2 전극 단자(15,25)는 제1 및 제2 면상 발열체(13,23) 위에 소결형의 전극 소재를 사용하여 제1 및 제2 전극 단자(15,25)를 형성함으로써, 제2 전극 단자(25) 위에 도선을 솔더링으로 접합할 수 있기 때문에, 도선을 제2 전극 단자(25)에 안정적으로 접합할 수 있다. 도선의 접합은 비아(29)를 형성한 이후에 수행될 수 있다. 절연 단열층(30)을 형성하기 전 또는 후에 수행할 수 있다.
절연 단열층(30)은 제2 단위 발열체(20)의 제2 면상 발열체(23), 제1 절연성 수지 보호층(17) 및 제2 면상 발열체(23) 상의 복수의 제2 전극 단자(25)를 덮도록 형성된다. 복수의 제2 전극 단자(25)에 있어서, 외부 전원이 인가되는 부분은 절연 단열층(30) 밖으로 노출될 수 있다. 절연 단열층(30)은 제1 및 제2 면상 발열체(13,23)에 인가되는 전압에 따른 내전압을 특성을 갖는 절연 물질이 사용될 수 있다. 즉 절연 단열층(30)의 소재로 내전압이 500V인 절연 물질 또는 1600V 이상인 절연 물질이 사용될 수 있다. 예컨대 절연 단열층(30)의 소재로는 실리카(SiO2)를 포함한 유기물 또는 글래스 프리트(glass firt)와 같은 무기물을 포함한 절연 페이스트와, 절연 필름이 사용될 수 있다. 절연 페이스트의 경우, 절연 단열층(30)은 절연 페이스트를 닥터링 또는 스크린 인쇄를 통해 코팅한 후 경화시켜 형성한다.
한편 제1 실시예에서는 복수의 제2 전극 단자(25)에 외부 전원이 인가되는 부분, 즉 도선이 솔더링으로 접합되는 복수의 제2 전극 단자(25)의 단부가 절연 단열층(30) 밖으로 노출되는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 복수의 제2 전극 단자(25)의 단자에 도선이 솔더링으로 접합된 이후에, 절연 단열층(30)을 형성하는 경우, 도선이 접합되는 부분을 포함하여 복수의 제2 전극 단자(25) 전체를 덮도록 형성할 수도 있다.
제1 실시예에서는 절연 단열층(30)을 구비하는 예를 개시하였지만, 절연 단열층(30)을 구비하지 않을 수도 있다. 예컨대 제1 절연성 기판(11)으로 운모석 기판을 사용하고, 제2 절연성 기판(21)으로 PI 기판을 사용하는 경우 절연 단열층(30)을 생략할 수 있다. 즉 운모석 기판 자체가 단열의 기능을 갖기 때문에, 제2 단위 발열체(20) 위에 별도의 절연 단열층(30)을 형성하지 않아도 된다. 또는 제1 또는 제2 절연성 기판(21)으로 실리콘 고무 기판을 사용하는 경우에도, 실리콘 고무 자체가 단열의 기능을 갖기 때문에, 제2 단위 발열체(20) 위에 별도의 절연 단열층(30)을 형성하지 않아도 된다.
그리고 제1 및 제2 단위 발열체(10,20)의 서로 상하에 위치하는 전극 단자들(15,25) 끼리 전기적으로 연결된다. 즉 제1 및 제2 단위 발열체(10,20)의 서로 상하에 위치하는 제1 및 제2 전극 단자(15,25)는 제1 및 제2 면상 발열체(13,23) 외측의 제2 절연성 기판(21)을 관통하여 형성되는 비아(29)에 의해 서로 전기적으로 연결된다. 여기서 비아(29)가 형성되는 부분은 절연 단열층(30) 밖으로 노출된 제1 및 제2 전극 단자(15,25) 부분을 수직으로 관통하는 형태로 형성된다.
