KR101956359B1

KR101956359B1 - 스파이럴 구조의 금속와이어를 함유한 용융방사 전도성 섬유의 제조장치 및 제조방법

Info

Publication number: KR101956359B1
Application number: KR1020180066962A
Authority: KR
Inventors: 정재석; 장명진; 최긍지
Original assignee: 한국섬유개발연구원
Priority date: 2018-06-11
Filing date: 2018-06-11
Publication date: 2019-03-08

Abstract

본 발명은 신축성과 전기전도성이 우수한 전도성 섬유를 제조하는 장치 및 방법으로서, 스파이럴(spiral) 구조의 금속와이어를 원사의 외층에 형성시키고 금속와이어의 중심부에 용융고분자를 주입 방사한 후 냉각하면서 연신하여, 고분자 섬유의 코어부와 금속와이어의 시스부로 구성되는 2층 구조의 전도성 섬유를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전도성 섬유의 제조장치 및 제조방법은 전기전도도가 우수한 금속와이어를 기계적인 방법으로 스파이럴 구조로 만들면서 이의 내부 중심부로 용융고분자를 주입하여 2층 구조를 형성하는 공정이 연속적으로 일괄 수행되므로 생산성이 높고 제조비용이 저렴하며, 또한, 방사 후 금속와이어와 용융방사 고분자가 일체로 연신되면서 냉각되므로 섬유 외층에 위치한 금속와이어는 연신에 의해 코일 내경이 작아지면서 냉각·고화 중인 중심부의 고분자 섬유 외주면에 파고들어 오목한 홈 형상의 시트를 형성하면서 고분자 섬유에 감기게 되므로, 섬유의 인장 반복이나 외부의 마찰에 의하여 고분자 섬유 외층의 금속와이어 코일주기가 불규칙하게 변화되거나 절사 또는 단락되지 않는다.

Description

스파이럴 구조의 금속와이어를 함유한 용융방사 전도성 섬유의 제조장치 및 제조방법{Manufacturing Apparatus for Conductive Fiber Containing Spiral Structured Metal Wire by Melt Spinning, and Manufacturing Method Using the Apparatus}

본 발명은 신축성과 전기전도성이 우수한 전도성 섬유를 제조하는 장치 및 방법으로서, 스파이럴(spiral) 구조의 금속와이어를 원사의 외층에 형성시키고 금속와이어의 중심부에 용융고분자를 주입 방사한 후 냉각하면서 연신하여, 고분자 섬유의 코어부와 금속와이어의 시스부로 구성되는 2층 구조의 전도성 섬유를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 섬유에 금속을 적용하여 전도성 섬유를 제조하는 방법으로는 전기전도성이 우수한 구리, 카본블랙(carbon black), 탄소나노튜브(CNT) 등의 미립자를 고분자와 혼합하여 마스터배치(master batch)로 제조한 후 용융방사하는 방법이 있으나, 이러한 방법으로 제조된 전도성 섬유는 전기전도성이 낮아서 웨어러블 스마트의류와 같은 텍스트로닉스(textronics)용으로는 사용이 불가하고 대전방지나 제전복 제품에 한정적으로 사용되는 단점이 있다.

텍스트로닉스 용도를 만족하기 위해서는 높은 전기전도성뿐만 아니라 신축성이 우수하고 신축이 반복적으로 진행되어도 전기전도도가 그대로 유지되면서 끊어지지 않는 내구성을 보유하여야 한다.

섬유는 일반적으로 신축성이 있어서 약 2배 내지 3배 정도 늘어나고 줄어들 수 있으나, 금속은 인장 변형에 따른 탄성이 약 0.5 %에 지나지 않아서, 종래의 전도성 섬유는 신축성이 요구되는 웨어러블 기기에 사용이 어렵다는 단점이 있다.

이를 해결하기 위한 방안으로서 신축성이 큰 섬유에 금속을 도금하는 방법이나 섬유에 나노 크기의 금속입자를 분산시키는 방법이 개발되어 있으나, 이러한 섬유들이 인장되면 전기 전도도가 낮아지고 반복적인 신축에 의해 도금층이 벗겨지거나 금속입자가 섬유로부터 이탈되어 전기전도도가 급격히 낮아지는 문제가 발생한다.

