KR102375428B1 - 복사 히터 조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복사 히터 조립체에 관한 것으로, 저전력으로 신속하게 높은 복사열을 방출하고, 접촉에 의한 저온화상을 억제하기 위한 것이다. 본 발명은 제1 프레임, 발열체 필름 및 반사판을 포함하는 복사 히터 조립체를 제공한다. 제1 프레임은 하부면과, 하부면에 반대되는 상부면을 갖는다. 발열체 필름은 제1 프레임의 상부면에 부착되며, 전원을 인가받아 발열하여 복사열을 방출하는 복수의 면상 발열체를 구비한다. 그리고 반사판은 제1 프레임의 하부면 아래에 배치되어 발열체 필름 사이에 공기층을 형성하고, 발열체 필름에서 방출되는 복사열을 제1 프레임 쪽으로 반사한다.

Description

복사 히터 조립체{Radiation heater assembly}
본 발명은 복사열을 이용하는 복사 히터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 DC 8 내지 18V의 저전력으로 높은 복사열을 방출하는 발열체 필름을 구비하는 복사 히터 조립체에 관한 것이다.
자동차 분야의 배기가스 및 연비규제 등의 환경규제가 매년 강화됨으로써, 전기차, 하이브리드 자동차 등의 친환경 자동차 성장이 기정사실화 되었다. 또한 폭스바겐의 디젤게이트로 인해서 디젤차에 대한 솔루션이 사라졌기 때문에, 전기차 시장은 전문가의 예상을 초월하는 성장을 보일 것으로 보인다.
이러한 급속한 전기차 시장의 성장에도 불구하고 기술적으로 해결해야 될 문제 중 하나가 저온 환경에서의 난방 효율의 극대화이다. 즉 전기차는 엔진 없이 배터리를 통한 전기에너지를 주 동력원으로 하는 자동차이기 때문에, 히터와 같은 난방을 위한 열원이 별도로 필요하다. 전기차가 동절기의 외부 환경에 장시간 노출될 경우, 운전자의 운전 편의성을 증대하기 위해서 운전자의 가장 근접 거리에 위치한 곳, 즉 무릎 위에 복사열에 의한 히터(이하 '복사 히터'라고 함)의 요구가 증대되고 있다.
복사 히터는 전기차 이외에 다양한 환경 예컨대 사무실의 데스크의 하부에 장착하거나 벽면에 설치되어 사용되고 있다.
이러한 복사 히터의 열원으로 PTC 소자(Positive Temperature Coefficient Element)를 사용할 수 있다. PTC 소자는 전류 공급시 저항열이 발생하므로 발열체로서 이용할 수 있으며, 발열에 의해 온도가 상승하다가 특정 온도에 이르면 저항값이 급격하게 증가하여 전류의 흐름이 억제됨으로써 발열이 중지되는 특성을 갖는다.
하지만 PTC 소자를 이용한 복사 히터는 전력 사용량이 높고, 사용 전력에 비해서 발열 효율이 떨어지고, 승온 속도도 느린 문제점을 가지고 있다.
공개특허공보 제2016-0039415호(2016.04.11.)
따라서 본 발명의 목적은 저전력으로 높은 복사열을 방출하는 복사 히터 조립체를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 승온 속도가 빠른 복사 히터 조립체를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 장시간 접촉에 의한 저온화상을 억제할 수 있는 복사 히터 조립체를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 하부면과, 상기 하부면에 반대되는 상부면을 갖는 제1 프레임; 상기 제1 프레임의 상부면에 부착되며, 전원을 인가받아 발열하여 복사열을 방출하는 복수의 면상 발열체를 구비하는 발열체 필름; 및 상기 제1 프레임의 하부면 아래에 배치되어 상기 발열체 필름 사이에 공기층을 형성하고, 상기 발열체 필름에서 방출되는 복사열을 상기 제1 프레임 쪽으로 반사하는 반사판;을 포함하는 복사 히터 조립체를 제공한다.
본 발명에 따른 복사 히터 조립체는, 상기 제1 프레임과 상기 반사판에 개재되어 공기층을 형성하는 메쉬형 조립판;을 더 포함할 수 있다.
상기 메쉬형 조립판의 개구율은 40% 이상일 수 있다.
상기 메쉬형 조립판은 상기 제1 프레임과 상기 반사판과 마주보는 면에 대해서 이웃하는 측면이 개방되어 있다.
상기 제1 프레임과 상기 메쉬형 조립판은 플라스틱 소재이다.
상기 메쉬형 조립판은 상기 제1 프레임의 하부면에 상기 제1 프레임과 일체로 형성될 수 있다.
상기 발열체 필름은, 하부면이 상기 제1 프레임의 상부면에 부착되는 베이스 기판; 상기 베이스 기판의 상부면에 형성된 금속 소재의 전극 배선 패턴; 상기 베이스 기판 상부면의 상기 전극 배선 패턴에 연결되게 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되며, 상기 전극 배선 패턴으로 전원을 인가받아 발열하는 상기 복수의 면상 발열체; 및 상기 복수의 면상 발열체가 형성된 상기 베이스 기판의 상부면을 봉합하며 상기 복수의 면상 발열체에서 발생된 열이 방출되는 덮개층;을 포함한다.
상기 복수의 면상 발열체는 전도성 입자로 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 함유하는 발열체 조성물을 인쇄하여 형성될 수 있다.
상기 복수의 면상 발열체를 형성하는 발열체 조성물은, 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하거나 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하는 혼합 바인더; 및 은 분말, 은 코팅된 니켈 분말 또는 은 코팅된 구리 분말을 더 포함하는 상기 전도성 입자;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 복사 히터 조립체는, 상기 발열체 필름의 상부면에 부착되는 장식용 필름;을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 복사 히터 조립체는, 상기 반사판의 하부면에 부착되는 제2 프레임;을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 프레임은 글로브박스의 외측면을 형성하고, 상기 제2 프레임은 글로브박스의 내측면을 형성할 수 있다.
본 발명은 또한, 하부면과, 상기 하부면에 반대되는 상부면을 갖는 제1 프레임; 상기 제1 프레임의 상부면에 부착되며, 전원을 인가받아 발열하여 복사열을 방출하는 복수의 면상 발열체를 구비하는 발열체 필름; 상기 제1 프레임의 하부면에 적층되며, 다공성을 갖는 메쉬형 조립판; 및 상기 제1 프레임의 하부면과 마주보게 상기 메쉬형 조립판에 적층되며, 상기 발열체 필름에서 방출되는 복사열을 상기 제1 프레임 쪽으로 반사하는 반사판;을 포함하는 복사 히터 조립체를 제공한다.
본 발명은 또한, 하부면과, 상기 하부면에 반대되는 상부면을 갖는 제1 프레임; 상기 제1 프레임의 상부면에 부착되며, 전원을 인가받아 발열하여 복사열을 방출하는 복수의 면상 발열체를 구비하며, 상기 복수의 면상 발열체는 전도성 입자로 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 함유하는 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되는 발열체 필름; 상기 발열체 필름의 상부면에 부착되는 장식용 필름; 상기 제1 프레임의 하부면에 적층되며, 다공성을 갖는 메쉬형 조립판; 상기 제1 프레임의 하부면과 마주보게 상기 메쉬형 조립판에 적층되며, 상기 발열체 필름에서 방출되는 복사열을 상기 제1 프레임 쪽으로 반사하는 반사판; 및 상기 반사판의 하부면에 부착되는 제2 프레임;을 포함하는 복사 히터 조립체를 제공한다.