이러한 비아(29)는 제1 단위 발열체(10) 위에 제2 단위 발열체(20)를 적층한 이후에, 제2 전극 단자(25), 제2 절연성 수지 보호층(27) 및 제2 절연성 기판(21)을 관통하는 관통 구멍을 형성한다. 이어서 관통 구멍에 은 페이스트 또는 구리 페이스트를 충전하거나, 전해 또는 무전해 도금으로 전도성 금속을 충전함으로써, 비아(29)를 형성할 수 있다. 관통 구멍은 드릴이나 레이저 등으로 형성할 수 있다.
비아(29)는 절연 단열층(30)을 형성하기 전 또는 후에 수행할 수 있다. 예컨대 절연 단열층(30)을 형성하기 전에 비아(29)를 형성하는 경우, 비아(29)와 도선은 절연 단열층(30)으로 덮일 수 있다. 절연 단열층(30)을 형성한 이후에 비아(29)를 형성하는 경우, 비아(29)가 형성될 제2 전극 단자(25) 부분이 외부로 노출되도록 절연 단열층(30)이 형성된다.
이와 같이 제1 실시예에 따른 다층 발열체(100)는 제1 및 제2 단위 발열체(10,20)를 3차원으로 적층하여 제조하기 때문에, 제1 및 제2 단위 발열체(10,20)에 사용되는 제1 및 제2 절연성 기판(11,21)의 소재로 동일한 소재를 사용하거나 상이한 소재를 사용할 수 있다. 즉 제1 실시예에 따른 다층 발열체(100)는 다양한 절연성 기판(11,21)의 조합이 가능한 이점이 있다.
예컨대 제1 및 제2 절연성 기판(11,21)의 소재로 PI/PI, 운모석/PI, PET/PET, 유리/PI, 실리콘 고무/실리콘 고무 등이 사용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 여기서 제1 및 제2 절연성 기판(11,21)의 소재는 "제1 절연성 기판(11)의 소재/제2 절연성 기판(21)의 소재"로 기재하였다.
이와 같이 제1 실시예에 따른 다층 발열체(100)는 동일 기판 끼리의 2층 이상의 구조 형성이 가능할 뿐만 아니라, 이종 기판과의 조합도 응용 분야에 따라 가능하다.
제1 실시예에 따른 다층 발열체(100)의 단위 발열체(10,20)에 사용되는 절연성 기판(11,21)으로 동종 뿐만 아니라 이종 기판도 사용이 가능하기 때문에, 다층 발열체(100)가 사용될 수 있는 제품의 적용 범위를 확대할 수 있다.
다층 발열체(100)를 투명 발열체로 제조하는 경우, PET, PC, PAN 소재의 제1 절연성 기판(11)의 상부면에 본 발명에 따른 발열 페이스트 조성물을 메쉬 패턴으로 인쇄하여 제1 면상 발열체(13)를 형성하고, 제1 면상 발열체(13) 위에 OCA 또는 OCR과 같은 제1 절연성 수지 보호층(17)을 사용하여 제2 단위 발열체(20)의 제2 절연성 기판(21)을 합지한다. 제2 절연성 기판(21) 위에 제1 면상 발열체(13)와 동일한 제2 면상 발열체(23)를 형성함으로써, 전체 발열량을 증대시킬 수 있다. 이러한 투명한 다층 발열체(100)는 자동차의 앞유리, 뒷유리, 측면 유리, 썬루프 등에 적용될 수 있다.
일반적으로 자동차는 성애 제거나 실내 난방을 위해 일정 면적에서 많은 양의 열량을 요구하는 경우가 있으며, 이러한 경우에 제1 실시예에 따른 다층 발열체(100)가 적용될 수 있다. 그 외 투명한 다층 발열체는 창호 유리에 적용될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
제1 실시예에 따른 다층 발열체(100)는 가스 이송 배관, 생활 가전, 의료용 발열제품 등에도 적용될 수 있다.