이에, 신축성이 우수한 섬유 외층에 구리와 같은 전도성 금속을 코일 형태로 감아주어 전도성 섬유를 제조하는 방법이 개발되었으며, 상기 금속 코일은 유연한 재질의 선재로 되어 있어서 전도성 섬유를 변형시켜도 금속 코일의 길이나 단면적이 변하지 않으므로 저항값이 변하지는 않는다는 장점이 있다.

그러나 상기와 같은 형태의 전도성 섬유는 반복적인 인장·수축이나 외부 마찰 등에 의해 코일형태가 변형되거나 코일주기가 변하거나 또는 피로(fatigue)에 의한 절사가 발생하는 문제가 있다.

이러한 전도성 섬유의 제조방법을 구체적으로 살펴보면, 금속이 함유된 전도성 원사를 제조하는 용융방사 장치가 한국등록실용신안공보 제20-0378580호에 개시되어 있으며, 상기 장치는 나노증기 발생장치에 의해 발생된 금속나노증기를 송풍기를 통해 원료수지가 수용된 호퍼로 불어넣어 금속나노증기를 원료수지의 표면에 균일하게 흡착시키며, 이를 스크루 익스트루더(screw extruder)에 공급하여 용융시키고 방사 및 연신하는 과정을 통하여 금속의 종류에 따라 전자파 차단, 정전기 방지, 항균성 등의 특수기능을 가진 원사를 제조한다.

그러나 상기와 같이 금속나노증기를 사용하여 제조된 기능성 섬유는 전기전도성이 매우 낮은 특성으로 인하여 우수한 전기전도성이 요구되는 텍스트로닉스용 전도성 섬유에는 적합하지 않다.

이에, 한국공개특허공보 제10-2011-0078416호에서는 나노 은을 접합시킨 유동층 다중벽 탄소나노튜브를 열가소성 수지와 함께 십자형 노즐에서 용융복합방사하여 나노 은, 탄소나노튜브 및 열가소성 수지로 십자형 심부를 구성하고 십자형 가지 사이의 빈 공간은 열가소성 수지로 채운 전도성 복합섬유의 제조방법이 제안되었다.

상기 발명은 유동층 다중벽 탄소나노튜브와 함께 은 나노입자를 충진제로 함께 사용함으로써 전기전도성을 극대화하고 충진제를 심부에 십자형으로 채우므로 적은 양의 충진제를 사용하고도 전기전도성을 얻을 수 있으며, 복합섬유 표면 일부에 충진제가 노출되므로 텍스트로닉스로서의 기능을 수행할 수 있다.

그러나 상기의 복합섬유는 나노 은과 탄소나노튜브가 열가소성 수지에 분산되어 십자형 심부를 구성하므로 인장시와 수축시 전도성 입자의 분포밀도가 변하므로 전기전도도가 변동되고, 충진제의 표면노출이 복합섬유 표면의 일부에 국한되므로 텍스트로닉스로서 기능상 제약이 많은 문제가 있다.

이러한 문제를 해소하기 위하여, 한국공개특허공보 제10-2018-0003209호에는 1차 코일이 나선형으로 권취되어 코일형 구조를 형성하는 금속사 내부에 신축성 심사가 제공되는 형태의 전도성 섬유 및 이의 제조방법이 제시되었으며, 상기 발명은 먼저 나선형 구조의 금속사를 형성한 후 금속사 내부로 신축성 심사를 삽입하는 방법으로 전도성 섬유를 제조한다.

상기 발명은 코일형 구조의 금속사 내부에 신축성 심사가 삽입된 형태이므로 외층의 금속사에 의한 전기전도성이 우수하고 심사와 금속사가 연동하여 신축 및 변형이 가능하여 반복적으로 사용하여도 전도성 및 신축성이 그대로 유지될 수 있는 장점이 있다.

