KR20120002953A

KR20120002953A - 도전성 코팅 섬유와 그의 직물

Info

Publication number: KR20120002953A
Application number: KR1020110125535A
Authority: KR
Inventors: 박상구
Original assignee: 박상구
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2012-01-09

Abstract

본 발명은 도전성 코팅 섬유 직물에 있어서, 제직기 종광의 개구 운동에 의해 날실(1)을 상하 그룹으로 개구시키고, 개구된 날실 속을 북침 운동에 의해 씨실(2)을 위입하고, 바디가 개구 내에 위입된 씨실을 제직된 직물 앞까지 밀어주어 날실과 씨실의 조직을 완성시키는 바디침 운동의 연속 반복으로 제직되어 직물이 형성되고, 상기 직물의 날실은 익조직으로 형성되고, 씨실은 중심 실(21) 상에 피복용 실(22)을 커버링하고, 상기 직물의 양측에 여러 가닥의 날실을 전기 도체 선(3)으로 대체 배열하고, 상기 커버링한 씨실의 중심 실은 세라믹 섬유이고, 상기 커버링한 씨실의 피복용 실은 탄소 나노튜브가 피복된 세라믹 섬유로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

도전성 코팅 섬유와 그의 직물{conductive coating fiber and fabric thereof}

본 발명은 면상 발열체의 안전성과 내구성 및 내열성을 확보하기 위해서 탄소 나노튜브가 피복된 세라믹 섬유로 커버링한 씨실을 가지고 익조직의 직물로 직물화시킨 도전성 코팅 섬유 직물에 관한 것이다.

면상 발열체는 전원을 인가하면 발열하는 얇은 시트 모양의 발열체를 의미한다.

면상 발열체는 전기 저항선의 재질에 따라 분류할 수 있다.

우선 금속 저항 선으로서, 체적 저항률이 10×10^-6Ω·㎝ 내지 200×10^-6Ω·㎝ 범위의 합금선을 가지고 "S"자 모양으로 평면화하여 일 직선 상의 양단에 전원을 인가하는 직렬 구조 방식이다. 그러나 부하 전류가 일 직선 상으로만 흐르고 있으므로서, 선 상 표면에 화학적 변화나 물리적 응력 변형이 일어나면 저항 증가로 분배 전압이 편재화되어 과열과 화재의 위험성이 내재하고 있는 단점이 있다.

그래서, 직렬 구조 방식의 문제점을 개선하고자, 전기 저항선의 체적 저항률이 10^-4Ω·㎝ 내지 10²Ω·㎝ 범위에 있는 탄소 섬유 또는 전기 전도성 복합 물질 등으로 직물화하거나 필름화하고, 상기 직물 또는 필름 양단에 전극선을 형성하는 병렬 구조 방식인 발열체이다. 즉, 카본블랙, 탄소나노튜브, 금속 분말 등과 같은 도전 입자와 에폭시수지, 우레탄수지, 폴리에스터수지, 실리콘수지 등과 같은 결합 수지로 조성된 복합 물질을 섬유 상에 코팅하여 직조하는 직물 발열체, 필름 또는 직물 상에 접착하는 필름 발열체로 구성된다.

그러나, 탄소 섬유에 대하여 마모, 굴곡, 왜곡 등의 외력에 상당히 약하여 섬유 축에 직각 방향의 힘을 받는다면 부러지기 쉬운 결점이 있고, 상기 복합 물질은 각각 이종 물질 간의 계면 사이로 산성·알칼리, 수분, 오일, 가소제 등이 침투되거나 열 경화에 의해 전기 저항율의 경시 변화로 내구성에 문제가 있었다.

또한, 탄소 섬유나 전기 전도성 복합 물질과 전원을 인가하는 전극 선과의 교착 점에 열 이력이나 충격에 의해 접촉 저항이 발생하여 과열과 아크가 발생하는 문제점이 있다.

[문헌 1] Schmidt H., "New Type of Non-Crystalline Solids Between Inorganic Materials", Journal of Non-Crystalline Solids, Vol.73,pp.681-691, 1985.

[문헌 2] Wilkes G.L.,Otter B. and Huang H., "Ceramer-Hybrid Materials Incorporating Polymeric/Oligomeric Species into Inorganic Glasses Utilizing a Sol-Gel Approach," Polymer Preg. Vol.26,pp.300-302, 1985.

[문헌 3] Wen Jianye and Mark James E.,"Sol-Gel Preparation of Poly(dimethylsiloxane) with SiO₂ and SiO₂/TiO₂, and Their Mechanical Properties," Polymer Journal,Vol.27,No.5,pp.492-502, 1995.

[문헌 4] Brinker C.J, "Comparision of Sol-Gel Derived Thin Film with Monoliths in a Multicomponent Silicate Glass System," Thin Solid Film 77, pp.141-148, 1981.

[문헌 5] Brinker C.J, "Sol-Gel Derived Antireflective Coatings for Silicon," Solar Energy Matls, 5, pp.159-172, 1981.

