KR20140105640A - 복사열을 이용한 자동차용 면상 발열체 - Google Patents

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박구일
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Abstract

원적외선 방사층, 금속층, 금속 와이어를 포함하는 탄소나노튜브 발열층의 적층구조를 포함하는 자동차용 면상 발열체를 제공한다.

Description

복사열을 이용한 자동차용 면상 발열체{THERMAL MAT FOR CAR BY USING RADIANT HEAT}
복사열을 이용한 자동차용 면상 발열체에 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 구현예는 탄소나노튜브 발열층의 발열로 인해 발생한 열이 금속층에 전달되고, 원적외선 방사층을 통과함으로써 복사열을 방출하고 피발열체에 복사열을 전달하게 되는 자동차용 면상 발열체를 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 원적외선 방사층, 금속층, 금속 와이어를 포함하는 탄소나노튜브 발열층의 적층구조를 포함하는 자동차용 면상 발열체를 제공한다.
상기 탄소나노튜브 발열층에 전기적으로 연결되며 전원 인가시 상기 탄소나노튜브 발열층의 발열을 유도하는 전극층을 더 포함할 수 있다.
상기 전극층에 전원 인가시 상기 탄소나노튜브 발열층의 발열온도는 약 100°C 내지 약 300°C일 수 있다.
상기 탄소나노튜브 발열층은 금속 와이어를 약 1중량% 내지 약 50중량% 포함할 수 있다.
상기 원적외선 방사층은 원적외선 방사물질을 포함할 수 있다.
상기 원적외선 방사물질은 옥토, 황토, 규석, 맥반석, 천연옥, 숯, 게르마늄, 토르말린 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 원적외선 방사층은 상기 탄소나노튜브 발열층의 발열에 의해 복사열을 방출할 수 있다.
상기 금속층은 상기 탄소나노튜브 발열층에서 발생되는 열을 방출시킬 수 있도록 200W/m·K 이상의 높은 열전도도를 갖는 금속시트를 포함할 수 있다.
상기 금속층은 알루미늄, 구리, 금, 은, 백금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속시트를 포함할 수 있다.
상기 원적외선 방사층 하부에 프라이머층을 포함할 수 있다.
상기 프라이머층은 아크릴계 수지, 에폭시계 수지, 에스테르계 수지, 올레핀 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 수지를 포함할 수 있다.
상기 금속층 하부에 중간층을 포함할 수 있다.
상기 중간층은 유리 분말 또는 유리섬유를 바인더로 포함할 수 있다.
상기 자동차용 면상 발열체의 발열온도는 약 50°C 내지 약 100°C일 수 있다.
상기 자동차용 면상 발열체의 열효율이 약 30% 이상일 수 있다.
상기 자동차용 면상발열체의 주변 대기 온도 변화는 약 10°C 이내일 수 있다.
상기 자동차용 면상발열체는 피발열체에 직접 닿지 않도록 자동차 내부에 부착할 수 있다.
상기 자동차용 면상 발열체는 별도의 난방 시스템이 없는 전기자동차의 동절기 실내 온도를 높일 수 있다.
또한, 상기 자동차용 면상발열체가 적용되는 위치에 따라 탑승차가 편안함을 느끼는 자동차 실내 온도를 유지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예인 자동차용 면상 발열체를 도식화하여 나타낸 것이다.
도 2는 상기 자동차용 면상발열체가 포함하는 탄소나노튜브 발열층을 SEM촬영하여 나타낸 것이다.
도 3은 상기 자동차용 면상발열체가 포함하는 금속층으로 알루미늄 금속시트를 사용한 경우, 알루미늄 금속시트의 열확산계수(Thermal Diffusivity)를 측정하여 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예인 자동차용 면상 발열체를 도식화하여 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예인 자동차용 면상 발열체를 도식화하여 나타낸 것이다.
도 6은 상기 자동차용 면상 발열체의 다양한 형상을 도식화하여 나타낸 것이다.
도 7은 <실험예 2>에서 자동차에 설치된 상기 자동차용 면상발열체의 위치를 도식화하여 나타낸 것이다.
도 8 및 도 9는 <실험예 3>에서 실시예의 자동차용 면상발열체를 설치한 경우와 Air Blowing PTC 히터를 설치한 경우의 소모전력을 그래프로 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 일 구현예에서, 원적외선 방사층, 금속층, 금속 와이어를 포함하는 탄소나노튜브 발열층의 적층구조를 포함하는 자동차용 면상 발열체를 제공한다.
