KR100521850B1 - 금속코팅사의 제조 방법 및 이의 용도 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속코팅사의 제조 방법, 구체적으로는 정경 후 경사빔 상태에서 원사를 금속 코팅하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 소정량의 금속코팅사와 일반 원사를 사용하여 대전방지성능 또는 전자파 차폐 성능을 갖는 원단을 제직하는 방법에 관한 것이다.

Description

금속코팅사의 제조 방법 및 이의 용도{METHOD FOR PREPARING METAL-COATED THREAD AND USE THEREOF}

본 발명은 금속코팅사의 제조 방법, 구체적으로는 정경 후 경사빔 상태에서 원사를 금속 코팅하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 소정량의 금속코팅사와 일반 원사를 사용하여 대전방지성능 또는 전자파 차폐 성능을 갖는 원단을 제직하는 방법에 관한 것이다.

일상 생활에서는 마찰로 인해 정전기가 자주 발생하는데, 대전방지성능은 의복의 착용감을 향상시킬 뿐 아니라, 의복이 인체에 달라붙는 현상, 먼지 부착에 의한 의복의 오염, 생체내 정전압 유도에 의한 혈압상승이나 두통과 같은 병리학적 상태 등 정전기에 의해 유발될 수 있는 제반 문제를 방지하는 중요한 기능이다. 섬유에 대전방지성능을 부여하기 위하여, 종래 기술에서는 섬유 표면에 친수성 수지를 도포하여 정전기의 발생을 억제하거나, 섬유의 방사시 또는 제직시에 수지를 혼입시키는 방법 등을 이용하였으나, 반복되는 세탁이나 마찰에 의해 방전성이 저하되거나(내구성의 문제), 낮은 습도하에서 수분이 증발하여 방전성이 상실되는 단점이 있었다. 또 다르게는, 전도성이 우수한 탄소분말(카본 블랙)을 함유하는 섬유를 통상의 섬유와 혼방하거나 교직하는 방법을 이용할 수 있는데, 이 경우에는 탄소분말로 인해 섬유가 검은색을 띄기 때문에 염색이 곤란하다.

한편, 텔레비젼 등의 가전제품, 컴퓨터, 팩시밀리, 복사기 등의 사무용 전자기기에 주로 사용되는 수지제 케이스는 전자파 차단 성능이 현저히 낮다. 또한, 근래 전자파가 인체에 미치는 영향이 부각되면서, 인체에 조사되는 전자계 강도를 감소시키기 위한 규제가 강화되고 있는 실정이다.

참고로, 전자파 차폐 성능은 다음 식으로 정의되며, 전자파가 재료를 통과할 때 감쇄되는 상대적 크기, 즉 데시벨(dB)로 표시할 수 있다.

SE = 10 log P_I/P_T = 20 log E_I/E_T

(상기 식에서, P_I와 P_T는 각각 입사되는 전자파의 파워 및 투과되는 전자파의 파워이고, E_I 및 E_T는 각각 입사되는 전기장의 세기 및 투과되는 전기장의 세기이다)

전자파 차폐용 직물로서, 섬유상으로 만든 강선이나 동선을 교편직한 것이 사용되고 있으나, 이것은 유연성이 부족해서 가늘게 성형하기 부적합하고, 또 절단이 어려운 문제가 있다. 최근에는 무전해도금에 의해 도전체층을 형성한 섬유를 짜서 만든 것이나, 각종 섬유로 이루어진 직포 또는 부직포 표면에 용사, 코팅, 무전해도금에 의해 도전체층을 형성한 것 등이 사용되고 있다. 전자파 차폐용 직물을 형성하는 섬유로는 메타계 아라미드 섬유, 아크릴 섬유, 폴리에스테르 섬유 등의 합성 섬유, 면이나 양모 등의 천연섬유 등 각종 섬유가 있다. 이러한 종류의 전자파 차폐용 직물은 각종 형상으로 성형할 수 있기 때문에, 이를 적절한 형상으로 성형하여 사용한다. 예를 들어, 전자기기 내에 인입·배선되는 전원용 전기 케이블 중에는 고주파수의 전자파를 방사하는 것이 있는데, 특히 기기내 접속을 위해 케이블의 차폐가 없는 부분으로부터의 전자파 방사를 방지하기 위해 테이프형 또는 시트형 직물을 덮어 씌우기도 한다. 튜너, 전원 트랜스, 컴퓨터의 하드디스크 등을 수납하는 케이스에 있어서도 복수 부재로부터 조립한 경계나, 작업용 개구부의 뚜껑으로부터의 전자파 방사를 방지하기 위해서, 상기와 같은 전자파 차폐용 직물 또는 이것을 고무나 스폰지 등의 탄성체 심지로 고정한 밀봉재를 사용하는 것이 일반적이다.

