KR100957643B1 - 전도성 원단의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기저층, 전도층 및 절연층을 포함하는 전도성 원단의 제조방법으로서, 합성섬유, 재생섬유 또는 천연섬유로 형성된 기저층의 상부에 통전가능한 전도층을 형성하는 단계; 및 상기 전도층의 상부에 전도층의 손상을 방지하기 위한 절연층을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 전도층을 형성하기 전에, 기저층의 표면을 평활하게 하고, 기저층의 공극을 상쇄하며, 내굴곡성을 보완하기 위해 상기 기저층의 원단을 압착 롤러로 가압하는 카렌더링단계를 더 포함함을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법을 제공한다.
스마트 의류, 전도성, 인쇄회로기판

Description

전도성 원단의 제조방법{Method for fabricating flexible printed conductive fabric}
본 발명은 전도성 원단의 제조방법에 관한 것으로, 특히 전도성 회로 패턴을 자유롭게 또는 임의적으로 형성할 수 있는 전도성 원단의 제조방법에 관한 것이다.
스마트 의류(Smart Wear)는 섬유 패션 제품 내에 신호 전달성 섬유 신기술을 적용하고 각종 디지털 장치들을 내장시킴으로써, 언제 어디에서나 디지털 기능을 사용할 있도록 고안된 신종 제품이다. 즉 섬유 또는 의류의 속성을 유지하면 필요한 디지털 기능들을 섬유재료 및 의류에 탑재시킨 신종의류이다. 이 때문에 일반 직물과 다름없는 촉감과 물성을 나타내는 동시에 디지털 신호를 전달하여야 한다. 따라서 섬유나 의복 자체가 외부 자극을 감지하고 스스로 반응하는 소재의 기능성(Hifunction materials properties) 및 의복 및 직물 자체가 갖지 못한 디지털 기능(Digitalized properties)을 결합한 새로운 개념의 의류를 총칭한다 할 수 있다.
1990년대 중반부터 군사용으로 개발하기 시작한 스마트 웨어(Smart Wear)는 현재 의류 분야와 의료 분야 등에서 가장 활발하게 개발되고 있다. 특히 프린팅 전자 기술을 이용한 스마트 소재는 착용형 컴퓨터(wearable computer)의 군사용 섬유제품에 다양하게 사용될 수 있다. 스마트 소재에서 의류의 특성과 전기적 특성을 갖는 전도성 섬유직물과 각종 부품을 연결하는 인터커넥션(interconnection) 방법으로 프린팅 전자 기술이 이용될 경우, 직물 기반의 전자 회로 설계가 가능하기 때문에 적용 가치가 높다. 예를 들어 프린팅 전자 기술을 군복에 적용할 경우 무게 경감, 부피 축소의 가능성이 있으며, 이에 따라 부상치유 기능, 통신 기능 등이 일체형으로 된 군복 개발이 가능해진다. 첨단을 지향하는 현대전에서도 군인은 완전무장시 45㎏이 넘는 장비를 짊어져야 하기 때문에 본 기술의 개발이 절실히 요구된다. 이러한 스마트 의류를 제조하기 위해서는 Body Area Network (BAN)를 위한 여러 가지 요소들을 통합하는 기술이 요구된다.
이를 위하여 다양한 방식들이 제안되고 있는데 절연된 전선이나 전기 전도성이 부여된 금속사 또는 절연 방적사로 직물을 형성하는 하는 것이 그 예이다. 이러한 방식은 전기전도성 금속사나 방적사의 개수와 크기에 의해 전도성이 결정된다.
상기 제안되고 있는 방식에서, 절연된 전선을 최종 의류에 부착하는 방식의 문제점으로는, 최종 공정에서 절연 전선을 부착/절연시키는 공정이 추가되어 결과적으로 비용의 상승이 초래하며, 또한 착용자의 지속적인 사용으로 인해 섬유내 절연선이 단선되어 고유의 기능을 발휘하지 못하는 것이다.
보다 구체적으로 국제공개특허 WO2004/107831에는 전도성 섬유와 비전도성 섬유가 서로 직조되되 상기 비전도성 섬유는 직물에 탄성을 부여하여 선택적으로 직물에 탄력성을 부여할 수 있는 전기전도성 직물이 제안되었다.
또 국제공개특허 WO2003/095729에는 내부에 전자기능을 갖는 다층직물로서 일 이상의 캐비티를 형성하도록 다층의 경위사 방적사; 상기 경위사 사이에 배치되어 일 이상의 캐비티을 형성하는 다수의 층들 중에 하나에서 그 일부분을 갖는 일 이상의 전도성 방적사 및 상기 캐비티에 배치되고 일 이상의 전기 전도성 방적사와 전기적으로 접속되는 일 이상의 회로 캐리어를 포함하는 다층직물이 제안되었다.
