KR101808632B1 - 웨어러블 태양전지용 직조 원단의 제조방법 및 그 원단 - Google Patents

Abstract

본 발명은 형태안정성과 유연성이 우수한 웨어러블 태양전지를 구성하기 위한 전극 기재로서 사용되는 직조 원단을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은, 금속섬유를 사용하여 직조할 때에 경사의 장력을 개별적으로 조절하고, 소정의 경사로 이루어진 단위 셀의 양쪽 가장자리 변사 부분을 레노 조직에 의한 구조로 구성하여, 사절의 발생을 억제하고 변사 부분 경사의 쳐짐이 발생하지 않도록 하여, 직기에서 금속섬유에 의한 직조가 이루어지도록 한 것이다.

Description

웨어러블 태양전지용 직조 원단의 제조방법 및 그 원단{Manufacturing method of fabric for wearable solar cell and fabric for wearable solar cell thereby}

본 발명은, 직물을 포함한 유연한 웨어러블 태양전지에 적용되는 금속섬유 직조 원단에 관한 것이다.

신재생에너지 산업을 주도하고 있는 태양광 산업은, 향후에도 지속적으로 성장할 것으로 예상되고 있으며, 특히 박막형 태양전지의 시장 수요가 증대하고 있다.

한편, 최근에는 구글 글래스의 발표로 웨어러블 디바이스에 대한 관심이 집중되고 있다.

웨어러블 디바이스는 24시간 전력 공급이 필수이며, 소형의 배터리가 내장되지만, 웨어러블 디바이스에 필요한 전력을 공급해줄 수 있는 좀 더 효과적인 전력원의 개발이 주목받고 있다.

세계적으로 스마트 시대로 진입하면서, 기술의 중심은 유연 전자제품과 웨어러블 디바이스로 옮겨가고 있으며, 태양전지의 개발도 가볍고 튼튼하고 유연성의 향상 등이 요구되고 있다.

이렇게 개발되는 웨어러블 태양전지는 블라인드와 같은 건축 내장재, 아웃도어, 스마트 헬스 케어 등의 용도로 적용이 기대되고 있다.

현재까지 개발된 웨어러블 태양전지는, 상층과 하층의 금속판과 상기 금속판의 사이에 면포가 삽입된 전극체를 사용하되, 스크린 프린터 공정으로 광전극과 염료를 프린트하고 밀봉부재를 이용하여 밀봉하고, 밀봉부재의 내부에 전해질을 충전하고, 섬유 전극에 단자 전극을 연결하여 와이어링하여 옷감 형태의 유연한 태양전지를 제조할 수 있는 것이 알려져있다.

또한, 한국공개특허 2014-0093791(섬유직조를 이용한 염료감응형 태양전지)에 의하면, 금속 와이어를 경사로 하고 절연체 와이어를 위사로 하여 직조한 광전극 및 상대전극을 이용하고 내부에 전해질을 충진하고 실링하여 형성되는 섬유직조를 이용한 태양전지가 기재되어 있다.

이렇게 금속 와이어로 직조함에 따라 크기 및 형상에 구애받지 않는 장점이 있으나, 태양전지를 만들 정도로 치밀하게 제조하는 것이 어렵고, 직조 공정 중에 미세한 금속섬유들이 필연적으로 겪게 되는 장력과 마찰력의 문제로 절사가 너무 자주 발생하여 실제 직조물을 제조하기 위해 상용 직조 장비에서 생산 작업성이 현저히 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 금속섬유로 직조된 전극체 기반의 유연성을 지니는 웨어러블 태양전지용 직조 원단의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 금속사를 사용하여 금속직물을 직조할 때에, 직조를 시작하기 전에 상기 금속사의 물성에 따라 소정의 설정치로 경사의 최대 장력을 설정하는 경사 장력 설정 단계; 및 직조를 시작하게 되면 경사장력조절장치를 통해, 개구시 경사 장력을 상기 설정치로 하고, 폐구시 경사 장력의 변화율이 상기 설정치의 30% 이내의 범위가 되도록 조절하여 직조하는 단계;를 포함하며, 소정의 경사로 구성된 단위 셀에 있어, 상기 셀의 양쪽 가장자리에 위치한 경사의 변사 부분은 레노 조직에 의한 구조로 형성하되, 상기 레노 조직을 형성하기 위한 꼬임사인 레노 경사의 장력을 별도의 가이드 텐션 장치에 의해 조절하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 태양전지용 직조 원단의 제조방법을 제공한다.

