KR200217397Y1 - 원적외선 방사 탄소섬유 면상발열체 - Google Patents

Abstract

본 고안은 원적외선 방사 탄소섬유 발열지를 이용한 면상발열체에 관한 것으로, 특히 하나의 발열지 내에 분산시킨 탄소섬유의 배향성에 의하여 하나의 발열지에서 종/횡방향의 전기적 특성이 상호 다른 면상발열체를 얻을수 있도록 한 것이다.

본 고안은 특히 종 또는 횡방향의 열적 특성을 갖도록 배향성 배열을 갖는 탄소섬유(2)가 펄프부재에 배치 성형되어져 있는 펄프부재(1)와, 이 펄프부재(1)의 양측 표면상에서 적층되어 전기적 절연 특성을 갖기위한 고분자 절연부재(10)로 이루어져 있는 면상발열지(9)와; 상기 탄소섬유 면상발열지(9)의 종방향이나 횡방향에는 형성 되어져 있는 적어도 한 쌍 이상의 전극(3)과; 상기 탄소섬유 면상발열지(9)의 상하면 표층에 적어도 한층 이상 적층되어져 있는 고분자 절연부재(10)로 이뤄져 있는 면상발열체를 제공하는데 있다.

이러한 본 고안에 의하면 면상 발열체가 필요에 따라 다양한 열적 특성을 얻을 수 있는 이점을 갖을 수 있다.

Description

원적외선 방사 탄소섬유 면상발열체{Carbonite fiber heating board}

본 고안은 원적외선 방사 탄소섬유 발열지를 이용한 면상발열체에 관한 것으로, 특히 하나의 발열지 내에 분산시킨 탄소섬유의 배향성을 조절하여 하나의 발열지에서 종/횡방향의 전기적 특성을 달리함으로써 이를 이용한 면상발열체의 사용에 따른 다양한 융통성을 얻을 수 있도록 한 것이다.

일반적인 면상발열체는 전기 통전에 의해 발생하는 방사열을 이용하고 있어온도조절이 용이하고 공기가 오염되지 않아 위생적이며 소음이 없기 때문에 히팅 매트나 히팅 패드, 침대 매트리스, 보온 이불이나 담요, 아파트나 일반주택 등의 주거용 난방장치 등에 폭넓게 이용되고 있다.

또, 사무실이나 상점 등 상업용 건물의 난방장치, 작업장이나 창고, 막사 등의 산업용 난방장치와 각종 산업용 가열장치, 비닐 하우스와 농산물 건조시스템과 같은 농업용 설비, 도로나 주차장의 눈을 녹이거나 결빙을 방지할 수 있는 각종 동결방지장치를 비롯하여 레저용, 방한용, 가전제품, 거울이나 유리의 김서림 방지장치, 건강보조용, 축산용 등에도 이용되고 있다.

상기 면상발열체의 발열원으로는 니크롬 발열선이나 동니켈 합금 발열선, 알루미늄 등의 금속 박판을 에칭한 발열선, 카본블랙 후막 등이 사용되고 있으며, 니크롬 발열선이나 동니켈 합금 발열선 및 알루미늄 등의 금속 박판을 에칭하여 만든 발열선들은 전기가 한 선을 통해 흐르기 때문에 어느 한 부분이라도 끊어지면 전체 발열선에 전기가 통하지 않게 되어 면상발열체가 작동을 하지 않게 된다.

또, 상기 면상발열체에서 발열선이 단락되는 경우에는 그 부분에서 전기저항이 크게 감소하여 심하게 발열되기 때문에 화재의 위험성이 있으므로, 발열선의 단락을 방지하기 위해서는 발열선의 표면을 충분한 두께의 전기부도체로 완전히 절연을 시켜야 하나, 전기부도체는 열 부도체이므로 열전도 특성이 나쁘기 때문에 면상발열체의 발열효율이 크게 저하된다.

특히, 종래의 이러한 면상발열체 들은 하나의 발열체에서 얻어지는 발열 특성이 방향성을 갖고 있지 않기 때문에 이러한 면상 발열체를 이용한 전기 장판 등에서 필요에 따라 열원을 많이 필요할 때와 그렇지 않을 때 등에 적절히 이용할 수 없는 이용적 제약이 있다.

