KR100737190B1 - 탄소섬유사를 이용한 저밀도 면상 발열체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 면상 발열체에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 탄소섬유사를 사용하여 전체적으로 매우 낮은 경위사 밀도를 가지도록 직조되고, 도전사에 의해 직조된 도전부가 구비된 저밀도 면상 발열체에 관한 것이다.

본 발명에 따른 탄소섬유사를 이용한 저밀도 면상 발열체는, 위사의 탄소섬유사를 사이에 두고 1조를 이루는 2본의 경사가 서로 상하좌우로 교차하면서 꽈배기 형태의 꼬임을 형성하여, 탄소섬유사가 상기 2본의 경사가 형성하는 꼬임 사이를 통과하는 형태로 경·위사가 교차되어 이루어진 사 밀도가 낮은 망상의 발열부와; 상기 발열부의 양측에 밴드상으로 촘촘하게 배열된 경사의 도전사와 위사의 탄소섬유사와의 교차에 의해 형성된 밴드상의 도전부;를 갖는 것을 특징으로 한다.

면상 발열체, 밀도

Description

탄소섬유사를 이용한 저밀도 면상 발열체{Heat emitting fabric of low density using carbon fiber}

도 1은 종래의 면상 발열체의 일례를 보여주는 도면이고,

도 2는 종래의 면상 발열체의 다른 예를 보여주는 도면이며,

도 3a, 3b는, 본 발명의 실시예에 따른 면상 발열체들의 전체적인 구성을 나타낸 도면이고,

도 4a는 도 3a의 A부분을 확대하여 나타낸 도면이며,

도 4b는 도 3a의 B부분을 확대하여 나타낸 도면이고,

도 5는 본 발명에 따른 면상 발열체에 사용되는 동사의 구조를 보여주는 도면이다.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

1. 면상 발열체 11. 탄소섬유사

12. 경사 1조 12a, 12b. 일반 섬유사

13. 동사

13a. 멀티필라멘트사 13b. 동선필라멘트

E. 도전부 H. 발열부

본 발명은 면상 발열체에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 탄소섬유사를 사용하여 전체적으로 매우 낮은 경위사 밀도를 가지도록 직조되고, 도전성 금속사에 의해 직조된 도전부가 구비된 저밀도 면상 발열체에 관한 것이다.

일반적으로 면상 발열체라 함은, 전기 통전에 의해 방사열을 발생시키는 얇은 시트 내지 보드형태의 발열체로서, 온도조절이 용이하고 공기를 오염시키지 않아 위생적이며 소음이 없기 때문에, 온열매트나 온열패드, 침대 매트리스, 보온 이불이나 담요, 아파트나 일반주택 등의 주거용 난방장치에 이르기까지 폭넓게 사용되고 있다.

상기 면상 발열체의 발열원으로는 종래 니크롬, 동니켈 합금과 같은 금속 발열선이 주로 사용되어 왔으나, 이와 같은 니크롬 등의 금속 발열선들은 전기가 한 선을 통해 흐르기 때문에 어느 한 부분이라도 끊어지면 전체 발열선에 전기가 통하지 않게 되므로 발열체로서의 기능을 상실하는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 발열선 부위만 발열되어지는 부분 발열방식이므로, 온도분포가 불균일하게 형성되는 문제점이 있다.

이러한 금속 발열선을 이용하는 종래의 면상 발열체에서의 문제점을 해결하기 위해, 니크롬 등의 금속발열선 대신에 탄소섬유사를 발열선으로 사용하는 면상 발열체가 제안되었다.

탄소섬유사 발열직물을 이용한 면상 발열체에서는 복사에 의한 가열이 가능 하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있으며, 탄소섬유사는 원적외선 방사율이 매우 우수하기 때문에 부가적으로 원적외선의 여러 가지 유용한 효과를 이용할 수 있다는 장점이 있다.

그러나 종래의 탄소섬유사를 이용한 면상 발열체는 경사와 위사를 촘촘하게 배열하여 직조한 직물형태나, 도 1에서 보는 바와 같이 요홈이 형성된 합성수지시트의 요홈에 탄소섬유사를 넣고, 그 위에 다시 시트를 붙인 시트상이 대부분이었다.