한편, 스마트 의류의 기초가 될 수 있는 원단은 다음의 동적 착용성이 필요하다 할 수 있다. 우선 착용자와 기기의 물리적 측면에 대한 기준으로서 부착위치(placement), 기기의 형태(form language), 착용자의 동작(human movement), 착용자의 신체공간인식(human perception of intimate space), 신체치수변화(size variation), 기기의 탈부착방법(attachment)이다.
또한 착용자와 근접 환경과의 관계에 따라 기기의 구성(containment), 기기의 무게(weight), 물리적 근접성(accessibility), 감각 측면에서의 상호작용(sensory interaction), 온도 쾌적성(thermal comfort), 미적/심리적 만족성(aesthetics), 장시간 사용효과(long term effect) 등이다. [Gemperle, F., Kasabach, C., Suvoric, J., Bauer, M., Martin, R. (1998) Design for wearability, Digest of papers 2nd International Symposium of wearable computer, IEEE computer Society]
이러한 관점에서 상기 제안된 스마트 의류를 위한 전기전도성 직물들은 사용될 전자기기의 부착위치나 형태에 대응될 수 있도록 설계되기 어렵다. 즉 착용자와 전자기기의 물리적 측면에 대한 기준의 관점에서 전혀 그 대응방법을 제시할 수 없다. 또한 섬유 고유의 속성을 유지하는 면에 있어서, 예를 들면, 섬유 부피, 세탁성의 제한 등, 기존에 제안된 방식은 그 제한성이 너무 큰 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은 동적 착용성에 대한 제한 없이 원단 상에 자유로운 회로형성이 가능한 전도성 원단의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명의 목적은 전자기기의 형태나 부착위치에 관계없이 자유로운 회로설계가 가능한 전도성 원단의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명의 목적은 단선에 의한 제품결함이나 회로파괴 현상이 없는 전도성 원단의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명의 목적은 전기적인 물성과 의류에 사용될 수 있는 직물의 고유물성을 모두 충족시킬 수 있는 전도성 원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 목적은 발열원단에의 회로설계에 있어, 회로의 꺽이는 부분의 모양을 변형시켜 원활한 전류가 흐를 수 있도록 하는 전도성원단 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
또한 본 발명의 목적은 세탁이 가능한 전도성 원단의 제조방법을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 기저층, 전도층 및 절연층을 포함하는 전도성 원단의 제조방법으로서, 합성섬유, 재생섬유 또는 천연섬유로 형성된 기저층의 상부에 통전가능한 전도층을 형성하는 단계; 및 상기 전도층의 상부에 전도층의 손상을 방지하기 위한 절연층을 형성하는 단계를 포함하되, 상기 전도층을 형 성하기 전에, 기저층의 표면을 평활하게 하고, 기저층의 공극을 상쇄하며, 내굴곡성을 보완하기 위해 상기 기저층의 원단을 압착 롤러로 가압하는 카렌더링단계를 더 포함함을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 카렌더링단계 후에 선택적으로 상기 전도성 원단의 공극을 상쇄시키고, 절연 및 내세탁성, 내굴곡성을 보완하기 위해 투습방수/방수단계를 더 포함함을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 전도층은 전도성 고분자, 탄소(carbon), 금속물질 및 상기 물질과 바인더의 혼합물로 이루어진 군에서 1 이상 선택되어 형성됨을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리피롤 및 폴리티오펜으로 이루어진 군에서 1 이상 선택 되는 것을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 전도층을 형성하는 금속물질과 바인더는 중량기준으로 90 : 10 내지 80 : 20로 포함됨을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법을 제공한다.
상기 바인더는 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 멜리민계 수지 및 에폭시계 수지로 이루어진 군에서 1 이상 선택됨을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 바인더는 수분산성 폴리우레탄임을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 전도층은 2 내지 500㎛ 두께로 형성됨을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 전도층의 두께는 10 내지 20㎛임을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 전도층의 폭은 10 내지 20mm임을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 절연층은 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 폴리에스테르계 수지, PVC계 수지, 및 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)수지로 이루어진 군에서 일 이상 선택된 것을 코팅, 프린팅 또는 라미네이팅하여 형성됨을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 절연층은 직접코팅일 경우 건식코팅으로, 라이네이팅일 경우 핫멜트형 도트식 또는 그라비어 방식으로 형성됨을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 원단의 저항값은 세탁전후 0.5 내지 4Ω임을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법을 제공한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 전도성 원단의 제조방법은 전도층상에 자유로운 패턴형성이 가능하다. 따라서, 다양한 동적 착용성을 보장하면서 전도성 기능 구현이 가능하다.
