KR102029179B1 - 탄소섬유 원단 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 탄소섬유 원단 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단은, 전압의 인가에 따라 발열성을 나타내는 탄소섬유 원단으로서, 탄소섬유 원단은, 산화섬유 방적사로 제조된 원단이 탄화(Carbonization)된 원단부, 및 원단부의 적어도 일면 상에 형성된 금속층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

탄소섬유 원단 및 그 제조방법 {CARBON FIBER FACRIC AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 탄소섬유 원단 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 전압의 인가에 따라 발열성을 나타내며, 여러번 세탁 후에도 전기 전도성을 유지하고, 유연성을 구비하여 의류 등과 같이 착용이 가능한 탄소섬유 원단 및 그 제조방법에 관한 것이다.
탄소섬유는 탄소로 된 섬유 상의 재료로서, 다른 섬유에 비하여 높은 비강도 및 비탄성률을 갖는다. 그리하여, 복합 재료용 보강 섬유로서 스포츠, 항공/우주, 토목/건축 등의 산업 전반에 사용하는 것이 연구되고 있다. 특히, 최근 탄소섬유들이 서로 교차하면서 엮어져 있는 면상 구조체 형태를 갖는 탄소섬유 원단을 면상발열체 소재, 면상방열체 소재 또는 착용 가능한 전자기기[이하, "웨어러블 디바이스(Wearable device)"라고 약칭함] 소재 등에 적용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
탄소섬유 원단을 제조하는 종래기술로서는 필라멘트 형태의 탄소섬유로 직물을 제직하거나 편물을 제편하는 방법이 널리 알려져 있으나, 필라멘트 형태인 탄소 섬유는 구부리거나 접혀졌을때 쉽게 부스러지는 성질을 갖기 때문에 탄소섬유 원단을 제직 또는 제편하기 매우 어려운 문제점이 있었다.
또한, 상기 방법으로 제조된 탄소섬유 원단이 사용 중 외력에 의해 구부려지거나 접히는 현상이 반복될 경우 절단되거나 형태가 손상되고, 전기 전도도의 물성이 크게 저하되기 때문에 세탁 후 반복사용이 어려웠고, 그로 인해 웨어러블 디바이스 소재로 적용하기에는 많은 한계가 있었다.
한편, 탄소섬유 방적사에 수용성 고분자를 코팅하고, 수용성 고분자가 코팅된 탄소섬유 방적사로 직물을 제직한 후, 수용성 고분자를 용해시켜 탄소섬유 원단을 제조하는 방법이 제안되었다.
이 방법에 의해 제조된 탄소섬유 원단은 외력에 의해 구부러지거나 접히는 현상이 반복될 경우에, 원단이 절단되거나 손상되어 전기 전도도 등의 물성이 저하되는 문제점을 어느 정도 해결할 수는 있지만, 제직전 수용성 고분자를 탄소섬유 방적사에 코팅하는 공정과 제직 후 수용성 고분자를 제거하는 공정을 거쳐야 하기 때문에 제조공정이 복잡한 문제점이 있었다.
또한, 탄소섬유 원단에서 수용성 고분자가 완벽하게 제거되지 않고 소량 잔존하기 때문에, 3.75V 정도의 저전압을 인가시에 발열 효과가 없으며, 여러번 세탁 후에는 여전히 전기 전도도가 하락하게 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 양호한 제직 또는 제편 공정성으로 제조할 수 있는 탄소섬유 원단 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 저전압의 인가시에도 발열 효과가 뛰어나며, 여러번 세탁 후에도 양도한 전기 전도도를 구비하며, 외력에 의해 구부러지거나 접혀도 형태 및 전기 전도도 등의 물성이 저하되지 않는 탄소섬유 원단 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 유연성을 구비하여 웨어러블 디바이스(Wearable Device) 소재 등에 적용할 수 있는 탄소섬유 원단 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 전압의 인가에 따라 발열성을 나타내는 탄소섬유 원단으로서, 상기 탄소섬유 원단은, 산화섬유 방적사로 제조된 원단이 탄화(Carbonization)된 원단부; 및 상기 원단부의 적어도 일면 상에 형성된 금속층을 포함하는, 탄소섬유 원단이 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산화섬유 방적사는 폴리아크릴로니트릴계(PAN 계) 산화섬유, 피치계 산화섬유 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속층은 Ag, Al, Au, Cu, Pt, Ti 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소섬유 원단은, 5V의 전압을 인가할 경우 78℃ 내지 155℃까지 발열될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소섬유 원단은, 방적 방향에 따라 Course 방향과 Wale 방향을 포함하고, Course 방향으로 전압을 인가한 경우가, Wale 방향으로 전압을 인가한 경우보다 발열 온도가 높게 나타날 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소섬유 원단은, 테두리 영역을 제외한 나머지 영역의 일면 상에 금속층이 형성되고, 금속층을 접촉하여 전압을 인가한 경우가, 탄소섬유 원단의 테두리 영역을 접촉하여 전압을 인가한 경우보다 발열 온도가 높게 나타날 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소섬유 원단은, 양면 상에 금속층이 형성되고, 양면 상에 금속층이 형성된 경우가, 일면 상에만 금속층이 형성된 경우보다 동일 전압 인가시 발열 온도가 높게 나타날 수 있다.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 탄소섬유 원단을 면상 발열체로서 포함하는 웨어러블 디바이스(wearable device)가 제공된다.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, (a) 단섬유 형태의 산화된 탄소섬유 소스를 방적하여 산화섬유 방적사를 제조하는 단계; (b) 상기 산화섬유 방적사로 원단을 제조하는 단계; (c) 상기 원단을 열처리하여 탄화(carbonization)시키는 단계; 및 (d) 상기 원단의 적어도 일면 상에 금속층을 형성하는 단계를 포함하는, 탄소섬유 원단의 제조방법이 제공된다.