KR101840734B1 - heat pad and system using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소나노튜브 발열패드 및 이를 이용한 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 탄소나노튜브로부터 형성된 발열층을 포함하는 발열패드로서 발열 및 방열 효과가 탁월하고 전력 소모량을 크게 절감시킬 수 있으며, 전자파 차폐 및 소음 억제 효과가 추가로 구현될 뿐만 아니라, 유연성, 굴곡성, 기계적 강도 등이 우수하여 다양한 용도, 특히 난방, 온수탱크 등을 위한 히터로 적용될 수 있는 탄소나노튜브 발열패드 및 이를 이용한 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon nanotube heating pad and a system using the same. Specifically, the present invention is a heat generating pad including a heat generating layer formed from carbon nanotubes, which excellently exerts heat and heat dissipation effects, can significantly reduce power consumption, and further has electromagnetic wave shielding and noise suppressing effects. , Flexural strength, mechanical strength and the like, and can be applied as a heater for various applications, in particular, for heating, hot water tank, etc., and a system using the carbon nanotube heating pad.
Description
본 발명은 발열패드 및 이를 이용한 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 탄소계 소재로부터 형성된 발열층을 포함하는 발열패드로서 발열 및 방열 효과가 탁월하고 전력 소모량을 크게 절감시킬 수 있으며, 전자파 차폐 및 소음 억제 효과가 추가로 구현될 뿐만 아니라, 유연성, 굴곡성, 기계적 강도 등이 우수하여 다양한 용도, 특히 난방, 온수탱크 등을 위한 히터로 적용될 수 있는 발열패드 및 이를 이용한 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a heating pad and a system using the same. Specifically, the present invention is an exothermic pad including a heat-generating layer formed from a carbon-based material, which excellently exerts heat and heat dissipation effects, can significantly reduce power consumption, is further improved in electromagnetic wave shielding and noise suppression effects, , Flexibility, mechanical strength, and the like, so that it can be applied to various applications, in particular, as a heater for heating, hot water tank, etc., and a system using the same.
실내공간의 난방을 위해 건물의 바닥이나 벽면에 설치되는 종래 발열패드에 적용되는 면상발열체로서 온수배관, 열선 등이 매립된 면상발열체, 전기전도도와 열전도도가 우수한 금속, 탄소계 소재 등을 함유하는 페이스트로부터 형성된 발열 플레이트에 패턴화된 전극이 결합된 면상발열체 등이 사용되고 있다.An area heating element applied to a conventional heating pad installed on the floor or wall of a building for heating the indoor space is a surface heating element having a hot water pipe or a hot wire embedded therein, a metal having excellent electrical conductivity and thermal conductivity, A surface heating element to which a patterned electrode is bonded to a heat generating plate formed from a paste, or the like is used.
그러나, 온수배관이 적용된 면상발열체의 경우 일정한 패턴으로 배치된 배관을 순환하는 온수로부터 발열하는 방식으로 발열 효과가 낮아 전력 소모량이 크고, 균일한 방열을 위한 배관의 배치로 제조단가가 증가하는 문제가 있으며, 면상발열체의 유연성, 굴곡성 등을 구현할 수 없어 적용할 수 있는 용도가 제한되는 문제가 있다.However, in the case of the surface heating element to which the hot water piping is applied, the heat generated from the circulating hot water circulating in the piping arranged in a certain pattern is low, so the power consumption is large and the manufacturing cost is increased due to the arrangement of the piping for uniform heat dissipation And flexibility, flexibility and the like of the surface heating element can not be realized, so that there is a problem that the application is limited.
또한, 열선이 적용된 면상발열체의 경우 전원이 인가된 열선의 저항에 의해 발열하는 방식으로 발열 효과가 낮아 전력 소모량이 크고, 균일한 방열을 위한 열선의 배치로 제조단가가 증가하는 문제가 있으며, 열선에 흐르는 전류에 의한 전자파 및 소음 발생이 문제되며, 면상발열체의 유연성, 굴곡성 등이 낮아 적용할 수 있는 용도가 제한되는 문제가 있다.Also, in the case of a surface heating element to which a hot wire is applied, there is a problem that the heat generation effect is low due to the heat generated by the resistance of the hot wire applied by the power supply, so that the power consumption is large and the manufacturing cost is increased due to the arrangement of the hot wire for uniform heat radiation. There is a problem in that electromagnetic waves and noise are generated due to the current flowing in the surface heating element, flexibility of the surface heating element is low, flexibility is low, and the application is limited.
그리고, 전기/열 전도성 페이스트로부터 형성된 발열 플레이트와 패턴화된 전극이 결합된 종래의 면상발열체 역시 발열 효과가 불충분하고 균일한 방열을 위한 패턴화된 전극의 배치로 인해 전자파 및 소음 발생이 심각한 문제가 있다.In addition, a conventional planar heating element in which a heating plate formed from an electric / thermal conductive paste and a patterned electrode are combined has insufficient heating effect and a problem of electromagnetic waves and noise generation due to the arrangement of patterned electrodes for uniform heat dissipation have.
