KR102217179B1 - 광발열 조성물, 및 이를 이용한 광발열 직물의 제조 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기 용매에 탄소 화합물, 적외선 흡수 복합 산화물, 주석계 화합물 및 코팅 수지를 포함하는 광발열 조성물에 관한 것이다. 구체적으로, 상기 탄소 화합물, 적외선 흡수 복합 산화물, 및 주석계 화합물은 각각 10 내지 2000 nm 크기의 입자로서, (6 내지 8):(1 내지 3):1의 중량비로 포함하는 것인, 광발열 조성물, 이를 이용한 광발열 직물의 제조방법 및 이에 따라 제조된 광발열 직물에 관한 것이다.
Description
본 발명은 유기 용매에 탄소 화합물, 적외선 흡수 복합 산화물, 주석계 화합물 및 코팅 수지를 포함하는 광발열 조성물에 관한 것이다. 구체적으로, 상기 탄소 화합물, 적외선 흡수 복합 산화물, 및 주석계 화합물은 각각 10 내지 2000 nm 크기의 입자로서, (6 내지 8):(1 내지 3):1의 중량비로 포함하는 것인, 광발열 조성물, 이를 이용한 광발열 직물의 제조방법 및 이에 따라 제조된 광발열 직물에 관한 것이다.
보온의 개념은 인체에서 방출되는 열을 외부로 손실되지 않게 하는 소극적 방법과 외부에서 적극적으로 열을 부여하는 적극적 개념으로 구별될 수 있다. 전자의 방법으로 이용되는 것은 인체로부터 방출되는 열을 직물의 공기층에 의해 단열 보온하는 방식과 인체에서 발산한 복사열을 의복 외로 발산시키지 않는 적외선 반사소재를 사용하는 방법, 인체 발산 에너지를 흡수하는 소재를 사용하는 방법 등이 제안되고 있고, 후자의 방법으로는 전기발열 소재, 화학반응발열 보온소재, 태양광 축열 보온소재를 피복에 도입하는 방식이 제안되고 있다.
예컨대, 사람들은 극저온의 환경에서 동상(frostbite)을 예방할 필요가 있다. 동상은 피부 및 다른 조직이 매우 추운 온도에 노출되었을 때, 특히, 다른 신체 부위에 비해 혈관밀도가 낮은 발가락에서 발생한다. 따라서, 발열 신발은 이러한 문제를 해결하기 위한 하나의 수단일 수 있다. 일반적으로, 이에 수반되는 열발생 장치는 완전히 휴대 가능하고, 매우 가벼워야 하므로 이에 장착되는 배터리는 가능한 얇아야 한다. 그러나, 얇은 배터리는 환경오염을 야기할 수 있는 독성 중금속인 수은을 포함한다. 또한, 이에 수반되는 열발생 장치가 방수되지 않는 경우, 이에 장착된 배터리는 누전되기 싶고 습기나 손상에 의해 영향받을 수 있다. 발열 신발을 위하여, 이에 장착되는 배터리는 신발 본체 내부에 구성되므로 교체가 어렵다. 따라서, 배터리를 교체하지 않고 단순한 기전에 의해 전기 에너지를 생산할 수 있는 발열 신발을 개발하기 위한 시도가 있다.
본 발명자들은 별도의 전력공급 장치를 필요로 하는 발열 장치 없이도 자연광을 흡수하여 발열 효과를 나타낼 수 있는 발열 신발을 제조하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, 탄소 화합물, 적외선 흡수 복합 산화물 및 주석계 화합물을 소정의 비율로 함유하는 광발열 조성물을 코팅한 원단으로 신발을 제조하는 경우, 별도의 장치 없이도 태양광 조사시 이를 흡수하여 열에너지로 전환함으로써 미처리 원단에 비해 온도를 상승시킴을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 제1양태는 유기 용매에 탄소 화합물, 적외선 흡수 복합 산화물, 주석계 화합물 및 코팅 수지를 포함하는 광발열 조성물로서, 상기 탄소 화합물, 적외선 흡수 복합 산화물 및 주석계 화합물은 각각 10 내지 2000 nm 크기의 입자로서, (6 내지 8):(1 내지 3):1의 중량비로 포함하는 것인, 광발열 조성물을 제공한다.
