KR102076767B1 - 발열 섬유원단 및 발열 섬유원단 제조방법 - Google Patents

발열 섬유원단 및 발열 섬유원단 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발열 섬유원단 및 발열 섬유원단 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 신축 가능하면서도 내구성이 뛰어난 발열 섬유원단 및 발열 섬유원단 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 발열 섬유원단은 섬유원단; 오픈부를 형성하는 연속적인 망 구조로 상기 섬유원단의 일면 상에 제공되며, 카본나노튜브로 이루어진 패턴 발열층; 및 상기 패턴 발열층에 전기적으로 연결되는 전극;을 포함할 수 있다.

Description

발열 섬유원단 및 발열 섬유원단 제조방법{Heating textile and method for manufacturing the same}
본 발명은 발열 섬유원단 및 발열 섬유원단 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 신축 가능하면서도 내구성이 뛰어난 발열 섬유원단 및 발열 섬유원단 제조방법에 관한 것이다.
의류용 섬유원단, 직물의 내부 소재가 발열 효과를 갖는다면 보온 효과 및 난방비 절약 효과를 가져올 것이다. 최근 이러한 목적으로 발열 기능을 갖는 섬유원단이나 직물 또는 의류를 개발하고자 하는 노력이 지속되고 있다.
일반적으로 발열 섬유원단(또는 발열 직물)는 금속사 등의 전도성사를 이용하여 직접 섬유원단을 직조하여 제조하고 있으나, 금속사 등의 전도성사의 경우에는 단가가 매우 높고, 제조하기 매우 힘들며 고가의 장비를 필요로 한다. 또한, 이러한 방식으로 제조된 발열 섬유원단은 탄성력을 가지지 못하는 단점이 있고, 이에 따라 의류 및 탄성이 필요한 웨어러블 제품 등에는 사용하지 못하였다.
한국등록특허공보 제10-0991917호
본 발명은 패턴 발열층의 손상없이 신축 가능하면서도 내구성이 뛰어난 발열 섬유원단 및 발열 섬유원단 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 발열 섬유원단은 섬유원단; 오픈부를 형성하는 연속적인 망 구조로 상기 섬유원단의 일면 상에 제공되며, 카본나노튜브로 이루어진 패턴 발열층; 및 상기 패턴 발열층에 전기적으로 연결되는 전극;을 포함할 수 있다.
상기 섬유원단은 결(grain)을 갖고, 상기 패턴 발열층은, 상기 섬유원단의 결을 따라 제공되는 제1 라인부; 및 상기 섬유원단의 결과 교차하는 방향으로 연장되는 제2 라인부를 포함할 수 있다.
상기 제2 라인부는 각각 다른 방향으로 연장되어 서로 교차하는 복수의 단위 라인으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 라인부와 상기 제2 라인부는 단위 패턴을 이루며, 상기 단위 패턴의 상기 결에 수직한 방향의 길이는 상기 단위 패턴의 상기 결에 평행한 방향의 길이보다 짧을 수 있다.
상기 제1 라인부의 폭은 상기 결 사이의 간격보다 클 수 있다.
상기 섬유원단의 표면에 제공되며, 작용기를 포함하는 표면개질물질로 이루어진 자가조립단층;을 더 포함하고, 상기 자가조립단층은, 상기 섬유원단의 표면과 결합되는 헤드 그룹; 및 상기 자가조립단층의 말단에 제공되는 상기 작용기를 포함하며, 상기 헤드 그룹과 연결되는 엔드 그룹을 포함하며, 상기 카본나노튜브의 표면에는 상기 작용기와 이온 결합되는 기능기가 형성될 수 있다.
상기 패턴 발열층 상에 제공되며, 전기절연성을 갖는 보호막;을 더 포함할 수 있다.
전기적 신호가 공급되는 단자;를 더 포함하고, 상기 전극은 상기 섬유원단과 상기 패턴 발열층을 재봉하는 전도성사로 제공될 수 있다.
상기 단자는 한 쌍으로 이루어지고, 상기 전극은 상기 단자 각각으로부터 서로 나란하게 연장되어 상기 단자와 상기 패턴 발열층을 전기적으로 연결할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 발열 섬유원단 제조방법은 카본나노튜브를 분산매에 분산시키는 과정; 섬유원단의 일면 상에 상기 카본나노튜브가 상기 분산매에 분산된 분산 용액을 제공하여 오픈부를 형성하는 연속적인 망 구조로 패턴 발열층을 형성하는 과정; 및 상기 패턴 발열층에 전기적으로 연결되는 전극을 형성하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 섬유원단은 결(grain)을 갖고, 상기 패턴 발열층을 형성하는 과정은, 상기 섬유원단의 결을 따라 제1 라인부를 형성하는 과정; 및 상기 제1 라인부와 단위 패턴을 이루도록 상기 섬유원단의 결과 교차하는 방향으로 연장되는 제2 라인부를 형성하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 패턴 발열층을 형성하는 과정에서는 상기 단위 패턴의 상기 결에 수직한 방향의 길이가 상기 단위 패턴의 상기 결에 평행한 방향의 길이보다 짧게 상기 패턴 발열층을 형성할 수 있다.
상기 제1 라인부를 형성하는 과정에서는 상기 제1 라인부의 폭을 상기 결 사이의 간격보다 크게 형성할 수 있다.
상기 카본나노튜브를 산처리하여 상기 카본나노튜브의 표면에서 적어도 일부의 카본 본딩을 제거하는 과정; 카본 본딩이 제거된 상기 카본나노튜브의 표면에 상기 작용기와 이온 결합되는 기능기를 형성하는 과정; 및 상기 섬유원단의 표면에 작용기를 포함하는 표면개질물질로 형성되는 자가조립단층을 형성하는 과정;을 더 포함할 수 있다.
