KR20190093237A

KR20190093237A - 발열 방석

Info

Publication number: KR20190093237A
Application number: KR1020180012295A
Authority: KR
Inventors: 정해용
Original assignee: 희성전자 주식회사
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2019-08-09

Abstract

본 발명은 복수 개의 발열체를 서로 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬이 서로 혼합된 전기적인 연결 구조를 이루도록 구성되는 발열 방석에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발열 방석은, 복수 개의 발열체를 포함하는 발열 방석에 있어서, 상기 발열체는, 기재의 적어도 일부의 영역에 금속 나노 물질을 포함하는 방사 물질이 전기 방사 (electrospinning) 되어 형성된 발열층을 포함하고, 상기 복수 개의 발열체는 서로 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬이 서로 혼합된 전기적인 연결 구조를 이루는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 발열 방석에 따르면, 발열체를 직렬과 병렬이 혼합된 전기적인 연결 구조로 구성하여, 저용량의 배터리로도 충분한 발열량을 얻을 수 있는 발열 방석을 제공할 수 있으며, 발열 방석을 접이식으로 구성하여 부피를 줄일 수 있고, 휴대용 배터리를 이용하여 전압을 인가함으로써 휴대성이 증대된 발열 방석을 제공할 수 있다.

Description

발열 방석 {A heating cushion}

본 발명은 발열 방석에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 복수 개의 발열체를 서로 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬이 서로 혼합된 전기적인 연결 구조를 이루도록 구성되는 발열 방석에 관한 것이다.

일반적으로 방석은 공간을 형성하는 직물 안에 솜과 같은 충전재를 충전하여 바닥 또는 의자의 딱딱함을 해소하거나, 차가운 바닥에 신체가 직접 닿지 않도록 하기 위해 만든 물건이다. 최근에는 이러한 방석에 발열 기능을 부가하여 겨울철이나 기온이 낮은 날씨에 체온을 따뜻하게 유지하도록 하거나, 통증완화 등의 찜질 효과를 가져다 주는 발열 방석이 사용되고 있다.

발열 방석은 내부에 발열을 위한 발열선이나 면상 발열체가 구비되어, 이러한 발열선 또는 면상 발열체에 전원을 인가함으로써, 저항에 의해 열이 발생한다. 따라서, 발열 방석의 전력 등의 용량을 만족하기 위해서는 발열 방석의 내부에 설치되는 발열선이나 면상 발열체의 저항을 적절하게 설계해야 한다.

그러나 종래의 발열 방석은 발열선이 직렬 또는 병렬 연결의 구조로만 구성되는 문제점이 있다. 구체적으로, 발열선이 직렬 연결로만 구성되는 경우, 발열선의 전체 합성 저항이 커지게 되어 높은 전압이 요구되고, 발열선의 일부가 단선되는 경우 발열 방석을 사용할 수 없게 된다. 반면에, 발열선이 병렬 연결로만 구성되는 경우, 전체 합성 저항이 일정한 값 이상 되도록 설계하기에 어려움이 있다.

또한, 종래의 발열 방석은 별도의 충전용 어댑터로 전원을 연결하여 사용하여야 하며, 부피가 크고 무겁기 때문에 휴대성이 좋지 않다는 문제점이 있다.

이에, 발열 방석을 접을 수 있도록 구성하여 휴대성을 향상하고, 별도의 어댑터 없이도 휴대용 배터리를 이용하여 구동하면서도 발열이 충분히 이루어질 수 있는 발열 방석의 도입이 필요하다.

1. 한국 공개특허 제 10-2015-0066041 호 (발명의 명칭 : 직류전원을 이용한 축전식 발열방석)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 본 발명은, 발열체를 직렬과 병렬이 혼합된 전기적인 연결 구조로 구성하여, 저용량의 배터리로도 충분한 발열량을 얻을 수 있는 발열 방석을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 접이식으로 구성하여 부피를 줄일 수 있고, 휴대용 배터리를 이용하여 전압을 인가함으로써 휴대성이 증대된 발열 방석을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 방석은, 복수 개의 발열체를 포함하는 발열 방석에 있어서, 상기 발열체는, 기재의 적어도 일부의 영역에 금속 나노 물질을 포함하는 방사 물질이 전기 방사 (electrospinning) 되어 형성된 발열층을 포함하고, 상기 복수 개의 발열체는 서로 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬이 서로 혼합된 전기적인 연결 구조를 이루는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 발열 방석은, 상기 복수 개의 발열체 중 적어도 두 개의 발열체가 서로 병렬로 연결되는 발열 유닛; 을 포함하고, 상기 유닛은, 적어도 두 개가 구비될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 적어도 두 개의 상기 발열 유닛은, 서로 직렬로 연결될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 금속 나노 물질은, 은 나노 입자 (Ag nanoparticles) 일 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 발열층은, 상기 방사 물질이 이중 전기 방사 (co-electrospinning) 되어 형성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 발열층으로 3V 내지 7.5V의 전압이 공급되는 경우 상기 발열 패드가 20℃ 내지 60℃의 온도 범위에서 발열하도록 상기 나노 발열 섬유의 밀도가 결정될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 나노 발열 섬유는, 상기 발열층의 면적 대비 0.2% 내지 10%를 차지하도록 상기 기재 상에 형성될 수 있다.

본 발명의 발열 방석에 따르면, 발열체를 직렬과 병렬이 혼합된 전기적인 연결 구조로 구성하여, 저용량의 배터리로도 충분한 발열량을 얻을 수 있는 발열 방석을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 발열 방석에 따르면, 접이식으로 구성하여 부피를 줄일 수 있고, 휴대용 배터리를 이용하여 전압을 인가함으로써 휴대성이 증대된 발열 방석을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 방석을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 발열 방석의 각각의 구성을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 발열 방석에 포함되는 발열체의 구조를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 발열층 및 이에 포함되는 나노 발열 섬유를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5는 나노 발열 섬유를 제조하기 위한 전기 방사 장치와 그 장치를 사용하여 나노 발열 섬유를 제조하는 방법을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 6은 도 5의 전기 방사 장치에 사용될 수 있는 노즐의 형태를 개략적으로 도시한 단면도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층"위(on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.

이하, 첨부된 도 2 내지 도 4를 참고로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 방석에 대하여 자세히 설명한다.

1. 발열 방석의 구성

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 방석을 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 발열 방석의 각각의 구성을 설명하기 위해 개략적으로 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 발열 방석에 포함되는 발열체의 구조를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 발열 방석 (1000) 은 복수 개의 발열체 (100), 발열체 (100) 를 감싸는 외피 (200) 및 발열체 (100) 와 전기적으로 연결되어 발열체 (100) 로 전원을 공급하는 전원 케이블 (300) 을 포함한다.

