KR101172013B1 - 발열직물 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발열직물과 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 바잘트 섬유에 1차적으로 탄소인 고순도 흑연을 코팅하고 탄소와 불소수지의 혼합층을 탄소층의 표면에 2차적으로 코팅함으로써 불소수지의 결합력에 의해 탄소층을 압착시켜 저항값의 변화를 안정시키고 고온에서의 박리 현상을 방지하며 내습성과 내구성을 향상시키고, 니켈금속사로 도전부를 구성함으로써 탄소와 화학반응을 일으키지 않으므로 부식될 염려가 없고 공기와 습기에 대하여 안정하므로 산화되지 않으며 알칼리에도 침식되지 않도록 할 뿐만 아니라, 바잘트 섬유 발열사와 도전부의 접촉부에 나노입자의 흑연잉크를 주입함으로써 직조과정에서 바잘트 탄소섬유 발열사와 도전부의 미세한 틈새를 메워주어 미세방전을 방지할 수 있는 발열직물과 그 제조방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 바잘트(basalt) 섬유와, 상기 바잘트 섬유표면에 코팅된 탄소층과, 상기 탄소층의 표면에 코팅된 탄소와 불소수지의 혼합층을 포함하는 바잘트 탄소섬유 발열사를 위사로 하고, 상기 바잘트 탄소섬유 발열사의 양측 단부에 금속사를 경사로 하여 직물형태로 직조한 것을 특징으로 하는 발열직물을 제공한다.

Description

발열직물 및 그 제조방법{Heating fabric and Method for making the same}

본 발명은 발열직물과 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 바잘트 섬유에 1차적으로 탄소인 고순도 흑연을 코팅하고 탄소와 불소수지의 혼합층을 탄소층의 표면에 2차적으로 코팅함으로써 불소수지의 결합력에 의해 탄소층을 압착시켜 저항값의 변화를 안정시키고 고온에서의 박리 현상을 방지하며 내습성과 내구성을 향상시키고, 니켈금속사로 도전부를 구성함으로써 탄소와 화학반응을 일으키지 않으므로 부식될 염려가 없고 공기와 습기에 대하여 안정하므로 산화되지 않으며 알칼리에도 침식되지 않도록 할 뿐만 아니라, 바잘트 섬유 발열사와 도전부의 접촉부에 나노입자의 흑연잉크를 주입함으로써 직조과정에서 바잘트 탄소섬유 발열사와 도전부의 미세한 틈새를 메워주어 미세방전을 방지할 수 있는 발열직물과 그 제조방법에 관한 것이다.

발열체는 소재에 따라 금속발열체, 비금속발열체, 기타발열체 등으로 구분된다. 금속발열체는 금속에 전류가 흐를 때 발생하는 줄열을 이용한 것이고, 비금속발열체는 탄화규소, 몰리브덴 실리사이드 등의 비금속소재를 발열체로 사용한 것이며, 기타발열체는 세라믹 재질과 탄산바륨 등을 이용한 직접 통전형 발열체이다.

또한, 발열체는 형태에 따라 니크롬선과 같은 선상발열체와, 2차원적인 면상발열체로 구분된다. 면상발열체는 선상발열체에 비해 열효율이 높고 전자파 발생량이 적은 장점이 있다.

구조에 따라서는 발열체를 직렬구조 발열체와 병렬구조 발열체로 구분하는데, 직렬구조 발열체는 충분한 전력 공급시 고온발열이 가능한 장점이 있으나, 전기용량이 크고 열효율이 떨어지며 피 건조물이 변형되는 문제점이 있다.

최근에는 발열특성이 우수한 탄소를 발열원으로 하여 발열체를 제조하는 기술이 소개되고 있다. 탄소 발열체로는 섬유표면에 탄소를 코팅하여 발열부 역할을 수행하게 하고, 양측 단부에 금속선을 압착시켜 도전부를 제조함으로써, 도전부에 전류를 인가하면 발열이 수행되도록 한 예가 있다. 또 다른 예로는 탄소사를 이용하여 직물 형태로 제직하고 양측 단부에 동금속사를 제직하여 동금속사에 전류를 인가하는 방식도 있다. 탄소 발열체는 전기통전을 통해 탄소에서 방사열을 발생시키는 구조로, 공기오염이 없고 위생적이며 소음이 없고 위험성이 적으며 원적외선이 방출되므로, 온열치료, 의류, 침구류, 건설난방재 등 다양한 용도로 사용되고 있다.

