KR101766465B1 - 탄소섬유를 망사에 직병렬로 제직한 면상 발열체 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직병렬 제직 탄소섬유 면상 발열체로서, 복수의 원사가 다발로 위사와 망사로 편직되어 망목이 형성된 망사(10); 상기 위사와 경사가 엮여질 때 위사로 삽입되고 상기 망사의 양단부근에서 곡선으로 패턴이 형성된 탄소섬유(20) 및 상기 망사의 양 단부에 주기적으로 상기 탄소섬유와 엮여져 접속부를 형성하는 금속사(30)를 포함하여, 상기 탄소섬유의 직렬 길이에 의하여 전기저항이 결정되고, 탄소섬유와 금속사의 주기적 병렬 접속하여 임의의 전기저항으로 재단이 가능한 것을 특징으로 한다.

Description

탄소섬유를 망사에 직병렬로 제직한 면상 발열체 및 그 제조 방법{Mesh heating device of serial-parallel carbon fiber and Manufacturing methods thereof}

본 발명은 면상 발열체에 관한 것으로, 상세하게는 일반섬유로 망사를 직조하는 과정에서 탄소섬유를 직병렬로 함께 직조하여 원하는 길이만큼 임의 재단하여 사용할 수 있고, 전원인가를 위한 금속사를 S자 형태로 삽입시켜 인장 시에 손상을 방지하는 직병렬 제직 면상 발열체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

지금까지 전기온돌판넬 및 전기담요나 매트 등에 사용되는 발열체는 통상적으로 금속을 이용한 선상발열선이 주로 사용되고, 선상 발열선은 온돌판넬 및 전기매트의 전체 면에 한가닥으로 S로 구불구불하게 배열하여 사용하고 있으나, 선상 발열선은 발열선이 배열된 부분에 열이 집중되고 가열되어 매트 전체가 고르게 따뜻해지지 않는다는 단점이며, 열이 집중된 금속열선은 산화현상이 일어나 단락으로 인한 감전, 쇼트 화재사고가 일어나 많은 문제가 있다. 또한 카본블랙(탄소분말)을 이용한 종래의 면상발열체는 특허문헌 1에 제시되어 있다. 특허문헌 1은 비도전성 섬유소재인 메인시트를 구비하고, 비도전성 섬유소재로 된 고정용 띠에 제1 전원선과 제2 전원선을 각각 다수열로 박음질한 후, 스모킹 기계의 미싱 헤드에 서로 이격되어 배열되는 재봉바늘을 통해 탄소섬유사가 일괄적으로 메인시트에 박음질되어 다수열을 이루는 탄소섬유사 다발이 패턴을 이루도록 한 것이다.

그러나 PAN계 탄소섬유는 이방성과 고배향 특성으로 인장강도는 강하나 굽힘강도(꺾임강도)가 약하여 박음질과 같이 방향이 180도로 꺾이는 공정은 손상되기 쉽다.

또한, 탄소섬유는 저항이 매우 작기 때문에 정전압 조건에서는 발열량이 커 과열로 인한 코팅 물질이나 도포 물질의 변형을 초래할 수 있고, 화상 등 안전사고 우려가 있기 때문에 전원을 조정하거나 저항을 조절할 필요가 있다. 따라서 공급되는 저항을 조정하기 위해서는 부가적인 회로와 제어가 필요하기 때문에 제어수단의 구성이 복잡하고 제조비용이 상승하는 문제점이 있음에 따라 저항을 증가시키는 방법을 많이 사용하고 있다.

저항을 증가시키는 방법은 탄소섬유를 구성하는 탄소섬유의 직경을 줄이거나 가닥수를 줄이거나 길이를 증가시키는 방법이 사용되고 있다. 그러나 탄소섬유의 직경을 줄이는 방법은 기계적 특성과 탄소섬유의 제조방법에 관련되어 한계가 있다.

