KR102039607B1 - 직물 시트 원단의 표면에 발열카본잉크의 인쇄층이 형성된 온열시트. - Google Patents

Abstract

본 발명은 직물 시트 원단의 일면에 발열카본잉크로 인쇄하여 카본 패턴이 형성되는 온열시트로서, 상기 카본 패턴은 직사각형의 긴 띠 형상이며, 상기 시트 원단의 길이 방향으로 3개 이상 인쇄하여 형성되며, 상기 카본 패턴 중 양쪽 말단의 카본 패턴 상에 형성되며 직사각형의 긴 띠 형상으로 상기 말단의 카본 패턴 내에 위치하는 수평 전극 및 상기 수평 전극과 직교하여 상기 시트 원단의 폭 방향으로 형성되며 직사각형의 긴 띠 형상인 2개 이상의 수직 전극을 포함하며, 상기 수직 전극은 하나의 수평 전극에 연결된 수직 전극과 다른 하나의 수평 전극에 연결된 수직 전극이 서로 대향되게 형성되는 한 쌍의 전극으로 이루어진 대향 수직 전극 및 하나의 수평 전극에 연결된 수직 전극과 다른 하나의 수평 전극에 연결된 수직 전극이 서로 대향되지 않게 형성되는 한 쌍의 전극으로 이루어진 교차 수직 전극으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

직물 시트 원단의 표면에 발열카본잉크의 인쇄층이 형성된 온열시트.{Thermal Sheet Comprising Printing Layer of Thermal Conductive Carbon Ink}

본 발명은 온열시트에 관한 것으로, 섬유로 제직된 직물 시트 원단의 표면에 발열카본잉크를 인쇄하여 난방 효과를 구현한 발열카본잉크의 인쇄층이 형성된 온열시트에 관한 것이다.

일반적으로 온열시트는 상부외피와 하부외피 사이에 전열선이 삽입되어 배열되고 상기 상부외피와 하부외피를 봉접하여 제조되고 있다. 이러한 온열시트는 전열선을 작동시켜 발열함으로써 난방 효과를 나타내는 것인데, 최근에는 이러한 전열선 대신 면상발열체를 이용하여 제조된 온열시트가 개발되고 있다.

일례로 대한민국 등록실용신안공보 20-0449527호에서는 전열선 대신 폼시트로 씌워진 면상 발명체를 원단 사이에 삽입하여 단선이 발생하지 않는 매트를 개시하고 있다. 또한, 대한민국 등록실용신안공보 20-0453641호에서는 면상 발열체의 저면에 전열선을 배치하여 기존의 전열선에 의한 발열과정에서 발생하는 자기장에 의한 전자파 발생을 방지할 수 있도록 하고 있다.

이러한 종래기술들에서는 면상발열체의 발열 효과를 직간접적으로 이용하여 온열시트를 제조하고 있는데, 이와는 달리, 대한민국 공개특허공보 10-2016-0123006호에서는 탄소섬유 단섬유를 바인더 수지와 함께 건식, 습식 또는 공기분사식 섬유분산법으로 랜덤하게 분산시켜 페이퍼 상으로 제조한 탄소섬유 부직포를 이용하여 매트를 제조하고 있다.

이와 같이 발열 효과를 나타내는 재료를 직접 가공하여 시트, 매트 등을 제조할 경우, 제조공정이 단순해지고 면상발열체를 적용할 때 발생할 수 있는 공정 불량을 저감시킬 수 있어 효과적인 방법이기는 하나, 탄소섬유 부직포의 경우 사용시 탄소섬유 단섬유가 분해되어 발열 효과가 감소되는 문제점이 있다.

또한, 대한민국 등록실용신안공보 20-0421651호에서는 카본 섬유사와 강연 섬유사를 교차되게 직교로 배열하여 견고하게 제직함으로써 매트용 카본섬유 면상발열체를 제조하고 있으나, 이러한 제조방법은 매트 외피 외에 면상발열체를 따로 제직해야 하고 생산되는 제품별로 전기적 특성을 균일하게 해야 하므로 공정이 번거롭고 생산비용이 증가하는 문제점이 있다.

또한, 상기 면상발열체를 적용하거나 전열선을 설치하는 경우 통상적으로 220V 교류 전원에 의해 구동되기 때문에 난방비용이 많이 들고 전자파가 발생하는 문제점이 있다.