그러나, 상기 직물지 형태의 면상 발열체는 경사와 위사의 탄소섬유사 사이에 공간이 없는 형태로 직조되기 때문에 단위면적당 탄소섬유사의 원재료비가 많이 들 뿐만 아니라, 무거워서 의복 등에 내장하여 사용하기에 불편하며, 사간에 틈새가 거의 존재하지 않기 때문에 예컨대 콘크리트 위에 이 면상 발열체를 부착하고 그 위에 시멘트를 발라 온열벽을 시공하는 등에는 사용할 수가 없는 등 사용에 제한이 있었다.

이러한 종래의 탄소섬유사를 이용하여 제직된 면상 발열체의 문제점을 해결하기 위해서는 경위사의 밀도를 극히 낮추어 망형태의 면상 발열체로 만드는 것이 바람직한데, 이렇게 밀도를 낮추어 직조하면 사간의 결속력이 거의 존재하지 않아 형태 안정성이 떨어져서 사용할 수 없다. 특히, 탄소섬유사는 일반적으로 꼬임을 주지 않은 매끄러운 멀티필라멘트사 형태를 취하고 있을 뿐만 아니라 일반 섬유사보다는 매우 강직하기 때문에, 밀도를 낮추어 망형태로 제직할 경우, 제직이 매우 어렵고 제직후에도 취급이 거의 불가능하게 된다.

따라서 탄소섬유사를 이용하여 사의 밀도가 낮은 망형태의 면상 발열체를 제 공하기 위한 시도가 이루어졌는데, 일례로 공개특허공보 제2001-7583호에서는, 도 2에서 보는 형태와 같이 탄소섬유사를 경·위사로 사용하여 이들을 소정의 간격을 두고 배열하여 직조하고 이들이 교차되는 각 부분을 수지 등으로 접착하여 견고히 결합시킨 형태의 면상 발열체가 제안되기도 하였다.

그러나, 상기와 같이 교차점을 결합시키기 위해서는 먼저 그물망 형태로 탄소섬유사를 제직한 다음에 교차점을 결합시켜야 하는데, 제직후에 교차점을 결합시킬 때까지 형태를 유지하면서 취급한다는 것 자체가 공정 특성상 어렵다는 문제가 있다. 그 뿐만 아니라, 강직한 탄소섬유사를 경사로 사용할 경우에는 제직과정에서 기계적 마찰에 의해 많은 문제를 야기시키게 되는 등 제직과정 자체가 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 탄소섬유사를 이용한 면상 발열체의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 첫째, 경위사의 밀도가 극히 낮으면서도 자체적으로 우수한 형태안정성을 갖는 면상 발열체를 제공함에 있고, 둘째로, 별도의 도전부 형성공정을 거칠 필요없이, 원하는 크기로 잘라서 바로 사용 가능한 형태의 다수개의 도전부가 형성된 면상 발열체를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄소섬유사를 이용한 저밀도 면상 발열체의 구성은,

2본/1조를 이루어 사의 직경보다 큰 소정의 조간 간격을 두고 경사로 배열된 일반 섬유사와, 사의 직경보다 큰 소정의 간격을 두고 위사로 배열된 탄소섬유사로 짜여지며, 상기 1조를 이루는 2본의 경사는 서로 상하좌우로 교차하면서 꽈배기 형상의 꼬임을 형성하고, 탄소섬유사가 상기 2본의 경사가 형성하는 꼬임 사이를 통과하는 형태로 교차되어 이루어져 사간에 많은 공간이 존재하도록 이루어진 사의 밀도가 낮은 망상 발열부와; 상기 발열부의 양측에 경사로서 다수본의 도전사가 밴드상으로 촘촘하게 배열되어, 상기 도전사와 탄소섬유사와의 교차에 의해 형성된 1쌍 이상의 밴드상의 도전부;를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 구성에 있어서, 1조를 이루는 1본의 경사는 반드시 물리적으로 1가닥의 실을 의미하는 것은 아니며, 2가닥 이상이라도 마치 1가닥처럼 작용할 경우에는 1본으로 보아야 한다. 즉, 실제로 여러 가닥의 실 또는 멀티필라멘트사 등의 단체를 이루는 실들이 물리적으로 1가닥인 것처럼 동일하게 작용할 경우에도 상기한 1본의 경사로 취급한다.

상기 구성에 의하면, 탄소섬유사는 위사로만 사용되기 때문에 경사로 사용할 때 발생하는 마찰에 의한 문제는 발생하지 않으며, 경·위사의 밀도가 매우 낮으면서도 경사간에 형성된 꼬임에 의해 위사와 경사간의 위치가 고정되어 경·위사의 변위가 방지되는 형태 안정성이 뛰어난 저밀도의 면상 발열체가 제공된다. 또한, 본 발명에 따른 면상 발열체에는 자체적으로 도전부가 형성되어 있기 때문에 후에 별도로 전극을 형성할 필요가 없어 편리하다.

