KR102622942B1 - 탄소-고분자 복합 발열 와이어, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 난방 물품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수 개의 구리-니켈합금 와이어를 꼬인 상태로 금형에 삽입하여 탄소나노튜브와 제1 고분자 수지 혼합 조성물로 코팅하는 1차 압출 단계, 상기 1차 압출 단계를 거친 와이어의 표면에 제2 고분자 수지를 코팅하는 2차 압출 단계를 포함하는 탄소-고분자 배합기반 발열 와이어의 제조방법, 이에 따라 제조된 발열 와이어 및 이를 포함하는 난방 물품에 관한 것이다.

Description

탄소-고분자 복합 발열 와이어, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 난방 물품{CARBON-POLYMER HYBRID HEATING WIRE, METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME AND HEATING ARTICLE COMPRISING THE SAME}

본 발명은 자동차 난방용 발열 패치, 무릎 워머 등의 다양한 난방 물품에 적용되는 발열 와이어의 제조방법에 관한 것으로서, 기존의 구리나 구리 합금 소재의 원사를 사용하는 것과 대비하여 우수한 난방 효율을 만족하면서도 제조 단가를 절감할 수 있으며, 발열 센서의 제어 장애가 발생되는 경우에도 화상이나 화재 위험이 없는 탄소-고분자 배합기반 발열 와이어의 제조방법, 이에 따라 제조된 발열 와이어 및 이를 포함하는 난방 물품에 관한 것이다.

일반적인 자동차 난방용 발열 패치는 구리합금 발열체를 기반으로 절연체가 코팅된 와이어를 적용하고 있다. 아울러 이를 적용한 자동차 시트는 엉덩이부와 등받이부에 각각 분리되어 장착되어 추운 날씨에 운전자를 따뜻하게 해주는 장치이다.

자동차 무릎 워머는 스티어링 휠 연결 부분 하단에 적외선 복사열 장치를 설치해 겨울철 히터 바람 없이도 운전자의 허벅지와 무릎을 따뜻하게 해주는 제품으로, 겨울철 자동차 실내의 차가운 느낌을 빠른 속도로 줄여주는 장치이다.

기존의 난방 장치, 난방 물품에 사용되는 발열 와이어는 구리, 구리합금 또는 탄소 섬유가 사용되는데 발열 와이어에 사용되는 소재의 경우, 난방 효율에 비해 제조 단가가 높은 문제가 있다.

또한, 탄소섬유는 소재 특성상 센서 제어에 문제가 발생 시 1,000℃ 이상까지 온도가 급격히 상승하여 화상이나 화재 등 위험에 노출되어 있다.

따라서, 기존의 발열 와이어와 동등 내지 양호한 수준의 난방 효율을 유지하면서도, 제조 단가가 낮으며 센서 제어에 문제가 발생하더라도 온도가 급격히 상승하여 화상이나 화재 등 위험이 없는 신규한 발열 와이어 및 이를 이용한 난방 물품에 대한 개발이 필요한 실정이다.

(0001) 대한민국 공개특허 제2020-0094807호(2020.08.10)

기존의 발열 와이어와 동등 내지 양호한 수준의 난방 효율을 유지하면서도, 제조 단가가 낮은 발열 와이어 및 난방 물품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

센서 제어에 문제가 발생하더라도 온도가 급격히 상승하여 화상이나 화재 등 위험이 없는 신규한 발열 와이어 및 이를 이용한 난방 물품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한, 난방 물품에 적합한 발열 저항을 가지며, 난방 효율이 우수한 발열 와이어 및 이를 포함하는 난방 물품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 탄소-고분자 배합기반 발열 와이어의 제조방법은,

복수 개의 구리-니켈합금 와이어를 꼬인 상태로 금형에 삽입하여 탄소나노튜브와 제1 고분자 수지 혼합 조성물로 코팅하는 1차 압출 단계;

상기 1차 압출 단계를 거친 와이어의 표면에 제2 고분자 수지를 코팅하는 2차 압출 단계;

를 포함한다.

본 발명에 있어서, 상기 2차 압출 단계는 상기 1차 압출 단계를 거친 와이어에 0.05 내지 1초 내에 수행되는 것일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 제1 고분자 수지는 폴리아미드(Polyamide, PA)이고, 상기 제2 고분자 수지는 폴리아미드일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 탄소나노튜브와 제1 고분자 수지 혼합 조성물은 조성물 전체 중량을 기준으로 상기 제1 고분자 수지 100 중량부를 기준으로 탄소나노튜브 1 내지 5 중량부를 포함한다.

