KR20200124345A

KR20200124345A - 섬유 소자

Info

Publication number: KR20200124345A
Application number: KR1020190047018A
Authority: KR
Inventors: 김태엽; 김주연; 성치훈; 송주희; 아칠성; 한지수
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2019-04-23
Filing date: 2019-04-23
Publication date: 2020-11-03

Abstract

본 발명은 섬유 소자를 개시한다. 그의 소자는, 제 1 홀을 갖는 하부 기판과, 상기 하부 기판 상의 방사 층과, 상기 방사 층 상에 배치되고, 상기 제 1 홀과 동일한 크기의 제 2 홀을 갖는 상부 기판과, 상기 하부 기판과 상기 방사 층 사이 그리고 상기 방사 층과 상기 상부 기판 사이에 배치된 하부 및 상부 전극들을 포함한다. 상기 하부 및 상부 전극들은 그래핀을 포함하고, 상기 방사 층은 금속 산화물을 포함할 수 있다.

Description

섬유 소자{textile device}

본 발명은 섬유 소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로 기능성 및 유행성을 개선할 수 있는 섬유 소자에 관한 것이다.

최근 국내 날씨의 양극화가 점진적으로 증가함에 따라 날씨 변화에 둔감한 의류의 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 일반적인 의류는 크게 냉감 소재, 보온 소재, 및 발열 소재로 구분될 수 있다. 냉감 소재는 인체와 닿는 접촉 면적을 조절하고 상기 인체의 열을 쉽게 전달시키는 섬유를 포함할 수 있다. 보온 소재는 열 전도율이 낮은 공기층을 함유하는 섬유를 포함할 수 있다. 발열 소재는 주로 원적외선을 방사하는 특수 소재를 이용하여 외부로 열을 방출하는 섬유를 포함할 수 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 인체의 온도에 따라 방사율을 조절하는 섬유 소자를 제공하는 데 있다.

본 발명은 개념에 따른 섬유 소자는 제 1 홀을 갖는 하부 기판; 상기 하부 기판 상의 방사 층; 상기 방사 층 상에 배치되고, 상기 제 1 홀과 동일한 크기의 제 2 홀을 갖는 상부 기판; 및 상기 하부 기판과 상기 방사 층 사이 그리고 상기 방사 층과 상기 상부 기판 사이에 배치된 하부 및 상부 전극들을 포함한다. 여기서, 상기 하부 및 상부 전극들은 그래핀을 포함하고, 상기 방사 층은 금속 산화물을 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 섬유 소자는 하부 기판 및 상부 기판 사이에 배치되어 열 적외선에 대해 약 40% 내지 60%의 방사율을 갖는 금속 산화물의 방사 층을 이용하여 인체의 온도에 따라 방사율을 조절할 수 있다.

도 1은 본 발명의 개념에 따른 섬유 소자의 일 예를 보여주는 사시도이다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 하부 기판 및 상부 기판의 유리, 폴리에틸렌, 및 폴리에스테르 각각의 반사도, 방사율 및 투과율을 보여주는 그래프들이다.
도 3은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 폴리테라플루오로에틸렌, 및 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌의 투과율을 보여주는 그래프들이다.
도 4는 도 1의 방사 층의 광 에너지 흡수율에 따른 방사율을 보여주는 도면이다.
도 5는 도 1의 방사 층의 FT-IR 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 6은 방사율의 계산 방법을 보여주는 도면이다.
도 7은 인체 상의 물체의 가시광선 및 열 적외선의 조절을 비교하여 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 개념에 따른 섬유 소자의 일 예를 보여주는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 개념에 따른 섬유 소자의 일 예를 보여주는 사시도이다.
도 10은 도 9의 상하부 전극들의 투과율과 일반적인 글래스의 투과율을 비교하여 보여준다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면들과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 또한, 바람직한 실시예에 따른 것이기 때문에, 설명의 순서에 따라 제시되는 참조 부호는 그 순서에 반드시 한정되지는 않는다.

또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다.