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, (a) 단섬유 형태의 산화된 탄소섬유 소스를 방적하여 산화섬유 방적사를 제조하는 단계; (b) 상기 산화섬유 방적사의 적어도 표면 상에 금속층을 형성하는 단계; (c) 산화섬유 방적사로 원단을 제조하는 단계; 및 (d) 상기 원단을 열처리하여 탄화(carbonization)시키는 단계를 포함하는, 탄소섬유 원단의 제조방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산화된 탄소섬유 소스는 폴리아크릴로니트릴계(PAN 계) 산화섬유, 피치계 산화섬유 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 원단을 열처리하여 탄화시키는 온도는 700℃ 내지 1,500℃일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열처리는 1분 내지 300분 동안 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속층은 Ag, Al, Au, Cu, Pt, Ti 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 원단은 직물, 편물 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (d) 단계에서, 상기 금속층에 기공(pore)들이 형성되고, 원단의 탄화 과정에서 생성된 가스가 상기 기공을 통해 배출될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속층이 어닐링되어 결정화가 진행될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 양호한 제직 또는 제편 공정성으로 제조할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 저전압의 인가시에도 발열 효과가 뛰어나며, 여러번 세탁 후에도 양도한 전기 전도도를 구비하며, 외력에 의해 구부러지거나 접혀도 형태 및 전기 전도도 등의 물성이 저하되지 않는 효과가 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 유연성을 구비하여 웨어러블 디바이스(Wearable Device) 소재 등에 적용할 수 있는 효과가 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단을 나타내는 개략도이다.
도 2 내지 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소섬유 원단의 세탁 전 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 4 내지 도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소섬유 원단의 10회 세탁 후 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소섬유 원단의 세탁 전/10회 세탁 후의 온도 대비 면 저항을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소섬유 원단의 탄화 온도별 전압-온도 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소섬유 원단에 10V 전류를 인가/차단하는 과정에서 시간에 따른 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소섬유 원단에 1~15V의 전류를 인가/차단하는 과정에서 전압 변화에 따른 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유의 방향에 따른 발열 특성을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 접촉 형태를 나타내는 개략도이다.
도 12는 본 발명의 실시예 2에 따른 금속층이 단면으로 코팅된 탄소섬유 원단의 발열 특성을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예 3에 따른 금속층이 양면으로 코팅되고, 금속층 부분에 전극을 접촉시킨 탄소섬유 원단의 발열 특성을 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예 3에 따른 금속층이 양면으로 코팅되고, 원단부 부분에 전극을 접촉시킨 탄소섬유 원단의 발열 특성을 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예 4에 따른 금속층이 양면으로 코팅되고, 금속층 부분에 전극을 접촉시킨 탄소섬유 원단의 발열 특성을 나타내는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단(100)을 나타내는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단(100)은 원단부(110) 및 금속층(150)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 원단부(110)는 산화섬유 방적사로 제조된 원단이 탄화(carbonization)되어 제조될 수 있다. 산화섬유 방적사는 폴리아크릴로니트릴계(polyacrylonitrile 계, PAN 계) 산화섬유, 피치계 산화섬유 등으로 구성될 수 있다. 금속층(150)은 원단부의 적어도 일면 상에, 즉, 단면 또는 양면 상에 형성될 수 있다. 금속층(150)은 Ag, Al, Au, Cu, Ni, W, Mo, Zn, Ir 등으로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단(100)은, (a) 단섬유 형태의 산화된 탄소섬유 소스를 방적하여 산화섬유 방적사를 제조하는 단계, (b) 산화섬유 방적사로 원단을 제조하는 단계, (c) 원단을 열처리하여 탄화(carbonization)시키는 단계, 및 (d) 원단의 적어도 일면 상에 금속층을 형성하는 단계를 통해 제조하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에 따른, 탄소섬유 원단(100)을 제조하는 과정은 이하와 같다.
