KR100491225B1 - 탄소섬유사 발열직물과 이를 이용한 원적외선 방사면상발열체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄소섬유사가 씨줄(12)과 날줄(13)로 직조된 탄소섬유사 발열직물(11)과 이를 이용한 원적외선 방사 면상발열체에 관한 것으로, 특히 탄소섬유사 씨줄(12)과 날줄(13)의 교차부(14)들을 합성수지를 사용하거나 국부융합법으로 고정시킴으로써 그물망 형태의 탄소섬유사 발열직물(11)의 직조와 그 형태 유지가 가능하며, 탄소섬유사 씨줄(12)과 날줄(13) 사이의 마찰에 의한 스파크 발생을 방지함으로써 전기적 안정성을 이룰 수 있도록 한 것이다.

Description

탄소섬유사 발열직물과 이를 이용한 원적외선 방사 면상발열체{Surface type heater which emits infrared rays}

본 발명은 탄소섬유사가 씨줄과 날줄로 직조된 탄소섬유사 발열직물과 이를 이용한 원적외선 방사 면상발열체에 관한 것으로, 특히 탄소섬유사의 씨줄, 날줄이 교차되는 부분을 합성수지나 국부융합법으로 고정시킴으로써 그물망 형태의 탄소섬유사 발열직물의 직조 및 그 형태 유지가 가능하며, 탄소섬유사 씨줄과 날줄 사이의 마찰에 의한 스파크 발생을 방지함으로써 전기적 안정성을 이룰 수 있도록 한 것이다.

일반적인 면상발열체는 전기 통전에 의해 발생하는 방사열을 이용하고 있어 온도조절이 용이하고 공기가 오염되지 않아 위생적이며 소음이 없기 때문에 히팅 매트나 히팅 패드, 침대 매트리스, 보온 이불이나 담요, 아파트나 일반주택 등의 주거용 난방장치 등에 폭넓게 이용되고 있다.

또한, 사무실이나 상점 등 상업용 건물의 난방장치, 작업장이나 창고, 막사 등의 산업용 난방장치와 각종 산업용 가열장치, 비닐 하우스와 농산물 건조시스템과 같은 농업용 설비, 도로나 주차장의 눈을 녹이거나 결빙을 방지할 수 있는 각종 동결방지장치를 비롯하여 레저용, 방한용, 가전제품, 거울이나 유리의 김서림 방지장치, 건강보조용, 축산용 등에도 이용되고 있다.

상기 면상발열체의 발열원으로는 니크롬, 동니켈 합금과 같은 금속 발열선이 주로 사용되고 있으나, 이와 같은 니크롬 등의 금속 발열선들은 전기가 한 선을 통해 흐르기 때문에 어느 한 부분이라도 끊어지면 전체 발열선에 전기가 통하지 않게 되므로 발열체로서의 기능을 상실하는 문제점이 있다.

뿐만 아니라, 위에 열거한 금속 발열선을 이용한 면상발열체는 발열선 부위만 발열되어지는 부분 발열방식이므로, 온도분포가 불균일하게 형성되는 문제점이 있다.

또한 니크롬 등의 금속들은 원적외선의 방사율이 낮아 대상물체의 가열이 대류에 의해 이루어지기 때문에 복사에 의한 가열에 비해 에너지 효율이 낮으며, 원적외선의 효과를 이용할 수 없다는 문제점이 있다.

이러한 금속 발열선을 이용하는 종래 면상발열체에서의 문제점을 해결하기 위해, 니크롬 등의 금속발열선을 이용하는 대신에 탄소섬유사로 직조한 탄소섬유사 발열직물을 이용하는 방법이 제안되었다.

탄소섬유사는 원적외선 방사율이 매우 우수하기 때문에 탄소섬유사 발열직물을 이용한 면상발열체에서는 복사에 의한 가열이 가능하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있으며, 부가적으로 원적외선의 여러가지 유용한 효과를 이용할 수 있다는 장점이 있다.

