KR20160070242A - 자동차용 발열 내장재 - Google Patents

Abstract

원적외선 방사층, 금속층, 금속 와이어를 함유한 탄소나노튜브 발열층을 포함하는 면상발열체를 포함하는 자동차용 발열 내장재에 관한 것이다.

Description

자동차용 발열 내장재{EXOTHERMAL INTERIOR MATERIAL FOR AUTOMOBILE}

자동차용 발열 내장재에 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 하기 위해서는 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 필요하므로 전기 자동차에 적용하기 위한 난방체 개발의 필요성이 대두되고 있다.

본 발명의 일 구현예는 우수한 난방 성능을 구현하는 것으로, 소모 전력을 최소화하면서 동시에 장시간 쾌적한 환경을 효과적으로 유지하는 자동차용 발열 내장재를 제공한다.

본 발명의 일 구현예에서, 원적외선 방사층, 금속층, 금속 와이어를 함유한 탄소나노튜브 발열층을 포함하는 면상발열체를 포함하는 자동차용 발열 내장재를 제공한다.

상기 자동차용 발열 내장재는 자동차 내부에서 소정의 높이 이하에 위치하도록 장착될 수 있다.

상기 소정의 높이는 자동차 내부 바닥면으로부터 5cm 내지 80cm의 높이일 수 있다.

상기 자동차용 발열 내장재는 도어 트림(Door Trim); 인스트루먼트 패널(Instrument Panel); 센터 랙(Center Rack); 글로브 박스(Glove Box); 파슬 트레이(Parcel Tray); 뒷좌석용 랙 서포트(Rack Support) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 용도로 적용될 수 있다.

상기 탄소나노튜브 발열층은 상기 금속 와이어를 약 1 중량% 내지 약 50 중량% 포함할 수 있다.

상기 금속 와이어의 단면의 평균 직경이 약 20㎚ 내지 약 250㎚일 수 있다.

상기 원적외석 방사층은 원적외선 방사물질을 포함할 수 있다.

상기 원적외선 방사물질은 옥토, 황토, 규석, 맥반석, 천연옥, 숯, 게르마늄, 토르말린 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.

상기 금속층은 열전도도가 약 200 W/m·K 내지 약 380 W/m·K인 금속시트를 포함할 수 있다.

상기 면상발열체의 발열온도는 약 50℃ 내지 약 100℃일 수 있다.

상기 면상발열체의 열효율은 약 30% 이상일 수 있다.

상기 면상발열체의 주변 대기 온도 변화는 약 10℃ 이내일 수 있다.

상기 자동차용 발열 내장재로 인해 별도의 난방 시스템이 없는 전기 자동차의 동절기 실내 온도를 효율적으로 높일 수 있고, 적용 위치를 조절함으로써 우수한 에너지 효율을 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 면상발열체를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 자동차용 발열 내장재가 위치할 수 있는 자동차의 내부 영역을 개략적으로 도식화하여 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 함유한 탄소나노튜브 발열층을 포함하는 면상발열체를 포함하는 자동차용 발열 내장재를 제공한다.

통상적으로 전기 자동차는 별도의 열원이 존재하지 않기 때문에 전기로 가열되는 발열체를 사용한다. 종래의 일반 자동차는 전기 소모가 커도 큰 문제가 되지 않았으나, 동절기 전기 자동차에 기존 발열체, 예를 들어 소비 전력이 큰 공기취입식 발열체(Air Blowing PTC 히터 등)를 장착하여 사용할 경우 주행거리가 약 60%로 감소하는 문제점이 있었다. 따라서, 전기 자동차에는 소모 전력을 최소화 할 수 있는 새로운 개념의 발열체가 적용될 필요가 있었다.

본 발명의 일 구현예에 따른 상기 자동차용 발열 내장재는 자동차 내부의 특정 위치에 장착되어 소모 에너지를 효과적을 감소시키면서, 동시에 우수한 난방 기능을 제공할 수 있다.