탄소 발열체는 섬유표면에 탄소를 코팅하는 방식으로 제조되는데, 이 경우 코팅된 탄소층이 섬유표면으로부터 박리되어 탄소층이 얇아지거나 섬유표면이 외부로 노출되는 현상이 발생할 수 있는 문제점이 있다. 이러한 현상은 발열온도가 고온일수록, 그리고 사용기간이 길어질수록 더욱 심화되는 경향이 있다. 또한, 섬유표면에 코팅된 탄소층이 공기중의 습기를 흡수하여 탄소의 발열에 영향을 미치게 되고, 탄소의 저항값을 변화시켜 발열온도를 변화시키는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 저항값의 변화를 안정시키고 고온에서의 박리 현상을 방지하며 내습성과 내구성을 향상시키고, 부식될 염려가 없고 공기와 습기에 대하여 산화되지 않으며 알칼리에도 침식되지 않도록 할 뿐만 아니라, 바잘트 탄소섬유 발열사와 도전부 사이의 미세방전을 방지할 수 있는 발열직물과 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 발열직물은 바잘트(basalt) 섬유와, 상기 바잘트 섬유표면에 코팅된 탄소층과, 상기 탄소층의 표면에 코팅된 탄소와 불소수지의 혼합층을 포함하는 바잘트 탄소섬유 발열사를 위사로 하고, 상기 바잘트 탄소섬유 발열사의 양측 단부에 금속사를 경사로 하여 직물형태로 직조한 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 발열직물 제조방법은 (a) 흑연광물을 소성한 후 분쇄하고 황산과 질산으로 산화시켜 탄소 페이스트를 제조하는 단계; (b) 상기 탄소 페이스트를 증류수에 분산시킨 탄소 콜로이드를 바잘트 섬유 표면에 코팅하여 탄소층을 형성하는 단계; (c) 상기 탄소층의 표면에 탄소와 불소수지의 혼합물을 코팅하여 혼합층을 형성하는 단계; (d) 상기 (c)단계 이후 300~400도씨로 열처리하여 바잘트 탄소섬유 발열사를 제조하는 단계; 및 (e) 상기 바잘트 탄소섬유 발열사를 위사로 하고 상기 바잘트 탄소섬유 발열사의 양측 단부에 니켈금속사를 경사로 하여 직물형태로 직조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 바잘트 섬유에 1차적으로 탄소인 고순도 흑연을 코팅하고, 탄소와 불소수지의 혼합층을 탄소층의 표면에 2차적을 코팅함으로써 불소수지의 결합력에 의해 탄소층을 압착시켜 저항값의 변화를 안정시키고, 고온에서의 박리 현상을 방지하며, 내습성과 내구성을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 니켈금속사로 도전부를 구성함으로써 탄소와 화학반응을 일으키지 않으므로 부식될 염려가 없고, 공기와 습기에 대하여 안정하므로 산화되지 않으며, 알칼리에도 침식되지 않는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 바잘트 탄소섬유 발열사와 도전부의 접촉 틈새에 나노입자의 흑연잉크를 주입함으로써 직조과정에서 바잘트 탄소섬유 발열사와 도전부의 미세한 틈새를 메워주어 미세방전을 방지하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 발열직물의 평면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발열직물에서 바잘트 탄소섬유 발열사의 일부절개 사시도,
도 3은 도 2의 A-A' 단면도,
도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 발열체의 평면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 발열직물의 평면도이다. 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발열직물에서 바잘트 탄소섬유 발열사의 일부절개 사시도이다. 도 3은 도 2의 A-A' 단면도이다. 도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 발열체의 평면도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발열직물은, 도 1을 참조하면, 발열부(10)와 도전부(30)를 포함하여 이루어진다.

발열부(10)는 바잘트 탄소섬유 발열사를 직물 형태로 직조한 것이다.

바잘트 탄소섬유 발열사(11)는, 도 2 및 도 3을 참조하면, 바잘트 섬유(12)와 탄소층(14) 및 혼합층(16)을 포함하여 이루어진다.

바잘트 섬유(12)는 현무암 재질의 섬유를 지칭한다. 현무암은 화성암의 일종으로서 화산활동에 의해 마그마가 낮은 압력에서 빠르게 고화된 것이다. 고화의 속도가 빠른 관계로, 대형결정의 형성이 어려우므로 결정립의 크기가 미세한 것이 특징이다.