대한민국 등록실용신안공보 20-0449527호 대한민국 등록실용신안공보 20-0453641호 대한민국 공개특허공보 10-2016-0123006호 대한민국 등록특허공보 10-1225759호 대한민국 등록특허공보 10-1584202호 대한민국 등록특허공보 10-1543233호

본 발명은 상기와 같은 종래기술들을 감안하여 안출된 것으로, 섬유로 제직(製織)된 직물 시트 원단의 표면에 발열카본잉크를 인쇄하여 카본 패턴을 형성한 온열시트를 제조함으로써 발열카본잉크의 발열성능에 의해 저전압에 의해 구동되어 난방을 할 수 있는 온열시트를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

특히, 카본 패턴을 시트 원단의 표면에 직접 인쇄하여 형성하여 24V 이하의 직류 전원에서도 구동되도록 함으로써 저전력 및 전자파 발생량을 크게 저감시켜 휴대성을 향상시킨 온열시트를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 온열시트는 나일론 섬유나 폴리에스터 섬유와 같은 섬유를 제직하여 형성된 직물 시트 원단의 일면에 발열카본잉크로 인쇄하여 카본 패턴이 형성되는 온열시트인 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 카본 패턴은 직사각형의 긴 띠 형상으로 이루어지며, 상기 카본 패턴 중 양쪽 말단의 카본 패턴 상에 형성되며 직사각형의 긴 띠 형상으로 상기 말단의 카본 패턴 내에 위치하는 수평 전극 및 상기 수평 전극과 직교하여 상기 시트 원단의 폭 방향으로 형성되며 직사각형의 긴 띠 형상인 2개 이상의 수직 전극을 포함하며, 상기 수직 전극은 하나의 수평 전극에 연결된 수직 전극과 다른 하나의 수평 전극에 연결된 수직 전극이 서로 대향되게 형성되는 대향 수직 전극 및 하나의 수평 전극에 연결된 수직 전극과 다른 하나의 수평 전극에 연결된 수직 전극이 서로 대향되지 않게 형성되는 교차 수직 전극으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 발열카본잉크는 카본 입자 10 내지 50 중량부, 바인더 수지 50 내지 90 중량부, 및 용매 50 내지 200 중량부를 포함하는 잉크 조성물로 이루어지며, 상기 바인더 수지는 카본 입자 10 내지 50 중량부, 바인더 수지 50 내지 90 중량부, 및 용매 50 내지 200 중량부를 포함하는 잉크 조성물로 이루어지며, 상기 바인더 수지는 4-(2-(아크릴로일옥시)에톡시)-4-옥소부타노익산 또는 4-(2-(메타크릴로일옥시)에톡시)-4-옥소부타노익산 중 어느 하나의 다이카복실산과 메틸 메타크릴레이트 또는 에틸 메타크릴레이트 중 어느 하나의 메타크릴산을 공중합하여 이루어진 아크릴레이트계 공중합체일 수 있다.

또한, 상기 온열시트는 24V 이하의 직류 전원에 의해 구동될 수 있다.

본 발명의 온열시트는 섬유로 제직(製織)된 직물 시트 원단의 표면에 발열카본잉크를 인쇄하여 카본 패턴을 형성한 온열시트를 제조함으로써 발열카본잉크의 발열성능에 의해 저전압에 의해 구동되어 온열 효과를 나타낼 수 있다.

특히, 카본 패턴을 직물 시트 원단의 표면에 직접 인쇄하여 형성하여 24V 이하의 직류 전원에 의해 구동되도록 함으로써 저전력 및 전자파 발생량을 크게 저감시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 온열시트의 카본 패턴 및 전극의 구조를 나타낸 개념도이다.
도 2는 종래기술에 따른 발열필름의 카본 패턴 및 전극의 구조를 나타낸 개념도이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 온열시트를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 온열시트는 나일론 또는 폴리에스터 섬유로 제직(製織)된 직물 시트 원단의 일면에 발열카본잉크로 인쇄하여 카본 패턴을 형성함으로써 온열 효과를 나타내도록 한 것이다.

보다 구체적으로는, 도 1에서와 같은 카본 패턴을 형성하게 되는데, 상기 카본 패턴(200)은 상기 직물 시트 원단(100)의 일단 방향으로 3개 이상 인쇄하여 형성된다. 상기 시트 원단(100)은 카본 패턴(200)에 의한 전기적 특성을 충분히 얻기 위하여 폭 0.6m 이하, 길이 1.5m 이하의 크기로 제작되는데, 상기 카본 패턴(200)은 직사각형의 긴 띠 형상이며, 상기 시트 원단(100)의 길이 방향으로 3개 이상 시트 원단(100)의 폭에 따라 개수를 달리하여 인쇄함으로써 형성된다.