따라서, 발열 및 방열 효과가 탁월하고 전력 소모량을 크게 절감시킬 수 있으며, 전자파 차폐 및 소음 억제 효과가 추가로 구현될 뿐만 아니라, 유연성, 굴곡성, 기계적 강도 등이 우수하여 다양한 용도에 적용될 수 있는 발열패드 및 이를 이용한 시스템이 절실히 요구되고 있는 실정이다.Accordingly, the heat generating and heat radiation effect is excellent, the power consumption can be largely reduced, the electromagnetic wave shielding and noise suppression effect is further realized, and the heat generating pad, which is excellent in flexibility, flexibility and mechanical strength, And a system using the same are strongly desired.
본 발명은 발열 및 방열 효과가 탁월하고 전력 소모량을 크게 절감시킬 수 있는 발열패드 및 이를 이용한 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a heating pad which is excellent in heat generation and heat radiation effect and can greatly reduce power consumption and a system using the same.
또한, 본 발명은 전자파 차폐 밑 소음 억제 효과가 우수한 발열패드 및 이를 이용한 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is another object of the present invention to provide a heat-generating pad excellent in suppressing noise under electromagnetic interference and a system using the same.
그리고, 본 발명은 유연성, 굴곡성, 기계적 강도 등이 우수한 발열패드 및 이를 이용한 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.It is another object of the present invention to provide a heat generating pad having excellent flexibility, flexibility and mechanical strength, and a system using the same.
상기 가제를 해결하기 위해, 본 발명은,In order to solve the above-mentioned gauze,
탄소계 소재로 이루어진 발열층; 상기 발열층과 전기적으로 접속하고 상기 발열층의 측면을 따라 배치되는 한 쌍의 전극; 상기 발열층의 상부 및 하부에 각각 적층된 한 쌍의 절연층을 포함하는, 발열패드를 제공한다.A heat generating layer made of a carbon-based material; A pair of electrodes electrically connected to the heating layer and disposed along a side surface of the heating layer; And a pair of insulating layers stacked on top and bottom of the heating layer, respectively.
여기서, 상기 발열층은 탄소나노튜브를 포함하는 탄소계 소재의 압착에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 발열패드를 제공한다.Here, the heat generating layer is formed by pressing a carbon-based material including carbon nanotubes.
또한, 상기 탄소계 소재는 그래핀, 카본블랙 또는 이들 모두를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 발열패드를 제공한다.Further, the carbonaceous material may further include graphene, carbon black, or both.
한편, 상기 한 쌍의 절연층 중 하나 이상의 절연층은 고분자 수지에 열전도성 첨가제가 첨가된 방열성 고분자 복합소재로부터 형성된 것을 특징으로 하는, 발열패드를 제공한다.On the other hand, the at least one insulating layer of the pair of insulating layers is formed from a heat-dissipating polymer composite material to which a thermally conductive additive is added to the polymer resin.
여기서, 상기 절연층은 아래 수학식 1에 의해 정의되는 등방성 열전도도(isotropic thermal conductivity) k가 0.5 내지 50 W/m·K인 것을 특징으로 하는, 발열패드를 제공한다.Here, the insulating layer has an isotropic thermal conductivity k of 0.5 to 50 W / m · K, which is defined by Equation (1) below.
[수학식 1][Equation 1]
상기 수학식 1에서, In the above equation (1)
kxy는 상기 절연층의 수평 열전도도(In-plane thermal conductivity)이며,k xy is the in-plane thermal conductivity of the insulating layer,
kz는 상기 절연층의 수직 열전도도(Through-plane thermal conductivity)이다.and k z is the through-plane thermal conductivity of the insulating layer.
또한, 상기 고분자 수지는 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌에테르아크릴레이트(EEA), 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 및 열가소성폴리우레탄(TPU)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 열가소성 고분자 수지를 포함하고, 상기 열전도성 첨가제는 탄소나노튜브, 그래핀나노플레이트 및 팽창흑연으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 열전도성 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 발열패드를 제공한다.The polymer resin may be at least one thermoplastic polymer resin selected from the group consisting of polycarbonate (PC), polyethylene (PE), ethylene ether acrylate (EEA), ethylene vinyl acetate (EVA) and thermoplastic polyurethane Wherein the thermally conductive additive comprises at least one thermally conductive additive selected from the group consisting of carbon nanotubes, graphene nanoplates, and expanded graphite.
그리고, 상기 열전도성 첨가제는, 상기 열가소성 고분자 수지 100 중량부를 기준으로, 상기 탄소나노튜브 약 0.1 내지 2 중량부, 상기 그래핀나노플레이트 약 2 내지 20 중량부 및 상기 팽창흑연 약 5 내지 30 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 발열패드를 제공한다.The thermally conductive additive may include about 0.1 to 2 parts by weight of the carbon nanotubes, about 2 to 20 parts by weight of the graphene nanoplate, and about 5 to 30 parts by weight of the expanded graphite, based on 100 parts by weight of the thermoplastic polymer resin The heat-generating pad according to any one of claims 1 to 3,
한편, 상기 한 쌍의 전극 각각은 상기 발열층 측면의 길이를 적어도 부분적으로 덮을 수 있는 길이를 갖고, 상기 한 쌍의 전극 중 하나의 전극은 상기 발열층 상부에 배치되고 다른 전극은 상기 발열층 하부에 배치되는 것을 특징으로 하는, 발열패드를 제공한다.Each of the pair of electrodes may have a length at least partially covering a side surface of the heating layer. One electrode of the pair of electrodes is disposed on the heating layer, and the other electrode is disposed on the heating layer. Is provided in the heat-generating pad.