현무암 원석으로부터 필라멘트를 제조함으로써 현무암 섬유가 만들어지는 데, 제조과정은 일반적으로 원료를 용융시킨 후 공급로를 통해 방사구로 이동시켜 용융체가 흘러내리면서 적정한 섬유굵기로 연신되는 방식을 사용하고 있다.

바잘트 섬유(12)는 바잘트 탄소섬유 발열사(11)에서 중앙에 위치하여 코어(core)를 이루게 된다.

탄소층(14)은 바잘트 섬유(12)의 표면에 코팅된다. 탄소층(14)을 이루는 탄소입자는 나노입자의 고순도 흑연이며 다음과 같은 단계로 제조된다. 먼저, 흑연광물을 고온에서 소성한 후 분쇄하고, 황산과 질산으로 산화시켜 흑연 페이스트를 제조한다. 이와 같이 제조된 흑연 페이스트를 증류수에 분산시켜 잉크 상태의 탄소 콜로이드 용액을 만들고, 이를 바잘트 섬유의 표면에 코팅함으로써 탄소층(14)이 형성된다. 이하에서 탄소인 흑연 페이스트는 "탄소 페이스트"로, 잉크 상태의 흑연용액은 "탄소 콜로이드 용액"으로 명명하기로 하며, 탄소 페이스트의 제조와 탄소 콜로이드 용액의 구체적인 제조방법은 발열직물 제조방법 부분에서 설명하기로 한다.

혼합층(16)은 탄소층(14)의 표면에 코팅된다. 혼합층(16)을 이루는 혼합물은 탄소와 불소수지의 혼합물이다. 이때, 탄소와 불소수지의 혼합비율은 1:1 인 것이 바람직하다. 불소수지들은 전기절연특성과 내열성이 우수한 특성을 가지고 있다. 다만, 전압이 매우 높아질 경우 순간적으로 고온에 노출되는 경우가 발생하므로, 불소수지 중에서도 기계적 강도, 내열성, 전기적 특성, 비용 등을 고려해 볼 때 PTFE(polytetrafluoroethylene, 폴리테트라플루로에틸린)이 바람직하다.

혼합층(16)은 흑연소재를 PTFE 불소수지에 1:1 비율로 첨가하여 탄소층(14)의 표면에 코팅하고 300~400 도씨에서 열처리하는 과정으로 형성된다. 혼합층(16)을 탄소층(14)의 표면에 코팅하면 불소수지의 강한 결합으로 탄소층(14) 면을 압착시켜 저항값의 변화를 안정시키고, 바잘트 탄소섬유 발열사(11)의 온도가 상승하더라도 고온에서의 박리현상을 방지하고, 내습성과 내구성을 보강하는 효과를 보인다. 실험 결과, 혼합층(16)에 의해 바잘트 탄소섬유 발열사(11)의 온도가 상시 270 도씨 이상, 일시 380 도씨까지의 고온에서도 우수한 특성을 보임을 확인하였다.

도전부(30)는 발열부(10)의 양측 단부에 위치한다. 도전부(30)는 니켈금속사, 은선, 알루미늄선 등 도전성이 좋은 금속선을 사용하며, 다수본이 1조로 합사된다. 합사는 대략 3~30본 정도로 10룰~50룰 정도의 경사로 하여 제조된다.

특히 도전부(30)는 니켈금속사로 구성되는 것이 바람직하다. 동금속사의 경우 고온에서 탄소와 화학반응을 일으켜 부식되는 경향을 보이는 데 반해, 니켈금속사는 탄소와 화학반응을 일으키지 않으므로 부식될 염려가 없다. 또한, 니켈금속사는 공기와 습기에 대하여 안정하므로 산화되지 않으며, 알칼리에도 침식되지 않는 성질을 가지고 있다.

바잘트 탄소섬유 발열사(11)를 위사로 하고, 도전부(30)를 경사로 하여 발열직물을 제조할 수 있다. 다른 방법으로는 바잘트 탄소섬유 발열사(11)를 위사, 경사로 하여 직물 형태로 발열부(10)를 형성하고, 바잘트 탄소섬유 발열사(11)의 양측 단부에 도전부(30)를 경사로 직조하여 발열직물을 제조할 수도 있다. 또 다른 방법으로는 바잘트 탄소섬유 발열사(11)를 직물 형태 대신 그물 형태로 위사로 직조하여 발열부(100)를 형성하고, 양측 단부에 도전부(300)를 경사로 하여 전체적으로 그물 형태의 발열체를 제조할 수도 있다.