또한 본 발명에 의한 원단 및 제조방법은 섬유원단의 특징인 탄력성과 유연 성으로 인해 굴곡이나 접힘에 관계없이 회로설계가 가능하며, 또 이로 인한 단선과 같은 회로손상의 가능성이 극히 적은 효과가 있다.
또한 본 발명에 의한 원단 및 제조방법은 연속공정에 의해 생산이 가능한 장점이 있다.
또한 본 발명에 의한 원단 및 제조방법은 피복성, 쾌적성, 투습방수성, 인장강도와 같은 원단(의류)으로서 기능을 보유하면서, 통전이 가능한 전기적 기능을 함께 보유하는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의한 원단 및 제조방법은 세탁이 가능한 매우 큰 장점이 있으며 세탁내구성 역시 높은 특징이 있다.
또한 본 발명에 의한 원단 및 제조방법은 프라이머층이 존재하여 전도층이 균일하게 유지할 수 있으며 이로 인해 일정한 전류가 통전될 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 의한 원단 및 제조방법은 절연층을 전도층과 상용성이 있는 소재로 형성함으로써 내굴곡성이 높은 효과가 있다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 명세서에서 사용되는 “원단”이라 함은 제직 또는 편직에 의해 제조되는 물품, 부직포 및 섬유상 웹 등을 모두 포함하는 의미로 사용한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 원단의 단면도를 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 전도성 원단(10)은 기저층(100), 선택적 프라이머층(200), 전도층(300), 그리고 절연층(400)으로 구성될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 원단에 있어서, 기저층(100)은 여하한 형태의 직물, 편물, 부직포 또는 섬유상의 웹 등일 수 있다. 그 소재와 형성방법에 제한 없이 적용될 수 있다. 예를 들어 폴리에스터/폴리아미드/폴리우레탄 등의 합섬섬유, 레이온/아세테이트 등의 셀룰로오즈 재생 섬유, 면/양모/등의 천연섬유로 이루어질 수 있다.
기저층(100)이 미시적으로 그 표면이 매우 불균일하며 섬유간의 간극으로 인해 미세한 기공들이 극도로 많이 존재한다. 따라서 이러한 표면의 균일성을 확보하고 후술할 전도층이 균일한 두께로 형성되도록 하며, 전도층을 형성하는 물질이 기저층(100)의 이면으로 침투하지 못하게 하기 위하여 상기 기저층(100)의 상부에는 프라이머층(200)이 형성될 수 있다. 다만 상기 프라이머층은 선택적으로 원단에 형 성될 수 있음을 의미하며 원단의 특성에 따라 배제될 수 있음은 물론이다.
프라이머층(200)은 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 및 실리콘계 수지 등으로 이루어진 군에서 일 이상 선택된 것일 수 있다.
한편 본 발명에 의한 프라이머층(200)은 상기 물질로 이루어진 단일층으로 형성될 수 있고, 발수층(미도시)과 함께 복층구조로 형성될 수 있다. 상기 발수층은 일반 발수가공법에 의해 수행될 수 있고 비제한적인예로 불소 또는 실리콘 재질로 이루어질 수 있다. 상기 발수층이 형성되는 경우 전도층이 형성될 표면 및/또는 이면에 형성될 수 있다. 이 경우 전도층을 구성하는 수지성분이 제조공정에서 원단에 스며드는 현상을 방지할 수 있는 장점이 있다.
프라이머층(200)의 상부에는 전기 전도가 가능한 전도층(300)이 형성될 수 있다. 전도층(300)은 미리 설계된 형태로 형성될 수 있으며 구체적인 형성방법은 후술한다. 전도층(300)은 전도성 고분자, 탄소(carbon), 은(silver)과 같은 금속물질 및 상기 물질과 바인더의 혼합물로 이루어진 군에서 1 이상 선택된 것일 수 있는데, 구체적으로 도전성 필러를 비히클에 분산한 것으로 프린팅 후의 경화막이 도전성을 나타내는 소재를 말하며, 통상적으로 LCD전극 프린팅, 터치스크린 프린팅, 회로기판의 통전 패턴 프린팅, 박막 스위치 판의 접점부 및 패턴부 프린팅, 전자파 실드용으로 사용되고 있다. 상기 도전성 필러의 비제한적 예로는 도전성 금속(은, 금, 백금, 팔라듐, 구리 및 니켈 등)이 있으며, 이 중 은(銀)계가 바람직하다. 한편 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리피롤 및 폴리티오펜으로 이루어진 군에서 1 이상 선택된 것일 수 있다.