본 발명의 구성에 따르면, 실과 실간의 간격이 사직경의 수 십배 내지 수 백배, 즉 수 ㎜ ~ 수 ㎝에 달하도록 하고도 원하는 정도의 형태안정성을 유지할 수 있다. 따라서 최종 용도에 따라 사간의 간격을 조정하여 원하는 밀도를 갖는 면상 발열체를 얻을 수 있다. 다만, 탄소섬유사의 밀도가 너무 낮으면 발열량이 낮아지므로 원하는 면밀도와 발열량을 감안하여 경·위사의 밀도를 조정하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 도전부를 형성하는 도전사 또한 일반 섬유사로 이루어진 경사와 마찬가지로, 2본의 도전사가 1조를 이루어 탄소섬유사를 사이에 두고 서로 상하좌우로 교차하면서 꼬임을 형성한 형태를 취할 수도 있는데, 도전사는 밴드를 형성하도록 촘촘하게 배열되기 때문에 경·위 1본씩 서로 교차하는 형태의 평직과 같은 일반적인 조직도 무관하다.

한편 상기 전극을 형성하는 도전사로는, 동선, 주석도금동선, 은선, 알루미늄선 등의 도전성의 금속선 등이 사용 가능하지만, 제직의 효율성 면에서는 일반 섬유사를 심사로 하여, 도전성 금속선을 상기 심사와 꼬아서 도전성 금속선이 일반 섬유사를 피복하는 형태로 이루어진 것을 사용하는 것이 바람직하다.

이러한 형태의 도전사는 쉽게 끊어지지 않아 제직에 유리하며, 금속사가 피복되어 외층을 형성하기 때문에 도전성에도 문제가 없다. 상기 도전성 금속선으로는 동선 필라멘트를 들 수 있는데, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 발명에 따른 면상 발열체에는 전체 폭에 대해 상기 도전부가 2쌍 이상 형성될 수 있는데, 이 경우, 사용목적에 따라 원하는 폭만큼씩 잘라서 사용함으로써, 같은 직폭에서도 다양한 폭의 면상 발열체를 얻을 수 있어 편리하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 저밀도 면상 발열체를 더욱 상세하게 설명한다.

도 3a 및 3b는 본 발명에 따른 저밀도 면상 발열체의 바람직한 실시예들을 나타낸 것으로 도 3a는 도전부가 양 가장자리에 1개씩, 도 3b는 도전부가 양 가장자리뿐만 아니라 폭의 가운데 부분에도 형성된 형태이다. 도 4a 및 도 4b는 각각 도 3의 A 및 B부분을 확대하여 도시한 도면이며, 도 5는은 본 발명에서 사용되는 도전사의 일례인 동사의 일부를 분해하여 보여주는 도면이다.

먼저, 도 3a를 참조하면, 본 발명에 따른 저밀도 면상 발열체는 탄소섬유사(11)로 이루어진 위사와 2본이 1조를 이루어 배열된 일반 섬유사(12a, 12b)로 이루어진 경사로 짜여진 발열부(H) 및 상기 탄소섬유사(12a, 12b)로 이루어진 위사와 동사(13)로 이루어진 경사로 짜여진 1쌍의 밴드상의 도전부(E)를 포함한다.

상기 탄소섬유사(11)는 주지하는 바와 같이 통전시 발열을 일으키는 것으로서, 다양한 형태의 탄소섬유사 제조방법이 공지되어 있다. 예컨대, 각종 무기 광물질이 포함된 탄소가루를 페이스트화하여 이를 일반 멀티필라멘트 섬유사에 도포하여 제조하는 방법, 탄소와 텅스텐, 망간 및 스테인레스 등을 고온 용융한 상태에서 실로 뽑는 방법, PAN섬유를 탄화하여 제조하는 방법 등으로 이들은 그 제조방법과 형태가 다르지만 이들 각종 형태의 것들이 적용 가능하다.