또한, 상기 카본 패턴(200)에는 전극이 연결됨으로써 전류를 인가하여 발열 현상을 일으킬 수 있도록 구성된다. 상기 전극은 상기 카본 패턴(200) 중 양쪽 말단의 카본 패턴(200) 상에 형성되며 직사각형의 긴 띠 형상으로 상기 말단의 카본 패턴(200) 내에 위치하는 수평 전극(300) 및 상기 수평 전극(300)과 직교하여 상기 시트 원단의 폭 방향으로 형성되며 직사각형의 긴 띠 형상인 2개 이상의 수직 전극(400)을 포함한다. 상기 수평 전극(300)은 카본 패턴(200)과 수평 방향으로 형성되는 것이며, 상기 수직 전극(400)은 카본 패턴(200)과 직교하는 방향으로 형성되는 것이다.

종래의 발열시트 또는 발열필름에서는 상기 수직 전극(400)이 도 2에서와 같이 형성된다. 즉, 도 2(a)에서와 같이 수직 전극(300)이 일단의 수평 전극(400)과 연결되되 타탄의 수평 전극(400)과는 연결되지 않도록 구성할 수 있으며, 도 2(b)에서와 같이 수직 전극(300)이 양단의 수평 전극(400)과 모두 연결되도록 구성할 수도 있다.

그러나 상기와 같은 전극 구조를 직물 시트 원단에 인쇄할 경우 통전되지 않거나 발열 효율이 극히 낮아지는 것으로 파악되었다. 이는 섬유의 제직에 의해 제조된 직물 시트 원단은 그 표면이 요철구조로 형성되어 있으며, 이 경우 통상적인 발열카본잉크를 도포할 경우 발열카본잉크의 인쇄층의 두께가 달라지며 이는 부분적인 단락 또는 저항에 의한 전기적 특성의 저하로 이어지기 때문으로 파악되었다.

따라서 직물 시트 원단에 발열카본잉크를 사용하여 패턴을 인쇄하는 경우 인쇄층의 두께가 달라지더라도 접착성과 내구성이 우수하여 전기적 특성의 저하가 없이 신뢰성 있는 동작이 가능하도록 발열카본잉크 조성물을 최적화할 필요가 있으며, 구리 박막으로 이루어진 수평 전극과 실버 페이스트로 인쇄되는 수직 전극의 전극 구조를 최적화함으로써 발열 효과를 나타내도록 해야 한다.

본 발명의 온열시트는 상기 전극의 구조를 종래기술과는 달리 하고 있다. 즉, 도 1에서와 같이 상기 수직 전극(400)으로서 하나의 수평 전극(300)에 연결된 수직 전극(400)과 다른 하나의 수평 전극(300)에 연결된 수직 전극(400)이 서로 대향되게 형성되는 한 쌍의 전극으로 이루어진 대향 수직 전극(410) 및 하나의 수평 전극에 연결된 수직 전극과 다른 하나의 수평 전극에 연결된 수직 전극이 서로 대향되지 않게 형성되는 한 쌍의 전극으로 이루어진 교차 수직 전극(420)으로 구성된다.

상기 대향 수직 전극(410) 및 상기 교차 수직 전극(420)은 도 1(a)에서와 같이 규칙적인 순서로 배열될 수도 있고, 도 1(b)에서와 같이 불규칙적인 순서로 배열될 수도 있다. 그러나 어떠한 경우에서든 상기 대향 수직 전극(410) 및 상기 교차 수직 전극(420)을 모두 포함하도록 수직 전극(400)을 형성해야 본 발명에서와 같은 직물 시트 원단에서의 구동이 가능하다. 이를 통하여 카본 패턴 자체의 두께의 편차에도 불구하고 통전을 통한 발열 효율을 나타낼 수 있도록 하고 있다.

도 2에서 도시한 바와 같은 상기 수직 전극(400)의 지그재그 형태의 배열이나(도 2(a)), 사다리 형태의 배열(도 2(b))에서는 발열 효율이 미미하여 온열시트로서 작동하지 않는 것으로 나타났는데, 이는 카본 패턴(200)의 표면 불규칙성으로 인한 부분적인 저항 증가나 전류 밀도 감소가 있을 경우, 상기와 같은 전극 패턴에서는 일부 단락에 의해 전체적인 전류의 흐름이 저하되는 문제점이 발생하기 때문으로 추측된다.

또한, 일반적인 발열필름, 온열시트 등는 220V 교류 전원에 의해 구동되나, 본 발명의 온열시트는 상기와 같이 카본 패턴에 전류를 공급하여 발열 현상을 일으킴으로써 구동되기 때문에 24V 이하, 바람직하게는 5 내지 24V의 직류 전원에 의해서도 구동될 수 있다.