이와 같이 제1 실시예에 따른 다층 발열체(100)는 단위 발열체들(10,20)이 3차원으로 적층된 구조를 갖기 때문에, 한정된 면적 또는 공간에서 많은 열량을 낼 수 있다.
단위 발열체(10,20)에 포함된 면상 발열체(13,23)를 형성하는 발열 페이스트 조성물은 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 포함하는 전도성 입자와, 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합된 혼합 바인더를 포함하기 때문에, 200℃ 이상의 온도에서도 내열성을 유지할 수 있어 고온으로 신속하게 가열이 가능하다. 또한 제1 실시예에 따른 다층 발열체(100)는 짧은 시간에 신속하게 원래의 온도(상온)으로 복귀하는 특성을 갖는다. 즉 다층 발열체(100)는 50V 이하의 구동 조건에서, 상온에서 3 내지 10초 사이에 200℃로 승온이 가능하다. 승온 후 전압 인가를 오프하면, 다층 발열체(100)는 10초 이내에 원래의 온도인 상온으로 복귀가 가능하다.
발열 페이스트 조성물은 200℃ 이상의 온도에서도 내열성을 유지할 수 있기 때문에, 온도에 따른 저항 변화가 작아 안정적인 다층 발열체(100)를 제공할 수 있다. 이로 인해 다층 발열체(100)는 5W 이하의 낮은 전력으로 100℃로 발열이 가능하다.
발열 페이스트 조성물은 비저항이 낮고 두께 조절이 용이하여 저전압 및 저전력으로 고온 발열이 가능하기 때문에, 보다 효율성 높은 다층 발열체(100)를 제작할 수 있다.
발열 페이스트 조성물은 스크린 인쇄, 롤투롤 그라비아 인쇄, 롤투롤 콤바 코팅 등이 가능하기 때문에, 대량 생산에 유리할 뿐만 아니라 면상 발열체(13,23)의 두께 제어가 용이하여 다양한 저항대 및 사이즈에 따른 다층 발열체(100)의 설계가 가능하다.
그리고 면상 발열체(13,23) 위에 소결형의 전극 소재를 사용하여 전극 단자(15,25)를 형성함으로써, 전극 단자(15,25) 위에 도선을 솔더링으로 접합할 수 있기 때문에, 도선을 전극 단자(15,25)에 안정적으로 접합할 수 있다.
제2 실시예
한편 제1 실시예에서는 전극 단자(15,25)가 면상 발열체(13,23)의 상부에 형성되는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 전극 단자(15,25)는 면상 발열체(13,23)의 하부에 형성될 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 발열 페이스트 조성물을 이용한 다층 발열체(200)를 보여주는 단면도들이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 제2 실시예에 따른 다층 발열체(200)는 제1 및 제2 단위 발열체(10,20)가 3차원으로 적층된 구조를 가지며, 제2 단위 발열체(20)의 상부에 절연 단열층(30)이 형성될 수 있다.
제1 단위 발열체(10)는 제1 절연성 기판(11), 제1 면상 발열체(13) 및 복수의 제1 전극 단자(15)를 포함한다. 제1 단위 발열체(10)는 제1 절연성 수지 보호층(17)을 더 포함할 수 있다.
제1 절연성 기판(11)은 상부면에 형성되는 제1 면상 발열체(13)에 인가되는 전원과 열이 외부로 빠져가는 것을 억제하는 기능을 하는 절연성과 단열성을 갖는 소재로 제조된다.
복수의 제1 전극 단자(15)가 제1 절연성 기판(11)의 상부면에 일정 간격을 두고 형성된다. 복수의 제1 전극 단자(15)는 제1 절연성 기판(11)의 상부면에 구리 소재의 박막을 부착하여 형성할 수 있다. 또는 복수의 제1 전극 단자(15)는 제1 절연성 기판(11)의 상부면에 은 페이스트 또는 구리 페이스트를 인쇄, 건조 및 경화시켜 형성할 수 있다.