발열 방석 (1000) 은 복수 개의 발열체 (100) 및 이를 전기적으로 직렬 또는 병렬로 연결하는 전선 (103) 을 포함한다.

전선 (103) 은 복수 개의 발열체 (100) 중 적어도 두 개의 발열체 (100) 를 병렬의 연결 구조를 가지도록 연결하여 발열 유닛 (101, 102) 을 형성하는 제1 전선 (103a) 및 제2 전선 (103b), 이러한 방식으로 형성된 적어도 두 개의 발열 유닛 (101, 102) 이 직렬의 연결 구조를 가지도록 연결하는 제3 전선 (103c) 및 전원 케이블 (300) 과 연결되어 발열체 (100) 로 전압이 공급되도록 기능하는 제4 전선 (103d) 으로 구성된다.

예를 들어, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 발열 방석 (1000) 은 네 개의 발열체 (100a, 100b, 100c, 100d) 를 포함한다.

이때, 제1 발열체 (100a) 와 제2 발열체 (100b) 는 제1 전선 (103a) 에 의해 서로 전기적으로 병렬 연결되어 제1 발열 유닛 (101) 을 구성하고, 제3 발열체 (100c) 와 제4 발열체 (100d) 는 제2 전선 (103b) 에 의해 서로 전기적으로 병렬 연결되어 제2 발열 유닛 (102) 을 구성한다. 이러한 제1 발열 유닛 (101) 및 제2 발열 유닛 (102) 은 제3 전선 (103c) 에 의해 서로 전기적으로 직렬 연결된다.

상술한 바와 같이 발열체 (100) 가 직렬과 병렬이 서로 혼합된 전기적인 연결 구조를 이루는 경우, 발열체 (100) 가 직렬 연결로만 구성되거나, 병렬 연결로만 구성되는 경우의 단점을 보완할 수 있다. 구체적으로, 발열체 (100) 가 직렬 연결로만 구성되는 경우, 발열체 (100) 의 전체 합성 저항이 커지게 되어 높은 전압이 요구되고, 발열체 (100) 의 일부가 단선되는 경우 발열 방석 (1000) 을 사용할 수 없게 된다. 반면에, 발열체 (100) 가 병렬 연결로만 구성되는 경우, 전체 합성 저항이 일정한 값 이상 되도록 설계하기에 어려움이 있어, 인가되는 전원을 충분히 활용하기 어렵다는 문제점이 있다. 본 발명의 발열 방석 (1000) 은 이러한 직렬 및 병렬 연결의 단점을 보완하여, 적은 용량의 전원으로도 충분한 열을 생성할 수 있는 효과가 있다.

예를 들어, 발열 방석 (1000) 의 구동에 이용되는 충전장치의 용량이 5V, 2.4A 일 때, 저항은 2Ω 이 된다. 이 때, 발열체 (100) 의 전체 저항이 2Ω 이 되어야 충전장치의 용량을 충분히 사용하면서, 원하는 열을 생성할 수 있다. 이에 따라, 발열체 (100) 각각의 저항을 2Ω 으로 구성하게 되면, 제1 발열 유닛 (101) 및 제2 발열 유닛 (102) 의 저항이 각각 1Ω 이 되고, 제1 발열 유닛 (101) 및 제2 발열 유닛 (102) 이 직렬로 연결됨에 따라 발열 방석 (1000) 의 전체 저항이 2Ω 이 되어, 충전장치의 용량을 충분히 사용할 수 있도록 설계된다. 발열체 (100) 의 저항은 설명의 편의를 위하여 2Ω 으로 설정하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 충전장치의 용량에 따라 다양하게 구성될 수 있다.

발열체 (100) 의 전기적 연결 구조는 직렬과 병렬이 서로 혼합된 연결 구조에 한정되는 것은 아니다. 발열체 (100) 는 직렬 연결 구조로만 형성될 수도 있고, 병렬 연결 구조로만 형성될 수도 있다.

발열 방석 (1000) 은 발열체 (100) 가 후술할 외피 (200) 의 분리된 영역 각각에 배치되고, 전선 (103) 이 유연한 소재로 구성됨에 따라, 발열체 (100) 및 전선 (103) 의 단선 위험 없이 발열 방석 (1000) 을 접는 것이 용이하다. 따라서, 사용자는 발열 방석 (1000) 을 접어서 보관하거나 휴대할 수 있다.

한편, 본 발명의 발열 방석 (1000) 을 구성하는 발열체 (100) 는 설명의 편의를 위하여 네 개인 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 네 개 이상의 발열체 (100) 가 구비될 수도 있다.

도 3을 참조하면, 발열체 (100) 는 기재 (110) 와, 기재 (110) 의 일면에 형성된 전극 (120), 전극 (120) 과 전기적으로 접속되는 발열층 (130) 및 발열층 (130) 을 덮도록 형성되는 단열층 (140) 을 포함한다.

기재 (110) 는 발열층 (130) 이 형성되는 곳으로서, 형성된 발열층 (130) 을 지지하는 역할을 한다.

기재 (110) 는 합성수지 필름, 천연섬유, 유리섬유, 합성섬유, 합성피혁 및 천연 피혁 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 합성수지 필름으로는 열가소성 폴리우레탄 (TPU) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET) 필름이 사용될 수 있다.

그 밖에도 기재 (110) 는 발열층 (130) 에서 발생되는 열을 안정적으로 견딜 수 있는 내열성과 발열층 (130) 을 외부와 전기적으로 절연시키는 절연성을 가지는 것이라면 상술한 소재에 한정되는 것은 아니고, 통상 발열 시트를 형성함에 있어 사용되는 공지의 기재 (110) 가 사용될 수 있음은 물론이다.

전극 (120) 은 발열체 (100) 의 양 단부에 형성되어 발열체 (100) 의 전체 영역에 걸쳐 형성된 발열층 (130) 에 전력을 공급하도록 구성된다.

전극 (120) 은 기재 (110) 의 금속 잉크가 스크린 프린팅 (screen printing) 되는 방식으로 형성될 수 있다. 금속 잉크로는 은 (Ag) 또는 구리 (Cu) 잉크가 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 금속 소재로 전극 (120) 이 형성될 수 있음은 물론이다. 전극 (120) 은 기재 (110) 에 전기 방사 방식으로 발열층 (130) 이 형성되기 이전에 형성될 수도 있고, 발열층 (130) 이 형성된 이후에 형성될 수 도 있다. 전극 (120) 과 발열층 (130) 이 전기적으로 접속되기만 한다면, 본 발명에서 전극 (120) 이 형성되는 순서는 특별히 한정되지는 않는다.