이러한 저전압 구동은 전력 소비를 줄일 수 있어 장시간 사용에도 경제적 부담을 저감시킬 수 있으며, 전자파의 발생량을 감소시킬 수 있으므로 온열시트를 사용하는 사용자에 대한 부담을 줄일 수 있게 된다. 또한, 시판되는 5V 전원의 보조배터리에 의해서도 충분히 구동될 수 있기 때문에 상기 온열시트를 소형화하여 의복에 부착할 수도 있기 때문에 다양한 용도의 제품을 제조할 수 있게 된다.

또한, 전극을 형성함에 있어서, 상기 수직 전극(300)의 표면에는 절연층이 적층될 수 있다. 상기 절연층을 적층함으로써 누전이 발생할 우려를 해소할 수 있게 된다. 상기 절연층은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌초산비닐 공중합체(EVA)의 3층을 적층하여 이루어지게 된다. 즉, 수평 및 수직 전극, 카본 패턴과 접하는 부분에는 에틸렌초산비닐 공중합체로 절연층을 구성하며, 상기 에틸렌초산비닐 공중합체와 폴리에틸렌테레프탈레이트의 접합을 위하여 폴리에틸렌 층이 게재되는 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 수평 전극(300)은 전술한 바와 같이 구리 박막으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이를 위하여 일단 카본 패턴(200)과 수직 전극(400)을 시트 원단(100)에 인쇄한 후 구리 박막을 입히는 작업을 통해 쉽게 제조할 수 있다.

또한, 상기 수직 전극(400)은 실버 페이스트로 인쇄하여 구성할 수 있는데, 이는 발열카본잉크를 사용하여 인쇄를 통해 구성되는 카본 패턴(200)과 마찬가지로 인쇄공정을 통해 제조될 수 있다.

상기 전극과 카본 패턴은 로터리 롤투롤 인쇄, 스크린 인쇄 및 그라비아 인쇄 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 통해 형성될 수 있다. 즉, 상기 인쇄 방법은 전극을 형성하는 재료의 종류에 따라 다른 방법을 적용하게 되는데, 예를 들어, 구리 패턴을 형성하기 위해서는 로터리 롤투롤 인쇄와 스크린 인쇄를 조합하여 수행하는 것이 적합하고, 실버 페이스트 전극에 구리박막을 추가적으로 인쇄하여 구리판을 형성할 경우에는 로터리 롤투롤 인쇄와 그라비아 인쇄를 조합하여 수행하는 것이 적합하다.

로터리 롤투롤과 스크린 인쇄를 조합할 경우, 2도 내지 10도 이상의 반복 인쇄가 가능하므로, 롤 형태로 감겨 있는 평판에 구리 패턴과 발열카본잉크 또는 페이스트를 도포한 후 절연층을 도포할 수 있으며 인쇄할 수 있다.

또한, 로터리 롤투롤과 그라비아 인쇄를 조합할 경우, 실린더에 음각으로 패턴을 형성하고 잉크를 채워 비화선부의 잉크를 닥터블레이드로 긁어내고, 오목부의 잉크를 압력으로 인가하여 평판과의 접촉을 통하여 잉크를 전이시키는 방식이므로, 실버 페이스트 전극과 카본 잉크 또는 페이스트로 이루어진 카본띠가 이미 형성된 평판에 구리박막 및 절연층을 한 번의 공정으로 도포하여 합지할 수 있게 된다.

본 발명에서는 온열시트를 구성하는 시트 원단에 직접 인쇄 방식을 통해 카본 패턴과 전극을 형성하고 있으므로, 상기 시트 원단과 인쇄용 잉크의 상용성이 매우 중요한 요소가 된다. 즉, 일반적으로 사용되는 시트 원단에 인쇄할 경우 인쇄 패턴이 번지거나 사용 중 박리되는 현상이 발생하게 된다.

이를 위하여 상기 시트 원단은 나일론 또는 폴리에스터 섬유로 제직된 것이 바람직하다. 상기 나일론 섬유로는 폴리아미드 및 폴리우레탄으로 코팅된 나일론 섬유가 바람직한데, 이러한 나일론 섬유로는 30D RIPSTOP PD 또는 210D H.D FD OXFORD PD를 들 수 있다. 또한, 상기 폴리에스터 섬유로는 150D POLYESTER PD를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 시트 원단은 나일론 또는 폴리에스터 섬유로 제직한 후 표면 처리를 통해 인쇄 성능을 향상시킬 수도 있다. 상기 표면 처리는 일반 섬유의 방수코팅 방법에 따라 방수코팅 처리하는 것인데, 제품의 종류에 따라 일반 섬유와 시트 원단의 고주파 접착 등의 표면처리도 가능하다. 방수코팅을 하는 경우 표면적이 증가하기 때문에 발열 잉크의 도포 성능이 향상되는 것으로 나타났다.