상기 자동차용 면상 발열체는 자동차 실내온도 가열시 차에 탑승하는 사람이 느끼는 쾌적한 대기 온도를 유지하기 위한 것으로, 자동차용 면상 발열체의 발열온도에 따라 발열체를 구성하여 자동차 내부 대기 온도를 유지하게 할 수 있다. 상기 쾌적온도는 인체가 처해있는 대기온도를 쾌적하다고 느끼는가 혹은 아닌가를 일컫는 온도로, 사람에 따라 상대적인 차이가 있을 수 있으나, 상기 쾌적온도는 대다수의 사람들이 편안함을 느끼는 대기 온도를 의미한다.
통상의 자동차에 시도되었던 발열 핸들이나 발열 좌석시트 또는 신체 하부를 덥히는 역할을 하며 소비전력이 큰 공기취입식 발열체(예를 들어, Air Blowing PTC 히터)와 대조적으로 상기 자동차용 면상발열체를 사용함으로써 사용되는 에너지를 효과적으로 줄일 수 있다. 또한, 상기 자동차용 면상발열체의 열류량을 최대한 높여 발열온도를 조절함으로써 인체의 하반신을 효과적으로 따뜻하게 하고, 동절기에 난방체로 소모되는 자동차의 에너지를 최소화해 운행거리를 높일 수 있다.
구체적으로 전기 자동차의 경우 별도의 발열체가 존재하지 않는바, 자동차 실내에서 인체의 하반신에 발열체가 존재하는 경우 차량에 탑승한 시승자는 발열체가 존재하지 않는 경우보다 더 편안함을 느낄 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예인 자동차용 면상 발열체를 도식화하여 나타낸 것으로, 상기 자동차용 면상 발열체(10)는 원적외선 방사층(300), 금속층(200), 탄소나노튜브 발열층(100)을 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 발열층(100)은 금속 와이어를 포함할 수 있다. 종래에는 금속과 탄소나노튜브 자체의 복합체를 사용하기도 하였으나, 구 형태의 금속입자가 탄소나노튜브에 표면처리됨으로써 곡면에 코팅이 이루어지는 경우와 마찬가지로 금속입자의 분산이 균일하지 않으며 금속입자가 이어지지 않아 전기가 한쪽으로 흐를 수 있었다. 이에, 탄소나노튜브 발열층이 구 형태의 금속입자가 아닌 가는 선 형태의 금속 와이어를 일체로 포함함으로써, 금속 와이어가 탄소나노튜브 상에 금속 와이어가 균일하게 분산될 수 있고, 이로 인해 탄소나노튜브 발열층에 전압이 인가되는 경우 전기가 균일하게 흐를 수 있다.
금속 와이어는 일정 직경의 크기를 가지는 와이어 구조체를 일컫는바, 대체로 약 10nm미만의 지름을 가지는 것에서부터 수백 nm지름의 나노와이어를 포함할 수 있다. 구체적으로 금속 와이어의 직경은 약 20nm 내지 약 250nm일 수 있다.
또한, 상기 금속 와이어의 종횡비는 약 4 내지 약 50일 수 있다. 상기 종횡비는 가로 및 세로의 비율을 일컫는바, 금속 와이어의 길이를 금속 와이어의 직경으로 나눈 값을 의미한다. 구체적으로, 상기 금속 와이어의 길이는 약 1㎛ 내지 약 10㎛가 될 수 있다.
도 2는 상기 자동차용 면상발열체가 포함하는 탄소나노튜브 발열층을 SEM촬영하여 나타낸 것으로, 탄소나노튜브 발열층이 약 20nm 내지 약 250m의 지름을 가진 금속 와이어를 포함하고 있음을 알 수 있다.
상기 자동차 면상 발열체는 탄소나노튜브 발열층(100)에 전기적으로 연결되며 전원 인가시 상기 탄소나노튜브 발열층의 발열을 유도하는 전극층을 더 포함할 수 있다. 상기 전극층에 전원인가시, 즉 전압이 가해지고 전기가 흐르면 상기 탄소나노튜브 발열층에 열이 발생하고, 상기 탄소나노튜브 발열층의 온도가 상승할 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소 나노튜브 발열층에 의해 발생된 열이 원적외선 방사층에 전도되고, 전도된 열이 상기 원적외선 방사층을 통과하여 복사열을 방출할 수 있고, 방출된 복사열이 피발열체에 복사열이 전달되게 할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 전극층에 전원 인가시 상기 탄소나노튜브 발열층의 발열온도는 약 100°C 내지 약 300°C일 수 있다. 발열온도는 상기 전극층에 전원 인가시 상기 탄소나노튜브 발열층의 표면온도를 일컫는바, 전극층에 전원이 가해짐으로써 탄소나노튜브 발열층에 열이 발생하는바, 이 때 발생하는 열로 인해 상기 탄소나노튜브 발열층이 일정한 발열온도를 유지할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 발열층은 금속 와이어를 포함하고 있는바 전극층에 전원이 인가되는 경우, 균일하게 전기가 흐를 수 있고, 상기 발열온도를 상기 범위로 유지할 수 있다. 상기 탄소나노튜브 발열층의 발열온도를 유지함으로써 원적외석 방사층 및 금속층으로 전도되는 열손실을 방지하여 쾌적온도를 유지할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 발열층의 두께는 약 2㎛ 내지 약 10㎛일 수 있다. 상기 탄소나노튜브 발열층의 두께를 상기 범위로 균일하게 유지함으로써 크랙 발생을 방지할 수 있고, 자동차용 면상발열체의 일정수준의 내구성을 확보할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 발열층은 금속 와이어를 약 1중량% 내지 약 50중량%를 포함할 수 있다. 금속 와이어는 전술한 바와 같으며, 상기 범위의 금속 와이어를 포함함으로써 탄소나노튜브 발열층의 온도제어가 용이하며, 면상발열체의 목표 면저항 구현에 있어서 효율이 우수하며, 전기흐름을 원활하게 할 수 있다. 구체적으로, 상기 금속 와이어는 은, 구리, 알루미늄, 금, 백금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있으며, 전기전도도를 고려할 때, 은이 특히 바람직하다.