본 발명에 따른 복사 히터 조립체는 DC 8 내지 18V의 저전력으로 구동이 가능한 면상 발열체를 구비하는 발열체 필름을 포함하기 때문에, 저전력으로 짧은 시간에 대면적 발열이 가능하여 높은 복사열을 방사할 수 있다.
본 발명에 따른 복사 히터 조립체는 필름 형태로 구현되기 때문에, 자동차 실내, 사무실의 데스크의 하부나 벽면 등과 같은 다양한 객체에 쉽게 부착 또는 장착이 가능하다.
본 발명에 따른 복사 히터 조립체는 외부에 노출되는 발열체 필름의 면에 장식용 필름을 함께 부착함으로써, 객체나 주변 환경과의 조화나 심미감을 높일 수 있다.
발열체 필름의 면상 발열체는 일반적인 PTC 소자와 비교할 때, 발열 면적이 크기 때문에, 열전달 과정에서의 열손실을 최소화할 수 있다.
발열체 필름의 면상 발열체는 인쇄 공정을 통하여 다양하게 설계가 가능하기 때문에, 본 발명에 따른 복사 히터 조립체가 사용되는 기기나 환경에서 사용 가능한 다양한 구동 전압에서 구동하도록 발열체 필름을 제조할 수 있다.
발열체 필름의 면상 발열체는 전도성 입자와 혼합 바인더를 포함하는 도료 형태의 발열체 조성물로 형성하기 때문에, 비저항이 낮고 열전도율이 우수해 저전압 구동에 유리하고 승온 속도가 빠른 장점이 있다. 즉 발열체 조성물은 전도성 입자와 함께, 헥사메틸렌 디이소시아네이트 또는 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하는 혼합 바인더를 포함하기 때문에, 200℃ 이상의 온도에서도 내열성을 유지할 수 있다. 이로 인해 본 발명에 따른 복사 히터는 온도에 따른 저항 변화가 작아 발열 거동 및 안정성이 높은 면상 발열체를 구비하는 복사 히터를 제공할 수 있다.
탄소나노튜브 입자와 그라파이트 입자를 포함하는 발열체 조성물로 형성한 면상 발열체는 블랙 바디(block body)이기 때문에, 본 발명에 따른 복사 히터는 흑체 복사로 인해 추가적인 에너지 효율을 향상을 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 복사 히터는 흑체 복사로 인해 원적외선도 방사하기 때문에, 사용자에게 유익한 원적외선을 제공할 수 있다. 또한 발열체 필름의 상부에 원적외선을 방사하는 세라믹층이 형성된 복사판을 설치할 경우, 원적외선의 방출량을 더욱 증가시킬 수 있다.
발열체 조성물은 비저항이 낮고 두께 조절이 용이하여 저전압 및 저전력으로 고온 발열이 가능한 복사 히터를 제공할 수 있다.
발열체 조성물은 스크린 인쇄, 롤투롤 그라비아 인쇄, 롤투롤 콤마 코팅, 플렉소 인쇄, 옵셋 인쇄가 가능하기 때문에, 본 발명에 따른 복사 히터의 대량 생산에 유리할 뿐만 아니라 제품 길이 및 면적에 대한 제약을 해소할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 복사 히터 조립체는 복사열이 방사되는 방향에 반대되는 쪽에 메쉬형 조립판과 반사판이 배치된 구조를 갖기 때문에, 복사열의 방사되는 방향으로의 방사효율을 증가시킬 수 있고, 장시간 접촉에 의한 저온화상을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체를 보여주는 평면도이다.
도 2는 도 1의 2-2선 단면도이다.
도 3은 제1 내지 제4 실험예에 따른 발열체 필름의 단위 발열체를 보여주는 평면도이다.
도 4 내지 도 7은 제1 내지 제4 실험예에 따른 단위 발열체의 기전류 및 발열온도의 변화를 보여주는 그래프들이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체의 제조 방법에 따른 흐름도이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체의 제조 방법 중 발열체 필름 및 장식용 필름을 부착하는 단계를 보여주는 사진들이다.
도 12는 도 8의 제조 방법으로 제조된 복사 히터 조립체가 글로브박스로 구현된 예를 보여주는 사진이다.
도 13 및 도 14는 도 12의 복사 히터 조립체의 열화상이미지이다.
도 15는 스티어링 휠 컬럼으로 구현된 본 발명의 제2 실시예에 따른 복사 히터 조립체의 열화상이미지이다.
도 16은 도 15의 복사 히터 조립체의 DC 12V 구동 시의 시간에 따른 발열온도의 변화를 보여주는 그래프이다.
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.
[제1 실시예]
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체를 보여주는 평면도이다. 그리고 도 2는 도 1의 2-2선 단면도이다. 도 1에서 발열체 필름(20)을 도시하기 위해서, 발열체 필름(20)의 상부면에 부착되는 장식용 필름(60)의 도시를 생략하였다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체(100)는 제1 프레임(11), 발열체 필름(20) 및 반사판(80)을 포함한다. 제1 프레임(11)은 하부면(13)과, 하부면(13)에 반대되는 상부면(15)을 갖는다. 발열체 필름(20)은 제1 프레임(11)의 상부면(15)에 부착되며, 전원을 인가받아 발열하여 복사열을 방출하는 복수의 면상 발열체(51)를 구비한다. 그리고 반사판(80)은 제1 프레임(11)의 하부면(13) 아래에 배치되어 발열체 필름(20) 사이에 공기층을 형성하고, 발열체 필름(20)에서 방출되는 복사열을 제1 프레임(11) 쪽으로 반사한다. 제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체(100)는 장식용 필름(60), 메쉬형 조립판(70) 및 제2 프레임(19)을 더 포함할 수 있다.
여기서 제1 프레임(11)은 발열체 필름(20)이 부착되는 기저층이다. 예컨대 제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체(100)가 글로브박스로 구현되는 경우, 제1 프레임(11)은 자동차 실내에 노출되는 글로브박스의 외측면을 형성하는 부분일 수 있다.
제1 프레임(11)의 소재로는 사출 성형이 가능한 플라스틱 소재가 사용될 수 있다. 예컨대 제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체(100)가 글로브박스로 구현되는 경우, 제1 프레임(11)은 자동차의 내장재로 사용되는 플라스틱 소재로 제조될 수 있다.
발열체 필름(20)은 제1 접착층(91)을 매개로 제1 프레임(11)의 상부면(15)에 부착된다. 제1 접착층(91)의 소재로는 아크릴계, 에폭시계, 폴리이미드계 또는 우레탄계가 사용될 수 있다. 발열체 필름(20)의 하부면 또는 제1 프레임(11)의 상부면(15)에 제1 접착층(91)을 형성하는 접착제를 도포한 상태에서, 발열체 필름(20)과 제1 프레임(11) 간에 열과 압력을 인가함으로써, 제1 프레임(11)의 상부면(15)에 발열체 필름(20)을 부착할 수 있다.