상기 경사로 사용되는 일반 섬유사(12a, 12b)는 도전성이나 발열성이 거의 없는 통상의 의류용 내지 산업용 섬유사를 말한다. 따라서, 예컨대 면, 마 등의 천연섬유, 나일론, 폴리에스테르, 폴리프로필렌 등의 합성섬유, 레이온, 아세테이트 등의 재생섬유나 반합성섬유 등이 모두 적용 가능하며 특별히 한정되지 않는다. 이 들은 2본의 경사(12a, 12b)가 한 조를 이루어, 도 4a에서 보는 바와 같이 위사와 교차되는 부분에서는 이들 2본이 각각 위사(11)의 상하로 나뉘어 위사(11)와 각각 교차되고, 위사(11)와 교차되지 않는 부분에서는 2본의 경사(12a, 12b)끼리 서로 좌우로 교차되어 꽈배기 형상의 꼬임을 형성함으로써, 탄소섬유사로 된 위사(11)는 결국 도 4a에서 보는 바와 같이 2본의 경사(12a, 12b)가 형성한 꼬임 사이를 통과하는 형상으로 된다.

따라서, 탄소섬유사(11)는 한 조의 경사(12a, 12b)가 이루는 꼬임의 간격만큼 서로 이격되어 배열되며, 꼬인 경사(12a, 12b)의 교차점의 간격에 의해 위치가 고정되기 때문에, 위사(11)간의 간격은 과도한 변위없이 원하는 간격으로 유지된다.

또한 상기 1조를 이루는 경사(12a, 12b)들도 조들간에 소정의 간격을 두어 배치되는데, 이렇게 함으로써 전체적으로 경사(12)와 위사(11)가 각각 소정 간격을 두고 배치된 격자상의 망을 형성하게 된다. 이들 1조를 이루는 2본의 경사(12a, 12b)들은 탄소섬유사(11)의 상하로 교차하면서 서로 간에 꼬임을 형성하여 탄소섬유사(11)를 잡고 있기 때문에, 경사 조(12)들간의 간격도 과도한 물리력이 가해지지 않는 한 별다른 변위없이 유지될 수 있다.

상기와 같이 경사(12a, 12b) 2본이 교차한 틈사이로 위사(11)가 투공된 형태의 조직을 직기를 사용하여 제직할 때에는, 익종광과 지종광의 2종류의 종광을 사용하여 이들 경사가 위사와 교차될 때 익종광에 통입된 경사(12a)가 좌우방향에서 교대로 지종광에 통입된 다른 경사(12b) 위를 지나 크로스되게 하여 제직한다.

한편, 이렇게 격자상의 망을 이루는 발열부(H)의 양측에는 일반 섬유사(12a, 12b) 대신에, 경사로서 수가닥의 동사(13)를 배치하고, 위사인 탄소섬유사(12a, 12b)와 교차시키면서 직조하여, 탄소섬유사(12a, 12b)와 동사(13)간에 통전이 가능한 밴드를 형성함으로써 도전부(E)를 형성한다. 이 도전부(E) 부분에서의 경·위사의 교차는 다른 부분에서와 마찬가지로 2가닥의 동사(13)를 1조로 하여 꼬임을 형성하도록 할 수도 있지만, 도 4b에서 보는 바와 같이, 경·위사가 한가닥씩 서로 교차하는 통상의 평직으로 되어도 무방하다. 또한, 도전부(E)에서의 동사(13)간의 배치는 간격을 두지 않고 촘촘하게 배열되어 있다.

또, 도 4b에서 보는 바와 같이 이들 전극(E) 주변 또는 폭의 가장자리에는 일반 섬유사로 된 경사(12a, 12b)의 간격을 좀 더 촘촘하게 하여 형태안정성을 높일 수도 있다.

한편, 도전부(E)를 형성하기 위해 사용되는 도전사로서 본 실시예에서는, 도 5에서 보는 바와 같이 폴리에스테르 섬유 필라멘트로 이루어진 심사(13a)의 주위를 동선 필라멘트(13b)로 감싸면서 꼬아서, 동선 필라멘트(13b)가 섬유 필라멘트(13a)를 완전히 감싼 형태의 동사(13)를 사용하고 있다. 이러한 형태의 동사(13)를 사용하는 것이 통상의 금속선을 사용하는 것보다 직기를 사용하여 제직할 때 편리하다.

한편, 도 3의 (b)에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 저밀도 면상 발열체(1')에는 발열부(H)의 중간 중간에 여러 줄의 도전부(E)가 형성될 수도 있다.