먼저, 단섬유 형태의 산화된 탄소섬유 소스를 준비한다.
단섬유(staple)는 통상 3~5cm의 길이를 가지는 짧은 섬유이고, 폴리아크릴로니트릴계(PAN 계) 탄소섬유는 90% 이상이 탄소원자로 구성된 섬유이다. 아크릴로니트릴(CH2=CHCN)의 중합체인 PAN계 중합체를 포함하는 방사 용액을 습식 방사, 건식 방사 또는 습식과 건식을 혼합한 방사 방법으로 전구체인 PAN 섬유를 얻은 후에, 이를 200℃~400℃의 산화성 분위기 하에서 가열하여 안정화시킬 수 있다. PAN의 시안기(cyano group: -CN)는 탄소와 질소가 삼중 결합(triple bond)을 이루는 구조를 가지며, 여기에 열이 가해지면 시안기의 삼중 결함이 이중 결합(double bond)으로 변하면서 PAN이 안정화 될 수 있다. 본 명세서에서는 산화되어 안정화 된 상태를 "산화된 탄소섬유 소스", "폴리아크릴로니트릴게(PAN계) 산화섬유", "옥시팬"으로 지칭한다.
다음으로, 단섬유 형태의 산화된 탄소섬유 소스를 방적하여 산화섬유 방적사를 제조할 수 있다. 이어서, 산화섬유 방적사로 원단을 제조할 수 있다.
본 발명에서 사용하는 산화된 탄소섬유 소스[폴리아크릴로니트릴계(PAN계) 산화섬유]는 탄화까지 마친 폴리아크릴로니트릴계(PAN계) 탄소섬유와는 달리 유연성이 뛰어나 원단을 제직 또는 제편하기 용이하며, 그로 인해 원단의 제조공정성이 우수한 이점이 있다.
종래에는 필라멘트 형태의 폴리아크릴로니트릴계(PAN계) 산화섬유 또는 피치계 산화섬유를 사용하여 곧바로 직물을 제직하거나 편물을 제편하여 원단을 제조하였으나, 이 방법에 의해 제조된 원단은 외력에 구부러지거나 겹쳐졌을때 쉽게 필라멘트 형태의 구조물들이 쉽게 파손되는 문제점이 있었다. 그리하여, 본 발명은 필라멘트 형태의 폴리아크릴로니트릴계(PAN계) 산화섬유 또는 피치계 산화섬유를 사용하는 대신에, 단섬유 형태의 산화된 탄소섬유 소스를 방적하여 산화섬유 방적사를 사용한다. 폴리아크릴로니트릴계(PAN계) 산화섬유 방적사 또는 피치계 산화섬유 방적사를 사용하여 제조된 원단은 원단이 외력에 구부러지거나 겹쳐졌을때에도 파손되지 않고 유연한 형태를 유지할 수 있다.
다음으로, 원단을 열처리하여 탄화(carbonization)시킬 수 있다.
폴리아크릴로니트릴계(PAN계) 산화섬유 방적사 또는 피치계 탄화섬유 방적사로 제조된 원단을 가열하면, PAN의 수소, 질소 등이 제거되면서 탄소끼리만의 결합이 존재하는 탄화가 완료됨에 따라 탄소섬유 원단을 제조할 수 있다. 탄화가 완료된 면상 구조체 형태의 탄소섬유 원단을 원단부(110)로 나타낸다.
