KR100959939B1 - 발열원단 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발열원단의 제조방법에 있어서, 합성섬유, 재생섬유 또는 천연섬유로 이루어진 기저층의 상부에 발열층 및 통전가능한 전도층을 동시에 형성하는 단계; 상기 발열층 및 전도층의 상부에 전기적 차폐를 위해 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 발열원단의 제조방법을 제공한다.
스마트 의류, 발열, 전자, 회로

Description

발열원단 및 이의 제조방법{METHOD FOR FABRICATING HEATING FABRIC}
본 발명은 전기전도성 원단에 관한 것으로, 특히 발열원단의 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 미국이나 유럽에서 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 섬유, 직물과 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.
최근 스마트웨어 제조를 위해 연구되는 발열원단은 온도와 습도, 자외선 등 외부 환경과 체온을 측정해 자동으로 발열해 주는 기능을 지닌다. 하지만, 좀더 편안한 착용감과, 세탁에 있어서도 문제가 없도록 하는 내구성에 대한 요구가 증대되고 있는 실정이다.
따라서 전기 전도성 소재의 개발 적용을 통한 유연한 직물기반 회로도(Flexible Print Fabric Circuit Board, FPFCB) 기술 개발 및 제품 개발이 요구된다.
즉, 전기 전도성 물질을 직물 위에 프린팅하여 데이터 전송이 가능한 직물 개발 기술로서, 내구성이 우수한 전기 전도성 소재의 개발, 직물에 전도성 물질을 프린팅할 수 있는 기술 개발, 직물 기반 회로 구성 기술 개발, 프린팅된 전도성 물질의 성능 유지 및 향상을 위한 후가공 기술 개발이 요구된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은 동적 착용성에 대한 제한 없이 원단 상에 회로형성이 가능하여 발열부위를 형성할 수 있는 발열원단 및 이의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명의 목적은 소비전력을 줄이면서도 발열특성이 향상된 발열원단 및 이의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명의 목적은 단선에 의한 제품결함이나 회로파괴 현상이 없는 발열 원단 및 이의 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명의 목적은 전기적인 물성과 의류에 사용될 수 있는 직물의 고유물성을 모두 충족시킬 수 있는 발열 원단 및 이의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 목적은 발열원단에의 회로설계에 있어, 회로의 굴곡점의 모양을 변형시켜 원활한 전류가 흐를 수 있도록 하는 발열원단 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 발열층 및 전도층의 프린팅 순서를 달리하여 마모강도와 내굴곡성이 높은 발열원단 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 발열원단의 단면 또는 양면에 절연층 코팅 조성물을 변화시켜 절연성의 향상과 내구성 발현을 위한 내세탁성을 구비하는 발열원단 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 발열원단의 제조방법에 있어서, 합성섬유, 재생섬유 또는 천연섬유로 이루어진 기저층의 상부에 발열층 및 통전가능한 전도층을 동시에 형성하는 단계; 상기 발열층 및 전도층의 상부에 전기적 차폐를 위해 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 발열원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 기저층의 표면을 평활하게 하고, 기저층의 공극을 상쇄하며, 내굴곡성을 보완하기 위해 상기 기저층의 원단을 압착 롤러로 가압하는 카렌더링단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 전도층 또는 발열층을 형성하기 전에, 상기 기저층의 상부에 전도층 또는 발열층의 두께를 균일하게 유지하기 위한 프라이머층을 형성하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 프라이머층은 나이프 롤러방식, 오버롤 코팅, 플로팅 나이프 코팅, 나이프 오버 코팅, 라미네이팅, 프린팅 또는 그리비아 코팅에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 프라이머층은 발수층과 함께 복층구조로서 형성됨을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 프라이머층은 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지 및 실리콘계 수지로 이루어진 군에서 1 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 절연층 형성 후에 절연 및 내세탁성, 내굴곡성을 보완하기 위해 투습방수/방수단계를 더 포함함을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 발열층 또는 전도층이 도포되는 방식은 코팅, 프린팅 및 전사나염으로 이루어진 군에서 1 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 