KR20050011766A - 박막 발열체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 박막 발열체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 두께가 얇으며 가열면적이 넓게 형성한 금속박막을 발열부로 사용한 박막 발열체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 박막 발열체는 폴리머 기판과; 상기 폴리머 기판의 표면에 5nm∼100nm의 두께로 부착된 금속박막으로 이루어진 발열부와; 상기 금속박막의 양 끝단에 형성되는 전극부를 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명의 박막 발열체의 제조방법은 폴리머 기판을 원하는 크기로 절단하거나 제작하여 배치하는 폴리머 기판 준비단계와; 상기 폴리머 기판의 상측에 금속박막을 5nm∼100nm의 두께로 형성하는 금속박막 형성단계와; 상기 금속박막 형성단계에서 형성된 금속박막의 상측에 원하는 박막 발열체 형상의 마스크를 형성하는 마스크 형성단계와; 상기 마스크가 형성된 금속박막을 에칭시키는 에칭 단계와; 상기 에칭 단계를 거친 다음 상기 마스크를 제거하는 마스크 제거단계를 포함하여 구성된다.

종래 박막 발열체는 금속박막에 미세 패턴을 형성하여 가열부로 사용함으로써 균일한 온도의 가열이 곤란하였으나, 본 발명의 박막 발열체는 가열면적이 넓게 형성가능하여 가열 온도편차를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

박막 발열체 및 그 제조방법 {Thin film heater and fabrication method of it}

본 발명은 박막 발열체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 자세히는 가열부를 구성하는 금속박막을 두께가 얇으며 가열면적이 넓도록 형성함으로써 균일한 가열이 가능하도록 한 박막 발열체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

박막 발열체는 전기를 인가할 때에 박막의 저항성분에 의해 열을 발생시키는 전기히터를 말한다. 상기 박막 발열체는 발생되는 열에 의해 습기를 제거하거나 인접하는 물체에 열을 전달한다.

예를 들어, 박막 발열체를 거울의 뒷면에 부착시키면 발생되는 열에 의하여 거울면에 있는 습기를 제거할 수 있다. 즉, 욕실내에서 온수를 사용할 때 욕실 내부에 안개 현상이 발생하여 거울면에 김이 서리거나, 습한 날씨나 겨울철에 자동차의 사이드미러(side mirror)의 거울면에 얼음이나 김이 서려 시야가 나빠지면, 상기 거울이나 사이드미러의 뒷면에 부착된 박막 발열체를 동작시켜 거울면의 김이나 얼음 등을 제거하여 시야를 좋게 할 수 있다.

또한, 상기 박막 발열체가 냉장고의 서리 및 습기 제거와, 다리미와 전기밥솥 및 전열기구 등의 히터로 이용되면 절전 및 종래의 히터가 차지하는 공간을 최소화하여 공간활용도를 높일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 박막 발열체를 도시한 평면도로서, 도면을 참조하면 종래의 박막 발열체는 절연판(6) 상측에 금속패턴(4)을 형성하였다. 또한, 전기를 공급하기 위한 단자(9,9')가 포함되어 있다. 이외에도 니크롬선을 뱀이 기어가는 듯한 형상으로 사행시켜서 절연판에 부착한 것, 탄소분말 등의 도전성 입자를 수지 등의 바인더 중에 분산시켜서 평판을 성형하고 전극을 부착한 것 및 탄소섬유포에 전극을 형성시켜서 발열체로 한 것 등 많은 것을 들 수 있다.

그러나, 상기 종래의 박막 발열체는 저항체로 사용되는 금속박막의 두께가 두꺼워서 큰 저항값을 얻기 위해서는 미세한 패턴을 형성하여야 하기 때문에 제작시간이 오래 걸리는 문제점이 있다.

또한, 미세 패턴이 형성됨으로 인해 패턴과 패턴간에 금속박막이 없는 부분이 생겨서 균일한 온도로 가열하기 어려운 문제점이 있다.