도 1은 본 발명의 개념에 따른 섬유 소자(100)의 일 예를 보여준다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 섬유 소자(100)는 기능성 섬유(textile), 패션 섬유, 또는 지능형 섬유일 수 있다. 일 예로, 섬유 소자(100)는 하부 기판(10), 방사 층(30), 및 상부 기판(50)을 포함할 수 있다.

하부 기판(10)은 투명 기판일 수 있다. 일 예로, 하부 기판(10)은 제 1 홀들(12)을 가질 수 있다. 제 1 홀들(12)의 각각은 통기구 또는 통풍구일 수 있다. 예를 들어, 하부 기판(10)은 유리, 또는 플라스틱(ex, 폴리에틸렌, 폴리에스테르)을 포함할 수 있다. 하부 기판(10)은 인체 복사열의 열 적외선을 투과할 수 있다.

도 2a 내지 도 2c는 도 1의 하부 기판(10) 및 상부 기판(50)의 유리, 폴리에틸렌, 및 폴리에스테르 각각의 반사도, 방사율 및 투과율을 보여준다.

도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 하부 기판(10)이 폴리에틸렌일 때, 열 적외선(Far Infra-Red ray, 7.5㎛ 내지 14㎛)의 투과율이 70%이상으로 가장 높을 수 있다.

도 2a를 참조하면, 유리의 투과율은 가시광선(visual ray, 4000Å 내지 7500Å) 및 적외선(Infra-Red ray)의 일부(1㎛ 내지 2.5㎛, Near Infra-Red ray, Mid- Infra-Red ray)에 대해 거의 100%에 근접하지만, 열 적외선(7.5㎛ 내지 14㎛)에 대해 거의 0에 가까울 수 있다. 유리의 반사율(R)은 가시광선(4000Å 내지 7500Å) 및 적외선(1㎛ 내지 14㎛)에 대해 모두 20%이하로 낮을 수 있다. 유리의 방사율(E)은 광의 가시광선(4000Å 내지 7500Å) 및 적외선의 일부(1㎛ 내지 2.5㎛)에 대해 거의 0에 가깝지만, 열 적외선(7.5㎛ 내지 15㎛)에 대해 거의 80%에 가까울 수 있다.

도 2b를 참조하면, 열 적외선(7.5㎛ 내지 13㎛)에 대한 폴리에틸렌의 투과율은 유리의 투과율보다 높을 수 있다. 예를 들어, 약 0.03mm 두께의 폴리에틸렌의 투과율은 열 적외선(7.5㎛ 내지 13㎛)에 대해 약 80% 이상 높고, 약 0.13mm 두께의 폴리에틸렌의 투과율은 열 적외선(7.5㎛ 내지 13㎛)에 대해 약 70% 이상 높을 수 있다.

도 2c를 참조하면, 열 적외선(7.5㎛ 내지 14㎛)에 대한 폴리에스테르의 투과율은 폴리에틸렌의 투과율보다 낮을 수 있다. 약 0.03mm 두께의 폴리에스테르의 투과율은 0 내지 약 80%로 낮고, 약 0.25mm 두께의 폴리에스테르의 투과율은 약 0 내지 약 40% 이하로 낮을 수 있다.

도 3은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리테라플루오로에틸렌(PTFE), 및 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(FEP)의 투과율을 보여준다.

도 1 및 도 3을 참조하면, 하부 기판(10)은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 폴리테라플루오로에틸렌(PTFE), 및 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(FEP)을 포함하고, 중 적외선(Mid-IR(Infra-red) ray)에 대해 약 11%이상의 투과율을 가질 수 있다. 예를 들어, 폴리에틸렌(PE)은 약 54% 이상의 투과율을 갖고, 폴리프로필렌(PP)은 약 58% 이상의 투과율을 갖고, 폴리스티렌(PS)은 약 11%이상의 투과율을 갖고, 폴리테라플루오로에틸렌(PTFE) 및 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(FEP)은 약 37% 이상의 투과율을 가질 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 방사 층(30)은 상기 하부 기판(10) 상에 배치될 수 있다. 방사 층(30)은 그물(mesh) 모양을 가질 수 있다. 일 예로, 방사 층(30)은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 방사 층(30)은 텅스텐 산화물(WO₃)을 포함할 수 있다. 텅스텐 산화물(WO₃)의 방사 층(30)은 인체의 온도에 따라 변색될 수 있다. 방사 층(30)은 인체 온도에 따라 방사율을 조절할 수 있다. 방사 층(30)의 투과율이 감소하면, 상기 방사 층(30)의 방사율은 증가할 수 있다.