통상의 직기에서는 금속 섬유가 나쁜 신축성을 가져 장력의 변화에 민감하게 반응하므로, 사절이 너무 많이 발생하여 상업적으로 직조하는 것이 거의 불가능하지만, 본 발명에서는, 직조할 때에, 도비기와 연동된 이징장치 및 이징장치와 연동된 이징 롤러를 이용하여, 경사의 장력이 변화하기 시작함과 동시에 경사 장력을 선제적으로 조절하게 되므로, 경사 장력 변화의 정도를 용이하고 세밀하게 줄일 수 있어 사절의 발생을 억제하므로, 직기에서 상업적으로 금속섬유를 직조하는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 태양전지용 직조 원단이다.
도 2는 상기 도 1의 직조 원단의 표면을 확대한 SEM 사진이다.
도 3은 상기 도 1의 직조 원단의 단면을 확대한 SEM 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 경사조절장치를 포함한 직기의 일 예이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 직기에서 직조되어 나오는 원단이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라서 단위 셀의 변사 부분을 형성하기 위한 레노 종광이 장착된 사진이다.

본 발명은 형태안정성과 유연성이 우수한 웨어러블 태양전지를 구성하기 위한 기재로서 직조 원단을 제공하기 위해, 금속섬유를 사용하되 직조할 때에 경사의 장력을 개별적으로 조절하고, 소정의 경사로 이루어진 단위 셀의 양쪽 최외각 변사 부분을 레노 조직에 의한 구조로 구성하여, 사절의 발생을 억제하고 변사 부분 경사의 쳐짐이 발생하지 않아 제직 작업성과 속도가 향상되는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 직조 원단은 금속섬유를 경사 및 위사로 하여 평직, 도비조직 또는 주자직으로 직조하며, 금속섬유의 굵기는 35~100㎛로 미세화된 것을 사용하고, 소정의 경사로 구성된 단위 셀에 있어, 상기 셀의 양쪽 가장자리에 위치한 변사 부분은 레노 조직에 의한 구조로 구성될 수 있다.

상기 금속섬유의 굵기가 35㎛ 미만이면 직조 과정에서 경사의 마찰이 심해져 절사가 발생하거나 장력을 받아 인장되어 늘어날 수 있고, 본 발명의 경사장력조절장치에 민감하게 반응하여 경사 장력 조절 범위를 벗어나기 쉬우며, 100㎛를 초과하면 금속섬유 특유의 나쁜 신축성으로 개구와 폐구가 원활하게 이루어지지 않아 제직 속도가 현저히 저하되고 직조 원단의 두께가 두꺼워져 유연성이 저하되어 바람직하지 않을 수 있다.

상기 금속섬유는, 스테인리스 스틸 섬유(SUS 사(絲)), 은 섬유, 동 섬유, 니켈 섬유 등, 금속 재질의 섬유를 제한 없이 사용할 수 있는데, 스테인리스 스틸 섬유를 사용하는 것이 강도 및 비용 측면에서 좀 더 바람직하다.

본 발명의 원단은 60인치 이상의 광폭을 형성할 수 있는 통상의 레피어 직기에서 직조할 수 있는데, 이때 소정의 경사로 구성된 단위 셀을 형성하면서 직조하고, 단위 셀의 경사부 길이는 10~300mm일 수 있다.

또한, 단위 셀의 경사 밀도는 100~600 ends/inch인 것이 바람직한데, 이로 인하여 태양전지의 제조 공정에서 전해질이 SUS 사 간의 공극 사이로 투입되는 경우에, 상기 밀도로 형성된 SUS 사 간 교차 부분과 비교차 부분의 균일한 두께에 의해 태양전지의 효율이 향상될 수 있다.

본 발명의 직조 원단은, 하나의 종광에 경사 4~12올을 통과시켜 합사 형태로 직조되는 것이 바람직한데, 이로 인하여 가는 굵기로 약한 강도와 나쁜 신도의 특성을 가지는 민감한 금속섬유가 경사 장력에 의해 절사되는 것을 억제하고, SUS 사 간 교차 부분의 두께를 형성할 수 있게 된다.