발열층 또는 전도층은 전도성 물질 또는 전도성 물질과 바인더가 혼합되어 형성 되는 것을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 전도성 물질은 전도성 고분자, 탄소(carbon), 은(silver), 금, 백금, 팔라듐, 구리, 알루미늄, 주석, 철 및 니켈로 이루어진 군에서 1 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 바인더는 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 멜라민계 수지 및 에폭시계 수지로 이루어진 군에서 일 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 바인더는 수분산성 폴리우레탄임을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜으로 이루어진 군에서 1 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 전도층을 형성하는 전도성 물질과 바인더는 중량기준으로 90 : 10 내지 80 : 20의 함량비로 포함됨을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 전도층은 발열층과 2 이상의 지점에서 접촉되는 것을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 발열층 또는 전도층의 두께는 2 내지 500㎛인 것을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 전도층의 폭은 10 내지 20mm임을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 절연층은 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 폴리에스테르계 수지, PVC계 수지, 및 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)계 수지로 이루어진 군에서 일 이상 선택된 것을 코팅, 프린팅 또는 라미네이팅하여 형성되는 것을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 절연층은 직접코팅일 경우 건식방식으로, 라미네이팅일 경우 핫멜트형 도트식 또는 그라비어 방식으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 전도층에 꺽이는 부분이 형성될 경우 직선회로보다 상대적으로 폭이 넓은 형태로 형성됨을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 넓은 형태는 원형 또는 타원형임을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법을 제공한다.
또한, 상기 원단의 저항값은 세탁전후 0.5 내지 4Ω임을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법을 제공한다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상 세히 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 1 내지 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 원단의 단면도를 나타낸 것이다.
도 1 내지 3을 참조하면, 본 발명에 따른 발열원단(10)은 기저층(100), 선택적 프라이머층(200), 발열층(300), 전도층(400) 그리고 절연층(500)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 합성섬유, 레이온/아세테이트 등의 셀룰로오즈 재생 섬유, 면/양모/등의 천연섬유로 이루어질 수 있다.
기저층(100)은 미시적으로 그 표면이 매우 불균일하며, 섬유간의 간극으로 인해 미세한 기공들이 극도로 많이 존재한다. 따라서 이러한 표면의 균일성을 확보하고 후술할 발열층 및또는 전도층이 균일한 두께로 형성되도록 하며, 발열층 등을 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 형성될 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 비제한적인 예로 불소 또는 실리콘 재질로 이루어질 수 있다. 상기 발수층이 형성되는 경우 발열층 및/또는 전도층이 형성될 표면 및/또는 이면에 형성될 수 있다. 이 경우 발열층 및/또는 전도층을 구성하는 수지성분이 제조공정에서 원단에 스며드는 현상을 방지할 수 있는 장점이 있다.
상기 프라이머층(200)의 상부에는 발열층(300)이 형성될 수 있다. 발열층(300)은 미리 설계된 형태로, 전도성 물질 또는 전도성 물질 및 바인더의 혼합물을 도포하여 형성될 수 있는데, 상기 전도성 물질은 고분자로서 폴리아닐린, 폴리 피롤, 폴리티오펜 등 일 수 있고, 여기에 도전성 카본블랙이 혼합될 수도 있다. 또한 탄소(carbon), 은(silver), 금, 백금, 팔라듐, 구리, 알루미늄, 주석, 철 및 니켈로 이루어진 군에서 1 이상 선택된 것일 수 있다.
도 1은 발열층(300)의 상부에 전도층(400)이 형성된 일실시예를 나타낸 것으로 전도층(400)은 미리 설계된 형태로 형성된 발열층(300)의 상부 또는 하부의 일부에 형성될 수 있다.
한편, 도 2는 전도층(400)이 발열층(300)과 동일 평면상에 형성된 다른 실시예를 나타낸 것으로 전도층(400)은 발열층(300)과 동일한 패턴 또는 다른 패턴으로 형성될 수 있다.