본 고안의 목적은 원적외선 방사특성이 뛰어나며 분산시 서로간의 접촉이 용이하게 발생할 수 있는 형상인 탄소섬유를 펄프 및 기타 제지를 만드는데 필요한 성분들의 혼합물 내에 분산시키고 탄소섬유의 배향성을 조절함으로써 종방향과 횡방향으로 서로 다른 발열특성을 나타내는 원적외선 방사 탄소섬유 발열체를 제공 하는데 있다.

본 고안의 다른 목적은 상기의 원적외선 방사 탄소섬유 발열지 또는 고분자 절연부재 내에 열전도도가 제지용 펄프보다 훨씬 우수한 AlN, SiC, Si, BN 등의 세라믹 섬유나 세라믹 분말 또는 이들의 조합을 탄소섬유와 함께 분산시킴으로써 발열온도의 균일성을 최적화시킨 원적외선 방사 탄소섬유 면상발열체를 제공하는 데 있다.

도 1은 본 고안에 의한 원적외선 방사 면상발열지를 이용한 면상발열체를 예

시하는 참고도

도 2는 도 1의 요부 단면도

도 3은 도 1의 원적외선 방사탄소섬유 발열지의 평면도

도 4는 도 3의 요부 단면도

도 5는 본 고안에 의한 탄소섬유 면상발열체에서 면상발열지에 열전도매체를

포함시킨 형태의 참고도

도 6은 도 5의 요부단면도

도 7는 본 고안에 의한 탄소섬유 면상발열체의 고분자 절연층내에 세라믹 섬

유를 포함시킨 형태를 나타낸 참고도

도 8은 본 고안의 탄소섬유 면상발열체에서 고분자 절연층 내에 세라믹 분말

을 분산시킨 면상발열체의 단면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

1. 탄소섬유 2. 펄프부재

3. 전극부 5. 소밀부

6. 조밀부 7,11. 열전도 섬유

9. 탄소섬유발열지 10. 고분자 절연부재

12. 열전도 분말

본 고안은 특히 상기예의 목적을 구현할 수 있도록 배향성을 갖는 탄소섬유 발열지의 종방향이나 횡방향으로 적어도 한 쌍 이상의 전극을 형성하고 평판상의 윗면과 밑면에 각기 적어도 한 층 이상의 고분자 절연부재를 라미네이팅하여 이루어지는 원적외선 방사 면상발열체에 있다.

본 고안의 또다른 특징은 열전도 매체가 포함된 탄소섬유 발열지에 종방향이나 횡방향으로 적어도 한 쌍 이상의 전극을 형성하고 윗면과 밑면에 각기 적어도 한 층 이상의 고분자 절연층을 라미네이팅하여 이루어지는 원적외선 방사 면상발열체에 있다.

본 고안의 또다른 특징은 상기 탄소섬유 발열지의 종방향이나 횡방향으로 적어도 한 쌍 이상의 전극을 형성하고 평판상의 윗면과 밑면에 각기 적어도 한 층 이상의 고분자 절연부재를 라미네이팅하여 이루어지는 원적외선 방사 면상발열체의 고분자 절연부재에는 열전도도가 우수한 열전도 매체를 포함시킨 원적외선 방사 면상발열체에 있다.

본 고안의 또다른 특징은 상기 탄소섬유 발열지와 고분자 절연부재 내에는 재각기 열전도 매체가 포함되어져 있는 원적외선 방사 면상발열체에 있다.

이하에서 이를 첨부된 도면과 함께 좀더 구체적으로 설명하여 봄으로서 본 고안의 보다 상세한 특징들이 이해될 수 있을 것이다.

도 1 및 도 2는 본 고안에 의한 탄소섬유 발열지를 이용한 원적외선 방사 면상발열체를 나타내었다.

상기 원적외선 방사 면상발열체는 상기 탄소섬유의 배향성을 조절한 발열지(9) 또는 열전도도가 우수한 열전도 매체가 구비된 발열지(9)의 종방향이나 횡방향으로 적어도 한 쌍 이상의 전극(3)을 형성하고 고분자 절연부재(10)가 발열지(9)의 상/하 표층에 라미네이팅 되어져 있다.