탄화는 원단을 열처리하여 탄화시키는 온도는 700℃ 내지 1,500℃인 것이 바람직하고, 열처리는 1분 내지 300분 동안 수행하는 것이 바람직하다. 열처리 온도가 700℃ 미만이거나 열처리 시간이 1분 미만인 경우에는 충분한 탄화가 수행되지 못해서 탄소섬유 원단의 전기전도도가 저하되는 문제가 있다. 또한, 열처리 온도가 1,500℃를 초과하거나 열처리 시간이 300분을 초과하는 경우에는 탄소섬유 원단의 강도 및 신도(ductility)가 떨어지는 문제가 있다.
탄화가 완료된 탄소섬유 원단은 탄소섬유들이 서로 교차하면서 엮어져 유연성을 구비하는 면상구조체 형태를 가진다[도 2 내지 도 5 참조]. 그리고, 10회 이상의 세탁 후에도 적정 면 저항(Sheet resistance)를 구비[도 6 참조]하고, 소정의 전압 인가시에도 발열성을 구비하게 된다[도 7 내지 도 9 참조].
다음으로, 원단[원단부(110)]의 적어도 일면 상에 금속층(150)을 형성하여 탄소섬유 원단(100)을 제조할 수 있다.
본 발명은 원단부(110)의 적어도 일면 상에 금속층(150)을 형성한 것을 특징으로 한다. 원단부(110)의 중심 영역(111)에 금속층(150)을 형성하고, 테두리 영역(115)은 원단부(110)가 노출되도록 할 수도 있으나, 원단부(110)가 덮어지도록 금속층(150)을 전체 일면 또는 양면 상에 형성할 수도 있다.
금속층(150)을 원단부(110)에 형성하는 방법은 열 증착법(Thermal Evaporation), 전자빔 증착법(E-beam Evaporation), 스퍼터링(sputtering)과 같은 물리기상 증착법(Physical Vapor Deposition: PVD), LPCVD, PECVD과 같은 화학기상 증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD), 전기도금법, 및 잉크젯 프린팅법이나 스크린 프린팅법(screen printing)과 같은 프린팅법 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 공지된 박막 형성 방법을 제한없이 사용할 수 있다.
탄소섬유 원단(100)에 전압을 인가하여 발열체로 사용할 때, 탄소섬유로 구성되는 원단부(110)는 발열 성능이 우수한 이점이 있지만, 열을 보유하는 특성이 낮고 발생된 열이 주위로 금방 누출되는 단점이 있다. 금속층(150)은 원단부(110)의 적어도 일면을 커버하여 탄소섬유에서 발생된 열을 가두는 효과가 있다. 또한, 금속층(150)의 금속 재질 자체가 탄소섬유보다 열을 보유하는 특성이 우수하고, 원단부(110)의 표면에서 원단부(110)를 보호하는 역할을 하므로, 여러번 세탁 후에도 형태, 전기 전도도 등의 물성이 저하되는 것을 방지하는 효과를 나타낸다.
또한, 일 예로, 탄소섬유의 열전도도는 100 W/mk인데 비해, 금속 물질의 경우는 탄소섬유보다 열전도도가 높다. Al은 200 W/mk, Mg은 150 W/mk, Cu 는 380 W/mk, Ag은 410 W/mk, Au은 254 W/mk, W은 190 W/mk, Ir은 160 W/mk, Mo은: 145 W/mk, Zn은 120 W/mk이므로, 탄소섬유보다 열전도도가 높다. 따라서, 표면에 금속층(150)을 코팅한 탄화섬유 원단부(110)는 금속층(150)을 코팅하지 않은 경우에 비해서 발열 온도가 높고, 발열 면적 또한 넓게 되고, 온도 전도율이 우수하게 된다.
한편, 다른 실시예에 따른, 탄소섬유 원단(100)을 제조하는 과정은 이하와 같다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소섬유 원단(100)은, (a) 단섬유 형태의 산화된 탄소섬유 소스를 방적하여 산화섬유 방적사를 제조하는 단계, (b) 산화섬유 방적사의 적어도 표면 상에 금속층을 형성하는 단계, (c) 산화섬유 방적사로 원단을 제조하는 단계, 및 (d) 원단을 열처리하여 탄화(carbonization)시키는 단계를 통해 제조하는 것을 특징으로 한다. 이하에서는 전술한 탄소섬유 원단(100)의 제조 방법과 차이점에 대해서만 설명한다.
먼저, (a) 단계에서, 단섬유 형태의 산화된 탄소섬유 소스를 방적하여 산화섬유 방적사를 제조할 수 있다.