상기 자동차용 발열 내장재는 다층 구조의 면상발열체를 포함할 수 있고, 도 1은 상기 면상발열체(10)의 일 예시를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 1을 참조할 때, 상기 면상발열체(10)는 원적외선 방사층(13), 금속층(12) 및 금속 와이어를 함유한 탄소나노튜브 발열층(11)을 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 탄소나노튜브 발열층은 금속 와이어를 함유할 수 있다. 종래에 사용되던 금속과 탄소나노튜브의 복합체는 구 형태의 금속 입자가 탄소나노튜브에 표면 처리된 형태이고, 이는 곡면에 코팅이 이루어지는 경우와 마찬가지로 금속 입자의 분산이 균일하지 않고, 금속 입자끼리 잘 이어지지 않아서 전기의 흐름성이 좋지 못하였다. 이에, 상기 탄소나노튜브 발열층은 금속 와이어를 함유함으로써, 와이어 형상의 금속이 탄소나노튜브 상에 균일하게 분산될 수 있고, 이로 인해 탄소나노튜브 발열층에 전압이 인가되는 경우 전기가 균일하게 흐르는 장점을 얻을 수 있다.

상기 탄소나노튜브 발열층은 상기 금속 와이어를 약 1 중량% 내지 약 50 중량%를 포함할 수 있다. 상기 금속 와이어에 관한 사항은 전술한 바와 같으며, 상기 금속 와이어가 상기 범위의 함량으로 함유됨으로써 상기 탄소나노튜브 발열층의 온도 제어가 용이할 수 있다. 또한, 상기 면상발열체의 목표 면저항 구현에 있어서 효율이 우수하고, 전기 흐름이 원활하게 이루어질 수 있다.

구체적으로, 상기 금속 와이어는 은, 구리, 알루미늄, 금, 백금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.

상기 금속 와이어는 단면이 일정 크기의 평균 직경을 갖는 와이어 구조체이며, 예를 들어 약 수 nm부터 수백 nm의 평균 직경을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 금속 와이어는 단면의 평균 직경이 약 20nm 내지 약 250nm일 수 있고, 상기 범위의 평균 직경을 통하여 상기 면상발열체가 우수한 발열 효율을 확보하는 면저항을 용이하게 구현할 수 있다.

또한, 상기 금속 와이어의 종횡비는 약 4 내지 약 50일 수 있다. 상기 종횡비는 금속 와이어의 길이와 단면의 평균 직경의 비를 일컫는 것으로, 상기 금속 와이어의 길이를 상기 금속 와이어 단면의 평균 직경으로 나눈 값을 의미한다. 상기 금속 와이어가 상기 범위의 종횡비를 유지함으로써 상기 탄소나노튜브 발열층의 전기 흐름이 원활해지고, 상기 면상발열체가 전체적으로 균일한 발열 성능을 구현할 수 있다.

상기 면상발열체는 상기 탄소나노튜브 발열층에 전기적으로 연결되며 전원을 인가할 때 상기 탄소나노튜브 발열층의 발열을 유도하는 전극층을 더 포함할 수 있다. 상기 전극층에 전원을 인가할 때, 즉 전압이 가해지고 전기가 흐르면 상기 탄소나노튜브 발열층에 열이 발생하고, 상기 탄소나노튜브 발열층의 온도가 상승할 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소나노튜브 발열층에 의해 발생된 열은 상기 원적외선 방사층에 전도되며, 전도된 열은 상기 원적외선 방사층을 통과하여 복사열을 방출할 수 있고, 방출된 복사열이 피발열체에 전달될 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 전극층에 전원 인가 시 상기 탄소나노튜브 발열층의 발열온도는 약 100℃ 내지 약 300℃일 수 있다. 상기 발열온도는 상기 전극층에 전원 인가 시 상기 탄소나노튜브 발열층의 표면 온도를 일컫는 것으로, 상기 전극층에 전원이 가해짐으로써 탄소나노튜브 발열층에서 발생한 열로 인해 상기 탄소나노튜브 발열층이 일정한 발열온도를 유지할 수 있다.

상기 탄소나노튜브 발열층은 금속 와이어를 함유하고 있으므로, 상기 전극층에 전원이 인가되는 경우, 균일하게 전기가 흐를 수 있고, 상기 발열온도를 상기 범위로 유지할 수 있다. 상기 탄소나노튜브 발열층의 발열온도가 상기 범위로 유지됨으로써 상기 원적외석 방사층 및 상기 금속층에 의한 열손실에도 불구하고 자동차 내부의 실내 온도를 높게 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, 상기 면상발열체가 일정 수준 이상의 내구성을 확보할 수 있다.

상기 원적외선 방사층은 원적외선 방사물질을 포함할 수 있다. 상기 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 하나를 포함할 수 있다.