본 발명은 면상 발열체의 집중 열에 의한 과열과 전기 접촉 저항에 의한 아크 발생, 전기 저항의 경시변화 및 내열성 문제를 해결하고자 함이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 도전성 코팅 섬유 직물에 있어서, 제직기 종광의 개구 운동에 의해 날실(1)을 상하 그룹으로 개구시키고, 개구된 날실 속을 북침 운동에 의해 씨실(2)을 위입하고, 바디가 개구 내에 위입된 씨실을 제직된 직물 앞까지 밀어주어 날실과 씨실의 조직을 완성시키는 바디침 운동의 연속 반복으로 제직되어 직물이 형성되고, 상기 직물의 날실은 익조직으로 형성되고, 씨실은 중심 실(21) 상에 피복용 실(22)을 커버링하고, 상기 직물의 양측에 여러 가닥의 날실을 전기 도체 선(3)으로 대체 배열하고, 상기 커버링한 씨실의 중심 실은 세라믹 섬유이고, 상기 커버링한 씨실의 피복용 실은 탄소 나노튜브가 피복된 세라믹 섬유로 구성되는 것을 특징으로 한다.

전기 발열체의 높은 전기 저항율에 따른 부하의 전기적 병렬 구조로 부하 전류의 분산 효과로 과열이 발생하지 않고 면상 발열의 균일한 온도 분포와, 탄소 나노튜브가 피복된 세라믹 섬유에 의해 경시 변화 및 고열에 의한 경화를 예방할 수 있으며, 커버링한 탄소 나노튜브가 피복된 세라믹 섬유와 직물의 익조직으로 전기적 접촉저항 문제를 해결할 수가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 도전성 코팅 섬유의 직물의 직물 상태도.
도 2는 본 발명에 따른 도전성 코팅 섬유의 직물의 커버링한 씨실의 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 도전성 코팅 섬유의 직물의 씨실 공급장치 상태도.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.

도 1과 도 2는 본 발명에 따른 도전성 코팅 섬유의 직물의 직물 상태도와 도전성 코팅 섬유의 직물의 커버링한 씨실의 사시도로서, 도전성 코팅 섬유 직물에 있어서, 제직기 종광의 개구 운동에 의해 날실(1)을 상하 그룹으로 개구시키고, 개구된 날실 속을 북침 운동에 의해 씨실(2)을 위입하고, 바디가 개구 내에 위입된 씨실을 제직된 직물 앞까지 밀어주어 날실과 씨실의 조직을 완성시키는 바디침 운동의 연속 반복으로 제직되어 직물이 형성되고, 상기 직물의 날실은 익조직으로 형성되고, 씨실은 중심 실(21) 상에 피복용 실(22)을 커버링하고, 상기 직물의 양측에 여러 가닥의 날실을 전기 도체 선(3)으로 대체 배열하고, 상기 커버링한 씨실의 중심 실은 세라믹 섬유이고, 상기 커버링한 씨실의 피복용 실은 탄소 나노튜브가 피복된 세라믹 섬유로 구성되는 것을 특징으로 한다.

직물(textile fabric)은 실로부터 제직(製織,weaving) 또는 편성(編成, knitting) 등에 의해 실을 서로 지지시킴으로써 형성된다. 실이 인접 실들 위로 그리고 아래로 안내되는 제직 및 편성 방법은 각기 다르다.

제직은 날실와 씨실이 서로 아래위로 교차하여 어떤 넓이의 평면체가 된 천이다. 직기로 짜여지며 날실와 씨실의 교차 방법에 따라 여러 가지 직물 조직이 된다.

제직 공정의 주운동은 직물에 따라 날실을 2개 층으로 분리하여 개구(shed)라고 하는 터널(tunnel)을 형성하는 과정인 개구 운동(shedding motion), 직물 폭에 따라 씨실을 개구 된 날실 사이를 통과시키는 북침 운동(picking motion), 그리고 개구를 통과한 씨실을 바디로써 제직된 직물 앞까지 밀어주어 날실과 씨실의 조직을 완성시키는 바디침 운동(beating motion)으로 구성된다. 또한 제직을 연속적으로 하려면 날실을 경사빔에서 풀어 필요한 속도와 적당한 일정 장력으로써 제직 부분에 공급하는 송출운동(let-off)과 필요한 씨실 간격 만큼 일정한 양의 직물을 제직 부분에서 빼내어 직물을 롤러에 감는 권취운동(take-up)이 필요하다.

상기 직물의 날실은 익조직으로 형성되는 것이 바람직하고, 씨실은 중심 실(21) 상에 피복용 실(22)을 커버링한 씨실인 것을 특징으로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 도전성 코팅 섬유 직물의 씨실 공급장치 상태도로서, 상기 북침 운동에 있어서, 탄소 나노튜브가 피복된 씨실은 탄성 계수와 마찰 계수가 커서 씨실이 끊어지는 문제점이 있다. 그래서 씨실 공급장치(20)를 통해서 씨실이 공급되는 것을 특징으로 한다.