도 4는 도 1의 방사 층(30)의 광 에너지 흡수율(A)에 따른 방사율(E)을 보여준다.

도 4를 참조하면, 광 에너지(H)는 반사율(R), 흡수율(A), 및 투과율(T)의 합으로 계산될 수 있다. 예를 들어, 광 에너지(H)가 방사 층(30)에 100%로 제공될 때, 상기 방사 층(30)의 반사율(R)은 약 20%이고, 흡수율(A)은 약 70%이고, 투과율(T)은 약 10%일 수 있다. 방사 층(30)의 흡수율(A)은 방사율(E)과 동일할 수 있다. 방사율(E)은 약 70%일 수 있다.

도 5는 도 1의 방사 층(30)의 FT-IR 측정 결과를 보여준다.

도 5를 참조하면, 밝을 경우, 방사 층(30)은 적외선 영역(7.5㎛ 내지 14㎛)의 에너지에 대해 약 50% 내지 약 100%의 제 1 반사율(R1)을 가질 수 있다. 방사 층(30)은 투과 없이 에너지를 반사하거나 방사할 수 있다. 예를 들어, 방사 층(30)의 반사율(R)이 증가하면, 방사율(E)은 감소할 수 있다. 방사 층(30)은 약 0 내지 약 50%의 제 1 방사율을 가질 수 있다. 어두울 경우, 방사 층(30)은 적외선 영역(7.5㎛ 내지 15㎛)의 에너지에 대해 약 40% 내지 약 60%의 제 2 반사율(R2)을 갖고, 약 40% 내지 약 60%의 제 2 방사율을 가질 수 있다.

도 6은 방사율(E)의 계산 방법을 보여준다.

도 6을 참조하면, 일반적으로 물체의 방사율(E)은 흑체의 복사 에너지를 이용하여 계산할 수 있다. 일 예로, 방사율(E)은 복사율(ε) 및 흡수율(A)과 동일할 수 있다. 상기 복사율(ε)은 흑체의 복사에너지에 대한 측정 대상의 물체의 복사에너지의 백분율로 정의될 수 있다.

흑체의 복사 에너지 및 흡수 에너지가 약 100이고, 물체의 복사에너지 및 흡수 에너지가 약 80일 경우, 물체의 복사율(ε), 흡수율(A) 및 방사율(E)은 약 80%일 수 있다. 물체의 복사율(ε), 흡수율(A) 및 방사율(E)은 상기 물체의 실제 온도와 비교될 수 있다. 예를 들어, 약 100℃의 물체는 광학 장치에 의해 약 80℃로 측정될 수 있다. 다시 말해, 물체가 약 80℃로 측정되면, 상기 물체의 실제 온도는 약 100℃일 수 있다.

도 7은 인체 상의 물체의 가시광선 및 열 적외선의 조절을 비교하여 보여준다.

도 7을 참조하면, 물체가 가시광선에 대해 흑색으로 나타나고, 물체의 일부는열 적외선에 대해 붉게 나타날 수 있다. 물체가 인체와 동일한 색상 및/또는 동일한 온도로 측정될 경우, 상기 물체의 실제 온도는 상기 측정된 온도와 방사율(E)의 곱으로 계산될 수 있다. 광학 장치가 방사 층(30)의 온도를 측정하면, 방사 층(30)의 실제 온도는 상기 측정된 온도와 방사율(E)의 곱으로 계산될 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 상부 기판(50)은 방사 층(30) 상에 배치될 수 있다. 상부 기판(50)은 하부 기판(10)과 동일한 투명 기판일 수 있다. 예를 들어, 상부 기판(50)은 폴리에틸렌을 포함할 수 있다. 상부 기판(50)은 제 2 홀들(52)을 가질 수 있다. 제 2 홀들(52)은 통기구 또는 통풍구이며, 제 1 홀들(12)과 동일한 모양과 크기를 가질 수 있다.