여기서, 상기 한 쌍의 전극 각각은 일말단이 상기 발열층 외부로 돌출되고, 상기 전극 중 하나의 전극은 상기 발열층의 일측으로 돌출되고 다른 전극은 상기 발열층의 타측으로 돌출되는 것을 특징으로 하는, 발열패드를 제공한다.One end of each of the pair of electrodes protrudes to the outside of the heating layer, one of the electrodes protrudes to one side of the heating layer, and the other electrode protrudes to the other side of the heating layer. , And a heating pad.
또한, 상기 발열층의 두께는 0.1 내지 10 mm이고, 상기 절연층의 두께는 50 ㎛ 내지 3 cm인 것을 특징으로 하는, 발열패드를 제공한다.The heating pad has a thickness of 0.1 to 10 mm, and the insulating layer has a thickness of 50 to 3 cm.
한편, 상기 발열패드 복수개가 결합되어 형성된 발열구조체, 상기 발열패드로 물을 가열하고 가열된 온수를 저장하는 온수탱크, 상기 발열구조체 및 상기 온수탱크에 적용된 발열패드에 전원을 공급하는 전원공급장치 및 상기 발열구조체 및 상기 온수탱크의 온도를 측정하고 제어하는 온도조절장치를 포함하는, 난방 및 온수공급 시스템을 제공한다.The heat generating structure may include a heating structure having a plurality of heating pads coupled thereto, a hot water tank for heating the heated water heated by the heating pad, a power supply for supplying power to the heating structure and the heating pad applied to the hot water tank, And a temperature control device for measuring and controlling the temperature of the heating structure and the hot water tank.
여기서, 전기에너지를 저장하여 보관하는 에너지저장장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 난방 및 온수공급 시스템을 제공한다.Here, a heating and hot water supply system is provided, further comprising an energy storage device for storing and storing electrical energy.
본 발명에 따른 발열패드는 탄소계 소재로부터 형성된 발열층 및 이의 상하부에 배치된 특정 방열효과를 구현하는 방열층을 구비함으로써 발열 및 방열 효과가 탁월하고 전력 소모량을 크게 절감시킬 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.The heat generating pad according to the present invention has a heat generating layer formed from a carbon-based material and a heat dissipating layer disposed at the upper and lower portions thereof to realize a specific heat dissipating effect, thereby excelling in heat generation and heat dissipation, .
또한, 본 발명에 따른 발열패드는 전극의 형상 및 배치를 조절함으로써 전자파 및 소음의 발생을 최소화할 수 있는 우수한 효과를 나타낸다.In addition, the heating pad according to the present invention has an excellent effect of minimizing the generation of electromagnetic waves and noise by controlling the shape and arrangement of the electrodes.
나아가, 본 발명에 따른 발열패드는 발열층과 방열층의 소재 및 두께 조절에 의해 유연성, 굴곡성, 기계적 강도 등을 향상시켜 적용할 수 있는 용도가 매우 다양할 뿐만 아니라 시공이 간편하고 용이한 우수한 효과를 나타낸다.Further, the heat-generating pad according to the present invention has various applications in which flexibility, flexibility and mechanical strength can be improved by controlling the material and thickness of the heating layer and the heat-releasing layer, .
도 1은 본 발명에 따른 발열패드의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 발열패드 복수개가 서로 결합된 발열구조체의 모습을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본원의 실시예에서 본 발명에 따른 발열패드의 발열 효과 및 방열 효과를 평가한 그래프를 도시한 것이다.
도 4는 본원의 실시예에서 본 발명에 따른 발열패드에 대한 열화상카메라 사진이다.1 schematically shows a structure of a heat generating pad according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic view of a heat generating structure in which a plurality of heat generating pads according to the present invention are coupled to each other.
FIG. 3 is a graph illustrating a heating effect and a heat radiation effect of a heating pad according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a photograph of a thermal imaging camera for a heating pad according to the present invention in an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the concept of the invention to those skilled in the art. Like reference numerals designate like elements throughout the specification.