상기 씨실 공급장치는 고정 레버(7)와 회전 레버(9)로 구성되고, 상기 고정 레버와 회전 레버 상에 각각 다수의 가이드 롤러(8)를 착설하고, 씨실에 일정한 장력을 유지하기 위하여 회전 레버 상에 스프링(10)이 장착되는 것을 특징으로 한다.

상기 고정 레버는 양 단으로 고정되고, 회전 레버는 일 단에 지지점(11)을 중심으로 회전하는 것을 특징으로 한다.

상기 회전 레버의 기능은 보빈을 통해 공급되는 반복적으로 씨실 위입 중에 일정한 씨실 장력을 유지하고자 함이다.

상기 고정 레버와 회전 레버의 배치는 회전 레버의 지지점과 고정 레버의 일단 고정점이 일치하는 것을 특징으로 한다.

상기 고정 레버와 회전 레버 상에 각각 다수의 가이드 롤러로 착설되는 씨실 공급장치의 씨실 축적 길이는 각각의 가이드 롤러 수량과 레버 길이로 조정해서, 직물 폭 길이의 3배 이상 길이가 바람직하다.

상기 씨실의 축적 길이의 범위에서는 개구 운동에 의해 만들어진 개구 속으로 씨실을 직물 폭 방향으로 삽입하는 운동 중에 씨실 변동 장력을 완충시키는 역할을 한다.

상기 직물의 양측에 여러 가닥의 날실을 전기 도체 선(3)으로 대체 배열되는 것을 특징으로 한다.

상기 전기 도체 선은 탄소 나노튜브가 피복된 섬유인 씨실에 전원 인가용 전극 선의 역할을 한다.

상기 전기 도체 선의 재질은 구리 선, 알루미늄 선, 스테인리스강 선 등이 바람직하다.

상기 전기 도체 선은 직물의 익조직으로 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 직물 조직은 익조직(레노직)이 바람직하다. 익조직은 날실이 서로 평행하지 않고, 2본의 날실이 서로 꼬여져 8자형을 만들면서 씨실을 삽입한다. 그러므로서, 그물망 모양의 익직물이 형성된다.

특히, 전기 도체 선이 서로 꼬여진 개구 속에서 탄소 나노튜브가 피복된 섬유가 접촉하고 있어, 전기 도체 선과 탄소 나노튜브가 피복된 섬유 간에 접촉·압착강도를 유지하고 있다.

상기 커버링한 씨실의 중심 실은 세라믹 섬유로서, 재질은 한정하지 않지만, 특히 유리섬유, 용융실리카 섬유, 고규산질섬유, 알루미나-실리카 섬유, 알루미나 섬유, 지르코니아 섬유 등이 바람직하다. 특히, 유리섬유는 연사된 실을 여러 가닥으로 합사되어진 실이 바람직하다. 실에 꼬임이 있어야 내굴곡성이 좋아지기 때문이다.

상기 커버링한 씨실의 피복용 실은 탄소 나노튜브가 피복된 세라믹 섬유인 것을 특징으로 한다.

상기 탄소 나노튜브가 피복된 세라믹 섬유를 중심 실에 나선형으로 권선하는 것은 상기 직물의 양단에 배열된 전기 도체 선간에 전기 저항 선의 권선 수를 조절하여 전기 저항을 맞추고, 탄소 나노튜브가 피복된 섬유와 전기 도체 선간에 직교상이 아닌 나선상으로 교차하여 접촉 면적을 크게하여 전기적 접촉 저항을 낮추고자 함이다.

또한, 탄소 나노튜브가 피복된 세라믹 섬유가 중심 실 상에 나선 상으로 커버링됨으로써 내굴곡성이 향상될 수 있고, 기계적인 충격에도 견딜 수 있다. 특히, 탄소 나노튜브가 코팅된 세라믹 섬유로 안전한 전기 발열체를 제공할 수 있다.

또한, 상기 탄소 나노튜브가 피복된 섬유와 전기 도체 선과 나선상으로 교착하는 접촉저항을 낮추고, 전기 절연을 위해서, 상기 직물을 다음 물질로 절연 피복 처리한 직물 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 물질 종류는 본 발명에 따른 내열성 결합제, 실리콘, 불소, EPDM, 폴리에스테르, 역청질, 올레오레진, 페놀, 알키드, PVC 수지 등이 바람직하다. 특히, 실리콘 고무, EPDM 고무, 불소 고무, 또는 본 발명에 따른 내열성 결합제가 바람직하다.

상기 실리콘 고무, EPDM 고무와 불소 고무는 무극성 고분자로서 전기 절연성이 양호하고, 탄소 나노튜브가 코팅된 섬유는 도전층의 바인더가 접착성이 좋은 극성 수지 부분으로도 구성되어 있어서 약품(산성이나 알칼리 성분)에 취약한 점을 무극성 수지가 내약품성을 발휘할 수 있다.