상기 원적외선 방사층(300)은 원적외선 방사물질을 포함할 수 있다. 상기 자동차용 면상 발열체가 상기 원적외선 방사층을 포함함으로써 인체에 친화적인 열을 발생시킬 수 있고, 상기 원적외선 방사층 자체의 분광방사율에 의해 에너지 절감효과를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 원적외선 방사물질은 옥토, 황토, 규석, 맥반석, 천연옥, 숯, 게르마늄, 토르말린 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
원적외선은 빛의 파장 영역중 약 3㎛ 내지 약 1000㎛의 범위에서 가시광선보다 강한 열작용을 하는 적외선을 일컫는바, 상기 탄소나노튜브 발열층에 의해 발생한 열이 상기 원적외선 방사층을 통과함으로써 원적외선이 발생되고, 상기 발생된 원적외선을 상기 원적외선 방사층이 흡수하여 복사열을 방출할 수 있다. 상기 복사열은 물체에서 방출하는 전자기파를 직접 물체가 흡수함과 동시에 열로 변했을 때의 발생하는 열을 일컫는바, 상기 원적외선 방사층에서 방출하는 원적외선을 상기 원적외선 방사층이 흡수하는 동시에 열로 변화시켜 복사열을 발생시킬 수 있다.
상기 원적외선 방사층(300) 및 상기 탄소나노튜브 발열층(100) 사이에 금속층(200)을 포함할 수 있다. 상기 금속층은 높은 열전도도를 갖는 방열 금속시트를 포함함으로써, 탄소나노튜브 발열층에서 발생되는 열을 원적외선 방사층에 빠르게 전달하고, 열손실을 최소화시켜 자동차용 면상 발열체의 열효율이 30% 이상으로 유지될 수 있도록 한다. 또한, 상기 금속층은 상기 탄소나노튜브 발열층에서 발생되는 열을 방출시키는 힛-싱크(heat sink)의 역할을 수행함으로써, 상기 금속층의 열변형을 방지하여 전체적으로 자동차용 면상 발열판의 열변형을 억제할 수 있다.
구체적으로, 상기 금속층은 상기 탄소나노튜브 발열층에서 발생되는 열을 방출시킬 수 있도록 200W/m·K 이상의 높은 열전도도를 갖는 방열 금속시트를 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 금속층은 알루미늄, 구리, 금, 은, 백금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속시트를 포함할 수 있다. 열전도도 및 가격경쟁력의 면에서 상기 금속층으로 알루미늄 금속시트를 사용할 수 있다. 알루미늄 금속시트의 경우, 두께 방향으로 특히 열확산계수가 높아 열전도도가 뛰어나므로 , 열을 누적시키지 아니하고 쉽게 방출시킬 수 있다.
상기 금속층의 두께는 약 0.1mm 내지 약 2mm일 수 있다. 금속층의 두께가 너무 얇으면 탄소나노튜브 발열층에서 발생하는 열을 제대로 방출시키지 못하고, 금속층의 두께가 너무 두꺼우면 자동차용 면상 발열체를 곡면으로 제조하기 어려워지는 문제점이 있다.
도 3은 상기 자동차용 면상발열체가 포함하는 금속층으로 알루미늄 금속시트를 사용한 경우, 알루미늄 금속시트의 열확산계수(Thermal Diffusivity)를 측정하여 나타낸 것이다. 도 3을 참고하면, 1mm, 0.5mm, 0.5mm 및 0.2mm 두께의 알루미늄 금속시트의 열확산계수(두께 방향)는 약 25℃에서 92.99mm2/s, 60.82mm2/s, 39.88mm2/s 및 23.23mm2/s로 모두 높은 값을 가지는 것으로 측정되는바, 열확산계수에 비례하여 열전도도 또한 높은 값을 가짐을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예인 자동차용 면상 발열체를 도식화하여 나타낸 것으로, 도 4를 참고하면, 상기 자동차용 면상발열체(10)는 위로부터 원적외선 방사층(300), 프라이머층(400), 금속층(200), 탄소나노튜브발열층(100)을 포함할 수 있다.