본 발명에서 카본 패턴을 인쇄하면 전기 저항에 의한 발열 효과를 얻을 수 있게 되는데, 이러한 방식에서는 온도가 상승함에 따라 저항값도 동시에 상승하게 되어 일정 온도 이상에서는 작동을 멈추게 되어 국지적 과열을 방지할 수 있게 된다. 즉, 저온에서는 카본 입자끼리 접촉하여 통전되어 발열이 발생하며, 온도가 상승하면서 일정 온도 이상이 되어 결정성 고분자가 상변환을 일으키고 열팽창을 하면 카본끼리의 연결이 단절되면서 접촉성이 악화되고 이에 따라 저항값이 증가하면서 통전이 중지되게 된다.

이러한 효과를 구현하기 위한 발열카본잉크는 잉크를 구성하는 수지의 연화점, 체적 열팽창율, 카본 입자의 평균 입경, 카본 입자의 함량 등의 다양한 요인에 의해 물성이 달라지며, 또한, 시트 원단에 인쇄를 위해서는 인쇄성이 우수해야 하므로 이를 위한 최적화가 필요하다.

또한, 발열 효율은 실온(25℃)에서의 온열시트의 저항값에 대한 60℃에서의 온열시트의 저항값을 백분율로 계산한 값으로 정의하고 있다. 상기 기준 온도는 상기 발열카본잉크에 적용되는 결정성 고분자는 연화점이 60 내지 80℃이기 때문에 설정된 값이다. 이러한 기준에 의해 평가해 본 결과 본 발명의 온열시트는 24V 구동의 경우 발열 효율이 온열시트 전체 면적에 걸쳐 200% 이상인 것으로 나타났다. 이러한 발열 효율은 본 발명의 온열시트를 바닥 난방이나 발열 의류 등의 용도에 사용할 수 있는 정도인 것을 의미한다.

이때, 상기 온열시트는 24V 이하 직류 전원에 의해 구동되는데, 상기 발열 효율이 200% 이상이 되기 위해서는 온열시트의 넓이가 1㎡ 이하, 바람직하게는 0.9㎡ 이하에서 상기 발열 효율을 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 상기 온열시트의 넓이가 지나치게 넓으면 발열 효율이 감소되기 때문에 기존의 온열시트 제품에 비해 전자파 발생량은 적으나 난방 효과가 비슷하거나 감소하기 때문에 제품으로서의 장점이 감소하는 것으로 나타났다.

상기와 같은 발열 효율의 목표값을 달성하기 위해 다양한 실험을 거친 결과 온열시트에 적용하기 위해서는 수직 전극 간의 이격거리가 1 내지 15㎝, 바람직하게는 1 내지 10㎝이며, 카본 패턴의 폭이 1 내지 15㎝, 바람직하게는 1 내지 10㎝의 범위를 만족해야 하는 것으로 나타났다. 상기 범위를 벗어나면 수직 전극간의 거리 및 카본 패턴의 폭이 너무 넓거나 너무 좁아져서 열팽창 리사이클성이 떨어지게 되므로, 온열시트의 발열 효율이 200%를 넘을 수 없고 내구성 및 수명도 급격하게 저하되는 것으로 나타났다. 또한, 카본 패턴 간의 이격거리는 발열 효율에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.

또한, 상기 발열카본잉크는 카본 입자 10 내지 50 중량부, 수지 혼합물 50 내지 90 중량부, 및 용매 50 내지 200 중량부, 각종 첨가제 1 내지 20 중량부의 범위로 조성된 잉크 조성물을 적용하는 것이 바람직한 것으로 나타났다.

일반적으로 발열카본잉크에서 바인더 수지로는 폴리에스테르계, 폴리올레핀계 바인더(등록특허 10-1225759호), 고분자 피롤리돈, 고분자 우레탄, 또는 고분자 아마이드기 등이 이용되고 있으나(등록특허 10-1584202호) 이러한 통상적인 바인더 수지를 적용할 경우, 발열카본잉크를 직물 시트 원단의 표면에 이러한 통상적인 바인더 수지를 함유하는 발열카본잉크를 적용할 경우, 직물 표면에 흡수되거나 불균일한 도포로 따른 단락, 저항증가 등의 요인으로 인해 전기적 특성이 저하되는 문제점이 있다.

또한, 필름의 표면에 카본 패턴을 인쇄하는 경우, 결정 용융 온도가 60 내지 85℃인 폴리올레핀, 폴리에스터 등의 결정성 고분자를 사용하고 있는데(등록특허 10-1543233호), 이러한 종래기술의 결정성 고분자를 바인더 수지로 하는 경우 직물 표면에 대해서는 발열 특성을 얻을 수 없는 것으로 나타났다.