바잘트 탄소섬유 발열사와 니켈금속사로 이루어진 도전부의 접촉틈새에는 탄소나노입자의 흑연잉크를 주입하는 것이 바람직하다. 여기서 탄소나노입자는 탄소층(14)을 이루는 흑연입자의 제조와 마찬가지로 탄소 페이스트를 제조한 후 이를 증류수에 분산시켜 잉크 상태의 탄소 콜로이드 용액을 만드는 방식으로 제조된다. 탄소 콜로이드 용액은 99% 이상의 고순도 탄소용액으로, 분산제를 첨가하지 않고도 자연분산되므로 코팅면이 엷고 균일하게 도포되고, 건조되면서 단단하게 밀착되는 특성으로 바잘트 탄소섬유 발열사과 금속선의 간극에 스며들어 접착제를 사용하지 않아도 충분한 접착효과를 발휘하게 된다. 주입된 탄소나노입자의 흑연잉크는 직조과정에서 바잘트 탄소섬유 발열사와 니켈금속사의 미세한 틈새를 메워주어 미세방전을 방지하는 역할을 수행한다.

다음으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발열직물의 제조방법에 대해 설명한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발열직물은 탄소 페이스트 제조단계(이하, "제1단계"), 탄소층 형성단계(이하, "제2단계"), 혼합층 형성단계(이하, "제3단계"), 바잘트 탄소섬유 발열사 제조단계(이하, "제4단계"), 직물직조단계(이하, "제5단계"), 탄소 콜로이드 도포단계(이하, "제6단계")를 포함하여 이루어진다.

제1단계는 흑연광물을 소성한 후 분쇄하고 황산과 질산으로 산화시켜 탄소 페이스트를 제조하는 단계이다.

탄소 페이스트는 다음과 같은 과정으로 만들어진다. 흑연광물을 2000 도씨 이상의 고온, 바람직하게는 2500 ~ 3000 도씨에서 소성하면 35 ~ 40 %의 이물질은 타서 연소되고 순수 흑연만 남게 된다. 순수흑연을 고도의 볼밀로 분쇄하여 흑연입자의 크기를 0.5 ~ 1 마이크론 입자로 분쇄한 다음, 분쇄한 파우더에 황산과 질산을 넣어 반응시키면 흑연입자의 층간에 탄소가 침투되고 산화에 의해 입자가 대략100 ~ 300 nm 급으로 미세해지며 증류수로 세척하여 pH 8 수준으로 한다.

제2단계는 제1단계의 탄소 페이스트를 증류수에 분산시킨 탄소 콜로이드를 바잘트 섬유 표면에 코팅하여 탄소층을 형성하는 단계이다. 제1단계에서 제조된 탄소 페이스트를 증류수에 희석시키면 탄소 콜로이드가 된다. 이러한 탄소 콜로이드를 바잘트 섬유 표면에 코팅하여 탄소층을 형성한다. 탄소 콜로이드는 표면에 산소가 10 ~ 15% 도포된 흑연으로, 건조 후 고용분인 흑연이 응고되므로 접착제 첨가없이 바잘트 섬유 표면에 코팅이 가능한 흡착성 흑연소재이다.

제3단계는 제2단계에서 형성된 탄소층의 표면에 탄소와 불소수지의 혼합물을 코팅하여 혼합층을 형성하는 단계이다. 이때, 탄소와 불소수지의 혼합비율은 실험결과 1:1이 바람직한 것으로 확인되었다. 불소수지로는 여러 가지가 가능하나 내열성을 비롯한 여러 특성을 고려할 때 PTFE인 것이 바람직하다.

제4단계는 제3단계에서 형성된 혼합층을 300 ~ 400 도씨의 온도로 열처리하여 바잘트 탄소섬유 발열사를 완성하는 단계이다. 열처리를 통하여 혼합층이 건조되면 불소수지의 결합력에 의해 탄소층을 압착시켜 저항값의 변화를 안정시키고, 고온에서의 박리 현상을 방지하며, 내습성과 내구성을 향상시키는 효과를 발휘한다.