제1 면상 발열체(13)는 제1 전극 단자(15)를 덮도록 제1 절연성 기판(11)의 상부면에 본 발명에 따른 발열 페이스트 조성물을 인쇄한 후, 건조 및 경화하여 형성한다. 즉 제1 면상 발열체(13)의 인쇄 방법으로는 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄(내지 롤투롤 그라비아 인쇄), 콤마 코팅(내지 롤투롤 콤마코팅), 플렉소, 임프린팅, 옵셋 인쇄 등이 사용될 수 있다. 건조 및 경화는 100℃ 내지 180℃에서 수행할 수 있다.
이때 외부로부터 전원을 인가받을 수 있도록, 복수의 제2 전극 단자(25)의 단부는 제1 면상 발열체(13) 밖으로 돌출되어 있다.
그리고 제1 절연성 수지 보호층(17)은 제1 절연성 기판(11) 상부면의 제1 면상 발열체(13)와 복수의 제1 전극 단자(15)를 덮도록 형성된다. 제2 실시예에서는 제2 면상 발열체(23)의 상부면이 제1 절연성 수지 보호층(17)의 상부면으로 노출되게, 제1 절연성 수지 보호층(17)이 형성된다. 즉 제1 절연성 수지 보호층(17)은 제1 면상 발열체(13)를 둘러싸도록 제1 절연성 기판(11)의 상부면에 형성된다.
제2 단위 발열체(20)는 제2 절연성 기판(21), 제2 면상 발열체(23) 및 복수의 제2 전극 단자(25)를 포함한다. 제2 단위 발열체(20)는 제2 절연성 수지 보호층(27)을 더 포함할 수 있다. 즉 제2 단위 발열체(20)는 제1 단위 발열체(10)와 동일한 구성을 갖기 때문에, 상세한 설명은 생략한다.
절연 단열층(30)은 제2 단위 발열체(20)의 제2 면상 발열체(23) 및 제2 절연성 수지 보호층(27)을 덮도록 형성된다. 제2 실시예에서는 절연 단열층(30)을 구비하는 예를 개시하였지만, 절연 단열층(30)을 구비하지 않을 수도 있다.
그리고 제1 및 제2 단위 발열체(10,20)의 서로 상하에 위치하는 전극 단자(15,25)들 끼리 전기적으로 연결된다. 즉 제1 및 제2 단위 발열체(10,20)의 서로 상하에 위치하는 제1 및 제2 전극 단자(15,25)는 제1 및 제2 면상 발열체(13,23) 외측의 제2 절연성 기판(21) 및 제1 절연성 수지 보호층(17)을 관통하여 형성되는 비아(29)에 의해 서로 전기적으로 연결된다. 여기서 비아(29)가 형성되는 부분은 제1 및 제2 면상 발열체(13,23) 밖으로 노출된 제1 및 제2 전극 단자(15,25) 부분을 수직으로 관통하는 형태로 형성된다.
이러한 비아(29)는 제1 단위 발열체(10) 위에 제2 단위 발열체(20)의 제2 절연성 기판(21)을 적층한 이후에, 제2 절연성 기판(21) 및 제1 절연성 수지 보호층(17)을 관통하는 관통 구멍을 형성한다. 관통 구멍에 은 페이스트 또는 구리 페이스트를 충전하거나, 전해 또는 무전해 도금으로 전도성 금속을 충전함으로써, 비아(29)를 형성할 수 있다. 관통 구멍은 드릴이나 레이저 등으로 형성할 수 있다.
비아(29)를 형성한 이후에, 복수의 제2 전극 단자(25)를 제2 절연성 기판(21)의 상부면에 형성할 수 있다. 또는 전술된 바와 같이 관통 구멍을 형성한 이후에, 은 또는 구리 페이스트를 제2 절연성 기판(21)의 상부면에 인쇄하여 복수의 제2 전극 단자(25)를 형성할 때, 해당 은 또는 구리 페이스트가 관통 구멍에 충전되어 비아(29)가 함께 형성될 수 있다.