상기 직물 시트 원단은 나일론 또는 폴리에스터 섬유로 제직하는 것이 일반적이므로, 이러한 재질의 표면이 불균일한 기재와의 상용성을 고려하여 본 발명에서는 아크릴레이트계 공중합체를 바인더 수지로 이용하고 있다.

특히, 상기 아크릴레이트계 공중합체로는 4-(2-(아크릴로일옥시)에톡시)-4-옥소부타노익산(CH₂CHCOOCH₂CH₂OCOCH₂CH₂COOH) 또는 4-(2-(메타크릴로일옥시)에톡시)-4-옥소부타노익산(CH₂C(CH₂)COOCH₂CH₂OCOCH₂CH₂COOH) 중 어느 하나의 다이카복실산과 메틸 메타크릴레이트 또는 에틸 메타크릴레이트 중 어느 하나의 메타크릴산을 공중합하여 얻은 공중합체를 사용하는 것이 바람직한 것으로 나타났다.

이러한 공중합체를 바인더 수지로 사용하면 카본 패턴의 지지체 역할을 하게 되며, 잉크 조성물과 직물 시트 원단 표면과의 밀착성이 향상되어 접착력이 높아지며, 특히, 표면 불규칙성이 큰 직물 시트 원단에 대하여 카본 입자의 분산 안정성을 높여 전기적 특성의 저하를 방지하는 효과를 나타내는 것으로 나타났다.

상기 공중합체의 제조에 사용되는 다이카복실산은 화합물의 총 함량 100중량%에 대하여 10 내지 90중량%의 범위로 포함될 수 있다. 상기 다이카복실산의 함량이 10중량% 미만인 경우 잉크 조성물과 기재 간의 밀착성 향상 효과가 미미하고 잔막이 형성되어 전기적 특성이 급격히 저하될 수 있으며, 90중량% 초과인 경우 코팅성이 저하될 수 있다.

또한, 상기 공중합체의 제조에 사용되는 메타크릴산으로는 메틸 메타크릴레이트 또는 에틸 메타크릴레이트를 사용할 수 있는데, 공중합체의 총 함량 100중량%에 대하여 10 내지 90중량%로 포함될 수 있다. 함량이 10중량% 미만인 경우 잉크 조성물과 피인쇄체 간의 밀착성이 좋지 못하고, 90중량% 초과인 경우 밀착성이 과도하게 저하되어 인쇄 시 패턴의 품질이 저하될 수 있다.

상기 공중합체를 바인더 수지로 사용하는 경우 형성된 카본 패턴과 실버 페이스트에 의해 형성된 수평 전극이 교차하는 부분에서 장기 사용에 따른 인쇄 패턴의 들뜸 현상 및 이로 인한 단락이 발생하지 않게 되어 발열 효과를 유지할 수 있는 것으로 나타났다.

또한, 상기 발열카본잉크를 구성하는 카본 입자는 카본 나노튜브, 카본 블랙, 그라파이트 중 어느 하나 또는 그 이상의 조합일 수 있다. 상기 카본 입자를 카본 나노튜브로 할 경우 도전성을 최적화할 수 있는 평균 입경은 20 내지 40㎚의 범위이며, 카본 블랙의 경우 10 내지 100㎚, 그라파이트의 경우 10 내지 100㎛의 범위를 만족해야 한다. 또한, 상기 카본 나노튜브, 카본 블랙, 그라파이트를 2종 이상 혼합하는 경우, 혼합범위는 제조된 온열시트의 발열 효율을 측정하면서 최적화해야 한다. 예를 들어, 카본 나노튜브와 카본 블랙을 혼합하는 경우, 중량비로 0.1~1:0.1~1의 범위가 적합하며, 평균 입경 차이가 큰 카본 블랙과 그라파이트의 경우, 중량비로 0.5~1:0.1~1의 범위가 적합한 것으로 파악되었다.

또한, 카본 입자의 입경 및 분산도, 함량 등도 중요한 요인이므로 카본 입자의 평균 입경에 대하여 어느 정도의 함량으로 카본 입자를 함유하는가에 따라 발열 효율이 달라지게 되는 것으로 나타났는데, 카본 입자의 평균 입경(㎚)에 대한 함량(중량%)의 비율은 0.02 내지 0.3의 범위에서 본 발명에서 요구하는 발열 효율을 달성할 수 있음을 발견하였다.