상기 원적외선 방사 면상발열체는 탄소섬유 발열지(9)의 윗면과 밑면에 각기 한 층의 고분자 절연부재(10)가 구비되어져 있으나, 용도에 따라서는 서로 다른 재질의 고분자 필름들을 두 개 이상 적층하여 라미네이팅할 수도 있다.

상기 면상발열체의 고분자 절연부재(10)는 폴리에스터, 아크릴, ABS, 셀루로우즈, 불화탄소, 폴리에칠렌, 폴리프로필렌, 폴리스타일렌, 고무, 폴리염화비닐 (PVC), 폴리비닐플루오라이드, 폴리아마이드, 폴리이미드, 폴리우레탄, 에폭시, 에폭시 수지함침 유리직물 등을 사용할 수 있다.

또, 상기 면상 발열체의 탄소섬유 발열지(9)는 도 3 및 도 4와 같이 이뤄져 있다.

상기 탄소섬유 발열지(9)는 직경 5∼50 μm, 길이 0.5∼20 mm로 직경에 비해 길이가 훨씬 긴 탄소섬유(1)가 발열지의 펄프부재(2) 내에 발열지의 종방향으로 어느 정도의 배향성을 갖고 분산되어 있으며, 상기 탄소섬유는 이것을 분산시키기 위한 발열시트 기재로 고분자 대신 제지로 되어 있고, 이는 주로 펄프로 구성된 제지들이 불화탄소 고분자, 폴리에틸렌, PVC, 폴리에스터, 폴리프로필렌 등의 고분자에 비해 열팽창계수가 훨씬 작기 때문에 발열시 면상발열체의 크기 변화가 거의 없으며, 얇은 두께에서도 기계적 강도가 더 우수하기 때문이다.

상기와 같은 탄소섬유 발열지(9) 내에는 탄소섬유가 방향성을 가지고 펄프부재(2)의 기재층 내에 배열되어져 있을 때에 도 3과 같이 탄소섬유가 성한곳인 소밀부(5)와 탄소섬유가 조밀한 곳인 조밀부(6)의 편차를 고려하여 도 5 및 도 6과 같이 열전도 특성이 우수한 열전도 매체(7)인 세라믹섬유(7)나 세라믹분말(12)을 포함시킨 형태로 구성할 수 있다.

또, 발열시트의 전도성 필러는 탄소섬유로 되어 있고, 탄소섬유는 분산시 입자 형상의 카본블랙 분말에 비해 서로간의 접촉이 훨씬 용이하게 발생하기 때문에 분산시키는 탄소섬유의 함량을 훨씬 넓은 범위에서 변화시킬 수 있어 다양한 발열특성을 갖는 발열시트의 제조가 가능하다.

일례로, 도 7은 상기 면상발열체의 고분자 절연부재(10) 내에 열전도도가 우수한 열전도 매체로서 세라믹 섬유(11)를 분산시킨 면상발열체를 나타내고 있고, 도 8은 상기열전도 매체가 세라믹 분말(12)을 사용한 면상발열체를 나타내고 있다.

상기 고분자 절연부재(10)의 고분자들의 열전도도는 0.1∼0.4 W/m-K 범위로 매우 낮다. 따라서 상기 면상발열체의 탄소섬유 발열지(9)에서 발생하는 열이 고분자 절연부재(10)를 통하여 용이하게 전달되지 않기 때문에 면상발열체의 발열효율이 저하되며, 발열지(9)와 고분자 절연부재(10) 사이의 계면에 열이 축적되어 장시간 사용시 계면박리로 면상발열체의 손상이 발생할 수도 있다.

본 고안에서는 도 7 및 도 8과 같이 탄소섬유 발열지(9)에 라미네이팅하는 고분자 절연층을 이루는 절연부재 내에 열전도도가 고분자보다 훨씬 우수한 AlN, SiC, Si, BN 등의 열전도 섬유(11)나 열전도 분말(12) 또는 이들의 조합을 균일하게 분산시켜 고분자 절연층의 열전도도를 크게 증가시킴으로써 상기의 발열효율 저하를 방지할 수 있으며, 상기 절연부재용 고분자들의 열전도도는 0.1∼0.4 W/m-K 이하로 매우 낮은데 비해 AlN은 230 W/m-K, SiC는 270 W/m-K, Si는 84 W/m-K, BN은 600 W/m-K의 매우 높은 열전도도를 나타낸다.