본 발명의 제2양태는 상기 제1양태의 광발열 조성물을 원단에 코팅하는 단계를 포함하는, 광발열 직물의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제3양태는 상기 제2양태의 방법으로 제조된, 태양광에 200초 노출 시 동일한 조건의 미처리 원단에 비해 2 내지 8℃의 상승된 온도를 나타내는 것인, 광발열 직물을 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 자세히 설명한다.
본 발명은 유기 용매에 탄소 화합물, 적외선 흡수 복합 산화물, 주석계 화합물 및 코팅 수지를 포함하는 광발열 조성물을 제공한다. 상기 광발열 조성물에 함유된 탄소 화합물, 적외선 흡수 복합 산화물 및 주석계 화합물은 각각 10 내지 2000 nm 크기의 입자로서, (6 내지 8):(1 내지 3):1의 중량비로 포함될 수 있다.
상기 각 성분의 조합 및/또는 비율은 가용성, 경제성, 발열 효율 및/또는 양산 가능성을 종합적으로 고려하여 선택한다.
예컨대, 본 발명의 광발열 조성물에 있어서, 탄소 화합물로는 탄화지르코늄(ZrC), 실리카카바이드(SiC), 카본블랙(carbon black), 탄화규소(silicon carbide; SiC), 무기 탄소(total inorganic carbon; TIC) 또는 보론카바이드(B4C)를 단독으로 또는 이들로부터 선택되는 2 이상을 조합하여 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
예컨대, 본 발명의 광발열 조성물에 있어서, 적외선 흡수 복합 산화물로는 알루미늄 산화 아연(aluminum zinc oxide; AZO), 갈륨-도핑된 산화 아연(gallium-doped zinc oxide; GZO), 또는 알루미늄/갈륨-공도핑된 산화 아연(aluminium/gallium-co-doped zinc oxide; AGZO)을 단독으로 또는 이들로부터 선택되는 2 이상을 조합하여 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
예컨대, 본 발명의 광발열 조성물에 있어서, 주석계 화합물로는 안티모니 주석 산화물(antimony tin oxide; ATO), 알루미늄 산화 아연(aluminum zinc oxide; AZO) 또는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide; ITO)을 단독으로 또는 이들로부터 선택되는 2 이상을 조합하여 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 본 발명의 광발열 조성물은 상기 탄소 화합물, 적외선 흡수 복합 산화물 및 주석계 화합물을 분산시키기 위해 사용되는 유기 용매는 디메틸포름아미드(dimethylformamide; DMF), 메틸 에틸 케톤(methyl ethyl ketone; MEK) 또는 이들의 혼합물일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 각각 10 내지 2000 nm 크기의 입자 형태인 상기 3개 성분을 고르게 분산시킬 수 있는 한, 유기 용매의 종류는 한정되지 않는다.
나아가, 본 발명의 광발열 조성물은 바인더로서 코팅 수지를 포함할 수 있다. 상기 코팅 수지는 폴리아크릴, 폴리우레탄 또는 이들의 혼합물일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
특히, 본 발명의 광발열 조성물은 태양광을 흡수하여 발열하는 것이 특징이다. 예컨대, 이를 원단에 코팅하고, 상기 코팅된 원단을 제품화하는 경우, 제조된 제품은 태양광에 노출시 이를 흡수하여 발열함으로써 미처리 원단에 비해 높은 온도를 나타낸다.
예컨대, 본 발명의 광발열 조성물은 적절한 용기에 담아 스프레이 형태로 제공될 수 있다. 이때, 스프레이 제형에 사용되는 통상의 부형제, 첨가제 등을 추가로 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 스프레이 제형으로 제공되는 조성물은 휴대가 간편하므로 극한의 조건에서 광발열 처리되지 않은 신발이나 의상 등에 필요에 따라 적용하여 즉각적으로 광발열 효과를 발휘하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 광발열 조성물을 원단에 코팅하는 단계를 포함하는, 광발열 직물의 제조방법을 제공한다.
이때 사용되는 상기 광발열 조성물은 유효성분인 탄소 화합물, 적외선 흡수 복합 산화물 및 주석계 화합물을 전체 조성물의 2 내지 5중량% 함량으로, 코팅 수지는 1 내지 2중량%로 포함할 수 있다. 이는 고농도로 준비된 광발열 조성물 원액을 용매로 희석하거나 또는 유효성분의 함량이 상기 농도 이하인 조성물의 경우 농축하여 준비할 수 있다.