전기적 신호가 공급되는 단자를 형성하는 과정;을 더 포함하고, 상기 전극을 형성하는 과정은 상기 섬유원단과 상기 패턴 발열층을 전도성사로 재봉하여 상기 단자와 상기 패턴 발열층을 전기적으로 연결하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 패턴 발열층 상에 전기절연성을 갖는 보호막을 형성하는 과정;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 발열 섬유원단은 섬유원단 상에 카본나노튜브(Carbon NanoTube; CNT)로 패턴 발열층을 형성하여 패턴 발열층이 탄성력을 가질 수 있고, 섬유원단의 변형 시에도 패턴 발열층의 발열 효율과 복원력을 유지할 수 있다. 또한, 오픈부를 형성하는 연속적인 망 구조로 패턴 발열층을 형성하여 섬유원단의 결(grain)과 평행 또는 수직 방향으로 변형하는 섬유원단의 변형(또는 신축)에 따라 패턴 발열층의 각 단위 패턴이 방향성을 갖고 잘 변형될 수 있다. 이에 따라 패턴 발열층의 손상(또는 단선)없이 발열 섬유원단의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 섬유원단의 결을 따라 제1 라인부를 형성하여 섬유원단의 변형에 따라 변형되면서도 전기전도도를 유지할 수 있는 부분(또는 면적)을 확보할 수 있고, 각 단위 패턴의 결에 수직한 방향의 길이를 각 단위 패턴의 결에 평행한 방향의 길이보다 짧게 하여 결에 수직한 방향으로 신축함으로 인해 저항 변화가 큰 성분을 줄일 수 있다.
그리고 섬유원단의 표면에 자가조립단층을 형성하여 표면개질한 후에 패턴 발열층을 형성함으로써, 섬유원단과 패턴 발열층의 결합력이 향상될 수 있고, 발열 섬유원단의 내구성이 보다 향상될 수 있다. 또한, 패턴 발열층 상에 보호막을 코팅하여 발열 섬유원단의 표면을 전기절연시킬 뿐만 아니라 패턴 발열층의 박리를 방지할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 발열 섬유원단을 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 섬유원단의 결 및 단위 패턴을 설명하기 위한 개념도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 단위 패턴을 나타내는 개략도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 결에 수직한 방향으로 늘어난 섬유원단과 패턴 발열층을 설명하기 위한 개념도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 자가조립단층과 카본나노튜브의 결합을 설명하기 위한 개념도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발열 섬유원단 제조방법을 나타낸 순서도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 발열 섬유원단을 나타낸 개략도로, 도 1(a)는 발열 섬유원단의 평면도이고, 도 1(b)는 발열 섬유원단의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 발열 섬유원단(100)은 섬유원단(110); 오픈부(120a)를 형성하는 연속적인 망 구조로 상기 섬유원단(110)의 일면 상에 제공되며, 카본나노튜브(125)로 이루어진 패턴 발열층(120); 및 상기 패턴 발열층(120)에 전기적으로 연결되는 전극(130);을 포함할 수 있다.
섬유원단(110)은 사람의 신체에 착용할 수 있는 장갑, 옷 등의 의복 소재일 수 있으며, 천연섬유, 합성섬유 등으로 이루어질 수 있다. 그리고 섬유원단(110)은 패턴 발열층(120)을 지지할 수 있고, 의류 및 웨어러블 제품에 활용할 수 있다. 또한, 섬유원단(110)은 사이사이가 뚫려 있으므로, 카본나노튜브(125)는 섬유원단(110)의 표면에 남아있을 수 있고, 분산매만 섬유원단(110)을 통과하여 빠져나갈 수 있다. 이에 섬유원단(110)을 사용하게 되면, 패턴 발열층(120)을 형성하는 데에 진공흡착법을 사용할 수 있으며, 진공흡착법에 대한 자세한 설명은 후술하도록 한다.
한편, 섬유원단(110)은 신축성 소재로 이루어질 수 있으며, 답답함과 불편함 없이 착용감이 우수한 발열 섬유원단(100)을 제공할 수 있다. 또한, 자가조립단층(140)의 헤드 그룹(141)이 섬유원단(110)의 표면에 잘 결합되도록 섬유원단(110)은 천연섬유 표면의 수산화기(-OH)를 활용한 천연섬유 복합재료로 이루어질 수도 있고, 섬유원단(110)의 표면을 활성화시켜 섬유원단(110)의 표면에 수산화기를 형성할 수도 있다.
패턴 발열층(120)은 카본나노튜브(125)로 이루어질 수 있으며, 오픈부(120a)를 형성하는 연속적인 망 구조로 섬유원단(110)의 일면 상에 제공될 수 있다. 여기서, 카본나노튜브(Carbon NanoTube; CNT, 125)는 탄소원자(C) 6개가 육각형의 모양으로 결합된 판상의 흑연시트가 직경이 수 나노미터에서 수백 나노미터 정도로 이루어진 튜브 형태의 나노소재이다. 또한, 카본나노튜브(125)는 탄성력을 가질 수 있으며, 입자들이 붙어있지 않고 어느 정도 이격 거리가 발생하여도 섬유상 구조와 유사하여 전기가 통하는 전기적 네트 워크 현상을 유지함으로써, 일반 카본의 함량에 비해 매우 적은 함량으로도 동등 이상의 성능을 구현하고 전기적 안정성도 보유할 수 있다. 그리고 패턴 발열층(120)은 탄성력을 갖는 카본나노튜브(125)에 의해 탄성력을 가질 수 있으며, 섬유원단(110)의 변형(또는 신축)에 따라 변형될 수 있고, 섬유원단(110)의 변형 시에도 발열 효율과 복원력을 유지할 수 있다. 이때, 패턴 발열층(120)은 표면적의 변화 또는 카본나노튜브(125)의 접촉점 개수의 변화에 의해 적어도 부분적으로 저항이 변화될 수 있다.