다음으로, (b) 단계에서, 제조한 산화섬유 방적사의 표면 상에 금속층을 형성할 수 있다. 금속층은 전술한 공지의 박막 형성 방법을 사용할 수 있으나, 무전해도금 방법을 이용하는 것이 바람직하다. 이후에 원단을 열처리하여 탄화시키는 과정에서, 방적사의 표면 상에 형성된 금속층이 어닐링되어 결정화가 진행됨에 따라 탄소섬유 원단(100)의 전기 전도도가 더욱 향상될 여지가 있다.
다음으로, (c) 단계에서, 금속층이 표면 상에 형성된 산화섬유 방적사로 원단을 제조할 수 있다.
다음으로, (d) 단계에서, 원단을 열처리하여 탄화시킬 수 있다.
금속층은 모든 방적사 표면을 감싸지는 않고, 금속층 사이에 소정의 기공(pore)들이 형성되어 있을 수 있다. 700℃ 내지 1,500℃로 열처리하여 탄화시키는 과정에서 PAN의 수소, 질소 등이 제거되어야 하는데, PAN의 탄화 과정에서 생성된 수소, 질소 등은 금속층의 기공을 통해 외부로 배출될 수 있다. 그리하여, 원단을 구성하는 방적사(PAN)의 표면 상에 금속층이 코팅되어 있음에도 방적사가 탄화될 수 있다.
또한, 700℃ 내지 1,500℃로 열처리하여 탄화시키는 과정에서, 원단을 구성하는 방적사 표면에 코팅된 금속층이 어닐링될 수 있다. 탄화와 동시에 금속층이 어닐링되어 결정화가 더 진행되므로 금속층(150)의 전기 전도도가 더욱 향상될 수 있고, 금속층(150)의 강도가 높아져 원단부(110)의 표면에서 원단부(110)를 보호하는 효과가 높아질 수 있는 이점이 있다.
이하에서는, 다양한 실시예에 따라 탄소섬유 원단(100)의 발열 특성을 살펴본다.
실시예 1
젤테크 회사(Zeltek company)에 제품인 폴리아크릴로니트릴계(PAN 계) 산화섬유(옥시팬)을 40㎜ 길이로 잘라 단섬유(Staple)을 제조한 다음, 이들을 방적 공정(혼타면 공정-소면 방출 공정-연조 공정-조방 공정-정방 공정-권사 공정-MVS공정-방적 공정)에 투입하여 폴리아크릴로니트릴계(PAN 계) 산화섬유 방적사를 제조하였다. 다음으로, 폴리아크릴로니트릴계(PAN 계) 산화섬유 방적사를 경사 및 위사로 사용하여 직물을 제직하였다. 다음으로, 제직된 직물을 탄화시켜 탄소섬유 원단을 제조하였다.
실시예 2
실시예 1에서 제조한 탄소섬유 원단(100)을 2 X 4 cm 크기로 사용하고, Ag 금속층(150)을 150nm 두께로 단면 상에 코팅하였다.
실시예 3
실시예 1에서 제조한 탄소섬유 원단(100)을 2 X 4 cm 크기로 사용하고, Ag 금속층(150)을 150nm 두께로 양면 상에 코팅하였다.
실시예 4
실시예 1에서 제조한 탄소섬유 원단(100)을 2 X 4 cm 크기로 사용하고, Al 금속층(150)을 150nm 두께로 양면 상에 코팅하였다.
도 2 내지 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소섬유 원단의 세탁 전 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 도 4 내지 도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소섬유 원단의 10회 세탁 후 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 2 내지 5를 참조하면, 700℃에서 1,500℃까지 각 온도별로 열처리하여 탄화시킨 탄소섬유 원단이 도시된다. 각 온도 구간의 탄소섬유 원단은 10회 세탁 후에도 구조 변화나 표면 특성의 변화가 거의 없음을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소섬유 원단의 세탁 전/10회 세탁 후의 온도 대비 면 저항을 나타내는 그래프이다. 세탁 후에도 면 저항이 거의 변화가 없음을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소섬유 원단의 탄화 온도별 전압-온도 그래프이다. 도 7을 참조하면, 실시예 1의 탄소섬유 원단에 소정의 전압 인가시에도 발열성을 구비하고, 점점 높은 전압을 인가할수록 높은 온도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소섬유 원단에 10V 전류를 인가/차단하는 과정에서 시간에 따른 온도 변화를 나타내는 그래프이고, 도 9는 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소섬유 원단에 1~15V의 전류를 인가/차단하는 과정에서 전압 변화에 따른 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
실시예 1로 제조한 탄소섬유 원단에 10V의 전류를 소정 시간 인가한 후 전류를 차단하는 과정을 반복하면서 시간에 따른 탄소섬유 원단의 온도변화를 측정하한 그래프는 도 8과 같았고, 실시예 1로 제조한 탄소섬유 원단에 1~15V의 전류를 50초 동안 인가한 후 30초 동안 전류를 차단하는 과정을 반복하면서 전압 변화에 따른 탄소섬유 원단의 온도 변화를 측정한 그래프는 도 9와 같았다.