도 2는 종래기술에 따른 탄소섬유사 발열직물의 사시도로서, 탄소섬유사의 씨줄(22)과 날줄(23)이 다수개씩 서로 규칙적으로 교차되어 직조된 것임을 알 수 있다.

즉, 탄소섬유사는 면사와는 표면이 매우 미끄러우므로 씨줄과 날줄이 교차하는 부분에서 밀림이 발생하기쉽다. 따라서, 기존의 탄소섬유사 발열직물(21)에서는 도 2에 도시된 것과 같이 탄소섬유사 씨줄(22)과 날줄(23)사이에 공간이 없는 형태로 직조해야 했다.

탄소섬유사 발열직물을 이용한 원적외선 방사 면상발열체를 다양한 난방장치나 가열 시스템에 적용하기 위해서는 용도에 따라 서로 다른 발열특성을 갖는 탄소섬유사 발열직물이 요구되어지는데, 탄소섬유사 발열직물의 단위면적당 발열특성은 단위면적당 탄소섬유사의 양과 탄소섬유사 자체의 저항에 의존한다.

그러나, 도 2와 같은 기존의 탄소섬유사 발열직물(21)에서는 탄소섬유사 씨줄(22)과 날줄(23) 사이에 공간이 없는 형태로 직조되어 있기 때문에 단위면적당 탄소섬유사의 양 변화가 불가능하여 다양한 발열특성을 갖는 제품의 제조가 어려웠다. 또한 전기통전시 탄소섬유사 씨줄(12)과 날줄(13) 사이의 마찰에 의한 스파크 발생으로 전기적 안정성을 이루기 어려운 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 탄소섬유사를 씨줄과 날줄로 구분하여 탄소섬유사 발열직물을 직조할 시에 씨줄과 날줄간의 교차부분들을 합성수지를 사용하거나 국부융합 방법에 의해 고정시킴으로써, 탄소섬유사 발열직물을 그물망 형태로 직조하여 반영구적으로 그 형태를 유지할 수 있도록 하고, 이에 따라 탄소섬유사 씨줄, 날줄간의 마찰로 인한 스파크의 발생을 방지할 수 있게함으로써, 발열성능을 양호하게 유지할 수 있도록 함과 동시에 과거에 고질적 미해결과제로 남아있던 전기적 안전성의 문제까지도 함께 해소할 수 있도록 하는데 있다.

이와 같은 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 탄소섬유사 발열직물의 제 1실시예를 도시한 사시도이며, 도 3은 본 발명의 제 2실시예를 도시한 탄소섬유사 발열직물의 사시도이며, 도 4는 본 발명의 제 3실시예를 도시한 탄소섬유사 발열직물의 사시도이며, 도 5는 본 발명의 제 4실시예를 도시한 탄소섬유사 발열직물의 사시도이며, 도 6은 본 발명에 따른 탄소섬유사 발열직물을 이용한 원적외선 방사 면상발열체의 사시도이다.

먼저 도 1에 의해 본 발명의 특징을 살펴보면, 탄소섬유사를 씨줄(12)과 날줄(13)로 사용하여 직조한 탄소섬유사 발열직물에 있어서, 탄소섬유사 씨줄(12)과 날줄(13) 사이의 밀림을 방지하여 그물망 형태로 직조가 가능하며 전기 통전시 탄소섬유사 씨줄(12)과 날줄(13) 사이에서의 마찰에 의한 스파크 발생을 방지하여 전기적 안정성을 이룰 수 있도록 하기 위하여 탄소섬유사 씨줄(12)과 날줄(13)의 교차부분(14)들을 합성수지를 사용하거나 국부융합법을 사용하여 고정시킨 그물망 형태의 탄소섬유사 발열직물(11)에 있다.

한편, 종래 기술에서는 도 2에 도시된 바와 같이 씨줄, 날줄간의 교차 직조시에 여러개씩 한묶음으로 직조하고 있었으나, 본 발명에서는 씨줄(12)과 날줄(13)이 한개씩 일정간격을 두고 분리 교차됨으로써 전체적으로는 그물망 형태로 이루어진다.