또한 도 3은 전도층(400)이 발열층(300)의 하부에 형성된 또 다른 실시예를 나타낸 것이다.
전도층(400)을 구성하는 소재는 전도성 고분자, 탄소(carbon), 은(silver)과 같은 금속물질 또는 상기 물질과 바인더의 혼합물일 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 필러는 도전성 금속(은, 금, 백금, 팔라듐, 구리 및 니켈 등)중 은(銀)계가 바람직하다.
상기 전도층의 바인더 소재는 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 멜라민계 수지 및 에폭시계 수지로 이루어진 군에서 일 이상 선택된 것일 수 있다.
한편 상기 금속물질과 바인더는 90 : 10 내지 80 : 20(중량기준)의 비율로 혼합됨이 바람직한데, 바인더가 상기 범위를 초과하는 경우 전도기능이 저하되는 문제가 있고 상기 범위 미만인 경우 접착력이 저하되는 단점이 있다.
상기 발열층(300) 및/또는 전도층(400)의 두께는 2 내지 500㎛가 바람직한데, 상기 범위 미만인 경우 전도층 두께의 균일성을 확보하기 어려운 문제점이 있고, 상기 범위를 초과하는 경우 동일 전압하에서 저항값이 하강하게 되어 전류값은 증가하고 결국 전력소모가 증가되는 문제가 있다. 또한 전도층(400)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.
상기 발열층(300) 및/또는 전도층(400)의 상부에는 절연층(500)이 형성될 수 있다. 절연층(500)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(500)을 형성할 수 있다. 절연층(500)은 전도층에 크랙(Crack)과 같은 손상을 방지하며, 원단에 유연성을 부여하며 투습방수 또는 방수기능을 수행한다.
이하 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 발열원단의 제조방법을 설명하기 로 한다.
도 4 및 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 발열원단의 제조방법을 나타낸 제조공정도이다.
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 발열층(300) 및/또는 전도층(400)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, 발수층과 함께 형성하여 복층구조로서 프라이머층을 구성할 수 있는데 상기 발수층은 카렌더링단계 전 또는 후에 실시할 수 있다. 도 4에 도시된 공정도에서는 카렌더링단계 전에 발수층을 형성하는 단계를 예시한 것이고 도 5에 도시된 공정도는 카렌더링단계 후에 발수층 및/또는 프라이머층을 형성하는 단계를 예시한 것이나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 프라이머층(200)이 형성되거나 기저층이 구비된 원단에 대하여, 그 상 부에 미리 설계된 형태에 따라 발열층(300) 및/또는 전도층(400)이 형성된다. 발열층(300) 및/또는 전도층(400)이 도포되는 방식은 코팅, 프린팅, 전사나염 등 다양한 방식이 적용될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 프린팅을 통하여 발열층(300) 및/또는 전도층(400)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 인쇄회로기판의 패턴 형성은 도선의 폭과 길이, 그에 따른 발열 패턴이 결정되고, 각 발열체 마다 저항값이 측정되도록 설계될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 원단에 전도층 및 발열층을 형성시킨 예를 나타낸 것으로서, 전도층(400)의 회로패턴에서 꺽이는 부분(430)이 직선회로(410)보다 상대적으로 폭이 넓은 형태(450)로 형성된 예를 나타낸 것이다. 도 6에서는 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 부분(430)을 상대적으로 폭이 넓은 형태(450)로 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(430)이 넓은형태(450)으로 이루어짐으로써 전류량을 증가시키는 요인이 될 수 있다.
만약, 도선의 꺽이는 부분(430)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 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(430) 부분의 면적을 변화시킴으로써 저향값을 저하시켜 서지 현상의 발생을 최소화하고 전류량이 증가하여도 원활하게 흐를 수 있도록 한다.