도 8 및 도 9로부터 실시예 1로 제조한 탄소섬유 원단은 3.75V의 낮은 전압에서도 평균 44.85℃로 발열되고, 12V의 전압에서는 245.4℃로 발열되고, 15V의 전압에서는 331℃로 발열됨을 알 수 있었다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유의 방향에 따른 발열 특성을 나타내는 도면이다. 금속층(150)이 형성되지 않고, 원단부(110)만 있는 1.5 X 3 cm 사이즈의 탄소섬유 원단을 이용하여 발열 특성을 측정하였다.
도 10의 (a)를 참조하면, 탄소섬유 원단(100)에는 코가 연결된 방향인 wale 방향 및 이에 수직하는 Course 방향이 존재한다. Wale 방향의 양단에 전극을 연결하고, Course 방향의 양단에 전극을 연결하여, 1~10V의 전압을 인가하였다. 1~10V 전압의 인가는 3회 실시하였다.
도 10의 (b)를 참조하면, 탄소섬유 원단(100)의 방적 방향에 따라 발열 특성이 차이가 있음을 확인할 수 있다. Course 방향이 Wale 방향보다 약 50℃ 가량 온도가 높게 측정되었다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 접촉 형태를 나타내는 개략도이다. 금속층(150)이 중앙 영역(111)에 형성된 탄소섬유 원단(100)을 이용하여 발열 특성을 측정하였다. 도 11의 (a)는 전압 인가 장치(200)의 전극(210, 220)이 금속층(150)에 접촉되어 전압을 인가하는 형태이고, 도 11의 (b)는 전극(210, 220)이 탄소섬유 원단(100)의 테두리 영역(115)[원단부(110)]에 접촉되어 전압을 인가하는 형태이다.
도 12는 본 발명의 실시예 2에 따른 금속층(150)이 단면으로 코팅된 탄소섬유 원단(100)의 발열 특성을 나타내는 도면이다.
도 12의 (a)와 같이, 실시예 2에 따라, 탄소섬유 원단(100)의 단면에만 금속층(150)을 형성하였다. 2 X 4 cm 크기의 탄소섬유 원단(100)을 사용하고, 금속층(150)은 Ag를 150nm 두께로 코팅하여 형성하였다.
도 12의 (b)와 같이, 1V의 전압을 인가한 경우에 탄소섬유 원단(100)은 약 24.8℃로 거의 발열이 되지 않은 상태를 나타낸다.
도 12의 (c)와 같이, 5V의 전압을 인가한 경우에 탄소섬유 원단(100)은 약 78.7℃로 발열된 상태를 나타낸다. 동일한 크기의 금속층(150)이 형성되지 않은 탄소섬유 원단을 사용하여 5V의 전압을 인가한 경우는 약 67℃인데 반해, 탄소섬유 원단(100)의 단면에만 금속층(150)을 형성하여도 12℃ 가량 높게 발열 특성이 향상되는 결과가 나타났다.
도 12의 (d)와 같이, 10V의 전압을 인가한 경우에 탄소섬유 원단(100)은 약 179.2℃로 발열된 상태를 나타낸다.
도 13은 본 발명의 실시예 3에 따른 금속층(150)이 양면으로 코팅되고, 금속층(150) 부분에 전극(210, 220)을 접촉시킨 탄소섬유 원단(100)의 발열 특성을 나타내는 도면이다.
도 13의 (a)와 같이, 실시예 3에 따라, 탄소섬유 원단(100)의 양면에 금속층(150)을 형성하였다. 2 X 4 cm 크기의 탄소섬유 원단(100)을 사용하고, 금속층(150)은 Ag를 150nm 두께로 코팅하여 형성하였다. 전극(210, 220)은 금속층(150)에만 접촉시켜서 전압을 인가하였다.
도 13의 (b)와 같이, 1V의 전압을 인가한 경우에 탄소섬유 원단(100)은 약 26.6℃로 거의 발열이 되지 않은 상태를 나타낸다.
