KR20190002101U - 과열방지 기능의 금속나노와이어 함침 발열시트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발열의류에 최적화된 새로운 발열시트구조와 제조방법을 제공한다. 새롭게 개발된 발열시트는 두께 150um의 얇은 두께와 PE재질의 섬유가 천상태를 유지함에 따라 의류에 부착하거나 안에 집어넣어도 이물감이 없고, 외부에서 만져지지 않아서 사용이 편안하며, 가장 얇은 두께의 발열의류를 만들 수 있다. 이는 겨울철 야외활동에 큰 편리함을 부여한다. 본 발명의 발열시트는 수백번 접거나 구겨도 손상되지 않아 관절부위에도 사용가능하며, 세탁기에 의한 세탁이 가능한 장점이 있다. 또한 야외활동 중 땀에 젖어도 방수가 가능한 장점과 인체에서 발생하는 수증기는 배출시킬 수 있어 많은 활동에도 쾌적함을 제공해준다. 방수는 전기적 단락을 막아 안전성을 제공해준다. 가장 중요하게는 장기 사용에 의한 부분 파손 시 파손부의 온도가 130도 이상으로 올라가는 것을 막고 빠른 시간에 과열부만 단선되어 화상을 막아준다.

Description

과열방지 기능의 금속나노와이어 함침 발열시트{Over temperature preventable metal nanowire impregnated fabric heater}

본 기술은 전기를 사용하여 열을 내는 의류와 침구류, 바닥매트류에 들어가는 발열시트 또는 발열천을 제작하는 분야이며, 기존 대비 우수한 과열방지 기능과 방수기능, 유연성, 견뢰도를 갖추게 된다.

전기를 사용하여 열을 내는 발열의류, 발열침구류, 바닥매트류가 많이 사용되고 있다. 대표적인 전기발열의류는 발열점퍼, 발열조끼, 발열복대, 발열내의, 발열장갑, 발열방석, 발열무릎덮개, 발열발난로 등이 있으며, 발열침구류는 전기요, 전기담요 등이 있고, 바닥매트류는 전기매트, 전기방석 등이 있다.

일반적으로 발열의류는 9V의 이하의 직류를 사용하고 배터리를 사용하여 열을 내고 캠핑용, 레저활동용, 휴대용으로 사용된다. 발열침구류와 바닥매트류는 220V 교류를 사용하거나 12 ~ 24V의 저전압 직류로 바꿔서 사용하는 방식이다.

이와 같은 제품들에 사용되는 발열체들은 크게 2가지로 나뉜다. 첫째는 금속전선이고, 두번째가 면상발열체이다. 금속전선형은 저렴하게 제작가능한 장점이 있지만 부분 단선 시 과열현상이 심각하여 화상위험이나 화재 위험이 있고, 접거나 구기지 못하거나 그 횟수가 제한적이라는 단점이 있다. 면상발열체는 필름에 전기전도성 분말을 바인더와 함께 코팅하고 양단에서 전기를 인가하여 열을 내는 방식으로 발열효율이 높다는 장점이 있으나, 제작 단가가 비싸고, 구기거나 접는 것과 세탁기에 의한 세탁이 안된다는 단점이 있다. 면상발열체는 열선 대비 화재위험은 크게 줄어들었으나 부분 파손 시 파손 부위와 정상부위의 경계에서 열이 많이 나는 과열현상은 여전하여 사용자의 화상위험은 남아있는 상태이다.

전기발열 제품에서 안전성을 향상시키기 위해서는 여러 방법이 사용되고 있는데, 써모커플을 통한 온도 제어방식, 써모스텟을 통한 과열방지 방식, PTC(Positive Temperature Coefficient) 써미스터를 사용하는 방식, PTC 특성의 분말을 발열체로 사용하는 방식 등이다. 이중에서 소재 자체에서 과열을 보호하는 기능은 PTC 특성의 분말을 발열체로 사용하는 방식뿐이다. 하지만 이와 같은 PTC분말은 굽힘에 약해서 접거나 세탁이 가능하게 한 상용 제품은 나온적이 없다.

금속나노와이어는 은, 구리, 백금 등이 있지만 대표적인 재질은 은나노와이어이다. 은나노와이어는 2002년 발표된 이후로 많은 학교, 연구기관, 회사에서 연구되어 왔으며, 가장 활발한 연구분야는 투명전극에 사용되는 전도성 소재이다. 은나노와이어는 일반적으로 직경 30 ~ 300nm, 길이 5 ~ 100um를 이루어서 듬성듬성 투명한 필름 위에 펼치면 전기전도성도 있고, 가시광은 투과되는 투명전도성 필름이 된다. 은나노와이어는 그외도 폴리우레탄 필름이나 실리콘 위에 코팅되어 유연전극으로도 개발되고 있으며, 천에 코팅되어 전도성 천으로도 개발되고 있다.