그리고 패턴 발열층(120)은 오픈부(120a)를 형성하는 연속적인 망 구조로 형성될 수 있으며, 이러한 경우에 섬유원단(110)의 변형에 따라 패턴 발열층(120)의 각 단위 패턴(120b)이 방향성을 갖고 잘 변형될 수 있다. 즉, 오픈부(120a)가 패턴 발열층(120)이 변형될 공간(예를 들어, 상기 패턴 발열층의 라인들이 이동할 공간)을 제공하여 섬유원단(110)의 변형에 의한 패턴 발열층(120)의 변형에 대해 완충 역할을 할 수 있고, 패턴 발열층(120)의 변형에 따라 각각의 오픈부(120a)의 형상이 변화되면서 패턴 발열층(120)이 전체적으로 안정적이게 변형될 수 있으며, 각각의 오픈부(120a)를 통해 섬유원단(110)의 변형에 맞추어 각 단위 패턴(120b)마다 부분적으로 변형될 수도 있다. 여기서, 상기 망 구조는 잡아 당기면 늘어나고 놓으면 오므라드는 원리로서, 섬유원단(110)의 변형에 따라 오픈부(120a)의 크기가 자유롭게 신축할 수 있고, 섬유원단(110) 상에 패턴 발열층(120)이 형성되는 면적이 줄어들어 패턴 발열층(120)을 형성하는 재료(예를 들어, 상기 카본나노튜브 등)를 절감할 수도 있다. 그리고 오픈부(120a)는 마름모꼴이나 타원형 등으로 이루어질 수 있으며, 이에 한정되지 않고, 수축이 가능한 원리의 모양이면 족하다. 예를 들어, 육각형의 벌집무늬로 패턴 발열층(120)을 형성할 수 있고, 이러한 경우에 늘어나는 방향과 각도가 30 내지 60°로 변화할 수 있어 변형 특성을 최소화할 수 있다. 이에 패턴 발열층(120)의 손상(또는 단선)없이 발열 섬유원단(100)의 내구성을 향상시킬 수 있으며, 벌집무늬의 경우에 발열 섬유원단(100)의 내구성 및 발열 균일성을 최대화할 수 있다.
한편, 신축성 소재로 이루어진 섬유원단(110)과 탄성력을 갖는 패턴 발열층(120)을 통해 답답함과 불편함 없이 착용감이 우수한 발열 섬유원단(100)을 제공할 수도 있다. 그리고 패턴 발열층(120)의 두께는 5 내지 300 ㎛일 수 있으며, 300 ㎛보다 두꺼운 경우에는 패턴 발열층(120) 및/또는 섬유원단(110)이 잘 신축되지 않거나 구부러지지 않아 패턴 발열층(120)에 크랙(crack)이 발생하여 절단되거나 파손될 수 있고, 5 ㎛보다 얇은 경우에는 패턴 발열층(120)이 너무 얇아 충분한 열량이 발생되지 않을 뿐만 아니라 충분한 인장력을 가질 수 없어 패턴 발열층(120)이 신축하면서 절단되거나 파손될 수 있다.
전극(130)은 패턴 발열층(120)에 전기적으로 연결될 수 있으며, 패턴 발열층(120)의 양쪽 끝단에 형성될 수 있다. 전극(130)을 통해 패턴 발열층(120)에 전류를 흘려주어 패턴 발열층(120)을 전기 발열(또는 저항 발열)시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 섬유원단의 결 및 단위 패턴을 설명하기 위한 개념도로, 도 2(a)는 섬유원단의 결을 나타내고, 도 2(b)는 단위 패턴을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 섬유원단(110)은 결(grain, 111)을 가질 수 있으며, 섬유원단(110)마다 다른 특성의 결(111)을 가질 수 있고, 그 결(111)에 따라 늘어나는 길이 대비 저항의 변화량이 달라 패턴 발열층(120)의 저항 변화 시 방향성을 부가해줄 수 있다. 여기서, 섬유원단(110)은 섬유원단(110)의 결(111)에 평행한 방향(11) 또는 수직한 방향(12)으로 신축(또는 변형)될 수 있다. 또한, 섬유원단(110)의 결(111)은 카본나노튜브(125)가 흡착되는 흡착면을 제공할 수 있으며, 패턴 발열층(120)을 이루는 대부분의 카본나노튜브(125)가 결(111)에 흡착될 수 있다.
그리고 패턴 발열층(120)은 섬유원단(110)의 결(111)을 따라 제공되는 제1 라인부(121); 및 섬유원단(110)의 결(111)과 교차하는 방향으로 연장되는 제2 라인부(122)를 포함할 수 있다. 제1 라인부(121)는 섬유원단(110)의 결(111)을 따라 제공될 수 있으며, 섬유원단(110)의 결(111)을 따라 신축할 수 있어 신축에 따른 저항 변화가 작을 수 있다. 카본나노튜브(125)는 머리카락 구조로 되어 서로 엉켜 있는 구조이며, 분자 구조상 부분 단락이 발생하여도 연결되어 있는 접촉점이 많아 쇼트나 화재의 위험성이 없고, 장기간 사용에 따른 내구성이 뛰어나다. 이러한 카본나노튜브(125)는 제1 라인부(121)가 늘어남에 따라 서로 엉켜 있던 입자들이 풀리거나 서로 떨어질 수 있으며, 이에 따라 카본나노튜브(125)의 접촉점의 개수가 변할 수 있고, 카본나노튜브(125)의 접촉점 개수의 변화에 의해 제1 라인부(121)의 저항이 변화할 수 있다. 제1 라인부(121)는 대부분의 카본나노튜브(125)가 흡착 고정된 섬유원단(110)의 결(111)을 따라 신축됨으로써, 제1 라인부(121)가 늘어나더라도 섬유원단(110)의 결(111)을 따라 촘촘히 제공된 카본나노튜브(125)에 의해 입자들 간의 연결이 대부분 유지될 수 있고, 이에 따라 카본나노튜브(125)의 접촉점 개수의 변화가 적어 신축에 따른 저항 변화가 작을 수 있다.