또한, 기존 면상발열체 전원공급을 위한 금속선이 직선으로 삽입되어 무거운 하중이나 충격으로 끊어지거나 뜯어져 쇼트로 화재가 자주 발생하는 문제가 있다.

대한민국 등록특허 제10-0491225호

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로, 탄소섬유의 손상없이 원하는 발열량을 위한 온열소재를 임의로 재단하여 사용할 수 있는 직병렬 제직 탄소섬유 면상 발열체를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 일반섬유로 기본 시트를 따로 제작하지 않고 망사 패턴을 직조할 때 카본섬유를 지그재그의 직병렬 패턴을 망사와 함께 직조하고, 금속사를 S자 형태로 제직하여 인장이나 충격 시에 손상을 방지하는 직병렬 제직 면상 발열체 및 그 제조 방법을 제공하하고자 한다.

상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명에 따른 직병렬 제직 탄소섬유 면상 발열체는, 복수의 원사가 다발로 위사와 경사로 편직되어 망목이 형성된 망사(10); 상기 위사와 경사가 엮여질 때 위사로 삽입되고 상기 망사의 양단부근에서 곡선으로 패턴이 형성된 탄소섬유(20) 및 상기 망사의 양 단부에 주기적으로 상기 탄소섬유와 엮여져 접속부를 형성하는 금속사(30)를 포함하여, 상기 탄소섬유의 직렬 길이에 의하여 전기저항이 결정되고, 탄소섬유와 금속사의 주기적 병렬 접속하여 임의의 전기저항으로 재단이 가능한 것을 특징으로 한다.

상기 탄소섬유는 이방성의 배향을 갖는 폴리아크릴로니트릴(PAN)계를 가열 탄화시켜 탄소 함유량이 90%이상인 것을 특징으로 한다.

상기 면상발열체의 양면에는 탄소섬유를 보호하고, 절연할 수 있도록 보호층(40)이 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 보호층(40)은 폴리에틸렌(PE : polyethylene), 폴리염화비닐(PVC : Polyvinyl Chloride), 폴리우레탄(PU : polyurethane) 및 열가소성폴리우레탄(TPU : Thermoplastic Poly Urethane) 중 어느 하나 이상을 코팅하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예로서 편직기를 이용한 직병렬 제직 탄소섬유 면상 발열체의 제조방법에 있어서, 편직기의 가이드바에 복수의 정경빔 원사를 공급하고, 공급된 원사는 편직기의 편침으로 공급되어 편침이 상승할 때 상기 가이드바가 원사를 통과하고, 상기 편침이 원사를 걸면서 동시에 하강하면서 1회 및 2회 홀치기 루프를 만들고, 상기 편침의 상하운동 중 편집기 싱커의 전후 운동으로 엇갈림으로 편환 형성이 되어 위사와 경사의 망사가 형성되고, 탄소섬유는 셔틀에 경사로 공급되되, 셔틀의 좌우 이동으로 상기 위사와 경사가 개구를 형성할 때 위사로 삽입되고, 상기 망사의 양단부근에서 셔틀의 좌우 이동 속도를 제어하여 곡선의 패턴을 형성하면서 주기적으로 금속사와 함께 제직되어 금속사와 접속부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 금속사는 경사로 공급되되, 가이드바의 좌우 이동으로 S자 형상의 연속적인 라운드 패턴이 제직되는 것을 특징으로 한다.

상기 탄소섬유는 스티치(stitch) 간격의 조절과 왕복 주기로 전기저항을 결정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 탄소섬유를 이용한 직병렬 제직 면상 발열체 및 그 제조 방법은 탄소섬유가 지그재그 사형(蛇形)으로 배치됨에 따라 탄소섬유가 꺾이는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 망사를 직조하는 과정에서 탄소섬유가 망사와 일체로 직조됨에 따라 탄소섬유를 망사에 배열하는 별도의 과정을 행하지 않고도 탄소섬유를 망사와 일체화 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 양 가장자리에 설치된 금속사와 소정 간격으로 접속되도록 탄소섬유를 배열하여 접속부를 이루고, 접속부를 분리하여 탄소섬유에 의해 이루어지는 다수의 발열구간을 따로 분리하여 사용할 수 있게 함에 따라 사용자가 원하는 다양한 출력의 면상발열체를 얻을 수 있는 효과가 있다.

