KR102605203B1 - 인쇄회로 기판 방식을 이용한 발열체 구조 및 발열체 제조 방법 - Google Patents

Abstract

인쇄회로 기판(PCB) 방식을 이용한 발열체 구조가 개시된다.
본 발명에 따른 발열체 구조는, 중앙 영역 중의 사전 설정된 영역이 사전 정의된 길이 방향으로 개구되도록 부분 절개된 절연층; 상기 절연층 상에 양측으로 분할 패터닝된 도전층; 양측으로 분할 패터닝된 상기 도전층의 일측 도전층과 타측 도전층의 상부면에 연결되는 발열층; 및 상기 일측 도전층과 상기 타측 도전층에 각각 솔더링되어 외부 전원이 상기 일측 도전층과 상기 타측 도전층에 인가되도록 하여 상기 발열층이 열 에너지를 방출하도록 하는 각각의 전원단자를 포함하되, 양측으로 분할 패터닝된 상기 도전층은 상기 절연층의 상부 및 하부에 양면으로 각각 패터닝되고, 상기 발열층은 양측으로 분할 패터닝된 상기 도전층의 상부 및 하부에 양면으로 각각 솔더링될 수 있다.

Description

인쇄회로 기판 방식을 이용한 발열체 구조 및 발열체 제조 방법 {HEATING ELEMENT USING PCB TYPE, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 발열체 구조에 관한 것으로, 특히 인쇄회로 기판(Printed Circuit Board, 이하 PCB라 함) 방식을 이용한 발열체 구조 및 발열체 제조 방법에 관한 것이다.

발열체는 주로 내부에 내장된 전열선에 전원을 인가하여 온도를 상승시키는 구조이며, 전기히터용 발열체, 기폭용 발열체 등이 적용되고 있다. 이러한 발열체는 구조적으로 크기가 큰 편이고, 발열 효율도 어느 정도 한계가 있다.

도 5는 PCB 방식의 발열체 구조를 나타낸 것으로, 기존 발열체의 구조 및 기능적인 한계를 극복하기 위해 제안된 바 있다.

PCB 방식의 발열체는 절연체 기판(도시 생략됨)의 상부에 도전층인 구리박막(copper foil, 12)을 형성한 후 구리박막의 상부에 발열을 위한 열선(14)을 솔더링(soldering)한 구조이다. 이러한 구리박막(12)에는 외부로부터 전원을 공급하기 위한 전원단자(16)가 솔더링되며, 이에 따라 열선(14)은 일정 수준의 열을 발생시킬 수 있게 된다.

도 5에서 열선(14)에서 개구부에 노출된 열선이 실질적으로 기폭제가 닿는 면적에 해당된다.

이러한 PCB 방식의 발열체는 한정된 전력으로 열선을 구동시켜 열 에너지를 얻을 수 있으나, 매우 짧은 시간(예를 들어, 수 밀리 초) 내에 작동하는 열선의 특성 상 다양한 방식의 발열체에 원하는 열 에너지를 공급하는데에는 한계가 있다.

특히, 기폭용 발열체의 경우, 상대적으로 열 에너지를 많이 필요로 하는 저온 환경에서는 발열체의 오동작 발생률이 높아질 수 있다.

대한민국 등록특허 제10-1623337호 (등록일자 2016년05월17일) 대한민국 등록특허 제10-0577406호 (등록일자 2006년04월28일)

본 발명의 실시예에서는, 기존 발열체의 저항 성분은 그대로 유지하면서 열 에너지 발생 효율을 높일 수 있는 PCB 방식을 이용한 발열체 구조 및 발열체 제조 방법을 제공하고자 한다.

또한 본 발명의 실시예에서는, 기폭제가 닿는 면적을 증가시켜 기폭용 발열체의 연소 및 작동 성공율을 높일 수 있는 PCB 방식을 이용한 발열체 구조 및 발열체 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재들로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에 의해 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 실시예에 의하면, 중앙 영역중의 사전 설정된 영역이 사전 정의된 길이 방향으로 개구되도록 부분 절개된 절연층; 절연층 상에 양측으로 분할 패터닝된 도전층; 양측으로 분할 패터닝된 도전층의 일측 도전층과 타측 도전층의 상부면에 연결되는 발열층 - 일측 도전층과 타측 도전층은 사전 설정된 간격만큼 서로 이격된 채로, 사전 설정된 길이 방향으로 평행하게 배열됨 - ; 및 일측 도전층과 타측 도전층에 각각 솔더링되어 외부 전원이 일측 도전층과 타측 도전층에 인가되도록 하여 발열층이 열 에너지를 방출하도록 하는 각각의 전원단자를 포함하는 PCB 방식을 이용한 발열체 구조를 제공할 수 있다.