또한, 상기 내열성 결합제는 접착성이 좋고, 3차원적인 가교 구조를 가져 조직이 치밀하여 탄화수소계 오일과 같은 주변 환경에서도 발열체 저항치의 경시변화를 예방할 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 도전성 코팅 섬유 직물은 전기 도체 선과 탄소 나노튜브가 피복된 섬유와의 견고한 전기적 접속으로 안전한 발열체를 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 도전성 코팅 섬유는 세라믹 섬유 상에 탄소나노튜브와 내열성 결합제인 유기변성 하이브리드 세라믹 결합제 또는 중부가형 실리콘 바니시로 조성된 도전성 코팅 용액이 피복되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 내열성 결합제는 무기계 세라믹이나 금속염들의 구조 내에 유기물질을 포함하는 유기변성 하이브리드 세라믹 결합제(organically modified hybrid ceramic binder), 중부가형 실리콘 바니시(silicone varnish) 등이다.

현재 사용되는 내열성 결합제는 각종 금속 원소의 인산 혹은 규산염 및 산화물 등의 무기물질이 흔히 이용되는데, 이러한 무기물 결합제들은 내열성과 금속표면에 대한 접착성은 높지만 본질적으로 취성이 높기 때문에 굴곡시 취성마모가 발생한다.

이러한 문제를 최소화하는 방법으로 무기계 세라믹이나 금속염들의 구조 내에 유기물질을 포함하는 하이브리드 화합물을 결합제로 이용하는 졸-겔 공정을 들수 있다.

졸-겔 기술은 금속의 유기 혹은 무기 화합물을 용액 중에서 가수분해시킴과 동시에 축 중합을 진행시킴으로서 생성된 졸이 입체성장에 의해 겔화되고 이를 자외선 또는 열처리함으로써 일종의 기능성 세라믹인 금속산화물들의 복합체를 제조하는 기술이다.

유기변성 하이브리드 세라믹 결합제는 금속의 유기 혹은 무기 화합물을 용액 중에서 가수분해시킴과 동시에 축중합을 진행시킴으로서 생성된 졸이 입체성장에 의해 겔화되고 이를 자외선 또는 열처리함으로써, 일종의 기능성 세라믹인 금속 산화물의 복합체를 제조하는 기술이다.

대표적인 예를 보면 1980년대 중반 Schmidt와 Wilkes 등은 새로운 형태의 졸-겔 화합물로서 유기화합물을 금속산화물 구조 내에 결합시킴으로써 유기물과 무기물의 특성을 공유케 한 이른바 유기변성 하이브리드 세라믹(organically modified ceramics)을 개발한 바 있으며, 최근에는 Ormocer라는 상업적인 품명으로 잘 알려져 있다. 이러한 하이브리드 세라믹은 기존의 졸-겔 기술에 의한 금속산화물과 비교하면 기계적 강도가 상대적으로 떨어지는 단점이 있지만, 재료의 유연성이 훨씬 우수하여 얇은 코팅 박막은 물론 벌크 상태의 복합 물질까지도 고품질로 성형할 수 있는 장점을 지니고 있다.

또한, Wen 등은 Tetraethylorthosilicate(TEOS)와 TitaniumButoxide(Ti(OBu^t)₄) 등으로 이루어진 졸-겔 물질에 Poly(dimethylsiloxane)을 유기변성시킨 것이나, Brinker 등은 실리콘을 비롯한 알루미늄, 지르코늄, 티타늄 등의 금속알콕사이드(metal alkoxides) 물질들이 가수분해와 함께 축중합에 의해 이루어진 물질들을 금속 표면(M)에 도포하면 부분적으로 가수분해된 실리카 중합체가 금속 표면의 금속수화물 단분자층과 화학적으로 반응하여 직접 M-O-Si 결합을 이루게 되어 강한 접착성을 나타내는 것을 발견하였다.

졸-겔의 합성 공정은 금속 알콕사이드가 가수분해되어 금속 수화물(metal hydroxide)을 이루고, 이에 수반하여 생성된 분자 내의 하이드록실 그룹(-OH)이 서로 반응하면서 보다 큰 분자의 중합물인 졸을 형성하게 되는데, 이때, 축중합이 이루어지는 과정에서 반응 분위기에 따라 금속 산화물들이 3차원 구조로 연결되면서 겔화가 진행된다.

본 발명에 따른 완전한 겔화는 도전성 코팅 용액이 유리섬유 표면 등에 도포된 후 열처리 과정에서 진행된다.

본 발명에 따른 중부가형 실리콘 바니시의 가교 결합 메카니즘의 특정된 중부가 반응은 당업자에게 잘 알려져 있다.