이때 상기 단위 셀의 양쪽 가장자리는 경사 장력이 느슨하게 걸려 경사 쳐짐 현상이 발생하여 개구 사이로 위사가 삽입될 때 경사가 절단되는 현상이 자주 발생하게 되고 올 풀림 또는 올 밀림 현상이 발생하게 된다.

이에 따라 본 발명에서는 단위 셀의 가장자리는 레노 조직(레노 조직을 갖는 섬유는 동일선상에 위치되는 복수의 경사 중 일측 경사가 다른 경사를 중심으로 좌우 왕복 운동하여 복수의 경사가 꼬여지면서 그 사이로 삽입되는 위사에 의하여 제직되어 형성되는 것)의 형태를 갖는 경사로 구성되는데, 레노 조직 형태의 경사의 경우 경·위사를 감아 돌므로 약 4~10배 정도의 경사가 더 소모되므로 기본조직의 경사 빔과는 달리 별도의 레노 경사용 빔을 사용하거나, 레노 경사 수만큼의 크릴에 감아 경사를 공급하게 되고, 이때 탄성체로 된 가이드 텐션 장치를 이용하여 경사마다 텐션을 조절한다.

이때, 레노 경사의 송출 장력은 크릴에 상하로 장착된 텐션와셔에 의해 조절되며, 상기 가이드 텐션 장치에 의해 레노 경사의 제직축에 따른 장력의 차이를 조절하여 일정한 장력이 유지되도록 보전할 수 있다.

일반적으로 직조할 때에, 경사의 장력은 직기의 주된 운동과 동기하여 주된 축의 1회전 중에 맥동적으로 변화하고 있다.

이로 인하여 경사의 장력이 개구나 바디치기 운동에 의해 일시적으로 높게 된 때에, 또는 타월(Towel)직기와 같이 파일(pile) 경사가 낮은 장력에서 파일을 형성할 때와 같이 직조의 여러 과정에서 적절한 장력 보정이 필요하게 된다.

이러한 장력 보정을 위한 경사 장력의 조절은, 경사빔의 회전 속도로 조절하거나, 텐션 롤에 경사를 감아 걸고 이 텐션 롤의 위치 변화에 대응하여 경사의 송출량을 제어함으로써 이루어질 수 있다.

경사의 장력 조절 방법으로서 이징(Easing) 모션을 이용하는 방법이 있다.

이는 직기의 개구, 위입, 비팅으로 이루어지는 1 싸이클 중, 비팅 타이밍을 포함하는 위치제어기간에 위치 제어에 의해 서보모터 등과 같은 이징 롤 작동장치를 구동하고, 이징 롤을 소정의 정위치에 위치시켜, 경사 장력을 설정하고, 최대 개구 타이밍을 포함하는 장력제어기간에 경사 장력이 설정한 장력 범위에서 조절되도록 이징 롤 작동장치를 구동하여 이징 롤을 이동시키는 방법에 의해 이루어진다.

직기에서 경사 장력은 앞에서 언급한 바와 같이 경사빔의 회전 속도로 조절될 수 있지만, 고밀도 직물을 직조하기 위해서는 특별히 이징 모션을 일으키는 이징장치를 사용할 수 있는데, 이 경우 이징장치가 크랭크 축에 의한 동력 전달 방식으로 행하여 지므로, 장력의 변화를 빠르게 파악하고 세밀하게 제어하는 능력이 저하되어 있다. 이로 인하여 민감한 SUS 사의 경사 장력을 조절하는 것은 용이하지 못하다.

본 발명은 태양전지용 광전극 기판을 웨어러블 용도에 적합하게 티타늄(Ti) 또는 스테인리스 스틸과 같은 미세하고 민감한 금속섬유를 사용하므로 직조할 때에 금속섬유의 변형과 사절이 너무 많이 발생하여 원하는 만큼 직조가 불가능해진다. 즉, 금속섬유는 신축성이 없어 설정된 장력보다 높은 장력을 받으면 쉽게 끊어지거나 늘어나게 되고, 일단 늘어나게 되면 원래의 상태로 줄어들지 않으므로, 직조 과정에서 제 위치에서 벗어나 많은 마찰과 충돌로 사절이 발생하고 늘어난 경사의 쳐짐으로 경·위사의 교착불량으로 제직 자체가 불가능해진다. 따라서 금속섬유는 직조과정에서 매우 민감도가 높은 직조하기 어려운 섬유이다.