즉, 상기 평균 입경에 대한 함량의 비율이 0.02에 미치지 못할 경우 저온에서의 통전성이 원하는 만큼 높지 못하여 저온 저항이 크며, 0.3을 초과할 경우 결정성 고분자의 결정 임계 온도 전부터 저항값이 상승하여 결과적으로 발열 효율이 200%에 미치지 못하게 되는 결과가 나타나는 것으로 나타났다.

본 발명에서는 발열카본잉크를 직물 시트 원단에 직접 인쇄하기 때문에 용매의 함량 또한 인쇄 공정의 중요한 요소가 된다.

상기 용매로는 에탄올, 프로판올, 부탄올, 이소프로판올 중에서 선택되는 알코올계 용매; 에틸 아세테이트, 부틸 아세테이트, 프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이트 중에서 선택되는 아세테이트계 용매; 디메틸아세트아마이드, 디메틸포름아마이드에서 선택되는 아마이드계 용매; 시클로헥사논, 메틸에틸케톤, 4-헵타논, 메틸 이소부틸 케톤, 1-메틸-2-피롤리디논, 시클로헥산온, 아세톤에서 선택되는 케톤계 용매; 테트라히드로퓨란, 이소프로필 에테르에서 선택되는 에테르계 용매 및 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.

또한, 첨가제로는 3-아미노프로필트리에톡실란, 3-메르카토프로필트리메톡실란, 3-클로로프로필트리에톡실란, 비닐트리에톡실란, 비틸트리메톡실란, 3-메타크릴록시프로필트리메톡실란, 헥사데실트리메톡실란, 3-글리시독시프로필트리메톡실란, n-옥틸트리에톡실란에서 선택되는 실란 커플링제, 페놀계, 퀴논계(예를 들면, 하이드로퀴논, 토코페롤), 아민계(솔비톨, 글리세린), 유기산, 알코올, 무기산 무기염(예를 들면 인산), 황 화합물에서 선택되는 산화 방지제를 사용할 수 있다.

이하에서는 실시예를 들어 본 발명에 관하여 더욱 상세하게 설명할 것이나. 이들 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명의 보호 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

[실시예 1]

150D POLYESTER PD로 제직된 길이 1.5m, 폭 0.6m의 시트 원단에 대하여 발열카본잉크로 카본 패턴을 형성하고 구리 박막과 실버페이스트를 이용하여 수직 전극과 수평전극을 인쇄하여 온열시트를 제조하였다.

상기 온열시트 1 평방미터당 평균 저항값(Ω) 및 25℃의 1 평방미터당 소모전력(W/㎡)에 대한 80℃의 1 평방미터당 소모전력(W/㎡)의 전력소비량 변화율(%)을 측정하였다. 이때 전원은 24V 직류 전원을 사용하였다.

발열카본잉크는 평균 입경 80㎚의 카본 블랙 30 중량부, 바인더 수지 60 중량부, 및 아세톤 80 중량부로 이루어진 잉크 조성물을 사용하였다.

상기 바인더 수지는 1,000㎖ 플라스크에 4-(2-(아크릴로일옥시)에톡시)-4-옥소부타노익산 45g, 메틸 메타크릴레이트 20g, 2,2'-아조비스이소부티로니트릴(AIBN) 7g을 투입하고 질소 치환한 후 이를 교반하며 반응액의 온도를 100℃로 상승시키고 7시간 동안 유지하면서 합성을 수행하였다. 합성된 공중합체의 겔 투과 크로마토그래피(GPC)에 의해 측정된 중량평균분자량은 12,500이었다.

카본 패턴은 폭 2㎝, 카본 패턴의 패턴 간의 이격거리 1㎝로 인쇄되었고, 수직 전극은 이격거리 3㎝로 인쇄하였다. 수직 전극은 대향 수직 전극과 교차 수직 전극이 순차적으로 반복되도록 형성되었다.

[실시예 2]

발열카본잉크를 구성하는 바인더 수지를 제조할 때 4-(2-(아크릴로일옥시)에톡시)-4-옥소부타노익산 45g와 에틸 메타크릴레이트 20g를 반응시켜 제조한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 온열시트를 제조하였다.

[비교예 1]

발열카본잉크를 제조할 때 폴리올레핀계 수지조성물 100 중량부를 방향족 탄화수소계 용매(Aroma #200) 200 중량부에 용해시킨 후 평균입경 100㎚의 카본블랙 40 중량부와 커플링제(LICA 38, KENRICH) 5 중량부를 가하여 혼합하고 30분간 교반한 후 1일 방치하고, 이를 3 Roll Mill로 분산 제조하여 사용한 것 외에 실시예 1과 동일한 방법으로 온열시트를 제조하였다.