또는 관통 구멍을 형성하기 전에, 복수의 제2 전극 단자(25)를 제2 절연성 기판(21)의 상부면에 형성한다. 그리고 제2 전극 단자(25), 제2 절연성 기판(21) 및 제1 절연성 수지 보호층(17)을 관통하는 관통 구멍을 형성한 후, 관통 구멍에 은 페이스트 또는 구리 페이스트를 충전하거나, 전해 또는 무전해 도금하여 비아(29)를 형성할 수 있다.
이와 같이 제2 실시예에 따른 다층 발열체(200)는 제1 및 제2 단위 발열체(10,20)를 3차원으로 적층하여 제조하기 때문에, 제1 실시예에 따른 다층 발열체(100)와 동일하거나 유사한 효과를 기대할 수 있다.
제3 실시예
한편 제1 실시예에서는 전극 단자(15,25)가 면상 발열체(13,23)의 상부에 형성되는 예를 개시하였고, 제2 실시예에서는 전극 단자(15,25)가 면상 발열체(13,23)의 하부에 형성되는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 단위 발열체(13,23)의 적층 위치에 따라 전극 단자(15,25)는 면상 발열체(13,23)의 상부 또는 하부에 형성될 수 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 발열 페이스트 조성물을 이용한 다층 발열체(300)를 보여주는 단면도들이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 제2 실시예에 따른 다층 발열체(300)는 제1 및 제2 단위 발열체(10,20)가 3차원으로 적층된 구조를 가지며, 제2 단위 발열체(20)의 상부에 절연 단열층(30)이 형성될 수 있다.
제1 단위 발열체(10)는, 제1 실시예에 따른 제1 단위 발열체(10)와 동일하게, 복수의 제1 전극 단자(15)가 제1 면상 발열체(13)의 상부에 형성된다. 제1 단위 발열체(10)는 제1 실시에에 따른 제1 단위 발열체(10)와 동일한 구성을 갖기 때문에, 상세한 설명은 생략한다.
제2 단위 발열체(20)는, 제2 실시예에 따른 제2 단위 발열체(20)와 동일하게, 복수의 제2 전극 단자(25)가 제2 면상 발열체(23)의 하부에 형성된다. 제2 단위 발열체(20)는 제2 실시에에 따른 제2 단위 발열체(20)와 동일한 구성을 갖기 때문에, 상세한 설명은 생략한다.
절연 단열층(30)은 제2 단위 발열체(20)의 제2 면상 발열체(23) 및 제2 절연성 수지 보호층(27)을 덮도록 형성된다. 제3 실시예에서는 절연 단열층(30)을 구비하는 예를 개시하였지만, 절연 단열층(30)을 구비하지 않을 수도 있다.
그리고 제1 및 제2 단위 발열체(10,20)의 서로 상하에 위치하는 전극 단자(15,25)들 끼리 전기적으로 연결된다. 즉 제1 및 제2 단위 발열체(10,20)의 서로 상하에 위치하는 제1 및 제2 전극 단자(15,25)는 제1 및 제2 면상 발열체(13,23) 외측의 제2 절연성 기판(21)을 관통하여 형성되는 비아(29)에 의해 서로 전기적으로 연결된다. 여기서 비아(29)가 형성되는 부분은 제1 및 제2 면상 발열체(13,23) 밖으로 노출된 제1 및 제2 전극 단자(15,25) 부분을 수직으로 관통하는 형태로 형성된다.
이러한 비아(29)는 제1 단위 발열체(10) 위에 제2 단위 발열체(20)의 제2 절연성 기판(21)을 적층한 이후에, 제2 절연성 기판(21)을 관통하는 관통 구멍을 형성한다. 이어서 관통 구멍에 은 페이스트 또는 구리 페이스트를 충전하거나, 전해 또는 무전해 도금으로 전도성 금속을 충전함으로써, 비아(29)를 형성할 수 있다. 관통 구멍은 드릴이나 레이저 등으로 형성할 수 있다.