발열층 (130) 은 전기 저항에 의해 발열하는 층으로, 복수의 나노 발열 섬유 (131) 를 포함하여 기재 (110) 의 일면에 형성된다. 여기서 나노 발열 섬유 (131) 는 기재 (110) 의 적어도 일부의 영역에 금속 나노 물질을 포함하는 방사 물질이 전기 방사 (electrospinning) 되어 형성된다.

전기 방사 방식으로 형성된 나노 발열 섬유 (131) 및 이를 포함하는 발열층 (130) 은 기재 (110) 의 일면에 안정적으로 결속된 상태를 유지할 수 있다. 이로써 본 발명의 발열체 (100) 는 종래의 발열 박판 또는 발열 코일로 형성된 발열층 (130) 을 포함하는 발열 패드 보다 개선된 유연성 및 전기적 안정성을 가질 수 있다.

전기 방사 방식으로 형성되는 나노 발열 섬유 (131) 및 이를 포함하는 발열층 (130) 에 관한 구체적인 내용은, 도 4 내지 도 6을 참조하여 후술하도록 한다.

발열체 (100) 는 발열층 (130) 과 전극 (120) 을 덮도록 형성되는 단열층 (140) 을 포함한다.

단열층 (140) 은 발열층 (130) 으로부터 방출된 열의 손실을 방지하도록 기능한다. 단열층 (140) 은 유리섬유 등을 압축해 만든 단열재로 형성될 수 있으며, 그 밖에도 내화성이 단열성이 뛰어난 소재라면 공지의 소재가 채용될 수 있음은 물론이다.

한편, 발열체 (100) 는 발열층 (130) 과 단열층 (140) 사이에 보호층 (미도시) 을 더 포함할 수 있다.

보호층은 발열층 (130) 으로의 수분의 투습을 방지하고, 발열층 (130) 의 나노 발열 섬유의 산화를 방지하는 역할을 한다. 또한 보호층은 발열층 (130) 을 외부와 전기적으로 절연시키는 역할을 하도록 구성된다.

보호층은 열가소성 폴리우레탄 (TPU) 소재로 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 보호층은 공지된 다양한 합성 수지 소재로 형성될 수 있음은 물론이다.

보호층이 형성되는 경우, 보호층은 발열층 (130) 및 전극 (120) 의 전체를 덮도록 형성되는 것이 좋다. 액상의 합성 수지가 발열층 (130) 및 전극 (120) 을 덮도록 도포되어 형성될 수도 있고, 필름 타입의 합성 수지가 고열의 자동프레스를 이용한 열 압착에 의해 발열층 (130) 및 전극 (120) 을 덮도록 형성될 수도 있다.

발열 방석 (1000) 은 발열체 (100) 를 감싸며 접을 수 있도록 구성된 외피 (200) 를 포함한다.

예컨대 외피 (200) 는 도 2에 도시된 바와 같이 동일한 외피 (200) 부재가 전면과 후면으로 결합되고, 전면 외피 부재 (200a) 및 후면 외피 부재 (200b) 의 사이에 발열체 (100) 가 포함되도록 구성될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 외피 (200) 는 발열 방석 (1000) 의 전체의 형상으로 형성된 전면 외피 부재 (200a) 에 발열체 (100) 의 형상으로 형성된 후면 외피 부재 (200b) 가 결합되어 전면 외피 부재 (200a) 및 후면 외피 부재 (200b) 의 사이에 발열체 (100) 가 포함되도록 구성될 수도 있다.

외피 (200) 는 면, 폴리에스테르, 레이온 소재, 원적외선 소재 등으로 형성될 수도 있고, 신축성을 가지는 나일론 소재로 형성될 수도 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 외피 (200) 는 일반적인 방석에 사용되는 통상적인 외피 (200) 소재로 이루어질 수 있다.

발열 방석 (1000) 은 발열체 (100) 로 전원을 공급하는 전원 케이블 (300) 이 별도의 충전장치 (미도시) 와 전기적으로 연결됨으로써 전원을 공급받고, 이로 인해 발열하도록 구성된다.

전원 케이블 (300) 은 전력을 공급하는 충전장치와 전기적으로 접속되는 접속 단자 및 전극 (120) 의 일단과 연결된 전선을 포함하여 구성된다. 일측 피복을 벗긴 전선의 심선이 전극 (120) 의 일단에 연결됨으로써, 충전장치로부터 전극 (120) 으로, 전극 (120) 으로부터 발열층 (130) 의 나노 발열 섬유 (131) 로 전력이 공급될 수 있도록 할 수 있다. 이 때, 충전장치는 휴대용 보조배터리가 이용될 수 있다.

휴대용 보조배터리는 전자 기기와 유선으로 연결됨으로써 전자 기기를 충전할 수 있는 장치이다. 구체적으로, 전자 기기는 일반적으로 충전장치를 이용하여 콘센트로부터 전기를 공급받음으로써 충전이 이루어진다. 그러나, 사용자가 전자 기기를 충전하는 중에 사용하려는 경우, 사용자는 충전장치의 길이 또는 콘센트의 위치에 따라 사용에 제한을 받아 불편함을 겪게 된다. 휴대용 보조배터리는 이러한 불편함을 해소할 수 있는 장치로써, 본 발명의 발열 방석 (1000) 을 공간이나 콘센트의 제약 없이 어디에서나 사용할 수 있도록 한다.

도 1 및 도 2에 도시된 전원 케이블 (300) 은 예시적인 것이며, 공지의 전원 케이블이 선택될 수도 있다. 또한, 발열 방석 (1000) 의 전원 케이블 (300) 은 발열 방석 (1000) 과 일체형으로 형성되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 발열 방석 (1000) 의 일면에 접속부가 형성되어, 접속 단자가 발열 방석 (1000) 의 내측으로 삽입되도록 구성될 수도 있다.

한편, 본 발명의 발열 방석 (1000) 은 온도 센서 및 온도 조절 장치 (미도시) 를 포함할 수 있다.

발열 방석 (1000) 은 온도 센서를 포함함으로써, 발열층 (130) 또는 발열체 (100) 에서의 온도를 감지할 수 있다. 온도 센서에서 측정된 온도는 발열층 (130) 의 동작을 적절하게 제어하기 위하여 활용될 수 있다.