상기 프라이머층(400)은 접착성능을 띄고 있는 것으로, 원적외선 방사층(300) 및 금속층(200)간의 부착력이 나오지 않는 경우를 대비하는 역할을 하는바, 상기 원적외선 방사층(300) 및 금속층(200) 사이에 포함될 수 있다.
그러므로, 상기 프라이머층의 두께는 약 2㎛ 내지 약 20㎛일 수 있는바, 상기 범위의 두께를 유지함으로써 크랙의 발생을 최소화 상기 원적외선 방사층이 균일하게 코팅되게 할 수 있다.
상기 프라이머층은 아크릴계 수지, 에폭시계 수지, 에스테르계 수지, 올레핀 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 수지를 포함할 수 있다.
상기 우레탄계 수지는 폴리우레탄 디스퍼젼 수지, 폴리에틸렌 변성 폴리우레탄 수지 등과 같은 이소포렌 디이소시아네이트, 아디픽산 및 다가 알코올로부터 제조되는 폴리우레탄 수지, 및 아크릴-우레탄 수지, 폴리에틸렌-아크릴 변성 폴리우레탄 수지 등과 같은 아크릴 폴리올과 폴리이소시아네이트 로부터 제조되는 폴리우레탄 수지 및 폴리카프로락톤 폴리올 또는 폴리카보네이트 폴리올과 이소시아네이트, 파라페닐렌디이소시아네이트로부터 제조된 폴리우레탄 수지, 4,4'-비스(ω-히드록시알킬렌옥시)비페닐과 메틸-2,6-디이소시아네이트헥사 노에이트로부터 제조되는 폴리우레탄수지, 아세탈 결합을 갖는 폴리우레탄수지 등이 사용될 수 있다.
구체적으로, 상기 다가 알코올로서는 아크릴 폴리올, 폴리에스테르폴리올, 폴리에테르폴리올, 폴리올레핀계 폴리올 등을 사용할 수 있다.
상기 아크릴 수지는, 내고온고습성과 내한성 및 가공성이 우수하며 가격이 저렴하기 때문에 금속층 상부에 사용함으로써 상기 원적외선 방사층과의 부착력을 상승시킬 수 있다. 상기 아크릴 수지로는 수용화 가능한 정도의 카르복실기를 포함하는 통상의 단량체 조성으로 합성된 아크릴계 수지가 사용될 수 있다.
상기 아크릴계 수지 단량체는 예를 들어, 메틸(메타) 아크릴레이트, 에틸(메타)아크릴레이트, 이소프로필(메타)아크릴릴레이트, 노르말부틸(메타) 아크릴레이트, 이소부틸(메타)아크릴레이트, 2-에틸헥실 (메타)아크릴레이트, 히드록시프로필(메타)아크릴레이트, 스테아릴(메타)아크릴레이트, 히드록시부틸(메타) 아크릴레이트를 들 수 있다.
상기 에폭시 수지 또한, 부착성, 내식성, 상도 도장성 등이 우수하여 금속층 상부에 적절하게 사용될 수 있다. 상기 에폭시 수지는 비스페놀 A형 수지, 비스페놀 F형 수지 및 노볼락 수지 등을 사용할 수 있다.
상기 에스테르 수지는 경화성이 우수하고, 내약품성, 내열성, 가소성이 우수하며 유기물과의 부착성이 우수하여 금속층 상부에 사용될 수 있고, 상기 에스테르 수지는 무수말레인산, 이소프탈산, 테레프탈산, 테트라하이드로무수프탈산, 메칠테트라히드로무수프탈산, 아디핀산, 피밀산으로부터 제조되는 폴리에스테르 수지 및 에틸렌글리콜 변성 에스테르 수지, 프로필렌렌글리콜 변성 에스테르 수지, 네오펜틸글리콜 변성 에스테르 수지를 들 수 있다.
도 5는 본 발명의 또다른 실시예인 자동차용 면상 발열체를 도식화하여 나타낸 것으로, 도 5를 참조하면 상기 자동차용 면상 발열체(10)는 위로부터 원적외선 방사층(300), 금속층(200), 중간층(500), 탄소나노튜브 발열층(100)을 포함할 수 있다.