비아(29)를 형성한 이후에, 복수의 제2 전극 단자(25)를 제2 절연성 기판(21)의 상부면에 형성할 수 있다. 또는 전술된 바와 같이 관통 구멍을 형성한 이후에, 은 또는 구리 페이스트를 제2 절연성 기판(21)의 상부면에 인쇄하여 복수의 제2 전극 단자(25)를 형성할 때, 해당 은 또는 구리 페이스트가 관통 구멍에 충전되어 비아(29)가 함께 형성될 수 있다.
또는 관통 구멍을 형성하기 전에, 복수의 제2 전극 단자(25)를 제2 절연성 기판(21)의 상부면에 형성한다. 그리고 제2 전극 단자(25), 제2 절연성 기판(21) 및 제1 절연성 수지 보호층(17)을 관통하는 관통 구멍을 형성한 후, 관통 구멍에 은 페이스트 또는 구리 페이스트를 충전하거나, 전해 또는 무전해 도금하여 비아(29)를 형성할 수 있다.
이와 같은 제3 실시예에 따른 다층 발열체(300)는 제1 절연성 기판(11), 제1 면상 발열체(13), 복수의 제1 전극 단자(15), 제1 절연성 수지 보호층(17), 제2 절연성 기판(21), 비아(29) 및 복수의 제2 전극 단자(25), 제2 면상 발열체(23), 제2 절연성 수지 보호층(27) 및 절연 단열층(30) 순으로 적층하여 형성할 수 있다.
한편 제3 실시예에 따른 다층 발열체(300)는 복수의 제1 전극 단자(15), 제2 절연성 기판(21), 비아(29) 및 복수의 제2 전극 단자(25)를 순차적으로 적층하여 형성하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 복수의 제1 전극 단자(15), 제2 절연성 기판(21), 비아(29) 및 복수의 제2 전극 단자(25)는 인쇄회로기판의 제조 공정을 활용하여 하나의 인쇄회로기판으로 제조할 수 있다. 또는 제2 절연성 기판(21), 비아(29) 및 복수의 제2 전극 단자(25)만을 인쇄회로기판의 제조 공정을 활용하여 하나의 인쇄회로기판으로 제조할 수 있다.
이와 같이 제3 실시예에 따른 다층 발열체(300)는 제1 및 제2 단위 발열체(10,20)를 3차원으로 적층하여 제조하기 때문에, 제1 실시예에 따른 다층 발열체(100)와 동일하거나 유사한 효과를 기대할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 제1 단위 발열체
11 : 제1 절연성 기판
13 : 제1 면상 발열체
15 : 제1 전극 단자
17 : 제1 절연성 수지 보호층
20 : 제2 단위 발열체
21 : 제2 절연성 기판
23 : 제2 면상 발열체
25 : 제2 전극 단자
27 : 제2 절연성 수지 보호층
29 : 비아
30 : 절연 단열층
100, 200, 300 : 다층 발열체
11 : 제1 절연성 기판
13 : 제1 면상 발열체
15 : 제1 전극 단자
17 : 제1 절연성 수지 보호층
20 : 제2 단위 발열체
21 : 제2 절연성 기판
23 : 제2 면상 발열체
25 : 제2 전극 단자
27 : 제2 절연성 수지 보호층
29 : 비아
30 : 절연 단열층
100, 200, 300 : 다층 발열체
Claims (12)
- 복수의 단위 발열체가 적층된 다층 발열체로서,
상기 복수의 단위 발열체는 각각,
절연성 기판;
상기 절연성 기판의 상부면에, 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합된 혼합 바인더와 전도성 입자를 포함하는 발열 페이스트 조성물을 인쇄하여 형성된 면상 발열체;
상기 면상 발열체에 일정 간격을 두고 형성되며, 단부가 상기 면상 발열체 밖으로 돌출되게 형성되어 전압을 인가받는 복수의 전극 단자;를 포함하고,
상기 복수의 단위 발열체의 서로 상하에 위치하는 전극 단자들 끼리 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 발열체. - 제1항에 있어서, 상기 복수의 전극 단자는,
상기 면상 발열체의 상부면 또는 상기 면상 발열체 아래의 상기 절연성 기판의 상부면에 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 발열체. - 제1항에 있어서, 상기 복수의 단위 발열체는 각각,
상기 절연성 기판 상부면의 면상 발열체 및 복수의 전극 단자를 덮는 절연성 수지 보호층;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 발열체. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 단위 발열체는 각각,