즉, 본 발명의 제 1실시예에 의한 탄소섬유사 발열직물(11)에서는 폴리아크릴니트로릴(PAN)계의 탄소섬유사를 씨줄(12)과 날줄(13)로 사용하여 그물망 형태의 탄소섬유사 직물을 제직하고 상기 직물의 씨줄(12)과 날줄(13)의 교차부(14)를 실리콘, 폴리우레탄, 폴리벤젠이미다졸과 같은 합성수지 고온접착제를 사용하여 고정시킴으로써 탄소섬유사 사이에 공간 간격이 있는 그물망 형태의 탄소섬유사 발열직물(11)의 직조가 가능하게 된다.

본 발명의 탄소섬유사 발열직물(11)에서는 탄소섬유사 씨줄(12)과 날줄(13)의 교차부(14)를 고정시킴으로써 탄소섬유사 사이에 공간 간격이 있는 그물망 형태의 탄소섬유사 발열직물(11)의 직조가 가능하다.

본 발명의 탄소섬유사 직물(11)에서는 탄소섬유사 사이의 공간 간격을 조절함으로써 단위면적당 탄소섬유사의 양 조절이 매우 용이하기 때문에 다양한 발열특성을 갖는 탄소섬유사 발열직물(11) 및 이를 이용한 원적외선 방사 면상발열체의 제조가 가능하게 된다.

도 1에 도시한 본 발명의 실시예에서는 폴리아크릴니트로릴(PAN)계의 탄소섬유사를 씨줄(12)과 날줄(13)로 사용하였으나, 여타 다른 재질의 탄소섬유사를 사용하여 그물망 형태의 탄소섬유사 직물(11)을 제직시에도 본 발명의 적용이 가능하다.

도 1에 도시한 본 발명의 실시예에서는 상기 탄소섬유사 씨줄(12)과 날줄(13)의 교차부(14)를 실리콘, 폴리우레탄, 폴리벤젠이미다졸과 같은 합성수지 고온접착제를 사용하여 고정시켰으나, 폴리우레탄, 에폭시레진, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리스칠렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리카보네이트 등의 합성수지를 녹인 것을 상기 탄소섬유사 씨줄(12)과 날줄(13)의 교차부(14)에 바르거나 묻힌 후 굳혀서 상기 탄소섬유사 씨줄(12)과 날줄(13)의 교차부(14)를 고정시키는 것도 가능하다.

뿐만 아니라, 산소-아세틸렌 토치나 레이저 등을 사용하여 상기 탄소섬유사 씨줄(12)과 날줄(13)의 교차부(14)를 국부융합시킴으로써 고정시키는 것도 가능하다.

도 1에 도시한 본 발명의 실시예에서는 상기 탄소섬유사 씨줄(12)과 날줄(13)의 교차부(14)만을 고정시켰으나, 탄소섬유사 직물 전체를 액상 합성수지에 함침시키고 가열 건조시킴으로써 상기 탄소섬유사 씨줄(12)과 날줄(13)의 교차부분(14)을 고정시키는 것도 가능하다.

이때 상기 액상 합성수지에 열전도성이 우수하거나 원적외선 방사율이 높은 AlN, SiC, 토르마린, 바이오세라믹, 맥반석, 게르마늄 등의 세라믹 분말을 혼합하고 탄소섬유사 직물 전체를 이에 함침시킴으로써 상기 탄소섬유사 씨줄(12)과 날줄(13)의 교차부(14)의 고정과 더불어 탄소섬유사 발열직물(11)의 열특성과 원적외선 특성을 향상시키는 것도 가능하다.

도 1에 도시한 본 발명의 실시예에서는 탄소섬유사의 씨줄(12)과 날줄(13)들이 직선으로 교차하는 그물망 형태의 탄소섬유사 직물(11)을 나타내었으나, 도 3에 도시한 바와 같이 탄소섬유사 씨줄(12)과 날줄(13)들이 서로 대각선으로 교차하는 형태의 탄소섬유사 직물을 비롯하여 어떠한 형태의 그물망 구조를 갖는 탄소섬유사 직물에 대해서도 본 발명의 적용이 가능하다.