발열체 필름(20)은 베이스 기판(30), 전극 배선 패턴(40), 복수의 면상 발열체(51) 및 덮개층(53)을 포함한다. 베이스 기판(30)은 전극 배선 패턴(40), 복수의 면상 발열체(51) 및 덮개층(53)을 형성할 수 있는 기저층이다. 전극 배선 패턴(40)은 베이스 기판(30)의 상부면(33)에 형성되며, 금속 소재로 형성될 수 있다. 복수의 면상 발열체(51)는 베이스 기판(30)의 상부면(33)의 전극 배선 패턴(40) 위에 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되며, 전극 배선 패턴(40)으로 전원을 인가받아 발열한다. 그리고 덮개층(53)은 복수의 면상 발열체(51)가 형성된 베이스 기판(30)의 일면을 봉합하며 복수의 면상 발열체(51)에서 발생된 열이 방출된다.
베이스 기판(30)은 하부면(31)과, 하부면(31)에 반대되는 상부면(33)을 갖는다. 베이스 기판(30)은 하부면(31)이 제1 프레임(11)의 상부면(15)에 접합된다. 베이스 기판(30)의 상부면(33)에 전극 배선 패턴(40), 복수의 면상 발열체(51) 및 덮개층(53)이 형성된다. 이러한 베이스 기판(30)으로는 플라스틱 기판이 사용될 수 있다. 플라스틱 기판의 소재로는 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르술폰(polyethersulphone; PES), 폴리아크릴레이트(polyacrylate: PAR), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile; PAN), 폴리에테르이미드(polyetherimide; PEI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(polyethyelenen napthalate; PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이드(polyethyeleneterepthalate; PET), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide: PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리아세테이트(cellulose triacetate; CTA), 폴리우레탄(polyurethane; PU), 실리콘 또는 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propinonate; CAP)가 사용될 수 있으며, 나열된 것들로 한정되는 것은 아니다.
베이스 기판(30)의 소재는 복사 히터 조립체(100)가 사용되는 응용 분야나 발열 온도에 따라서 적절히 선택될 수 있다.
전극 배선 패턴(40)은 베이스 기판(30)의 상부면(33)에 형성되며, 외부에서 인가되는 전원을 면상 발열체(51)로 공급한다. 전극 배선 패턴(40)은 전압 강하(voltage drop)를 최소화할 수 있도록 금속 소재로 형성될 수 있다. 전극 배선 패턴(40)을 형성하는 금속 소재로는 은, 알루미늄, 구리, 니켈, 스테인리스 스틸 또는 이들의 합금이 사용될 수 있다.
전극 배선 패턴(40)은 금속박을 이용한 에칭 방법 또는 금속 페이스트를 이용한 인쇄 방법으로 형성할 수 있다. 즉 전극 배선 패턴(40)은 베이스 기판(30)의 상부면(33)에 금속박을 적층한 후 에칭 방법으로 패터닝하여 형성할 수 있다. 또는 전극 배선 패턴(40)은 금속 페이스트를 베이스 기판(30)의 상부면(33)에 인쇄하여 형성할 수 있다.
이러한 전극 배선 패턴(40)은 복수의 면상 발열체(51)에 각각 병렬로 연결되어 전원을 인가한다. 전극 배선 패턴(40)은 제1 전극 패드(41), 제1 연결 배선(42), 복수의 제1 전극 단자(43), 제2 전극 패드(46), 제2 연결 배선(47), 및 복수의 제2 전극 단자(48)를 포함한다.
제1 전극 패드(41) 및 제2 전극 패드(46)는 각각 제1 케이블(44) 및 제2 케이블(49)을 매개로 배터리의 양극과 음극에 연결되어 전원을 공급받는다. 제1 전극 패드(41) 및 제2 전극 패드(46)는 복수의 면상 발열체(51)에서 이격되게 형성된다. 복수의 면상 발열체(51)가 배열된 영역에서 이격된 위치에 제1 전극 패드(41) 및 제2 전극 패드(46)가 형성된 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 후술되겠지만, 제1 전극 패드(41) 및 제2 전극 패드(46)는 덮개층(53) 밖으로 돌출되어 전원을 인가받는다.
제1 연결 배선(42)은 제1 전극 패드(41)와 연결되며, 복수의 면상 발열체(51)의 일측에 복수의 면상 발열체(51)가 배열된 방향을 따라서 형성된다.
복수의 제1 전극 단자(43)는 제1 연결 배선(42)에 연결되며, 복수의 면상 발열체(51)의 하부에 각각 형성된다.
제2 연결 배선(47)은 제2 전극 패드(46)와 연결되며, 복수의 면상 발열체(51)의 타측에 복수의 면상 발열체(51)가 배열된 방향을 따라서 형성된다. 이로 인해 복수의 면상 발열체(51)에 형성되는 제1 연결 배선(42) 및 제2 연결 배선(47)은 복수의 면상 발열체(51)를 사이에 두고 평행하게 형성될 수 있다.
그리고 복수의 제2 전극 단자(48)는 제2 연결 배선(47)에 연결되며, 복수의 면상 발열체(51)의 하부에 각각 형성되며, 복수의 제1 전극 단자(43)에 이격되게 형성된다. 제1 및 제2 전극 단자(43,48)는 서로 평행하게 형성될 수 있다. 이때 복수의 면상 발열체(51)는 제1 전극 단자(43) 및 제2 전극 단자(48)를 통하여 배터리로부터 전원을 인가받아 발열하게 된다.
복수의 면상 발열체(51)는 각각 전극 배선 패턴(40)의 제1 및 제2 전극 단자(43,48)를 연결하도록 형성된다. 면상 발열체(51)는 발열체 조성물을 제1 및 제2 전극 단자(43,48)를 연결하도록 인쇄한 후, 건조 및 경화하여 형성한다. 발열체 조성물의 인쇄 방법으로는 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄(내지 롤투롤 그라비아 인쇄), 콤마 코팅(내지 롤투롤 콤마 코팅), 플렉소, 임프린팅, 옵셋 인쇄 등이 사용될 수 있다. 건조 및 경화는 100℃ 내지 180℃에서 수행될 수 있다.
면상 발열체(51)는 베이스 기판(30) 위에 수평 방향으로 배열되게 형성된다. 즉 면상 발열체(51)는 n행m렬(n, m은 2 이상의 자연수)로 베이스 기판(30)의 상부면(33)에 형성될 수 있다. 이때 전극 배선 패턴(40)은 베이스 기판(30)의 상부면(33)에 형성되는 복수의 면상 발열체(51)를 병렬로 연결하도록 형성된다.
이러한 면상 발열체(51)를 형성하는 발열체 조성물은 혼합 바인더 및 전도성 입자를 포함한다. 면상 발열체(51)를 형성하기 위해서, 인쇄 공정에 투입되는 발열체 조성물은 혼합 바인더 및 전도성 입자 이외에, 유기 용매와 분산제를 더 포함한다.
발열체 조성물은 발열체 조성물 100 중량부에 대해서, 혼합 바인더 5 내지 30 중량부, 전도성 입자 0.7 내지 60 중량부, 유기 용매 29 내지 80 중량부, 및 분산제 0.5 내지 5 중량부를 포함할 수 있다.
전도성 입자는 전도성을 갖는 탄소 입자 또는 금속 분말을 포함한다. 탄소 입자로는 탄소나노튜브 입자 또는 그라파이트 입자가 사용될 수 있다. 금속 분말로는 은, 구리 또는 니켈 소재의 분말이 사용될 수 있다. 예컨대 전도성 입자는 발열 조성물 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 입자 0.1 내지 5 중량부, 그라파이트 입자 0.1 내지 20 중량부 또는 금속 분말 10 내지 60 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 1nm 내지 20nm 일 수 있고, 길이는 1㎛ 내지 100㎛일 수 있다.
