KR20210024798A - 염색 함침 공법을 활용한 전도성 탄성 부직포 제조방법 - Google Patents

염색 함침 공법을 활용한 전도성 탄성 부직포 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 부도체인 탄성부직포 및 상기 탄성부직포 구성 섬유 내부에 침투하여 분산 결합된 전도성 물질로 구성되고, 상기 탄성부직포 구성섬유 내부에는 분말 직경은 10nm 내지 500㎛이고 구형, 침상형 또는 판상형의 전도성 물질이 존재하고, 상기 전도성 물질 입자 간 거리가 외력에 의해 가까워질 때 전도성이 증가하여 전기 저항이 감소하고, 외력이 제거될 때 다시 전기 저항이 증가하여 전도성이 감소하는 특징이 있는 전도성 탄성 부직포에 관한 것이다.

Description

염색 함침 공법을 활용한 전도성 탄성 부직포 제조방법{Manufacture Of Conductive Nonwoven Fabric Using Dyeing Process}
본 발명은 염색 함침 공법을 활용한 전도성 탄성 부직포 제조방법으로 보다 자세하게는 부직포 섬유 내부에 고착된 전도성 입자에 의해 발생되는 전기적 가변 신호를 이용하는 염색 함침 공법을 활용한 전도성 탄성 부직포 제조방법에 관한 것이다.
최근 우리나라에서는 노인 의료 시설과 노인 복지 시설이 꾸준히 증가하고 있다. 그러나 고령자 치료 기관과 관련된 이러한 실버 산업의 급속한 성장은 모든 측면에서 여전히 불충분하며 특히 관리 측면에서 부족하다. 전형적인 문제의 경우, 이러한 의료 기관에서 노인 환자의 욕창 발생 및 낙상 사고가 80% 이상을 차지한다.
즉, 노인 요양 시설이나 의료 기관에서 노인이나 환자들이 침대에 오랫동안 같은 자세로 누워 있음으로 인하여 욕창이 발생하거나, 연약한 노인들이나 환자들이 침대에서 일어나다가 침대에서 떨어지는 낙상 사고 발생이 크게 증가하고 있는 것이다.
그러나 현재 요양 시설, 병원 등, 간호 및 보호 인력이 부족한 장소에서의 거동이 불편한 노약자나 환자 등이 오랫동안 같은 자세로 침대에 누워 있어서 생기는 욕창 등의 질환을 침대 사용자가 일정시간 동안 같은 자세로 누워 있을 경우 이를 보호자나 간호사에게 실시간으로 전달함으로써 침대 사용자의 자세를 새롭게 교정하여 욕창의 발생을 예방할 수 있다.
침대 사용자가 침대에서 일어나거나 자세를 바꾸다가 침대에서 떨어지는 낙상 사고를 방지하기 위하여, 침대 매트리스에 복수의 압력 센서를 격자 모양으로 배치하고, 이를 통하여 침대 사용자의 자세를 실시간으로 측정하며, 사용자의 침대 위에서의 움직임 패턴을 인식하여 이를 간호사나 보호 인력에게 실시간으로 상태를 알려 줌으로써 욕창이나 낙상 등의 사고를 방지할 필요성이 점차 커지고 있는 실정이다.
또한 상기와 같은 가정용 안전장치뿐만 아니라 체압 분포를 이용하는 다양한 응용 분야에서 압력을 감지하기 위한 장치가 요구된다. 일반적으로 압력 감지 장치는 하부 전극, 하부 전극 상에 배치된 중간층, 그리고 중간층 상에 배치된 상부 전극을 포함한다. 중간층은 탄성을 가지며, 전도성 필러를 포함할 수 있다. 이러한 압력 감지 장치의 성능은 중간층의 탄성 복원력, 전도 성능 등에 영향을 받을 수 있다.
일반적으로, 중간층은 탄성을 갖는 폼(foam)을 전도성 용액에 침지한 후, 세정 및 건조를 거치는 과정으로 제작될 수 있다. 이러한 경우, 압력 감지 장치의 반복적인 사용에 따라, 탄성을 갖는 폼 표면에 부착된 전도성 필러가 이탈될 수 있으며, 이탈된 전도성 필러는 주변 오염원이 될 뿐만 아니라, 압력 감지 장치의 센싱 감도를 떨어뜨리는 원인이 될 수도 있다.
또한, 전도성 필러를 폼 표면에 부착시키기 위하여, 전도성 용액이 접착제를 포함하는 경우, 중간층의 탄성 복원력이 떨어질 수 있다.