도 1은 본 발명에 따른 발열패드의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.1 schematically shows a structure of a heat generating pad according to the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 발열패드(100)는 탄소나노튜브 등의 탄소계 소재로 이루어진 발열층(10), 상기 발열층(10)과 전기적으로 접속하고 상기 발열층(10)의 측면을 따라 배치된 한 쌍의 전극(20a,20b), 상기 발열층(10)의 상부 및 하부에 각각 적층된 한 쌍의 절연층(30a,30b)을 포함할 수 있다.1, a
여기서, 상기 발열층(10)을 형성하는 탄소계 소재로서 사용될 수 있는 탄소나노튜브(carbon nano fiber; CNT)는 6각형 고리로 연결된 탄소들이 긴 튜브 형태를 이루고 지름이 나노미터 사이즈인 미세한 분자로서, 다중층 탄소나노튜브(MWCNT), 단일층 탄소나노튜브(SWCNT), 이중층 탄소나노튜브(DWCNT) 등으로부터 적절히 선택되어 적용될 수 있고, 상기 탄소계 소재는 상기 탄소나노튜브(CNT) 이외에 그래핀(graphene), 카본블랙(carbon black) 등을 추가로 포함할 수 있다.The carbon nanotube (CNT), which can be used as a carbon-based material for forming the
상기 발열층(10)은 상기 탄소계 소재가 고분자 수지 등에 분산된 발열 페이스트로부터 형성되는 것이 아니라 상기 탄소계 소재 자체의 열압착 등에 의해 형성됨으로써, 종래 발열 페이스트로부터 형성된 발열층에서의 고분자 수지 내에서의 탄소계 소재의 불균일한 분산 문제가 발생하지 않기 때문에 발열 효과, 특히 신속하고 균일한 발열 효과가 탁월하고 전력 소모량을 30% 이상 크게 절감시킬 수 있다. 상기 발열층(10)의 두께는 약 0.1 내지 10 mm일 수 있다.The
상기 발열층(10)의 상부 또는 하부에는 상기 발열층(10)의 마주보는 측면 각각을 따라 배치되고 상기 측면의 길이를 적어도 부분적으로, 바람직하게는 전체적으로 덮을 수 있는 길이를 갖는 한 쌍의 전극(20a,20b)이 배치되어 상기 발열층(10)과 전기적으로 접속될 수 있다. 상기 한 쌍의 전극(20a,20b)에 서로 다른 극성의 전압이 인가됨으로써 상기 한 쌍의 전극(20a,20b) 사이에 배치된 발열층(10)에 전류가 흐르게 되고 발열하게 된다.The upper or lower portion of the
상기 전극(20a,20b)은 은(Ag), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 등 전기전도도가 우수한 금속 등의 소재로 이루어질 수 있고, 상기 전극(20a,20b)에는 12V 또는 24V의 직류전압이 인가되는 것을 고려하여 적절한 전기전도도 및 두께를 보유할 수 있다.The
본 발명에 있어서, 상기 발열층(10)은 종래 발열 페이스트와 달리 탄소계 소재 자체의 압착에 의해 형성되기 때문에, 균일한 발열을 위해 상기 발열층(10)을 전면적으로 커버하는 종래의 패턴화된 전극이 불필요하고, 상기 발열층(10)의 마주보는 양 측면 각각을 따라 일렬로 배치된 전극에 의해서도 상기 발열층(10)의 전면적이고 균일한 발열을 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 이로써 전력 소모량을 크게 절감시킬 수 있다.In the present invention, since the
또한, 본 발명에 따른 발열패드에서 상기 발열층(10)의 마주보는 양 측면 각각을 따라 일렬로 배치된 전극(20a,20b)을 채택함으로써 종래의 패턴화된 전극에 의한 전자파 및 소음 발생을 억제하거나 최소화할 수 있고, 미미하게 발생한 전자파 마저도 상기 발열층(10)을 형성하는 탄소계 소재의 의해 흡수되어 전자파의 외부 방출을 억제할 수 있다.Further, by adopting the
나아가, 본 발명에 따른 발열패드(100)는 종래의 패턴화된 전극을 대체하여 발열층(10)의 마주보는 양 측면을 따라 일렬로 배치된 전극(20a,20b)을 채택함으로써 패턴화된 전극을 구현하기 위한 비용을 절감할 수 있어 제조단가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 상기 패턴화된 전극에 의해 발열패드의 유연성, 굴곡성 등이 저하되는 것을 회피할 수 있다.Further, the
상기 전극(20a,20b)은 상기 발열층(10)에서의 두께 방향으로의 균일한 발열을 위해 상기 전극(20) 중 하나(20a)는 상기 발열층(10)의 상부에 배치되고 상기 전극(20) 중 나머지 하나(20b)는 상기 발열층(10)의 하부에 배치되는 것이 바람직하다.One of the
도 2는 본 발명에 따른 발열패드 복수개가 서로 결합된 발열구조체의 모습을 개략적으로 도시한 것이다.FIG. 2 is a schematic view of a heat generating structure in which a plurality of heat generating pads according to the present invention are coupled to each other.