그라파이트 입자는 직경이 1㎛ 내지 25㎛일 수 있고, 두께가 1nm 내지 25㎛일 수 있다.
금속 분말은 은, 구리 또는 니켈 소재의 분말을 포함한다. 은 분말의 경우, 플레이크, 구형, 다각형 판상, 막대(rod) 등의 형태를 가질 수 있다. 구리 분말로는 은이 코팅된 구리(Ag coated Cu) 분말, 니켈이 코팅된 구리(Ni coated Cu) 분말 등이 사용될 수 있다. 그리고 니켈 분말로는 은이 코팅된 니켈(Ag coated Ni) 분말이 사용될 수 있다.
탄소 입자와 금속 분말을 포함하는 발열체 조성물로 면상 발열체(51)를 형성하는 경우, 금속 분말이 주 전기적 네트워크를 형성하고, 금속 분말 사이의 공간에 탄소 입자가 채워져 3차원 랜덤 네트워크 구조를 형성한다.
이와 같이 발열체 조성물은 탄소 입자와 금속 분말을 포함함으로써, 면상 발열체(51)의 에너지 효율 및 발열 속도를 높일 수 있다. 즉 금속 분말은 흑체 복사 기능을 갖지 않는다. 하지만 발열체 조성물에 탄소 입자를 포함시킴으로써, 흑체 복사 기능을 구현할 수 있다. 탄소 입자로 인해서 면상 발열체(51)의 내열성을 높일 수 있다. 그리고 탄소 입자로 인해서, 면상 발열체(51)의 발열 속도 및 에너지 효율을 높일 수 있다.
면상 발열체(51)의 비저항은 전체 고형분 중 탄소 입자 또는 금속 분말의 함량에 의해 결정될 수 있다. 예컨대 1×10- 2Ω㎝ 영역대까지는 탄소 입자만으로 비저항 조절이 가능하나, 그 이하의 영역은 금속 분말의 추가적인 도입이 필요하다. 면상 발열체(51)는 9×10-2 내지 1.1×10-3 Ω㎝의 비저항을 가질 수 있다.
혼합 바인더는 300℃ 가량의 온도에서도 내열성을 가질 수 있도록, 페놀계 수지, 아세탈계 수지, 이소시아네이트계 수지 및 에폭시계 수지 중 적어도 2종을 포함한다. 예컨대 혼합 바인더는 에폭시(epoxy), 에폭시 아크릴레이트(epoxy acrylate), 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지 중 적어도 2종을 포함한다.
예컨대 혼합 바인더는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하거나 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함할 수 있다. 여기서 혼합 바인더는, 에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 폴리비닐 아세탈 수지 10 내지 150 중량부, 페놀계 수지 100 내지 500 중량부를 포함할 수 있다. 페놀계 수지가 에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 100 중량부 이하인 경우 내열성이 저하되고, 500 중량부를 초과하는 경우 면상 발열체(51)의 유연성이 저하되어 취성이 강해질 수 있다.
이와 같이 혼합 바인더의 내열성을 높임으로써, 면상 발열체(51)를 300℃ 가량의 고온으로 발열시키는 경우에도, 면상 발열체(51)의 저항 변화나 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 전도성 입자의 분산을 보다 원활히 위한 것으로, BYK류와 같이 당업계에서 이용되는 통상의 분산제, Triton X-100과 같은 양쪽성 계면활성제, SDS 등과 같은 이온성 계면활성제를 이용할 수 있다.
또한 발열체 조성물은 발열체 조성물 100 중량부에 대하여, 첨가제로서 실란 커플링제 0.1 내지 5 중량부를 더 포함할 수 있다.
실란 커플링제는 발열체 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.
또한 발열체 조성물은 발열체 조성물 100 중량부에 대하여, 첨가제로서 세라믹 입자 0.5 내지 20 중량부를 더 포함할 수 있다. 세라믹 입자는 면상 발열체(51)의 열용량을 증가시킨다. 이러한 세라믹 입자로는 유리 입자 또는 실리콘 입자가 사용될 수 있다.
이러한 발열체 필름(20)은 DC 전원을 인가하여 구동이 가능하고, DC 8 내지 18V의 저전력으로 신속하게 높은 복사열을 방출한다.
그리고 덮개층(53)은 복수의 면상 발열체(51)가 형성된 베이스 기판(30)의 상부면(33)을 덮도록 형성된다. 덮개층(53)은 베이스 기판(30)의 상부면(33)에 형성된 전극 배선 패턴(40)과 복수의 면상 발열체(51)를 외부 환경으로부터 보호하는 기능과, 복수의 면상 발열체(51)에서 발생된 열을 외부로 방출하는 기능을 함께 수행한다. 이때 전극 배선 패턴(40) 중 제1 전극 패드(41) 및 제2 전극 패드(46)는 덮개층(53) 밖으로 돌출되어 있다.
이러한 덮개층(53)의 소재로는 우레탄 수지, 실리콘 수지, 이미드계 수지 또는 면상 발열체(51)와의 접촉면에 절연 접착층이 형성된 금속박이 사용될 수 있다. 절연 접착층의 소재로는 아크릴계, 에폭시계, 폴리이미드계 또는 우레탄계가 사용될 수 있다. 예컨대 덮개층(53)은 핫 프레싱(hot pressing) 또는 라미네이팅(laminating) 방법으로 베이스 기판(30)에 접합될 수 있다.
장식용 필름(60)은 제2 접착층(93)을 매개로 발열체 필름(20)의 상부면에 부착된다. 제2 접착층(93)의 소재로는 아크릴계, 에폭시계, 폴리이미드계 또는 우레탄계가 사용될 수 있다.
제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체(100)가 글로브박스로 구현되는 경우, 장식용 필름(60)은 자동차의 내장재로 사용되는 플라스틱, 섬유, 가죽, 인조가죽 등이 사용될 수 있다. 장식용 필름(60)은 표면에 요철이 형성되어 있을 수 있다. 표면에 형성된 요철은 가죽이나 섬유의 느낌을 줄 수 있다. 장식용 필름(60)은 블랙 또는 브라운 계통과 같이 원적외선 방사율을 저하하지 않는 색상의 필름을 사용하는 것이 유리하다. 장식용 필름(60)은 단일층 필름 또는 두 층 이상의 복합 구조를 가질 수 있다.
장식용 필름(60)의 하부면 또는 발열체 필름(20)의 상부면에 제2 접착층(93)을 형성하는 접착제를 도포한 상태에서, 발열체 필름(20)과 장식용 필름(60) 간에 열과 압력을 인가함으로써, 발열체 필름(20)의 상부면에 장식용 필름(60)을 부착할 수 있다. 예컨대 장식용 필름(60)은 TOM법(three dimension overlay method)을 이용하여 발열체 필름(20)의 상부면에 부착할 수 있다.
한편 제1 실시예에서는 발열체 필름(20)의 덮개층(513) 위에 장식용 필름(60)을 부착하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 장식용 필름이 덮개층의 역할을 함께 수행할 수도 있다. 즉 덮개층이 형성되지 않은 발열체 필름을 제1 프레임에 부착한 이후에, 복수의 면상 발열체가 형성된 베이스 기판의 상부면을 덮도록 장식용 필름을 부착할 수도 있다.