제2 라인부(122)는 섬유원단(110)의 결(111)과 교차하는 방향으로 연장될 수 있으며, 제1 라인부(121) 간을 연결할 수 있고, 제1 라인부(121)와 단위 패턴(120b)을 이룰 수 있다. 그리고 제2 라인부(122)는 섬유원단(110)의 결(111)과 교차하는 방향으로 신축하게 되어 신축에 따른 저항 변화가 클 수 있다. 제2 라인부(122)를 이루는 카본나노튜브(125)는 제2 라인부(122)가 늘어남에 따라 서로 엉켜 있던 입자들이 떨어져 어느 정도 이격 거리가 발생할 수 있으며, 이에 따라 카본나노튜브(125)의 접촉점의 개수가 변할 수 있고, 카본나노튜브(125)의 접촉점 개수의 변화에 의해 제2 라인부(122)의 저항이 변화할 수 있다. 제2 라인부(122)는 섬유원단(110)의 결(111)과 교차하는 방향으로 신축됨으로써, 제2 라인부(122)가 늘어남에 따라 대부분의 카본나노튜브(125)가 흡착 고정된 섬유원단(110)의 결(111)들이 분리되고, 결(111)들 간에 서로 엉켜 있던 입자들이 떨어져 입자들 간의 연결이 대부분 끊어질 수 있으며, 이에 따라 카본나노튜브(125)의 접촉점 개수의 변화가 많게 되어 신축에 따른 저항 변화가 클 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 단위 패턴을 나타내는 개략도로, 도 3(a)는 벌집 구조의 단위 패턴을 나타내고, 도 3(b)는 격자 구조의 단위 패턴을 나타낸다.
도 3을 참조하면, 제2 라인부(122)는 각각 다른 방향으로 연장되어 서로 교차하는 복수의 단위 라인(122a,122b)으로 이루어질 수 있으며, 각각 다른 방향으로 연장되는 복수의 단위 라인(122a,122b)이 서로 교차하여(또는 연결되어) 제1 라인부(121) 간을 연결할 수 있다. 여기서, 각각 다른 방향은 모두 섬유원단(110)의 결(111)과 교차하는 방향일 수 있고, 상기 교차하는 방향은 수직으로 교차하는 것뿐만 아니라 평행하지 않고 비스듬한(또는 엇갈리는) 방향을 모두 포함할 수 있다. 이를 통해 제1 라인부(121)와 수직으로 교차하여 형성되는 사각형의 격자 구조뿐만 아니라 육각형의 벌집 구조 등의 다양한 단위 패턴(120b)을 형성할 수 있다.
그리고 제1 라인부(121)와 제2 라인부(122)는 단위 패턴을 이룰 수 있다. 제1 라인부(121)와 제2 라인부(122)는 서로 연결되어 단위 패턴(120b)을 이룰 수 있고, 단위 패턴(120b)이 서로 연결되어 연속적인 망 구조를 형성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 결에 수직한 방향으로 늘어난 섬유원단과 패턴 발열층을 설명하기 위한 개념도로, 도 4(a)는 늘어나기 전을 나타내고, 도 4(b)는 늘어난 후를 나타낸다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 단위 패턴(120b)의 결(111)에 수직한 방향(12)의 길이(V)는 단위 패턴(120b)의 결(111)에 평행한 방향(11)의 길이(P)보다 짧을 수 있다. 패턴 발열층(120)이 결(111)에 평행한 방향(11)으로 신축하는 경우에는 섬유원단(110)의 결(111)을 따라 신축할 수 있어 신축에 따른 저항 변화가 작을 수 있다. 패턴 발열층(120)이 결(111)에 평행한 방향(11)으로 늘어나는 경우, 패턴 발열층(120)이 늘어나더라도 섬유원단(110)의 결(111)을 따라 촘촘히 제공된 카본나노튜브(125)에 의해 입자들 간의 연결이 대부분 유지될 수 있고, 이에 따라 카본나노튜브(125)의 접촉점 개수의 변화가 적어 신축에 따른 저항 변화가 작을 수 있다.
반면에, 패턴 발열층(120)이 결(111)에 수직한 방향(12)으로 신축하는 경우에는 섬유원단(110)의 결(111)들 사이가 붙었다 떨어졌다 하게 되므로, 신축에 따른 저항 변화가 클 수 있다. 즉, 섬유원단(110)의 결(111)들이 붙어 있을 때와 섬유원단(110)의 결(111)들 사이가 떨어져 있을 때에 카본나노튜브(125)의 접촉점 개수의 차이가 많이 나게 되며, 이로 인해 신축에 따른 저항 변화가 크게 된다. 패턴 발열층(120)이 결(111)에 수직한 방향(12)으로 늘어나는 경우, 대부분의 카본나노튜브(125)가 흡착 고정된 섬유원단(110)의 결(111)들 사이가 벌어지게 되고 패턴 발열층(120)이 섬유원단(110)의 결(111)들 사이의 공간에서 신축하면서 결(111)들 간에 서로 엉켜 있던 입자들이 떨어져 입자들 간의 연결이 대부분 끊어질 수 있으며, 이에 따라 카본나노튜브(125)의 접촉점 개수의 변화가 많게 되어 신축에 따른 저항 변화가 클 수 있다.
이에 단위 패턴(120b)의 결(111)에 수직한 방향(12)의 길이(V)를 단위 패턴(120b)의 결(111)에 평행한 방향(11)의 길이(P)보다 짧게 함으로써, 패턴 발열층(120)에서 결(111)에 수직한 방향(12)으로 신축하여(또는 신축함으로 인해) 저항 변화가 큰 성분(또는 부분)을 결(111)에 평행한 방향(11)으로 신축하여 저항 변화가 작은 성분보다 줄일 수 있다. 이를 통해 패턴 발열층(120)이 신축하더라도 패턴 발열층(120)의 저항 변화를 줄일 수 있고, 패턴 발열층(120)의 영역별 저항 변화에 따라 영역별로 발생하는 열효율 차이도 억제 또는 방지할 수 있다.