상기 중간층(500)은 전기절연층으로써 전기가 통하지 아니하는바, 탄소나노튜브 발열층(100)에 의해 발생된 열이 금속층(200)을 통하여 원적외선 방사층(300)에 전달됨에 있어서, 원적외선 방사층이 균일하게 금속층 상부에 부착되어 형성되지 못하고, 상기 금속층 및 상기 원적외선 방사층 사이에 기포가 발생하여 원적외선 방사층이 쭈글쭈글해 지는 현상을 방지하는 역할을 한다.
상기 중간층은 유리 분말 또는 유리섬유를 바인더로 포함할 수 있다. 상기 유리 분말 또는 유리섬유를 바인더로 포함함으로써, 전기 절연층이 되어 전기가 통하지 않게 할 수 있고, 이로 인해 원적외선 방사층이 열에 의해 불균일하게 금속층 상부에 형성되는 현상을 개선할 수 있다.
유리 분말(Glass powder)은 유리가 분말 형태로 존재하는 것을 의미하는 바, 유리 분말의 입자직경은 약 0.4㎛ 내지 약 40㎛일 수 있다. 또한, 유리 섬유는(Glass fiber)는 용융한 유리를 섬유모양으로 한 광물 섬유를 의미하며, 유리 섬유의 지름은 가늘수록 물성이 뛰어나고, 인장강도도 우수한바, 상기 중간층이 포함하는 유리섬유의 직경은 약 5㎛ 내지 약 20㎛일 수 있다.
상기 중간층은 상기 유리분말 및 유리섬유 바인더로 하고, 각종 첨가제 및 합성수지재와 혼합하여 형성될 수 있다.
상기 자동차용 면상 발열체의 발열온도는 약 50°C 내지 약 100°C일 수 있다. 자동차용 면상 발열체의 발열온도는 복사열을 발생하는 발열체 자체의 표면온도를 일컫는바, 상기 전극층에 전원 인가시 상기 탄소나노튜브 발열층의 발열온도가 약 100°C 내지 약 300°C가 될 수 있으나, 상기 금속층 및 원적외선 방사층에 의해 열이 손실되어, 상기 자동차용 면상발열체의 발열온도는 약 50°C 내지 약 100°C가 확보될 수 있다.
상기 자동차용 면상발열체의 열효율(e)은 약 30%이상일 수 있다. 상기 열효율(e)은 {1-(Qrad)/(Qref)}X100의 식으로 계산될 수 있는바, 이 때, Qref는 복사열이 없는 초기상태 발열체의 열류량을, Qrad는 복사열이 있는 나중상태 발열체의 열류량을 의미하고, 각각의 Qref 및 Qrad는 ANSYS(시뮬레이션 모델)를 사용하였고, 각 발열체 가열시 표면온도와 발열체에 의해 변화하는 피발열체의 온도를 측정하고, 대입하여 열효율을 계산할 수 있다.
상기 열류량은 어떤 단면을 단위시간 단위면적당 통과하는 열량을 일컫는바, 상기 자동차용 면상 발열체의 열류량(heat flux)은 상기 탄소나노튜브 발열층, 금속층 및 상기 원적외선 방사층으로 인해 발생한 복사열의 단위시간 단위면적당 통과하는 열량을 의미하며, 하기 [식] 및 3D-시뮬레이션 모델을 통해 계산할 수 있다.
[식]
Figure pat00001
(Q: 열류량, hc: 대류열전달계수, RST: 표면온도, ta: 대기온도,
εs, εa : 방출계수, σ: 볼츠만 상수, tr: 평균복사온도)
이 때, 상기 표면온도(RST)는 열손실이 반영된 열평형에 의해 결정되는 인자이며 자동차내의 대기온도 및 발열체로부터의 복사온도 등을 고려하여 열류량을 측정할 수 있다.
상기 열류량은 자동차용 면상발열체의 열효율 및 주변 대기 온도에 직접적인 영향을 미칠 수 있는 수치로, 상기 자동차용 면상발열체가 일정범위의 열류량을 유지함으로써 일정한 대기 온도를 유지할 수 있고 피발열체가 겨울철 자동차 실내에서 편안함을 느낄 수 있다.
예를 들어, 자동차 탑승자의 하반신을 기준으로 좌, 우, 상면부에 상기 자동차용 면상발열체를 설치한 후, 상기 면상발열체의 복사열에 대해 단위시간당 단위면적을 통하여 이동한 열류량을 비교하여 전술한 바에 의해 열효율을 계산한 결과 열효율이 약 30%이상일 때 상기 자동차용 면상발열체의 주변 대기 온도 변화가 약 10°C이내로 유지되었는바, 자동차용 면상발열체로써 효율을 가짐을 보였다.
또한, 상기 열효율이 약 50%이상인 경우 상기 자동차용 면상발열체의 주변 대기 온도 변화가 약 5°C 이내로 유지되었는바 차 내부에서 쾌적 온도를 유지할 수 있었고, 상기 열효율이 약 60% 이상인 경우 상기 자동차용 면상발열체의 주변 온도가 상온 이하로 내려가지 않음을 확인하였다.