온도 센서는 구성이 간단하며 비용이 저렴하고, 고온에서도 온도 측정 효과가 우수한 열전대 (Thermo couple) 인 것이 바람직하다. 다만 이에 한정되는 것은 아니고, 온도 센서는 바이메탈 (bi-metal), 써미스터 (thermistor) 등 공지의 다양한 온도 센서일 수도 있고, 온도 센서는 별도의 전선으로 온도 센서와 연결되어 온도를 표시하는 온도기록 수단을 구비할 수도 있다.

나아가, 온도 센서는 감지된 온도에 따라 발열층 (130) 의 발열을 제어하는 온도 조절 장치와 연결될 수 있다. 온도 조절장치는 설정한 온도에 이르면 OFF 되고 온도가 낮아지면 ON 되는 방식 즉, 발열층 (130) 으로의 전력 공급을 차단하는 방식으로 구동될 수 있다.

다만, 온도 센서 및 온도 조절장치는 상술한 바에 한정되는 것은 아니다. 당업자에게 공지된 다양한 방식으로 발열층 (130) 의 발열 온도가 조절될 수 있음은 물론이다.

이하, 첨부된 도 4 내지 도 6을 참고로 하여 발열 패드의 발열층 (130) 을 형성하는 나노 발열 섬유의 구성 및 나노 발열 섬유를 제조하는 방법에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다. 이때, 설명의 편의를 위하여 도 1 내지 도 3이 함께 참조될 수 있음은 물론이다.

2. 발열층에 포함되는 나노 발열 섬유의 구성

도 4는 발열층 (130) 및 이에 포함되는 나노 발열 섬유 (131, 이하 ‘F’ 라 함) 를 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 4를 참조하면, 발열층은 복수의 나노 발열 섬유 (F) 를 포함하여 형성된다.

나노 발열 섬유 (F) 는 서로 교차되는 지점 (N) 에서 전기적으로 연결되어, 복수의 나노 발열 섬유 (F) 가 네트워크를 이루면서 전류가 흐를 수 있도록 구성된다.

나노 발열 섬유 (F) 는 약 50 nm 내지 1 ㎛ 범위의 직경 및 수 ㎛ 내지 수백 ㎛ 범위의 길이로 형성될 수 있다.

이러한 미세하고 유연한 나노 발열 섬유 (F) 의 특성상, 나노 발열 섬유 (F) 를 포함하여 형성된 발열층 (130) 은 접히거나 휘어지는 등의 외력에 의해 쉽게 손상되지 않아 전기적 안전성이 확보될 수 있다.

이때, 형성되는 나노 발열 섬유 (F) 의 밀도는, 발열층 (130) 으로 3V 내지 7.5V의 전압이 공급되는 경우 발열층 (130) 이 20℃ 내지 60℃의 온도 범위에서 발열하도록 결정될 수 있다. 이러한 성능 조건을 만족하도록 발열층 (130) 을 구성하기 위하여, 발열층 (130) 의 면적 대비 0.2% 내지 10%를 차지하도록 나노 발열 섬유 (F) 가 형성될 수 있다.

3. 나노 발열 섬유의 제조 방법

도 5는 나노 발열 섬유를 제조하기 위한 전기 방사 장치와 그 장치를 사용하여 나노 발열 섬유를 제조하는 방법을 개략적으로 도시한 블록도이고, 도 6은 도 5의 전기 방사 장치에 사용될 수 있는 노즐의 형태를 개략적으로 도시한 단면도이다.

전기 방사 장치

도 5를 참조하면, 전기 방사 장치 (1) 는 방사 용액 탱크 (10), 방사 노즐 (20), 외부 전원 (30) 및 컬렉터 기판 (40) 을 포함한다.

방사 용액 탱크 (10) 는 방사 용액을 저장한다. 방사 용액 탱크 (10) 는 내장된 펌프 (미도시) 를 이용하여 방사 용액을 가압하여 방사 노즐 (20) 에 방사 용액을 제공할 수 있다.

방사 노즐 (20) 은 방사 용액 탱크 (10) 로부터 방사 용액을 제공받아 방사 용액을 방사한다. 방사 노즐 (20) 은 상기 펌프에 의하여 방사 용액이 가압되어 내부의 노즐관을 채운 후에, 외부 전원 (30) 에 의하여 인가된 전압에 의하여 방사 용액을 방사한다.

여기서, 방사 노즐 (20) 로는 도 6의 (a)와 같은 단일 노즐 (20a) 이 사용될 수도 있고, 도 6의 (b)와 같은 이중 노즐 (20b) 이 사용될 수도 있다.

본 발명의 발열층에 포함되는 나노 발열 섬유 (F) 의 구조에 따라 두 형태의 방사 노즐은 선택적으로 사용될 수 있다. 단일 노즐 (20a) 또는 이중 노즐 (20b) 을 사용하여 나노 발열 섬유 (F) 를 제조하는 경우의 제조 공정 및 제조된 나노 발열 섬유 (F) 의 구조는 후술하도록 한다.

외부 전원 (30) 은 방사 노즐 (20) 에 방사 용액이 방사되도록 전압을 제공한다. 전압은 방사 용액의 종류 및 방사 양에 따라 변화될 수 있다. 예를 들어 약 100 V 내지 약 30000 V 의 범위일 수 있고, 직류이거나 교류일 수 있다. 외부 전원 (30) 에 의하여 인가된 전압은 방사 노즐 (20) 에 채워진 방사 용액을 방사시킬 수 있다.

컬렉터 기판 (40) 은 방사 노즐의 하측에 위치하고, 방사되는 방사 용액을 수용한다. 컬렉터 기판 (40) 은 접지되어 접지 전압인 0V의 전압을 가질 수 있고, 또는 컬렉터 기판 (40) 은 방사 노즐 (20) 과 반대 극성의 전압을 가질 수도 있다. 외부 전원 (30) 에 의하여 방사 노즐 (20) 이 양의 전압 또는 음의 전압으로 하전되고, 이에 따라 방사 용액도 하전되므로, 접지되거나 반대 극성의 전압을 가지는 컬렉터 기판 (40) 과 전압 차이가 발생하게 된다.

외부 전원 (30) 에 의하여 방사 노즐 (20) 에 전압이 인가되면, 방사 노즐 (20) 의 단부에서 방사 용액이 테일러 콘과 같은 원뿔형 형상으로 형성된다. 이때, 방사 노즐 (20) 과 방사 용액 사이에는 약 50000 V/m 내지 약 150000 V/m 범위의 전기장이 형성될 수 있다. 전압 차이에 의하여 방사 용액은 컬렉터 기판 (40) 으로 방사되어 수용될 수 있다.