그리고 제1 라인부(121)의 폭은 결(111) 사이의 간격보다 클 수 있다. 제1 라인부(121)의 폭이 섬유원단(110)의 결(111) 사이의 간격(또는 상기 결 간의 거리)보다 작게 되면, 패턴 발열층(120)이 섬유원단(110)의 결(111) 사이에만 형성되고, 섬유원단(110)의 결(111)에는 형성되지 않을 수 있다. 이러한 경우, 패턴 발열층(120)의 저항 변화 시 방향성을 부가해줄 수 없고, 안정적인 카본나노튜브(125)의 흡착면을 제공하는 결(111)에 카본나노튜브(125)가 흡착되지 않아 패턴 발열층(120)이 섬유원단(110) 상에 안정적으로 고정될 수 없으며, 패턴 발열층(120)의 신축에 의한 저항 변화를 예측 및/또는 제어할 수 없다.
하지만, 제1 라인부(121)의 폭이 결(111) 사이의 간격보다 큰 경우에는 적어도 부분적으로 섬유원단(110)의 결(111)에 흡착되는 카본나노튜브(125)가 생기게 되고, 패턴 발열층(120)이 섬유원단(110) 상에 안정적으로 고정될 수 있다. 또한, 패턴 발열층(120)의 저항 변화 시 방향성을 부가해줄 수 있어 패턴 발열층(120)의 신축에 의한 저항 변화를 예측 및/또는 제어할 수 있다.
한편, 제1 라인부(121)는 적어도 하나 이상의 결(111)에 걸쳐서 형성될 수 있으며, 제1 라인부(121)의 중앙 라인(또는 중앙부)을 중심으로 결(111)이 대칭되어 배치될 수 있고, 제1 라인부(121)의 중앙 라인에 결(111)이 위치할 수 있다. 이를 통해 제1 라인부(121)가 섬유원단(110) 상에 안정적으로 고정될 수 있으면서 섬유원단(110)의 변형에 따라 방향성을 갖고 잘 변형되도록 할 수 있다. 그리고 제2 라인부(122)의 폭도 결(111) 사이의 간격보다 클 수 있다. 제1 라인부(121)와 제2 라인부(122)의 균일한 발열을 위해 제2 라인부(122)의 폭은 제1 라인부(121)의 폭과 동일할 수 있고, 결(111) 사이의 간격보다 클 수 있다. 또한, 결(111)에 흡착되는 카본나노튜브(125)의 수(또는 면적)가 많아져(또는 넓어져) 제2 라인부(122)가 안정적으로 고정될 수 있고, 패턴 발열층(120)이 섬유원단(110) 상에 보다 안정적으로 고정될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 자가조립단층과 카본나노튜브의 결합을 설명하기 위한 개념도로, 도 5(a)는 섬유원단 상에 형성된 자가조립단층의 개념도이며, 도 5(b)는 카본나노튜브의 표면에 수산화기가 형성되는 개념도이고, 도 5(c)는 자가조립단층과 카본나노튜브의 결합 개념도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 발열 섬유원단(100)은 섬유원단(110)의 표면에 제공되며, 작용기를 포함하는 표면개질물질로 이루어진 자가조립단층(140);을 더 포함할 수 있다. 자가조립단층(Self-Assembled Monolayer; SAM, 140)은 작용기를 포함하는 표면개질물질로 형성될 수 있고, 섬유원단(110)의 표면에 제공될 수 있다. 섬유원단(110)의 표면에 자가조립단층(140)을 형성하여 섬유원단(110)을 표면처리하면, 섬유원단(110)과 패턴 발열층(120)의 사이에 개재되는 자가조립단층(140)에 의해 섬유원단(110)과 패턴 발열층(120)의 결합력이 향상되어 섬유원단(110) 상에 패턴 발열층(120)이 잘 형성될 수 있다.
그리고 자가조립단층(140)은 섬유원단(110)의 표면과 결합되는 헤드 그룹(141); 및 자가조립단층(140)의 말단에 제공되는 상기 작용기를 포함하며, 헤드 그룹(141)과 연결되는 엔드 그룹(142)을 포함할 수 있다. 헤드 그룹(141)은 섬유원단(110)의 표면과 결합할 수 있고, 섬유원단(110)의 종류에 따라 선택할 수 있으며, 일반적으로 실리콘 원자(Si)를 포함하는 물질(예를 들어, 실란계)이 선택될 수 있다.
엔드 그룹(142)은 자가조립단층(140)의 말단에 기능성을 부여할 수 있는 상기 작용기를 포함할 수 있고, 헤드 그룹(141)과 연결될 수 있으며, 상기 작용기는 이후 반응이 될 부분(즉, 어떤 물질을 붙일 것이냐)에 따라 다양한 작용기 중에서 선택될 수 있다.
또한, 자가조립단층(140)은 헤드 그룹(141)과 엔드 그룹(142)을 연결하는 백본(backbone, 143)을 더 포함할 수 있다. 백본(143)은 주로 알킬 사슬로 구성될 수 있고, 하이드로 카본 체인이나 플로 카본 체인들일 수 있다.
상기 작용기는 아민기(-NH), 아미노기(-NH2), 티올기(-SH), 카르복실기(-COOH), 포르밀기(-CHO), 시아나토기(-OCN), 실라놀기(Si-OH), 포스핀기(-PO2H2), 포스폰기(-PO3H2), 술폰기(-SO3H), 에폭시기 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 상기 작용기를 통해 섬유원단(110)의 표면을 (+)로 대전시켜 섬유원단(110)의 표면에 정전기력을 부과할 수 있고, 카본나노튜브(125)의 표면에 수산화기(-OH)를 형성하는 경우에는 상기 작용기와 수산화기가 이온 결합할 수 있다. 이에 따라 섬유원단(110)과 패턴 발열층(120)의 결합력(즉, 상기 자가조립단층과 상기 패턴 발열층의 결합력)을 향상시킬 수 있다.