반사판(80)은 제1 프레임(11)의 하부면(13) 아래에 제1 프레임(11)에 대해서 이격되게 배치된다. 즉 반사판(80)은 제1 프레임(11) 사이에 공기층을 형성한다. 반사판(80)과 제1 프레임(11) 사이의 공기층으로 외부 공기가 유입될 수 있도록, 공기층은 외부와 연결된 부분을 갖는다.
반사판(80)은 제1 프레임(11)의 하부면(13)으로 방출되는 복사열을 반사하여 제1 프레임(11)의 상부면(15)으로 방출시켜, 제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체(100)의 방사효율을 향상시킬 수 있다.
그리고 반사판(80)은 제1 프레임(11)과의 사이에 공기층을 형성함으로써, 적은 열용량으로 인해서 제1 프레임(11)의 표면 가열에 좀 더 유리할 수 있고, 제1 프레임(11)의 표면 접촉에 의해 저온화상을 억제할 수 있다. 즉 제1 프레임(11)의 하부면(13)에 공기층이 형성되어 있기 때문에, 제1 프레임(11)에 전달되는 열을 공기층이 균일하게 분산시킴으로써, 제1 프레임(11)에 객체의 접촉이 발생되더라도 접촉에 의해 객체의 저온화상을 억제할 수 있다.
반사판(80)의 소재로는 복사열을 양호하게 반사하는 금속 소재가 사용될 수 있다. 예컨대 반사판(80)의 소재로는 알루미늄, 스테인리스 스틸 등이 사용될 수 있다.
메쉬형 조립판(70)은 제1 프레임(11)과 반사판(80)에 개재되어 제1 프레임(11)과 반사판(80) 사이에 공기층의 비율을 조절한다. 즉 메쉬형 조립판(70)은 다공성을 갖는다. 메쉬형 조립판(70)의 개구율을 조절함으로써, 제1 프레임(11)과 반사판(80) 사이의 공기층의 비율을 조절하게 된다.
메쉬형 조립판(70)은 제1 프레임(11)과 반사판(80)과 마주보는 면에 대해서 이웃하는 측면이 개방되어 있다. 이로 인해 반사판(80)과 제1 프레임(11) 사이의 메쉬형 조립판(70)으로 외부 공기가 유입될 수 있도록 한다.
메쉬형 조립판(70)의 개구율은 40% 이상이 바람직하다. 개구율이 40% 미만인 경우, 제1 프레임(11)의 상부면(15)으로 방출되는 복사열의 복사효율 향상에는 거의 기여하지 못한다. 하지만 개구율이 40% 이상인 경우, 제1 프레임(11)의 상부면(15)으로 방출되는 복사열의 복사효율이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 메쉬형 조립판(70)의 소재로는 열전도성이 낮은 플라스틱 소재가 사용될 수 있다.
이때 반사판(80)은 제3 접착층(95)을 매개로 메쉬형 조립판(70)의 하부면에 부착될 수 있다. 제3 접착층(95)의 소재로는 아크릴계, 에폭시계, 폴리이미드계 또는 우레탄계가 사용될 수 있다. 메쉬형 조립판(70)의 하부면 또는 반사판(80)의 상부면에 제3 접착층(95)을 형성하는 접착제를 도포한 상태에서, 메쉬형 조립판(70)과 반사판(80) 간에 열과 압력을 인가함으로써, 메쉬형 조립판(70)의 하부면에 반사판(80)을 부착할 수 있다.
제1 실시예에 따른 메쉬형 조립판(70)은 별도로 제작되어 제1 프레임(11)과 반사판(80) 사이에 위치하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 메쉬형 조립판(70)은 제1 프레임(11)의 하부면(13)에 제1 프레임(11)과 일체로 형성될 수 있다. 즉 제1 프레임(11)과 메쉬형 조립판(70)은 사출 성형 또는 이중 성형 등을 통하여 일체로 형성될 수 있다.
그리고 제2 프레임(19)은 제4 접착층(97)을 매개로 반사판(80)의 하부면에 부착된다. 제4 접착층(97)의 소재로는 아크릴계, 에폭시계, 폴리이미드계 또는 우레탄계가 사용될 수 있다. 반사판(80)의 하부면 또는 제1 프레임(19)의 상부면에 제4 접착층(97)을 형성하는 접착제를 도포한 상태에서, 반사판(80)과 제2 프레임(19) 간에 열과 압력을 인가함으로써, 반사판(80)의 하부면에 제2 프레임(19)을 부착할 수 있다.
제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체(100)가 글로브박스로 구현되는 경우, 제2 프레임(19)은 글로브박스의 내측면을 형성하는 부분일 수 있다. 제2 프레임(19)의 소재로는 제1 프레임(11)과 동일한 소재가 사용될 수 있다.
한편 제1 실시예에서는 메쉬형 조립판(70)에 적층되는 반사판(80) 및 제2 프레임(19)이 제3 및 제4 접착층(95,97)을 매개로 부착되는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 메쉬형 조립판(70)에 접촉되게 반사판(80) 및 제2 프레임(19)을 적층한 후, 물리적인 결합 방식으로 고정할 수도 있다. 물리적인 결합 방식은 끼움 방식, 자석 부착 방식, 나사 결합 방식 등이 사용될 수 있다.
이와 같은 제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체(100)의 발열체 필름(20)의 특성을 확인하기 위해서 아래와 같은 실험을 수행하였다.
제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체(100)를 자동차에 적용하기 위해서, DC 12V 구동 시 면상 발열체(51)의 크기, 예컨대 제1 및 제2 전극 단자(43,48) 간의 거리 변화에 따른 기전류 및 발열온도를 측정하였다. 면상 발열체(51)의 크기에 따른 기전류 및 발열온도 변화를 분석하기 위해서, 도 3과 같은 형태로 발열체 필름의 단위 발열체(20a)를 구현하였다.
도 3은 제1 내지 제4 실험예에 따른 발열체 필름의 단위 발열체(20a)를 보여주는 평면도이다.
도 3을 참조하면, 단위 발열체(20a)는 제1 및 제2 전극 단자(43,48)와, 제1 및 제2 전극 단자(43,48)를 연결하는 면상 발열체(51)를 포함한다. 면상 발열체(51)는 가로(X)×세로(Y)의 면적을 갖는다. 단위 발열체(20a)에서는 베이스 기판의 도시를 생략하였다.
발열체 조성물은 아래와 같이 제조하였다. 탄소나노튜브, 그라파이트 입자를 카비톨아세테이드 용매에 첨가하고 분산제를 첨가하여 60분간 초음파 처리를 통해 탄소나노튜브/그라파이트 분산액(Solution A)을 제조하였다. 에폭시아크릴레이트, 페놀 수지 및 폴리비닐 아세탈 수지를 혼합하고 카비톨아세테이트 용매에 첨가하여 물리적인 교반(mechanical stirring) 또는 자전공전이 가능한 기계적 혼련을 통해 마스터 배치(master batch, M/B)를 제조한다. 그리고 Solution A와 M/B를 물리적인 교반을 통해 혼련한 후, 3-롤 밀( 3-roll mill)을 이용하여 완전히 혼련함으로써 발열체 조성물을 제조하였다.
전술된 제조 방법으로 제조된 발열체 조성물을 이용하여 단위 발열체(10a)를 제조하였다.