도 1a는 본 발명에 따른 전도성 탄소섬유를 이용한 직병렬 제직 면상 발열체의 제1 실시예이고, 도 1b는 제2 실시예이다.
도 2는 본 발명에 따른 전도성 탄소섬유를 이용한 직병렬 제직 면상 발열체의 일예의 일부를 도시한 확대도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전도성 탄소섬유를 이용한 직병렬 제직 면상 발열체를 임의로 재단하는 예이다.
도 4는 본 발명에 따른 전도성 탄소섬유를 이용한 직병렬 제직 면상 발열체에서 위사, 경사 및 탄소섬유가 결합된 부분의 확대도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전도성 탄소섬유를 이용한 직병렬 제직 면상 발열체의 일부를 확대 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 전도성 탄소섬유를 이용한 직병렬 제직 면상 발열체에서 위사 경사 및 탄소섬유가 직조되는 부분의 확대 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 전도성 탄소섬유를 이용한 직병렬 제직 면상 발열체를 구성하는 탄소섬유의 사진이다.
도 8은 본 발명에 따른 전도성 탄소섬유를 이용한 직병렬 제직 면상 발열체에 인장력이 발생하였을 경우의 예시이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명을 통해 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 망사에 일체로 직조된 탄소섬유의 중간에 접속부를 설치하여 접속부를 절단함에 의해 접속부 사이에 제직된 탄소섬유가 하나의 발열구간을 이루고, 이러한 발열구간이 서로 병렬로 배열됨에 따라 발열 면적의 조절이 용이하고, 사용자가 원하는 만큼의 발열구간만을 선택하여 사용할 수 있음에 따라 사용자가 원하는 출력을 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 전도성 탄소섬유를 이용한 직병렬 제직 면상 발열체는 도 1내지 도 4에 도시한 바와 같이 망사(10)에 탄소섬유(20)를 일체로 직조하여 만들어진다.

도 1a에 도시한 바와 같이, 상기 탄소섬유(20)는 위사로 직조되되 양단이 라운드되어 망사(10)와 함께 제직되고, 망사(10)의 양 가장자리 부분에는 금속사(30)가 연속적인 라운드 패턴으로 제직되어 있다. 도 1b는 본 발명의 다른 실시예로 금속사가 경사로 삽입된 일반적인 실시예이다.

상기 탄소섬유(20)는 전원을 공급받아 발열하는 발열체이고, 금속사(30)는 탄소섬유(20)에 전원을 공급하는 전원선으로 끝단에 전기적 접속을 위한 단자가 형성된다.

상기 탄소섬유(20)는 도 7에 도시한 바와 같이 다수의 미세사를 겹쳐 만들어지고, 유기섬유인 이방성의 배향을 갖는 레이온(rayon)계, 폴리아크릴로니트릴(PAN)계, 액정 피치(pitch)계 중 어느 하나 이상을 가열 탄화시켜 탄소 함유량이 90%이상이 되게 제작된다. 이방성을 갖기 때문에 꺾임강도가 약하여 양단은 라운드 형태로 제직하는 것이 바람직하다.

상기 금속사(30)는 전원공급선으로 전기 전도도가 우수한 구리나 니켈 등으로 만들어지며 하중에 의한 인장이나 충격 시에 끊어지지 않도록 연속적인 라운드 형태로 제직된다.

본 발명의 전도성 탄소섬유를 이용한 직병렬 제직 면상 발열체는 일반섬유로 위사(12)와 경사(11)로 직조되는 망사(10)를 직조하는 과정에서 탄소섬유(20)가 위사로 함께 직조된다.