여기서, 발열층은 일측 도전층과 타측 도전층의 상부면에서 절연층의 개구된 영역에 걸쳐서, 사전 설정된 길이 방향과 직교하도록 솔더링(soldering)될 수 있다.

또한, 양측으로 분할 패터닝된 도전층은 절연층의 상부 및 하부에 양면으로 각각 패터닝되고, 발열층은 양측으로 분할 패터닝된 도전층의 상부 및 하부에 양면으로 각각 솔더링될 수 있다.

또한, 각각의 전원단자는 스루 홀(through hole)을 통해 절연층의 상부 및 하부에 양면으로 패터닝된 도전층에 전원이 인가되도록 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 절연층의 상부 및 하부에 제1 도전층 및 제2 도전층을 각각 형성하는 단계; 제1 도전층 및 제2 도전층을 각각 분할 패터닝하는 단계 - 제1 도전층 및 제2 도전층의 분할 패터닝 처리시에, 절연층의 중앙 영역 중의 사전 설정된 영역이 사전 설정된 길이 방향으로 개구되도록 절연층의 부분 절개를 수반함 - ; 분할 패터닝된 제1 도전층의 일측 도전층 및 타측 도전층의 상부면과, 분할 패터닝된 제2 도전층의 일측 도전층 및 타측 도전층의 하부면에 발열층을 각각 솔더링하는 단계; 및 제1 도전층의 일측 도전층 및 타측 도전층에 전원단자를 각각 솔더링하는 단계를 포함하되, 발열층은 제1 도전층의 일측 도전층 및 타측 도전층의 상부면과, 제2 도전층의 일측 도전층 및 타측 도전층의 하부면에서 절연층의 개구된 영역에 걸쳐서, 사전 설정된 길이 방향과 직교하도록 솔더링되는 PCB 방식을 이용한 발열체 제조 방법을 제공할 수 있다.

여기서, 분할 패터닝하는 단계 이후에, 전원단자를 통해 공급되는 전원이 제1 도전층을 거쳐 제2 도전층으로 연결되도록 스루 홀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 기존 발열체의 저항 성분은 그대로 유지하면서 열 에너지 발생 효율을 높이고 발열 방향성에 대한 자유도를 높일 수 있다. 아울러, 본 발명의 실시예에 따르면, 기폭제가 닿는 면적을 증가시켜 기폭용 발열체의 연소 및 작동 성공률을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 PCB 방식을 이용한 발열체 구조의 평면도이다.
도 2는 도 1의 PCB 방식을 이용한 발열체 구조의 A-A' 단면도이다.
도 3은 도 1의 PCB 방식을 이용한 발열체 구조의 B-B' 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 PCB 방식을 이용한 발열체 구조의 회로 개념도이다.
도 5는 전형적인 PCB 방식을 이용한 발열체 구조의 평면도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범주는 청구항에 의해 정의될 뿐이다.

본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 실제로 필요한 경우 외에는 생략될 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명의 실시예에서는, PCB 기판의 중앙 영역이 길이 방향으로 개구되도록 도전층을 PCB 기판의 상부면 및 하부면에 각각 패터닝하고, 패터닝된 도전층의 일측과 타측이 연결되도록 발열층(열선)을 PCB 기판의 양면에 각각 형성함으로써, 기존 발열체의 저항 성분은 그대로 유지하면서 열 에너지 발생 효율을 높이고, 기폭제가 닿는 면적을 증가시켜 기폭용 발열체의 연소 및 작동 성공률을 높이고자 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 PCB 방식을 이용한 발열체 구조의 평면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 PCB 방식을 이용한 발열체 구조는, 중앙 영역중의 사전 설정된 영역이 사전 정의된 길이 방향으로 개구되도록 부분 절개된 절연층(100); 절연층(100) 상에 양측으로 분할 패터닝된 도전층(102a); 양측으로 분할 패터닝된 도전층의 일측 도전층과 타측 도전층의 상부면을 상호 연결하는 발열층(104a); 및 일측 도전층과 타측 도전층에 각각 솔더링되어 외부전원이 일측 도전층과 타측 도전층에 인가되도록 하여 발열층(104a)이 열 에너지를 방출하도록 하는 각각의 전원단자(106a, 106b)를 포함할 수 있다.