상기 발열층(300) 및/또는 전도층(400)은 2 내지 500㎛ 두께로, 10 내지 20mm 정도의 폭으로, 원단의 저항값은 세탁전후 0.5 내지 4Ω을 유지함이 바람직하 다. 또한, 전극에 있어 탄소가 사용되는 경우 1 내지 30중량%, 은(silver)의 경우는 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.(발열층형성단계 및/또는 전도층형성단계)
발열층(300) 및/또는 전도층(400)이 형성된 후 그 상부에 절연층(500)을 형성할 수 있다. 절연층(500)은 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)계 수지를 직접코팅, 프린팅, 라미테이팅하여 형성될 수 있다. 상기 코팅방식일 경우 건식방법이 바람직하며, 라미네이팅 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 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 매우 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 내세탁 성, 내굴곡성을 보완하는 역할을 한다. 투습방수가공에 사용되는 물질은 전도성 소재와 상용성이 있는 수지를 도포하는 것이 바람직하다.(투습방수/방수단계)
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 발열원단 및 제조방법은 자유로운 패턴형성이 가능하여 다양한 동적 착용성을 보장하면서 발열 기능 구현이 가능하다.
또한 본 발명에 의한 발열원단 및 제조방법은 섬유원단의 특징인 탄력성과 유연성, 내굴곡성으로 인해 굴곡이나 접힘에 관계없이 회로설계가 가능하며, 또 이로 인한 단선과 같은 회로손상의 가능성이 극히 적은 효과가 있다.
또한 본 발명에 의한 발열원단 및 제조방법은 연속공정에 의해 생산이 가능한 장점이 있다.
또한 본 발명에 의한 발열원단 및 제조방법은 피복성, 쾌적성, 투습방수성과 같은 원단(의류)으로서 기능을 보유하면서, 적극적으로 발열기능을 발현할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의한 원단 및 제조방법은 프라이머층이 존재하여 발열층/전도층이 균일하게 유지할 수 있으며 이로 인해 일정한 전류가 통전될 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 의한 발열원단 및 이의 제조방법은 원단상에 프린팅 회로패턴을 형성시, 회로패턴의 굴곡점이 원형으로 형성됨으로써, 단면적이 넓어져 전류가 원활하게 흐르는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 원단 및 제조방법은 절연층을 발열층 및/또는 전도층과 상용성이 있는 물질의 혼합물로 형성함으로서 인장강도 및 신도를 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의한 원단 및 제조방법은 발열층 및/또는 전도층에 전도층 및 발열층의 프린팅 순서에 따라 마모강도와 내굴곡성을 조절할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 의한 원단 및 제조방법은 절연층을 원단의 단면 또는 양면에 코팅하여 형성함으로써 세탁에 따른 내구성을 가지는 효과가 있다.
하기의 실시예를 통해 구체적으로 설명한다.
실시예 1
폴리에스테르 평직인 원단에 용제형 폴리우레탄 수지로 프라이머층을 형성시킨 후, 상기 프라이머층 상부에 은 페이스트 성분으로 전도층을 먼저 형성시키고, 상기 전도층 상부에 폴리피롤계 수지로 발열층을 프린팅방식으로 1회 프린팅하여 형성시킨다. 이때 바인더는 아크릴계 가교제를 사용하였다. 또한, 회로의 굴곡점의 형태를 원형으로 미리 설계된 발열 패턴으로 형성시켰다. 이후 수분산성 폴리우레탄 조성물로 코팅하여 단면으로 절연층을 형성시켰다.
실시예 2
상기의 실시예 1과 동일하되, 발열층 및/또는 전도층의 바인더는 우레탄계 가교제를 사용하였다.
실시예 3
상기의 실시예 1과 동일하되, 절연층을 양면으로 코팅하여 형성시켰다.
실시예 4
상기의 실시예 2와 동일하되, 절연층을 양면으로 코팅하여 형성시켰다.
실시예 5
상기의 실시예1과 동일하되, 발열층을 먼저 프린팅하고, 전도층을 형성시켰다.
실시예 6
상기의 실시예 5와 동일하되, 발열층 및/또는 전도층의 바인더는 우레탄계 가교제를 사용하였다.