섬유원단(110)에 자가조립단층(140)을 형성하는 경우에는 섬유원단(110)의 표면에 결합되는 헤드 그룹(141)으로 실란계가 선택될 수 있으며, 자가조립단층(140)을 형성하는 표면개질물질은 아민기(-NH), 아미노기(-NH2), 티올기(-SH), 카르복실기(-COOH), 포르밀기(-CHO), 시아나토기(-OCN), 실라놀기(Si-OH), 포스핀기(-PO2H2), 포스폰기(-PO3H2), 술폰기(-SO3H), 에폭시기 중 선택된 적어도 어느 하나의 작용기를 포함하는 실란계 물질일 수 있고, 아미노실란(Aminosilane), 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane; APTES) 등일 수 있다. 상기 실란계 물질은 고분자 및 무기물을 연결할 수 있는 기를 동시에 갖고 있으므로, 섬유원단(110)과 잘 결합할 수 있으며, 유리섬유와 유사하게 천연섬유 표면의 수산화기(-OH)를 활용하는 경우에는 실란계 물질에 포함된 실리콘(Si)이 섬유원단(110) 표면의 수산화기와 이온 결합하여 헤드 그룹(141)이 섬유원단(110)의 표면에 잘 결합될 수 있다. 따라서, 표면개질물질로 실란계 물질을 사용하는 경우에는 헤드 그룹(141)이 섬유원단(110)의 표면에 잘 결합될 수 있어 섬유원단(110)의 표면에 자가조립단층(140)이 잘 형성될 수 있다. 또한, 실란계 물질을 사용하면, 표면개질물질의 이온들을 일정한 방향으로 섬유원단(110)의 표면에 유도시킬 수 있고, 섬유원단(110)의 표면을 대전시켜 섬유원단(110)의 표면에 정전기력을 부과할 수 있다.
카본나노튜브(125)의 표면에는 상기 작용기와 이온 결합되는 기능기가 형성될 수 있다. 카본나노튜브(125)를 산처리하면, 카본나노튜브(125)의 표면에서 적어도 일부의 카본 본딩이 끊어질 수 있고, 카본 본딩이 끊어진 자리(예를 들어, 상기 카본나노튜브의 말단)에 상기 기능기가 형성될 수 있다. 예를 들어, 카본나노튜브(125)의 표면에는 수산화기(-OH)가 형성될 수 있으며, 카본나노튜브(125)의 표면에서 적어도 일부의 카본 본딩이 끊어지고, 카본 본딩이 끊어진 자리에 수산화기가 형성될 수 있다. 카본나노튜브(125)의 표면에 수산화기가 형성되면, 카본나노튜브(125)의 수산화기와 자가조립단층(140)의 작용기가 이온 결합함으로써, 패턴 발열층(120)이 섬유원단(110) 상에 잘 흡착될 수 있다.
여기서, 카본나노튜브(125)의 수산화기(-OH)와 자가조립단층(140)의 작용기는 서로 이온 결합할 수 있으며, 카본나노튜브(125)의 수산화기가 엔드 그룹(142)의 작용기와 이온 결합하여 패턴 발열층(120)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 카본나노튜브(125)의 표면에 형성된 수산화(OH-)기와 엔드 그룹(142)의 아민(NH+)기가 이온 결합할 수 있다. 이에 따라 섬유원단(110)과 패턴 발열층(120)이 더욱 강한 에너지로 결합하게 되어 섬유원단(110)와 패턴 발열층(120)의 결합력이 향상될 수 있으며, 신축에 따른 패턴 발열층(120)의 박리가 억제 또는 방지될 수 있고, 발열 섬유원단(100)의 내구성이 향상될 수 있다.
한편, 카본나노튜브(125)를 산처리하여 표면처리함으로써, 카본나노튜브(125)의 표면에 수산화기(-OH)를 형성할 수 있다. 산처리에 의해 카본나노튜브(125)의 표면에 불포화 결합(dangling bond)을 형성시켜 수산화기(-OH)가 카본나노튜브(125)의 표면에 형성되도록 할 수 있다.
그리고 패턴 발열층(120)은 진공흡착법으로 섬유원단(110) 상에 형성될 수 있다. 섬유원단(110)의 타면에 진공압을 형성하여 카본나노튜브(125)를 섬유원단(110)의 일면에서 타면 방향으로 흡착시키는 진공흡착법에 의해 패턴 발열층(120)을 섬유원단(110)의 일면 상에 형성할 경우, 강한 진공압에 의한 흡착 에너지에 의해 섬유원단(110) 내부까지 카본나노튜브(125)가 침투할 수 있고, 패턴 발열층(120)이 섬유원단(110) 상에 효과적으로 흡착될 수 있다.
본 발명에 따른 발열 섬유원단(100)은 패턴 발열층(120) 상에 제공되며, 전기절연성을 갖는 보호막(미도시);을 더 포함할 수 있다. 보호막(미도시)은 패턴 발열층(120) 상에 제공될 수 있으며, 패턴 발열층(120)을 보호할 수 있고, 전기절연성을 가져 전류(또는 전기)가 흐르는 패턴 발열층(120)을 전기절연시킬 수 있다. 또한, 상기 보호막(미도시)은 패턴 발열층(120)에서 발생되는 열이 원활히 외부로 전달되도록 하기 위해 열전도성을 가질 수 있으며, 열전도성이 우수한 재질로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 보호막(미도시)은 효과적인 열전도를 위해 그래파이트, 카본나노튜브(CNT) 등으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수도 있다.