이때, 원적외선은 빛의 파장 영역 중 약 3㎛ 내지 약 1000㎛의 범위에서 가시광선보다 강한 열작용을 하는 적외선을 의미하며, 상기 탄소나노튜브 발열층에 의해 발생한 열이 상기 원적외선 방사층을 통과함으로써 원적외선이 발생되고, 상기 발생된 원적외선을 상기 원적외선 방사층이 흡수하여 복사열을 방출할 수 있다. 상기 '복사열'은 물체에서 방출하는 전자기파를 직접 그 물체가 흡수함과 동시에 열로 변했을 때 발생하는 열을 의미한다. 즉, 상기 원적외선 방사층에서 방출하는 원적외선을 상기 원적외선 방사층이 흡수하는 동시에 열로 변화시킴으로써 복사열을 발생시킬 수 있다.

또한, 상기 원적외선 방사층은 안료를 더 포함할 수 있다. 상기 원적외선 방사층은 상기 면상발열체가 자동차용 발열 내장재로 적용될 때 외부로 노출되는 층으로서, 안료를 이용하여 주변의 다른 재질과 시각적으로 동일한 색상을 구현할 수 있다. 이때, 안료는 상기 면상발열체의 기능을 저하시키지 않는 범위 내에서 필요에 따라 적절한 색상을 구현하기 위하여 적절한 함량을 사용할 수 있다.

상기 면상발열체는 금속층을 포함할 수 있고, 구체적으로 상기 원적외선 방사층 및 상기 탄소나노튜브 발열층 사이에 금속층을 포함할 수 있다. 상기 금속층은 열전도도가 좋은 금속시트를 포함할 수 있고, 이를 통해 상기 탄소나노튜브 발열층에 의해 발생되는 열을 상기 원적외선 방사층에 빠르게 전달하는 역할을 할 수 있다.

구체적으로, 상기 금속층은 열전도도가 약 200 W/m·K 내지 약 380 W/m·K인 금속시트를 포함할 수 있다. 상기 금속층이 상기 범위의 열전도도를 갖는 금속시트를 포함함으로써 상기 탄소나노튜브 발열층에서 발생되는 열을 높은 효율로 방출시킬 수 있다.

구체적으로, 상기 금속층은 알루미늄, 구리, 금, 은, 백금 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 금속시트 형태로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속층은 알루미늄 금속시트를 포함할 수 있고, 이 경우 열전도성 및 가격 경쟁력 측면에서 모두 유리할 수 있다.

또한, 상기 금속층의 두께는 약 0.5mm 내지 약 5mm일 수 있다. 상기 금속층이 상기 범위의 두께로 형성됨으로써 우수한 열전도성을 확보할 수 있다.

또한, 상기 면상발열체는 상기 원적외선 방사층 및 상기 금속층 사이에 프라이머층을 더 포함할 수 있다. 상기 프라이머층은 접착 성능을 갖는 것으로, 상기 원적외선 방사층 및 상기 금속층 사이의 부착력이 충분하지 않은 경우에 이를 보완하는 역할을 할 수 있다.

상기 프라이머층의 두께는 약 2㎛ 내지 약 20㎛일 수 있다. 상기 프라이머층이 상기 범위의 두께를 유지함으로써 크랙의 발생을 최소화할 수 있고, 그 일면에 상기 원적외선 방사층을 형성할 때 우수한 코팅성을 확보할 수 있다.

또한, 상기 프라이머층은 아크릴계 수지, 에폭시계 수지, 에스테르계 수지, 올레핀계 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 수지를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 프라이머층은 아크릴계 수지를 포함할 수 있고, 상기 아크릴계 수지는 상기 금속층 및 상기 원적외선 방사층 사이에 적용되어 고온 고습 환경에서 우수한 신뢰성을 나타내고, 내한성 및 가공성이 우수한 효과를 얻을 수 있다. 상기 아크릴계 수지로는 수용화 가능한 정도의 카르복실기를 포함하는 통상의 단량체 조성으로 합성된 아크릴계 수지가 사용될 수 있다.

예를 들어, 상기 단량체 조성은 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) 아크릴레이트 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.

상기 에폭시계 수지 또한, 부착성, 내식성 및 상도 도장성이 우수하여 상기 금속층 및 상기 원적외선 방사층 사이에 적절하게 사용될 수 있다. 상기 에폭시계 수지는 비스페놀 A형 수지, 비스페놀 F형 수지 및 노볼락 수지 등을 사용할 수 있다.