은나노와이어 네트워크는 전기전도성이 우수하고, 공기중에서 산화되지 않으며, 반복굽힘에 잘 끊어지지 않고, 열전달 성능이 우수하다는 장점을 가졌지만 적합한 응용처를 찾지 못하여 실생활에 유용하게 사용되지는 못하고 있다. 가장 큰 이유는 가격이 비싸기 때문인데, 비싼 가격을 넘어서는 사용의 편리함이나 장점을 주지 못하는 것도 상용화가 늦어지는 이유다. 이에 우리는 은나노와이어 신소재에 안전성과 편리함, 내구성을 가지는 신기술을 접목시켜 은나노와이어 적용 제품을 다양하게 상용화시키고자 한다.

국내출원 10-2016-7028527 국내출원 10-2016-0054509 국내출원 10-2013-0165527 국내출원 10-2014-0028282 유럽등록 02687364(Composite conductive sheet, fabricating method and application thereof)

Journal of Materials Chemistry C, 2015. 3, P3908(Silver nanowire coated threads for electrically conductive textiles)

본 발명의 목적은 가장 안전하면서 가장 편리하게 사용 가능한 최적의 발열체를 만드는 것으로 얇고, 잘 휘어지며, 수백번 접거나 구겨도 손상되지 않는 내구성과 파손 또는 부분 파손 시 130도 이하로 과열을 막아주는 과열방지 기능과 땀에 젖어도 전기적 단락이나 누전을 막아주는 방수기능, 인체의 땀을 배출해주는 습기통과(투습)기능을 갖춘 발열체를 만드는 것이다. 주로 발열의류용 발열체에 꼭 필요한 기능들이다.

우리는 목적의 달성을 위하여 신재료들과 신기술들을 접목시켰다. 얇고 잘 휘어지게 하기 위하여 금속나노와이어를 발열체로 채택하였고, 수백번 접거나 구겨도 손상된 않는 내구성을 갖게 하기 위해서 금속나노와이어 잉크를 만들어 천에 함침시키는 신기술을 개발하였으며, 파손 또는 부분 파손 시 과열을 막고 다른 미파손 부위를 보호하기 위하여 열선을 여러개로 나누고 열선들을 병렬로 배치하는 구조를 도입하였으며, 방수기능과 투습기능을 위하여 HDPE(High-density polyethylene) 압착법으로 만들어진 미세기공 구조의 건축용 방수포를 발열체 베이스 시트로 최초 적용하였다. 또한 130도의 낮은 온도에도 빠르게 과열현상을 차단하게 하기위하여 천의 개별 섬유 가닥에 은나노와이어를 함침시키는 기술을 개발하였고, 함침과정의 모세관 현상에 의한 번짐으로 전기적 병렬구조가 깨지는 것을 막기 위하여 원하는 부위만 함침시키는 기술을 개발하였으며, PE(polyethylene)재질이 대부분의 접착제와 붙지 않는다는 단점을 극복하기 위하여 최적의 은나노와이어 함침액을 개발하였다. 그리고, 열선의 부분 파손 시 미파손 부위의 보호를 위해 본 소재들과 잘 맞는 최적 열선 구조를 찾아냈다.

본 발명을 통하여 만들어지는 발열시트는 두께 300um 이내의 얇은 두께와 PE재질의 섬유 가닥이 모여서 만들어진 유연한 천상태를 유지함에 따라 의류에 부착하거나 외피와 내피 사이에 집어넣어도 이물감이 없고, 외부에서는 만져지지 않아서 사용이 편리하며, 얇은 두께의 발열의류를 만들 수 있다. 이는 겨울철 야외활동에 큰 편리함을 부여한다. 본 발명의 발열시트는 수백번 접거나 구겨도 손상되지 않아 관절부위에도 사용 가능하며, 세탁기에 의한 세탁이 가능한 장점이 있다. 또한 야외활동 중 땀에 젖어도 방수가 가능한 장점과 인체에서 발생하는 수증기는 배출시킬 수 있어 땀이 많이 나는 격렬한 활동에도 쾌적함을 제공해준다. 방수는 전기적 단락을 막아 안전성을 제공한다. 가장 중요하게는 장기 사용에 의한 부분 파손 시 파손부의 온도가 130도 이상으로 올라가는 것을 막고 빠른 시간에 과열부분만 단선되어 화상을 막아준다. 발열시트가 인체에 바로 닿는 구조라면 작은 화상으로 끝날 수 있으며, 내피를 거쳐 피부에 전달된다면 접촉부 온도가 더욱 낮아져서 화상을 막을 수 있다. 본 발명의 PE재질 부직포를 이용하는 구조에서는 부분 과열에 의한 PE 섬유 가닥의 수축이 빨라서 과열로 인한 단선 속도가 직조된 섬유 및 필름보다 훨씬 빠르다. 또한 부분 파손 시 파손 부위 외에는 열선 기능이 정상 작동되어 오래도록 안전하게 사용할 수 있다는 장점도 있다.