예를 들어, 상기 보호막(미도시)은 연성의 재질로 이루어질 수 있고, 패턴 발열층(120) 상에 코팅될 수 있다. 섬유원단(110)의 과도한 변형(예를 들어, 잦은 변형, 상기 패턴 발열층의 탄성한계 이상의 변형 등) 또는 급격한 변형으로 인해 패턴 발열층(120)이 박리될 수 있는데, 섬유원단(110)의 변형에 따라 신축 가능한 연성의 보호막(미도시)을 통해 패턴 발열층(120)의 박리를 방지할 수 있고, 섬유원단(110)의 변형에 따른 표면적 변화로 인한 패턴 발열층(120)의 응력(stress)을 완화시켜 줄 수 있다. 상기 보호막(미도시)은 수지(resin)로 이루어질 수 있으며, 이에 특별히 한정되지 않고, 섬유원단(110)의 변형에 따라 신축이 될 수 있도록 탄성력이 우수한 연성의 소재이면 족하다. 예를 들어, 상기 보호막(미도시)은 폴리에틸렌(PolyEthylene; PE), 폴리염화비닐(PolyVinyl Chloride; PVC), 폴리우레탄(PolyUrethane; PU), 열가소성폴리우레탄(Thermoplastic Poly Urethane; TPU), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PolyEthylene Terephthalate; PET), 실리콘(silicone) 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PolyTetraFluoroEthylene; PTFE) 중 어느 하나 이상으로 코팅(또는 접착)되어 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 발열 섬유원단(100)은 섬유원단(110)의 일면과 대향하는 타면 상에 제공되는 단열층(미도시);을 더 포함할 수 있다. 단열층(미도시)은 섬유원단(110)의 타면 상에 형성될 수 있으며, 패턴 발열층(120)에서 발생되는 열이 섬유원단(110)을 통해 외부로 손실되지 않도록 단열시킬 수 있고, 패턴 발열층(120)에서 발생되는 열이 섬유원단(110)과 반대 방향(예를 들어, 상기 보호막 방향)으로만 전달되도록 할 수 있다. 이를 통해 발열 섬유원단(100)의 착용자에게 패턴 발열층(120)에서 발생되는 열이 효과적으로 전달될 수 있다. 이때, 상기 단열층(미도시)은 에어로겔(aerogel), 유리솜, 석영솜, 글라스울, 코르크 및 발포 플라스틱으로 구성된 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 발열 섬유원단(100)은 전기적 신호가 공급되는 단자(150);를 포함할 수 있고, 전극(130)은 섬유원단(110)과 패턴 발열층(120)을 재봉하는 전도성사로 제공될 수 있다. 단자(150)는 배터리 등의 외부 전원이 연결되어 전기적 신호가 공급될 수 있고, 공급되는 전기적 신호를 전극(130)으로 전달할 수 있다.
전극(130)은 은(Ag)사(絲), 금(Au)사 등의 전도성사로 섬유원단(110)에 재봉(또는 바느질)하여 형성될 수 있으며, 단자(150)와 패턴 발열층(120)을 전기적으로 연결할 수 있고, 단자(150)로부터 전달되는 전기적 신호를 패턴 발열층(120)에 전달할 수 있다. 이러한 경우, 단락되는 부분없이 패턴 발열층(120) 전체에 전기적 신호(예를 들어, 전류)가 제공될 수 있을 뿐만 아니라 패턴 발열층(120) 전체에 균일하게 전기적 신호를 제공할 수 있고, 간단하게 전극(130)을 형성할 수 있다. 또한, 상기 보호막(미도시)을 형성한 후에도 별도의 식각(etching) 공정없이 전극(130)을 형성할 수도 있다. 그리고 전도성사로 섬유원단(110)과 패턴 발열층(120)을 함께 재봉하면, 간단하게 전극(130)을 형성할 수 있을 뿐만 아니라 섬유원단(110)과 패턴 발열층(120)을 단단히 결합(또는 고정)시킬 수 있다.
단자(150)는 한 쌍으로 이루어질 수 있으며, 전극(130)은 단자(150)에 대응되어 한 쌍으로 이루어질 수 있고, 단자(150) 각각으로부터 서로 나란하게 연장되어 단자(150)와 패턴 발열층(120)을 전기적으로 연결할 수 있다. 이때, 전극(130)은 패턴 발열층(120)의 양단에 제공될 수 있고, 단자(150)에 공급되는 전기적 신호가 패턴 발열층(120) 전체에 효과적으로 분산(또는 전달)될 수 있다.
또한, 전극(130)은 버스 전극(bus electrode)으로 형성될 수 있으며, 단자(150)로 공급되는 전기적 신호가 단자(150)에 연결되는 전극(130)의 일단부터 반대쪽의 타단까지 빠르게 전달될 수 있고, 패턴 발열층(120)의 양단에서 패턴 발열층(120)의 전체에 빠르게 퍼질(또는 분산될) 수 있다. 이를 통해 패턴 발열층(120)이 전체적으로 균일한 발열을 할 수 있다. 여기서, 상기 버스 전극은 전극의 전체 저항을 줄이기 위해 일정 방향(예를 들어, 수직 방향)을 따라서 직접 연결된 높은 전도율을 가진 전극을 의미한다.
한편, 전극(130)은 섬유원단(110)의 결(111)에 수직한 방향(12)으로 나란하게 연장되어 형성될 수 있다. 이러한 경우, 단자(150)로 공급된 전기적 신호가 결(111)에 수직한 방향(12)으로 전극(130)을 통해 빠르게 전달되고, 패턴 발열층(120)의 양단에서 섬유원단(110)의 결(111)을 따라 결(111)에 평행한 방향(11)으로 패턴 발열층(120)의 전체에 빠르게 퍼질 수 있다. 또한, 전극(130)은 은(Ag) 등의 금속 페이스트(metal paste)를 섬유원단(110) 상에 코팅하여 높은 전기전도율을 갖도록 형성할 수도 있다.