도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 발열패드(100)에 있어서 상기 전극(20a,20b) 각각은 일말단이 상기 발열층(10) 외부로 돌출될 수 있고, 특히 상기 전극(20) 중 하나(20a)는 상기 발열층(10)의 일측으로 돌출되고 나머지 하나(20b)는 상기 발열층(10)의 타측으로 돌출될 수 있으며, 이로써 하나의 발열패드(100)의 전극(20a,20b) 말단의 돌출부가 각각 인접한 다른 발열패드(100) 전극의 상부 또는 하부에 삽입됨으로써 상기 발열패드(100)는 인접한 다른 발열패드(100)와 결합할 수 있고 이들의 전극들은 서로 전기적으로 접속될 수 있고, 복수개의 발열패드(100)의 결합에 의해 건물의 바닥 또는 벽면 전체를 커버하는 발열구조체를 형성할 수 있다.1 and 2, in the
상기 발열층(10)의 상부 및 하부 각각에 적층된 절연층(30a,30b)은 상기 발열층(10)에 흐르는 전류가 외부로 누설되지 않도록 하는 기능을 수행하고, 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌에테르아크릴레이트(EEA), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 열가소성폴리우레탄(TPU) 등의 열가소성 고분자 수지로부터 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 절연층(30a,30b)은 24V의 직류전압 인가시 전류가 -0.01 mA 이하로 흐르지 않을 수 있고, 두께는 약 50 ㎛ 내지 3 cm일 수 있다.The
상기 한 쌍의 절연층(30a,30b) 중 하나 이상의 절연층은 상기 고분자 수지에 탄소나노튜브(CNT), 그래핀나노플레이트(GNP), 팽창흑연(EG) 등의 열전도성 첨가제가 분산된 방열성 고분자 복합소재로부터 형성될 수 있고, 이로써 방열 효과가 우수한 방열층으로서의 기능을 추가로 수행할 수 있다. 상기 열전도성 첨가제는 상기 고분자 수지 내에서 균일하게 분산됨으로써 상기 고분자 수지 내부에서의 최적의 수평 및 수직 열전달 경로를 형성하게 되고, 이로써 방열성을 구현하게 된다.At least one insulating layer of the pair of
상기 방열층으로서의 기능을 구현하는 절연층(30a,30b)은 아래 수학식 1에 의해 정의되는 등방성 열전도도(isotropic thermal conductivity) k가 약 0.5 내지 50 W/m·K일 수 있다. 여기서, 상기 등방성 열전도도 k가 0.5 W/m·K 미만인 경우 충분한 방열성이 구현될 수 없는 반면, 50 W/m·K 초과인 경우 상기 열전도성 첨가제가 과량 첨가되어야 하므로 이로 인해 상기 고분자 복합소재의 성형성이 크게 저하될 수 있다.The insulating
상기 수학식 1에서, In the above equation (1)
kxy는 상기 절연층의 수평 열전도도(In-plane thermal conductivity)이며,k xy is the in-plane thermal conductivity of the insulating layer,
kz는 상기 절연층의 수직 열전도도(Through-plane thermal conductivity)이다.and k z is the through-plane thermal conductivity of the insulating layer.
구체적으로, 상기 방열층으로서의 기능을 수행하는 절연층(30a,30b)의 수평 열전도도(kxy)는 약 1.5 W/m·K 이상이고, 수직 열전도도(kz)는 약 0.4 W/m·K 이상일 수 있으며, 이로써 통상의 방열 소재가 수평 열전도도에만 의존하여 방열기능을 수행하는 것과는 달리, 수평 및 수직 열전도도의 적절한 조화에 의해 최적의 방열기능을 수행할 수 있다.More specifically, the horizontal thermal conductivity (k xy ) of the insulating
이를 위해, 상기 열전도성 첨가제는, 상기 열가소성 고분자 수지 100 중량부를 기준으로, 상기 탄소나노튜브 약 0.1 내지 2 중량부, 상기 그래핀나노플레이트 약 2 내지 20 중량부 및 상기 팽창흑연 약 5 내지 30 중량부를 포함할 수 있다.To this end, the thermally conductive additive preferably comprises about 0.1 to 2 parts by weight of the carbon nanotubes, about 2 to 20 parts by weight of the graphene nanoplate, and about 5 to 30 parts by weight of the expanded graphite, based on 100 parts by weight of the thermoplastic polymer resin Section.
상기 열전도성 첨가제를 구성하는 상기 탄소나노튜브, 상기 그래핀나노플레이트 및 상기 팽창흑연의 함량이 상기 각각의 수치범위 미만인 경우 충분한 방열성을 구현할 수 없는 반면, 상기 수치범위 초과인 경우 상기 고분자 복합소재의 필름 성형성이 크게 저하될 뿐만 아니라, 상기 복합소재의 점도가 증가하여 내용제성 및 도막밀착성이 저하됨과 동시에 안정성까지 저하되어 물성이 크게 저하될 수 있다.When the content of the carbon nanotubes, the graphene nanoplate, and the expanded graphite constituting the thermally conductive additive is less than the respective numerical values, sufficient heat dissipation can not be achieved. On the other hand, when the content of the carbon nanotubes, Not only the film formability is significantly lowered, but also the viscosity of the composite material is increased, so that the solvent resistance and the coating film adhesion are lowered and the stability is lowered, and the physical properties may be significantly lowered.