절연층(100)은 에폭시 수지, 페놀 수지 등의 절연재로 구성되어 PCB 기판의 코어층을 이룰 수 있다.

도전층(102a)은 절연층(100) 상에 형성될 수 있으며, 이러한 도전층(102a)은, 예를 들어 구리 박막으로 이루어질 수 있다.

이러한 도전층(102a)은 에칭 공정 등을 통해 절연층(100) 상에서 양측으로 분할되도록 패터닝 처리될 수 있다. 예컨대, 도 1에 도시한 바와 같이, 도전층(102a)의 패터닝 처리시에, 절연층(100)의 중앙 영역 중의 사전 설정된 영역이 사전 설정된 길이 방향으로 개구되도록 절연층(100)의 부분 절개를 수반할 수 있다.

도시된 바와 같이, 도전층(102a)의 일측 도전측과 타측 도전층은 소정 거리로 서로 이격된채, 길이 방향으로 평행하게 배열된다.

발열층(104a)은 양측으로 분할 패터닝된 도전층(102a)의 일측 도전층과 타측 도전층의 상부면에 연결될 수 있다. 예컨대, 발열층(104a)은 도 1의 하부에 패터닝된 도전층과 상부에 패터닝된 도전층의 상부면에 솔더링 처리될 수 있다.

이러한 발열층(104a)은, 예를 들어 기폭용 발열체의 경우에 일정 수준의 열 에너지를 방출하는 열선을 포함할 수 있다. 열선은 매우 짧은 시간 동안에 한정된 전력으로 구동되는데, 열선의 규격, 종류 등에 따라 열 에너지의 방출량이 달라질 수 있다. 본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 열선은, 예를 들어 30㎛선경의 길이1.3 내지 1.7mm의 열선이 적용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 발열층(104a)은 일측 도전층과 타측 도전층의 상부면에서, 절연층(100)의 개구된 중앙 영역에 걸쳐서, 사전 설정된 길이 방향과 직교하는 방향으로 형성될 수 있다. 실질적으로, 기폭제와 닿는 발열층(104a)의 발열 부위는 절연층(100)의 개구 영역일 수 있다.

전원단자(106a, 106b)는 도전층(102a)의 일측 도전층과 타측 도전층의 상부면에 각각 솔더링 처리될 수 있다. 따라서, 외부 전원이 전원단자(106a, 106b)를 통해 공급되면, 일측 도전층과 타측 도전층에 외부 전원이 각각 인가되도록 하여 발열층(104a)이 열 에너지를 방출할 수 있게 한다.

도 2는 도 1의 PCB 방식을 이용한 발열체 구조의 A-A' 단면도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 PCB 방식을 이용한 발열체 구조는, 중앙 영역중의 사전 설정된 영역이 사전 정의된 길이 방향으로 개구되도록 부분 절개된 절연층(100)의 상부면에서 양측으로 분할 패터닝된 제1 도전층(102a); 절연층(100)의 하부면에서 양측으로 분할 패터닝된 제2 도전층(102b); 제1 도전층(102a)의 상부면에서 절연층(100)의 개구된 중앙 영역과 직교하도록 솔더링 처리된 제1 발열층(104a); 및 제2 도전층(102b)의 하부면에서 절연층(100)의 개구된 중앙 영역과 직교하도록 솔더링 처리된 제2 발열층(104b)을 포함할 수 있다.

실질적으로, 기폭제와 닿는 발열층(104a)의 발열 부위와, 발열층(104b)의 발열 부위는 절연층(1)의 소정 길이의 개구 영역이다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 열선이라고 지칭되는 발열층(104a, 104b)에서 개구 영역에 노출된 열선이 실질적으로 열을 발산하고 기폭제와 닿는 면적에 해당된다.