전자파 차폐용 직물의 용도는 전기, 전자기기의 전자파 차폐용 부품에 한정되지 않고, 예를 들어 의복이나 전자파 차폐용 에이프런, 전자파 차폐 커튼의 원단 등에도 적용될 수 있다.

공개특허공보 1999-2294호는 동박이 권회된 동박 권회사를 사용하여 편직물지를 제조함으로써 수맥파 등의 전자기파를 차단하고, 내구성이 향상된 편직물지 및 그의 제조 방법에 대하여 개시하고 있다. 그러나, 동박을 얇게 하더라도 일반사에 동박을 권회시키기 때문에 직물에서 올이 굵어지게 되어, 촉감이 나빠지는 문제가 있다.

등록실용신안 20-27832호는 은선, 알루미늄선, 동선, 탄소섬유 등 도전사를 나일론, 폴리에스테르, 폴리우레탄 등 가염성이 있는 코팅 재료로 피복한 후, 이 도피도전사를 각종 일반 섬유사와 합연하거나 피복하여 전자파 차폐 원사를 제조함으로써 전자파 차폐 효과를 가지면서도 일반 섬유로서의 물성을 그대로 보유하는 전자파 차폐 직물을 개시하고 있다. 이러한 차폐 원사는 반영구적인 내구성과 양호한 전자파 차폐 효과를 장기간에 걸쳐 유지할 수 있으며, 도전사의 표면 염색을 가능하게 한다.

등록실용신안 20-18561호는 섬유 코팅 공정에서 섬유 및 직물 표면에 일정량의 전도성 카본 블랙 및 전자파 흡수체가 혼합된 코팅제를 일정 두께로 코팅함으로써 얻어지는 전자파 차폐 섬유 및 직물을 개시하고 있다.

등록실용신안 20-255085호는 도전성을 갖는 차폐 날실과 소정 형상의 도전선을 일단의 실에 권회하여 제조한 차폐 날실을 통상의 씨실 및 날실 사이에 개재시켜 고밀도의 차폐 직물을 직조한 다음, 이렇게 직조된 직물 이면을 방수처리하여 전자파 차폐 효과를 높인 직물을 개시하고 있다. 구체적으로, 이 전자파 차폐 직물은 가로 방향으로 직조되는 씨실, 이것과 교차하여 세로 방향으로 직조되고 이웃하는 각 씨실들에 상하 교호로 직조되는 복수개의 날실, 도전성을 가지며 상기 씨실들 사이에 일정 간격으로 개재되는 차폐 날실, 일단의 날실에 도전선이 나사 형태로 권회되어 상기 복수개의 날실들 사이에 개재되는 차폐 날실, 그리고 이와 같이 직조된 직물 이면에 코팅된 방수재를 포함한다.

등록실용신안 20-208904호는 유해 전자파를 차폐하기 위하여 메탈릭과 광물질 등을 직물지에 코팅하되, 전자파 차폐 물질의 코팅 두께를 얇게 하여 원가를 절감하는 한편, 접착력을 높여 전자파 차폐 효과를 지속할 수 있는 유해 전자파 차폐 직물지를 개시하고 있다.