그러나 상기의 전도성 섬유는 섬유 외층에 감겨진 금속사의 코일주기가 인장 반복이나 외부의 마찰에 의하여 불규칙하게 변화되는 문제로 인하여 사용 중 금속사의 절사나 단락(short-circuit)이 발생하기 쉬워서 센서섬유와 같이 전기적 미세변화를 전기적 신호로 검출하는 정밀도와 반복사용에 따르는 내구성을 만족시키지 못하는 단점이 있다.

본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 우수한 전기전도성을 가지면서 섬유의 인장 반복이나 외부의 마찰에 의하여 섬유 외층에 감겨있는 금속와이어의 코일주기가 불규칙하게 변화되거나 절사 또는 단락되지 않는 전도성 섬유의 제조장치 및 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 전기전도도가 우수한 금속와이어를 테이핑스크루(taping screw)를 이용한 기계적인 방법으로 스파이럴 구조로 성형함과 동시에 스크루 익스트루더에 의해 용융된 고분자를 고압으로 방사구금에 주입하여 스파이럴 구조의 금속와이어 중심부에 용융방사(melt spinning)한 후 냉각시키면서 금속와이어와 방사된 고분자 섬유를 함께 연신하는 방식으로, 고분자 섬유 표면에 금속와이어가 감겨있는 형태의 전기전도성과 신축성이 우수한 전도성 섬유를 제조한다.

이하, 본 발명을 도 1을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1에는 본 발명에 따른 스파이럴 구조의 금속와이어를 함유한 용융방사 전도성 섬유를 제조하는 공정이 모식적으로 도시되어 있고, 도 2에 스핀팩의 종단면도, 도 3에 방사구금의 평면도 및 도 4에는 제조된 전도성 섬유의 측면 단면도가 도시되어 있다.

본 발명의 장치 및 방법으로 제조되는 전도성 섬유는 외층에 스파이럴 구조를 가진 금속와이어의 시스부(sheath part, C)와 금속와이어의 내측에 고분자 섬유의 코어부(core part, D)가 일체로 결합된 시스-코어 구조(sheath-core structure)를 가진다(도 4).

상기 코어부(D)를 형성하는 고분자 섬유(26)는 원료 고분자를 가열하여 용융하고 방사구금(spinneret, 21)의 노즐로부터 공기 중에 압출하여 냉각·고화시켜 제조되며, 주로 나일론, 폴리에스테르, 폴리올레핀 섬유 등의 화학합성섬유 제조에 주로 이용되고 통상적으로 내부에 스크루(13)가 장착된 원통형의 배럴(barrel, 12) 외주면에 히터(14)가 구비된 스크루 익스트루더(10)를 사용하여 방사구금(21)으로 용융 압출시킨다.

모터(15)를 가동하여 호퍼(hopper, 11)의 고분자 칩을 스크루 익스트루더(10)의 배럴(12)에 투입하면 스크루(13)의 회전에 의해 고분자가 전진하면서 히터(14)에 의한 전도열과 발생된 용융물의 흐름에 따른 대류열로 고분자 칩이 용융되며, 배럴(12)을 통과한 용융액은 기어펌프(16)에서 계량되어 원사의 단면을 형성하는 시스-코어 구조의 방사구금(21)을 통하여 방사된 후 섬유 구성분자의 일정 배열(orientation)을 위해 당겨서 강도 및 신도를 부여하는 저연신(low drawing) 공정 등을 통해 전도성 섬유의 코어부(D) 섬유를 형성한다.

용융방사시 사용되는 방사 온도는 각 고분자 소재의 용융온도와 유리전이온도를 참고하여 최적의 방사온도를 적용하여야 하고 이에 따라 상기 스크루 익스트루더(10)의 운전온도는 130~300 ℃ 범위로 설정되며, 이때 방출되는 고분자 섬유(26)의 섬도는 100~500 데니어, 바람직하게는 150~300 데니어가 적정하다.