도 3은 도 1의 PCB 방식을 이용한 발열체 구조의 B-B' 단면도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 PCB 방식을 이용한 발열체 구조는, 중앙 영역중의 사전 설정된 영역이 사전 정의된 길이 방향으로 개구되도록 부분 절개된 절연층(100)의 상부면에 패터닝된 제1 도전층(102a); 절연층(100)의 하부면에 패터닝된 제2 도전층(102b); 제1 도전층(102a)의 상부면에서 절연층(100)의 개구된 중앙 영역과 직교하도록 솔더링 처리된 제1 발열층(104a); 제2 도전층(102b)의 하부면에서 절연층(100)의 개구된 중앙 영역과 직교하도록 솔더링 처리된 제2 발열층(104b); 및 제1 도전층(102a)에 솔더링되어 외부전원이 제1 도전층(102a)에 인가되도록 하여 제1 발열층(104a)이 열 에너지를 방출하도록 하는 전원단자(106a,106b)를 포함할 수 있다.

이때, 본 발명의 실시예에서는 제1 도전층(102a)과 제2 도전층(102b)을 패터닝 처리한 후, 제1 도전층(102a) 및 절연층(100)을 관통하여 제2 도전층(102b)까지 형성되는 스루 홀(도시 생략됨)을 더 포함할 수 있다. 이러한 스루 홀을 통해 전원단자(106a,106b)로부터 공급되는 외부 전원이 제2 도전층(102b)에 인가됨으로써, 제2 발열층(104b)이 열 에너지를 방출할 수 있게 한다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 PCB 방식을 이용한 발열체 제조 방법은, 절연층(100)의 상부 및 하부에 제1 도전층(102a) 및 제2 도전층(102b)을 각각 형성하는 단계; 제1 도전층(102a) 및 제2 도전층(102b)을 각각 분할 패터닝하는 단계 - 제1 도전층(102a) 및 제2 도전층(102b)의 분할 패터닝 처리시에, 절연층(100)의 중앙 영역 중의 사전 설정된 영역이 사전 설정된 길이 방향으로 개구되도록 절연층(100)의 부분 절개를 수반함 - ; 분할 패터닝된 제1 도전층(102a)의 일측 도전층 및 타측 도전층의 상부면에 제1 발열층(104a)을 솔더링하는 단계; 분할 패터닝된 제2 도전층(102b)의 일측 도전층 및 타측 도전층의 하부면에 제2 발열층(104b)을 솔더링하는 단계; 및 제1 도전층(102a)의 일측 도전층 및 타측 도전층 각각에, 각각의 전원단자(106a,106b)를 솔더링하는 단계를 포함하되, 제1 발열층(104a)은 제1 도전층(102a)의 일측 도전층 및 타측 도전층의 상부면에서 절연층(100)의 개구된 중앙 영역과 직교하도록 솔더링 처리될 수 있으며, 제2 발열층(104b)은 제2 도전층(102b)의 일측 도전층 및 타측 도전층의 상부면에서 절연층(100)의 개구된 중앙 영역과 직교하도록 각각 솔더링 처리되는 것을 특징으로 한다.

이때, 분할 패터닝하는 단계 이후에, 전원단자(106a,106b)를 통해 공급되는 전원이 제1 도전층(102a)을 거쳐 제2 도전층(102b)으로 연결되도록 스루 홀을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 PCB 방식을 이용한 발열체 구조의 회로 개념도이다.

PCB 기판으로 이루어진 구리 박막(도전층)에 대해 열선(발열층)을 연결하면, 열선의 저항 R은 다음 [수학식 1]과 같이 예시될 수 있다.

여기서, ρ는 열선의 고유 저항값이고, L은 열선의 길이, A는 열선의 단면적을 나타낸다.

본 발명의 실시예에 따라 제조되는 PCB 방식을 이용한 발열체 구조의 경우, 양면 PCB 기판으로 이루어진 구리 박막에 대해 각각 열선을 연결한 것이므로, 열선의 길이는 2L, 저항은 2R일 수 있다.