본 발명에 있어서, 상기 발열 와이어는 평균 직경이 0.5 내지 1.0 mm이고, 상기 구리-니켈합금 와이어는 평균 직경이 0.06 내지 0.1 mm이고, 1 내지 최대 20 개 이하로 포함되고, 상기 구리-니켈합금 와이어는 전체 평균 직경이 0.1 내지 0.3 mm인 것일 수 있다. 즉, 1차 압출하기 전 단일 또는 복수 개의 구리-니켈합금 와이어의 전체 평균 직경을 의미한다.

본 발명에 있어서, 상기 1차 압출 단계에서 상기 탄소나노튜브와 제1 고분자 수지 혼합 조성물의 코팅 두께는 0.3 내지 0.5 mm이고, 상기 2차 압출 단계에서 상기 제2 고분자 수지의 코팅 두께는 0.1 내지 0.2 mm일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 발열 와이어는 미터(m) 당 저항이 0.9 내지 1.5Ω(옴) 일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 탄소-고분자 배합기반 발열 와이어의 제조방법은, 상기 2차 압출 단계 후 부직포 위에 열선 패치 형태로 박음질하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명은 또한, 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 탄소-고분자 배합기반 발열 와이어를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 발열 와이어를 포함하는 난방 물품으로서, 상기 난방 물품은 자동차 온열 시트, 무릎 워머, 발열 패치, 온열 매트 및 발열 의류로 이루어진 군에서 선택된 하나인 난방 물품을 제공한다.

본 발명에 따른 발열 와이어의 제조방법에 따라 제조된 발열 와이어는 기존의 발열 와이어와 동등 내지 양호한 수준의 난방 효율을 유지하면서도, 제조 단가가 낮은 장점을 가진다.

본 발명에 따른 발열 와이어의 제조방법에 따라 제조된 발열 와이어는 센서 제어에 문제가 발생하더라도 온도가 급격히 상승하는 문제가 방지되고 이에 따라, 화상이나 화재 등 위험이 없는 장점을 가진다.

본 발명에 따른 발열 와이어의 제조방법에 따라 제조된 발열 와이어는 난방 물품에 적합한 발열 저항을 가지며, 난방 효율이 우수한 장점을 가진다.

본 발명 개발한 탄소-고분자 배합기반 발열 와이어 소재는 PTC가 가지는 특성상 설정된 특정 온도 이상은 올라가지 않으면서, 탄소분말(CNT)과 고분자 소재(PA)의 배합 비율 조절을 통해 탄소-고분자 배합기반 발열 와이어 제조단계에서 고온 한계점(ex. 80℃)을 설정할 수 있다.

따라서 기존 자동차 발열 와이어로 적용된 발열 시트나 무릎 워머처럼 온도제어장치(센서) 불량 시 발생하게 되는 고온 화상 및 화재 위험이 거의 없으며, 적은 양의 전력으로 많은 양의 발열을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 첨가된 탄소분말(CNT)에서 다량의 원적외선이 방출되어 실제 탑승자가 높은 온열감을 체감할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 발열 와이어의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 와이어를 이용한 자동차용 발열 패치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 와이어의 제조방법을 나타낸 공정 순서도이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 각 구성을 보다 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.

본 발명에 사용된 "바람직한" 또는 "바람직하게는"은 특정 조건에서 특정 장점을 갖는 본 발명의 실시예를 나타낸다. 그러나, 다른 실시예 또한 동일 조건 또는 다른 조건에서 바람직할 수 있다. 또한, 하나 이상의 바람직한 실시예는 다른 실시예가 유용하지 않다는 것을 의미하는 것은 아니며, 본 발명의 범위 내에 있는 다른 실시예를 배제하는 것도 아니다.

본 발명에 따른 탄소-고분자 배합기반 발열 와이어의 제조방법은, 복수 개의 구리-니켈합금 와이어를 꼬인 상태로 금형에 삽입하여 탄소나노튜브와 제1 고분자 수지 혼합 조성물로 코팅하는 1차 압출 단계, 상기 1차 압출 단계를 거친 와이어의 표면에 제2 고분자 수지를 코팅하는 2차 압출 단계를 포함한다.

본 발명은 자동차 시트 등 난방 모듈에 장착되어 운전자의 온열성을 도모하는 발열 와이어 제조방법에 관한 것으로서, 복수 개의 구리-니켈합금 와이어를 요구되는 저항값에 따라 가닥수와 두께를 다르게 조합하여 금형에 삽입한 상태에서 1차로 탄소분말(CNT)과 고분자 수지(PA)가 요구되는 발열 특성에 따라 특정 배합 비율로 교반된 소재를 압출하고, 2차로 고분자 수지(PA)가 곧바로 코팅될 수 있도록 동시에 이중 압출하여 빠르고 연속적으로 발열 와이어를 성형하는 제조방법과 이를 부직포 위에 박음질하여 원하는 열선 패치 형태로 적용한 자동차 시트나 무릎 워머 등 발열 패치에 관한 것이다.

