원적외선 면상발열체의 개발동향

원적외선 면상발열체의 개발 동향     매직유라(주) 부설연구소 선임 연구원 이해철 (www.magicyura.com)   1. 서론     세계적으로 에너지 자원의 고갈에 따라 절약부분에 많은 투자를 하고 있는바 미래   지향적으로 에너지 절약 제품의 개발이 국가 경제와 사업의 번영을 가져올 것이다.    이러한 흐름에 맞춰 최근 부각되고 있는 원적외선 면상발열체는 일반적으로 사용하   고 있는 전기 발열체보다 20%～40%의 전력을 감소하는 제품으로 국내 및 전 세계에   보급 시 전기 에너지 절약 및 경제적 파급효과가 클 것으로 예상된다.     국내 발열체시장의 10%만 공급 시에도 매출금 수백억에서 수천억의 수입대체효과   와 응용제품 개발로 수출이 기대된다. 국내 발열체 시장규모는 가전 쪽 발열체가 대략    200억 정도이고 주택 난방용 발열체 시장은 500억 정도가 예상되며, 면상발열체를   이용한 폭넓은 응용제품 개발로 그 시장 규모는 수천억원 이상으로 세계시장 규모를    감안할 때 원적외선 면상발열체 기술의 고부가가치성과 부품․소재 산업에서의 중요   성이 부각되고 있다.     최근 발열체 분야의 문헌이나 특허 실용신안에 원적외선 발열체나 원적외선을 이용   한 면상발열체에 관한 것이 많다. 그러나 국내에서 원적외선 면상발열체 원천기술을   확보한 기업은 몇몇 기업에 국한되어 있으며, 발열소자나 제조기술을 일본이나 미국   에 의존하고 있는 실정으로 면상발열 소재의 수입에 따른 무역역조현상이 발생하고   관련 기업들의 영세성과 제품의 신뢰성 부족으로 기술 및 해외경쟁력 수준이 뒤떨어   진 상태이다.     여기에서는 발열체의 종류는 다양하지만 전기적인 저항발열체에 대하여 간단히 언   급하고 최근 산업전반에 이용되고 있는 후막(厚膜:thick film)저항을 이용한 카본 면상   (面狀)발열체에 대해 설명하고자 한다.        2. 면상발열체의 소재       발열체의 소재로는 금속발열체, 비금속발열체, 기타발열체로 나눌 수 있다.     초기 발열체의 주류는 Fe-Cr-Al계, NI-Cr계, 고융점 금속(백금, Mo, W, Ta 등)의 금   속발열체를 이용한 봉상형 히터가 가장 많았으며 MgO 등의 무기절연물을 충전한 금   속관의 표면에 원적외선 방사물질을 표면처리한 것이다. 비금속발열체 재질은 탄화규   소, 몰리브덴 실리사이드, 란탄크로마이트, 탄소, 지르코니아 등이 이용된다. 기타발   열체로는 세라믹스재질과 탄산바륨, 후막저항 등을 이용한 직접 통전형 발열체가 이   용된다.       면상발열체는 후막저항을 이용한 직접 통전형 형태로 철, 크롬, 니켈, 백금 등의 금   속 박판을 에칭한 발열체와 탄화규소, 지르코니아, 탄소 등의 비금속발열체 등이 있   다. 또한 고분자 절연재에 원적외선 방사특성이 우수한 카본블랙(Carbon black)과 카   본섬유를 코팅하여 저항발열을 이용한 것이 있으며 카본섬유를 직조한 형태의 발열체    등도 있다. 카본은 열과 내구성이 강하며 열전도도가 좋고 열팽창계수가 낮은 가벼운    특징이 있다. 또한 카본은 금속발열체를 에칭하는 것보다 제작이 쉽고 가격이 저렴하   여 많이 이용되고 있다.   <그림 1). 면상발열체의 기본 구조도>           그림 1은 면상발열체의 기본 형태를 나타낸 것으로 발열체 한 면의 양쪽에 전극을   부착하고 양면에 고분자절연물의 라미네이팅으로 이루어진다.    발열체의 종류 및 형상과 고분자절연물의 종류에 따라 각각의 전기적 특성을 갖게 된   다.       절연물은 고분자 절연부재로 주로 폴리에스터, 폴리에칠렌, 폴리프로필렌, 폴리염화   비닐(PVC)을 사용하나 온도가 올라감에 따라 이들이 연화되어 변형되기 때문에 이들   로 이루어진 면상발열체의 최대 사용온도가 100℃ 부근으로 제약을 받는 등의 문제점   이 있을 수 있다. 