실시예 7
상기의 실시예 5와 동일하되, 절연층을 양면으로 코팅하여 형성시켰다.
실시예 8
상기의 실시예 6과 동일하되, 절연층을 양면으로 코팅하여 형성시켰다.
실시예 9
상기의 실시예 1과 동일하되, 절연층의 코팅 조성물로 용제분산형 실리콘(A사)을 사용하여 단면으로 절연층을 형성시켰다.
실시예 10
상기의 실시예 9와 동일하되, 발열층 및/또는 전도층의 바인더는 우레탄계 가교제를 사용하였다.
실시예 11
상기의 실시예 9와 동일하되, 절연층을 양면으로 코팅하여 형성시켰다.
실시예 12
상기의 실시예 10과 동일하되, 절연층을 양면으로 코팅하여 형성시켰다.
실시예 13
상기의 실시예 9와 동일하되, 발열층을 먼저 형성시키고, 이후 전도층을 프린팅형태로 형성시켰다.
실시예 14
상기의 실시예 13과 동일하되, 발열층 및/또는 전도층의 바인더는 우레탄계 가교제를 사용하였다.
실시예 15
상기의 실시예 13과 동일하되, 절연층을 양면으로 코팅하여 형성시켰다.
실시예 16
상기의 실시예 14와 동일하되, 절연층을 양면으로 코팅하여 형성시켰다.
실시예 17
상기의 실시예 1과 동일하되, 절연층의 코팅 조성물로 용제분산형 실리콘 (B사)를 사용하여 단면으로 절연층을 형성시켰다.
실시예 18
상기의 실시예 17과 동일하되, 발열층 및/또는 전도층의 바인더는 우레탄계 가교제를 사용하였다.
실시예 19
상기의 실시예 17과 동일하되, 절연층을 양면으로 코팅하여 형성시켰다.
실시예 20
상기의 실시예 18과 동일하되, 절연층을 양면으로 코팅하여 형성시켰다.
실시예 21
상기의 실시예 17과 동일하되, 발열층을 먼저 형성시키고, 이후 전도층을 형성시켰다.
실시예 22
상기의 실시예 21과 동일하되, 발열층 및/또는 전도층의 바인더는 우레탄계 가교제를 사용하였다.
실시예 23
상기의 실시예 21과 동일하되, 절연층을 양면으로 코팅하여 형성시켰다.
실시예 24
상기의 실시예 22와 동일하되, 절연층을 양면으로 코팅하여 형성시켰다.
실시예 25
상기의 실시예 1과 동일하되, 절연층의 코팅 조성물로 액상 실리콘 고무를 사용하여 단면으로 절연층을 형성시켰다.
실시예 26
*상기의 실시예 25와 동일하되, 발열층 및/또는 전도층의 바인더는 우레탄계 가교제를 사용하였다.
실시예 27
상기의 실시예 25와 동일하되, 절연층을 양면으로 코팅하여 형성시켰다.
실시예 28
상기의 실시예 26과 동일하되, 절연층을 양면으로 코팅하여 형성시켰다.
실시예 29
상기의 실시예 25와 동일하되, 발열층 및/또는 전도층에 있어 발열층을 먼저 형성시키고, 이후 전도층을 형성시켰다.
실시예 30
상기의 실시예 29와 동일하되, 발열층 및/또는 전도층의 바인더는 우레탄계 가교제를 사용하였다.
실시예 31
상기의 실시예 29와 동일하되, 절연층을 양면으로 코팅하여 형성시켰다.
실시예 32
상기의 실시예 30과 동일하되, 절연층을 양면으로 코팅하여 형성시켰다.
비교예 1
폴리에스테르 평직인 원단에 용제형 폴리우레탄 수지로 프라이머층을 형성시킨 것 외에 발열층 및/또는 전도층을 형성시키지 않고, 절연층도 형성시키지 않은 원단을 준비하였다.