본 고안에서 적용하는 열전도 섬유(11)는 고분자 절연층 내에서의 균일한 분산을 고려하여 직경 5∼50 μm, 길이 0.5∼20 mm가 적합하나, 이 범위에서 벗어나는 크기의 세라믹 섬유도 적용이 가능하며, 연전도 분말(12)의 경우에는 고분자 절연층 내에서의 균일한 분산을 고려하여 약 1 μm 이하의 직경을 갖는 분말이 적합하나, 이보다 큰 세라믹 분말의 적용도 가능하다.

본 고안은 탄소섬유의 배향성을 조절한 발열지(9)에서 횡방향에 비해 종방향으로 탄소섬유간의 더 많은 접촉이 이루어지기 때문에 횡방향에 비해 종방향으로 더 낮은 면저항 또는 전기비저항을 나타내게 된다. 또한 탄소섬유의 배향 정도가 증가할수록 종방향으로의 면저항 또는 전기비저항은 감소하며 횡방향으로의 면저항 또는 전기비저항은 증가하게 된다.

본 고안의 실시예로서 면저항이 각기 148.0 Ω/□, 60.4 Ω/□ 및 13.5 Ω/□인 발열지에 대해 탄소섬유의 배향성을 변화시킨 후, 10 cm×10 cm, 20 cm×20 cm, 40 cm×40 cm 크기로 절단하여 종방향과 횡방향으로 각기 전극(3)을 설치하여 면저항을 측정한 결과 종방향에 대한 횡방향의 면저항의 비가 1.1배에서 3.5배 범위에서 변화되었다.

상기의 원적외선 방사 탄소섬유 발열지의 종방향이나 횡방향 중에서 주로 어느 한 방향으로의 발열특성을 이용하여 면상발열체를 구성하며, 용도에 따라서는 이와 수직방향으로의 발열특성을 이용함으로써 동일한 탄소섬유 발열지를 가지고도 서로 다른 발열특성을 갖는 원적외선 방사 면상발열체의 구성이 가능하다.

이러한 본 고안은 원적외선 방사 면상 발열체의 면상 발열지를 이루고 있는 탄소 섬유가 일정한 방향성을 갖고 배치되어져 있어 동일한 면상 발열지에서 종 또는 횡방향으로 서로 상이한 발열특성을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 종 또는 횡방향의 열적 특성을 갖도록 배향성 배열을 갖는 탄소섬유(2)가 펄프부재에 배치 성형되어져 있는 펄프부재(1)와, 이 펄프부재(1)의 양측 표면상에서 적층되어 전기적 절연 특성을 갖기위한 고분자 절연부재(10)로 이루어져 있는 면상발열지(9)와; 상기 탄소섬유 면상발열지(9)의 종방향이나 횡방향에는 형성 되어져 있는 적어도 한 쌍 이상의 전극(3)과; 상기 탄소섬유 면상발열지(9)의 상하면 표층에 적어도 한층 이상 적층되어져 있는 고분자 절연부재(10)로 이뤄져 있는 것을 특징으로 하는 원적외선 방사 탄소섬유 발열지을 이용한 면상발열체
2. 제 1항에 있어서, 상기 탄소섬유 발열지 내에는 탄소섬유 밀도가 높은 조밀부(6)와 밀도가 낮은 소밀부(6)와의 열적 불균일을 방지하기 위한 섬유상 또는 분말상의 열전도 매체가 포함되어져 있는 것을 특징으로 하는 원적외선 방사 탄소섬유 발열지.
3. 제 2항에 있어서, 상기 탄소섬유 발열지는 열전도 매체가 포함되어져 있는 것을 특징으로 하는 원적외선 방사 면상발열체.
4. 제 2항에 있어서, 상기 고분자 절연부재(10)는 열전도 매체가 포함되어져 있는 것을 특징으로 하는 원적외선 방사 면상발열체.
5. 제 2항에 있어서, 상기 탄소섬유 발열지와 고분자 절연부재(10) 내에는 각기 열전도 매체가 포함되어져 있는 것을 특징으로 하는 원적외선 방사 면상발열체.