시스부(C)를 이루는 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 금(Au), 스테인리스강(stainless steel) 등의 금속와이어, 또는 은도금 나이론, 산화구리코팅 아크릴 등 금속화합물을 포함한 금속 원사를 나선 형태로 만들기 위하여, 이들을 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 와이어보빈(wire bobbin, 22)으로부터 스핀팩(spin pack, 23)의 테이핑스크루(taping screw, 24)로 공급하여 기계적인 방법으로 스파이럴 구조의 금속와이어(25) 코일로 성형한다.

이때 사용되는 금속와이어의 굵기는 20~200 마이크론(micron), 금속화합물을 포함한 원사의 굵기는 30~100 데니어(denier)인 것이 바람직하고, 금속와이어의 굵기 30~170 마이크론, 금속화합물을 포함한 원사의 굵기 30~70 데니어인 것이 더욱 바람직하다.

상기 시스부(C)를 이루는 금속와이어 코일은 통상 0.03~30.00 %의 다양한 신도를 가지고 있어서 도 3의 방사구금(21) 금속와이어 통과부(A)에 공급되는 금속와이어 코일의 이동속도를 용융고분자 방출부(B)의 방사속도 대비 0.90~1.10 배, 바람직하게는 0.95~1.05 배로 일정하게 유지시켜주는 것이 중요한데, 공급비율(feeding rate, 금속와이어 코일의 이동속도/용융고분자의 방사속도)이 0.90 배 미만이면 제조되는 전도성 섬유의 신도가 낮아지고 추후 연신공정에서 금속와이어가 절사되기 쉬우며, 1.10 배를 초과하면 제조되는 전도성 섬유의 금속와이어가 과도하게 공급되어 스날(snarl) 형태로 불균일해질 우려가 있다.

상기 금속와이어 코일의 이동속도는 용융방사 진행방향으로의 금속와이어 코일의 진행속도를 의미하며, 공급비율 0.90 배는 나선으로 감긴 금속와이어 코일의 방사방향 진행거리가 용융방사된 고분자 섬유(26)의 진행거리의 0.9 배를 의미하므로, 금속와이어 코일의 이동속도가 고분자 섬유(26)의 방사속도보다 작고 금속와이어와 고분자 섬유(26)가 제1고뎃롤러(godet roller, 41)에 의해 함께 연신되므로 연신에 의해 금속와이어 코일이 고분자 섬유(26)에 좀 더 밀착되고, 1.10 배일 경우 금속와이어 코일과 고분자 섬유(26) 사이에 약간의 공간이 발생하게 된다.

도 2에는 스핀팩(23)의 종단면도가 도시되어 있는데, 와이어보빈(22)으로부터 공급되는 금속와이어(25)는 와이어가이더(wire guider, 도시하지 않음)를 거쳐 금속와이어 공급구(27)를 통하여 스핀팩(23) 내부로 공급되며, 스핀팩(23) 내부의 테이핑스크루(24)에 의해 나선간격과 지름이 일정한 코일형상으로 성형된다.

상기 테이핑스크루(24)는 원통의 외주면을 따라 일정한 간격으로 배치된 요철이 상하방향으로 연속된 나선형으로 형성되어 있고, 제1구동벨트(18), 베벨기어(17) 및 제2구동벨트(19)를 통하여 모터(15)의 회전력을 전달받아 회전하며, 스핀팩(23)에 공급된 금속와이어(25)는 테이핑스크루(24)의 회전에 의해 철부(凸剖) 사이의 통로인 요부(凹剖)를 따라 하향하면서 일정 간격과 지름의 스파이럴 형상으로 가공된다.

상기 스파이럴 형상의 금속와이어(25)는 테이핑스크루(24)를 통과한 후 방사구금(21)으로부터 방사된 고분자 섬유(26)의 외주면에 접하여 일체화되고, 금속와이어(25)와 고분자 섬유(26)는 제1고뎃롤러(41)에 의해 일체로 연신되면서 쿨링챔버(31)를 통과하는 동안 냉각·고화된다.

연신에 의해 고분자 섬유(26)는 길이방향으로 늘어나면서 섬도가 작아지고 금속와이어(25)는 스파이럴 구조가 펴지면서(코일주기가 길어지면서) 길이방향으로 늘어나므로, 고분자 섬유(26)의 섬도 감소폭보다 금속와이어(25)의 코일 내경의 감소폭이 좀 더 커지게 된다.