등록실용신안 20-183869호는 차폐하고자 하는 사출물 표면에 대한 금속 피막 형성과 코팅을 동일 공정내에서 수행함으로써 코팅 공정을 간소화하고, 차폐하고자 하는 사출물에서 금속 피막의 산화를 방지하여 지속적인 차폐 능력을 제공하도록 하는 전자파 차폐용 자동코팅장치 및 코팅 방법을 제안하고 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 현재 업계에서 널리 사용되고 있는 원단에 직접 금속 코팅을 행하는 방식은 금속 코팅 후 염색이 실질적으로 불가능하며, 또 부분 금속 코팅이 어렵다는 단점이 있다. 이에, 본 발명자는 전자파 차폐 또는 정전기 발생 방지를 위해 원단이 아닌 원사에 직접 금속 코팅을 시도하고, 이로부터 얻어진 금속코팅사 소정량을 통상의 원사에 첨가하여 전자파 차폐 성능 또는 대전방지성능을 가진 원단을 얻는 데 성공하였다.

발명의 개요

본 발명의 일 태양은 정경 공정 후, 특히 경사빔 상태의 실에 직접 금속 코팅을 행하는 것을 특징으로 하는 금속코팅사의 제조 방법이다.

본 발명의 다른 태양은 상기 제조 방법에 의해 제조된 금속코팅사이다.

본 발명의 또 다른 태양은 원단 제직 공정에서 일반 원사에 금속코팅사를 필요량만큼 첨가하는 것을 특징으로 하는 대전방지성능 또는 전자파 차폐 성능을 갖는 원단의 제직 방법이다.

발명의 상세한 설명

본 발명에 적합한 "일반 원사"는 금속 코팅되지 아니한 통상의 직물용 실을 의미하는 것으로, 천연섬유, 합성섬유, 혼방섬유를 불문하고, 모든 종류의 일반적인 섬유를 총칭한다. 본 발명에서 바람직하게 사용될 수 있는 것으로는 나일론, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 울 등을 들 수 있으나, 이들만으로 제한되지 않는다.

본 발명에 적합한 코팅용 "금속"으로 금, 은, 구리, 니켈, 게르마늄 등의 메탈릭과 맥반석, 옥돌 등의 광물질을 들 수 있으나, 이들만으로 제한되지 않는다.

본 발명에 따라 적합한 "금속 코팅법"으로는 증착, 이온도금, 무전해도금, 스퍼터링(특히, 이온빔 스퍼터링), 코팅, 스프레이, 용사 등 당업계에 공지된 기법을 들 수 있으나, 이 가운데 무전해도금, 스퍼터링을 사용하는 것이 바람직하다.

여기서, 무전해도금이란 외부로부터 전기에너지를 공급받지 않고 금속염 수용액 중의 금속 이온을 환원제에 의해 환원시켜 피처리물 표면상에 금속을 석출시키는 방법으로서, 화학도금 또는 자기촉매도금이라고도 한다. 수용액내의 포름알데히드나 하이드리진과 같은 환원제가 금속 이온이 금속 분자로 환원되도록 전자를 공급하는데, 이 반응은 촉매 표면에서 일어난다. 상용화된 대표적인 도금제로 구리, 니켈-인·니켈-보론 합금을 들 수 있다. 무전해도금은 전기도금에 비해 도금층이 치밀하고 균일한 두께를 지니며, 도체뿐 아니라 플라스틱이나 유기체와 같은 다양한 기재에 대하여 적용할 수 있는 이점이 있다.

스퍼터링은, 진공에서 표적 소재(예를 들어, 금, 은, 동, 알루미늄, 티타늄, 구리 등)에 전계, 자계를 이용해서 고밀도 플라즈마를 발생시키는 경우 이온화된 가스 이온(예를 들어, 아르곤)이 전계에 충돌하게 되는데, 그 에너지에 의해 표적 소재가 분자 또는 원자 상태로 튀어나와 직물에 부착하는 현상 또는 방법을 말한다. 이 방법은 화학적 또는 열적 반응 과정이 아니라, 기계적 과정(운동량 이용)에 의해 증기상을 만드는 방법으로, 어떤 것이든 표적 재료로 사용할 수 있으며, 일반적으로는 DC 방법을 사용하나 비전도성 표적 재료인 경우 AC 과정인 RF 전위를 이용하여 스퍼터링할 수도 있다. 또한, 코팅 전 피처리물을 양극으로 활용하여 글로우 방전을 시키므로, 스퍼터링에 의해 표면 산화물 및 불순물의 제거가 가능하고, 표면 활성화로 인해 코팅층의 접착성이 우수하다. 또한, 스퍼터링은 종래의 증착, 전기도금, 화학도금에 비해 운동에너지가 매우 높으며, 초미립자(Å)로서 직물 표면에 부착한다(스퍼터링의 작용 원리에 대해서는 도 1 참조).