상기 에스테르계 수지는 경화성이 우수하고, 내약품성, 내열성, 가소성이 우수하며 유기물과의 부착성이 우수하여 상기 금속층 및 상기 원적외선 방사층 사이에 적용되기 유리하며, 구체적으로 무수말레인산, 이소프탈산, 테레프탈산, 테트라하이드로무수프탈산, 메틸테트라히드로무수프탈산, 아디핀산, 피밀산으로부터 제조되는 폴리에스테르 수지; 및 에틸렌글리콜 변성 에스테르 수지; 프로필렌렌글리콜 변성 에스테르 수지; 네오펜틸글리콜 변성 에스테르 수지 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.

또한, 상기 면상발열체는 상기 금속층 및 상기 탄소나노튜브 발열층 사이에 중간층을 더 포함할 수 있다. 상기 중간층은 전기 절연성을 갖는 것으로 상기 탄소나노튜브 발열층에 의해 발생된 열이 상기 금속층을 통하여 상기 원적외선 방사층에 전달됨에 있어서, 상기 원적외선 방사층이 상기 금속층 상부에 균일하게 부착되지 못하고, 층간에 기포가 발생하여 상기 원적외선 방사층이 쭈글쭈글해 지는 현상을 방지하는 역할을 한다.

상기 중간층은 유리 분말 또는 유리 섬유를 바인더로 포함할 수 있다. 상기 유리 분말 또는 유리 섬유를 바인더로 포함함으로써, 전기 절연성을 갖게 되어 상기 금속층에 전기가 통하지 않게 할 수 있고, 이로 인해 상기 원적외선 방사층이 열에 의해 금속층 상부에 불균일하게 형성되는 현상을 개선할 수 있다.

상기 유리 분말(Glass powder)은 유리가 분말 형태로 존재하는 것으로, 상기 유리 분말 입자의 평균 직경은 약 0.4㎛ 내지 약 40㎛일 수 있다. 또한, 유리 섬유(Glass fiber)는 용융한 유리를 섬유 형상으로 제조한 광물 섬유를 의미하며, 상기 유리 섬유의 단면의 평균 직경은 약 5㎛ 내지 약 20㎛일 수 있다. 상기 유리 분말 입자의 평균 직경 및 상기 유리 섬유 단면의 평균 직경이 상기 범위를 만족함으로써 기계적 물성이 우수하며, 상기 중간층에 우수한 인장 강도를 부여할 수 있다.

상기 중간층은 상기 유리 분말 및 상기 유리 섬유를 바인더로 포함하고, 각종 첨가제 및 합성 수지와 혼합하여 형성될 수 있다.

상기 면상발열체를 포함하는 자동차용 발열 내장재는 복사열을 이용하여 탑승자에게 따뜻함을 제공하는 것으로, 구체적으로, 상기 면상발열체는 상기 원적외선 방사층을 통하여 복사열을 방출할 수 있다. 기존의 공기취입식 발열체와 달리 상기 자동차용 발열 내장재는 복사열을 이용하여 난방 성능을 구현하는 것이므로, 열원이 피발열체에 직접 닿지 않음에도 불구하고, 상기 복사열로 인해 가열된 주변 대기 온도를 통해 따뜻함을 느끼도록 할 수 있다.

상기 피발열체가 인체, 예를 들어, 자동차의 탑승자인 경우, 상기 면상발열체의 복사열 방출을 통하여 탑승자가 느끼는 자동차 내 대기온도를 적절하게 유지할 수 있다.

상기 자동차용 발열 내장재는 자동차의 내부 온도를 상승시켜 탑승자가 느끼는 쾌적온도를 유지하기 위한 것으로, 상기 면상발열체의 발열온도에 따라 탑승자가 느끼는 자동차 내부 대기 온도를 조절할 수 있다. 상기 '쾌적온도'는 탑승자가 처해있는 대기의 온도를 쾌적하다고 느끼는 온도로, 사람에 따라 상대적인 차이가 있을 수 있으나, 약 15℃ 내지 약 25℃의 범위를 포함하여 대다수의 사람들이 편안함을 느끼는 온도 범위를 아우르는 개념으로 이해되어야 할 것이다.

구체적으로, 상기 자동차용 발열 내장재는 자동차 내부에서 소정의 높이 이하에 위치하도록 장착될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 소정의 높이는 대략적으로 탑승자의 허리선 높이를 의미할 수 있고, 이때, 상기 소정의 높이 이하의 영역은 통상적으로 좌석에 안착한 탑승자의 하반신이 존재하는 영역을 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 상기 자동차용 발열 내장재가 자동차 내부에서 소정의 높이 이하에 위치하도록 장착됨으로써 쾌적온도를 장시간 유지하는 장점을 얻을 수 있다.