상기 복수의 전극 단자가 상기 면상 발열체의 상부면에 형성되고,
상기 절연성 기판 상부면의 면상 발열체 및 복수의 전극 단자를 덮되, 상부면으로 상기 복수의 전극 단자의 상부면을 노출시키는 절연성 수지 보호층;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 발열체. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 단위 발열체의 서로 상하에 위치하는 전극 단자들은 상기 면상 발열체 외측의 절연성 기판을 관통하여 형성되는 비아에 의해 서로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 다층 발열체. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 단위 발열체 중 최상부에 적층되는 단위 발열체는,
상기 면상 발열체와, 상기 면상 발열체 상의 복수의 전극 단자를 덮는 절연 단열층;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 발열체. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 단위 발열체의 절연성 기판은 소재가 동일하거나 적어도 하나의 소재가 상이한 것을 특징으로 하는 다층 발열체. - 제1항에 있어서,
상기 발열 페이스트 조성물의 전도성 입자는 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 발열체. - 제8항에 있어서, 상기 발열 페이스트 조성물은,
발열 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 입자 0.2 내지 6 중량부, 그라파이트 입자 0.5 내지 30 중량부, 혼합 바인더 5 내지 30 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 발열체. - 제1 절연성 기판;
상기 제1 절연성 기판의 상부면에 제1 발열 페이스트 조성물을 인쇄하여 형성된 제1 면상 발열체;
상기 제1 면상 발열체의 상부면에 일정 간격을 두고 형성되며, 단부가 상기 제1 면상 발열체 밖으로 돌출되게 형성되는 복수의 제1 전극 단자;
상기 제1 절연성 기판 상부면의 제1 면상 발열체 및 복수의 제1 전극 단자를 덮되, 상부면으로 상기 복수의 제1 전극 단자의 상부면을 노출시키는 절연성 수지 보호층;
상기 절연성 수지 보호층 위에 적층되며, 상기 복수의 제1 전극 단자에 대응되게 비아가 형성된 제2 절연성 기판;
상기 제2 절연성 기판의 상부면에 상기 복수의 제1 전극 단자에 대응되게 형성되며, 상기 비아를 통해서 상기 복수의 제1 전극 단자에 전기적으로 연결되는 복수의 제2 전극 단자;
상기 제2 전극 단자를 덮도록 상기 제2 절연성 기판의 상부면에 제2 발열 페이스트 조성물을 인쇄하여 형성된 제2 면상 발열체;
상기 제2 면상 발열체 및 상기 제2 절연성 기판의 상부면을 덮는 절연 단열층;을 포함하고,
상기 제1 및 제2 발열 페이스트 조성물은 각각,
전도성 입자; 및
헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합된 혼합 바인더;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 발열체. - 제10항에 있어서,
상기 발열 페이스트 조성물의 전도성 입자는 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 발열체. - 제11항에 있어서, 상기 발열 페이스트 조성물은,
발열 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 입자 0.2 내지 6 중량부, 그라파이트 입자 0.5 내지 30 중량부, 혼합 바인더 5 내지 30 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 발열체.
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| KR1020150033057A KR101637892B1 (ko) | 2015-03-10 | 2015-03-10 | 발열 페이스트 조성물을 이용한 다층 발열체 |
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