실리콘 바니시는 일반적으로 4종류의 클로로실란을 원료로 하고, 이것을 가수분해하여 얻을 수 있으며, 규소 원자에 결합한 유기기는 일반적으로 메틸기이지만, 메틸기와 페닐기의 조합으로도 이루어진다. 실리콘 바니시의 성질은 실록산의 가교 밀도와 유기기 중의 메틸기와 페닐기의 비율에 의하여 표현될 수 있다. 실록산의 가교 밀도는 R/Si에 의하여 나타내어진다. 여기에서 R/Si는 규소 원자 한 개에 결합하고 있는 유기기의 평균 수를 보여주고, 이것이 작을수록 가교도는 커진다. 통상 실리콘 바니시의 R/Si는 1.0 내지 1.7의 범위에 있다. 실리콘 바니시의 성질은 R/Si가 작아질수록 경화성은 빨리되고, 피막은 딱딱하게 되고, 열경화성이 된다. R/Si가 1.7을 초과하면 성질이 오일에 가까워지기 때문에 경화하기 어렵게 되고, 기계적 강도가 약해진다.

상기한 도전성 코팅 용액은 표면 처리된 탄소나노튜브와 내열성 결합제로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 세라믹 섬유 상에 탄소나노튜브와 내열성 결합제인 유기변성 하이브리드 세라믹 결합제 또는 중부가형 실리콘 바니시로 조성된 도전성 코팅 용액이 피복되는 것을 특징으로 한다.

상기한 세라믹 섬유는 유리섬유, 용융실리카 섬유, 고규산질섬유, 알루미나-실리카 섬유, 알루미나 섬유, 지르코니아 섬유 등이다.

탄소나노튜브와 내열성 결합제의 조성물은 결합제의 함량이 증가할수록 접촉저항이 증가하여 도전층의 체적 저항률이 올라가게 되고 특정 함량에서 급격히 증가하게 된다. 이때의 결합제 함량을 임계 결합제 함량으로 정의한다. 임계 결합제 함량 사이가 되면 탄소나노튜브가 결합제로 대부분 감싸여져 접촉 저항이 급격히 증가한다. 따라서 결합제 첨가에 따른 접촉 저항의 증가를 최소화하기 위해서는 임계 결합제 함량 이하로 결합제를 첨가하여야 한다.

또는, 상기한 탄소나노튜브는 카본블랙과 혼용함으로써, 도전 특성인 정전 용량을 제어할 수 있는 특징이 있다. 즉, 도전 통로를 다수의 네트워크 상으로하여 출력의 안정화를 도모할 수 있다.

카본블랙의 비율은 탄소나노튜브 100중량부에 대해 50 내지 500 중량부가 바람직하다.

탄소나노튜브의 분산 방법 중에 전처리 방법은 어느 방법으로 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 초음파처리에 의한 탄소나노튜브의 절단, 산 처리된 탄소나노튜브의 외부 표면에 기능화를 통한 정전기적 분산, 각종 용매, 계면활성제, 고분자 물질을 이용한 분산 등을 통한 물리·화학적인 전처리 방법을 사용할 수 있다.

화학적 방법으로는 나노튜브 표면에 관능기를 도입하여 결합제와 화학적 공유결합을 형성시키는 방법이고, 물리적 방법으로는 비록 공유결합 강도의 5%정도 밖에 되지 않지만 더 많은 위치와 결합할 수 있는 수소결합이나 반데르 발스(van der Waals) 결합 같은 2차 결합을 이용하는 것이다.

산 처리법은 통상 황산, 질산 등을 이용하며, 황산과 질산을 3:1 정도로 혼합하여 사용하기도 한다. 산 처리 강도에 따라서 온도를 높이거나 초음파를 가하기도 한다. 탄소나노튜브에 강산이 접촉하게 되면, 탄소나노튜브의 가장 약한 부분(즉, 반응성이 우수한 부분)이 가장 먼저 결함이 생기게 된다. 결함 부분에는 보통 카르복실 그룹(-COOH)이나 하이드록실 그룹(-OH) 등이 생긴다.

초음파처리는 용매에 탄소나노튜브를 넣고 초음파 처리하여 분산력을 높이기 위한 단순한 일반적인 방법이다.

그 중에서 물리적 방법에 의한 개질은 van der Waals 힘을 이용하거나 고분자로 미리 탄소나노튜브를 둘러싸는 마이셀(micelle)을 형성하는 방법으로 탄소나노튜브를 분산시키는 방법이 있다.

또한, 건식방법은 플라즈마 처리를 통해 탄소나노튜브에 알데하이드 기능기를 도입하는 방법과, 반응성이 강한 오존 분위기 하에 두고 탄소나노튜브의 말단부와 옆벽을 기능화 시키는 오존처리, UV를 이용한 UV-오존처리 등을 통하여 표면을 기능화 시키는 방법 등이 있다.

오존 처리는 비활성인 탄소나노튜브 표면에 하이드록실 그룹(-OH), 카르복실 그룹(-COOH) 등의 관능기를 탄소나노튜브의 표면에 도입하여 다중벽 탄소나노튜브 표면을 기능화시키는 방법이다.