여기서, 상기 탄소나노튜브는 바람직하게는 지름이 5 내지 15 ㎚이고, 길이가 5 내지 500 ㎛이며, 겉보기 부피가 0.02 g/㎤ 이하인 다발형 형태일 수 있으며, 상기 그래핀나노플레이트는 바람직하게는 두께가 1 ㎛ 이하이고, 수평 길이가 3 내지 50 ㎛ 일 수 있으며, 상기 팽창흑연은 바람직하게는 수평 길이가 100 ㎛ 이하일 수 있다.The carbon nanotubes may be in the form of a bundle having a diameter of 5 to 15 nm, a length of 5 to 500 μm and an apparent volume of 0.02 g / cm 3 or less, The thickness may be 1 占 퐉 or less, the horizontal length may be 3 to 50 占 퐉, and the expanded graphite may preferably have a horizontal length of 100 占 퐉 or less.
상기 방열성 고분자 복합소재는 상기 열가소성 고분자 수지에 상기 열전도성 첨가제가 배합 및 분산되어 제조된 것이나, 필요에 따라서는 상기 열가소성 고분자 수지에 대한 상기 열전도성 첨가제의 분산성을 향상시키기 위해 분산제를 추가로 포함할 수 있다.The heat-dissipating polymer composite material is prepared by mixing and dispersing the thermally conductive additive in the thermoplastic polymer resin. If necessary, a dispersant may be further added to improve the dispersibility of the thermally conductive additive to the thermoplastic polymer resin can do.
상기 분산제는 상기 열가소성 고분자 수지 내에서의 상기 열전도성 첨가제의 분산성을 추가로 향상시킴으로써, 소량의 열전도성 첨가제에 의해 우수한 열전도도 및 방열성을 구현할 수 있도록 하고, 나아가 상기 방열성 고분자 복합소재의 제조시간을 단축시킬 수 있다.The dispersant further improves the dispersibility of the thermally conductive additive in the thermoplastic polymer resin so that it can realize excellent thermal conductivity and heat dissipation by a small amount of the thermally conductive additive and further enables the production time of the heat- Can be shortened.
상기 고분자 복합소재는, 상기 열가소성 고분자 수지 100 중량부를 기준으로, 상기 분산제 약 0.2 내지 5 중량부를 포함할 수 있다. 상기 분산제의 함량이 0.2 중량부 미만인 경우 상기 열전도성 첨가제의 목적한 분산성을 구현할 수 없는 반면, 5 중량부 초과인 경우 추가적으로 분산성 개선효과를 더 이상 기대하기 곤란하다.The polymer composite material may include about 0.2 to 5 parts by weight of the dispersant based on 100 parts by weight of the thermoplastic polymer resin. If the content of the dispersant is less than 0.2 parts by weight, the desired dispersibility of the thermally conductive additive can not be realized. On the other hand, if the content of the dispersant is more than 5 parts by weight,
상기 분산제는 상기 열가소성 고분자 수지에 대한 상기 열전도성 첨가제의 분산성을 향상시킬 수 있다면 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 탄소수가 10 이상인 포화, 불포화 또는 방향족 형태의 탄화수소 화합물일 수 있으며, 특히 점도가 약 10 내지 10,000 cP인 액상의 화합물로서, 폴리비닐피롤리돈(polyvinyl pyrrolidone), 세틸트리메틸암모늄브로마이드(cetyltrimethyl ammonium bromide) 등과 같은 분산제가 사용될 수 있다.The dispersant is not particularly limited as long as it can improve the dispersibility of the thermally conductive additive to the thermoplastic polymer resin. For example, the dispersant may be a saturated, unsaturated or aromatic hydrocarbon compound having a carbon number of 10 or more, As a liquid compound having 10 to 10,000 cP, a dispersant such as polyvinyl pyrrolidone, cetyltrimethyl ammonium bromide and the like may be used.