도 8은 본 발명의 개념에 따른 섬유 소자(100)의 일 예를 보여준다.

도 8을 참조하면, 섬유 소자(100)의 방사 층(30)은 제 1 방사 층(32), 제 2 방사 층(34) 및 제 3 방사 층(36)을 포함할 수 있다. 하부 기판(10)과 상부 기판(50)은 도 1과 동일하게 구성될 수 있다.

제 1 방사 층(32)은 금속(ex Al, W, Ni, Co, Cu, Cr, Mo, Ti, Ta)을 포함할 수 있다. 제 2 방사 층(34)은 제 1 방사 층(32) 상에 배치될 수 있다. 제 2 방사 층(34)은 전해질(ex, 고분자)를 포함할 수 있다. 제 3 방사 층(36)은 제 2 방사 층(34) 상에 배치될 수 있다. 제 3 방사 층(36)은 금속 산화물(ex, WO₃)을 포함할 수 있다.

도 9는 본 발명의 개념에 따른 섬유 소자(100)의 일 예를 보여준다.

도 9를 참조하면, 섬유 소자(100)는 하부 기판(10)과 방사 층(30) 사이의 하부 전극(20)과, 상기 방사 층(30)과 상부 기판(50) 사이의 상부 전극(40)을 포함할 수 있다. 하부 전극(20)과, 상부 전극(40)은 방사 층(30)의 열 적외선을 투과시킬 수 있다. 하부 전극(20)은 투명 전극일 수 있다. 예를 들어, 하부 전극(20)은 그래핀을 포함할 수 있다. 상부 전극(40)은 하부 전극(20)과 동일한 투명 전극일 수 있다. 상부 전극은 그래핀을 포함할 수 있다. 그래핀은 탄소 원자들의 2차원 평면을 이루는 구조로 정의된다. 하부 전극(20) 및 상부 전극(40)은 약 0.2nm의 두께를 가질 수 있다.

이와 달리, 하부 전극(20)과, 상부 전극(40)은 방사 층(30)의 열 전달 효율을 증가시킬 수 있다.

도 10은 도 9의 상하부 전극들(20, 40)의 제 1 투과율(42)과 일반적인 글래스의 제 2 투과율(44)을 비교하여 보여준다.

도 10을 참조하면, 그래핀의 상하부 전극들(20, 40)의 제 1 투과율(42)은 가시광선 및 열 적외선에 대해 글래스의 제 2 투과율(44)보다 높을 수 있다. 이와 달리, 상하부 전극들(20, 40)은 금속 산화물(ex, Indium Tin Oxide), 전도성 고분자, 또는 나노 소재(ex, Carbon nano-tube)을 포함할 수 있다. 금속 산화물은 금속에 비해 높은 투과율을 갖고, 제조 공정의 고 재현성 및 고 안정성을 가질 수 있다. 상기 전도성 고분자는 우수한 유연성을 갖고, 상압/상온 제조 공정 및 롤투롤 프린팅 공정을 통해 용이하게 제조될 수 있다. 상기 나노 소재는 우수한 유연성 및 낮은 면저항을 갖고, 대면적으로 코팅될 수 있다.

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

Claims

제 1 홀을 갖는 하부 기판;
상기 하부 기판 상의 방사 층;
상기 방사 층 상에 배치되고, 상기 제 1 홀과 동일한 크기의 제 2 홀을 갖는 상부 기판; 및
상기 하부 기판과 상기 방사 층 사이, 그리고 상기 방사 층과 상기 상부 기판 사이에 배치된 하부 및 상부 전극들을 포함하되,
상기 하부 및 상부 전극들은 그래핀을 포함하되,
상기 방사 층은 금속 산화물을 포함하는 섬유 소자.