본 발명의 또 다른 특징은 상기 탄소섬유사 발열직물(11)의 종방향이나 횡방향으로 적어도 한 쌍 이상의 전극을 형성하고 있는 것이다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 상기 탄소섬유사 발열직물에 전기를 가하기 위해 탄소섬유사 발열직물(41)의 일 방향 양단부에 전극(42)을 구비한 것을 특징으로 한다.

도 4에 도시한 본 발명의 실시예에서와 같이 탄소섬유사 발열직물(41)의 전극(42)으로는 도전성 접착제가 도포된 동 테이프 등의 금속 접착테이프와 은전극 페이스트와 같은 도전 페이스트를 사용하는 것이 가능하다.

그러나, 도전성 접착제가 도포된 동 테이프를 전극(42)으로 구비한 탄소섬유사 발열직물(41)로 제작한 면상발열체는 그 사용온도가 동 테이프의 도전성 접착제에 의해 제약을 받을 수 있다.

즉, 면상발열체의 온도를 동 테이프의 도전성 접착제의 녹는 점 이상으로 올리면 동 테이프가 탄소섬유사 발열직물(41)에서 분리되어 더 이상 전극(42)의 역할을 수행하지 못할 것이므로 면상발열체가 발열되지 않을 수 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 탄소섬유사 발열직물(51)의 일 방향 양단부에 구비되는 전극은 탄소섬유사 직물을 덧대고 탄소섬유사로 누비거나 발열직물보다 탄소섬유사를 더욱 촘촘히 직조하여 제작한 탄소섬유사 직물 또는 탄소섬유사 자체에 의한 탄소섬유사 전극(52)으로 구성될 수 있다.

탄소섬유사 직물의 전기저항은 탄소섬유사의 양이 많아질수록 감소한다. 따라서, 도 5에 도시한 본 발명의 실시예에서와 같이 탄소섬유사 전극(52) 부위는 다른 탄소섬유사 직물 부위에 비해 탄소섬유사가 다량으로 존재하기 때문에 저항이 낮아지게 되어 전극의 역할을 수행하게 된다.

도 5에 도시한 것과 같은 탄소섬유사 전극(52)을 사용시에는 동 테이프 등의 금속테이프를 전극(42)으로 구비한 경우(도 4)에 비해 고온에서 사용할 수 있는 장점이 있다.

또한 동 테이프와 같은 금속테이프에 비해 탄소섬유사 전극(52)이 훨씬 유연하며 탄성이 우수하기 때문에 접을 때 꺽이지 않고, 다시 펼쳐주면 원 상태로의 복원이 가능하다는 장점이 있다.

따라서 탄소섬유사 전극(52)을 구비한 탄소섬유사 발열직물(51)로 제조한 원적외선 면상발열체를 적용한 제품은 굽히거나 접는 것이 가능하며, 또한 방수와 구김방지가 가능하여 기계 세탁이 가능하다는 커다란 장점이 있다.

본 발명의 또 다른 실시예로서, 도 6에서와 같이 탄소섬유사 발열직물(41)의 상부 또는/및 하부에는 적어도 한 층 이상의 고분자 절연부재(62)를 라미네이팅함으로써 원적외선 방사 면상발열체를 구성할 수도 있다.

도 6과 도 7에 도시한 본 발명의 실시예에서는 탄소섬유사 발열직물(41)의 윗면과 밑면에 각기 한 층의 고분자 절연부재(62)가 구비되어져 있으나, 용도에 따라서는 서로 다른 재질의 고분자 절연부재들을 두 개 이상 적층하여 라미네이팅할 수도 있다.

상기 면상발열체의 고분자 절연부재(62)로는 폴리우레탄, 에폭시, 폴리에틸렌, 폴리에스테르, 폴리스칠렌, 폴리프로필렌, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리에스터, 아크릴, ABS, 셀루로우즈, 불화탄소, 고무, 폴리염화비닐 (PVC), 폴리비닐플루오라이드, 에폭시 수지함침 유리직물 등을 사용할 수 있다.