따라서 연신되는 동안 내경의 감소폭이 큰 시스부(C)의 금속와이어(25)는 상대적으로 섬도 감소폭이 작은 코어부(D)의 고분자 섬유(26) 표면에 파고들면서 오목한 홈(groove) 형상의 시트(seat, 28)를 형성하며, 고분자 섬유(26)가 쿨링챔버(31)에서 충분히 냉각·고화되면 더 이상 파고들지 못하고 제1고뎃롤러(41)를 통과하기 전까지 연신되는 동안 고화된 고분자 섬유(26)의 표면 시트(28)에 견고히 밀착되면서 감기게 된다.

도 3에는 방사구금(21)의 평면도가 도시되어 있는데, 고리형의 금속와이어 통과부(A)와 금속와이어 통과부(A) 내측에 원형의 용융고분자 방출부(B)로 구성되고, 금속와이어 통과부(A)를 통과하는 금속와이어(25)는 도 4와 같이 전도성 섬유의 외층인 시스부(C)를 구성하고, 용융고분자 방출부(B)로부터 방사되는 고분자 섬유(26)는 전도성 섬유의 심층인 코어부(D)를 구성하여 2층 구조의 전도성 섬유가 제조되며, 금속와이어(25)가 고분자 섬유(26) 표면의 홈 형상 시트(28)에 끼워진 형태로 조여지므로, 제조된 전도성 섬유는 인장 반복이나 외부의 마찰에 의하여 금속와이어 코일주기가 불규칙하게 변화되거나 절사 또는 단락되는 것이 현저히 줄어들게 된다.

더불어, 금속와이어(25)의 스파이럴 가공 및 스파이럴 구조의 금속 와이어를 방사된 고분자 섬유(26)와 2층 구조를 형성하는 공정이 연속적으로 일괄 수행되므로 생산성이 높고 제조비용이 저렴하다.

방사공정 이후 냉각 및 저연신 공정에서 연신비율(drawing ratio)은 1.2~3.5 배, 바람직하게는 1.5~3.0 배로 일정하게 유지시켜주는 것이 중요한데, 연신비율이 1.2 미만이면 완성되는 전도성 섬유의 강도가 낮아지고 고분자 섬유(26) 표면에 시트(28)의 형성이 미진하여 인장 반복이나 외부 마찰에 의해 코일주기가 불규칙하게 변화될 수 있으며, 3.5 이상이면 완성되는 전도성 섬유에서 금속와이어의 스파이럴 구조가 불규칙하게 배열될 가능성이 커지고 금속와이어(25)가 고분자 섬유(26) 깊숙히 파고들어 절사의 가능성이 커질뿐만 아니라 금속와이어(25)의 표면 노출 면적이 작아지므로 전기적 성능이 줄어들게 된다.

제1고뎃롤러(41)의 연신된 금속와이어(25)와 고분자 섬유(26)는 제2고뎃롤러(42)를 거쳐 권취롤러(43)에 권취되어 전도성 섬유가 제조되며, 전도성 섬유를 권취하는 과정에서 오버피드율(over feeding ratio, 고뎃롤러 속도/권취롤러 속도)을 1.02~1.07 배, 바람직하게는 1.03~1.05 배로 유지할 필요가 있으며, 이는 팽팽하게 당겨진 상태의 금속와이어(25)의 장력(tension)을 줄여주어 제조된 전도성 섬유를 보관하는 중에 금속와이어(25)가 늘어나는 것을 방지하고 사용하기에도 편리한 이점이 있다.

이후, 이종의 소재가 융착된 전도성 섬유의 구조적 안정화를 위하여 스팀세트(steam set)와 같은 장치에서 80~85 ℃로 열셋팅(heat setting)하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 전도성 섬유의 제조장치 및 제조방법은 전기전도도가 우수한 금속와이어를 기계적인 방법으로 스파이럴 구조로 만들면서 이의 내부 중심부로 용융고분자를 주입하여 2층 구조를 형성하는 공정이 연속적으로 일괄 수행되므로 생산성이 높고 제조비용이 저렴하다.