즉, 내열성 결합제 중에 잘 혼합되어 탄소나노튜브 사이의 응집 현상을 최소화하고, 결합제와 탄소나노튜브 사이의 접착성을 향상시키는 도전성 코팅 용액을 제조하기 위해, 물리적·화학적인 전처리 방법을 통하여 다중벽 탄소나노튜브 표면을 개질하여 내열성 결합제 중에 균일한 분산과 분산 안정성을 추구하여 결합제와의 계면접착력을 향상시키는 것을 특징으로 한다.

도전성 코팅 용액 제조 공정으로서, 내열성 결합제 중에 탄소나노튜브의 분산 방법은 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면, 동시중합 복합화(in-situ polymerization), 액상복합화(solution mixing) 등의 분산도 향상의 방법이 있다.

상기한 동시중합 복합화는 유기변성 하이브리드 세라믹 결합제 중에 탄소나노튜브를 복합화하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 금속알콕사이드의 가수분해로 얻어진 하이드록실 그룹이 전처리된 탄소나노튜브에 흡착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 액상복합화는 중부가형 실리콘 바니시 중에 탄소나노튜브를 복합화는 것이 바람직하다.

상기한 유기변성 하이브리드 세라믹 결합제와 중부가형 실리콘 바니시는 무기물과 유기수지(prepolymer)를 분자단위에서 화학적으로 결합시킴으로써 무기소재의 단점과 유기 고분자의 단점을 크게 개선할 수 있는 나노 준위의 복합재료로서, 저온 소성과 박막 코팅이 가능하고 유무기 계면 간의 화학적 결합으로 기존의 나노 복합체보다 조직이 치밀하고 물성이 우수하여 전기전자나 광기능성 소재와 에너지 및 환경 분야 소재로 활용이 가능하다.

특히, 전기적 특성인 전기절연성과 내아크성, 열적 특성인 고온 내구성과 고열전도성, 기계적 특성인 내마모성, 내스크래치성, 고접착성 등에서 탁월한 물성을 나타낸다.

탄소 나노튜브(carbon nanotube)는 매우 큰 비표면적, 직경 대비 길이 비, 뛰어난 탄성 강도, 우수한 전기적 특성과 뛰어난 열전달 특성 등을 가지고 있어, 전기 발열체로서의 안전한 도전 통로를 확보할 수 있다.

탄소 나노튜브는 흑연 판(graphite sheet)이 나노 크기의 직경으로 원형으로 말린 상태이고, 흑연 판이 말리는 각도, 형태에 따라 전기적으로 금속성과 반도체의 특징을 보이고, 성장 방법과 성장 조건에 따라 단층벽 탄소 나노튜브와 이중벽 탄소 나노튜브 그리고 다중벽 탄소 나노튜브 등으로 구분된다. 탄소 나노튜브의 구조는 흑연 판을 말아 올리는 각도에 따라 armchair, zigzag 그리고 chiral 형태로 구분한다. 다중벽 탄소 나노튜브는 구리와 비슷한 전기 전도도를 가진다. 또한 육각형 구조로 원통형의 관모양으로 강철보다 약 100배 가량 강한 강도와 유연성을 가진다.

본 발명에 따른 탄소 나노튜브는 한정 되어지는 것은 아니지만, 전기적인 특성을 고려하면 금속성을 나타내는 armchair 구조와 다중벽 탄소 나노튜브가 바람직하다.

따라서, 본 발명은 탄소 나노튜브의 높은 전기 전도도와 종횡비(aspect ratio)로 3차원적인 네트워크 형태의 도전층을 세라믹 섬유 표면 상에 형성시킬 수 있다.

탄소 나노튜브의 평균 직경은 예를 들면, 0.5 내지 1 마이크로미터, 특히 1 내지 100 나노미터 정도에서 선택할 수 있고, 평균 길이는 예를 들면, 1 내지 1000 마이크로미터, 특히, 5 내지 300 마이크로미터 정도에서 선택할 수 있다.

또한, 상기 내열성 결합제의 비율은 탄소 나노튜브의 표면을 완전하게 피복시키는 것 없이 탄소 나노 튜브를 세라믹 섬유 표면에 원활히 부착하게 하는 점에서, 탄소 나노튜브 100 중량부에 대해서, 예를 들면 50 내지 1600 중량부, 바람직하게는 100 내지 1200 중량부 정도이다.

탄소 나노튜브를 분산하기 위한 분산매로서는 예를 들면, 범용의 극성 용매(물, 알코올류, 아미드류, 환상 에테르류, 케톤류 등), 범용의 소수성 용매(지방족 또는 방향족 탄화수소류, 지방족 케톤류 등), 또는 상기들의 혼합 용매 등이 사용할 수 있다.

도전성 코팅 용액에 의한 탄소 나노튜브가 피복된 섬유의 처리 방법은 특히 제한되지 않으며, 예를 들면, 세라믹 섬유를 도전성 코팅 용액 중에 침지하는 방법, 터치식 롤러를 이용한 사이징 장치, 닥터, 패드, 분무 장치, 실 프린트 장치 등의 피복 장치를 이용하여 도전성 코팅 용액으로 처리하는 방법 등을 들 수 있다.