이는 열류량을 5단으로 조절할 수 있는 상기 자동차용 발열 내장재를 작동시켜 5단의 세기에 따라 방출된 복사열을 기록하고, 각각의 경우에 탑승자가 편안함을 느끼는 쾌적온도를 인체 부위별로 산출하는 실험을 통해 알 수 있다. 이러한 실험을 통하여, 인체의 다리 부위가 쾌적온도를 유지하는 데 가장 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.

이에, 상기 자동차용 발열 내장재는 자동차 내부에서 소정의 높이 이하에 위치하여 상기 탑승자의 허리선 이하, 즉 하반신 주변 영역을 가열할 수 있다. 이로써, 상기 자동차용 발열 내장재는 최소의 전기 에너지로 자동차 실내 대기 온도를 조절하여 탑승자에게 쾌적한 온도 조건을 제공할 수 있고, 구체적으로 종래의 공기취입식 발열체와 비교하여 약 9% 내지 약 20%의 에너지를 절약할 수 있다.

구체적으로, 상기 소정의 높이는 상기 자동차용 발열 내장재가 장착되는 자동차의 내부 바닥면으로부터 약 5cm 내지 약 80cm의 높이일 수 있다. 즉, 상기 자동차용 발열 내장재는 이를 장착하는 자동차의 내부 바닥면으로부터 상기 범위의 높이 이하의 높이에 위치할 수 있다. 상기 자동차용 발열 내장재가 상기 범위의 높이에 위치하도록 장착됨으로써, 소정의 높이 이하의 영역을 가열할 수 있고, 탑승자에게 장시간 쾌적온도를 제공하기 유리할 수 있다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 자동차용 발열 내장재가 위치할 수 있는 자동차의 내부 영역을 개략적으로 도식화하여 나타낸 것이다.

도 2를 참조할 때, 상기 자동차용 발열 내장재는 도어 트림 (20), 인스트루먼트 패널(30), 센터 랙(40), 글로브 박스(50), 파슬 트레이(60), 뒷좌석용 랙 서포트(70) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 용도로 적용될 수 있다. 구체적으로, 상기 자동차용 발열 내장재는 도어 트림(20), 인스트루먼트 패널(30), 센터 랙(40), 글로브 박스(50), 파슬 트레이(60), 또는 뒷좌석용 랙 서포트(70)를 이루는 재질의 일부로서, 도 2에 나타난 위치에 장착될 수 있다.

상기 도어 트림(Door Trim)은 운전석 또는 보조석의 도어 패널을 감싸는 부재를 의미한다. 도 2를 참조할 때, 상기 자동차용 발열 내장재는 도어 트림(20)의 하부에 적용될 수 있고, 이로부터 발생하는 복사열에 의하여 탑승자의 종아리 높이 이하의 영역을 효과적으로 가열시킬 수 있다.

또한, 상기 인스트루먼트 패널(Instrument Panel)은 운전자의 조작 기구들을 모아놓은 패널로서 일반적으로 합성 수지 재료로 제조되며, 필요에 따라, 금속 또는 목재의 프레임이 보강될 수 있다. 도 2를 참조할 때, 상기 자동차용 발열 내장재는 상기 인스트루먼트 패널을 이루는 재료의 일부로 사용될 수 있고, 상기 인스트루먼트 패널의 하부에 소정의 영역을 차지하도록 적용될 수 있다. 이로써 상기 자동차용 발열 내장재에서 발생하는 복사열에 의하여 운전자의 무릎 높이 이하의 영역을 효과적으로 가열할 수 있다.

또한, 상기 센터 랙(Center Rack)은 운전석 및 보조석 사이에 위치하는 센터페시아(center fascia)의 하부에 위치하는 선반 형상의 공간으로, 물건을 두는 선반으로 사용하거나 라디오 등의 장착 공간으로 이용할 수 있다. 도 2을 참조할 때, 상기 자동차용 발열 내장재는 상기 센터 랙(40) 하부에 적용될 수 있고, 이로부터 발생하는 복사열에 의하여 탑승자의 허리선 이하, 보다 구체적으로 무릎 높이 이하의 영역을 효과적으로 가열할 수 있다.