비교예 2
비교예 1과 동일하되, 절연층의 코팅 조성물로 용제분산형 폴리우레탄을 사용하여 단면으로 절연층을 형성시켰다.
비교예 3
비교예 2와 동일하되, 절연층을 양면으로 형성시켰다.
비교예 4
비교예 1과 동일하되, 절연층의 코팅 조성물로 용제분산형 실리콘 A를 사용 하여 단면으로 절연층을 형성시켰다.
비교예 5
비교예 4와 동일하되, 절연층을 양면으로 형성시켰다.
비교예 6
비교예 1과 동일하되, 절연층의 코팅 조성물로 용제분산형 실리콘 B를 사용하여 단면으로 절연층을 형성시켰다.
비교예 7
비교예 6과 동일하되, 절연층을 양면으로 형성시켰다.
비교예 8
비교예 1과 동일하되, 절연층의 코팅 조성물로 액상 실리콘 고무를 사용하여 단면으로 절연층을 형성시켰다.
비교예 9
비교예 8과 동일하되, 절연층을 양면으로 형성시켰다.
비교예 10
실시예 1과 동일하되, 절연층을 형성하지 않았다.
비교예 11
비교예 10과 동일하되, 발열층 및/또는 전도층의 바인더는 우레탄계 가교제를 사용하였다.
비교예 12
비교예 10과 동일하되, 발열층 및/또는 전도층에 있어 발열층을 먼저 형성시키고, 이후 전도층을 형성시켰다.
비교예 13
비교예 12와 동일하되, 발열층 및/또는 전도층의 바인더는 우레탄계 가교제를 사용하였다.
Figure 112009073354768-pat00001
* 시험방법
1. 저항 변화율 측정
옴미터(Ohm meter)로 절연층의 코팅 전과 후의 저항을 측정하여 저항 변화율을 구하여 절연성을 확인한다.
저항 변화율 (%) = {(코팅후 저항 - 코팅전 저항)/코팅전 저항}X 100
Figure 112009073354768-pat00002
Figure 112009073354768-pat00003
상기의 시험결과 절연층에 있어서, 우레탄계(실시예 1, 3) 보다는 실리콘계(실시예 9, 27), 특히 용제분산형 실리콘(실시예 9, 19)으로 코팅했을 때 저항 변화율이 더욱 크게 나타났다. 또한, 단면 보다 양면일 때 코팅 후의 저항이 더욱 증가하였으며, 저항변화율도 상승하였음을 확인하였다. 반면 액상 실리콘 고무(실시예 25)의 경우 단면 코팅시에는 저항이 오히려 감소하였으나 양면 코팅시에는 저항이 미세하게 증가하였다.
2. 인장강도: KSK 0520
실시예 및 비교예의 신도와 인장강도를 3번 반복 측정하여 평균값을 구하였다. 이 때 그립간격은 76mm, 인장속도는 5 mm/min, 하중은 1KN(100kgf), 온도는 73F, 습도는 50%로 하였다. 하기 표 3은 각 실시예 및 비교예들의 시험결과를 나타낸 것이다.
Figure 112009073354768-pat00004
도 7 내지 10은 바인더 종류에 따라 인장강도 및 신도의 변화를 나타낸 그래프로서 도 7은 전도성 물질에 첨가한 바인더 종류에 따라 실리콘/폴리우레탄 코팅했을 때 인장강도 변화를 나타낸 것이고, 도 8은 전도성 물질에 첨가한 바인더 종류에 따라 실리콘/폴리우레탄 코팅했을 때 신도 변화를 나타낸 것이며, 도 9는 실리콘 단/양면 코팅에 따른 발열패턴 프린팅 유/무시 원단의 인장강도를 나타낸 것이고, 도 10는 실리콘 단/양면 코팅에 따라 발열패턴 프린팅 유/무시 원단의 신도를 나타낸 것이다. 상기 그래프에서 "untreated"는 발열패턴 프린팅되었으나 코팅 처리 안한 것을 나타내며, "Silicon C/T"은 발열패턴 프린팅되었고 실리콘계 수지로 단면코팅 처리 함을 의미하고, "PU C/T" 발열패턴 프린팅되었고 폴리우레탄계 수지로 단면 코팅 처리 함을 의미하며, "PU-A"는 폴리우레탄계 바인더를, "AC-A"는 아크릴계 바인더를 의미한다.