따라서 상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명을 개발하게 되었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 부직포 섬유에 전도성 물질을 함침하여 부직포의 탄성 복원력 및 전도성 물질의 고착성이 전도성 탄성 부직포을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 염색 함침 공법을 활용한 전도성 탄성 부직포 제조방법에 있어서,
(a) 부도체인 탄성부직포를 탈이온수로 수세 및 건조하는 전처리 공정;
(b) 전처리 된 탄성부직포를 전도성 수분산 수용액에 디핑하는 함침 공정;
(c) 함침된 부직포를 앞뒷면으로 롤러로 스퀴징하는 압착 공정;
(d) 압착된 부직포를 외부 힘으로 늘린 상태에서 열풍으로 수분을 제거시키는 건조 공정을 포함하는 염색 함침 공법을 활용한 전도성 탄성 부직포 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 (b) 전도성 수분산 수용액은 물 97~99.95중량%에 전도성 물질이 0.05~3중량%가 포함된 것에 특징이 있는 염색 함침 공법을 활용한 전도성 탄성 부직포 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 전도성 물질은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 탄소나노튜브(CNT), 카본 블랙, 그래핀 또는 세라믹 중 어느 하나이며 문말 입자인 것에 특징이 있는 염색 함침 공법을 활용한 전도성 탄성 부직포 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 (d) 단계의 건조 공정에 추가적으로 20~30℃의 공기로 건조하는 것을 추가하는 것에 특징이 있는 염색 함침 공법을 활용한 전도성 탄성 부직포 제조방법을 제공한다.
또한 본 발명은 부도체인 탄성부직포 및 상기 탄성부직포 구성 섬유 내부에 침투하여 분산 결합된 전도성 물질로 구성되고, 상기 탄성부직포 구성섬유 내부에는 분말 직경은 10nm 내지 500㎛이고 구형, 침상형 또는 판상형의 전도성 물질이 존재하고, 상기 전도성 물질 입자 간 거리가 외력에 의해 가까워질 때 전도성이 증가하여 전기 저항이 감소하고, 외력이 제거될 때 다시 전기 저항이 증가하여 전도성이 감소하는 특징이 있는 상기 (d) 단계의 건조 공정에 추가적으로 20~30℃의 공기로 건조하는 것을 추가하는 것에 특징이 있는 염색 함침 공법을 활용한 전도성 탄성 부직포를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 탄성부직포 구성 섬유는 폴리우레탄, 나일론, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리에스터로 이루어진 그룹에서 선택된 하나를 포함하는 합성섬유 또는 천연 섬유를 포함하는 것에 특징이 있는 염색 함침 공법을 활용한 전도성 탄성 부직포를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 전도성 물질은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 탄소나노튜브(CNT), 카본 블랙, 그래핀 또는 세라믹 중 어느 하나이며 분말 입자인 것에 특징이 있는 염색 함침 공법을 활용한 전도성 탄성 부직포를 제공한다.
또한 본 발명은 어느 하나의 전도성 탄성 부직포를 이용한 스마트 메트리스를 제공한다.
본 발명은 가해진 무게에 따른 압력을 정밀하게 감지할 수 있으며, 압력 분포를 정확하게 감지할 수 특징이 있다.
또한 본 발명은 전도성 물질의 이탈을 최소화하여 내구성이 높으며, 탄성 복원력이 높은 특징이 있다.
도 1은 본 발명인 부직포형 가변 저항식 압력감응센서 확대사진이다.
도 2는 본 발명인 부직포형 압력센서의 외력에 따른 가변 저항 신호 원리를 보여준다.
도 3은 본 발명인 부직포형 압력센서의 제조공정 중 함침 및 건조공정에 관한 설명이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 '약', '실질적으로' 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명은 부직포형 가변 저항식 압력감응센서에 관한 것으로, 부도체인 탄성부직포 및 상기 탄성부직포 구성 섬유 내부에 침투하여 분산 결합된 전도성 물질로 구성된다.
도 1은 부직포형 가변 저항식 압력감응센서 확대사진이다. 왼쪽 사진은 부직포를 전도성 물질 중 카본 블랙을 이용하여 함침공정으로 부직포 섬유에 카본 블랙 입자가 구성 섬유 내부에 고착된 것으로 흰색이 흑색으로 변화된 것을 알 수 있으며, 오른쪽 확대된 구성섬유에는 함침 전 섬유의 표면은 매끄러웠으나 카본 블랙이 함침후에는 분말입자가 섬유의 내부 및 일부 표면에 고착된 것을 알 수 있다.
도 2는 부직포형 압력센서의 외력에 따른 가변 저항 신호 원리를 보여준다.
상기 탄성부직포 구성섬유 내부 존재하는 전도성 물질의 입자 간 거리가 외력에 의해 가까워질 때 전도성이 증가하여 전기 저항이 감소하고, 외력이 제거될 때 다시 전기 저항이 증가하여 전도성이 감소하는 특징이 있다.