전도층(300)의 두께는 2 내지 500㎛가 바람직한데, 상기 범위 미만인 경우 전도층 두께의 균일성을 확보하기 어려운 문제점이 있고, 상기 범위를 초과하는 경우 저항값이 상승하여 전력소모가 증가되는 문제가 있다. 더욱 바람직하게는 10 내지 20㎛일 수 있다. 또한 전도층(300)의 폭은 10 내지 20mm 정도가 바람직한데, 전도층의 폭이 증가할수록 저항값이 저하되어 전류가 안정적으로 통전할 수 있기는 하나 전도층의 폭이 제한없이 증가하면 제조원가문제와 함께 피복성에 문제가 있다. 한편 본 발명에 의한 원단의 저항치는 세탁전후로 0.5 내지 4Ω을 유지함이 바람직한데, 상기 범위미만은 현실적으로 구현되기 어려우며 상기 범위를 초과하는 경우 전류가 안정적으로 통전하는데 문제가 있다.
한편 상기 바인더는 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 멜리민계 수지 및 에폭시계 수지로 이루어진 군에서 일 이상 선택된 것일 수 있으며, 바람직하게는 수분산성 폴리우레탄계 수지일 수 있다.
전도층(300)의 상부에는 절연층(400)이 형성될 수 있다. 절연층(400)은 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 폴리에스테르계 수지, PVC계 수지, 및 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)수지로 이루어진 군에서 일 이상 선택된 것을 코팅, 프린팅 또는 라미네이팅하여 절연층(400)을 형성할 수 있다. 절연층(400)은 전도층에 크랙(Crack)과 같은 손상을 방지하며, 원단에 유연성을 부여하며 투습방수 또는 방수기능을 수행할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 전도성 원단의 제조방법을 설명하기로 한다. 도 2a 및 2b는 본 발명에 의한 전도성 원단의 제조방법을 나타낸 공정 도이다.
전술한 바와 같이 기저층(100)을 형성하는 원단이 준비되면, 직물이나 편물의 경우 표면 요철의 단점을 보상하기 위해 두개의 압착 롤러사이로 상기 기저층의 원단을 공급한다. 이로서 기저층(100)의 표면은 평활하게 되고, 기저층(100)의 공극이 상쇄될 수 있으며, 내굴곡성을 보완할 수 있다.(카렌더링단계) 이러한 카렌더링단계는 원단의 특성에 따라 선택적으로 수행할 수 있는 공정이다.
상기 카렌더링단계를 거친 또는 카렌더링하지 아니한 기저층을 구비한 원단은, 표면 공극을 보다 적극적으로 제어하고 전도층(300)의 두께균일성을 위해 프라이머층(200)을 형성할 수 있다. 프라이머층(200)은 나이프 롤러방식, 오버롤 코팅, 플로팅 나이프 코팅, 또는 나이프 오버 코팅, 라미네이팅, 프린팅 또는 그리비아 코팅에 의해 형성될 수 있다.(프라이머층형성단계) 전술한 바와 같이 상기 프라이머층도 선택적으로 형성될 수 있다.
한편 프라이머층을 형성함에 있어 전술한 바와 같이 발수층을 형성하여 복층구조로서 프라이머층을 구성하는 경우 상기 발수층은 카렌더링단계 전 또는 후에 실시할 수 있다. 도 2a에 도시된 공정도에서는 카렌더링단계 전에 발수층을 형성하는 단계를 예시한 것이고 도 2b에 도시된 공정도는 카렌더링단계 후에 발수층 및/또는 프라이머층을 형성하는 단계를 예시한 것이나 이에 한정되는 것은 아니다.
프라이머층(200)이 형성되거나 기저층이 구비된 원단에 대하여, 그 상부에 미리 설계된 형태에 따라 전도층(300)이 형성된다. 전도층(300)이 도포되는 방식은 코팅, 인쇄, 전사나염 등 다양한 방식이 적용될 수 있다. 특히 본 발명의 바람직한 실시예에서는 프린팅을 통하여 전도층(300)을 형성하는 방법을 예를 들어 설명한다. 프린팅법에 의할 경우 사용될 전자기기의 부착위치 등에 제한 받지 않으면서 설계된 형태에 따라 원단에 회로를 설계할 수 있다. 이러한 점에서 본 발명에 의한 원단은 유연성 직물(원단)기반 인쇄회로기판(Flexible Printed Fabric Circuit Board, FPFCB)이라 명칭될 수 있다.