한편, 본 발명에 따른 발열패드(100)는 상기 발열층(10)과 상기 절연층(30) 사이에 접착층(미도시)을 추가로 포함함으로써 더욱 안정적인 적층 구조를 구현할 수 있고, 또한 상기 절연층(30)의 외측에는 추가의 보호층(미도시)이 적층되어 상기 발열패드(100)를 외부의 충격이나 압력으로부터 보호할 수 있다.The
본 발명은 앞서 기술한 발열패드(100)가 이용된 시스템에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 앞서 기술한 발열패드(100)가 이용된 난방 및/또는 온수공급 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a system in which the above-described heating pad (100) is used. Specifically, the present invention relates to a heating and / or hot water supply system in which the above-described
구체적으로, 본 발명에 따른 난방 및/또는 온수공급 시스템은 상기 발열패드(100) 복수개가 결합되어 형성된 발열구조체, 상기 발열패드(100)로 물을 가열하고 가열된 온수를 저장하는 온수탱크, 상기 발열구조체 및/또는 상기 온수탱크에 적용된 발열패드(100)에 전원을 공급하는 전원공급장치, 상기 발열구조체 및/또는 상기 온수탱크의 온도를 측정하고 제어하는 온도조절장치, 전기에너지를 저장하여 보관하는 에너지저장장치 등을 포함할 수 있다.Specifically, the heating and / or hot water supply system according to the present invention includes a heating structure having a plurality of
특히, 상기 온수탱크는 탱크의 외부 또는 내부에 구비된 발열패드(100)에 전원을 인가하여 발열시킴으로써 탱크 내부의 물의 온도를 상승시킬 수 있고, 또한 상기 온수탱크로 물을 공급하는 배관의 외측에 발열패드(100)를 배치함으로써 상기 온수탱크로 공급되는 물을 예열할 수 있다. 이러한 예열 방식은 갑작스런 온수 사용량의 증가로 상기 온수탱크 내의 물의 온도가 급격히 저하되는 것을 억제하고 또한 상기 발열패드(100)의 온도 상승이 지연되는 문제를 해결할 수 있다.Particularly, the hot water tank can raise the temperature of the water inside the tank by applying power to the
또한, 상기 온도조절장치는 상기 발열구조체 및/또는 상기 온수탱크 내의 물의 온도를 측정하는 센서부, 센서부에 의해 측정된 온도를 표시해주는 디스플레이부, 상기 발열구조체 및/또는 상기 온수탱크에 적용된 발열패드(100)에 인가되는 전원을 조절하는 전원조절부 등을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 에너지저장장치는 값싼 시간에 공급되는 전기에너지를 저장하여 필요할 때 효율적으로 전기에너지를 활용할 수 있도록 하는 장치이다.The temperature control device may further include a sensor unit for measuring a temperature of water in the heating structure and / or the hot water tank, a display unit for displaying a temperature measured by the sensor unit, a heating unit applied to the heating structure and / A power controller for controlling the power applied to the
[실시예][Example]
탄소나노튜브의 열압착을 통해 두께 약 0.1 mm로 제조된 발열층에 도 1에 도시된 바와 같이 한 쌍의 구리(Cu) 전극을 적용하고 상기 전극을 통해 12 V의 직류전압을 인가한 후 시간별로 발열층의 온도를 측정했다.As shown in FIG. 1, a pair of copper (Cu) electrodes were applied to a heat generating layer having a thickness of about 0.1 mm through thermocompression of carbon nanotubes, a DC voltage of 12 V was applied through the electrodes, The temperature of the heating layer was measured.
또한, 상기 발열층의 상부 및 하부에 방열기능을 갖고 각각의 두께가 약 500 ㎛인 절연층을 적용한 방열패드에서 한 쌍의 구리(Cu) 전극을 통해 12 V의 직류접안을 인가한 후 시간별로 절연층(방열층)의 온도를 측정했다. 구체적으로, 상기 절연층(방열층)은 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA)에 탄소나노튜브 1 중량부, 그래핀나노플레이트 10 중량부 및 팽창흑연 8 중량부가 첨가된 고분자 복합재료로부터 형성했다.In addition, a DC bipolar plate of 12 V was applied through a pair of copper (Cu) electrodes in a heat-radiating pad having a heat-dissipating function and a thickness of about 500 탆 applied to upper and lower portions of the heating layer, The temperature of the insulating layer (heat-radiating layer) was measured. Specifically, the insulating layer (heat-radiating layer) was formed from a polymer composite material in which 1 part by weight of carbon nanotubes, 10 parts by weight of graphene nanoflakes and 8 parts by weight of expanded graphite were added to ethylene vinyl acetate (EVA).
상기 온도 측정은 열화상카메라로 측정했고, 그 결과는 아래 표 1 및 도 3에 나타난 바와 같다. 또한 도 4a는 전압 인가로부터 1분 30초 후의 발열층의 열화상카메라 사진이고, 도 4b는 전압 인가로부터 4분 후의 절연층(방열층)의 열화상카메라 사진이다.The temperature measurements were taken with an infrared camera and the results are as shown in Table 1 and Figure 3 below. 4A is a photograph of the thermal imaging camera of the heating layer after 1 minute and 30 seconds from the voltage application, and FIG. 4B is a photograph of the thermal imaging camera of the insulating layer (heat radiation layer) four minutes after the voltage application.
(방열층)Insulating layer
(Heat-radiating layer)
상기 표 1과 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 발열패드는 신속하고 균일하게 발열하는 효과가 우수하고 발열층과 절연층(방열층) 사이의 온도 차이가 약 2℃ 까지 좁혀져 방열효과 또한 우수한 것으로 확인되었다.As shown in Table 1 and FIGS. 3 and 4, the heating pad according to the present invention has an excellent quick and uniform heating effect, and the temperature difference between the heating layer and the insulating layer (heat radiation layer) It was confirmed that the heat radiation effect was also excellent.
본 명세서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 당업자는 이하에서 서술하는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명은 다양하게 수정 및 변경 실시할 수 있을 것이다. 그러므로 변형된 실시가 기본적으로 본 발명의 특허청구범위의 구성요소를 포함한다면 모두 본 발명의 기술적 범주에 포함된다고 보아야 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications and variations will be apparent to those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the following claims. . It is therefore to be understood that the modified embodiments are included in the technical scope of the present invention if they basically include elements of the claims of the present invention.