상기 탄소섬유(20)는 도 1내지 도 3에 도시한 바와 같이, 경사 방향에서 공급되나 공급기가 셔틀처럼 좌우 방향으로 이동하면서 위사(12)와 함께 엮여지며 되돌아 올 때는 꺾이지 않도록 라운드 형태로 형성되며 양측에는 금속사(30)와 겹쳐져 접속부(20c)가 형성되어 있다.

도 1b에 도시한 바와 같이 상기 접속부(20c)는 지그재그의 사형으로 제직된 탄소섬유(20)의 중간에 소정 간격으로 반복적으로 형성되어 접속부(20c)들 사이가 하나의 발열구간(Sh)을 이루어 다수의 발열구간(Sh)이 반복된다.

제직된 탄소섬유(20)는 상기 접속부(20c)에 의해 금속사에 연결됨에 따라 각각의 발열구간(Sh)은 서로 병렬로 연결된다.

본 발명의 면상발열체는 구불구불하게 제직된 발열구간(Sh)의 탄소섬유는 전기적으로 직렬 상태이고, 발열구간(Sh)들 사이는 병렬연결 상태가 되며, 두 접속부를 절단함에 의해 접속부 사이에 제직된 발열구간(Sh)이 하나의 발열 단위가 될 수 있는 것이다.

본 발명의 면상발열체는 탄소섬유(20)가 위사와 평행하게 제직되거나 셔틀의 이동구간에 의하여 위사(12)와 각을 이루고 경사지게 직조될 수 있다. 탄소섬유(20)가 위사와 소정의 각이 형성되는 이유는 망사(10)를 직조하는 과정에서 셔틀이 한꺼번에 가지 않고 소정의 속도로 이동하기 때문에 다음 땀(stitch)에서 엮여지기 때문이다.

즉, 위사와 경사가 꼬아져 망목을 이룰 때 탄소섬유가 공급되는 셔틀이 망목 형성될 때 도달하지 못하여 다음 엮어짐에 공급되어 기울어지게 직조되는 것이다.

또한 본 발명의 면상 발열체는 도 5에 도시한 바와 같이, 양면에는 탄소섬유를 보호하고, 절연할 수 있도록 보호층(40)을 더 형성하는 것이 바람직하다.

상기 보호층(40)은 폴리에틸렌(PE : polyethylene), 폴리염화비닐(PVC : Polyvinyl Chloride), 폴리우레탄(PU : polyurethane) 및 열가소성폴리우레탄(TPU : Thermoplastic Poly Urethane), PET(polyethylene phthalate), 실리콘(silicone), PTFE(polytetrafluoroethylene) 중 어느 하나 이상을 코팅하여 이루어질 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 다른 실시예로 편직기를 이용한 직병렬 제직 탄소섬유 면상 발열체를 제조하는 방법을 설명한다.

편직기는 정경빔, 가이드바, 편침, 싱커 등으로 구성된다. 편직기를 이용한 제조 방법은, 회전하면서 가이드바에 복수의 정경빔 원사를 공급하고, 공급된 원사는 편침으로 공급되어 편침이 상승할 때 가이드바가 원사를 통과하고, 편침이 원사를 걸면서 동시에 하강하면서 1회 및 2회 홀치기 루프를 만들고, 싱커의 편침의 상하운동 중 전후 운동으로 편환형성이 되어 위사와 경사의 망사가 형성되고, 탄소섬유는 경사의 정경빔으로 셔틀에 공급되고, 셔틀의 좌우 이동으로 상기 위사와 경사가 루프를 형성할 때 위사로 삽입되고, 상기 망사의 양단부근에서 셔틀의 좌우 이동 속도를 제어하여 곡선의 패턴 또는 주기적으로 금속사와 함께 경사로 직조되어 접속부가 형성된다. 이때 금속선은 경사로 공급되어 직조된다.