우선, 본 발명에 의한 탄소-고분자 배합기반 발열 와이어는 자동차 시트의 엉덩이부와 등받이부에 각각 장착되어, 추운 날씨에 운전자를 따뜻하게 해주는 모듈로써, 발열 와이어 중앙에 삽입된 복수 개의 구리-니켈합금 와이어에 흐르는 전류의 저항 때문에 특정 배합 비율로 교반되어 1차로 압출된 탄소나노튜브(CNT)와 고분자 수지(PA) 발열체에서 발산된 열과 원적외선을 이용하여 온기를 생성시키는 것이다.

또한, 위의 탄소-고분자 배합기반 발열 와이어를 부직포 위에 박음질하여 원하는 열선 패치 형태로 적용한 자동차 무릎 워머는 스티어링 휠 연결 부분 하단에 설치하여 겨울철 히터 바람 없이도 운전자의 허벅지와 무릎을 따뜻하게 해주는 제품으로, 겨울철 자동차 실내의 차가운 느낌을 빠른 속도로 줄여줄 수 있다.

먼저, 복수의 구리-니켈합금 와이어를 여러 개 꼰 상태로 금형 내에 삽입하고, 그 표면에 탄소나노튜브와 제1 고분자 수지가 혼합된 혼합 조성물을 코팅하는 단계인 1차 압출 단계를 수행한다.

보다 상세하게는, 상기 2차 압출 단계는 상기 1차 압출 단계를 거친 와이어에 0.01 내지 1초 내에 수행되는 것일 수 있다.

상기 시간보다 짧은 시간 내에 수행되는 경우에는, 장비에 요구되는 정밀성과 스피드가 증가하여 제조단가가 증가되는 문제가 있고, 상기 시간보다 긴 경우에는 1차 압출 단계의 혼합 조성물 층과 2차 압출 단계의 폴리머 코팅층의 접합력이 떨어져, 열전도도 및 난방 효율성 측면에서 저하될 수 있다.

한편, 상기 제1 고분자 수지는 폴리아미드(Polyamide, PA)이고, 상기 제2 고분자 수지는 폴리아미드일 수 있다. 상기 제2 고분자 수지는 폴리아미드에 인계 난연제를 더 포함할 수 있다. 요구되는 난연 성능에 따라 상기 제1 고분자 수지와 제2 고분자 수지 모두에 인계 난연제를 첨가하더라도 무방하다.

상기와 같이 인계 난연제를 포함하는 경우에는, 고분자 수지 100 중량부를 기준으로 25 중량부 이하로 첨가될 수 있다.

상기 함량보다 과량으로 첨가되는 경우에는, 와이어로 압출 시 성형성이 떨어지는 문제, 실제 발열 와이어로 사용 시에 내구성이 저하될 수 있는 문제가 있으므로, 상기 함량 범위 내에서 가감하는 것이 바람직하다.

상기 제1 고분자 수지와 상기 제2 고분자 수지를 모두 폴리아미드를 사용하는 경우, 상기 폴리아미드는 폴리아미드이면 폴리머 분자구조에 제한없이 다양한 종류의 폴리아미드를 사용할 수 있다. 바람직하게는, 폴리아미드12를 사용할 수 있다.

한편, 본 발명에 있어서, 상기 제1 고분자 수지와 상기 제2 고분자 수지는 각각 독립적으로 중량 평균 분자량이 30,000 내지 40,000 g/mol인 것을 사용할 수 있다.

상기 탄소나노튜브와 제1 고분자 수지 혼합 조성물은 조성물 전체 중량을 기준으로 상기 제1 고분자 수지 100 중량부를 기준으로 탄소나노튜브 1 내지 5 중량부를 포함한다.

상기 함량보다 탄소나노튜브의 함량이 과다한 경우에는, 압출 성형 후 열선의 유연성이 낮아 쉽게 꺾이거나 부러지는 문제가 있고, 상기 함량보다 적은 경우에는, 원하는 발열량을 얻지 못하는 문제가 있다.

상기 발열 와이어는 평균 직경이 0.05 내지 1.0 mm인 것일 수 있다. 상기 직경보다 작은 경우, 압출 성형 공정 적용이 어려운 문제가 있고, 상기 직경보다 큰 경우에는, 압출된 발열선을 부직포 등 섬유 위에 박음질하기 어려운 문제가 있다.