[비교예 2]

실시예 1과 동일한 방법으로 온열시트를 제조하되 수직 전극을 도 2(a)에서와 같은 패턴으로 형성하였다.

[비교예 3]

실시예 1과 동일한 방법으로 온열시트를 제조하되 수직 전극을 도 2(b)에서와 같은 패턴으로 형성하였다.

25℃에서의 온열시트의 저항값에 대한 60℃에서의 온열시트의 저항값을 백분율로 계산하여 발열 효율을 구하였다. 또한, 각각의 온열시트를 24V 직류 전원에 연결한 채 1개월 간 방치한 후 카본 패턴의 접착력을 측정하였다. 상기 박리 정도는 테이프를 이용한 박리 시험 실시 후 측정되는 저항값 변화율로 계산하였으며, 시각적으로 카본 패턴의 손상이 확인되는 경우 ± 30%를 초과하는 저항값 변화율을 나타내어 이를 기준으로 하였다.

이하 시험결과를 표 1에 나타내었다.

	실시예 1	실시예 2	비교예 1	비교예 2	비교예 3
발열효율(%)	225	215	135	-	-
접착력(%)	12	10	32	-	-

상기 시험결과를 살펴보면, 실시예 1 및 2에 따른 온열시트는 발열효율이 200% 이상으로 24V 직류 전원에서도 충분한 발열 성능을 나타내는 것으로 나타났다. 이는 발열카본잉크와 전극 패턴의 구조의 최적화에 따른 것으로 파악되었다.

이에 대하여 통상의 발열 필름에 사용되는 발열카본잉크를 적용하여 패턴을 형성한 비교예 1에서는 발열효율이 급격하게 감소하는 것으로 나타났다. 다만, 220V 교류 전원에서는 200% 이상의 발열효율을 나타내었으므로 고 전력 조건에서는 정상적으로 구동하나 본 발명에서 목적하는 저 전력에서는 충분한 발열 효과를 얻을 수 없는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 수직 전극을 교차 수직 전극으로만 구성한 비교예 3 및 수직 전극이 수평 전극을 연결하는 사다리 형태의 패턴으로 형성된 비교예 4의 경우 통전이 일어나지 않아 발열 효율을 구할 수 없었으며, 이에 따라 접착력도 테스트할 수 없었다.

이러한 결과는 직물 시트 원단에 발열카본잉크로 패턴을 형성할 경우 수직 전극의 구조에 의해 전기적 특성이 크게 변하는 것을 시사하는 결과이다.

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 : 시트 원단
200 : 카본 패턴
300 : 수평 전극
400 : 수직 전극
410 : 대향 수직 전극
420 : 교차 수직 전극

Claims (3)

1. 직물 시트 원단의 일면에 발열카본잉크로 인쇄하여 카본 패턴이 형성되는 온열시트로서,
   상기 카본 패턴은 직사각형의 긴 띠 형상이며, 상기 시트 원단의 길이 방향으로 3개 이상 인쇄하여 형성되며,
   상기 카본 패턴 중 양쪽 말단의 카본 패턴 상에 형성되며 직사각형의 긴 띠 형상으로 상기 말단의 카본 패턴 내에 위치하는 수평 전극 및 상기 수평 전극과 직교하여 상기 시트 원단의 폭 방향으로 형성되며 직사각형의 긴 띠 형상인 2개 이상의 수직 전극을 포함하며,
   상기 수직 전극은 하나의 수평 전극에 연결된 수직 전극과 다른 하나의 수평 전극에 연결된 수직 전극이 서로 대향되게 형성되는 한 쌍의 전극으로 이루어진 대향 수직 전극 및 하나의 수평 전극에 연결된 수직 전극과 다른 하나의 수평 전극에 연결된 수직 전극이 서로 대향되지 않게 형성되는 한 쌍의 전극으로 이루어진 교차 수직 전극으로 구성되며,
   상기 발열카본잉크는 카본 입자 10 내지 50 중량부, 바인더 수지 50 내지 90 중량부, 및 용매 50 내지 200 중량부를 포함하는 잉크 조성물로 이루어지며,
   상기 바인더 수지는 4-(2-(아크릴로일옥시)에톡시)-4-옥소부타노익산 또는 4-(2-(메타크릴로일옥시)에톡시)-4-옥소부타노익산 중 어느 하나의 다이카복실산과 메틸 메타크릴레이트 또는 에틸 메타크릴레이트 중 어느 하나의 메타크릴산을 공중합하여 이루어진 아크릴레이트계 공중합체인 것을 특징으로 하는 온열시트.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 온열시트는 24V 이하의 직류 전원에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 온열시트.

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