상기 글로브 박스(Glove Box) 및 상기 파슬 트레이(Parcel Tray)는 보조석 전면의 대시 보드 하부에 위치한 수납 공간으로, 열고 닫을 수 있는 서랍 형태 또는 선반 형태일 수 있다. 상기 자동차용 발열 내장재는 상기 글로브 박스(50) 또는 파슬 트레이(60)를 이루는 재질의 일부로 적용될 수 있고, 이로써 탑승자의 하반신이 속하는 영역을 효과적으로 가열할 수 있다.

도 3은 자동차 뒷좌석용 랙 서포트(Rack Support)를 도식화하여 나타낸 것이다. 도 3을 참고할 때, 상기 자동차용 발열 내장재는 뒷좌석용 랙 서포트(60)에 적용될 수 있다. 상기 뒷좌석용 랙 서포트(Rack Support)는 운전석 또는 보조석 시트백 배면에 설치된 수납식의 백 서포트(Back Support)를 의미하며, 뒷좌석의 탑승자가 그 위로 다리를 뻗을 수도 있다. 상기 뒷좌석용 랙 서포트에 상기 자동차용 발열 내장재가 적용됨으로써 뒷좌석 탑승자의 다리 부위를 효과적으로 가열할 수 있다.

상기 자동차용 발열 내장재는 상기 면상발열체를 포함할 수 있고, 상기 면상발열체의 발열온도는 약 50℃ 내지 약 100℃일 수 있다. 상기 면상발열체의 발열온도는 복사열이 발생하는 발열체 자체의 표면온도를 일컫는 것으로, 상기 전극층에 전원을 인가할 때, 상기 탄소나노튜브 발열층의 발열온도는 약 100℃ 내지 약 300℃가 될 수 있으나, 상기 금속층 및 상기 원적외선 방사층에 의해 열이 일부 손실되어, 상기 면상발열체의 발열온도는 약 50℃ 내지 약 100℃가 될 수 있다. 상기 면상발열체의 발열온도가 상기 범위를 만족함으로써, 이를 내측에 포함하는 자동차용 발열 내장재가 탑승자에게 적절한 쾌적온도를 제공할 수 있다.

또한, 상기 면상발열체의 열효율(e)은 약 30% 이상일 수 있고, 예를 들어 약 50% 이상일 수 있고, 예를 들어 약 60% 이상일 수 있다. 상기 열효율(e)은 {1-(Qrad)/(Qref)}×100의 식으로 계산될 수 있고, 이때, 상기 식에서 Qref는 복사열이 없는 초기상태 발열체의 열류량을 의미하며, Qrad는 복사열이 있는 후기상태 발열체의 열류량을 의미한다. 상기 Qref 및 Qrad 각각은 ANSYS(시뮬레이션 모델)를 사용하여 도출할 수 있고, 각 발열체의 가열 시 표면온도와 상기 발열체에 의해 변화하는 피발열체의 온도를 측정한 후, 상기 식에 대입함으로써 열효율(e)을 얻을 수 있다.

상기 열류량(heat flux)은 어떤 단면의 일정 단위면적을 일정 단위시간 동안 통과하는 열량을 일컫는 것으로, 상기 면상발열체의 열류량(heat flux)은 상기 탄소나노튜브 발열층, 상기 금속층 및 상기 원적외선 방사층으로 인해 발생한 복사열이 상기 면상발열체 단면의 1㎡의 단위면적을 1hr의 단위시간 동안 통과하는 열량을 의미한다. 상기 면상발열체의 열류량은 하기 [식] 및 3D-시뮬레이션 모델을 통해 계산할 수 있다.

[식]

(Q: 열류량, h_c: 대류열전달계수, RST: 표면온도, t_a: 대기온도,

ε_s, ε_a: 방출계수, σ: 볼츠만 상수, t_r: 평균복사온도)

이 때, 상기 표면온도(RST)는 열손실이 반영된 열평형에 의해 결정되는 인자이며, 자동차 내부의 대기온도 및 발열체로부터의 복사 온도 등을 고려하여 열류량을 측정할 수 있다.

상기 열류량은 면상발열체의 열효율 및 주변 대기 온도에 직접적인 영향을 주는 것으로, 상기 면상발열체가 일정 범위의 열류량을 유지함으로써 일정한 대기 온도를 유지할 수 있고, 우수한 열효율을 확보하여 탑승자에게 장시간 동안 쾌적온도를 제공할 수 있다.