스퍼터링은 초기에 진공증착과 동일한 진공도(예를 들어, 10^-5 내지 10^-7 torr 정도)를 유지하나, 플라즈마를 일으킬 수 있는 아르곤 가스를 진공실 압력이 일정하게 상승될 때까지 불어넣고, 표적 재료에 높은 부전압(예를 들어, -500∼-5000V)을 걸어 음극으로 만든다. 이 때 비정규 글로우 방전에 의해 발생한 높은 에너지(예를 들어, 약 1000 eV)를 가진 불활성 가스 양이온이 음극으로 대전된 표적 재료 표면에 충돌하여 표적 재료를 원자 형태로 방출시키며, 진공 증착에 비해 높은 에너지(예를 들어, 10-40eV 정도)를 가진 증기상이 피처리물 쪽으로 이동하여 응축됨으로써 표면층을 형성하는 방식이다.

표적 재료 표면에 입사된 아르곤 가스 이온의 에너지 중 약 65%는 열로, 약 24%는 2차 전자를 방출하는 데 소모되고, 궁극적으로 약 1%만이 스퍼터링 입자(재료 입자)를 방출하는 데 이용된다. 입사한 아르곤 가스수에 대한, 표적에서 방출된 재료 원자수의 비를 스퍼터링비라고 부르는데, 이는 표적 재료, 표적 재료 표면, 입사 에너지, 입사각에 따라 결정된다. 금속 표적 재료의 경우, 한 개의 아르곤 이온이 표적 재료에 입사할 때 한 두개의 원자가 증기상으로 배출되므로 증발 효율이 낮은 편이다. 마그네트론을 이용하여 스터퍼링비를 증가시키는 방법이 개발되었다. 다른 진공 코팅 방법에 비하여 작업 조절이 용이하고, 스퍼터 클리닝으로 코팅층과 피처리물과의 접착성을 크게 증가시키는 장점이 있어 정밀한 피복층 두께 및 조직의 조절이 필요한 경우에 이용된다.

피복층의 조직은 가스(아르곤 등)의 압력과 피처리물의 온도에 따라 달라진다. 스퍼터링은 표적 재료를 스퍼터링시키는 이온의 발생 방식에 따라, 판형 다이오드 스퍼터링, 삼극 다이오드 스퍼터링, 마그네트론 스퍼터링, RF 스퍼터링, 이온빔 스터퍼링으로 분류할 수 있다. 이러한 스퍼터링의 특징으로는

a) 표적 재료의 증기상이 판상으로 넓은 범위에 걸쳐 균일하게 생성되어, 피처리물 표면상에 넓은 면적의 피복층을 얻을 수 있고,

b) 피복율이 진공 증착법에 비해 다소 느리며,

c) 요구하는 조직을 가진 합금 및 복합물의 피복이 가능하고,

d) 표적 재료의 증발 효율이 낮으며,

e) 공해 문제가 전혀 없다는 점을 지적할 수 있다.

스퍼터링의 일종으로 앞서 언급한 이온빔 스퍼터링은 표적 재료를 선택한 에너지와 플럭스 밀도를 가진 별도의 이온원에 의해 생성된 이온빔을 경사지게 입사시켜 방출되는 표적 이온이 피처리물 표면에 응착되도록 하는 것이다. 그러나, 이온빔이 점원 방식이므로 넓은 피처리물 코팅은 곤란하고(500eV, 100 mA/cm² 이온빔의 경우에는 약 20 cm 크기의 피처리물에 대하여 균질한 피복을 할 수 있음), 이온빔 부식이나 특수한 피복층 형성시에 주로 이용된다. 이온빔 스퍼터링 장비 중 진공실내 구조는 스퍼터링에서 설명한 것과 동일하며, 기타 부수 장비는 진공 증착법에서와 동일하다.