상기 그래프들로부터 폴리우레탄계 바인더를 첨가하였을 때 폴리우레탄 코팅한 발열패턴이 코팅처리 안한 발열패턴과 인장강도가 유사한 것으로 나타났으나, 실리콘 코팅을 하게 되면 인장강도가 감소하는 것으로 관찰되었다. 또 아크릴계 바인더를 첨가하였을 때는 코팅 후 인장강도 증가하며, 실리콘 코팅 보다 폴리우레탄 코팅으로 처리했을 때 인장강도 높은 것으로 관찰되었다.
한편 신도변화의 경우 바인더 종류에 관계없이 코팅 후 신도 증가하였고 이는 유연성이 증가한 것으로 판단된다.
도 9 및 10과 관련하여 "발열패턴 인쇄X"는 전도성 고분자와 전극을 인쇄하지 않고 코팅 처리만 한 것을, "발열패턴 인쇄O"는 전도성 고분자(아크릴계 바인더 포함)와 전극을 인쇄하고 코팅 처리한 것을 의미하는데 단면코팅 및 양면코팅 모두 발열패턴을 인쇄하게 되면 인장강도가 감소하는 현상이 발견되었다. 이는 발열패턴 인쇄에 의해 약한 힘에도 원단이 끊어짐을 의미하며, 단면코팅보다 양면 코팅했을 때 더 잘 끊어지는 것으로 판단된다. 신도의 경우 단면 코팅보다 양면 코팅 시 증가하며, 발열 패턴이 인쇄될 경우 신도는 감소하였다.
3. 내굴곡성 : KS K 0855:2004, C법 ((Crumple/Flex법)
직사각형의 코팅 직물을 원통 모양으로 재봉한 후, 마주보는 2개의 디스크에 양 끝을 각각 파지하여 원통형의 시험편을 만든다. 이후, 한쪽의 디스크는 90도 비틀림 운동을 하고, 동시에 다른 한쪽의 디스크는 축 방향으로 왕복 운동하도록 하여 시험편을 굴곡시키고, 비틀림과 압축 운동을 1,000 회, 5,000 회, 10,000 회 지속시킨 후, 저항을 측정하였다.
의복에 착용시의 내구성을 알아보기 위해 발열층 및/전도층에 있어서, 발열층과 전도층의 프린팅 순서에 따른 내굴곡성 시험후의 저항 차이를 알아보고, 절연층에 있어서, 코팅 전과 후의 저항차이를 비교하여 보았다.
Figure 112009073354768-pat00005
상기의 결과로, 발열층 및/또는 전도층에 있어서 전도층을 먼저 프린팅한 후 발열층 프린팅한 경우 비교적 저항 변화가 안정적임을 보였으며, 대체로 양면 코팅 시에 저항 변화가 더욱 큰 것으로 판단된다. 도 10 내지 11는 발열층 및/또는 전도층의 형성순서에 따른 저항 변화율을 나타낸 그래프이다.
4. 내세탁성
시험조건
Figure 112009073354768-pat00006
상기 실시예 및 비교예에서 준비된 시료를 상기의 조건(표 5 참조)으로 각 회 세탁시 마다 저항을 측정하였다.
저항 변화율 (%) = {(세탁 후 저항 - 코팅 후 저항)/세탁후 저항}X100
하기 표 6과 같이, 세탁 횟수가 많아짐에 따라 저항이 커지지만, 세탁 전과 비교해 볼 때 저항 변화율은 감소함을 나타내었다. 또한, 단면(실시예 25) 코팅보다는 양면(실시예 27) 코팅 시의 저항이 더 낮게 나타났다. 따라서 세탁 회수가 많아져도 저항 상승이 낮음으로 세탁 내구성이 있음을 확인하였다.