또한, 금속박막의 두께가 두꺼워짐으로 인해 박막 발열체의 중량이 증가하게 되고, 박막을 형성하는 금속의 재료비가 증가하는 문제점이 있다.

또한, 금속 박막의 밀착성이 취약하기 때문에 박막이 부착되는 기판과 분리되는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 저항체로 사용되는 금속박막의 두께를 얇게 하고 넓은 면적을 동일한 온도로 가열할 수 있는 박막 발열체 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 비저항값이 높으며 밀착성이 우수한 재료를 사용하여 박막 발열체를 제작함으로써 무게를 감소시키며 가공시간을 단축시키는 박막 발열체 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 박막 발열체를 도시한 평면도이고,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 발열체를 도시한 평면도이고,

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 발열체를 도시한 평면도이고,

도 4는 본 발명의 박막 발열체의 작동 블록도이고,

도 5는 본 발명에 따른 박막 발열체의 제조 공정도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

12 : 폴리머 기판 14 : 금속박막

14a : 전극부 16 : 마스크

20 : 온도센서 30 : 마이크로프로세서

40 : 전류제어장치 50 : 박막 발열체

상기 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 박막 발열체는 폴리머 기판과; 상기 폴리머 기판의 표면에 5nm∼100nm의 두께로 부착된 금속박막으로 이루어진 발열부와; 상기 금속박막의 양 끝단에 형성되는 전극부를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 금속박막은 전기비저항이 큰 스테인레스를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 폴리머 기판은 절연성과 내열성이 우수한 폴리에틸렌 수지, 폴리카보네이트 수지, 실리콘 수지, 폴리이미드 수지 중 하나를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 박막 발열체는 산화 등이 발생되어 전기저항이 변화되는 것을 방지하기 위하여 상기 전극부를 제외한 발열부의 상측에 폴리머를 도포하여 상기 발열부를 보호하는 것이 바람직하다.

상기 금속박막은 선간거리를 1mm이하로 하여 금속패턴을 형성함으로써 가열온도 편차를 줄이도록 하는 것이 바람직하다.

상기 박막 발열체는 상기 발열부의 발열온도를 조절하기 위하여 인입된 전류의 세기를 제어하는 장치를 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 박막 발열체의 제조방법은 폴리머 기판과, 금속박막으로 이루어지는 발열부와, 상기 금속박막의 끝단에 형성되는 전극부로 구성되는 박막 발열체의 제조방법에 있어서, 폴리머 기판을 원하는 크기로 절단하거나 제작하여 배치하는 폴리머 기판 준비단계와; 상기 폴리머 기판의 상측에 금속박막을 5nm∼100nm의 두께로 형성하는 금속박막 형성단계와; 상기 금속박막 형성단계에서형성된 금속박막의 상측에 원하는 박막 발열체 형상의 마스크를 형성하는 마스크 형성단계와; 상기 마스크가 형성된 금속박막을 에칭시키는 에칭 단계와; 상기 에칭 단계를 거친 다음 상기 마스크를 제거하는 마스크 제거단계를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 금속박막은 스퍼터링이나, 진공증착에 의해 상기 폴리머 기판에 부착될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 의한 박막 발열체의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 박막 발열체를 도시한 평면도이다. 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 박막 발열체는 폴리머 기판(12)과, 상기 폴리머 기판(12)의 상측 표면에 부착된 금속박막(14)과, 상기 금속박막(14)의 양 끝단에 형성되는 전극부(14a)로 구성된다.

상기 금속박막(14)은 두께는 5nm∼100nm이며, 선간거리(d)를 1mm이하로 형성한다.

폴리머 기판(12) 위에 형성된 상기 금속박막(14)은 그 두께를 정밀하게 조절하는 것이 매우 중요하다. 두께에 따라 발열체로서의 발열량이 과소하거나 발열량이 과도하여 발열체의 사용상 문제점이 발생할 수 있기 때문이다.