원하는 발열량을 위한 전기저항은 탄소섬유가 삽입되는 경사 방향은 스티치(stitch)의 간격을 조절하고, 위사 방향은 패턴의 왕복 주기로 전기저항을 결정할 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명의 면상 발열체는 망사(10)를 직조하는 과정에서 망사의 개구에 탄소섬유(20)가 들어가 직조된다.

망사(10)를 구성하는 위사와 경사는 2가닥 이상이 꼬아진다.

일예를 들면, 도 4 및 도 6에 도시한 바와 같이, 두 가닥 이상의 일반섬유를 꼬아진 제1 다발 및 제2 다발은 위사로 만들어지면서 소정의 스티치(stitch) 간격으로 1회 및 2회 홀치기에 의하여 경사로 만들어진다. 도 4의 1점 쇄선이 제 1다발 및 제2 다발의 엮여 가는 방향을 보여준다. 이때 위사와 경사의 꼬임에 의하여 개구개구(11o)가 형성되고, 좌측 또는 우측의 가로방향으로 왕복운동을 하는 셔틀에 카본섬유가 경사로 공급되어 위사와 같이 엮여진다.

탄소섬유는 경사와 위사가 꼬아질 때 만들어지는 개구(11o)를 통과하여 위사와 함께 엮여져 고정된다. 탄소섬유는 망사의 전폭에 좌우로 이동하는 셔틀에 의하여 경사 방향으로 공급된다.

직조되는 망사(10)를 직조하는 과정에서, 망사의 양 단부에는 경사 방향으로 금속사를 공급하면서 위사와 엮여져 연속적인 라운드 패턴의 금속사(30)가 제직된다. 이때 금속사도 좌우로 이동하는 가이드바에 의하여 경사로 공급하면 연속적인 라운드 패턴이 형성된다.

본 발명에 따라 S자형의 연속적인 라운드 패턴으로 형성된 금속사가 도 8a와 같이 제직되었을 때, 도 8b와 같이 하중에 의한 인장력이 가해질 경우 S자형의 금속사가 펴지면서 끊어지는 것을 방지하는 예시를 보여준다.

10: 망사
11: 경사 11o: 개구
12: 위사
20: 탄소섬유 20c: 접속부
30: 금속사
40: 보호층

Claims (7)

1. 복수의 원사가 다발로 위사와 경사로 편직되어 망목이 형성된 망사(10);
   상기 위사와 경사가 엮여질 때 위사로 삽입되고 상기 망사의 양단부근에서 곡선으로 패턴이 형성된 탄소섬유(20) 및
   상기 망사의 양 단부에 주기적으로 상기 탄소섬유와 엮여져 접속부를 형성하는 금속사(30)를 포함하고,
   상기 탄소섬유는 이방성의 배향을 갖는 폴리아크릴로니트릴(PAN)계를 가열 탄화시켜 탄소 함유량이 90%이상이며,
   상기 금속사는 상기 망사에 S자형의 연속적인 라운드 패턴으로 형성되어 인장 시에 손상을 방지하고,
   상기 탄소섬유와 금속사는 접속부에서 2개 이상의 접촉점이 형성되는 것을 특징으로 하는 직병렬 제직 탄소섬유 면상 발열체.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 면상 발열체의 양면에는 탄소섬유를 보호하고, 절연할 수 있도록 보호층(40)이 형성된 것을 특징으로 하는 직병렬 제직 탄소섬유 면상 발열체.
4. 제3항에 있어서,
   상기 보호층(40)은 폴리에틸렌(PE : polyethylene), 폴리염화비닐(PVC : polyvinyl Chloride), 폴리우레탄(PU : polyurethane) 및 열가소성폴리우레탄(TPU : Thermoplastic Poly Urethane), PET(polyethylene phthalate), 실리콘(silicone), PTFE(polytetrafluoroethylene) 중 어느 하나 이상을 접착 또는 코팅하여 이루어진 것을 특징으로 하는 직병렬 제직 탄소섬유 면상 발열체.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제

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