도1은 전자현미경을 통한 은나노와이어의 두께 측정 사진이다.
도2는 전자현미경을 통한 은나노와이어의 길이 측정 사진이다.
도3은 천에 은나노와이어를 함침한 상태에서 개별 섬유 가닥를 찍은 전자현미경 사진이다.
도4는 은나노와이어가 섬유가닥 사이에 네트워크를 이루는 부분의 전자현미경 사진이다.
도5는 은나노와이어 잉크의 사진이다.
도6은 열선이 병렬배치된 발열시트의 구조도이다.
도7은 은나노와이어 잉크를 HDPE 부직포 천에 함침 중인 과정의 사진이다.
도8은 은나노와이어 잉크를 HDPE 부직포 천에 함침과 코팅시켜 완성한 발열시트의 사진이다.
도9은 완성된 발열시트의 발열 열화상 이미지이다.
도10는 부분단선시험 전후의 발열시트 사진과 열화상 이미지이다.
도11은 면상발열체 부분단선 시험 전후의 사진과 열화상 이미지이다.
도12은 과열시험 후의 발열시트 파손 부위의 사진이다.

우리는 발열의류에 최적화된 발열시트를 개발하기 위한 목표를 설정하였다., 새로운 발열시트는 얇고 부드러워야하며, 수백번 접거나 구겨도 손상되지 않는 내구성을 가져서 세탁기에 의한 세탁이 가능해야 하고, 기존 열선이나 면상발열체와 달리 부분 파손 시에도 화상으로 이어질 수 있는 과열을 막아주어야 하며, 땀에 노출되어도 누전을 막아주는 방수기능이 있어야 하고, 인체의 땀을 배출시켜주는 투습기능이 있어야 한다고 생각했다.

기존 열선 방식은 구김과 반복굽힘에 대한 내구성이 부족하고, 부분 파손 시 과열현상을 막을 수 없다. 면상발열체 역시 대부분 폴리머 필름을 사용하여 반복굽힘 내구성이 부족하고, 투습기능 없으며, 부분파손 시 과열현상을 막을 수 없다. 따라서, 목표의 달성을 위해 신재료에 신구조의 발열체를 개발하기에 이르렀다.

얇고 부드러우면서, 수백번 접거나 구겨도 손상되지 않는 내구성과 세탁기에 의한 세탁이 가능하게 하기 위하여 신 발열소재로 금속나노와이어를 선정하였다. 금속나노와이어들이 마이크로 직경의 섬유에 코팅되면 섬유의 굽힘 반경이 금속나노와이어의 직경 대비 월등히 커서 반복굽힘에 의한 금속나노와이어의 피로손상은 거의 발생하기 않는다. 금속나노와이어는 자체 네트워크 형성이 잘 이루어져서 전기전도도 우수한 장점이 있다. 현재까지 상용화된 금속나노와이어는 은과 구리가 있다. 그중에서도 은나노와이어가 상용화가 많이 되어 본 발명에 가장 적합해서 이하 은나노와이어 위주로 설명한다. 동일 기능과 목적을 위해 동일한 방법으로 구리나노와이어, 은도금 구리나노와이어를 사용할 수도 있음은 명백하다.

은나노와이어는 현재까지 소개된 대부분의 것들이 직경 30 ~ 300nm, 길이 3 ~ 100um 사이에 있어서 범위 내에서 모두 사용 가능하며, 직경 대 길이의 비율이 100 ~ 200 사이가 전기전도성과 분산성이 우수한 잉크를 만들 수 있어 좋다. 은나노와이어 직경은 작을수록 반복굽힘에 대한 내구성이 강한 특징이 있다. 잉크 제조 시의 분산성과 인쇄 후의 전기전도성을 고려하면 평균 직경 50 ~ 300nm, 평균 길이는 5 ~ 40um가 적합하다.