그러므로, 상기 자동차용 면상발열체의 열효율이 약 30%이상인 경우 탑승한 인체의 온도가 상온으로 유지되고, 대기온도가 쾌적한 온도를 유지할 수 있다는 면에서 장점이 있다.
상기 자동차용 면상발열체의 주변 대기 온도 변화는 약 10°C이내 일 수 있다. 주변 대기 온도변화는 상기 자동차용 면상발열체 작동 전과 작동 후의 주변 대기 온도변화를 일컫는바, 상기 면상발열체의 열효율이 좋을수록 주변 대기 온도 변화가 적어지며, 적정한 자동차내의 온도를 유지할 수 있다.
예를 들어, 상기 자동차용 면상 발열체의 피발열체는 인체, 자동차에 탑승한 시승자가 될 수 있다. 상기 피발열체는 상기 자동차용 면상발열체의 주변 대기 온도 변화를 감지하는바, 주변 대기 온도 변화가 약 10°C이내인 경우, 인체는 편안함을 느끼고, 다리와 손 가슴의 체온이 유지될 때 열적인 쾌적함을 느낄 수 있다.
상기 자동차용 면상발열체는 피발열체에 직접 닿지 않도록 자동차 내부에 부착할 수 있다. 상기 자동차용 면상발열체는 원적외선 방사층으로 인해 복사열을 방출하는바 피발열체에 직접 닿지 않음에도 불구하고, 피발열체가 상기 복사열오 인해 가열된 주변 대기 온도를 통해 따뜻함을 느낄 수 있다. 상기 피발열체가 인체, 예를 들어, 자동차에 탑승한 시승자가 된 경우, 상기 자동차용 면상발열체의 복사열 방출로 인해 상기 자동차 면상 발열체와의 직접적인 접촉없이, 피발열체가 처한 상기 자동차용 면상발열체의 대기 온도를 일정하게 유지될 수 있다.
구체적으로, 상기 자동차용 면상발열체는 인체의 상반신이 아닌 하반신을 향해 위치할 수 있다. 열류량을 5단으로 조절할 수 있는 자동차용 면상발열체를 작동시켜 각 단의 세기에서 방출된 복사열의 기록을 이용하여 인체가 편안함을 느끼는 쾌적 온도를 부위별로 산출하였는바, 다리 부위가 인체가 느끼는 쾌적온도에 가장 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 따라서, 체온을 유지시키는데 있어서 인체의 하반신이 가장 중요한 비율을 차지함을 확인하였는바, 인체가 쾌적함을 느끼는 대기온도의 유지를 위해 인체의 하반신을 향해 자동차용 면상발열체를 위치하게 하여 상기 자동차용 면상발열체의 복사열의 영향을 받게 할 수 있었다.
도 6은 상기 자동차용 면상 발열체의 다양한 형상을 도식화하여 나타낸 것이다. 상기 자동차용 면상 발열체는 인체의 하반신을 가열하기 위해 다양한 형상으로 자동차의 좌석 아래 부분에 집중하여 분포시킬 수 있는바, 여러 다각형의 형상으로 자동차 내부에 적용될 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
실크스크린 프린트 및 바-코팅의 방법을 이용하여 원적외선 방사층, 금속층 및 금속 와이어를 포함하는 탄소나노튜브 발열층을 인쇄, 코팅하였으며 제조된 각각의 층을 라미네이트하여 자동차용 면상 발열체를 제조하였다.
비교예
상기 탄소나노튜브 발열층을 포함하지 않는 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일한 방법으로 자동차용 면상 발열체를 제조하였다.
< 실험예1 > - 자동차용 면상 발열체의 원적외선 효과 입증 실험
닫힌계(Closed System) 박스에 상기 실시예 및 비교예의 자동차용 면상발열체를 설치하고, 원적외선 방사층 자체를 처음거리(0cm)로 하여 원적외선 방사층으로부터 10cm, 20cm, 30cm 떨어진 거리에 따른 온도 변화를 관찰하였다. 이 때, 닫힌계 박스에 88W, 120W의 전력을 가하여 전력에 따른 온도 변화를 각각 측정하였다.
이 때, 하기 표 1은 실시예에 88W의 전력이 가해진 경우 원적외선 방사층으로부터의 거리에 따른 온도변화, 하기 표 2는 비교예에 88W의 전력이 가해진 경우 원적외선 방사층으로부터의 거리에 따른 온도변화, 하기 표 3은 실시예에 120W의 전력이 가해진 경우 원적외선 방사층으로부터의 거리에 따른 온도변화, 하기 표 4는 비교예에 120W의 전력이 가해진 경우 원적외선 방사층으로부터의 거리에 따른 온도변화를 나타낸다.