이에 따라 본 발명에서는 하기 도 4에 나타낸 바와 같이, 금속섬유 경사의 장력을 일정한 범위로 조절하기 위해, 포지티브형 레피어 직기에서, 개별 종광틀을 구동하는 도비(dobby)기와, 상기 도비기의 작동에 연동한 이징장치와, 상기 이징장치에 연결되어 이징장치에 의해 위치가 전후좌우로 변화되면서 경사의 장력을 조절하는 이징 롤러를 포함한 장치에 의해 경사의 장력을 설정 장력 값의 범위로 조절하면서 직조할 수 있다.

기존의 직기에서는 직조를 시작하게 되면 변화된 경사 장력을 측정하고 나서 이징장치 또는 이징 롤러를 통해 경사 장력을 제어한다.

반면에 본 발명에서는, 직조를 시작하게 되면 개구와 폐구를 위해 도비기가 작동하게 되고, 도비기와 연결된 종광틀에 의해 개구와 폐구 시에 경사 장력에 변화가 발생하게 되지만, 도비기와 연동된 이징장치가 도비기의 작동과 동시에 작동하게 되고, 이러한 작동에 의해 이징 롤러의 위치를 변화시켜 선제적으로 경사의 장력을 설정치 범위에서 조절되도록 할 수 있다.

일반적으로 금속사로 직조할 경우, 개구 시에 경사 장력이 최대가 되고 폐구 시에 경사 장력이 순간적으로 최대 경사 장력의 40~50%로 급격히 감소하게 되는데, 본 발명에서는 조직에 따라 다르게 움직이는 도비기와 연동된 이징장치에 의해 개구 시의 최대 경사 장력을 설정하고, 폐구 시에도 도비기의 작동에 따라 이징장치가 동시에 작동하여 선제적으로 상기 설정된 최대 경사 장력에 대해 경사 장력의 변화율이 30% 이내가 되도록 조절하여, 경사 장력 변화의 폭이 최소화되어 경사의 안정성이 향상되어 직조를 용이하게 수행할 수 있다.

이때 상기 최대 경사 장력의 설정치는 경사의 종류, 번수, 신도 등 경사의 물성에 따라 설정될 수 있다.

이때 상기 이징장치는 가해지는 무게에 의한 위치변환 수단 또는 스프링 등과 같은 탄성체 수단을 사용할 수 있지만, 본 발명에서는 도비기 운동에 연동되어 관절운동을 하는 복수개의 링크 기구를 구비한 이징장치를 사용한다.

본 발명의 원단의 구성에 있어, 1개의 경·위사로 직조할 경우 직조 과정에서 마찰과 과도한 장력 변화를 견디지 못하고 사절이 발생하여 직조 자체가 불가능해지므로, 경사는 4~12올을 하나의 종광에 인입하고, 위사는 1회 피킹(peaking)할 때에 2~6올을 한 번에 위입하는 것이 경사의 약한 굴곡강도를 강화시키면서 고밀도로 직조할 수 있어 바람직하다.

이때, 상기와 같이 2~6올을 위입하기 위해 포지티브 형(Positive type) 레피어 해드를 적용할 수 있다.

이하에 본 발명을 실시예에 의해 구체적으로 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 치환 및 균등한 타 실시예로 변경 할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

[실시예]

도비기; 상기 도비기의 운동에 연동되어 관절운동을 하는 복수개의 링크 기구를 구비한 이징장치; 및 상기 이징장치에 연동되어 전후좌우로 위치 변경하면서 경사의 장력을 직접적으로 조절하는 이징 롤러;를 포함한 경사장력조절장치를 구비한 포지티브 형 레피어 직기를 이용하여, 한 개의 셀 단위가 경사 부분 18mm, 위사 부분 10mm로 되고, 각 셀 간의 사이가 경사 부분은 10mm, 위사 부분도 10mm가 형성되도록 직조하되, 경사의 밀도는 576 ends/inch이고, 1 peak에 2올이 위입되는 위사의 밀도는 80T(thread)/inch로 하는 섬유 조직 밀도를 가지는 단위 셀이 다수 개 형성하도록 평직으로 직조하기 위해, 단면이 원형인 50㎛ 굵기의 스테인리스 스틸 섬유를 경사 및 위사로 사용하고, 하나의 종광에 4올이 통과하도록 하고 한 바디에 12올을 인입하여 최대 경사 본수를 19,200본으로 설정하여 직조를 하기 위한 준비를 한다.