도전성 코팅 용액을 이용한 피복처리는 1회의 조작이나 동일 조작을 복수 회 되풀이 하여도 좋다.

건조 공정으로는 도전성 코팅 용액으로 처리를 한 세라믹 섬유에서 액체 매체를 제거하여 건조하는 것이고, 세라믹 섬유 표면에 탄소 나노튜브가 도전층으로 균일하게 얇은 층 상태로 부착하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기한 탄소 나노튜브가 피복된 섬유는 피복된 도전층의 체적 저항률이 10^-2 내지 10³Ω·㎝인 것을 특징으로 한다.

상기 체적 저항률은 도전성 코팅 용액을 1 세제곱센티미터의 용적에 넣어 건조시킨 블록단위에서 측정된 수치이다.

상기 체적 저항률을 초과하면, 정전 용량이 커져서 전기 발열체로서의 출력 안정화를 기대할 수 없다.

또한, 상기 체적 저항률에 미달되면, 상용 전압에서의 전기 발열체의 부하 전류의 분산 효과를 내는 전기적 병렬 구조로 할 수가 없다.

본 발명에 따른 면상 발열체인 도전성 코팅 섬유 직물의 금속 저항선 보다 높은 전기 저항율에 따른 부하의 전기적 병렬 구조로 부하 전류의 분산 효과로 면상 발열의 균일한 온도 분포와 반복적인 굴곡에도 견디는 탄소 나노튜브가 피복된 섬유로 결속된 구조로써, 안전하고 내구성 있는 발열체를 제공할 수 있다.

즉, 전기 발열체의 부하 구조인 직렬과 병렬의 큰 차이는 전극 단자 간의 부하 길이로 좌우되며, 부하 길이가 길수록 전압 분배가 불균일해 진다. 직렬 구조는 부하 길이가 길고도, 한 선 상만으로 전류가 흐르므로 외부 응력에 의한 집열이 발생할 수 있다.

따라서, 병렬구조에 의한 부하 전류 분산 효과와 함께 부하 길이가 짧은 전압 분배로 균일한 온도 분포를 실현할 수 있다.

<실시 예>

탄소나노튜브는 화학적 기상증착공정으로 제조된 한화나노텍(주)의 다중벽 탄소나노튜브(CM-95)와 실리콘 바니시(MOMENTIVE사제 TSR108)로 조성된 도전성 코팅 용액을 다음과 같이 제조하였다.

우선 전처리인 다중벽 탄소나노튜브의 표면처리는 산을 이용한 습식방법을 이용하였다. 이때 질산 용액의 농도는 40%, 처리시간은 2시간으로 하였으며 온도는 80℃로 제어하였다. 산화처리 후 잔류 산성용액의 제거를 위해 pH 7까지 용액을 세척하였다. 이후 세척한 탄소나노튜브를 80℃ 오븐에서 24시간 동안 건조하였다.

탄소나노튜브의 분산은 호모믹서와 3단롤밀을 함께 이용하였다. 실리콘 바니시와 혼합한 후 먼저 호모믹서를 이용하여, 임펠러 회전속도를 3000rpm, 혼합물 온도 25℃의 조건 하에서 10분 동안 분산처리하였다. 추가적인 분산을 위하여 3단롤밀을 이용하였는데, 롤 사이 간격은 각각 5마이크로미터, 회전속도 200rpm으로 유지하고, 혼합물의 온도 25℃ 조건에서 5회 반복하였다.

(1) 세라믹 섬유인 유리섬유(섬도 67tex, 한국화이바사제 ECG 75 1/0) 상에 상기 도전성 코팅 용액을 함침시켜 200℃으로 5분간 건조하여 탄소 나노튜브가 피복된 도전성 코팅 섬유를 제조함.

(2) 상기 (1)의 피복된 도전성 코팅 섬유의 전기 저항치가 1센티미터당 200 내지 300 오옴을 맞추기 위해 수회 반복함.

(3) 상기 (2)의 섬유로 중심 실인 유리 섬유(섬도 607tex, 한국화이바사제 ECH 50 2/3) 상에 나선형 모양으로 커버링(피치 1.5mm 내지 2mm정도)함.

(4) 본 발명에 따른 씨실 공급장치로 통해 씨실은 상기 (3)에서 제조한 커버링한 실을 사용하고, 날씰은 유리섬유(섬도 303tex, 한국화이바사제 ECH 50 1/3) 2가닥을 한 올로 직조하고, 상기 양 측의 날씰을 0.32mm 직경의 동선 10가닥씩 대체 배열하고, 직물 폭은 30센티미터로 제직하고, 직물 밀도는 1인치당 3칸으로 제직함.

(5) 상기 (4)에서 직조된 직물 상에 실리콘 고무로 피복(피복층의 두께는 0.5mm 정도)시킴.