이때, 2개의 열선이 양면 PCB 기판의 상부면 및 하부면의 구리 박막에 각각 솔더링 처리되므로, 회로 개념상 2개의 열선은 병렬 연결 구조와 동일한 효과를 가질 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 발열체 구조 및 그 제조 방법은, 기존 PCB 방식의 발열체와 동일한 저항 성분을 유지하면서도 발열 면적은 2배 이상 확보할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 양측으로 분할 패터닝된 제1 도전층(102a)의 상부면에 대해 수직 방향으로 제1 발열층(104a)을 연결하고, 양측으로 분할 패터닝된 제2 도전층(102b)의 하부면에 대해 수직 방향으로 제2 발열층(104b)을 연결함으로써, 발열체의 발열 부위와 실제 기폭제가 닿는 면적을 넓히고 발열 방향성에 대한 자유도를 높일 수 있다. 종래에는 도 5에 도시한 바와 같이, 열선(14)이 상부 도전층과 하부 도전층 구리 박막(12)에 솔더링되어 단일의 열선(14)으로 구성되기 때문에 PCB 기판의 종단 절연층에서 노출된 열선과 기폭제와 닿는 면적이 제한적이거나 열에너지를 발산하는 방향이 한 방향으로 제한적일 수밖에 없었다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의하면, 기폭제가 닿는 발열 부위 면적을 증가시켜 기폭용 발열체의 연소 및 작동 성공률을 높일 수 있는 발열체 구조를 구현할 수 있다.

100 : 절연층
102a, 102b : 도전층
104a, 104b : 발열층(열선)
106a, 106b : 전원단자

Claims (5)

1. 중앙 영역 중의 사전 설정된 영역이 사전 정의된 길이 방향으로 개구되도록 부분 절개된 절연층;
   상기 절연층 상에 양측으로 분할 패터닝된 도전층;
   양측으로 분할 패터닝된 상기 도전층의 일측 도전층과 타측 도전층의 상부면에 연결되는 발열층 - 상기 일측 도전층과 타측 도전층은 사전 설정된 간격만큼 서로 이격된채로, 사전 설정된 길이 방향으로 평행하게 배열됨 - ; 및
   상기 일측 도전층과 상기 타측 도전층에 각각 솔더링되어 외부 전원이 상기 일측 도전층과 상기 타측 도전층에 인가되도록 하여 상기 발열층이 열 에너지를 방출하도록 하는 각각의 전원단자를 포함하되,
   양측으로 분할 패터닝된 상기 도전층은 상기 절연층의 상부 및 하부에 양면으로 각각 패터닝되고,
   상기 발열층은 양측으로 분할 패터닝된 상기 도전층의 상부 및 하부에 양면으로 각각 솔더링되며,
   상기 발열층은 상기 일측 도전층과 상기 타측 도전층의 상부면에서 상기 절연층의 개구된 중앙 영역에 걸쳐서, 상기 사전 설정된 길이 방향과 직교하도록 솔더링(soldering)되는,
   인쇄회로 기판 방식을 이용한 기폭제용 발열체 구조.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 각각의 전원단자는 스루 홀(through hole)을 통해 상기 절연층의 상부 및 하부에 양면으로 패터닝된 도전층에 전원이 인가되도록 하는
   인쇄회로 기판 방식을 이용한 기폭제용 발열체 구조.
   
4. 절연층의 상부 및 하부에 제1 도전층 및 제2 도전층을 각각 형성하는 단계;
   상기 제1 도전층 및 상기 제2 도전층을 각각 분할 패터닝하는 단계 - 제1 도전층 및 제2 도전층의 분할 패터닝은, 절연층의 중앙 영역 중의 사전 설정된 영역이 사전 설정된 길이 방향으로 개구되도록 절연층의 부분 절개를 수반함 - ;
   분할 패터닝된 상기 제1 도전층의 일측 도전층 및 타측 도전층의 상부면과, 분할 패터닝된 상기 제2 도전층의 일측 도전층 및 타측 도전층의 하부면에 발열층을 각각 솔더링하는 단계; 및
   상기 제1 도전층의 일측 도전층 및 타측 도전층에 전원단자를 각각 솔더링하는 단계를 포함하되,
   상기 발열층은 상기 제1 도전층의 일측 도전층 및 타측 도전층의 상부면과, 상기 제2 도전층의 일측 도전층 및 타측 도전층의 하부면에서 상기 절연층의 개구된 영역에 걸쳐서, 상기 사전 설정된 길이 방향과 직교하도록 솔더링되는
   인쇄회로 기판 방식을 이용한 기폭제용 발열체 제조 방법.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 분할 패터닝하는 단계 이후에,
   상기 전원단자를 통해 공급되는 전원이 상기 제1 도전층을 거쳐 상기 제2 도전층으로 연결되도록 스루 홀을 형성하는 단계를 포함하는
   인쇄회로 기판 방식을 이용한 기폭제용 발열체 제조 방법.
   

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