도 13의 (c)와 같이, 5V의 전압을 인가한 경우에 탄소섬유 원단(100)은 약 117.6℃로 발열된 상태를 나타낸다. 동일한 크기의 금속층(150)이 형성되지 않은 탄소섬유 원단을 사용하여 5V의 전압을 인가한 경우는 약 67℃이고, 탄소섬유 원단(100)의 단면에만 금속층(150)을 형성한 경우는 약 78.5℃[도 12의 (c)]인 것에 비해, 40℃ 가량 높게 발열 특성이 향상되는 결과가 나타났다. 이는, 금속층(150)이 원단부(110)의 양면을 커버하여 원단부(110)에서 발생된 열을 보다 잘 가두고, 양면의 금속층(150)이 열을 보다 많이 보유하므로 나타난 결과로 판단된다.
도 13의 (d)와 같이, 10V의 전압을 인가한 경우에 탄소섬유 원단(100)은 약 192.2℃로 발열된 상태를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 실시예 3에 따른 금속층(150)이 양면으로 코팅되고, 원단부(110) 부분에 전극(210, 220)을 접촉시킨 탄소섬유 원단(100)의 발열 특성을 나타내는 도면이다.
도 14의 (a)와 같이, 탄소섬유 원단(100)의 양면에 금속층(150)을 형성하였다. 2 X 4 cm 크기의 탄소섬유 원단(100)을 사용하고, 금속층(150)은 Ag를 150nm 두께로 코팅하여 형성하였다. 전극(210, 220)은 원단부(110)[탄소섬유 원단(100)의 테두리 영역(115)]에만 접촉시켜서 전압을 인가하였다.
도 14의 (b)와 같이, 1V의 전압을 인가한 경우에 탄소섬유 원단(100)은 약 25.6℃로 거의 발열이 되지 않은 상태를 나타낸다.
도 14의 (c)와 같이, 5V의 전압을 인가한 경우에 탄소섬유 원단(100)은 약 84℃로 발열된 상태를 나타낸다. 탄소섬유 원단(100)의 단면에만 금속층(150)을 형성한 경우인 약 78.5℃[도 12의 (c)]보다는 발열 특성이 향상되지만, 금속층(150)에 전극(210, 220)을 접촉시킨 경우인 약117.6℃[도 13의 (c)]보다는 발열 특성이 낮은 결과가 나타났다.
도 14의 (d)와 같이, 10V의 전압을 인가한 경우에 탄소섬유 원단(100)은 약 150.2℃로 발열된 상태를 나타낸다.
도 15는 본 발명의 실시예 4에 따른 금속층(150)이 양면으로 코팅되고, 금속층(150) 부분에 전극(210, 220)을 접촉시킨 탄소섬유 원단(100)의 발열 특성을 나타내는 도면이다.
도 15의 (a)와 같이, 실시예 4에 따라, 탄소섬유 원단(100)의 양면에 금속층(150)을 형성하였다. 2 X 4 cm 크기의 탄소섬유 원단(100)을 사용하고, 금속층(150)은 Al를 150nm 두께로 코팅하여 형성하였다. 전극(210, 220)은 금속층(150)에만 접촉시켜서 전압을 인가하였다.
도 15의 (b)와 같이, 1V의 전압을 인가한 경우에 탄소섬유 원단(100)은 약 26.3℃로 거의 발열이 되지 않은 상태를 나타낸다.
도 15의 (c)와 같이, 5V의 전압을 인가한 경우에 탄소섬유 원단(100)은 약 154.6℃로 발열된 상태를 나타낸다. Ag를 탄소섬유 원단(100)의 양면에 형성한 경우인 약 117.6℃[도 13의 (c)]보다 약 37℃ 가량 높게 발열 특성이 향상되는 결과가 나타났다.
도15의 (d)와 같이, 10V의 전압을 인가한 경우에 탄소섬유 원단(100)은 약 225.4℃로 발열된 상태를 나타낸다.
위와 같이, 본 발명의 탄소섬유 원단(100)은 산화섬유 방적사를 제조한 후에 원단을 제조하므로, 양호한 제직 또는 제편 공정성으로 제조할 수 있는 효과가 있다. 그리고, 3.5V, 5V등의 저전압의 인가시에도 발열 효과가 뛰어나며, 여러번 세탁 후에도 양도한 전기 전도도를 구비하며, 외력에 의해 구부러지거나 접혀도 형태 및 전기 전도도 등의 물성이 저하되지 않는 효과가 있다. 그리고, 탄소섬유 원단(100)은 탄소섬유들이 서로 교차하면서 엮어져 유연성을 구비하고, 면상구조체의 형태를 가지므로 웨어러블 디바이스(Wearable Device) 소재 등에 적용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.