우레탄 소재의 베이스 기판을 준비하고, 베이스 기판 위에 금속 페이스트를 250메쉬 스크린 마스크를 이용하여 스크린 인쇄한 후 150℃에서 30분간 열처리하여 제1 및 제2 전극 단자(43,48)를 형성한다. 이후 발열체 조성물을 동일하게 제1 및 제2 전극 단자(43,48)에 따라 스크린 인쇄한 후 150℃에서 30분간 열처리하여 면상 발열체(51)를 형성한다. 그리고 접착층이 있는 우레탄 필름(덮개층)을 핫 프레싱하고 타발한 후 와이어링하여 단위 발열체(20a)를 제조하였다.
이때 면상 발열체(51)는 제1 내지 제4 실험예에 사용될 단위 발열체(20a)의 크기에 맞게 스크린 인쇄하여 형성하였다.
면상 발열체(51)의 형태에 따른 기전류 및 발열온도 변화를 분석한 결과는 도 4 내지 도 7과 같다. 여기서 도 4 내지 도 7은 제1 내지 제4 실험예에 따른 단위 발열체의 기전류와 발열온도의 변화를 보여주는 그래프들이다.
Y값이 1cm, 1.5cm, 2cm, 2.5cm로 각각 일정할 때, X값의 변화에 따른 DC 12V 구동시의 기전류 및 발열온도를 측정하였고, 측정 결과는 도 4 내지 도 7에 도시된 그래프와 같다. 여기서 도 4는 Y값이 1cm인 경우, 도 5는 Y값이 1.5cm인 경우, 도 6은 Y값이 2cm인 경우, 그리고 도 7은 Y값이 2.5cm인 경우이다. 4가지 Y값에 대해서 X값은 각각 2cm, 2.5cm, 3cm, 3.5cm, 4cm, 4.5cm이다.
도 4 내지 도 7을 참조하면, 면상 발열체는 X값이 감소할수록 기전류 및 발열온도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 면상 발열체는 X값과 Y값의 변화에 따라서 기전류 및 발열온도가 다양하게 변화하는 것을 확인할 수 있다. 특히 면상 발열체는 X값이 4cm 이하일 경우, 100℃ 이상 발열하는 것을 확인할 수 있다.
따라서 DC 12V로 구동하는 복사 히터 조립체를 제조할 경우, 면상 발열체의 면적 조절을 통하여 발열온도 및 전력량을 자유롭게 설계할 수 있다.
이와 같은 제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체(100)의 제조 방법을 도 1, 도 2 및 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체(100)의 제조 방법에 따른 흐름도이다.
먼저 S10단계에서 제2 프레임(19)의 상부면에 반사판(80)을 제4 접착층(97)을 매개로 부착하여 적층한다.
다음으로 S20단계에서 반사판(80)의 상부면에 메쉬형 조립판(70)을 적층한다. 이때 반사판(80)의 상부면에 메쉬형 조립판(70)을 제3 접착층(95)을 매개로 부착하여 적층하거나 물리적인 고정 방식으로 결합하여 적층할 수 있다.
다음으로 S30단계에서 메쉬형 조립판(70)의 상부면에 제1 프레임(11)을 적층한다. 이때 메쉬형 조립판(70)의 상부면에 제1 프레임(11)을 접착층을 매개로 부착하여 적층하거나 물리적인 고정 방식으로 결합하여 적층할 수 있다.
다음으로 S40단계에서 제1 프레임(11)의 상부면에 발열체 필름(20)을 제1 접착층(91)을 매개로 부착하여 적층한다.
이어서 S50단계에서 발열체 필름(20)의 상부면에 장식용 필름(60)을 제2 접착층(93)을 매개로 부착한다.
그리고 S60단계에서 제1 프레임(11)의 형태에 맞게 장식용 필름(60)을 트리밍함으로써, 제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체(100)를 획득한다.
한편 제1 실시예에서는 제2 프레임(19) 위에 반사판(80), 메쉬형 조립판(70), 제1 프레임(11), 발열체 필름(20) 및 장식용 필름(60)을 순차적으로 적층하여 복사 히터 조립체(100)를 제조하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 제1 프레임(11)의 상부면(15)에 발열체 필름(20)과 장식용 필름(60)을 적층한 이후에, 제1 프레임(11)의 하부면(13)에 메쉬형 조립판(70), 반사판(80) 및 제2 프레임(19)을 적층하여 복사 히터 조립체(100)를 제조할 수 있다. 또는 제2 프레임(19) 위에 반사판(80) 및 메쉬형 조립판(70)을 순차적으로 적층하여 제1 반제품을 제조하고, 제1 프레임(11)의 상부면(15)에 발열체 필름(20)과 장식용 필름(60)을 순차적으로 적층하여 제2 반제품을 제조한 이후에, 제1 반제품과 제2 반제품을 서로 적층하여 복사 히터 조립체(100)를 제조할 수도 있다.
이와 같은 제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체의 제조 방법으로 글로브박스로 구현하는 예를 도 9 내지 도 12를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 9 내지 도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체의 제조 방법 중 발열체 필름 및 장식용 필름을 부착하는 단계를 보여주는 사진들이다. 그리고 도 12는 도 8의 제조 방법으로 제조된 복사 히터 조립체가 글로브박스로 구현된 예를 보여주는 사진이다.
먼저 도 9에 도시된 바와 같이, 글로브박스의 상부면을 형성하는 제1 프레임의 상부면에 발열체 필름을 부착한다.
다음으로 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 발열체 필름이 부착된 제1 프레임의 상부면을 덮도록 장식용 필름을 부착한다. 장식용 필름은 TOM법으로 부착하되, 110℃ 내외의 온도에서 압력을 인가하여 부착한다.
그리고 도 12에 도시된 바와 같이, 장식용 필름을 제1 프레임의 형태에 맞게 트리밍함으로써, 발열체 필름이 내장된 글로브박스를 제조할 수 있다. 도 12의 (a)는 브라운 색상의 장식용 필름이 부착된 제1 글로브박스를 보여준다. 도 12의 (b)는 블랙 색상의 장식용 필름이 부착된 제2 글로브박스를 보여준다.
이와 같이 글로브박스로 구현된 제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체의 발열거동 및 전기적 특성을 도 13 및 도 14를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 13 및 도 14는 도 12의 복사 히터 조립체의 열화상이미지이다.
도 13은 제1 글로브박스의 DC 12V 구동 시의 열화상이미지이다. 도 14는 제2 글로브박스의 DC 12V 구동 시의 열화상이미지이다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 제1 및 제2 글로브박스가 평면이 아닌 3차원 형상임을 감안하더라도 전체적으로 매우 균일하게 발열되는 것을 확인할 수 있다. 그리고 제1 및 제2 글로브박스에 부착된 발열체 필름의 면상 발열체들의 손상도 없음을 확인할 수 있다.
아래의 표 1은 제1 및 제2 글로브박스의 DC 12V 구동 조건에서의 기전류 및 출력 결과를 나타낸다. 제1 및 제2 글로브박스는 DC 12V 구동 조건에서 약 60W의 출력이 발생함을 알 수 있다.
측정시간(Sec) 구동전압(V) 기전류(A) 출력(W)
제1 글로브박스 300 12 4.939 59.228
제2 글로브박스 300 12 5.046 60.512
Figure 112018030860763-pat00001
표 2는 KFIA-FI-1005의 측정 규격에 따라 제1 및 제2 글로브박스의 온도에 따른 방사율 및 방사에너지를 나타낸 것으로 50℃, 100℃에서 모두 약 0.92의 방사율을 보임을 확인할 수 있다. 여기서 KFIA-FI-1005는 적외선 분광광도계에 의한 원적외선의 방사율 및 방사에너지 측정방법으로, FT-IR Spectrometer를 이용하여 흑체(Blackbody) 대비하여 측정한다.