일반적인 원단(직물, 편물, 부직포를 포함함)의 제조·준비 과정은 경사 공정, 정경 공정, 가호 공정, 경사빔의 준비 공정, 그리고 통경 공정으로 이루어진다. 경사(winding)는 경사실을 치즈 상태로 감는 것을 말하는데, 그대로 사용하기도 한다. 이 때에는 약한 실, 매듭 등을 점검하여 실이 끊어지지 않도록 주의하여야 한다. 정경(warping)은 경사를, 길이 및 장력을 균일하게 하여 소정의 너비가 되도록 배열하여 정경 빔에 감는 것을 말하고, 가호(sizing)는 실표면의 잔털을 본실에 고착시키며 장력과 내마모성을 향상시키는 것을 말하며, 경사빔의 준비(beaming)는 가호 공정이 끝난 후 직기 빔에 감는 것을 말하고, 통경(drawing-in)은 경사를 통경대에 걸어 조직에 따라 종광에 끼우고 다시 바디에 끼우는 것을 말한다. 이 가운데, 본 발명과 특히 관련이 있는 것은 정경 공정으로, 이 공정은 주로 설계된 직물의 길이에 따라 각 경사의 길이를 균일하게 정할 목적으로, 또 설계에 따라 경사의 밀도 또는 너비를 정할 목적으로 수행된다.

본 발명에 따르면, 정경 공정 후 원사 가닥이 가지런히 일렬로 배열된 상태(즉, 경사빔 상태)로 금속 코팅을 수행한다. 구체적인 금속 코팅 기법에 대해서는 전술한 내용을 참조하기 바란다. 원사의 금속 코팅처리시의 측면 모식도가 도 2에 도시되어 있고, 경사빔에 감겨있는 상태의 원사는 도 3에 잘 나타나 있다.

이와 같은 방법으로 얻어진 금속코팅사를 필요량만큼 원단 제직시에 첨가하여 전자파 차폐 성능 또는 대전방지성능을 갖는 원단을 얻는다. 원단은 직물, 부직물, 부직포를 포함하는 임의의 종류를 망라한다.

실시예

본 발명의 실시예에서는 2개의 챔버를 보유한 스퍼터링 장치를 사용하였으며(스퍼터링 장치에 대해서는 도 4 참조), 장치의 좌측 챔버에는 처리할 실이 빔 형태로, 일정한 장력이 걸린 상태로 준비되어 있으며, 우측 챔버에는 스퍼터링 처리 및 권취 장치가 구비되어 있다. 따라서, 좌측의 준비 챔버에서 우측의 처리 챔버쪽으로 실이 이동하면서 연속처리가 가능하게 된다. 처음에는 2개의 로터리 펌프를 사용하여 약 8∼9 x 10^-3 torr의 진공을 유지한 다음, 2개의 디퓨전 펌프로서 최종 진공도 약 2∼3 x 10^-3 torr가 되도록 아르곤 가스를 투입하였다. 또한, 스퍼터링 처리시 기판으로 충돌되는 양이온들로 인한 표적 소재 표면의 온도 상승을 방지하기 위해 물로 기판을 냉각시켜 주었다.

재료 및 방법

1. 시료 준비

각각의 시료(원단) A, B, C, E는 다음과 같이 준비하였다.

	조성 비율(%)	중량(OZ/YD)	밀도(경사 x 위사)
A	울 100	9.2	90 x 78
B	울:폴리에스테르=50:50	8.2	62 x 58
C	울:폴리에스테르:은사=48:48:4	7.5∼8.0	60 x 58
E	울:은사=99:1	10.5	92 x 74

2. 마찰대전압 측정(대전방지성능 측정)

방법

시료 원단의 대전압은 KS K 0555, B법(마찰대전압)에 따라 측정하였으며, 측정 조건은 23±2℃, 45±2℃의 조건하에서, 마찰포는 KS K 0905의 면과 나일론을 사용하였다.

결과

마찰대전압 측정은 전술한 바와 같이 면과 나일론포를 사용하였는데, 면은 천연섬유를, 나일론은 합성섬유를 각각 대표한다.