은나노와이어는 잉크로 만들어져서 천에 함침 또는 코팅되어야 한다. 여기서 함침은 은나노와이어가 천의 내부로 침투하여 섬유 가닥를 감싸고, 은나노와이어 네트워크를 형성하여 서로 전기적 연결을 만들어내는 것이다. 천에 은나노와이어 잉크를 함침시키는 과정에서는 천 표면의 섬유 가닥들이 은나노와이어를 필터링하여 천의 표면에 은나노와이어가 층을 이루기도 한다. 이는 코팅이라고 부를 수 있으며, 함침은 대부분 코팅을 수반하고, 코팅은 함침부의 전기전도도 향상을 도와준다.

은나노와이어는 잉크는 점도가 낮고 침투력이 좋아서 천의 섬유 가닥을 둘러싸고 섬유 사이에 덧붙어서 전기적 네트워크를 형성할 수 있어야 한다. 은나노와이어 잉크는 은나노와이어와 바인더, 솔벤트로 이루어진다. 잉크는 천에 함침 과정에서 번짐이 최소화되어 병렬 열선 구조에서 중간에 상호 연결되어서는 안되며, 섬유 가닥에 부착력도 높아야 한다. 이와 같은 조건을 만족시키는 은나노와이어 잉크는 바인더가 가장 중요하며, 본 기술에 적합한 바인더는 열가소성 폴리우레탄과 PMMA(Poly methyl methacrylate), 실리콘이 가능하다. 열가소성 폴리우레탄은 methyl ethyl ketone, cyclohexanone, ethyl acetate, butyl acetate, dimethylformamide, dimethylsulfoxide, N-Methylpyrrholidon, trahydrofuran 등을 솔벤트로 하여 잉크 제작이 가능하다. PMMA는 Acetone, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, chloroform, dichloromethane, benzene, chlorobenzene, dichlorobenzene, xylene, methoxybenzene, diethyl phthalate, methoxypropyl acetate, ethyl acetate, formic acid, toluene 등을 솔벤트로 하여 잉크제작이 가능하며, 극성 솔벤트는 물을 추가하여 수계 잉크제작도 가능하다. 실리콘은 저점도 실리콘 또는 실리콘 희석제를 사용하여 잉크 제작이 가능하다. 특히, 열가소성 폴리우레탄과 실리콘은 바인더 자체가 신축성이 커서 반복굽힘이나 구김에 강한 은나노와이어 코팅층을 만들 수 있다. 반면에 PMMA는 경제성이 높고 부착력이 좋은 잉크를 만들 수 있다.

잉크에서 은나노와이어 함량은 30 ~ 60wt%가 적합하며, 바인더 함량은 3 ~ 8wt%, 솔벤트는 35 ~ 65wt%가 적합하다. 솔벤트 건조 후 잔류물에 대한 은나노와이어 대 바인더 무게 비율은 19:1 ~ 8:2 정도가 적합하다.

은나노와이어 잉크는 천에 흡수되어 섬유 가닥를 감싸는 코팅(도3 참조)이 스스로 가능하여야 하고, 섬유 가닥 사이를 연결하여 전기적 네트워크를 형성(도4 참조)할 수 있어야 한다. 또한 잉크는 함침 과정에서 번짐이 최소화되어야 하는데 그러기 위해서는 가장 중요하게 점도를 조절하여야 한다. 천의 종류에 따라 목적 달성을 위한 점도는 달라진다. 본 발명에서는 주로 섬유 가닥 직경 10um 이하의 PE부직포를 함침 베이스 천으로 사용하였으며, 이에 적합한 점도는 400 ~ 4,000 cP로 나타났다.

은나노와이어 잉크를 천에 함침시키는 과정은 점도 조절이 된 잉크를 다양한 인쇄 방법으로 천에 인쇄하고 침투를 위한 대기 시간을 가진 뒤 건조시키면 된다. 대기시간 동안 잉크는 자중과 표면장력, 모세관 현상으로 천의 내부로 스며들어 천의 개별 섬유 가닥를 둘러싸고, 잉여 잉크는 섬유 가닥 사이를 연결하여 전기전도성 네트워크를 형성한다. 함침에 필요한 대기 시간은 상온에서 30초 ~ 3분 사이가 적합한 것으로 나타났다. 대기시간이 너무 짧으면 천 안쪽으로의 침투깊이가 안 나오며, 너무 길면 옆방향으로 확산이 많이 되어 저항이 커지게 된다.