예컨대, 코팅 대상이 되는 원단은 PET(polyethylene terephthalate, polyester), 면, 나일론 또는 폴리에스테르 소재의 직물 또는 이들로부터 선택되는 2종 이상의 혼방 직물 예컨대, T/C(폴리에스테르/면 혼방) 또는 N/C(나일론/면 혼방)일 수 있다.
한편, 제품에 발수성을 부여하기 위하여, 상기 코팅에 앞서 원단을 발수가공하는 전처리 단계를 추가로 할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기와 같이 발수가공된 원단으로 제조한 광발열 직물은 광발열 신발의 제조에 사용될 수 있으나, 그 용도가 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 본 발명은 상기와 같이 제조된, 광발열 직물을 제공한다. 본 발명의 광발열 직물은 태양광에 200초 노출 시 동일한 조건의 미처리 원단에 비해 2 내지 8℃의 상승된 온도를 나타내는 것이 특징이다.
상기 광발열 직물은 특히 방한이 필요한 신발의 제조에 사용되거나, 의복 또는 악세서리의 제조에 사용될 수 있으나, 그 적용 분야는 이에 제한되지 않는다. 전술한 바와 같이, 광발열 신발, 의복 또는 악세사리 등은 상기 광발열 직물을 원단으로 사용하여 제조하거나, 또는 필요에 따라 기성품에 본 발명의 광발열 조성물을 처리하여 제조할 수 있다. 이때, 광발열 조성물은 적용에 용이한 스프레이 제형으로 제공될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 광발열 조성물은 유효성분으로 탄소 화합물, 적외선 흡수 복합 산화물 및 주석계 화합물을 소정의 비율로 함유함으로써, 이를 코팅한 원단으로 신발을 제조하는 경우, 별도의 장치 없이도 태양광 조사시 이를 흡수하여 열에너지로 전환함으로써 미처리 원단에 비해 온도를 상승시킬 수 있으므로, 기능성 및 디자인을 모두 만족하는 발열 신발의 제조에 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 광발열 조성물 처리에 앞선 원단 전처리 공정을 예시한 도이다.
도 2는 미처리 대조군 원단(좌측) 및 3중량% 광발열 조성물 처리 원단(우측)의 외관을 사진으로 찍어 나타낸 도이다.
도 3은 (A) 미처리 대조군 원단 및 (B) 3중량% 광발열 조성물 처리 원단의 광조사 시간에 따른 온도 변화를 나타낸 도이다.
도 4는 광발열 조성물 처리 원단의 온도변화 테스트를 위한 장치를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 5는 미처리 대조군 원단(좌측) 및 3중량% 광발열 조성물 처리 원단(우측)으로 제조한 신발의 광조사에 따른 정면에서의 온도 차이를 나타낸 도이다.
도 6은 미처리 대조군 원단(좌측) 및 3중량% 광발열 조성물 처리 원단(우측)으로 제조한 신발의 광조사에 따른 측면에서의 온도 차이를 나타낸 도이다.
도 2는 미처리 대조군 원단(좌측) 및 3중량% 광발열 조성물 처리 원단(우측)의 외관을 사진으로 찍어 나타낸 도이다.
도 3은 (A) 미처리 대조군 원단 및 (B) 3중량% 광발열 조성물 처리 원단의 광조사 시간에 따른 온도 변화를 나타낸 도이다.
도 4는 광발열 조성물 처리 원단의 온도변화 테스트를 위한 장치를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 5는 미처리 대조군 원단(좌측) 및 3중량% 광발열 조성물 처리 원단(우측)으로 제조한 신발의 광조사에 따른 정면에서의 온도 차이를 나타낸 도이다.