100: 탄소섬유 원단
110: 원단부
111: 탄소섬유 원단 중앙 영역
115: 탄소섬유 원단 테두리 영역
150: 금속층
200: 전압인가 장치
210, 220: 전극

Claims (17)

  1. 전압의 인가에 따라 발열성을 나타내는 탄소섬유 원단으로서,
    상기 탄소섬유 원단은,
    산화섬유 방적사로 제조된 원단이 탄화(Carbonization)된 원단부; 및
    상기 원단부의 적어도 일면 상에 형성된 금속층
    을 포함하고,
    상기 탄소섬유 원단의 테두리 영역을 제외한 나머지 영역 상에 금속층이 형성되고,
    상기 금속층은 Au, Ag, Cu 및 Al 중 어느 하나를 포함하며,
    전압 인가 장치의 전극을 상기 금속층에 접촉하여 전압을 인가한 경우에, 상기 금속층이 상기 원단부를 커버하여 상기 원단부에서 발생된 열을 가둠에 따라, 상기 금속층이 상기 원단부 상에 형성되지 않은 경우, 또는, 상기 전극을 상기 탄소섬유 원단의 테두리 영역에 접촉하여 전압을 인가한 경우에 비해 상기 탄소섬유 원단의 발열 온도가 더 높게 나타나는, 탄소섬유 원단.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산화섬유 방적사는 폴리아크릴로니트릴계(PAN 계) 산화섬유, 피치계 산화섬유 중 어느 하나를 포함하는, 탄소섬유 원단.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서
    상기 탄소섬유 원단은, 5V의 전압을 인가할 경우 78℃ 내지 155℃까지 발열되는, 탄소섬유 원단.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유 원단은, 방적 방향에 따라 Course 방향과 Wale 방향을 포함하고,
    Course 방향으로 전압을 인가한 경우가, Wale 방향으로 전압을 인가한 경우보다 발열 온도가 높게 나타나는, 탄소섬유 원단.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유 원단은, 양면 상에 금속층이 형성되고,
    양면 상에 금속층이 형성된 경우가, 일면 상에만 금속층이 형성된 경우보다 동일 전압 인가시 발열 온도가 높게 나타나는, 탄소섬유 원단.
  8. 제1항의 탄소섬유 원단을 면상 발열체로서 포함하는 웨어러블 디바이스(wearable device).
  9. (a) 단섬유 형태의 산화된 탄소섬유 소스를 방적하여 산화섬유 방적사를 제조하는 단계;
    (b) 상기 산화섬유 방적사로 원단을 제조하는 단계;
    (c) 상기 원단을 열처리하여 탄화(carbonization)시키는 단계; 및
    (d) 상기 원단의 적어도 일면 상에 금속층을 형성하는 단계
    를 포함하고,
    (d) 단계에서, 상기 원단의 테두리 영역을 제외한 나머지 영역 상에 금속층이 형성되고,
    상기 금속층은 Au, Ag, Cu 및 Al 중 어느 하나를 포함하며,
    전압 인가 장치의 전극을 상기 금속층에 접촉하여 전압을 인가한 경우에, 상기 금속층이 상기 원단을 커버하여 상기 원단에서 발생된 열을 가둠에 따라, 상기 금속층이 상기 원단 상에 형성되지 않은 경우, 또는, 상기 전극을 상기 탄소섬유 원단의 테두리 영역에 접촉하여 전압을 인가한 경우에 비해 상기 탄소섬유 원단의 발열 온도가 더 높게 나타나는, 탄소섬유 원단의 제조방법.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 산화된 탄소섬유 소스는 폴리아크릴로니트릴계(PAN 계) 산화섬유, 피치계 산화섬유 중 어느 하나인, 탄소섬유 원단의 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 원단을 열처리하여 탄화시키는 온도는 700℃ 내지 1,500℃인, 탄소섬유 원단의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 열처리는 1분 내지 300분 동안 수행하는, 탄소섬유 원단의 제조방법.
  14. 삭제
  15. 제9항에 있어서,
    상기 원단은 직물, 편물 중 어느 하나인, 탄소섬유 원단의 제조 방법.
  16. 삭제
  17. 삭제
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