Figure 112009073354768-pat00007
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 전기전도성 원단은 그 자체로 전자기기의 회로기판이나 부품으로서 적용될 수 있음은 물론이다.
도 1 내지 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 발열원단의 단면도.
도 4 및 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 발열원단의 제조 공정도.
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 회로의 굴곡점의 형태 단면도.
도 7 내지 10은 바인더 종류에 따라 인장강도 및 신도의 변화를 나타낸 그래프.
도 11 및 12는 발열층 및/또는 전도층의 형성순서에 따른 저항 변화율을 나타낸 그래프.
<도면의 주요부호에 대한 설명>
10 : 발열원단 100 : 기저층
200 : 프라이머층 300 : 발열층
400 : 전도층 500 : 절연층

Claims (22)

  1. 발열원단의 제조방법에 있어서,
    합성섬유, 재생섬유 또는 천연섬유로 이루어진 기저층의 상부에 발열층 및 통전가능한 전도층을 동시에 형성하는 단계;
    상기 발열층 및 전도층의 상부에 전기적 차폐를 위해 절연층을 형성하는 단계를 포함하는 발열원단의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기저층의 표면을 평활하게 하고, 기저층의 공극을 상쇄하며, 내굴곡성을 보완하기 위해 상기 기저층의 원단을 압착 롤러로 가압하는 카렌더링단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전도층 또는 발열층을 형성하기 전에, 상기 기저층의 상부에 전도층 또는 발열층의 두께를 균일하게 유지하기 위한 프라이머층을 형성하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 프라이머층은 나이프 롤러방식, 오버롤 코팅, 플로팅 나이프 코팅, 나 이프 오버 코팅, 라미네이팅, 프린팅 또는 그리비아 코팅에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 프라이머층은 발수층과 함께 복층구조로서 형성됨을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 프라이머층은 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지 및 실리콘계 수지로 이루어진 군에서 1 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 절연층 형성 후에 절연 및 내세탁성, 내굴곡성을 보완하기 위해 투습방수/방수단계를 더 포함함을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 발열층 또는 전도층이 도포되는 방식은 코팅, 프린팅 및 전사나염으로 이루어진 군에서 1 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 발열층 또는 전도층은 전도성 물질 또는 전도성 물질과 바인더가 혼합되어 형성 되는 것을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 전도성 고분자, 탄소(carbon), 은(silver), 금, 백금, 팔라듐, 구리, 알루미늄, 주석, 철 및 니켈로 이루어진 군에서 1 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 바인더는 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 멜라민계 수지 및 에폭시계 수지로 이루어진 군에서 일 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 바인더는 수분산성 폴리우레탄임을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜으로 이루어진 군에서 1 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 전도층을 형성하는 전도성 물질과 바인더는 중량기준으로 90 : 10 내지 80 : 20의 함량비로 포함됨을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 전도층은 발열층과 2 이상의 지점에서 접촉되는 것을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 발열층 또는 전도층의 두께는 2 내지 500㎛인 것을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 전도층의 폭은 10 내지 20mm임을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 폴리우레탄계 수지, 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 폴리에스테르계 수지, PVC계 수지, 및 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)계 수지로 이루어진 군에서 일 이상 선택된 것을 코팅, 프린팅 또는 라미네이팅하여 형성되는 것을 특 징으로 하는 발열원단의 제조방법.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 절연층은 직접코팅일 경우 건식방식으로, 라미네이팅일 경우 핫멜트형 도트식 또는 그라비어 방식으로 이루어진 것을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 전도층에 꺽이는 부분이 형성될 경우 직선회로보다 상대적으로 폭이 넓은 형태로 형성됨을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 넓은 형태는 원형 또는 타원형임을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 원단의 저항값은 세탁전후 0.5 내지 4Ω임을 특징으로 하는 발열원단의 제조방법.
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