즉, 도 3a에서와 같이, 발열부(H)를 폭의 가운데에 두고 양측 가장자리에 각각 1줄씩의 도전성 밴드를 형성하여 1쌍의 도전부를 형성하는 형태 이외에, 발열부 (H)의 중간부분에도 일반 섬유사 대신에 동사(13)로 된 경사를 소정폭만큼 배열하여 직조함으로써 2줄의 도전성 밴드를 형성하면, 도 3b에서 보는 바와 같이 2쌍의 도전부(E)를 가진 저밀도 면상 발열체(1')를 얻을 수 있다.

도면에서 보면, 가운데에 부분에 배치된 2줄의 도전성 밴드 사이에는 소정폭만큼 일반 섬유사로 된 경사를 배열하여 제직한 부분이 존재하는데, 이 부분에서 경사방향으로 자르면 폭이 좁은 2조각의 면상 발열체를 얻을 수 있다. 이들은 원하는 길이만큼 잘라서 방석과 같이 폭이 좁은 제품에 사용할 수 있다.

그리고, 이상과 같이 직조된 탄소섬유사를 이용한 망상 발열체는 최종 용도에 따라 실리콘과 같은 합성수지로 코팅하는 절연가공 등 후가공을 더 거쳐서 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 도전부가 자체적으로 형성된 형태 안정성이 우수한 저밀도의 면상 발열체가 제공된다. 본 발명에 따른 저밀도 면상 발열체는 가볍기 때문에 휴대를 요하는 의복이나 신발 등 각종 물품에 사용하기에 적합할 뿐만 아니라, 온열벽 시공 등에도 사용할 수 있는 등 고밀도의 통상의 탄소섬유사를 이용한 면상 발열체보다 넓은 활용성을 갖는다.

직조된 면상 발열체에 후가공을 거치거나 원하는 크기로 재단하여 다양한 온열제품을 만드는 경우, 본 발명에 따른 면상 발열체는 경·위사의 밀도가 낮으면서도 형태 안정성이 우수하기 때문에 이들 공정에 별다른 어려움이 없이 용이하게 취급이 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 면상 발열체는 같은 직물폭에서 발열부의 폭과 도전부의 수를 임의로 조정하여 제조할 수 있기 때문에, 방석과 같은 좁은 폭의 물건에 이용할 때에나, 온열벽 시공과 같이 넓은 폭이 필요할 때에도 경사의 배열만 조정하여 다양하게 제조할 수 있는 이점이 있다.

Claims (4)

1. 2본/1조를 이루어 사의 직경보다 큰 소정의 조간 간격을 두고 경사로 배열된 일반 섬유사와, 사의 직경보다 큰 소정의 간격을 두고 위사로 배열된 탄소섬유사로 짜여지며, 상기 1조를 이루는 2본의 경사는 서로 상하좌우로 교차하면서 꽈배기 형상의 꼬임을 형성하고, 탄소섬유사가 상기 2본의 경사가 형성하는 꼬임 사이를 통과하는 형태로 교차되어 이루어져 사간에 많은 공간이 존재하도록 이루어진 사의 밀도가 낮은 망상 발열부와; 상기 발열부의 양측에 경사로서 다수본의 도전사가 밴드상으로 촘촘하게 배열되어, 상기 도전사와 탄소섬유사와의 교차에 의해 형성된 1쌍 이상의 밴드상의 도전부를 갖는 것을 특징으로 하는 탄소섬유사를 이용한 저밀도 면상 발열체.
2. 제 1항에 있어서, 상기 도전부를 형성하는 도전사 또한 일반 섬유사로 이루어진 경사와 마찬가지로, 2본의 도전사가 1조를 이루어 탄소섬유사를 사이에 두고 서로 상하좌우로 교차하면서 꼬임을 형성하고, 탄소섬유사가 꼬임의 사이를 통과한 형태로 탄소섬유사와 짜여져서 이루어진 것을 특징으로 하는 탄소섬유사를 이용한 저밀도 면상 발열체.
3. 제 1항에 있어서, 상기 도전사는 일반 섬유사를 심사로 하여, 도전성 금속선을 상기 심사와 꼬아서 도전성 금속선이 일반 섬유사를 피복하는 형태로 이루어진 금속사인 것을 특징으로 하는 탄소섬유사를 이용한 저밀도 면상 발열체.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 면상 발열체의 전체 폭에 대해 2쌍 이상의 도전부가 형성된 것을 특징으로 하는 탄소섬유사를 이용한 저밀도 면상 발열체.

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