10 : 발열층 20 : 전극
30 : 절연층10: heating layer 20: electrode
30: Insulation layer
Claims (12)
상기 발열층과 전기적으로 접속하고 상기 발열층의 측면을 따라 배치되는 한 쌍의 전극;
상기 발열층의 상부 및 하부에 각각 적층된 한 쌍의 절연층을 포함하고,
상기 한 쌍의 절연층 중 하나 이상의 절연층은 고분자 수지에 열전도성 첨가제가 첨가된 방열성 고분자 복합소재로부터 형성되고,
상기 절연층은 아래 수학식 1에 의해 정의되는 등방성 열전도도(isotropic thermal conductivity) k가 0.5 내지 50 W/m·K인 것을 특징으로 하는, 발열패드.
[수학식 1]
상기 수학식 1에서,
kxy는 상기 절연층의 수평 열전도도(In-plane thermal conductivity)이며,
kz는 상기 절연층의 수직 열전도도(Through-plane thermal conductivity)이다.A heat generating layer made of a carbon-based material;
A pair of electrodes electrically connected to the heating layer and disposed along a side surface of the heating layer;
And a pair of insulating layers stacked on top and bottom of the heating layer,
Wherein at least one of the pair of insulating layers is formed from a heat-dissipating polymer composite material to which a thermally conductive additive is added to the polymer resin,
Wherein the insulating layer has an isotropic thermal conductivity k of 0.5 to 50 W / m · K, which is defined by Equation (1) below.
[Equation 1]
In the above equation (1)
k xy is the in-plane thermal conductivity of the insulating layer,
and k z is the through-plane thermal conductivity of the insulating layer.
상기 발열층은 탄소나노튜브를 포함하는 탄소계 소재의 압착에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 발열패드.The method according to claim 1,
Wherein the heating layer is formed by pressing a carbon-based material including carbon nanotubes.
상기 탄소계 소재는 그래핀, 카본블랙 또는 이들 모두를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 발열패드.3. The method of claim 2,
Characterized in that the carbonaceous material further comprises graphene, carbon black or both.
상기 고분자 수지는 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌에테르아크릴레이트(EEA), 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 및 열가소성폴리우레탄(TPU)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 열가소성 고분자 수지를 포함하고,
상기 열전도성 첨가제는 탄소나노튜브, 그래핀나노플레이트 및 팽창흑연으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 1종 이상의 열전도성 첨가제를 포함하는 것을 특징으로 하는, 발열패드.The method according to claim 1,
The polymeric resin includes at least one thermoplastic polymer resin selected from the group consisting of polycarbonate (PC), polyethylene (PE), ethylene ether acrylate (EEA), ethylene vinyl acetate (EVA) and thermoplastic polyurethane and,
Wherein the thermally conductive additive comprises at least one thermally conductive additive selected from the group consisting of carbon nanotubes, graphene nanoplates, and expanded graphite.
상기 열전도성 첨가제는, 상기 열가소성 고분자 수지 100 중량부를 기준으로, 상기 탄소나노튜브 0.1 내지 2 중량부, 상기 그래핀나노플레이트 2 내지 20 중량부 및 상기 팽창흑연 5 내지 30 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 발열패드.The method according to claim 6,
Wherein the thermally conductive additive comprises 0.1 to 2 parts by weight of the carbon nanotubes, 2 to 20 parts by weight of the graphene nanoflakes and 5 to 30 parts by weight of the expanded graphite based on 100 parts by weight of the thermoplastic polymer resin Heat pad.
상기 한 쌍의 전극 각각은 상기 발열층 측면의 길이를 적어도 부분적으로 덮을 수 있는 길이를 갖고, 상기 한 쌍의 전극 중 하나의 전극은 상기 발열층 상부에 배치되고 다른 전극은 상기 발열층 하부에 배치되는 것을 특징으로 하는, 발열패드.4. The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein each of the pair of electrodes has a length at least partially covering the length of the side surface of the heating layer, one electrode of the pair of electrodes is disposed on the heating layer, and the other electrode is disposed below the heating layer Wherein the heating pad is made of a thermoplastic resin.
상기 한 쌍의 전극 각각은 일말단이 상기 발열층 외부로 돌출되고, 상기 전극 중 하나의 전극은 상기 발열층의 일측으로 돌출되고 다른 전극은 상기 발열층의 타측으로 돌출되는 것을 특징으로 하는, 발열패드.4. The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein one end of the electrode protrudes to one side of the heating layer and the other electrode protrudes to the other side of the heating layer. pad.
상기 발열층의 두께는 0.1 내지 10 mm이고, 상기 절연층의 두께는 50 ㎛ 내지 3 cm인 것을 특징으로 하는, 발열패드.4. The method according to any one of claims 1 to 3,
Wherein the heat generating layer has a thickness of 0.1 to 10 mm and the insulating layer has a thickness of 50 to 3 cm.
전기에너지를 저장하여 보관하는 에너지저장장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는, 난방 및 온수공급 시스템.12. The method of claim 11,
Further comprising an energy storage device for storing and storing electric energy.
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