전도성 물질 입자 간 거리 변화에 따라 발생되는 전기저항의 변화에 의해 작동된다. 상기 원리는 압전 저항 효과(Piezo-resistive resistor effect)에 의해 설명된다. 전기정항(R)은 입자간 접촉면적(A)에 반비례하고 입자간 거리(l)에 비례한다. 따라서, 부직포의 압축 회복에 따라 가변저항값이 변화되고 이를 이용하여 압력감응센서로 이용할 수 있다.
상기 탄성부직포 구성 섬유는 폴리우레탄, 나일론, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리에스터로 이루어진 그룹에서 선택된 하나를 포함하는 합성섬유 또는 천연 섬유를 포함하는 것으로 상기 이외에 탄성력 및 부도체 성질이 있는 탄성부직포는 해당될 수 있다.
상기 부직포에 함침되는 전도성 물질로는 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 탄소나노튜브(CNT), 카본 블랙, 그래핀 또는 세라믹 중 어느 하나이며 나노 입자인 것에 특징이 있다.
전도성 물질의 분말 직경은 10nm 내지 500㎛일 수 있고, 구형, 침상형 또는 판상형일 수 있다. 전도성 분말의 직경이 10nm 미만이면 전도성 고분자 내 분산이 어려우며 입자간 계면 저항이 높아 섬유 전체의 저항이 낮아지게 된다. 그리고, 전도성 분말의 직경이 500㎛를 초과하면 섬유의 표면이 매끄럽지 못하여 마찰력이 증가하고, 이로 인하여 직물 가공 중 섬유의 손상을 유발할 수 있다.
본 발명 부직포형 가변 저항식 압력감응센서 제조방법에 있어서, 하기와 같이 4단계로 구분할 수 있다.
(a) 부도체인 탄성부직포를 탈이온수로 수세 및 건조하는 전처리 공정; (b) 전처리 된 탄성부직포를 전도성 수분산 수용액에 디핑하는 함침 공정; (c) 함침된 부직포를 앞뒷면으로 롤러로 스퀴징하는 압착 공정; (d) 압착된 부직포를 외부 힘으로 늘린 상태에서 열풍으로 수분을 제거시키는 건조 공정을 포함한다.
상기 (a)단계는 부직포 함침전에 전처리 공정으로 부직포에 남아있는 불순물을 제거하기 위해 탈이온수나 증류물 등 깨끗한 물을 이용하여 수세를 하고 상온수준(20~30℃)의 바람으로 건조시킨다.
도 3은 부직포형 압력센서의 제조공정 중 함침 및 건조공정에 관한 설명이다.
상기 (b)단계는 함칭공정으로 전도성 수분산 수용액은 물 97~99.95중량%에 전도성 물질이 0.05~3중량%가 포함된 것에 특징이 있다. 3중량%을 초과하면 수용액상에 전도성 입자가 상호 결합으로 엉킬 수 있어 분산이 어려울 수 있다. 또한 0.05중량% 미만일 경우 부직포 섬유에 함침되는 전도성 물질의 양이 적어 압력감응센서로서 기능이 떨어질 수 있다.
상기 (c)단계는 함침 후 남아있는 수용액을 압착공정으로 제거하고 동시에 압착시 전도성 물질이 섬유 내부로 이동을 용이하게 하여 섬유와 고착이 유리하도록 한다.
마지막으로 (d)단계는 압착된 부직포를 인장력으로 늘린 상태에서 전도성 물질이 섬유와 결합이 견고하게 유지하기 위해 80~120℃ 고온으로 열풍건조시킨다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 설명의 특징 및 기타의 장점은 후술되는 실시예로부터 보다 명백하게 될 것이며, 하기 실시예는 예시적인 목적으로 기재될 뿐 본 발명의 보호범위를 한정하거나 제한하는 것으로 해석될 수 없다.
<실험예>
실시예 1~3
부도체인 PET 탄성 부직포에 표1의 카본 블랙 1~3중량%를 갖는 전도성 용액에 앞뒷면 각각 3분동안 함침한 후, 자동 패딩 맹글(Padding mangle)에 두께 10mm기준 2bar(0.2MPa)기준으로 스퀴징(Squeezing)을 실시한다. 이후, 전도성 용액에 함침한 섬유를 대류 순환식 열풍건조기를 활용하여 염색온도 조건에 준하는 80℃ 열풍 온도에서 공기 순환 속도(Air circulation speed) 1,800RPM 수준으로 5분간 건조한 후, 상온 25℃ 열풍 5분 이상 건조하여 안정화 상태로 제조한다.
전도성 탄성 부직포의 전기적 성질의 경우, 전기 전도성이 1kΩ 이상, 전기 저항의 변화폭이 크도록 설계한다.
비교예 1
전도성 용액의 카본 블랙 함량이 0.5중량%인 것 이외는 실시예와 동일하다.