은나노와이어 잉크의 인쇄 방법에는 옵셋, 그라비어, 플렉소 등을 사용할 수도 있지만 일반 인쇄보다 잉크량이 많이 들어가야 한다는 점을 고려하여 스크린프린트 인쇄 또는 정량토출기를 이용한 플로터(Plotter)가 적합하다. 정량토출기를 이용한 플로팅인쇄는 로봇팔에 정량토출기를 장착하여 프로그램데로 로봇팔이 움직이면서 일정량을 천에 짜내며 선을 그어서 스스로 함침되게 만드는 방식이다. 전기저항을 낮추기 위해 함침시켜야 하는 잉크량이 많을 경우나 위치별 함침량을 달리해야 할 경우에 적합한 인쇄 방식이다. 데스크탑 로봇 디스펜서라고도 한다.

파손 또는 부분 파손 시 과열을 막고 다른 미파손 부위를 보호하기 위하여 열선을 여러개 만들고 양 끝에 배치된 전극 간에 열선들을 병렬로 연결시키는 병렬배치구조를 도입하였다. 도6과 같이 베이스 천(100)의 한쪽 표면에 메인 전원에 연결된 양 전극(120)이 있고, 양 전극 사이를 다수의 열선(110)이 평행하게 연결하는 방식이다. 이와 같은 구조는 앞서 언급한 단일 열선이나 면상발열체와 달리 하나의 열선이 끊어져도 다른 열선에 흐르는 전류량의 변화가 없어 과열 현상을 막을 수 있다. 병렬구조에서 열선 하나의 파손은 전체 저항을 그 비율만큼 키우고, 전류량은 그 비율만큼 감소하게 한다. 이와 같은 병렬 구조에서도 개별 열선이 끊어져가는 과정에서는 과열될 수 있다. 개별 열선에 흐르는 전류는 미약하여 과열 정도는 낮지만 개별 열선도 하나의 전선이기때문에 부분 파손 시 과열될 수는 있다. 이와 같은 경우의 과열을 빠르게 차단하기위해서 우리는 폴리머 섬유가 녹을 때 길이가 수축하는 현상을 이용하기로 하였다. 폴리머 섬유는 열변형 온도를 넘어서면 길이가 수축하기 시작하여 녹는점 인근에 다다르면 크게 수축하여 둥글게 뭉치는 현상을 모두 가지고 있다. 우리는 이 현상을 이용하여 개별 열선의 과열을 빠르게 막을 수 있는 방법을 찾아냈다.

녹는점이 낮은 천 특히, 다공성인 부직포 형태의 천을 구해서 열선을 형성하고, 과전압을 가해서 과열시켰다. 열선이 하나 인쇄되면 선폭이 전구간에서 일정하지는 않기때문에 일부에서는 폭이 좁아서 열이 더 많이 나는 구간(부분 파손 부위라 가정할 수 있음)이 있으며, 폭이 좁은 부위에서 가장 먼저 부직포가 수축하기 시작했다. 그 결과 폭은 더 좁아지고 3초 이내에 스스로 과열과 수축을 계속하여 단선되어 버렸다. 단선까지 최대온도는 섬유의 녹는점을 넘지 않았다. 반면 이와 대조되는 테스트로 부직포보다 밀도가 높은 직조된 천에 동일하게 열선을 형성하고 과열시켰다. 유사 현상이 발생하여 단선까지 이어졌지만 시간은 10초가 걸려서 수축이 느리게 진행됐음을 알 수 있었다. 또한 직조된 천은 열선 전체의 수축을 동반한 반면 부직포는 열선 전체의 수축은 전형 발생하지 않았다는 차이도 있다. 열선 전체 길이의 수축은 인접 열선의 저항 감소로 이어질 수 있어서 연쇄 과열의 위험도 가지게 된다. 3초와 10초의 차이는 사용자가 뜨거움을 느끼느냐와 화상을 입느냐 마느냐를 결정하기에 충분한 시간으로 우리는 부직포만을 본 발명의 범위에 포함시키기로 하였다.

이와 같은 스스로 단선되는 과열방지 시스템에서는 은나노와이어 잉크를 부직포에 함침시키는 것이 보다 효율적이다. 발열부인 은나노와이어에서 개별 섬유 가닥으로의 열전달이 빠르고, 섬유 가닥을 둘러싼 은나노와이어 코팅면은 섬유보다 굉장히 작은 물질의 집합이어서 가닥의 열변형과 수축에 대해 저항없이 같이 수축하며 빠르게 수축과 단선까지 이어갈 수 있기 때문이다. 은나노와이어를 천의 표면에 코팅만 한 경우에도 스스로 단선되게 할 수 있으나, 함침 대비 섬유로의 열전달 속도가 약간 떨어져서 과열에서 단선까지의 시간이 조금 길어지는 단점이 있다. 하지만 코팅한 경우에도 부직포의 다공성을 이용해 빠르게 수축하게 만듬으로 동일 메카니즘을 통해 스스로 단선되게 할 수 있다.