이후 직조를 시작하기 전에 경사의 최대 장력을 15Kg으로 설정하고, 직조를 시작하게 되면, 개구, 위입 및 폐구의 사이클을 형성하기 위해 상기 도비기가 작동하고, 동시에 이와 연동된 상기 이징장치가 작동하며, 이와 동시에 이징장치가 이징 롤러를 작동시켜, 폐구시의 경사 장력을 12Kg으로 조절하면서 직조하여, 하기 도 5와 같은 원단을 얻는데 성공하였다.

이때, 상기 단위 셀의 가장자리 경사의 변사 부분은 레노 조직에 의한 구조로 구성하도록, 레노경사 크릴에 상하로 장착된 텐션와셔에 의해 소정의 일정한 장력으로 레노경사를 투입하여 꼬임사인 레노경사의 사용 길이가 비꼬임사 경사보다 6배가 되도록 직조하였다.

Claims (10)

1. 금속사를 사용하여 금속직물을 직조할 때에,
   직조를 시작하기 전에 상기 금속사의 물성에 따라 소정의 설정치로 경사의 최대 장력을 설정하는 경사 장력 설정 단계; 및
   직조를 시작하게 되면 경사장력조절장치를 통해, 개구시 경사 장력을 상기 설정치로 하고, 폐구시 경사 장력의 변화율이 상기 설정치의 30% 이내의 범위가 되도록 조절하여 직조하는 단계;를 포함하며,
   소정의 경사로 구성된 단위 셀에 있어, 상기 셀의 양쪽 가장자리에 위치한 경사의 변사 부분은 레노 조직에 의한 구조로 형성하되,
   상기 레노 조직을 형성하기 위한 꼬임사인 레노 경사의 장력을 별도의 가이드 텐션 장치에 의해 조절하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 태양전지용 직조 원단의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 금속사는 스테인리스 스틸사로서, 직경이 35~100㎛인 것을 특징으로 하는 웨어러블 태양전지용 직조 원단의 제조방법.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 경사장력조절장치는, 개구와 폐구를 위한 종광틀을 작동시키는 도비기; 상기 도비기의 운동에 연동되어 이징 롤러를 움직이도록, 관절운동을 하는 복수개의 링크 기구를 구비한 이징장치; 및 경사 빔과 종광 사이에 개재되고 상기 이징장치와 연동되어 전후좌우로 위치 변경하면서 경사의 장력을 조절하는 이징 롤러;를 포함하며,
   상기 직조에서, 개구와 폐구를 위해 상기 도비기가 작동하게 되고, 상기 도비기와 연동된 상기 이징장치가 상기 도비기의 작동과 동시에 작동하게 되고, 이러한 작동에 의해 상기 이징 롤러의 위치를 전후좌우로 변화시켜 경사의 장력을 조절하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 태양전지용 직조 원단의 제조방법.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 레노 경사의 소요 길이는 상기 경사 대비 4~10배인 것을 특징으로 하는 웨어러블 태양전지용 직조 원단의 제조방법.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 경사는 4~12올을 하나의 종광에 인입하고, 위사는 1회 피킹할 때에 2~6올을 한 번에 위입하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 태양전지용 직조 원단의 제조방법.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 셀은 경사의 수가 100~600 ends/inch인 것을 특징으로 하는 웨어러블 태양전지용 직조 원단의 제조방법.
7. 삭제
8. 제 1항에 있어서,
   상기 단위 셀은, 직조할 때에 다수 개를 형성하도록 하거나, 직조할 때의 폭과 동일한 1개의 셀로 형성하도록 한 것을 특징으로 하는 웨어러블 태양전지용 직조 원단의 제조방법.
9. 제 1항에 있어서,
   상기 금속직물의 조직은 평직, 도비조직 및 주자직 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 웨어러블 태양전지용 직조 원단의 제조방법.
10. 제 1항 내지 6항, 제 8항 및 제 9항의 어느 한 항의 방법으로 제조되며, 금속사 경사의 밀도가 100~600 ends/inch인 것을 특징으로 하는 웨어러블 태양전지용 직조 원단.

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