<측정방법>
1. 역학적 외력에 따른 가변 전기 저항 측정
아래 규격에 준하는 장비를 사용하여 부직포의 가변 저항을 측정한다.
- KS K0180 : 실의 전기 저항 시험방법
- KS K 0170 : 천의 표면 전기 저항성 시험방법
2. 가변 전기저항에 따른 A/D conversion
전도성/탄성 부직포에 작용하는 외력에 따라 실시간으로 변화되는 아날로그 신호인 전기저항(Resistance)값을 제품에 적용, 신호 감응 센서로서 활용하기 위해 디지털 신호 변환 작업이 필요하다. 이에 따라 IC MCU 모듈을 활용한 디지털 신호 변화값 측정이 가능하다.
이때, 저항분배법칙(Resistive-divider rule)에 의해 공급전압(Vin)에 따른 가변 출력전압(Vout)값을 아래 수식 1을 이용하여 환산함으로서 디지털 신호출력이 가능하다.
Figure pat00001
[수식 1]
카본 블랙 함량 R0
[초기 상태]		 Rf
[압력 상태]		 변화 폭 신호 안정성
비교예 0.5wt% 10kΩ 7.2kΩ 2.8kΩ 小
실시예 1 1.0wt% 6kΩ 5kΩ 1kΩ 中
실시예 2 2.0wt% 4.5kΩ 3.3kΩ 1.2kΩ 中
실시예 3 3.0wt% 1.0kΩ 730Ω 270Ω 高
상기 표1에서 실시예는 1.0~3.0wt%으로 비교예의 0.5wt% 보다 카본 블랙이 고함량이며, 고함량인 경우 카본 블랙 입자 간 거리가 가깝기 때문에 동일한 압력을 가할 경우 입자 간 이동거리가 짧아 변화폭이 작고,
또한 이동거리가 짧으면 압력제거시 원래 상태로 회복하는데 걸리는 시간도 짧아 전기적 신호발생과정에서 히스테리시스 발생이 작아서 신호 안정성이 높다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

Claims (8)

  1. 염색 함침 공법을 활용한 전도성 탄성 부직포 제조방법에 있어서,
    (a) 부도체인 탄성부직포를 탈이온수로 수세 및 건조하는 전처리 공정;
    (b) 전처리 된 탄성부직포를 전도성 수분산 수용액에 디핑하는 함침 공정;
    (c) 함침된 부직포를 앞뒷면으로 롤러로 스퀴징하는 압착 공정;
    (d) 압착된 부직포를 외부 힘으로 늘린 상태에서 열풍으로 수분을 제거시키는 건조 공정을 포함하는 염색 함침 공법을 활용한 전도성 탄성 부직포 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 전도성 수분산 수용액은 물 97~99.95중량%에 전도성 물질이 0.05~3중량%가 포함된 것에 특징이 있는 염색 함침 공법을 활용한 전도성 탄성 부직포 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 탄소나노튜브(CNT), 카본 블랙, 그래핀 또는 세라믹 중 어느 하나이며 문말 입자인 것에 특징이 있는 염색 함침 공법을 활용한 전도성 탄성 부직포 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계의 건조 공정에 추가적으로 20~30℃의 공기로 건조하는 것을 추가하는 것에 특징이 있는 염색 함침 공법을 활용한 전도성 탄성 부직포 제조방법.
  5. 부도체인 탄성부직포 및 상기 탄성부직포 구성 섬유 내부에 침투하여 분산 결합된 전도성 물질로 구성되고,
    상기 탄성부직포 구성섬유 내부에는 분말 직경은 10nm 내지 500㎛이고 구형, 침상형 또는 판상형의 전도성 물질이 존재하고,
    상기 전도성 물질 입자 간 거리가 외력에 의해 가까워질 때 전도성이 증가하여 전기 저항이 감소하고, 외력이 제거될 때 다시 전기 저항이 증가하여 전도성이 감소하는 특징이 있는 염색 함침 공법을 활용한 전도성 탄성 부직포.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄성부직포 구성 섬유는 폴리우레탄, 나일론, 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리에스터로 이루어진 그룹에서 선택된 하나를 포함하는 합성섬유 또는 천연 섬유를 포함하는 것에 특징이 있는 염색 함침 공법을 활용한 전도성 탄성 부직포.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 탄소나노튜브(CNT), 카본 블랙, 그래핀 또는 세라믹 중 어느 하나이며 분말 입자인 것에 특징이 있는 염색 함침 공법을 활용한 전도성 탄성 부직포.
  8. 상기 제5항 내지 제7항의 어느 하나의 전도성 탄성 부직포를 이용한 스마트 메트리스.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP4095298A1 (de) * 2021-05-28 2022-11-30 Carl Freudenberg KG Elektrisch leitfähiger vliesstoff, erdungsring, umfassend einen solchen vliesstoff und anordnung damit

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