상기 구리-니켈합금 와이어는 1 내지 20개를 포함할 수 있고, 요구되는 발열 특성이나 저항값 설정에 따라 다양한 수량과 굵기로 선택하여 적용할 수 있다.

상기 개수보다 많이 포함하는 경우에는, 발열 와이어의 평균 직경이 증가하여 난방 효율이 오히려 저감되는 문제가 있고, 상기 개수보다 적게 포함하는 경우에는, 인장 강도나 유연성 등이 떨어져, 발열 와이어의 내구성이 저하되는 문제가 있을 수 있다.

상기 구리-니켈합금 와이어는 평균 직경이 0.06 내지 1.0 mm인 것일 수 있다.

상기 구리-니켈합금 와이어의 인장 강도나 유연성에 따라 적절히 설정할 수 있으나, 상기 발열 와이어의 전체 평균 직경의 범위와 개수 범위 내에서 조절이 가능하다.

구체적으로, 상기 구리-니켈합금 와이어의 전체 평균 직경은 0.1 내지 0.3 mm일 수 있다. 이는 단일 또는 복수 개의 구리-니켈합금 와이어를 1차 압출하기 전 꼰 상태에서의 평균 직경을 의미한다. 각 단일 와이어의 직경, 복수 개의 와이어의 개수 및 상기 전체 평균 직경의 범위를 만족하는 내에서 적절히 변형이 가능하다.

한편, 상기 1차 압출 단계에서 상기 탄소나노튜브와 제1 고분자 수지 혼합 조성물의 코팅 두께는 0.3 내지 0.5 mm이고, 상기 2차 압출 단계에서 상기 제2 고분자 수지의 코팅 두께는 0.1 내지 0.2 mm일 수 있다.

상기 발열 와이어는 미터(m) 당 저항이 0.9 내지 1.5Ω(옴)일 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 탄소-고분자 배합기반 발열 와이어의 제조방법은, 상기 2차 압출 단계 후 부직포 위에 열선 패치 형태로 박음질하는 단계를 포함하여, 생산된 와이어를 직접 발열체에 적용하는 과정을 수행할 수 있다.

상기 단계를 추가로 거침으로써, 전도성의 와이어와 폴리머 복합층, 폴리머층 과의 접착력이 증가하여, 난방 효율이 보다 증가하는 장점을 가진다.

이하에서는, 도면을 기초로 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 이는 본 발명을 이해하기 위한 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 제한되지 아니한다.

도 1은 본 발명에 따른 발열 와이어를 나타낸 도면이다.

본 발명에 따라 제조된 발열 와어어(10)는 내부에 구리-니켈 합금 와이어(100)를 복수 개 포함하여, 이를 꼰 상태에서 제1 고분자 수지(200)와 동시에 압축하여 복합 와이어로 제조된다. 이후, 2차 압출 단계에서 제2 고분자 수지(300)를 상기 와이어의 표면에 코팅함으로써 발열 와이어로(10) 제조된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 와이어를 이용한 자동차용 발열 패치를 나타낸 도면이다.

도 2를 참고하면, 본 발명에 따라 제조된 발열 와이어(10)를 부직포(20)의 표면에 봉제, 접착 등의 방법을 이용하여 고정시켜 자동차용 발열 패치(30)를 제조한다.

상기 발열 와이어(10)는 부직표(20) 표면에 일정한 간격을 갖도록 배열함으로써, 발열 시에 발생되는 열로 인하여 와이어 간 합선이 발생되거나, 과도한 발열로 인한 화재 발생을 방지하도록 구성될 수 있다. 그러나, 이에 제한되지 않고, 필요에 따라 다양한 형태로 구성하여 발열 패치(30)를 제조할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 와이어의 제조방법을 나타낸 공정 순서도이다.

도 3을 참고하면, 단일 또는 복수 개의 구리-니켈합금 와이어를 꼬인 상태로 금형에 삽입하여 탄소나노튜브와 제1 고분자 수지 혼합 조성물과 함께 압출하는 1차 압출 단계(S10)를 수행한다. 이 때 복합 와이어의 형태로 복수개의 꼬인 상태의 구리-니켈합금 와이어를 동시에 압출 성형한다. 이에 따라 얻어진 복합 와이어 형태의 열선은 제2 고분자 수지를 코팅하는 2차 압출 단계(S20)를 거쳐 본 발명에 따른 발열 와이어로 형성된다. 제조된 발열 와이어를 이용하여 부직포 표면에 봉제 단계(S30)를 수행함으로써 발열 패치를 제조한다.