그 외에 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리우레탄, 에폭시, 에폭시 수지   함침 유리직물, 테플론, 마이카판 등을 사용한다.    일본에서는 마이카의 표면에 도전성 도료를 도금하고, 그 위에 원적외선을 방사하는        세라믹스를 도금하여 도전성 도료에 통전하는 방식의 면상원적외선 방사체와 절연마   이카의 한쪽에 금속박 체로된 발열선을 밀착 고정시키는 히터고정층을 형성함과 동시   에 다른 한쪽에 원적외선 방사효율이 우수하고 마이카의 표면층을 경화시키는 원적외   선 경화층을 형성한 면상발열체가 개발되었다.     국내에서도 마이카판 등의 세라믹재질을 절연물로 사용하여 사용온도가 300℃ 이상   이 가능한 제품 개발이 진행되고 있다.      3. 면상발열체의 특징 및 개발 동향       최근 에너지 절약과 환경 문제에 대한 새로운 인식과 함께  많은 국가에서 발열소자   로 탄화규소(SiC) 계열과 이규화몰리브덴(MoSi2) 계열 등을 이용한 발열체의 제조가    이루어지고 있으며 일본의 경우는 탄소입자에 여러 가지 분말을 소결 후 촉진제를 사   용한 발열체의 제조 및 응용분야에 대해서 많은 연구가 진행되고 있다. 국내에서도 탄   소재료를 이용한 제품이 기존의 금속제품 보다 전기적 특성이 우수하게 나오고 있으   며 계속적으로 연구되고 있는 실정이다. 탄소재료는 높은 전기전도성, 열전도성, 내열   성, 내식성, 내마모성 및 윤활성 등과 같은 전기적․물리적으로 우수한 특성을 가지고    있기 때문에 광범위하게 사용되고 있다.      원적외선 면상(面狀)발열체는 면상의 절연복사체 내부에 저항발열체(금속박판, 금   속산화물의 표면처리, 세라믹스판 타입, 카본블랙, 탄소섬유 타입)를 장착하여 발열체   의 전도열에 의해 가열된 복사체로부터의 원적외선 복사를 이용하는 방식의 히터로    금속 박판 에칭형의 면상발열체는 전기가 한 선을 통해 흐르기 때문에 어느 한 부분   이라도 끊어지면 전체 발열선에 전기가 통하지 않게 되어 면상발열체가 작동을 하지    않게 되며, 발열선이 단락되는 경우에는 그 부분에서 전기저항이 크게 감소하여 고온   발열되기 때문에 화재의 위험성이 있다. 따라서 발열선 단락을 방지하기 위해 발열선    표면에 전기부도체의 절연을 시켜야 하나, 전기부도체는 열 부도체이므로 열전도 특   성이 나쁘기 때문에 면상발열체의 발열효율이 크게 저하된다.       카본블랙 후막 발열체의 경우에는 원적외선 방사특성은 금속 박판 발열체보다 우수   하나, 페인팅 공정으로 제조한 카본블랙 후막 발열체에서는 두께 균일성에 문제가 있   을 수 있으며 스크린 프린팅 공정으로 제조 시에는 후막처리 할 수 있는 단일 발열체   의 크기가 제한된다.     또한 카본블랙 후막 발열체는 후막용 페이스트를 카본블랙 분말과 바인더를 혼합하   여 만들기 때문에 휘발이나 연소 정도에 따라 전기비저항이 변하며, 이에 따라 후막   발열체의 전기비저항이 시간에 따라 변하는 문제점이 발생할 수 있다. 또한 장시간 사   용 시 바인더가 거의 휘발되어 후막 발열체에 균열이 발생하여 전기저항이 급격히 증   가하여 발열특성이 현저히 저하하는 문제가 발생할 수 있다.                     이와 같은 금속박판형 발열체와 카본블랙 후막발열체가 지니는 문제점을 해결하기    위해 고분자 내에 전도성 필러(Filler)를 분산시킨 전도성 고분자 발열시트가 개발되었   다. 전도성 필러로는 카본블랙 분말이나 입자형상의 금속분말, 인듐 산화물이나 주석    산화물 같은 전도성 산화물을 분산시키거나 이들을 조합하여 분산이 가능하다. 