우리는 본 발명에 가장 적합한 천으로 PE 부직포를 선정하였다. PE재질은 LDPE(Low-density Polyethylene), MDPE(Medium-density Polyethylene), HDPE(High-density Polyethylene) 모두 가능하며, 부직포는 천을 구성하는 섬유 가닥들이 방향성 없이 랜덤하게 배열되어 빈공간이 많고 평면상의 모든 방향에 대하여 신축성이 거의 없는 천 재질이다. 반면에 직조는 장섬유를 직각 또는 경사방향으로 얽히게 짜서 일정한 패턴을 가진 천으로, 부직포 대비 빈공간이 부족하여 수축이 빠르지 않다.

LDPE, MDPE, HDPE는 녹는점 100~136도를 가지는 폴리머로 일반적으로 LDPE가 100~120도의 녹는점을 HDPE가 125~136도의 녹는점을 가진다. PE의 중합도와 밀도를 이용하면 녹는점 조절이 100~136도 사이에서 가능하고, 이를 이용하면 과열되는 최대 온도를 자유롭게 제한할 수 있는 장점이 있다.

우리의 테스트에서는 녹는점 135도의 HDPE 부직포를 사용했음에도 최대 온도는 130도를 넘지 않았다. 이는 부직포의 섬유가 가늘고 빈공간이 많아서 120도 부터 충분히 수축을 시작하기 때문이며, 빠르게 수축과 단선으로 이어져서 130도를 넘지 않는 것이다. 이 원리를 이용하면 녹는점 100도의 LDPE 부직포라면 95도에서 스스로 단선도 가능하다.

우리는 발열시트에 방수기능을 부여하기 위하여 다양한 방수포에 열선을 인쇄하는 테스트도 실시하였다. 하지만 방수기능만 있고, 습기투과(투습) 기능이 없다면 대면적화 될수록 땀을 가두는 발열의류가 될 것임을 알게 되었다. 우리는 방수기능과 투습 기능을 부여할 천 종류를 조사하였으며, 의류에 동일 기능이 있는 원단과 건축용에 동일 기능이 있는 원단이 있음을 알게 되었다. 의류용 투습방수천은 주로 직조된 PET 섬유 위에 미세기공을 가진 코팅을 덧붙여 제작되며, 건축용 투습방수천은 PE, PP 등으로 만든 미세섬유를 압착시켜 500um 이하로 기공을 형성하여 제작된다. 의류용은 스스로 단선과 과열방지에 부적합한 반면 건축용 중 일부는 부직포 형태로 제작되어 있어서 스스로 단선과 과열방지에 가장 적합하다는 것을 실험을 통해 알아냈다. 건축용 투습방수천에도 직조형태가 있으며, 본 발명에는 적합하지 않은 것으로 결론내렸다.

우리는 PE재질 부직포에 은나노와이어 열선을 병렬로 다수 형성하는 구조에 관해서도 개발을 실시하여 최적화시켰다. 열선간 간격이 너무 가까우면 부분 과열에 의한 베이스 천의 수축 시 인접 열선에 영향을 주어 같이 수축할 수 있기 때문이다. 이를 막을 수 있는 열선간의 최소 폭은 2mm이었다. 섬유 직경이 0.5 ~ 10um 사이인 HDPE 부직포 두께 150um 조건에서 열선간의 최소 공간이 2mm는 있어야지 부분과열로 인한 수축 시 주변 열선에 영향을 주지 않았다. 본 결과는 PE의 종류, 부직포의 두께, 밀도 등에 따라 달라질 수 있을 것이나 PE 부직포라는 특징을 만족한다면 큰 차이는 나지 않을 것이다.