방사 용액의 유량과 방사 노즐 (20) 및 컬렉터 기판 (40) 의 전압 차이를 제어함에 따라, 방사 용액의 방사에 의하여 컬렉터 기판 (40) 에 수용되는 나노 발열 섬유 구조체 (50) 의 직경과 길이를 제어할 수 있다. 예를 들어, 상술한 전기 방사 장치 (1) 로부터 방사된 나노 발열 섬유 구조체 (50) 는 약 50 nm 내지 1 ㎛ 범위의 직경 및 약 수 ㎛ 내지 수백 ㎛ 범위의 길이를 가질 수 있다.

한편, 도 5에서의 방사 노즐 (20) 과 컬렉터 기판 (40) 의 위치 관계는 예시적인 것이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 컬렉터 기판 (40) 이 방사 노즐 (20) 의 상측에 위치하고 방사 노즐 (20) 에서 방사되는 방사 용액이 상측 방향으로 방사될 수도 있고, 컬렉터 기판 (40) 이 방사 노즐 (20) 에 대하여 수평하게 위치하고 방사 노즐 (20) 에서 방사되는 방사 용액이 수평 방향으로 방사될 수도 있다. 방사 노즐 (20) 및 컬렉터 기판 (40) 의 다양한 배치 방식에 따른 전기 방사 방식이 본 발명의 기술적 사상에 포함될 수 있다. 또한, 컬렉터 기판 (40) 으로 면상 기판을 예시하였지만, 이에 한정되지 않고 컬렉터 기판 (40) 으로 중심축을 두고 회전하는 드럼형 컬렉터가 사용될 수 있음은 물론이다.

나아가, 방사 노즐 (20) 은 방사 용액을 선형 형태로, 예를 들어 와이어 형태 또는 로드 형태로 방사시킬 수 있다 (즉, 스피닝 모드 (Spinning mode)). 반면, 방사 노즐 (20) 은 방사 용액을 스프레이 형태로 방사시킬 수 있다 (즉, 스프레이 모드 (Spray mode). 방사 용액은 용액의 점성, 용액 내의 용질의 무게 비, 용질과 용액의 종류, 및 용질과 용매의 분자량 등과 같은 자신의 물성에 따라 다른 형태로 방사될 수 있으며, 인가되는 전압의 크기에 따라 다른 형태로 방사될 수도 있다. 예를 들어, 방사 용액이 상대적으로 높은 점성을 가지거나, 상대적으로 낮은 전압이 인가되는 경우에 스피닝 모드에 의해 전기 방사 공정이 수행될 수 있으며, 방사 용액이 상대적으로 낮은 점성을 가지거나, 상대적으로 높은 전압이 인가되는 경우에 스프레이 모드에 의해 전기 방사 공정이 수행될 수 있다.

스피닝 모드와 스프레이 모드는 나노 발열 섬유 (F) 를 제조함에 있어 혼용되어 수행될 수 있으며, 이하의 단일방사 후 코팅 공정에 따른 발열층 제조방법을 설명함에 있어 보다 구체적으로 설명하도록 한다.

전기 방사 물질

본 발명에 포함되는 발열층 (130) 을 형성하는 나노 발열 섬유 (131) 는 나노 물질과 고분자 물질로 제조된다.

나노 물질은 도전성 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 금속 나노 물질을 포함하거나 또는 탄소 나노 물질을 포함할 수 있다.

구체적으로 나노 물질은 은(Ag) 나노 물질인 것이 바람직하다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고 나노 물질은 구리(Cu), 코발트(Co), 스칸듐(Sc), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 아연(Zn), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 니오브(Nb), 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 테크네늄(Tc), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 카드뮴(Cd), 하프늄(Hf), 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au), 수은(Hg), 란탄족 원소(lanthanide), 및 악티늄족 원소(actinoid), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 갈륨(Ga) 및 인듐(In)로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

나노 물질은 다양한 나노 형상을 가지는 물질로 구성될 수 있고, 예를 들어 나노 입자(nanoparticle), 나노 와이어(nanowire), 나노 튜브(nanotube), 나노 로드(nanorod), 나노 월(nanowall), 나노 벨트(nanobelt) 및 나노 링(nanoring) 으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

이러한 나노 물질은 용해성 용매에 용해된 나노 물질 용액으로 구성될 수 있다. 용해성 용매는 물, 알콜 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있으며, 예컨대, 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 아세톤, 데트라하이드로퓨란, 톨루엔 또는 디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드, N,N-디메틸 포름아미드, 1-메틸-2-피롤리돈, 트리메틸 포스페이트 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.

다만, 상술한 나노 물질 및 나노 물질 용액은 예시적인 것이며, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.

고분자 물질 및 고분자 물질로부터 형성된 고분자 나노 섬유는 다양한 고분자 물질을 포함할 수 있다.

예를 들어, 고분자 물질은 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리메틸메스아크릴레이트(PMMA), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리우레탄, 폴리에테르우레탄, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 폴리메틸아크릴레이트(PMA), 폴리비닐아세테이트 (PVAc), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리퍼퓨릴알콜(PPFA), 폴리스티렌, 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 폴리프로필렌옥사이드(PPO), 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리카프로락톤, 폴리비닐풀루오라이드 및 폴리아마이드로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

또한, 고분자 물질은 상술한 물질의 공중합체를 포함할 수 있고, 예를 들어 폴리우레탄 공중합체, 폴리아크릴 공중합체, 폴리비닐아세테이트 공중합체, 폴리스티렌 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드공중합체, 폴리프로필렌옥사이드 공중합체, 및 폴리비닐리덴 풀루오라이드 공중합체로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

이러한 고분자 물질은 용해성 용매에 용해된 고분자 물질 용액으로 구성될 수 있다. 용해성 용매는 물, 알콜 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있으며, 예컨대, 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 아세톤, 데트라하이드로퓨란, 톨루엔 또는 디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드, N,N-디메틸 포름아미드, 1-메틸-2-피롤리돈, 트리메틸 포스페이트 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다

다만, 상술한 고분자 물질 및 고분자 물질 용액은 예시적인 것이며, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.

단일 방사 공정에 따른 나노 발열 섬유 제조방법

도 6의 (a)의 단일 노즐 (20a) 을 사용하여 단일 방사가 수행되는 구체적인 공정은 다음과 같다.