예를 들어, 자동차 탑승자의 하반신을 기준으로 좌, 우, 상부에 상기 면상발열체를 설치한 후, 상기 면상발열체의 열류량을 비교하여 전술한 바에 의해 열효율을 계산한 결과 열효율이 약 30% 이상이었고, 이때 상기 면상발열체의 주변 대기 온도 변화가 약 10℃ 이내로 유지되어, 우수한 온도 유지 효율을 나타냄을 알 수 있었다. 또한, 상기 열효율이 약 50% 이상인 경우, 상기 면상발열체의 주변 대기 온도 변화가 약 5℃ 이내로 유지되었으므로, 자동차 내부의 쾌적온도를 효과적으로 유지할 수 있었고, 상기 열효율이 약 60% 이상인 경우 상기 면상발열체의 주변 온도가 변화하지 않음을 확인하였다.

상기 면상발열체의 주변 대기 온도 변화는 약 10℃ 이내일 수 있고, 예를 들어 약 5℃ 이내일 수 있다. 상기 '주변 대기 온도 변화'는 상기 면상발열체 작동 전과 작동 후의 주변 대기 온도의 변화 폭을 일컫는 것으로, 상기 면상발열체의 열효율이 좋을수록 주변 대기 온도 변화가 적어지며, 자동차 내부 온도를 적절한 상태로 유지할 수 있다.

예를 들어, 상기 면상 발열체의 피발열체는 인체, 즉 자동차 내 탑승자가 될 수 있다. 상기 탑승자는 상기 면상발열체의 주변 대기 온도 변화를 감지하며, 상기 주변 대기 온도 변화가 상기 범위 이내인 경우에 편안함을 느끼고, 다리와 손 가슴의 체온이 적정 상태로 유지될 때 쾌적함을 느낄 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 1

실크스크린 프린트 및 로터리스크린의 방법을 이용하여 원적외선 방사층, 금속층 및 금속 와이어를 함유한 탄소나노튜브 발열층을 인쇄, 코팅하였으며 제조된 각각의 층을 라미네이트하여 면상발열체를 제조하였고, 상기 면상발열체를 전기 자동차의 운전석 인스트루먼트 패널 하부에 적용하였다. 상기 면상발열체가 위치하는 높이는 자동차 내부 바닥면으로부터 60cm 내지 80cm의 높이에 해당한다. 구체적으로, 그 적용 방법은 인스트루먼트 패널을 이루는 재질의 일부 영역을 잘라내고, 그 영역을 상기 면상 발열체로 구성하였다. 이때, 상기 원적외석 방사층에 안료를 적용하여, 상기 인스트루먼트 패널을 이루는 주변 재질과 동일한 색상으로 구현함으로써 시각적으로 이질감이 없도록 하였다.

실시예 2

상기 실시예 1의 면상발열체를 전기 자동차 보조석의 도어 트림 하부에 적용하였다. 상기 면상발열체가 위치하는 높이는 자동차 내부 바닥면으로부터 5cm 내지 40cm의 높이에 해당한다. 그 적용 방법은 상기 실시예 1과 동일하며, 이때 상기 원적외선 방사층에 안료를 적용하여 상기 도어 트림을 이루는 주변 재질과 동일한 색상으로 구현함으로써 시각적으로 이질감이 없도록 하였다.

실시예 3

상기 실시예 1의 면상발열체를 전기 자동차의 천장에 적용하였다. 상기 면상발열체가 위치하는 높이는 자동차 내부 바닥면으로부터 120cm 내지 140cm의 높이에 해당한다. 그 적용 방법은 상기 실시예 1과 동일하며, 이때 상기 원적외선 방사층에 안료를 적용하여 상기 천장을 이루는 주변 재질과 동일한 색상으로 구현함으로써 시각적으로 이질감이 없도록 하였다.

비교예 1

상기 실시예 1의 면상발열체를 전기 자동차의 어디에도 장착하지 아니하였다.

<평가>

실험예 1: 자동차의 소모에너지 및 소모전력 측정

상기 실시예 1 내지 3의 면상발열체에 190W의 전력을 가하고, 전기 자동차에 설치된 팬에 100W를, 전기 자동차에 설치된 Air Blowing PTC 히터(상품명, VW POLO BEHR 6R0.988.235)에 2.8kW를 가하여, 외기 온도 -10℃일 때, 자동차 내부 온도를 동일하게 18℃로 상승 및 유지시키는 데 사용한 에너지를 Digital Power meter (Agilent E4418B)로 측정하였고, 소비 전력을 DIN 1946-3 방법으로 측정하였다.