이때 상기 면상발열체의 윗면과 밑면에 적층하는 고분자 절연부재(62)로서 열전도성이 우수하거나 원적외선 방사율이 높은 AlN, SiC, 토르말린, 바이오세라믹, 맥반석, 게르마늄 등의 세라믹 분말을 합성수지와 혼합하여 제작한 고분자 절연부재의 사용도 가능하다.

도 6과 도 7에 도시한 본 발명의 실시예에서 탄소섬유사 발열직물(41)을 이용한 원적외선 방사 면상발열체는 아래와 같은 방법으로 제작하였다.

하부 고분자 절연부재(62)로서 0.1∼5.0 mm 두께의 에폭시 판을 사용하였으며, 그 위에 전극(42)으로 동 테이프나 탄소섬유사 전극(52)을 배치한 탄소섬유사 발열직물(41)을 놓고, 상기 탄소섬유사 직물(41) 위에 상부 고분자 절연부재(62)로서 0.1∼5.0 mm 두께의 에폭시 판을 위치시킨 후, 150∼300℃의 온도범위에서 열압프레스 작업을 하여 하부 고분자 절연부재(62)인 에폭시, 탄소섬유사 발열직물(41)과 이에 배치된 전극(42) 및 상부 고분자 절연부재(62)인 에폭시가 라미네이팅된 면상발열체를 제작하였다.

또한 하부 고분자 절연부재(62)로서 0.1∼5.0 mm 두께의 우레탄 판을 사용하여 그 위에 전극(42)으로 동 테이프나 탄소섬유사 전극(52)을 배치한 탄소섬유사 발열직물(41)을 위치시키고, 상기 탄소섬유사 발열직물(41) 위에 상부 고분자 절연부재(62)로서 0.1∼5.0 mm 두께의 우레탄 판을 위치시킨 후, 150∼300℃의 온도범위에서 열압롤러 작업을 하여 하부 고분자 절연부재(62)인 우레탄, 탄소섬유사 직물(41)과 이에 배치된 전극(42) 및 상부 고분자 절연부재(62)인 우레탄을 라미네이팅하여 면상발열체를 제작하였다.

이와 같이 열압프레스 작업으로 제조한 에폭시/전극/탄소섬유사 발열직물/에폭시 구조의 면상발열체와 열압롤러 작업으로 제조한 우레탄/전극/탄소섬유사 발열직물/우레탄 구조의 면상발열체는 모두 전기를 통전시 5∼20 μm 파장 범위의 원적외선 방사율이 94% 이상인 매우 우수한 원적외선 방사특성을 나타내었다.

본 발명에서는 도 6과 도 7에 도시한 것과 같이 양단에 전극(42)을 구비한 탄소섬유사 발열직물(41)의 상부와 하부에 고분자 절연부재(62)를 라미네이팅한 면상발열체의 실시예를 나타내었다.

그러나, 필요에 따라서는 상기 고분자 절연부재(62)의 라미네이팅 없이 도 4와 도 5에 도시한 것과 같이 양단에 전극(42, 52)을 구비한 탄소섬유사 발열직물(41, 51) 자체를 원적외선 방사 면상발열체로 사용하는 것도 물론 가능하다.

이러한 본 발명은 탄소섬유사 씨줄(12)과 날줄(13)의 교차부분(14)을 고정시킴으로써 탄소섬유사 사이에 공간 간격이 있는 그물망 형태의 다양한 탄소섬유사 발열직물(11)의 직조와 그 형태 유지가 가능하게 되어, 다양한 발열특성을 갖는 원적외선 방사 면상발열체의 제조가 가능하며 또한 탄소섬유사 씨줄(12)과 날줄(13) 사이에서의 마찰에 의한 스파크 발생을 방지함으로써 전기적 안정성을 이룰 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 탄소섬유사 발열직물의 제 1실시예를 도시한 사시도,

도 2는 종래기술에 따른 탄소섬유사 발열직물의 사시도,

도 3은 본 발명의 제 2실시예를 도시한 탄소섬유사 발열직물의 사시도,

도 4는 본 발명의 제 3실시예를 도시한 탄소섬유사 발열직물의 사시도,

도 5는 본 발명의 제 4실시예를 도시한 탄소섬유사 발열직물의 사시도,

도 6은 본 발명에 따른 탄소섬유사 발열직물을 이용한 원적외선 방사 면상발 열체의 사시도.