먼저, 단일 노즐 (20a) 로부터 방사된 나노 발열 섬유 구조체 (50) 를 수집하기 위한 기판을 배치한다. 여기서 기판은, 도 5의 컬렉터 기판 (40) 이거나 또는 컬렉터 기판 (40) 상에 배치된 별개의 기판일 수 있다. 컬렉터 기판 (40) 과 별개의 기판인 경우, 기판은 도전성 물질을 포함하여 컬렉터 기판과 동일한 전압 상태를 가질 수 있다.

방사 용액 탱크 (10) 로부터 공급된 방사 용액을 기판 상에 전기 방사한다.

단일 방사 공정에서 사용되는 방사 용액은 상술한 나노 물질 용액일 수도 있고, 상술한 나노 물질 용액에 고분자 물질 용액이 혼합된 혼합 용액일 수도 있다. 방사 용액은 겔(gel) 상태일 수 있다.

전기 방사 시 인가되는 전압은 나노 물질의 종류, 고분자 물질의 종류, 기판의 종류 및 공정 환경 등에 따라 변화될 수 있음은 물론이고, 예컨대 약 100 V 내지 약 30000 V 의 범위일 수 있다.

전기 방사에 의해 형성된 나노 발열 섬유 구조체 (50) 는 기판 상에 안착하여, 서로 겹쳐져 연결되어 형성된 1차원, 2차원 또는 3차원 네트워크 구조체를 구성하도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 나노 발열 섬유 구조체 (50) 는 복수의 선형 형상의 구조들이 평행하게 서로 겹쳐져 연결되어 하나의 선형 형상으로 연결된 1차원 네트워크 구조체를 형성할 수도 있고, 복수의 선형 형상의 구조들이 소정의 각도를 가지도록 서로 겹쳐져 연결되어 하나의 평면 형상으로 연결된 2차원 네트워크 구조체를 형성할 수 있으며, 복수의 선형 형상의 구조들이 소정의 각도를 가지도록 서로 겹쳐져 연결되어 하나의 입체 형상으로 연결된 3차원 네트워크 구조체를 형성할 수 있다. 나아가, 나노 발열 섬유 구조체 (50) 는 소정의 패턴을 가지는 형상을 가질 수 있고, 예를 들어 그물망(mesh) 형상을 가지거나, 웹(web) 형상을 가지도록 배열될 수도 있다.

다음으로, 기판에 배열된 나노 발열 섬유 구조체 (50) 의 내부의 변형을 바로잡고 물질들이 균질하게 배치되도록 하기 위하여 어닐링 (annealing) 공정이 선택적으로 수행될 수 있다. 어닐링은 일정 온도 온도까지 가열했다가 서서히 식히는 열 처리 방식으로, 기설정된 온도 범위에서 나노 발열 섬유 구조체 (50) 를 적당히 가열함으로써 수행될 수 있다.

어닐링 공정에 의해 나노 발열 섬유 구조체 (50) 에 포함된 나노 물질 사이의 결합력을 증가시킴으로써, 나노 발열 섬유 구조체 (50) 가 도 5의 나노 발열 섬유 (F) 로 형성될 수 있다.

어닐링은 대기 중의 공기 분위기, 아르곤 가스나 질소 가스를 포함하는 불활성 분위기 또는 수소 가스를 포함하는 환원성 분위기에서 수행될 수 있다. 어닐링 공정은 선택적인 것으로 생략될 수도 있고 또는 여러 차례에 걸쳐 단계적으로 수행될 수도 있다.

단일 방사 후 코팅 공정에 따른 나노 발열 섬유 제조방법

도 6의 (a)의 단일 노즐 (20a) 을 사용하여 단일 방사 후 코팅이 수행되는 구체적인 공정은 다음과 같다.

먼저, 단일 노즐 (20a) 로부터 방사된 나노 발열 섬유 구조체 (50) 를 수집하기 위한 기판을 배치한다. 기판을 배치하는 단계는 상술한 ‘단일 방사 공정에 따른 나노 발열 섬유 제조방법’에서 과 동일하므로 중복된 설명은 생략한다.

단일 방사 후 코팅 공정에서 사용되는 방사 용액은 상술한 나노 물질 용액 및 고분자 물질 용액 중 선택된 하나의 용액일 수 있다. 방사 용액은 겔 gel) 상태일 수 있다.

‘단일 방사 공정에 따른 나노 발열 섬유 제조방법’에서 상술한 바와 같이, 전기 방사 시 인가되는 전압은 나노 물질의 종류, 고분자 물질의 종류, 기판의 종류 및 공정 환경 등에 따라 변화될 수 있음은 물론이고, 예컨대 약 100 V 내지 약 30000 V 의 범위일 수 있다.

다음으로, 방사된 나노 섬유 상에, 나노 물질 용액 및 고분자 물질 용액 중 전기 방사된 용액과 다른 하나의 용액을 스프레이 방사하여, 방사된 나노 섬유의 적어도 일부를 둘러싸도록 코팅층을 형성한다.

상술한 바와 같이, 전기 방사 장치를 사용하여 방사 용액의 점성, 용질과 용액의 종류 등의 물성에 따라, 인가되는 전압의 크기에 따라 스피닝 모드 또는 스프레이 모드로 방사를 수행할 수 있으므로, 스피닝 모드로 방사된 나노 섬유 상에 스프레이 모드로 코팅층을 형성함으로써 나노 물질 및 고분자 물질이 서로 다른 층을 형성하도록 구성된 이중의 나노 발열 섬유 구조체 (50) 를 제조할 수 있다.

예를 들어, 고분자 물질을 포함하는 고분자 섬유가 내측에 위치하고 나노 물질을 포함하는 코팅층이 고분자 섬유의 외측에서 둘러싸면서 위치하는 이중 구조로 형성될 수도 있고, 나노 물질을 포함하는 나노 섬유가 내측에 위치하고 고분자 물질을 포함하는 코팅층이 나노 섬유의 외측에서 둘러싸면서 위치하는 이중 구조로 형성될 수도 있다. 여기서, 코팅층은 방사된 나노 섬유를 완전히 둘러싸도록 형성될 수도 있고, 방사된 나노 섬유의 일부가 외부로 노출되도록 방사된 나노 섬유의 일부를 둘러싸도록 형성될 수도 있다.