도 6은 미처리 대조군 원단(좌측) 및 3중량% 광발열 조성물 처리 원단(우측)으로 제조한 신발의 광조사에 따른 측면에서의 온도 차이를 나타낸 도이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
제조예
1:
광발열
조성물의 제조
광발열 효과를 갖는 물질로서, 탄화지르코늄(ZrC), 실리카카바이드(SiC), 카본블랙(carbon black), 탄화규소(silicon carbide; SiC), 무기 탄소(total inorganic carbon; TIC) 또는 보론카바이드(B4C) 등의 탄소 화합물; 알루미늄 산화 아연(aluminum zinc oxide; AZO), 갈륨-도핑된 산화 아연(gallium-doped zinc oxide; GZO), 알루미늄/갈륨-공도핑된 산화 아연(aluminium/gallium-co-doped zinc oxide; AGZO) 등의 적외선 흡수 복합 산화물; 및 안티모니 주석 산화물(antimony tin oxide; ATO), 알루미늄 산화 아연(aluminum zinc oxide; AZO), 인듐 주석 산화물(indium tin oxide; ITO) 등의 주석계 화합물;을 7:2:1의 중량비로 최종 68 내지 73중량% 농도가 되도록 용제형 수지에 사용되는 유기 용매인 디메틸포름아미드(dimethylformamide; DMF), 메틸 에틸 케톤(methyl ethyl ketone; MEK) 등의 용매에 분산시키고, 분산 및 희석을 위해 13 내지 23중량%의 용제형 분산제를 첨가하여 광발열 조성물을 제조하였다.
실시예
1:
광발열
원단의 제조
상기 제조예 1에 따라 준비한 광발열 조성물을 용제형 수지에 사용되는 극성 용매인 DMF 또는 MEK 등을 사용하여 상기 제조예 1에 따라 준비한 2 내지 5중량% 농도로 희석시켜 원단에 코팅 처리하였다. 구체적으로, 원단은 발수가공으로 전처리하여 준비한 후, 나이프로 코팅하고 150 내지 170℃에서 5 내지 10분 동안 건조시켜 준비하였다. 이때 원단으로는 PET(polyethylene terephthalate 또는 polyester), 면, 나일론, T/C(폴리에스테르/면 혼방), N/C(나일론/면 혼방)를 사용하였다. 본 발명의 원단 전처리 방식을 도 1에 개략적으로 나타내었다.
구체적으로, 73% ATO, 9% DMF, 폴리(옥시-1,2-에탄디일) 및 18% 용제형 분산제를 포함하는 조성물을 준비하고, 이를 극성 용매에 용해시켜 5% 용액으로 희석하여 PET 직물에 코팅하였다.
실험예
1:
광조사
시간에 따른
광발열
조성물 처리 원단의 발열 테스트
국가공인시험검사기관인 한국섬유기술연구소(Korea textile inspection and testing institute; KOTITI)에 의뢰하여 상기 실시예 1에 따라 제조한 본 발명의 광발열섬유의 광조사 시간에 따른 발열 정도를 테스트하였다. 구체적으로, 3중량% 광발열 조성물을 처리한 시편(B)과 대조군으로서 미처리 시편(A)을 사용하여 비교 실험하였다. 준비한 시편을 온도 (20±2)℃, 상대습도 (65±4)% 환경에서 컨디셔닝하였다. 시편의 표면이 램프쪽을 향하도록 배치하고, 시편 이면에는 온도 센서를 장착하여 빛을 조사하고 시간에 따른 시편의 온도 변화를 측정하였다. 총 20분 동안 2분 간격으로 온도를 측정하였으며, 최종값은 광조사 20분 전후 1분 동안(19분 30초로부터 20분 30초 사이)의 평균값을 사용하였다. 상기 20분의 측정 사이클을 마친 후, 대조군과 시험군의 시편 위치를 바꾸어 반복 측정하였다. 준비한 시편의 외관을 대조군 시편과 함께 사진으로 찍어, 도 2에 나타내었다. 상기 광조사 시간에 따라 측정한 온도는 하기 표 1 및 도 3에 나타내었다. 상기 측정을 위한 셋업을 도 4에 개략적으로 나타내었으며, 구체적인 측정 조건은 다음과 같다:
- 대기 조건(atmospheric condition): (20±2)℃, (65±4)% R.H.,
- 램프: IWASAKI 500W lamp,
- 조사 거리(irradiation distance): 50 cm,
- 조사 면(irradiation surface): 시편의 표면,
- 시편 크기(specimen size): 10 cm×10 cm,
- 테스트 시간: 20분,
- 대조 시료: 광발열 조성물을 처리하지 않은 동일 원단.