상기 전도층(300)은 2 내지 500㎛ 두께로, 10 내지 20mm 정도의 폭으로, 원단의 저항값은 세탁전후 0.5 내지 4Ω을 유지함이 바람직하다. 또한, 전극에 있어 탄소는 1 내지 30중량%, 은(silver)은 1 내지 70중량%일 수 있다. 발열층 및/또는 전도층에 사용될 수 있는 바인더는 프라이머층(200)과의 상용성을 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘 수지, 멜라민계 수지 및 에폭시계 수지로 이루어진 군에서 일 이상 선택된 것일 수 있다.(전도층형성단계)
도 3a 및 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 원단에 전도층을 형성시킨 예를나타낸 것으로서 도 3a는 자유로운 회로패턴을 구현한 것이고 도 3b는 전도층의 회로패턴에서 꺽이는 부분(310)이 직선회로(330)보다 상대적으로 폭이 넓은 형태(350)로 형성된 예를 나타낸 것이다. 도 3b에서는 상기 형태로서 원형의 형상을 예시한 것이나 그 형태는 이에 한정되는 것은 아니며, 직선회로의 폭보다 넓은 폭의 형태라면 원형, 타원형 등 기타 형태의 채택도 가능함은 물론이다.
상기 꺽이는 부분을 상대적으로 폭이 넓은 형태로 형성하는 것이 보다 바람직한데 이유는 하기의 식으로 뒷받침될 수 있다.
W = I2R
R = ρ L/S
W: 전력, R: 저항, ρ: 비저항, L: 도선의 길이, S: 단면적
상기 식에 따라 면적이 증가함에 따라 저항은 작아지며, 그와 함께 전류의 흐름이 커진다. 따라서 기본적으로 꺽이는 부분(310)이 넓은형태(350)으로 이루어짐으로써 전류량을 증가시키는 요인이 될 수 있다.
만약, 도선의 꺽이는 부분(310)이 직각 내지 각이 진 형태로 이루어진 경우 급작스런 전류 흐름의 변화로 서지(Surge) 현상이 생겨 발열 반응이 발생하게 될 우려가 있다.
상기의 서지 현상이란, 전선 또는 전기 회로를 따라서 전달되며, 짧은 시간 급속히 증가하고 서서히 감소하는 특성을 지닌 전기적 전류, 전압 또는 전력의 과도 파형을 말한다. 번개 치는 날 전기가 끊어지고 전화가 불통되거나 예민한 반도체가 파괴되는 주요 원인이다. 전력선에서의 급격한 과전압 특히 서지가 강하거나 길면 절연 파괴나 전자 기기에 장애를 줄 수 있으므로 서지 보호기나 서지 억제 장치를 전원 단자와 컴퓨터 단자 사이에 설치해서 전류 변화를 억제하거나 최소화한다.
따라서, 본 발명에서는 꺽이는 부분(310) 부분의 면적을 변화시킴으로써 저향값을 저하시켜 서지 현상의 발생을 최소화하고 전류량이 증가하여도 원활하게 흐 를 수 있도록 한다.
전도층(300)이 형성된 후 그 상부에 절연층(400)을 형성할 수 있다. 절연층(400)은 용제형 폴리우레탄계 수지, 수분산성 폴리우레탄계 수지, 유용성 아크릴계 수지, 수용성 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)계 수지를 직접코팅, 프린팅, 라미테이팅하여 형성될 수 있다. 상기 코팅방식일 경우 건식방법이 바람직하며, 라이네이팅 방식일 경우 핫멜트형 도트식 또는 그라비어 방식이 바람직하다.(절연층형성단계)
상기 절연층형성 단계에 있어 코팅 방식의 경우, 코팅 조성물에 따라 저항값이 달라지며, 그에 따른 내구성에 영향을 줄 수 있다.
또한, 상기 절연층은 원단의 단면뿐만 아니라 양면에 형성시킬 수 있다. 따라서, 원단 특성상 여러 번의 세탁이 요구됨을 감안할 때, 장기적으로 절연 현상이 나타날 수 있도록 하기 위한, 즉 탁월한 내세탁성이 발휘될 수 있는 코팅 조성물의 선택은 중요한 요소이다.
한편, 상기 카렌더링단계 후에 선택적으로 기저층(100)을 구성하는 원단에 투습방수가공 또는 방수가공을 처리할 수 있다. 투습방수 또는 방수처리로 형성되는 기공은 기저층을 구성하는 원단의 공극을 상쇄시킬 뿐만 아니라 절연 및 내세탁성, 내굴곡성을 보완하는 역할을 한다. 투습방수가공에 사용되는 물질은 전도성 소재와 상용성이 있는 수지를 도포하는 것이 바람직하다.(투습방수/방수단계)
이와 같이 본 발명에 의한 원단은 원단을 설계함에 있어 통전이 요구되는 영역을 미리 형성할 필요가 없고 이미 제조된 원단 또는 의류에 직접 전도영역을 형 성할 수 있고 전도영역이 형성되어도 착용성에 제약이 되지 아니하여 동적 착용성이 확보되는 특징이 있다.