이하, 본 발명의 실시예를 기초로 보다 상세히 설명하나 이는 본 발명의 이해를 위한 하나의 예시적인 기재에 불과한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음의 실시예로 한정되거나 제한되지 아니한다.

[제조예]

<실시예 1>

평균 직경 0.06 mm인 구리-니켈 합금 원사를 19개 준비하여 1x19 형태로 꼬아 만든 후, 금형에 넣고, PA12 100 중량부를 기준으로 CNT 3 중량부가 배합된 PA12 혼합 조성물로 1차 압출하였다.

상기 1차 압출하여 얻어진 1차 열선은 즉시 인계 난연제가 함유된 PA12 고분자 수지로 코팅하여 2차 압출하여 평균 직경 0.9 mm인 발열 와이어를 제조하였다.

이를 이용하여 부직포 표면에 1 cm 간격으로 봉제하여 자동차 시트용 발열체를 제조하였다.

<비교예 1>

시중의 구리-니켈 합금 섬유(직경 0.9 mm)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 자동차 시트용 발열체를 제조하였다.

[실험예]

제조예(실시예)와 비교예에 따라 제조된 발열체에 대하여, 소비전력 측정, 제조단가 인덱스를 측정 및 계산하여 표 1에 나타냈다.

1) 소비전력

자동차 시트용 열선의 소비전력을 측정하였다. 자동차 시트(Cush, Back)의 소비전력 총량을 의미한다(단위: 와트, W).

2) 제조단가 인덱스(Index)

시중의 구리-니켈 합금 섬유를 사용한 발열체의 제조단가를 100으로 보고 상대적인 제조단가를 나타냈다.

	소비전력 (단위: 와트, W).	제조단가 인덱스
실시예1	65	98
비교예1	90	100

표 1을 참고하면, 시중의 구리-니켈 합금 섬유를 사용하여 제조된 자동차 시트용 발열체의 경우, 제조 비용이 비싸면서도 소비전력 값이 높아 전력 효율은 떨어지나, 본 발명에 따른 제조방법으로 제조된 복합 섬유의 경우 제조단가가 저렴하면서도 소비 전력은 크게 저감하여, 전력 효율이 크게 향상됨을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따라 제조된 복합 와이어를 사용한 발열체의 경우, 상대적으로 제조 비용을 절감할 수 있으면서도, 전력 효율이 향상된 효과를 가질 수 있다.

10: 와이어
20: 부직포
30: 발열패치
100: 구리-니켈 합금 와이어
200: 제1 고분자 수지
300: 제2 고분자 수지
S10: 1차 압출 단계
S20: 2차 압출 단계
S30: 부직포 봉제 단계

Claims (10)

1. 단일 또는 복수 개의 구리-니켈합금 와이어를 꼬인 상태로 금형에 삽입하여 탄소나노튜브와 제1 고분자 수지 혼합 조성물로 코팅하는 1차 압출 단계;
   상기 1차 압출 단계를 거친 와이어의 표면에 제2 고분자 수지를 코팅하는 2차 압출 단계;
   를 포함하고,
   상기 탄소나노튜브와 제1 고분자 수지 혼합 조성물은 상기 제1 고분자 수지 100 중량부를 기준으로 탄소나노튜브 1 내지 4 중량부를 포함하고,
   상기 2차 압출 단계는 상기 1차 압출 단계를 거친 와이어에 0.01 내지 1초 내에 수행되는 탄소-고분자 배합기반 발열 와이어의 제조방법에 의해 제조된 발열 와이어를 부직포에 박음질 하여 소정의 패턴으로 열선 패치 형태로 적용한 자동차 무릎 워머로서,
   상기 자동차 무릎 워머는 스티어링 휠 연결 부분 하단에 설치되어 히터 바람 없이 가열 기능을 하고,
   상기 발열 와이어는 미터(m) 당 저항이 0.9 내지 1.5Ω(옴)이고,
   상기 발열 와이어는 평균 직경이 0.5 내지 1.0 mm이고,
   상기 구리-니켈합금 와이어는 1 내지 20 개를 포함하고,
   상기 구리-니켈합금 와이어는 평균 직경이 0.06 내지 0.1 mm이고,
   상기 1차 압출 단계에서 상기 탄소나노튜브와 제1 고분자 수지 혼합 조성물의 코팅 두께는 0.3 내지 0.5 mm이고,
   상기 2차 압출 단계에서 상기 제2 고분자 수지의 코팅 두께는 0.1 내지 0.2 mm이고,
   상기 발열 와이어는 상기 탄소나노튜브와 고분자 소재의 배합 비율이 조절되어 80℃의 고온 한계점을 갖는, 자동차 무릎 워머.
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