또한, 방사 후 금속와이어와 용융방사 고분자가 일체로 연신되면서 냉각되므로 섬유 외층에 위치한 금속와이어는 연신에 의해 코일 내경이 작아지면서 냉각·고화 중인 중심부의 고분자 섬유 외주면에 파고들어 오목한 홈 형상의 시트를 형성하면서 고분자 섬유에 감기게 되므로, 섬유의 인장 반복이나 외부의 마찰에 의하여 고분자 섬유 외층의 금속와이어 코일주기가 불규칙하게 변화되거나 절사 또는 단락되지 않는다.

따라서 본 발명의 장치 및 방법으로 제조된 전도성 섬유는 센서특성과 신축특성이 우수하여 텍스트로닉스 기반 웨어러블 디바이스 소재 및 모듈 제조에 유용하게 사용할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 스파이럴 구조의 금속와이어를 함유한 용융방사 전도성 섬유를 제조하는 장치의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 전도성 섬유 제조용 스핀팩의 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 전도성 섬유 제조용 방사구금의 평면도이다.
도 4는 본 발명에서 제조된 스파이럴 구조의 금속와이어를 함유한 전도성 섬유의 측면 단면도이다.

이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의거하여 좀 더 상세하게 설명한다.

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

<실시예 1>

도 1과 같이 스파이럴 구조의 금속와이어를 함유한 용융방사 전도성 섬유의 제조장치를 구성한 후, 호퍼(11)에 폴리에스테르 칩을 채우고 히터(14)를 가동하여 배럴(12)을 285 ℃로 승온시켰으며, 굵기 50 ㎛의 구리 금속와이어(25)가 권취되어 있는 H 형태의 와이어 보빈(22)을 방사구금(21)의 용융고분자 통로 외주면에 장착하고 구리 금속와이어(25)를 금속와이어 공급구(27)를 거쳐 테이핑 스크루(24)와 연결시켜 스핀펙(23)에서 스파이럴 가공작업이 가능하도록 준비하였다.

모터(15), 기어펌프(16), 쿨링챔버(31), 롤러(41, 42, 43)를 가동하면 호퍼(11)의 폴리에스테르 칩은 스크루 익스트루더(10)에서 용융 가압된 후 기어펌프(16)에서 계량되어 방사구금(21)의 용융고분자 방출부(B)에서 방사되고, 제1구동벨트(18), 베벨기어(17) 및 제2구동벨트(19)에 의해 테이핑 스크루(24)가 구동되면서 와이어 보빈(22)의 구리 금속와이어(25)는 테이핑 스크루(24)에서 일정한 형상과 주기의 나선으로 성형된다.

방사구금(21)에서는 금속와이어 통과부(A)에 상기 나선으로 성형된 굵기 50 ㎛의 구리 금속와이어가 통과하고 용융고분자 방출부(B)에 가압된 용융 폴리에스테르가 섬도 150 데니어로 방사되며, 이때 용융고분자 방출부(B)의 내부 홀(hole) 지름은 Φ130 ㎛이고 외부 홀 지름은 Φ250 ㎛이며 금속와이어 통과부(A) 간격은 60 ㎛가 되도록 하였다.

방사구금(21)을 통과하여 스파이럴 구조의 금속와이어를 포함한 전도성 원사는 쿨링챔버(31)를 통과하면서 냉각되고 연신비 1.2를 유지하도록 제1고뎃롤러(41)에서 연신된 후 제2고뎃롤러(42)와 최종 권취롤러(43)에서 오버피드율 1.04가 되도록 H 형태의 보빈에 권취하였다.

<실시예 2>

상기 실시예 1과 동일한 구조의 장치에 시스부(C)와 코어부(D)의 소재 종류와 섬도를 달리하여 전도성 섬유를 제조하였다.