실시예 1
폴리에스테르 평직인 원단에 카렌더링 단계를 거치고 불소발수가공 및 용제형 폴리우레탄 수지로 프라이머층을 형성시킨 후, 상기 프라이머층 상부에 은 페이스트로서 전도층을 형성하였다. 이후 액상 실리콘 고무를 사용하여 절연층을 형성하였다. 상기 전도층은 폭 10mm, 두께 10㎛으로 스크린 프린팅법에 의해 형성하였다.
실시예 2
상기의 실시예 1과 동일하되, 프라이머층을 형성함에 있어 불소발수가공만을 행하였다.
실시예 3
상기의 실시예 1과 동일하되, 프라이머층을 형성함에 있어 실리콘으로 발수가공을 하고 실리콘과 아크릴의 혼합수지로서 프라이머층을 형성하였다.
실시예 4
상기의 실시예 1와 동일하되, 프라이머층을 형성함에 있어 실리콘발수가공 만을 행하였다.
실시예 5
상기의 실시예1과 동일하되, 전도층을 형성함에 있어 은 페이스트와 아크릴계 바인더를 사용하였다. 이 때 은 페이스트와 바인더의 함량비(중량기준)는 90:10이다.
실시예 6
상기의 실시예 2와 동일하되, 전도층을 형성함에 있어 은 페이스트와 아크릴계 바인더를 사용하였다. 이 때 은 페이스트와 바인더의 함량비(중량기준)는 90:10이다.
실시예 7
상기의 실시예 1와 동일하되, 전도층을 형성함에 있어 은 페이스트와 수분산성 폴리우레탄계 바인더를 사용하였다. 이 때 은 페이스트와 바인더의 함량비(중량기준)는 90:10이다.
실시예 8
상기의 실시예 2과 동일하되, 전도층을 형성함에 있어 은 페이스트와 수분산성 폴리우레탄계 바인더를 사용하였다. 이 때 은 페이스트와 바인더의 함량비(중량 기준)는 90:10이다.
실시예 9
상기의 실시예 1과 동일하되, 전도층을 형성함에 있어 은 페이스트와 실리콘계 바인더를 사용하였다. 이 때 은 페이스트와 바인더의 함량비(중량기준)는 90:10이다.
실시예 10
상기의 실시예 2와 동일하되, 전도층을 형성함에 있어 은 페이스트와 실리콘계 바인더를 사용하였다. 이 때 은 페이스트와 바인더의 함량비(중량기준)는 90:10이다.
실시예 11
상기의 실시예 7과 동일하되, 은 페이스트와 바인더의 함량비를 95:5로 하였다.
실시예 12
상기의 실시예 7과 동일하되, 은 페이스트와 바인더의 함량비를 85:15로 하였다.
실시예 13
*상기의 실시예 7과 동일하되, 은 페이스트와 바인더의 함량비를 80:20으로 하였다.
실시예 14
상기의 실시예 8과 동일하되, 은 페이스트와 바인더의 함량비를 95:5로 하였다.
실시예 15
상기의 실시예 8과 동일하되, 은 페이스트와 바인더의 함량비를 85:15로 하였다.
실시예 16
상기의 실시예 8과 동일하되, 은 페이스트와 바인더의 함량비를 80:20으로 하였다.
실시예 17
상기의 실시예 7과 동일하되, 전도층을 20mm의 폭으로 스크린 프린팅법에의해 형성하였다
실시예 18
상기의 실시예 7과 동일하되, 전도층을 10㎛의 두께로 스크린 프린팅법에 의해 형성하였다.
비교예 1
상기의 실시예 7과 동일하되, 전도층을 형성하지 않았다.
시험결과
1. 내세탁성
* 시험방법 (KS K ISO 6330)
상기 각각의 실시예들로부터 제조된 원단을 세탁하고 이들의 저항변화를 측정함으로서 내세탁성이 확보되는 조건을 파악하였다. 구체적으로 수평형 드럼 세탁기(WDCR 1010, LG Electronics, Inc)에서 세제를 포함시키지 않고 울코스(57분), 고온건조조건(1 시간) 후 각각의 원단의 저항치 및 변화율을 측정하였다. 그 결과는 하기 표 1과 같다.