단일 방사 후 코팅 의해 형성된 나노 발열 섬유 구조체 (50) 는 기판 상에 안착하여, 서로 겹쳐져 연결되어 형성된 1차원, 2차원 또는 3차원 네트워크 구조체를 구성하도록 배열될 수 있으며, 상술한 어닐링 공정에 의하여 나노 발열 섬유 구조체 (50) 는 약 수 ㎛ 내지 수백 ㎛ 범위의 길이의 나노 발열 섬유 (F) 로 형성될 수 있다.

한편, 이중층의 나노 발열 섬유 구조체 (50) 에, 선택적으로, 고분자 물질이 제거되도록 소결 (sintering) 공정이 수행될 수 있다. 소결 공정에 의하여 고분자 물질이 제거되면, 막대 타입 또는 중공 타입의 나노 발열 섬유가 제조될 수 있다.

즉, 고분자 물질이 나노 물질을 둘러싸도록 나노 발열 섬유 구조체 (50) 가 이중층 구조로 형성되는 경우, 고분자 물질을 소결하여 제거하면, 최종적으로 내부가 빈 중공의 형상으로 나노 발열 섬유 (F) 가 형성된다. 반대로 나노 물질이 고분자 물질을 둘러싸도록 나노 발열 섬유 구조체 (50) 가 이중층 구조로 형성되는 경우, 고분자 물질을 소결하에 제거하면, 최종적으로 막대 형상으로 나노 발열 섬유 (F) 가 형성된다.

고분자 물질을 제거하기 위한 소결 방식은 화학적 소결, 광 소결 및 열 소결 방식이 채용될 수 있다.

화학적 소결은 고분자 물질이 녹을 수 있는 유기 용매에 고분자 물질과 나노 물질이 이중층을 형성하고 있는 나노 발열 섬유 구조체 (50) 를 함침시킴으로써 고분자 물질을 녹여 내는 방식으로 소결하는 것을 의미한다.

여기서, 유기 용매는 고분자 물질을 용해할 수 있는 모든 종류의 용매를 포함할 수 있다. 유기 용매는 헥산과 같은 알칸족, 톨루엔과 같은 방향족, 디에틸 에테르와 같은 에테르족, 클로로포름과 같은 알킬 할라이드족, 에스테르족, 알데히드족, 케톤족, 아민족, 알코올족, 아미드족, 카르복실산족 및 물 등 다양한 물질을 포함할 수 있다. 유기 용매는, 예를들어 아세톤, 플로로알칸, 펜탄, 헥산, 2,2,4-트리케틸펜탄, 데칸, 시클로헥산, 시클로펜탄, 디이소부틸렌, 1-펜텐, 카본디설파이드, 카본테트라클로라이드, 1-클로로부탄, 1-클로로펜탄, 실렌, 디이소프로필에테르, 1-클로로프로판, 2-클로로프로판, 톨루엔, 틀로로벤젠, 벤젠, 브로모에탄, 디에틸 에테르, 디에틸 설파이드, 클로로포름, 디클로로메탄, 4-메틸-2-프로파논, 테트라하이드로퓨란, 1,2-디클로로에탄, 2-부타논, 1-니트로프로판, 1,4-디옥산, 에틸 아세테이트, 메틸 아세테이트, 1-펜타놀, 디메틸 설폭사이드, 아닐린, 디에틸아민, 니트로메탄, 아세토니트릴, 피리딘, 2-부톡시에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 에탄올, 메탄올, 에틸렌 글리콜 및 아세트 산으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

광 소결은 제논 램프 등을 이용하여 원하는 파장 영역 (또는 전 영역) 의 빛을 일정 에너지로 1초에서 수초 동안 조사함으로써, 빛을 이용하여 짧은 시간 동안 고분자 물질을 제거하고 나노 물질들의 네트워킹을 형성하는 방식을 의미한다.

광 소결 공정에서는 광펄스 (light pulse), 켜짐 시간, 꺼짐 시간, 전압 및 파장영역 등이 중요한 조절 변수로서, 이러한 변수 들의 최적화 과정을 거쳐 광 소결이 이루어지는 것이 바람직하다.

광 소결은 수초 내에 이루어질 수 있으므로 필요에 따라 여러 번 반복적으로 수행될 수도 있다.

열 소결은 고분자 물질이 녹는점 이상의 온도 범위로 나노 발열 섬유를 가열함으로써 고분자 물질을 녹여 내는 방식으로 소결하는 것을 의미한다.

예컨대, 500℃ 이상의 높은 온도에서 열 소결 하여 고분자 물질을 녹여내고 나노 물질들이 서로 네트워킹을 형성하도록 할 수 있다. 다만, 녹는 점이 낮은 일반 유리기판이나 플라스틱 기판을 사용하는 경우 고온으로 열 소결하는 공정을 이용할 수 없으므로, 열 소결 방식을 채택하는 경우 기판의 선택에 유의할 필요가 있다.

이중 방사 공정에 따른 나노 발열 섬유 제조방법

도 6의 (b)의 이중 노즐 (20b) 을 사용하여 이중 방사가 수행되는 구체적인 공정은 다음과 같다.

이중 노즐 (20b) 은 제1 방사 물질을 방사하는 제1 노즐 (21) 과, 제2 방사 물질을 방사하는 제2 노즐 (22) 을 포함할 수 있다. 제1 노즐 (21) 은 제1 방사 물질을 포함하는 제1 탱크 (11) 와 연결되고, 제2 노즐 (22) 은 제2 방사 물질을 포함하는 제2 탱크 (12) 와 연결된다. 이러한 이중 노즐 (20b) 은 제1 방사 물질과 제2 방사 물질이 서로 혼합하지 않은 상태에서 동시에 방사될 수 있도록 한다.

본 발명에서 이중 노즐 (20b) 은 제1 노즐 (21) 과 제1 노즐 (21) 을 둘러싸도록 형성된 제2 노즐 (22) 을 포함하여, 제1 노즐 (21) 과 제2 노즐 (22) 의 축이 일치하도록 구성된 동축 이중 구조의 노즐인 것으로 예시한다. 다만, 본 발명의 이중 노즐 (20b) 은 동축 이중 노즐에 한정되는 것은 아니고, 제1 노즐 (21) 과 제2 노즐 (22) 이 병렬적으로 배치된 이중 노즐 (20b) 일 수도 있고 그 밖의 다양한 형태의 이중 노즐로 변경될 수 있음은 물론이다.

먼저, 이중 노즐 (20b) 로부터 방사된 나노 발열 섬유 구조체 (50) 를 수집하기 위한 기판을 배치한다. 기판을 배치하는 단계는 상술한 ‘단일 방사 공정에 따른 나노 발열 섬유 제조방법’에서 과 동일하므로 중복된 설명은 생략한다.