와이어 보빈에 섬도 70 데니어(93 ㎛)의 은 함유 나이론 원사를 권취하고 호퍼(11)에 폴리아미드 칩을 채운 다음 장치를 가동하였으며, 방사구금(21)에서는 금속와이어 통과부(A)에 섬도 70 데니어의 은 함유 나이론 원사가 통과하고 용융고분자 방출부(B)에 150 데니어의 용융 폴리아미드가 방사되며, 이때 용융고분자 방출부(B)의 내부 홀 지름은 Φ140 ㎛이고 금속와이어 통과부(A)의 지름은 Φ340 ㎛이며 은 함유 나이론 원사의 통과부 간격은 100 ㎛가 되도록 하였다.

방사구금(21)을 통과한 전도성 원사의 연신비와 오버피드율은 실시예 1과 동일하게 설정하였고 실시예 1 및 2에 의해 제조된 스파이럴 구조의 와이어를 함유한 전도성 섬유의 제조사양은 하기 표 1과 같다.

		실시예 1	실시예 2	비고
In-put	시스부 소재	구리	은 함유 나이론
	시스부 굵기 (denier, micron)	157.2 d (50.0 ㎛)	70.0 d (93 ㎛)
	코어부 소재	폴리에스테르	나일론6
	코어부 굵기 (denier)	150	150
Process	시스부 연신율 (%)	1.66	1.79
Process	코어부 연신율 (%)	1.2	1.2
Out put	혼용율 (%)	폴리에스테르/구리=36/64	나일론6/은 함유 나일론=55/45
	굵기 (denier)	410.6	275.3
	전기저항 (Ω/㎝)	0.13	25.5	FLUKE 84Ⅴ

금속와이어의 길이가 증가하면 저기저항이 증가하고, 또한 같은 금속을 사용하는 경우에는 금속와이어의 단면지름이 증가할수록 전기저항은 감소하는 특성을 나타낸다.

또한, 금속화합물을 포함한 원사의 경우는 현저하게 전기저항이 크게 나타나는 특성이 있고, 신호전달 또는 센서 용도 등 텍스트로닉스 제품의 용도에 따라서 같은 소재의 금속와이어를 사용하더라도 금속와이어의 단면지름, 꼬임수 또는 연신율을 조정하여 전기저항 특성을 제어할 수 있다.

본 발명에 따른 전도성 섬유는 상기 표 1에 나타난 바와 같이 스파이럴 구조의 금속와이어를 전도성 원사의 외층에 형성시킨 다음 원사 중심부에 용융고분자를 주입하여 최종적으로 2층 구조의 원사를 복합 방사함으로써, 종래의 문제점인 전도성 섬유의 낮은 전기전도도, 섬유 외층에 감겨진 금속와이어의 코일주기가 인장반복이나 외부 마찰에 의하여 불규칙하게 변화되는 문제점 등을 개선할 수 있다.

또한, 전기전도도가 우수한 금속와이어를 기계적인 방법으로 스파이럴 구조로 제조함과 동시에 용융고분자와 복합방사하여 전도성 섬유를 제조하는 2단계 융합기술을 통하여 안정적인 전기전도성과 신축 특성이 발현되는 전도성 섬유를 연속적으로 제조 가능한 장점이 있다.

10:스크루 익스트루더, 11:호퍼, 12:배럴, 13:스크루, 14:히터, 15:모터, 16:기어펌프, 17:베벨기어, 18:제1구동벨트, 19:제2구동벨트, 21:방사구금, 22:와이어보빈, 23:스핀팩, 24:테이핑스크루, 25:금속와이어, 26:고분자 섬유, 27:금속와이어 공급구, 28:시트, 31:쿨링챔버, 41:제1고뎃롤러, 42:제2고뎃롤러, 43:권취롤러
A;금속와이어 통과부, B:용융고분자 방출부:, C:시스부, D:코어부