Figure 112009068792836-pat00001
* 평가
실시예 7 및 8과 관련된 시료에서 상대적으로 낮은 저항 증가율이 나타났다. 실시예 1 및 2의 경우 도 4a 및 4b와 같이 1회 세탁에서도 전도층 표면상에 크랙이 발생하여 전류의 흐름을 방해하여 저항 증가폭이 증가한 것으로 관찰되었으나 도 4c 및 4d에서와 같이 실시예 7 및 8의 시료는 4회 세탁 후에도 전도층 표면이 손상되지 아니하였다. 이는 바인더의 혼합으로 원단과 은 페이스트간의 부착성이 향상되고 특히 수분산성 폴리우레탄계 바인더의 경우 은 페이스트와 혼합된 폴리우레탄의 고유한 특성(탄성)에 의해 세탁에 따른 마찰과 물리적인 변형을 완화시켜 크랙 발생을 줄여 저항증가폭이 줄어든 것으로 판단된다.
2. 바인더 함량에 따른 영향 평가
* 시험방법 (KS K ISO 6330)
바인더의 함량은 각각 0 내지 20wt%까지 변화시켜 이들의 세탁 후 저항값 및 저항변화율을 측정하였다. 그 결과는 하기 표 2와 같다.
Figure 112009068792836-pat00002
상기와 같이 수분산성 폴리우레탄계 바인더의 혼합으로 세탁에 따른 저항값 증가량이 대폭 중어들었으나 바인더 함량에 따라 초기저항 값이 증가하는 현상이 나타났다. 또한 바인더 함량이 5중량% 일 때 내세탁성은 저하되고, 20중량% 일 때 세탁성은 우수하더라도 초기 저항값이 상승하는 현상이 관찰되었다. 또한 세탁 전후로 전도층의 저항값은 0.5 내지 4옴으로 유지되어야 바람직한 통전성을 유지하는 것으로 판단된다.
3. 전도층의 발열온도측정
일반적으로 저항이 일정 수준 이상 높게 되면, 전압 인가시 과부하로 인한 전류흐름방해를 받게 된다. 따라서 본 발명의 일실시예들에 의한 원단에도 전도층에도 발열현상이 발생할 수 있으며, 특히 전원연결부위, 패턴형상에 그러하다. 전극두께, 너비, 바인더의 혼합량의 변수값을 변경하여 측정하였다. (측정방법 : 열화상카메라, InfraCAM, FLIR system)
(1) 바인더 혼합량에 따른 발열패턴
표 3은 실시예 1(0%), 11(5%), 7(10%), 12(15%), 13(20%)에 따른 발열패턴사진이다. 상기 결과로부터 바인더의 혼합량이 증가할수록 발열온도가 증가하는 현상이 발생하였다. 이는 전도층을 구성하는 무기성분에 비전도성물질(유기물질)이 혼합됨으로써 전기전도성을 저하시킨 결과로 판단된다. 한편 상기 시험 1에서와 같이 바인더를 혼합한 실시예가 내세탁성이 증가하는 현상을 고려할 때 내세탁성과 전기전도도 간의 최적조건을 도출하여야 함을 알 수 있다. 이러한 점에서 바인더의 혼합량은 10 내지 15중량%가 가장 바람직한 것으로 판단된다.
Figure 112009068792836-pat00003
*(2) 전도층 선폭에 의한 영향
표 4는 실시예 7(1cm) 및 실시예 17(2cm)의 발열패턴사진이다. 실시예 7에 의한 원단의 경우 50℃ 대역의 발열이 발생하였다. 이는 전하의 흐름이 용이하지 않은 것으로 판단된다. 한편 실시예 17의 경우에는 발열현상이 저하되는 것으로 관찰되었다.
Figure 112009068792836-pat00004
(3) 전도층 두께에 의한 영향
표 5sms 실시예 7(10㎛) 및 18(20㎛)의 발열패턴사진이다. 사진에서와 같이 실시예 7은 약 45℃ 대역의 발열이 형성되었고, 실시예 18은 약 29℃ 대역에서 발열현상이 관찰되었다. 이를 통해 전하는 전도층의 두께에도 영향을 받는 것으로 판단된다.
Figure 112009068792836-pat00005
4. 인장강도 평가
실시예 7 및 비교예 1을 대상으로 ASTM D 503494 방법으로 인장실험을 실시하였다. 구체적으로 각각의 원단시편은 폭 50±1㎜, 길이 150㎜로 형성하고 원단을 A,B,C,D로 네 부분으로 잘라 각 인장 강도를 인스트론(Instron 4444, series Ⅸ)를 이용하여 기계적 물성을 측정하였다. 결과는 표 6과 도 8a 내지 8d와 같다. 이때, 하중(Load cell) 2kN, 거리(gauge length) 75±1㎜, 인장속도(crosshead speed) 300㎜±10㎜/min으로 하고 5회 이상 측정하였다.
또한 전기적 물성은 위 인장 실험 시 크램프에 고정된 시료의 전도층 패턴에 멀티미터 기기의 집게로 연결하여 인장변형에 따른 저항값을 실시간으로 측정하였다.