| 시간(분) | 온도(℃) | ||
| 시편 A | 시편 B | 차이 | |
| 0 | 21.2 | 21.2 | 0.0 |
| 2 | 28.6 | 32.8 | 4.2 |
| 4 | 32.0 | 38.4 | 6.4 |
| 6 | 33.6 | 40.5 | 6.9 |
| 8 | 34.5 | 41.6 | 7.1 |
| 10 | 35.0 | 42.2 | 7.2 |
| 12 | 35.5 | 42.2 | 6.7 |
| 14 | 35.9 | 43.1 | 7.2 |
| 16 | 36.3 | 43.4 | 7.1 |
| 18 | 36.6 | 43.9 | 7.3 |
| 20 | 36.8 | 44.1 | 7.3 |
나아가, 상기 3중량% 광발열 조성물로 처리한 원단과 미처리 원단으로 실물 신발을 제조하고, 이에 IWASAKI 램프로 광조사한 후(500 W, 20분), 샘플 이면에 위치시킨 온도센서를 통해 정면 및 측면에서 온도를 측정하여 그 결과를 각각 도 5 및 6에 나타내었다. 도 4 및 6에 나타난 바와 같이, 본 발명의 3중량% 광발열 조성물로 처리한 원단을 사용하여 제조한 신발은 처리하지 않은 동일 원단으로 제조한 신발에 비해 2 내지 3℃ 더 높은 온도를 나타내었다.
Claims (15)
- 유기 용매에 탄소 화합물, 적외선 흡수 복합 산화물, 주석계 화합물 및 코팅 수지를 포함하는 광발열 조성물로서,
상기 탄소 화합물, 적외선 흡수 복합 산화물, 및 주석계 화합물은 각각 10 내지 2000 nm 크기의 입자로서, (6 내지 8):(1 내지 3):1의 중량비로 포함하고,
상기 유기 용매는 디메틸포름아미드(dimethylformamide; DMF), 메틸 에틸 케톤(methyl ethyl ketone; MEK) 또는 이들의 혼합물인, 광발열 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 탄소 화합물은 탄화지르코늄(ZrC), 실리카카바이드(SiC), 카본블랙(carbon black), 탄화규소(silicon carbide; SiC), 무기 탄소(total inorganic carbon; TIC) 또는 보론카바이드(B4C) 또는 이들로부터 선택되는 2 이상의 조합인 것인, 광발열 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 적외선 흡수 복합 산화물은 알루미늄 산화 아연(aluminum zinc oxide; AZO), 갈륨-도핑된 산화 아연(gallium-doped zinc oxide; GZO) 또는 알루미늄/갈륨-공도핑된 산화 아연(aluminium/gallium-co-doped zinc oxide; AGZO) 또는 이들로부터 선택되는 2 이상의 조합인 것인, 광발열 조성물.
- 제1항에 있어서,
상기 주석계 화합물은 안티모니 주석 산화물(antimony tin oxide; ATO), 알루미늄 산화 아연(aluminum zinc oxide; AZO) 또는 인듐 주석 산화물(indium tin oxide; ITO) 또는 이들로부터 선택되는 2 이상의 조합인 것인, 광발열 조성물.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 코팅 수지는 폴리아크릴, 폴리우레탄 또는 이들의 혼합물인 것인, 광발열 조성물.
- 제1항에 있어서,
태양광을 흡수하여 발열하는 것인, 광발열 조성물.
- 제1항에 있어서,
스프레이 형태로 제공되는 것인, 광발열 조성물.
- 제1항 내지 제4항, 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항의 광발열 조성물을 원단에 코팅하는 단계를 포함하는, 광발열 직물의 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 광발열 조성물은 탄소 화합물, 적외선 흡수 복합 산화물 및 주석계 화합물을 전체 조성물의 2 내지 5중량% 함량으로, 코팅 수지는 1 내지 2중량%로 포함하는 것인, 제조방법.
- 제9항에 있어서,
상기 원단은 PET(polyethylene terephthalate 또는 polyester), 면, 나일론, 또는 폴리에스테르 소재의 직물 또는 이들로부터 선택되는 2종 이상의 혼방 직물인 것인, 제조방법.
- 제9항에 있어서,
코팅에 앞서 원단을 발수가공하는 전처리 단계를 추가로 포함하는 것인, 제조방법.
- 제9항의 방법으로 제조된, 태양광에 200초 노출 시 동일한 조건의 미처리 원단에 비해 2 내지 8℃의 상승된 온도를 나타내는 것인, 광발열 직물.
- 제1항에 따른 광발열 조성물을 처리하여 제조된, 광발열 신발.
- 제13항의 광발열 직물을 원단으로 사용하여 제조되거나, 제조후 광발열 조성물을 처리한 것인, 광발열 신발.
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