제1 탱크 (11) 및 제2 탱크 (12) 로부터 공급된 제1 및 제2 방사 용액을 기판 상에 이중 전기 방사한다.

제1 방사 용액과 제2 방사 용액은 동시에 방사될 수 있고, 동일한 방사 길이를 가질 수 있다. 또한, 제2 방사 용액은 제1 방사 용액의 외측을 둘러싸서 방사될 수 있고, 제1 방사 용액은 제2 방사 용액에 둘러싸여 내부에 위치할 수 있다. 이에 따라, 기판에 수용되는 나노 발열 섬유 구조체 (50) 는 제1 방사 용액이 내부에 위치하고, 제2 방사 용액이 제1 방사 용액의 외측을 둘러싸는 이중층 구조를 가질 수 있다.

여기서, 제1 방사 용액이 나노 물질 용액이고 제2 방사 용액이 고분자 물질 용액일 수도 있고, 반대로 제2 방사 용액이 고분자 물질 용액이고 제2 방사 용액이 나노 물질 용액일 수도 있다. 제1 방사 용액과 제2 방사 용액의 종류는 상술한 바와 같이 본 발명의 전기 방사 공정에 따라 제조하고자 하는 나노 발열 섬유의 형태가 막대 타입 (rod type) 인지 중공 타입 (hollow type) 인지에 따라 선택될 수 있다.

동축 이중층 나노 발열 섬유 구조체 (50) 가 용이하게 형성되기 위하여는 제1 방사 용액과 제2 방사 용액이 서로 섞이지 않아야 하므로 다음과 같은 조건으로 방사가 수행되는 것이 바람직하다.

외측의 제2 방사 용액의 주입 및 방사 속도가 내측의 제1 방사 용액의 주입 및 방사 속도에 비하여 같거나 클 수 있다. 제1 방사 용액과 제2 방사 용액 중 적어도 어느 하나는 도전성을 가질 필요가 있으며, 제1 방사 용액과 제2 방사 용액의 증기압이 동일하거나 유사한 수준이어야 한다. 또한, 제1 방사 용액의 점성이 제2 방사 용액의 점성과 동일하거나 또는 더 커야 한다.

예컨대, 본 발명의 이중 방사 공정에서 제1 방사 용액의 주입 및 방사 속도가 0.1 ml/hour 내지 1.5 ml/hour 범위이고, 제2 방사 용액의 주입 및 방사 속도가 1.5 ml/hour 내지 3.5 ml/hour 범위일 수 있다. 다만, 이러한 주입 속도는 예시적인 것이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.

상술한 ‘이중 방사 공정에 따른 나노 발열 섬유 제조방법’에 따르면, 고분자 물질이 나노 물질을 둘러싸도록 또는 나노 물질이 고분자 물질을 둘러 싸도록 이중층 구조로 나노 발열 섬유 구조체 (50) 가 형성된다. 이중 방사된 나노 발열 섬유 구조체 (50) 는 기판 상에 안착하여, 서로 겹쳐져 연결되어 형성된 1차원, 2차원 또는 3차원 네트워크 구조체를 구성하도록 배열될 수 있으며, 상술한 어닐링 공정에 의하여 나노 발열 섬유 구조체 (50) 는 약 수 ㎛ 내지 수백 ㎛ 범위의 길이의 나노 발열 섬유 (F) 로 형성될 수 있다.

이렇게 형성된 이중층의 나노 발열 섬유 구조체 (50) 는 선택적으로 고분자 물질을 소결하는 공정에 의해 막대 타입 또는 중공 타입의 나노 발열 섬유 (F) 로 형성될 수 있다. 소결 공정은 상술한 ‘단일 방사 후 코팅 공정에 따른 나노 발열 섬유 제조방법’에 따른 소결 공정과 동일하므로, 중복된 설명은 생략하도록 한다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1000 … 발열 방석
100 … 발열체
101 … 제1 발열 유닛
102 … 제2 발열 유닛
103 … 전선
110 … 기재
120 … 전극
130 … 발열층
131 … 나노 발열 섬유
140 … 단열층
200 … 외피
300 … 전원 케이블
1 … 전기 방사 장치
10 … 방사 용액 탱크
11 … 제1 탱크
12 … 제2 탱크
20 … 방사 노즐
20a … 단일 노즐
20b … 이중 노즐
21 … 제1 노즐
22 … 제2 노즐
30 … 외부 전원
40 … 컬렉터 기판
50 … 나노 발열 섬유 구조체

Claims

복수 개의 발열체를 포함하는 발열 방석에 있어서,
상기 발열체는, 기재의 적어도 일부의 영역에 금속 나노 물질을 포함하는 방사 물질이 전기 방사 (electrospinning) 되어 형성된 발열층을 포함하고,
상기 복수 개의 발열체는 서로 직렬, 병렬 또는 직렬과 병렬이 서로 혼합된 전기적인 연결 구조를 이루는 것을 특징으로 하는, 발열 방석.
제1 항에 있어서,
상기 발열층은, 상기 방사 물질이 전기 방사되어 형성된 복수의 나노 발열 섬유가 서로 교차되는 지점에서 전기적으로 연결되어 네트워크를 이루도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 발열 방석.
제1 항에 있어서,
상기 발열 방석은,
상기 복수 개의 발열체 중 적어도 두 개의 발열체가 서로 병렬로 연결되는 발열 유닛; 을 포함하고,
상기 유닛은, 적어도 두 개가 구비되는 것을 특징으로 하는, 발열 방석.
제3 항에 있어서,
적어도 두 개의 상기 발열 유닛은, 서로 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는, 발열 방석.
제1 항에 있어서,
상기 금속 나노 물질은, 은 나노 입자 (Ag nanoparticles) 인 것을 특징으로 하는, 발열 방석.
제1항에 있어서,
상기 발열층은, 상기 방사 물질이 이중 전기 방사 (co-electrospinning) 되어 형성되는 것을 특징으로 하는, 발열 방석.
제1 항에 있어서,
상기 발열층으로 3V 내지 7.5V의 전압이 공급되는 경우 상기 발열 패드가 20℃ 내지 60℃의 온도 범위에서 발열하도록 상기 나노 발열 섬유의 밀도가 결정되는 것을 특징으로 하는, 발열 방석.
제7 항에 있어서,
상기 나노 발열 섬유는, 상기 발열층의 면적 대비 0.2% 내지 10%를 차지하도록 상기 기재 상에 형성되는 것을 특징으로 하는, 발열 방석.