그러   나 금속분말을 분산시킨 경우에는 금속분말 표면에 전기부도체인 산화물 층이 형성됨   에 따라 전도성 고분자 발열시트의 전기저항이 크게 증가하여 거의 발열이 되지 않을    수도 있으며 금속성 산화물은 고가이며 전기비저항이 높기 때문에 발열특성이 떨어   진다.     따라서 근래에는 카본블랙 분말을 분산시킨 고분자 발열시트가 면상발열체의 주종   을 이루고 있다. 그러나 카본블랙 분말을 분산시킨 고분자 발열시트가 우수한 발열특   성을 나타내기 위해서는 고분자 발열시트 내에서 카본블랙 분말들 간의 연속적인 접   촉이 이루어져 높은 전기전도성이 확보되어야 한다.   그러나 카본의 분산 시 입자 형상의 카본블랙 분말 간에 접촉이 어렵기 때문에 많은    양의 카본블랙을 분산시켜야 하고, 카본블랙 분말의 함량을 변화시킬 수 있는 범위가    제한 받게 되어 발열특성을 다양하게 변화시키는데 제약을 받는 등의 문제점이 있다 .   위와 같은 단점을 보완하여 고분자 시트에 섬유 형상의 탄소를 펄프에 그물망 형태   로 분산시켜 전기전도성을 높인 탄소섬유 발열체가 개발되어 응용 중에 있다.              <그림 4). 카본블랙 고분자 면상 발열체>  <그림 5). 카본섬유 면상발열체>     4. 면상발열체의 응용분야 및 신뢰성       전기식 원적외선히터는 전기에너지가 발열체의 전기저항에 의해 열에너지를 형성하   고, 복사재료에 의한 열전도로 전달된다.       일반적인 면상발열체는 전기 통전에 의해 발생하는 복사열을 이용하고 있어 온도조   절이 용이하고 공기가 오염되지 않아 위생적이며 소음이 없기 때문에 히팅 매트나 패   드 등의 침구류에 이용되며, 아파트나 일반주택의 바닥난방 등의 주거용 난방장치, 사   무실이나 작업장 등의 산업용 난방장치와 프린팅건조 및 도장 건조 등 각종 산업용 가   열장치, 비닐하우스와 축사, 농산물 건조시스템과 같은 농업용 설비, 도로나 주차장의    눈을 녹이는 동결방지장치, 레저용․방한용․가전제품․신발건조 등에도 폭넓게 이용   되고 있다.     면상발열체는 최근에 그 이용이 활발해지고 있는 제품으로 현재 유럽 주택 난방의    30% 가량을 대체하고 있으며, 주택 난방분야 외에 산업용 건조기, 농산물 건조기, 건   강의료 보조 제품 및 건축부자재로서의 응용이 가능한 신소재, 수출주력 상품임.     국내에서의 면상발열체에 대한 특허․실용신안 등록 건만을 살펴보면 총 619건이   검색되었으며 1977년 면사와 코일동선을 직조한 면상발열체의 실용신안 등록 이후   2001년부터 본격적으로 면상발열체의 제조기술 및 응용제품의 등록되었다.(01년   115건, 02년 112건, 03년 119건, 04년 현재 40건)     산업전분야에 이용되고 있는 면상발열체는 성능 및 효율성에서 이용가치가 크고 환   경친화적이기 때문에 원천기술 확보와 경량화 기술, 저출력 고온 발열 기술 확립을 통   한 부품․소재로서의 미래기술이라고 할 수 있다.    그러나, 이러한 면상발열체에 대한 품질 및 신뢰성에 관한 규격은 전 세계적으로 거   의 없으며 CE 규격에서 유일하게 규정되어 있는 실정이며, 현재 국내에서는 산업자원   부 주관 하에 요업기술원과 매직유라(주)에서 신뢰성기준 확립을 위한 기준제정 작업   이 진행 중에 있다.      5. 제언        발열체는 기반산업의 기초산업으로써 소재산업, 농수산, 기계공업, 자동차, 우주, 항   공 등 전반의 산업분야에서 열처리를 해야 하기 때문에 산업에 미치는 영향력을 대단   히 크다. 따라서 국내업체들은 원천 기술개발을 통해 제품을 생산 공급하고 신뢰성의    향상과 성능 보완을 해야 하며, 실수요자는 무조건적으로 싼 제품보다는 제대로 된   제품을 구매 할 수 있는 안목을 갖춰야 할 것이고 정부차원에서도 기술개발 지원과 규   격 제정 등의 적극적인 지원이 필요할 때라 여겨진다.