전극을 양끝단에 배치하고 전극간을 다수의 열선으로 연결하는 병렬배치구조에서 일부 과열에 의한 파손 시 다른 열선을 보호하기 위해서는 열선들이 양끝의 전극를 제외한 다른 어떤 부분에서도 전기적으로 연결되지 않아야 한다는 것이 중요하다. 또한, 양끝단 전극은 열선보다 단위 길이당 저항이 작은 것이 좋다. 이와 같은 전기전도성 잉크 인쇄 구조에서는 전극도 잉크를 사용하여 형성하므로 열선과 유사한 저항을 가질 수 있다. 그렇게 만든다면 전극도 열이 발생할 것이고 전극이 과열로 끊어지면 다수 열선이 한꺼번에 열을 내지 못하는 급격한 성능저하가 나타날 수 있다. 이를 막고자 전극은 열선보다 저항을 작게하여 발열량을 현저히 줄여주는 것이 좋다. 전극부의 저항 감소 방법으로는 보다 고전도성 은나노와이어잉크를 이용하는 방법과 은나노와이어 함침량이나 코팅량을 높이는 방법, 전극의 폭을 넓혀 단위 길이당 저항을 떨어뜨리는 방법이 있다. 또한 이를 복합적으로 사용할 수도 있다. 가장 적합하게는 전극의 폭도 키우고 함침량이나 코팅량을 늘려 저항을 복합적으로 감소시키는 방법이 좋다.

열선의 모양은 선형이 가장 적합하며, 선형은 직선, 곡선, 꺽인 직선 등이 사용될 수 있다. 곡선은 물결무늬형이 적합하며, 꺽인 직선은 물결무늬의 상하점 간을 곡선이 아닌 직선으로 연결한 형태를 말한다. 발열시트의 균일한 발열을 위해 열선들은 등간격을 이루며 서로 평행하게 배치되는 것이 가장 좋다. 하지만 자동차 시트와 같이 위치별로 폭이 다른 발열시트를 만드는 경우라면 열선의 길이나 간격, 무늬를 달리하여 위치별 발열량을 조절할 수도 있다. 발열 모양의 자유로운 조정이 가능한 점은 기존 면상발열체가 사용되지 못하는 부분에 적용할 수 있는 장점이기도 하다.

(부분단선 시험 방법)

발열시트 사용 중 외력에 의한 파손을 가정하여 발열 중인 상태에서 발열체의 가장자리에서 중앙을 향해 1/2가량을 절단하는 시험이다. 절단부와 정상부의 경계에서 전류집중 현상으로 온도가 증가할 수 있으며, 최고 상승 온도를 점검한다.

(과열시험 방법)

정상 전압보다 2~3배 높은 전압을 인가하여 발열시트가 견디는 최대 온도를 측정하고, 가장 먼저 파손되는 부분을 점검하는 시험이다.

(실시예1) 발열시트 제작

질산은, 에틸렌글리콜, 폴리비닐피놀리돈을 주원료로 150도에서 평균 직경 100nm, 평균 길이 12um의 은나노와이어를 합성(도1과 도2 참조)하였다. 합성된 은나노와이어를 물과 알콜류로 3회 세척하여 불순물을 최소화시킨 후 은나노와이어를 회수하였다. 회수한 은나노와이어에 열가소성 폴리우레탄을 바인더로 넣고, methyl ethyl ketone를 솔벤트로 넣어서 20도에서 점도 1,000cP의 은나노와이어 잉크(도5 참조)를 제조하였다. 인쇄 베이스 천으로는 DUPONT사의 HDPE 부직포인 Tyvek 중량 43g/m² 원단을 사용하였다. 원단 위에 데스크탑 로봇 디스펜서로 전극 길이 19cm와 열선 길이 11cm, 열선폭 1.2mm, 열선 중앙간 간격 5mm, 발열부 면적 11x19cm²이 되도록 인쇄하였다. 1분간 상온에서 함침(도7 참조)시키고, 120도에서 10분간 건조하였다. 총 저항 3.1옴인 발열시트(도8 참조)가 만들어졌다. 양 전극부에 5V, 최대 2.1A 출력의 리튬이온전지를 연결하였다. 실 소비전력은 8.1W였다. 도9와 같은 열화상 이미지를 얻을 수 있었다.

(실시예2) 부분단선시험

은나노와이어 잉크를 제작하여 전극 길이 19cm, 열선길이 11cm, 열선폭 1.2mm, 열선 중앙간 간격 5mm의 발열시트를 만들었다. 5V를 연결하니 실 소비전력는 7.4W였고, 도10의 좌측과 같은 열화상 이미지를 얻었다. 발열부 온도가 안정화된 후 상부 열선 5개를 가위로 잘랐으며, 자른 후 과열없이 열선이 꺼져가는 상태가 도10의 우측이다.

(비교예1) 부분단선시험

탄소섬유 부직포를 가로 15cm, 길이 10cm로 자르고, 양끝단에 폭 5mm의 전도성 구리테이프를 부착한 후 EVA와 PET합지 필름을 전면과 후면에 부착하고 열접착시켜 면상발열체를 제작하였다. 총저항은 3.0옴이 나왔다. 구리테이프에 5V 리튬이온전지를 연결하여 열을 내었고, 도11의 좌측과 같은 열화상이미지를 얻었다. 발열부 온도가 안정화된 후 가위로 상부에서 중앙을 향해 5cm를 잘랐다. 자른 후 1분이 지난 상태에서 도11의 우측과 같이 절단 부분 가장 안쪽이 145도까지 과열되었다. 이 과열은 PET 필름에 어떤 손상도 주지 못해서 계속 유지되었다.