0cm
표면온도(°C)		 10cm
표면온도(°C)		 20cm
표면온도(°C)		 30cm
표면온도(°C)
Start(0min) 24 24 23.7 23.8
10min 78.3 31.7 30.2 27.3
20min 80.9 34.5 32.9 30.1
30min 82.1 36.6 34.9 32.4
0cm
표면온도(°C)		 10cm
표면온도(°C)		 20cm
표면온도(°C)		 30cm
표면온도(°C)
Start(0min) 23.8 23.1 23.7 23.0
10min 78.3 28.1 26.9 25.1
20min 80.0 29.0 27.8 26.3
30min 80.5 29.8 28.6 27.2
0cm
표면온도(°C)		 10cm
표면온도(°C)		 20cm
표면온도(°C)		 30cm
표면온도(°C)
Start(0min) 24.1 24.2 24.1 24.5
10min 98.6 36.2 34.9 30.1
20min 100.6 39.7 37.8 34.2
30min 101.4 42.1 40.3 37.0
0cm
표면온도(°C)		 10cm
표면온도(°C)		 20cm
표면온도(°C)		 30cm
표면온도(°C)
Start(0min) 24.5 24.1 24.2 23.7
10min 99.8 30.5 28.9 27.0
20min 100.0 31.6 30.1 28.5
30min 100.0 32.5 31.0 29.6
상기 표 1 내지 4를 참조하면, 탄소나노튜브 발열층이 포함하는 상기 실시예에 88W의 전력을 가한 경우 약 8.6°C, 120W의 전력을 가한 경우 약 12.5°C의 온도가 증가하는 하는 것으로 측정되었는바, 이는 탄소나노튜브 발열층을 포함하지 않는 상기 비교예에 88W 및 120W의 전력을 가한 경우에 비해 약 2배 가량 온도가 증가한 것이다. 그러므로, 탄소나노튜브 발열층을 포함하는 실시예의 복사에너지 효과가 비교예에 비해 우수함을 알 수 있었다.
< 실험예2 > - 자동차용 면상발열체의 설측 평가
도 7은 <실험예2>에서 자동차에 설치된 상기 자동차용 면상발열체의 위치를 도식화하여 나타낸 것으로, 구체적으로, 인체 하반신 오른쪽의 면상발열체의 위치를 1, 인체 하반신 위쪽의 면상발열체의 위치를 2, 인체 하반신 왼쪽의 면상발열체의 위치를 3으로 하였고, 각각의 위치에 따라 상기 실시예의 자동차용 면상발열체를 전기자동차 내부에 부착하였고, 전기자동차에 일정전력을 주어 상기 실시예의 자동차용 면상발열체를 작동시켰다.
1) 발열온도 및 열효율
하기 표 5에 기재된 대로 면상발열체를 위치시키고, 자동차용 면상발열체를 작동시켰다. DIN EN ISO 7730을 이용하여 운전석의 머리 및 바닥 부분에 센서를 설치하였고 자동차용 면상발열체에 의한 발열온도를 측정하였다. 구체적으로, 상기 발열온도는 2단 기어에서 32 km/h 속도 주행 조건에서 측정하였다.
또한, 상기 전술한 방법으로 상기 자동차용 면상발열체 작동전, 작동후의 열류량(heat flux)을 측정하여 열효율을 계산하였다. 열효율 값이 높을수록 자동차용 면상발열체의 효과가 좋은 것으로 판단한다.
2) 인체가 느끼는 주변 대기 최저온도
상기 자동차용 면상발열체가 구비되어 있는 자동차에 100명의 사람들을 탑승시킨후, 100명의 사람들이 느낀 주변 대기의 최저 온도를 측정하였고, 상기 자동차용 면상발열체 작동 전과 작동 후의 주변 대기 온도 변화를 측정하였다.
면상 발열체 위치 발열온도(°C) 열효율(%) 인체가 느낀 주변 대기 최저온도(°C) 주변 대기 온도 변화(°C)
1 1,2,3, 50 38 22.6 10
2 1,2,3 70 62 26.6 8
3 1,2,3, 100 64 28.3 8
4 3, 75 34 22.6 10
5 1 75 37 22.9 10
6 2 75 38 22.3 10
7 1,3 75 53 24.1 9
상기 표5를 참조하면, 실시예의 경우 자동차의 면상발열체의 위치 및 작동여부에 따라 차이가 있기는 하나 발열온도는 약 50°C 내지 약 100°C, 열효율은 약 30% 내지 약 60%로 측정되었다. 또한, 주변 대기 온도 변화는 약 10°C 이내를 유지하였는바, 탑승자들은 편안함을 느꼈으며 다리와 손, 가슴의 체온이 유지됨으로써 열적인 쾌적함을 느낌을 확인하였다.