이와 같이 제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체는 접촉에 의한 온열감을 제공하는 것이 아니라, 복사에 의해 온열감을 운전자 혹은 승객들에게 제공하는 것이 목적이기 때문에, 방사율은 매우 중요한 요소이다.
[제1 실시예 및 비교예의 발열특성 및 수열부 온열 효과 비교]
글로브박스로 구현된 비교예 및 제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체의 발열특성 및 수열부 온열 효과를 비교하면 아래의 표 3과 같다. 여기서 비교예에 따른 복사 히터 조립체는 발열체로 탄소 제직 히터를 사용하였다.
입력 전압 입력 전력 표면
70℃ 도달시간		 10cm 떨어진 수열부 표면의 20℃ 도달시간
제1 실시예 DC 12V 60W 2분 이내 4분 이내
비교예 DC 12V 60W 4분 이상 8분 이내
표 3은 제1 실시예 및 비교예에 따른 복사 히터 조립체를 -10℃ 환경의 콜드 챔버(cold chamber)에 놓고 4시간 동안 유지하여 콜드 쇼킹(cold soaking)하였다. 복사 히터 조립체를 넣기 전에 제1 및 제2 전극 패드와 파워서플라이를 연결하고, 복사 히터 조립체의 표면에 k-type 온도센서를 장착하였다.
4시간의 콜드 쇼킹 이후에 콜드 챔버의 전원을 끄고, 온도센서가 장착된 수열부를 복사 히터 조립체의 높이와 동일한 높이로 10㎝ 거리에 설치하였다. 제1 실시예 및 비교예에 따른 복사 히터 조립체의 발열체 필름 및 탄소 제직 히터에 각각 DC 12V를 인가하여 복사 히터 조립체의 표면 온도 및 10㎝ 거리의 수열부의 온도 변화를 관찰하여 그 결과를 표 3에 기재하였다.
표 3을 참조하면, 동일한 DC 12V의 전압과 동일한 60W의 전력을 인가하였다. 제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체 표면의 온도가 70℃에 도달하는 시간 및 10㎝ 거리의 수열부 표면이 20℃에 도달하는 시간이 2분 이내 및 4분 이내로 측정되었다. 반면에 비교예에 따른 복사 히터 조립체 표면의 온도가 70℃에 도달하는 시간 및 10㎝ 거리의 수열부 표면이 20℃에 도달하는 시간이 4분 이내 및 8분 이내로 측정되었다. 즉 제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체의 발열특성 및 수열부 온열 효과가 비교예에 따른 복사 히터 조립체 보다는 우수함을 알 수 있다.
한편으로 비교예에 따른 복사 히터 조립체의 탄소 제직 히터는 니팅과 도금 등의 제조공정을 필요로 하기 때문에 생산단가가 높고 섬유에 탄소 제직 히터가 구성되기 때문에, 높은 열용량으로 인해서 접촉시 저온화상의 위험이 높고, 자동차 실내 부착이 어려운 단점이 있다.
[메쉬형 조립체 및 반사판의 설치 여부에 따른 발열특성 및 수열부 온열 효과 비교]
제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체에 있어서, 제1 프레임의 하부면에 메쉬형 조립체와 반사판을 설치하는 경우와 설치하지 않은 경우의 발열특성 및 수열부 온열 효과를 비교하면 아래의 표 4와 같다. 제1 프레임의 하부면에 메쉬형 조립체와 반사판을 설치한 복사 히터 조립체를 제1-1 실시예에 따른 복사 히터 조립체라 한다. 제1 프레임의 하부면에 메쉬형 조립체와 반사판을 설치하지 않은 복사 히터 조립체를 제1-2 실시예에 따른 복사 히터 조립체라 한다. 메쉬형 조립체로는 개구율이 50%인 것을 사용하였다.
입력 전압 입력 전력 표면
70℃ 도달시간		 10cm 떨어진 수열부 표면의 20℃ 도달시간
제1-2 실시예 DC 12V 60W 2분 이내 4분 이내
제1-1 실시예 DC 12V 60W 1분 30초 이내 3분 이내
표 4를 참조하면, 제1-1 실시예에 따른 복사 히터 조립체 표면의 온도가 70℃에 도달하는 시간 및 10㎝ 거리의 수열부 표면이 20℃에 도달하는 시간이 1분 30초 이내 및 3분 이내로 측정되었다.
반면에 제1-2 실시예에 따른 복사 히터 조립체 표면의 온도가 70℃에 도달하는 시간 및 10㎝ 거리의 수열부 표면이 20℃에 도달하는 시간이 2분 이내 및 4분 이내로 측정되었다.
따라서 제1-1 실시예에 따른 복사 히터 조립체의 발열특성 및 수열부 온열 효과가 제1-2 실시예 보다는 우수함을 알 수 있다. 이것은 제1 프레임의 하부면에 메쉬형 조립체와 반사판을 설치함으로써 발생되는 효과로 판단된다.
[메쉬형 조립판의 개구율에 따른 발열특성 및 수열부 온열 효과 비교]
제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체에 있어서, 메쉬형 조립판의 개구율에 따른 발열특성 및 수열부 온열 효과를 비교하면 아래의 표 5와 같다.
개구율(%) 입력 전압 입력 전력 표면
70℃ 도달시간		 10cm 떨어진 수열부 표면의 20℃ 도달시간
0 DC 12V 60W 2분 이내 4분 이내
10 DC 12V 60W 2분 이내 4분 이내
20 DC 12V 60W 2분 이내 4분 이내
30 DC 12V 60W 2분 이내 4분 이내
40 DC 12V 60W 1분 40초 이내 3분 30초 이내
50 DC 12V 60W 1분 30초 이내 3분 이내
60 DC 12V 60W 1분 30초 이내 3분 이내
70 DC 12V 60W 1분 30초 이내 3분 이내
표 5를 참조하면, 개구율이 30% 이하인 경우, 복사 히터 조립체의 효율 향상에 큰 도움이 되지 않는 것을 확인할 수 있다. 개구율이 40% 이상인 경우, 복사 히터 조립체의 속효성이 개선되는 것을 확인할 수 있다. 개구율이 50% 내지 70%까지는 거의 동일한 효과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.
이것은 메쉬형 조립체 및 반사판이 제1 프레임의 하단에 있을 경우, 복사열의 일방향으로의 방사 효율이 증가하고 적은 열용량으로 인해서 복사 히터 조립체의 표면 가열에 좀 더 유리하기 때문인 것으로 판단된다. 또한 저온화상의 위험이 거의 사라지는 것을 확인할 수 있었다.
[제2 실시예]
한편 제1 실시예에 따른 복사 히터 조립체가 글로브박스로 구현된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 복사 히터 조립체는 자동차용 스티어링 휠 컬럼, 콘솔, 시트 등에 적용될 수 있다. 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 복사 히터 조립체는 스티어링 휠 컬럼으로 구현될 수 있다.
도 15는 스티어링 휠 컬럼으로 구현된 본 발명의 제2 실시예에 따른 복사 히터 조립체의 열화상이미지이다. 도 16은 도 15의 복사 히터 조립체의 DC 12V 구동 시의 시간에 따른 발열온도의 변화를 보여주는 그래프이다. 여기서 도 15는 제2 실시예에 따른 복사 히터 조립체의 DC 12V 구동 시의 열화상이미지이다. 도 16은 제2 실시예에 따른 복사 히터 조립체의 스폿(spot)별 측정 시간에 따른 발열온도 변화를 보여준다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 제2 실시예에 따른 복사 히터 조립체는 DC 12V 인가시 50초 이내에 표면 온도가 100℃까지 도달함을 확인할 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.