상기 비교예 1의 경우에는 전기 자동차에 설치된 팬에 100W를, 전기 자동차에 설치된 Air Blowing PTC 히터에 3.3kW를 가하여, 외기 온도 -10℃일 때, 자동차 내부 온도를 상기 실시예 1 내지 3의 경우와 동일하게 상승 및 유지시키는 데 사용한 에너지를 Digital Power meter (Agilent E4418B)로 측정하였고, 소비 전력을 DIN 1946-3 방법으로 측정하였다.

	면상발열체 위치	소모 에너지(KJ)	소모 전력(KW)
실시예1	인스트루먼트 패널 하부	8,640	2.4
실시예2	도어 트림 하부	2,880	0.8
실시예3	자동차 천장	9,360	2.6
비교예1	-	11,880	3.3

상기 표 1을 참고하면, 실시예 1 내지 3은 상기 면상발열체를 자동차 운전석의 인스트루먼트 패널 하부, 자동차 보조석의 도어 트림 하부 및 자동차 천장에 장착한 것으로 이를 장착하지 않은 비교예 1에 비하여, 동일한 온도 조건을 유지하는데 필요한 소모 에너지 및 소모 전력이 낮은 것을 알 수 있다.

또한 상기 실시예 1 및 2의 경우에는 각각, 상기 면상발열체가 인스트루먼트 패널 하부와 도어 트림 하부에 장착되어 자동차 내부의 소정의 높이 이하의 영역을 가열하였으며, 구체적으로 탑승자의 허리선 높이 이하의 영역을 가열하였다. 이 경우, 상기 면상발열체를 자동차의 천장에 설치하여 상기 소정의 높이 이상의 영역, 즉, 탑승자의 머리 높이 이상의 영역을 가열한 실시예 3에 비하여 동일한 온도 조건을 유지하는데 필요한 소모 에너지 및 소모 전력이 낮은 것을 알 수 있었다.

결과적으로, 상기 면상발열체를 자동차 내부에 장착한 경우에 일정 수준 이상의 온도를 유지하기 유리함을 알 수 있고, 특히 자동차 내부의 소정의 높이 이하에 위치하도록 장착됨으로써 우수한 에너지 효율 및 난방 성능을 구현함을 알 수 있다.

10: 면상발열체
11: 탄소나노튜브 발열층
12: 금속층
13: 원적외선 방사층
20: 도어 트림 (Door Trim)
30: 인스트루먼트 패널(Instrument Panel)
40: 센터 랙(Center Rack)
50: 글로브 박스(Glove Box)
60: 파슬 트레이(Parcel Tray)
70: 뒷좌석용 랙 서포트(Rack Support)

Claims (12)

1. 원적외선 방사층, 금속층, 금속 와이어를 함유한 탄소나노튜브 발열층을 포함하는 면상발열체를 포함하는 자동차용 발열 내장재.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 자동차용 발열 내장재는 자동차 내부에서 소정의 높이 이하에 위치하도록 장착되는
   자동차용 발열 내장재.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 소정의 높이는 자동차 내부 바닥면으로부터 5cm 내지 80cm의 높이인
   자동차용 발열 내장재.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 자동차용 발열 내장재는 도어 트림(Door Trim); 인스트루먼트 패널(Instrument Panel); 센터 랙(Center Rack); 글로브 박스(Glove Box); 파슬 트레이(Parcel Tray); 뒷좌석용 랙 서포트(Rack Support) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 용도로 적용되는
   자동차용 발열 내장재.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 탄소나노튜브 발열층은 상기 금속 와이어를 1 중량% 내지 50 중량% 포함하는
   자동차용 발열 내장재.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 금속 와이어의 단면의 평균 직경은 20㎚ 내지 250㎚인
   자동차용 발열 내장재.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 원적외선 방사층은 원적외선 방사물질을 포함하는
   자동차용 발열 내장재.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 원적외선 방사물질은 옥토, 황토, 규석, 맥반석, 천연옥, 숯, 게르마늄, 토르말린 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함하는
   자동차용 발열 내장재.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 금속층은 열전도도가 200 W/m·K 내지 380 W/m·K인 금속시트를 포함하는
   자동차용 발열 내장재.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 면상발열체의 발열온도는 50℃ 내지 100℃인
    자동차용 발열 내장재.
    
11. 제1항에 있어서,
    상기 면상발열체의 열효율은 30% 이상인
    자동차용 발열 내장재.
    
12. 제1항에 있어서,
    상기 면상발열체의 주변 대기 온도 변화는 10℃ 이내인
    자동차용 발열 내장재.

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