상기 금속박막(14)의 발열량은 상기 금속박막(14)의 전기저항에 비례하는데 이러한 전기저항은 단면적에 반비례하고, 길이에 비례하는 값을 갖는다. 상기 금속박막(14)의 단면적은 두께와 폭을 곱한 값이기 때문에 두께를 얇게 할수록 폭은 넓어질 수 있게 된다. 금속 박막(14)의 폭이 넓어지게 되면 발열부의 온도편차가 줄어들게 되어 균일하게 열을 발생시킬 수 있게 된다.

금속박막(14)은 5nm∼100nm의 두께로 형성하는 것이 공정의 안정성이 뛰어나기 때문에 바람직하다. 이러한 두께로 형성된 금속박막(14)은 적은 패턴으로 원하는 저항값을 얻을 수 있어서 공정시간을 단축할 수 있으며 재료를 절감할 수 있게 된다.

상기 금속박막(14)의 선간거리를 1mm이하로 형성한 것은 금속박막(14)이 없는 부분을 최소화하여 균일 가열이 가능하도록 하기 위함이다.

한편, 상기 금속박막(14)은 비저항값이 높은 재료를 사용함으로써 동일한 저항값을 갖는 저항체를 적은 패턴으로도 형성하는 것이 가능하다.

상기 금속박막(14)은 알루미늄이나 기타의 합금을 재료로 하는 것이 가능하지만 비저항값이 알루미늄의 20배에 근사하고 밀착성이 우수한 스테인레스를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 금속박막(14)으로 이루어진 발열부는 그 평면부를 원형, 타원형 또는 사각형 등 어떠한 형상으로도 할 수 있다. 상기 발열부의 형상은 본 발명의 발열체가 적용되는 물체의 용도에 따라 필요한 형상으로 형성할 수 있다. 이러한 발열부의 형상은 기초용액의 증기를 기판에 분무한 다음, 필요한 형상이외의 부분을 에칭에 의해 제거함으로써 용이하게 달성할 수 있다. 이 때 발열부의 면적에 따라 발열량이 달라지므로, 발열체의 면적을 적절히 조절할 필요가 있다.

상기 폴리머 기판(12)은 그 재질이 폴리에틸렌 수지, 폴리카보네이트 수지,실리콘 수지, 폴리이미드 수지 중 하나를 선택할 수 있다.

폴리에틸렌(polyethylene)은 가공하기 쉽고 사용하기 쉬우며, 각종 병이나 냉장고의 제빙용 상자 등의 재료로 많이 사용된다. 폴리에틸렌은 CH₂만으로 구성되기 때문에 전기절연성이 우수하다.

폴리카보네이트(polycarbonate)는 폴리탄산에스테르라고도 하며, 투명하고 뛰어난 기계적 성질(특히 내충격성), 내열성, 내한성, 전기적 성질을 균형있게 갖추고, 무독하고 자기소화성(自己消火性)도 있는 엔지니어링 플라스틱이다.

실리콘수지(silicone resin)는 규소수지라고도 하며, 가소물이나 금속을 성형할 때 이형제(離型劑)로 쓸 수 있을 정도로 피복력이 양호하며, 전기절연성이 좋다. 특히, 유기기(有機基)가 메틸기일 때 내열성이 최고이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 박막 발열체를 도시한 평면도로서, 박막 발열체는 폴리머 기판(12)과, 상기 폴리머 기판(12)의 상측 표면에 부착된 금속박막(14)과, 상기 금속박막(14)의 양 끝단에 형성되는 전극부(14a)로 구성된다.

상기 박막 발열체는 저항을 높이기 위해 금속박막(14)상에 미세 금속패턴을 다수 형성하여 발열부의 길이를 증대시켰다. 상기 금속박막(14)의 미세 금속패턴은 선간거리(d)를 1mm이하로 형성한다.