제5단계는 바잘트 탄소섬유 발열사를 위사로 하고, 바잘트 탄소섬유 발열사의 양측 단부에 니켈금속사를 경사로 하여 직물 형태로 직조하는 단계이다.

제6단계는 니켈금속사와 바잘트 탄소섬유 발열사의 접촉부에 탄소 콜로이드를 도포하는 단계이다. 나노급 탄소입자가 니켈금속사와 바잘트 탄소섬유 발열사의 접촉부 틈새에 주입되어 건조되면 콜로이드화된 나노입자의 순수흑연이 엷고 고르면서도 흡착력과 밀착성이 우수하도록 코팅되어 접착제의 도움없이도 니켈금속사와 바잘트 탄소섬유 발열사가 물리적/전기적으로 강하게 접촉될 수 있다. 또한, 전도성에 방해요소로 작용하는 이물질 등이 첨가되지 않아 전도성 충진제의 첨가 없이도 낮은 저항을 얻을 수 있으며, 접촉부의 미세틈새를 보강할 수 있어 미세방전을 방지해 주는 효과가 있다.

이와 같은 방식으로 제조된 고온발열직물은 불소수지의 최대 사용온도인 270 도씨(연속사용 기준), 최대 380 도씨(일시사용 기준)의 고온에서 사용가능하며, DC(직류) 1.5 V ~ AC(교류) 440 V 범위에서 임의의 구조로 직조 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 고온발열직물은 발열원이 순수 흑연이므로 85% 이상의 원적외선 발열과 우수한 전도성 소재 및 직물 구조로 방사효율을 극대화할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명은 고온발열직물, 특히 탄소코팅 발열직물의 제조분야에 광범위하게 적용될 수 있다.

10, 100 - 발열부 30, 300 - 도전부
11 - 바잘트 탄소섬유 발열사 12 - 바잘트 섬유
14 - 탄소층 16 - 혼합층

Claims (8)

1. 바잘트(basalt) 섬유와,
   상기 바잘트 섬유표면에 코팅된 탄소층과,
   상기 탄소층의 표면에 코팅된 탄소와 불소수지의 혼합층
   을 포함하는 바잘트 탄소섬유 발열사를 위사로 하고,
   상기 바잘트 탄소섬유 발열사의 양측 단부에 금속사를 경사로 하여 직물형태로 직조하되, 상기 금속사와 상기 바잘트 탄소섬유 발열사의 접촉부에는 탄소나노입자의 흑연용액이 주입된 것을 특징으로 하는 발열직물.
2. 제1항에 있어서,
   상기 금속사는 니켈 재질인 것을 특징으로 하는 발열직물.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 혼합층에서 탄소와 불소수지의 혼합비율은 1:1 인 것을 특징으로 하는 발열직물.
5. 제1항에 있어서,
   상기 불소수지는 PTFE(polytetrafluoroethylene) 불소수지인 것을 특징으로 하는 발열직물.
6. (a) 흑연광물을 소성한 후 분쇄하고 황산과 질산으로 산화시켜 탄소 페이스트를 제조하는 단계;
   (b) 상기 탄소 페이스트를 증류수에 분산시킨 탄소 콜로이드를 바잘트 섬유 표면에 코팅하여 탄소층을 형성하는 단계;
   (c) 상기 탄소층의 표면에 탄소와 불소수지의 혼합물을 코팅하여 혼합층을 형성하는 단계;
   (d) 상기 (c)단계 이후 300~400도씨로 열처리하여 바잘트 탄소섬유 발열사를 제조하는 단계; 및
   (e) 상기 바잘트 탄소섬유 발열사를 위사로 하고 상기 바잘트 탄소섬유 발열사의 양측 단부에 니켈금속사를 경사로 하여 직물형태로 직조하는 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 발열직물 제조방법.
7. 제6항에 있어서,
   (f) 상기 (e)단계 이후에 상기 니켈금속사와 상기 바잘트 탄소섬유 발열사의 접촉부 틈새에 상기 (b)단계의 탄소 콜로이드를 도포하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발열직물 제조방법.
8. 제6항에 있어서,
   상기 (c)단계에서 탄소와 불소수지의 혼합비율은 1:1 인 것을 특징으로 하는 발열직물 제조방법.
   
   
   
   
   
   

Images