상기 (1)에서 (5)까지 공정으로 제조된 도전성 코팅 섬유 직물의 소비 전력은 1미터당 750와트(정격전압 220V) 정도였다. 220V 전원 인가시 150℃ 정도로 상승함(주변 온도 20℃)

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술되었지만 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시 예의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.

1: 날실
2: 씨실
3: 전기 도체 선
7: 고정 레버
8: 가이드 롤러
9: 회전 레버
10: 스프링
11: 지지점
12: 보빈
21: 중심 실
22: 피복용 실

Claims

도전성 코팅 섬유에 있어서, 세라믹 섬유 상에 탄소나노튜브와 내열성 결합제인 유기변성 하이브리드 세라믹 결합제 또는 중부가형 실리콘 바니시로 조성된 도전성 코팅 용액이 피복되는 것을 특징으로 하는 도전성 코팅 섬유.
제 1항에 있어서, 상기 도전성 코팅 용액이 피복된 도전성 코팅 섬유는 피복된 도전층의 체적 저항률이 10^-2Ω·㎝ 내지 10³Ω·㎝인 것이고, 세라믹 섬유는 유리섬유, 용융실리카 섬유, 고규산질섬유, 알루미나-실리카 섬유, 알루미나 섬유, 지르코니아 섬유 중에서 어느 하나 또는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 도전성 코팅 섬유.
도전성 코팅 섬유 직물에 있어서, 제직기 종광의 개구 운동에 의해 날실(1)을 상하 그룹으로 개구시키고, 개구된 날실 속을 북침 운동에 의해 씨실(2)을 위입하고, 바디가 개구 내에 위입된 씨실을 제직된 직물 앞까지 밀어주어 날실과 씨실의 조직을 완성시키는 바디침 운동의 연속 반복으로 제직되어 직물이 형성되고, 상기 직물의 날실은 익조직으로 형성되고, 씨실은 중심 실(21) 상에 피복용 실(22)을 커버링하고, 상기 직물의 양측에 여러 가닥의 날실을 전기 도체 선(3)으로 대체 배열하고, 상기 커버링한 씨실의 중심 실은 세라믹 섬유이고, 상기 커버링한 씨실의 피복용 실은 세라믹 섬유 상에 탄소나노튜브와 내열성 결합제인 유기변성 하이브리드 세라믹 결합제 또는 중부가형 실리콘 바니시로 조성된 도전성 코팅 용액이 피복되는 것을 특징으로 하는 도전성 코팅 섬유 직물.
제 3항에 있어서, 상기 도전성 코팅 용액이 피복된 세라믹 섬유는 피복된 도전층의 체적 저항률이 10^-2Ω·㎝ 내지 10³Ω·㎝인 것을 특징으로 하는 도전성 코팅 섬유 직물.
제 3항에 있어서, 상기 북침 운동의 씨실 위입은 씨실 공급장치(20)를 통해 공급되고, 씨실 공급장치는 고정 레버(7)와 회전 레버(9)로 구성되고, 상기 고정 레버와 회전 레버 상에 각각 다수의 가이드 롤러(8)를 통해 커버링한 씨실이 원활하게 공급되어 직물이 형성되는 것을 특징으로 하는 도전성 코팅 섬유 직물.
제 3항에 있어서, 세라믹 섬유는 유리섬유, 용융실리카 섬유, 고규산질섬유, 알루미나-실리카 섬유, 알루미나 섬유, 지르코니아 섬유 중에서 어느 하나 또는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 도전성 코팅 섬유 직물.
도전성 코팅 섬유 직물에 있어서, 제직기 종광의 개구 운동에 의해 날실(1)을 상하 그룹으로 개구시키고, 개구된 날실 속을 북침 운동에 의해 씨실(2)을 위입하고, 바디가 개구 내에 위입된 씨실을 제직된 직물 앞까지 밀어주어 날실과 씨실의 조직을 완성시키는 바디침 운동의 연속 반복으로 제직되어 직물이 형성되고, 상기 직물의 날실은 익조직으로 형성되고, 씨실은 중심 실(21) 상에 피복용 실(22)을 커버링하고, 상기 직물의 양측에 여러 가닥의 날실을 전기 도체 선(3)으로 대체 배열하고, 상기 커버링한 씨실의 중심 실은 세라믹 섬유이고, 상기 커버링한 씨실의 피복용 실은 세라믹 섬유 상에 탄소나노튜브와 내열성 결합제인 유기변성 하이브리드 세라믹 결합제 또는 중부가형 실리콘 바니시로 조성된 도전성 코팅 용액이 피복되는 것이고, 상기 직물 상을 내열성 결합제인 유기변성 하이브리드 세라믹 결합제 또는 중부가형 실리콘 바니시로 절연 피복되는 것을 특징으로 하는 도전성 코팅 섬유 직물.
제 7항에 있어서, 상기한 탄소나노튜브는 카본블랙과 혼용하는 것을 특징으로 하는 도전성 코팅 섬유 직물.