도 4는 본 발명의 박막 발열체의 작동 블록도이다.

본 발명의 박막 발열체(50)는 외부의 전원이 공급되어 상기 금속박막으로 이루어진 발열부에 통전이 되면 상기 발열부가 소정의 온도로 일정하게 열을 발생하게 된다. 전원의 공급은 상기 발열부의 가장자리에 전극부를 형성하여 이 전극부에 전류를 공급함으로써 이루어진다.

특히, 상기 발열부의 발열온도를 조절하기 위하여 인입된 전류의 세기를 제어하는 전류제어장치(40)가 포함된다.

본 발명의 박막 발열체(50)에 있어서, 가열되는 부위에 온도센서(20)를 제공함으로써 발열부의 온도를 측정한다. 특히, 이 온도센서(20)의 측정치와 상기 전류제어장치(40)를 연동시켜, 박막 발열체(50)가 과열되거나 발열량이 적을 경우에 바이메탈식에 의한 전원의 단락에 의해서 또는 마이크로프로세서(30)에 의해서 상기 전류제어장치(40)를 제어함으로써 박막 발열체의 발열량을 일정하게 유지하도록 조절하는 것이 바람직하다.

또한, 일반적으로 발열체의 안전성을 확보하기 위하여 합선이나 과도한 전류가 인가되었을 때 전원의 공급을 차단하는 퓨즈(미도시)를 제공하거나, 발열체의 발열량이 과다하여 화재의 위험이 있을 때 전원의 공급을 차단하는 장치(미도시)를 부가할 수 있다.

위에서 설명한 본 발명의 박막 발열체는 얇은 면에서 고온의 열을 발생하므로, 산업용 또는 가정용 가열기로서 각종 공산품의 가열, 건조를 위해 사용될 수 있으며, 자동차 뒷창 유리에 적용하여 신속하게 물방울 또는 성에를 제거하기 위해서도 적용될 수 있다. 또한, 조리기구로서 본 발명의 발열체를 적용하는 것도 가능하다. 특히, 본 발명의 금속박막 발열체는 발열부의 온도가 균일하므로 균일가열을 필요로 하는 김치냉장고에 적용할 경우 효용이 크다고 할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 박막 발열체의 제조 공정도이다. 도면을 참조하여 본 발명의 박막 발열체의 제조방법을 상세히 설명한다.

우선, 폴리머 기판(12)을 원하는 크기로 절단하거나 제작하여 배치한다.(a)

그런 다음, 상기 폴리머 기판의 상측에 금속박막(14)을 소정의 두께로 형성한다. 금속박막(14)의 형성방법은 스퍼터링, 진공증착 등이 있다.(b)

스퍼터링은 스퍼터링 가스를 진공분위기로 이루어진 챔버내로 주입하여 성막하고자 하는 목표물질과 충돌시켜 플라즈마를 생성시킨 후 이를 기판(substrate)에 코팅시키는 방법이다.

진공증착은 고진공 상태에 놓여진 용기 속에 피복될 물체와 그 표면에 부착시키려는 금속 등의 입자를 넣어 둔 다음, 히터에 전류를 흘려서 가열함으로써 그 금속입자를 증발시키면, 차가운 물체 표면에 응축해서 부착하는 것을 이용하여 표피를 붙이는 방식이다.

이러한 방법으로 금속박막(14)이 형성된 다음, 상기 금속박막(14)의 상측에 소정 형상의 마스크(16)를 형성하여 에칭작업시 보호되는 부분인 가열부의 형상을 만든다.(c)

다음으로, 상기 마스크(16)가 형성된 금속박막(14)을 물 1리터에 FeCl₃100g을 녹인 수용액으로 에칭시키면 마스크(16)가 부착되지 않은 부분의 금속이 녹아서 가열부의 형상이 나타나게 된다.(d)

이후, 상기 마스크(16)를 제거하면 본 발명의 박막 발열체가 완성된다.(e)

한편, 상기 박막 발열체는 상기 전극부(14a)를 제외한 발열부의 상측에 폴리머를 도포하여 상기 발열부가 공기나 습기에 노출되어 부식되거나 내구성이 저하되는 것을 방지하는 것도 가능하다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 실시예에 따른 박막 발열체의 동작을 살펴본다.