도 7은 도 6의 A-A선에서 절단한 상태를 조시한 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

11, 41, 51 : 탄소섬유사 발열직물 12 : 씨줄

13 : 날줄 14 : 교차부

42 : 전극 52 : 탄소섬유사 전극

62 : 고분자 절연부재

Claims (11)

1. 탄소섬유사에 의한 다수개의 씨줄(12)과 날줄(13)이 서로 교차되어 직조되어진 탄소섬유사 발열직물에 있어서,

   상기 씨줄(12)과 날줄(13)이 한개씩 일정간격을 두고 분리 교차됨으로써 전체적으로는 그물망 형태로 구성되고, 씨줄(12)과 날줄(13)이 교차된 부위마다 견고히 결합되어진 교차부(14)가 형성된 것을 특징으로 하는 탄소섬유사 발열직물.
2. 제 1항에 있어서, 상기 교차부(14)에서는 씨줄(12)과 날줄(13)이 실리콘, 폴리우레탄, 폴리벤젠이미다졸과 같은 합성수지 고온접착제에 의해 견고히 결합된 것을 특징으로 하는 탄소섬유사 발열직물.
3. 제 1항에 있어서, 상기 교차부(14)에서는 씨줄(12)과 날줄(13)이 용융 합성수지에 의해 견고히 결합된 것을 특징으로 하는 탄소섬유사 발열직물.
4. 제 1항에 있어서, 상기 교차부(14)에서는 씨줄(12)과 날줄(13)이 국부가열방법 또는 레이저를 사용한 국부융합방법에 의해 견고히 결합된 것을 특징으로 하는 탄소섬유사 발열직물.
5. 제 1항에 있어서, 상기 탄소섬유사 발열직물이 액상 합성수지에 함침되고 가열 건조됨으로써 상기 교차부(14)가 견고히 고정된 것을 특징으로 하는 탄소섬유사 발열직물.
6. 제 5항에 있어서, 열전도성이 우수하거나 원적외선 방사율이 높은 AlN, SiC, 토르마린, 바이오 세라믹, 맥반석, 게르마늄 등의 세라믹 분말이 상기 액상 합성수지에 고르게 혼합되어진 것을 특징으로 하는 탄소섬유사 발열직물.
7. 제 1항에 기재된 탄소섬유사 발열직물의 종방향 또는 횡방향으로 적어도 한 쌍이상의 전극(42)이 설치되어진 것을 특징으로 하는 원적외선 방사 면상발열체.
8. 제 7항에 있어서, 상기 탄소섬유사 발열직물의 종방향이나 횡방향에 설치된 전극으로서 탄소섬유사 전극(52)을 사용한 것을 특징으로 하는 원적외선 방사 면상발열체.
9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서, 상기 탄소섬유사 발열직물의 윗면과 밑면에는 적어도 한 층 이상의 고분자 절연부재(62)가 라미네이팅되어진 것을 특징으로 하는 원적외선 방사 면상발열체.
10. 제 9항에 있어서, 상기 탄소섬유사 발열직물의 종방향이나 횡방향에 설치된 전극으로서 탄소섬유사 전극(52)을 사용한 것을 특징으로 하는 원적외선 방사 면상발열체.
11. 제 9항에 있어서, 상기 고분자 절연부재(62)에는 열전도 매체 또는 원적외선 세라믹이 고르게 혼합되어진 것을 특징으로 하는 원적외선 방사 면상발열체.