< 실험예3 > - 자동차용 면상발열체의 전력소모 비교
전기 자동차 내부에 Air Blowing PTC 히터(상품명, VW POLO BEHR 6R0.988.235)를 설치한 경우와, 전술한 도 6과 같이 실시예의 자동차용 면상발열체 1,2,3을 전기 자동차 내부에 설치한 경우, 자동차 내부 온도를 동일하게 상승시키는데 있어서 필요한 소모전력을 DIN 1946-3으로 각각 측정하였고, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
도 8을 참고하면, Air Blowing PTC 히터를 설치한 경우와, 실시예의 자동차용 면상발열체를 전기 자동차 내부에 설치한 경우 약 30°C에 도달하는데 걸리는 시간은 약 15분 내지 약 20분 사이로 유사하였으나, Air Blowing PTC 히터를 설치한 경우 자동차의 소모전력은 3.6W였고, 실시예을 설치한 경우 자동차의 소모전력은 2.8W로 측정되었다. 그러므로, 실시예의 자동차용 면상발열체를 사용하는 경우에 자동차의 소모전력이 더 적음을 확인하였는바, 자동차내 실내온도를 확보를 위해서 자동차용 면상발열체의 사용이 더 적절함을 알 수 있었다.
또한, Air Blowing PTC 히터를 및 실시예의 자동차용 면상발열체를 전기자동차 내부에 설치한 경우, 발생되는 복사에너지를 정확하게 측정하기 위해 온도 상승 반응이 가장 빠르고, 포화도달온도를 가장 높은 은박지를 이용한 D-Type 센서를 이용하여 측정하였는바, 그 결과를 도 8에 나타내었다.
도 9를 참고하면, 전기자동차를 약 30분 가동시 실시예의 자동차용 면상발열체의 경우가 Air Blowing PTC 히터를 설치한 경우에 비해 최대 0.8kW의 전력을 감소시키는 것으로 측정되었고, 전기자동차의 소비전력이 약 21% 감소함을 확인하였다. 그러므로, 종래의 Air Blowing PTC 히터에 비해 실시예의 자동차용 면상발열체의 경우가 소비전력 대비 에너지 효율이 탁월하게 뛰어남을 알 수 있었다.
10 : 자동차용 면상 발열체
100: 탄소나노 튜브 발열층
200 : 금속층
300: 원적외선 방사층
400: 프라이머층
500 : 중간층

Claims (17)

  1. 원적외선 방사층, 금속층, 금속 와이어를 포함하는 탄소나노튜브 발열층의 적층구조를 포함하는
    자동차용 면상 발열체.
  2. 제 1항에 있어서,
    탄소나노튜브 발열층에 전기적으로 연결되며 전원 인가시 상기 탄소나노튜브 발열층의 발열을 유도하는 전극층을 더 포함하는
    자동차용 면상 발열체.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 전극층에 전원 인가시 상기 탄소나노튜브 발열층의 발열온도는 100°C 내지 300°C인
    자동차용 면상 발열체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브 발열층은 금속 와이어를 1중량% 내지 50중량% 포함하는
    자동차용 면상 발열체.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 원적외선 방사층은 원적외선 방사물질을 포함하는
    자동차용 면상 발열체.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 원적외선 방사물질은 옥토, 황토, 규석, 맥반석, 천연옥, 숯, 게르마늄, 토르말린 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 포함하는
    자동차용 면상 발열체.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 원적외선 방사층은 상기 탄소나노튜브 발열층의 발열에 의해 복사열을 방출하는
    자동차용 면상 발열체.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 금속층은 상기 탄소나노튜브 발열층에서 발생되는 열을 방출시킬 수 있도록 200W/m·K 이상의 높은 열전도도를 갖는 금속시트를 포함하는
    자동차용 면상 발열체.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 금속층은 알루미늄, 구리, 금, 은, 백금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속시트를 포함하는
    자동차용 면상 발열체.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 원적외선 방사층 하부에 프라이머층을 더 포함하는
    자동차용 면상발열체.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 프라이머층은 아크릴계 수지, 에폭시계 수지, 에스테르계 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 수지를 포함하는
    자동차용 면상발열체.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 금속층 하부에 중간층을 더 포함하는
    자동차용 면상발열체.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 중간층은 유리 분말 또는 유리섬유를 바인더로 포함하는
    자동차용 면상발열체.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 자동차용 면상 발열체의 발열온도는 50°C 내지 100°C인
    자동차용 면상 발열체.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 자동차용 면상 발열체의 열효율이 30% 이상인
    자동차용 면상 발열체.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 자동차용 면상발열체의 주변 대기 온도 변화는 10°C 이내인
    자동차용 면상 발열체.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 자동차용 면상발열체는 피발열체에 직접 닿지 않도록 자동차 내부에 부착하는
    자동차용 면상 발열체.
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