(1) 면포에 대한 마찰대전압 측정 결과

일반적으로 마찰대전압이 1000V 이하이면 도전성 또는 제전성이 있다고 하며, 500V 이하이면 도전성 또는 제전성이 우수하다고 평가한다. A 시료와 E 시료를 비교하였을 때. 은사 1%를 함유하는 E 시료가 정전기 500V 이하로 도전성이 우수함을 알 수 있었다(도 5 참조).

(2) 나일론포에 대한 마찰대전압 측정 결과

면포로 마찰시킨 경우와 마찬가지로, 나일론포에 대한 마찰대전압 측정 결과 은사 함유에 의해 정전기 방지능이 향상됨을 알 수 있다(도 6 참조).

3. 전자파 차폐 실험

방법

전계(PULSE Corporation - E-tester)와 자계(TRIAXIAL ELF MAGNETIC FIELD METER - MODEL 4080 : Division of Bell Technologies INC.)를 따로 측정하였다.

전파원은 실험 장비중의 코팅 테스터기(220V, 30A)로 거리별(5 cm, 10 cm, 15 cm, 30 cm, 50 cm, 80 cm)로 동일 조건하에서 측정하였다. 전자파 차폐 효율은 다음 식으로 구할 수 있다.

SE = 20 log E₁/E₂ = 20 log E_i/E_j

(E₁: 입사 전계 강도(V/m); E₂: 전도 전계 강도(V/m); E_i: 입사 자계 강도(mG); 및 E_j: 전도 자계 강도(mG))

결과

금속코팅사의 사용에 따른 양호한 전자파 차폐 효과는 도 7 및 도 8에 제시되어 있다. 금속코팅사를 사용한 쪽(시료 E 및 시료 C)이 그렇치 않은 쪽(시료 A 및 시료 B)에 비해 현저히 높은 전자파 차단 효율을 나타내었다.

전자파 차폐의 목적으로 섬유 원단에 금속 코팅을 하게 되면 원단 전체에 금속 코팅이 이루어지게 되나, 본 발명에 따라 정경 공정 후 경사빔 상태의 원사에 금속 코팅을 하게 되면 공정을 간소화할 수 있을 뿐 아니라, 원단 제작시에 금속코팅사를 필요량만큼 첨가할 수 있게 된다. 즉, 소정의 대전방지성능 또는 전자파 차폐 성능을 얻기 위해 필요한 정도의 금속코팅사를 사용하여 원단을 제작할 수 있다. 또한, 이와 같이 제조된 원단은 추후 염색이 가능하다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 금속 코팅에 사용되는 스퍼터링의 개요도이다.

도 2는 본 발명에 따른 금속 코팅의 측면 모식도이다.

도 3은 본 발명에 따른 금속 코팅시 경사빔의 상태를 도시한다.

도 4는 본 발명에 사용가능한 금속 코팅 장비의 일례를 도시한다.

도 5는 각 시료의 면포에 대한 마찰대전압 측정 결과를 나타낸다.

도 6은 각 시료의 나일론포에 대한 마찰대전압 측정 결과를 나타낸다.

도 7은 시료 A와 시료 E의 전자파 차폐 측정 결과를 각각 나타낸다.

도 8은 시료 B와 시료 C의 전자파 차폐 측정 결과를 각각 나타낸다.

Claims (5)

1. 정경 후 경사빔 상태의 원사에 금속 코팅을 행하는 것을 특징으로 하는 금속코팅사의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 금속 코팅은 무전해도금 또는 스퍼터링인 것을 특징으로 하는 금속코팅사의 제조 방법.
3. 정경 후 경사빔 상태의 원사를 금속 코팅하고, 이렇게 얻어진 금속코팅사를 필요량만큼 경사 또는 위사에 첨가하여 원단을 제직하는 금속코팅사의 제조 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 원단은 직물, 편물, 부직포 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 금속코팅사의 제조 방법.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 원단은 대전방지성능 또는 전자파 차폐 성능을 가지는 것을 특징으로 하는 금속코팅사의 제조 방법.