먼저, 발열부의 양 끝단에 형성된 전극부에 전원이 공급되면 금속박막으로 이루어진 발열부에 통전이 되어 상기 발열부가 소정의 온도로 일정하게 열을 발생하게 된다.

가열작업중에는 가열되는 부위에 설치된 온도센서를 통하여 온도를 측정한다. 이를 통하여 박막 발열체가 과열되거나 발열량이 적을 경우, 바이메탈식에 의한 전원의 단락에 의해서 또는 마이크로프로세서에 의해서 온도센서와 연동된 전류제어장치를 제어함으로써 박막 발열체의 발열량을 일정하게 유지할 수 있다.

발열부는 넓은 폭을 갖고 선간 간격이 1mm이하인 패턴이 형성되어 있으며 금속은 우수한 열전달 특성이 있기 때문에 넓은 면적에 대해 균일하게 열을 발생시킬 수 있게 된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 박막 발열체는 저항체로 사용되는 금속박막을 두께가 얇고 가열면적이 넓도록 형성함으로써 균일하게 열을 발생시키는 박막 발열체를 제공하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 박막 발열체는 비저항값이 높으며 밀착성이 우수한 스테인레스를 사용하여 박막 발열체를 제작함으로써 발열체의 무게를 감소시키며 내구성이 우수한 박막 발열체를 제공하는 효과가 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (9)

1. 폴리머 기판과; 상기 폴리머 기판의 표면에 5nm∼100nm의 두께로 부착된 금속박막으로 이루어진 발열부와; 상기 금속박막의 양 끝단에 형성되는 전극부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 박막 발열체.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 금속박막은 그 재질이 스테인레스인 것을 특징으로 하는 박막 발열체.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 폴리머 기판은 그 재질이 폴리에틸렌 수지, 폴리카보네이트 수지, 실리콘 수지, 폴리이미드 수지 중 하나인 것을 특징으로 하는 박막 발열체.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 박막 발열체는 상기 전극부를 제외한 발열부의 상측에 상기 발열부를 보호하는 폴리머를 도포하는 것을 특징으로 하는 박막 발열체.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 금속박막은 선간거리(d)를 1mm이하로 하여 금속패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 박막 발열체.
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 박막 발열체는 상기 발열부의 발열온도를 조절하기 위하여 인입된 전류의 세기를 제어하는 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 발열체.
7. 폴리머 기판과, 금속박막으로 이루어지는 발열부와, 상기 금속박막의 끝단에 형성되는 전극부로 구성되는 박막 발열체의 제조방법에 있어서,

   폴리머 기판을 원하는 크기로 절단하거나 제작하여 배치하는 폴리머 기판 준비단계와;

   상기 폴리머 기판의 상측에 금속박막을 5nm∼100nm의 두께로 형성하는 금속박막 형성단계와;

   상기 금속박막 형성단계에서 형성된 금속박막의 상측에 원하는 박막 발열체 형상의 마스크를 형성하는 마스크 형성단계와;

   상기 마스크가 형성된 금속박막을 에칭시키는 에칭 단계와;

   상기 에칭 단계를 거친 다음 상기 마스크를 제거하는 마스크 제거단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 박막 발열체의 제조방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 금속박막 형성단계는 스퍼터링에 의해 상기 폴리머 기판에 부착되는 것을 특징으로 하는 박막 발열체의 제조방법.
9. 제 7 항에 있어서,

   상기 금속박막 형성단계는 진공증착에 의해 상기 폴리머 기판에 부착되는 것을 특징으로 하는 박막 발열체의 제조방법.