Figure 112009068792836-pat00006
상기 결과로부터 본 발명의 일실시예에 의한 원단이 비교예 1과 같은 일반원단에 비해 인장강도 및 신도는 큰 변화를 보이지 않았음을 알 수 있다. 특히 실시예 7에서 전도층 패턴이 다름에도 각 인장강도와 신도가 유사한 결과를 보이는데 이는 전도층 패턴에 따른 영향이 없음을 의미한다. 즉, 전도층 패턴이 원단의 인장강도, 신도에 영향주지 않으므로 원단상 자유로운 인쇄가 가능하여 본 발명에 의한 원단의 동적 착용성을 확보할 수 있음을 의미한다.
한편 도 9는 실시예 7의 인장변형시의 저항값의 변화를 나타낸 그래프로써,내었상기 결과에서 인장길이가 증가할수록 저항값도 서서히 증가하다가 인장길이 약 20 내지 24mm에서 저항값이 급격히 증가함을 알 수 있다. 이는 전도층의 패턴이 절단되었기 때문으로 파악된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
특히 본 발명을 설명함에 있어 스마트 의류에 적용되는 예만을 설명하였으나 본 발명에 의한 전도성 원단은 그 자체로 전자기기의 회로기판이나 부품으로서 적용될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 전도성 원단의 단면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전도성 원단의 제조공정도.
도 3a 및 3b는 본 발명의 일실시예에 따른 원단에 자유로운 전도층 패턴 및 꺽이는 부분에 넓은 형태가 형성된 전도층 패턴의 예시도.
도 4a 내지 4d는 실시예 1의 1회 세탁 후, 실시예 2의 1회 세탁 후, 실시예 7의 4회 세탁 후, 실시예 8의 4회 세탁 후 전도층의 표면 사진.
도 5는 실시예 1 내지 4의 세탁 단계별 저항값 그래프.
도 6은 실시예들에 따른 세탁 단계별 저항값 그래프.
도 7은 바인더 함량에 따른 세탁 단계별 저항값 그래프.
도 8a 및 8d는 실시예 7에 의한 원단 A, B, C, D의 응력신장 그래프.
도 9는 실시예 7의 인장변형시의 저항값의 변화를 나타낸 그래프.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
10: 전도성 원단
100: 기저층 200: 프라이머층
300: 전도층 400: 절연층

Claims (13)

  1. 기저층, 전도층 및 절연층을 포함하는 전도성 원단의 제조방법으로서,
    합성섬유, 재생섬유 또는 천연섬유로 형성된 기저층의 상부에 통전가능한 전도층을 형성하는 단계; 및
    상기 전도층의 상부에 전도층의 손상을 방지하기 위한 절연층을 형성하는 단계를 포함하되,
    상기 전도층을 형성하기 전에, 기저층의 표면을 평활하게 하고, 기저층의 공극을 상쇄하며, 내굴곡성을 보완하기 위해 상기 기저층의 원단을 압착 롤러로 가압하는 카렌더링단계를 더 포함함을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 카렌더링단계 후에 선택적으로 상기 전도성 원단의 공극을 상쇄시키고, 절연 및 내세탁성, 내굴곡성을 보완하기 위해 투습방수/방수단계를 더 포함함을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전도층은 전도성 고분자, 탄소(carbon), 금속물질 및 상기 물질과 바인더의 혼합물로 이루어진 군에서 1 이상 선택되어 형성됨을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리피롤 및 폴리티오펜으로 이루어진 군에서 1 이상 선택 되는 것을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 전도층을 형성하는 금속물질과 바인더는 중량기준으로 90 : 10 내지 80 : 20로 포함됨을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 바인더는 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 멜리민계 수지 및 에폭시계 수지로 이루어진 군에서 1 이상 선택됨을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 바인더는 수분산성 폴리우레탄임을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전도층은 2 내지 500㎛ 두께로 형성됨을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전도층의 두께는 10 내지 20㎛임을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전도층의 폭은 10 내지 20mm임을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 폴리에스테르계 수지, PVC계 수지, 및 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)수지로 이루어진 군에서 일 이상 선택된 것을 코팅, 프린팅 또는 라미네이팅하여 형성됨을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 절연층은 직접코팅일 경우 건식코팅으로, 라이네이팅일 경우 핫멜트형 도트식 또는 그라비어 방식으로 형성됨을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 원단의 저항값은 세탁전후 0.5 내지 4Ω임을 특징으로 하는 전도성 원단의 제조방법.
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US6331356B1 (en) * 1989-05-26 2001-12-18 International Business Machines Corporation Patterns of electrically conducting polymers and their application as electrodes or electrical contacts

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