Claims

원통형의 배럴(12) 내부에 스크루(13)가 장착되고 외주면에 히터(14)가 구비되어, 인입된 고분자가 히터(14)에 의해 용융된 후 스크루(13)에 의해 방사구금(21)으로 가압 이송하는 스크루 익스트루더(10);
금속와이어(25)를 코일형상으로 성형하는 테이핑스크루(24)를 내부에 장착하여, 금속와이어(25)를 코일형상으로 성형한 후 방사구금(21)으로 이송하는 스핀팩(23);
고리형의 금속와이어 통과부(A)와 상기 금속와이어 통과부(A) 내측에 원형의 용융고분자 방출부(B)로 구성되어, 상기 스크루 익스트루더(10)로부터 이송되는 용융 고분자를 용융고분자 방출부(B)에서 방사하고 상기 스핀팩(23)으로부터 이송되는 금속와이어 코일을 금속와이어 통과부(A)로 통과시키는 시스-코어 구조의 방사구금(21);
상기 방사된 고분자 섬유(26)와 금속와이어(25)를 일체로 연신하는 고뎃롤러(41);
상기 방사구금(21)과 고뎃롤러(41) 중간에서 고분자 섬유(26)를 냉각·고화시키는 쿨링챔버(31); 및
상기 연신 및 고화된 고분자 섬유(26)와 금속와이어(25)를 권취하는 권취롤러(43);를 포함하는, 스파이럴 구조의 금속와이어를 함유한 용융방사 전도성 섬유의 제조장치.
청구항 1에 있어서,
상기 테이핑스크루(24)는 원통의 외주면을 따라 일정한 간격으로 배치된 요철이 상하방향으로 연속된 나선형으로 형성되어, 회전에 의해 금속와이어(25)를 철부 사이의 통로인 요부를 따라 하향시키면서 일정 간격과 지름의 스파이럴 형상으로 가공하는 것을 특징으로 하는, 스파이럴 구조의 금속와이어를 함유한 용융방사 전도성 섬유의 제조장치.
고분자를 용융시켜 방사구금(21)으로 가압·이송하는 단계;
금속와이어(25)를 나선간격과 지름이 일정한 코일형상으로 성형하여 방사구금(21)으로 이송하는 단계;
고리형의 금속와이어 통과부(A)와 상기 금속와이어 통과부(A) 내측에 원형의 용융고분자 방출부(B)로 구성되어 있는 시스-코어 구조의 방사구금(21)에, 상기 금속와이어 코일을 금속와이어 통과부(A)로 통과시키고 상기 용융 고분자를 용융고분자 방출부(B)에서 방사하여 금속와이어 코일 내부에 방사된 고분자 섬유(26)가 삽입되도록 하는 단계;
상기 고분자 섬유(26)와 금속와이어(25)를 냉각시키면서 일체로 연신하는 단계; 및
상기 연신 및 냉각된 고분자 섬유(26)와 금속와이어(25)를 권취하여 고분자 섬유(26)의 코어부와 금속와이어(25)의 시스부로 구성되는 2층 구조의 전도성 섬유를 제조하는 단계;를 포함하는, 스파이럴 구조의 금속와이어를 함유한 용융방사 전도성 섬유의 제조방법.
청구항 3에 있어서,
상기 금속와이어(25)의 굵기는 20~200 마이크론이고 고분자 섬유(26)의 섬도는 100~500 데니어인 것을 특징으로 하는, 스파이럴 구조의 금속와이어를 함유한 용융방사 전도성 섬유의 제조방법.
청구항 3에 있어서,
상기 금속와이어 통과부(A)를 통과하는 금속와이어 코일의 이동속도는 용융고분자 방출부(B)의 방사속도 대비 0.90~1.10 배인 것을 특징으로 하는, 스파이럴 구조의 금속와이어를 함유한 용융방사 전도성 섬유의 제조방법.
청구항 3에 있어서,
상기 연신하는 단계의 연신비는 1.2~3.5인 것을 특징으로 하는, 스파이럴 구조의 금속와이어를 함유한 용융방사 전도성 섬유의 제조방법.
청구항 3에 있어서,
상기 권취시의 오버피드율은 1.02~1.07인 것을 특징으로 하는, 스파이럴 구조의 금속와이어를 함유한 용융방사 전도성 섬유의 제조방법.