11 : 제1 프레임 13, 31 : 하부면
15, 33 : 상부면 19 : 제2 프레임
20 : 발열체 필름 30 : 베이스 기판
40 : 전극 배선 패턴 41 : 제1 전극 패드
42 : 제1 연결 배선 43 : 제1 전극 단자
44 : 제1 케이블 46 : 제2 전극 패드
47 : 제2 연결 배선 48 : 제2 전극 단자
49 : 제2 케이블 51 : 면상 발열체
53 : 덮개층 60 : 장식용 필름
70 : 메쉬형 조립판 80 : 반사판
91, 93, 95, 97 : 접착층 100 : 복사 히터 조립체

Claims (12)

  1. 하부면과, 상기 하부면에 반대되는 상부면을 가지며, 발열체 필름이 부착되는 기저층으로 사용되는 플라스틱 소재의 제1 프레임;
    상기 제1 프레임의 상부면에 부착되며, 전원을 인가받아 발열하여 복사열을 방출하는 복수의 면상 발열체를 구비하는 상기 발열체 필름; 및
    상기 제1 프레임의 하부면 아래에 상기 제1 프레임에 대해서 이격되게 배치되어 상기 제1 프레임 사이에 공기층을 형성하고, 상기 발열체 필름에서 상기 제1 프레임의 하부면으로 방출되는 복사열을 반사하여 상기 제1 프레임을 통하여 상기 발열체 필름으로 전달하고, 상기 공기층이 상기 제1 프레임과 반사판 사이에서 상기 제1 프레임에 전달되는 열을 분산시키는 반사판;을 포함하고,
    상기 반사판과 상기 제1 프레임 사이의 공기층으로 외부 공기가 유입될 수 있도록, 상기 공기층은 외부와 연결된 부분을 갖는 것을 특징으로 하는 복사 히터 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 프레임과 상기 반사판에 개재되어 상기 공기층의 비율을 조절하는 메쉬형 조립판;을 더 포함하고,
    상기 메쉬형 조립판은 외부 공기가 유입될 수 있도록, 상기 제1 프레임과 상기 반사판과 마주보는 면에 대해서 이웃하는 측면이 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 복사 히터 조립체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 메쉬형 조립판의 개구율은 40% 이상인 것을 특징으로 하는 복사 히터 조립체.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 메쉬형 조립판은 상기 제1 프레임과 상기 반사판과 마주보는 면에 대해서 이웃하는 측면이 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 복사 히터 조립체.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 프레임과 상기 메쉬형 조립판은 플라스틱 소재이고,
    상기 메쉬형 조립판은 상기 제1 프레임의 하부면에 상기 제1 프레임과 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 복사 히터 조립체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 발열체 필름은,
    하부면이 상기 제1 프레임의 상부면에 부착되는 베이스 기판;
    상기 베이스 기판의 상부면에 형성된 금속 소재의 전극 배선 패턴;
    상기 베이스 기판 상부면의 상기 전극 배선 패턴에 연결되게 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되며, 상기 전극 배선 패턴으로 전원을 인가받아 발열하는 상기 복수의 면상 발열체; 및
    상기 복수의 면상 발열체가 형성된 상기 베이스 기판의 상부면을 봉합하며 상기 복수의 면상 발열체에서 발생된 열이 방출되는 덮개층;을 포함하고,
    상기 복수의 면상 발열체는 전도성 입자로 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 함유하는 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되는 것을 특징으로 하는 복사 히터 조립체.
  7. 제6항에 있어서, 상기 복수의 면상 발열체를 형성하는 발열체 조성물은,
    헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하거나 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지를 포함하는 혼합 바인더; 및
    은 분말, 은 코팅된 니켈 분말 또는 은 코팅된 구리 분말을 더 포함하는 상기 전도성 입자;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복사 히터 조립체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 발열체 필름의 상부면에 부착되는 장식용 필름;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복사 히터 조립체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 반사판의 하부면에 부착되는 제2 프레임;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복사 히터 조립체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 프레임은 글로브박스의 외측면을 형성하고, 상기 제2 프레임은 글로브박스의 내측면을 형성하는 것을 특징으로 하는 복사 히터 조립체.
  11. 하부면과, 상기 하부면에 반대되는 상부면을 가지며, 발열체 필름이 부착되는 기저층으로 사용되는 플라스틱 소재의 제1 프레임;
    상기 제1 프레임의 상부면에 부착되며, 전원을 인가받아 발열하여 복사열을 방출하는 복수의 면상 발열체를 구비하는 상기 발열체 필름;
    상기 제1 프레임의 하부면에 적층되며, 다공성을 갖는 메쉬형 조립판; 및
    상기 제1 프레임의 하부면과 마주보게 상기 메쉬형 조립판에 적층되며, 상기 발열체 필름에서 상기 제1 프레임의 하부면으로 방출되는 복사열을 반사하여 상기 메쉬형 조립판 및 상기 제1 프레임을 통하여 상기 발열체 필름으로 전달하는 반사판;을 포함하고,
    상기 메쉬형 조립판은 상기 제1 프레임과 상기 반사판 사이에 개재되어 상기 제1 프레임과 상기 반사판 사이의 공기층 비율을 조절하고, 상기 제1 프레임에 전달되는 열을 분산시키고,
    상기 메쉬형 조립판은 외부 공기가 유입될 수 있도록, 상기 제1 프레임과 상기 반사판과 마주보는 면에 대해서 이웃하는 측면이 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 복사 히터 조립체.
  12. 하부면과, 상기 하부면에 반대되는 상부면을 가지며, 발열체 필름이 부착되는 기저층으로 사용되는 플라스틱 소재의 제1 프레임;
    상기 제1 프레임의 상부면에 부착되며, 전원을 인가받아 발열하여 복사열을 방출하는 복수의 면상 발열체를 구비하며, 상기 복수의 면상 발열체는 전도성 입자로 탄소나노튜브 입자 및 그라파이트 입자를 함유하는 발열체 조성물을 인쇄하여 형성되는 상기 발열체 필름;
    상기 발열체 필름의 상부면에 부착되는 장식용 필름;
    상기 제1 프레임의 하부면에 적층되며, 다공성을 갖는 메쉬형 조립판;
    상기 제1 프레임의 하부면과 마주보게 상기 메쉬형 조립판에 적층되며, 상기 발열체 필름에서 상기 제1 프레임의 하부면으로 방출되는 복사열을 반사하여 상기 메쉬형 조립판 및 상기 제1 프레임을 통하여 상기 발열체 필름으로 전달하는 반사판; 및
    상기 반사판의 하부면에 부착되는 제2 프레임;을 포함하고,
    상기 메쉬형 조립판은 상기 제1 프레임과 상기 반사판 사이에 개재되어 상기 제1 프레임과 상기 반사판 사이의 공기층 비율을 조절하고, 상기 제1 프레임에 전달되는 열을 분산시키고,
    상기 메쉬형 조립판은 외부 공기가 유입될 수 있도록, 상기 제1 프레임과 상기 반사판과 마주보는 면에 대해서 이웃하는 측면이 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 복사 히터 조립체.
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