(실시예3) 과열시험

은나노와이어 잉크를 제작하여 DUPONT사의 HDPE 압착 부직포 Tyvek 중량 43g/m² 원단에 인쇄 및 함침, 건조시켜서 전극 길이 19cm, 열선길이 11cm, 열선폭 1.2mm, 열선 중앙간 간격 5mm, 발열부 면적 11x19cm²에 총 저항 3.4옴인 발열시트를 만들었다. 직류가변전압조절기를 연결하고 5V 공급하니 전력 소모는 7.4W였고 최고점 온도는 50도를 나타내었다. 전압을 올려서 10V를 공급하니 최고온도는 130도를 보이고 2초 이내에 해당 열선이 꺼졌다. 130도를 보인 부위는 도12의 원으로 표시된 부분으로 선폭이 다른 부분 대비 좁은 부분이 먼저 과열되어 끊어진다. 이후에도 다른 열선들은 정상상태를 유지하였다.

본 발명은 발열침구와 발열매트에도 적용 가능하지만 특히 발열의류에 최적화된 기술이다. 대표적인 발열의류인 발열조끼는 2016년까지 국내에서 2 ~ 3만개 정도에 머물던 판매량이 2017년에는 5만개 정도로 올라갔다. 발열방석도 2015년부터 판매량이 증가하여 5만개 정도에 머물던 판매량이 2017년에는 10만개 이상 팔렸다. 이와 같은 폭발적인 사용량 증가는 휴대폰용 보조배터리의 성능 향상에 기인하며, 대용량 리튬이온전지가 싼가격에 다수 회사에서 출시됨에 따라 휴대용 발열제품들의 성장세도 이어지고 있다. 이에 우리는 휴대용 발열제품들과 발열의류에 최적화된 발열시트를 개발하게 되었고, 향후 더 많은 응용 상품의 개발과 확대가 가능할 것으로 기대한다.

100 : PE재질 부직포
110 : 금속나노와이어 열선
120 : 전극부

Claims (10)

100도에서 136도 사이에서 녹는점을 가진 PE재질 부직포에 금속나노와이어를 함침 또는 코팅하여 발열부를 형성한 전기발열시트로 발열부는 선형병렬구조를 갖추며, 발열선 과열 시 PE재질 부직포 녹는점 이하에서 스스로 단선되는 기능을 갖춘 전기발열시트

1항에 있어서 PE재질 부직포의 섬유 가닥 1개의 평균 직경은 10um 이하인 전기발열시트

1항에 있어서 PE재질 부직포는 일면이 평균 500um 이하의 미세 기공을 가져서 습기를 통과시키고, 물을 막는 기능을 갖춘 전기발열시트

1항에 있어서 금속나노와이어는 평균 직경 300nm이하이고, 길이는 평균 3um이상인 은나노와이어, 구리나노와이어, 은도금 구리나노와이어 중 하나를 포함하는 전기발열시트

1항에 있어서 함침 또는 코팅은 금속나노와이어들이 부직포의 섬유 중 일부를 감싸고, 다른 금속나노와이어들은 감싸진 섬유 사이를 연결하여 네트워크를 이루며 부직포에 높은 전기전도성을 부여하는 구조인 전기발열시트

1항에 있어서 함침 또는 코팅 처리는 일면이 습기를 통과시키고 물은 막는 기능을 가진 PE재질 부직포의 물을 막지 못하는 일면에만 이루어진 전기발열시트

1항에 있어서 선형병렬구조는 발열선과 발열선 사이 절연구간 폭이 평균 2mm이상인 전기발열시트

1항에 있어서 PE재질은 녹는점이 100 ~ 136도 사이인 LDPE, MDPE, HDPE 중 하나가 주재료를 이루는 전기발열시트

1항에 있어서 선형은 직선, 곡선, 꺽인 직선 중 하나이거나 그 조합으로 이루어진 전기발열시트

1항에 있어서 선형병렬구조는 저항이 낮아 열이 거의 나지 않는 두 개의 전극 사이를 저항이 큰 다수의 발열선이 연결하는 구조이며, 개별 발열선은 전극과 연결된 양끝단 외에는 전기적 연결부가 없는 전기발열시트

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