발열 섬유원단(100)의 발열 테스트로 인장 전의 발열, 인장된 후의 발열 및 5,200 회 인장 후의 발열 효율을 측정하였는데, 발열 섬유원단(100)이 인장되어 신축 후에도 큰 온도 변화 및 발열효율의 변화없이 안정적으로 발열하는 것을 확인할 수 있었다. 약 15 % 인장 및 5,200 회 신축 테스트 결과, 발열 섬유원단(100)은 초기 신축 후에 약 20 ℃의 변화가 있었으나, 추가 신축 후에는 10 ℃ 내외의 변화만 있었으며, 신축 후에도 70 ℃ 이상의 온도를 유지하였다. 19개 지점의 평균 온도에 대한 발열효율을 계산하면, 초기에는 10.3 ℃/W의 발열효율을 나타냈으며, 5,200 회 신축 후에는 9.5 ℃/W의 발열효율을 나타내어 7.7 %의 변화율(또는 감소율)을 보였다. 한편, 섬유원단의 면 전체에 발열층을 형성하는 경우에는 초기의 발열효율도 낮을 뿐만 아니라 신축 후에는 더 큰 감소율을 보였다. 따라서, 본 발명의 발열 섬유원단(100)은 인장되어 신축 후에도 큰 온도 변화 및 발열효율의 변화없이 안정적으로 발열할 수 있으며, 내구성이 향상되었다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발열 섬유원단 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 6을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 발열 섬유원단 제조방법을 보다 상세히 살펴보는데, 본 발명의 일실시예에 따른 발열 섬유원단과 관련하여 앞서 설명된 부분과 중복되는 사항들은 생략하도록 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 발열 섬유원단 제조방법은 카본나노튜브를 분산매에 분산시키는 과정(S100); 섬유원단의 일면 상에 상기 카본나노튜브가 상기 분산매에 분산된 분산 용액을 제공하여 오픈부를 형성하는 연속적인 망 구조로 패턴 발열층을 형성하는 과정(S200); 및 상기 패턴 발열층에 전기적으로 연결되는 전극을 형성하는 과정(S300);을 포함할 수 있다.
먼저, 카본나노튜브를 분산매에 분산시킨다(S100). 카본나노튜브를 분산매에 균일하게 분산시킬 수 있으며, 상기 카본나노튜브를 상기 분산매에 넣고 초음파에 의한 분산법 또는 교반(Stirring)법을 이용하여 균일하게 분산시킬 수 있다. 여기서, 표면에 수산화기가 형성된 카본나노튜브를 분산시킬 수도 있고, 표면에서 적어도 일부의 카본 본딩이 제거된 카본나노튜브를 상기 분산매로 사용하는 초순수에 넣고 상기 카본 본딩이 제거된 카본나노튜브의 표면에 수산화기를 형성할 수도 있다. 표면에서 적어도 일부의 카본 본딩이 제거된 카본나노튜브를 초순수에 넣는 경우에는 상기 카본 본딩이 제거된 카본나노튜브 표면의 불포화 결합으로 인해 물 분자와의 인력이 증가하고 카본 본딩이 제거된 자리에 수산화기가 형성되어 상기 카본 본딩이 제거된 카본나노튜브의 표면이 (-)로 대전되면서 상기 카본 본딩이 제거된 카본나노튜브의 표면에 정전기력을 부과할 수 있다. 그리고 상기 분산매는 초순수(DI water) 등일 수 있으나, 이에 특별히 한정되지 않으며, 상기 카본나노튜브가 용해되지 않고 상기 카본나노튜브에 영향을 주지 않는 액체이면 족하다.
예를 들어, 초순수(예를 들어, 1 ℓ)에 상기 카본나노튜브(예를 들어, 30 ㎎)를 넣고, 18 내지 30 시간 교반시키면서 분산 공정을 수행할 수 있다.
상기 카본나노튜브의 표면이 수산화기에 의해 (-)로 대전되면, 상기 카본나노튜브의 표면에 정전기력이 부과되는데, 이로 인해 상기 카본나노튜브의 침전 현상이나 상기 카본나노튜브가 서로 뭉치는 현상이 발생하지 않고 상기 카본나노튜브가 상기 분산매에 균일하게 분산되어 안정된 분산 용액을 얻을 수 있다. 이에 섬유원단 상의 패턴 발열층의 균일성과 신뢰성이 향상된 본 발명의 발열 섬유원단을 제조할 수 있다.
다음으로, 섬유원단의 일면 상에 상기 카본나노튜브가 상기 분산매에 분산된 분산 용액을 제공하여 오픈부를 형성하는 연속적인 망 구조로 패턴 발열층을 형성한다(S200). 패턴 발열층은 진공흡착법 또는 스크린 프린팅(screen printing)법 등을 이용하여 섬유원단의 일면 상에 후막 코팅하여 형성될 수 있으며, 실크 스크린(또는 마스크) 등을 통해 연속적인 망 구조로 패턴을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 카본나노튜브의 분산 용액(또는 상기 카본나노튜브 페이스트)을 섬유원단의 일면에서 타면으로 흘려보내면서 상기 섬유원단의 일면 상에 제공하면, 상기 분산매는 상기 섬유원단을 통과하여 밑으로 빠져나오고, 상기 카본나노튜브만 상기 섬유원단 상에 남게(또는 걸러지게) 된다. 여기서, 상기 카본나노튜브의 분산 용액은 분산 용액 제공용기를 통해 제공될 수 있다. 이렇게 상기 섬유원단 상에 남은 상기 카본나노튜브를 건조시켜 상기 패턴 발열층을 형성할 수 있다. 또한, 카본나노튜브(CNT) 페이스트를 스크린 프린팅법으로 상기 섬유원단 상에 인쇄(또는 프린팅)하여 건조시킴으로써, 상기 패턴 발열층을 형성할 수 있다. 이때, 카본나노튜브(CNT) 페이스트에는 바인더(binder)가 혼합될 수 있으며, 50 메쉬(mesh) 이상의 카본나노튜브(CNT)를 10 내지 150 메쉬(예를 들어, 약 110 메쉬)의 실크 스크린을 사용하여 인쇄할 수 있고, 상온(약 25 ℃) 내지 180 ℃(예를 들어, 약 150 ℃)에서 5 내지 10 분간 건조시킬 수 있다. 건조 온도가 상온보다 낮은 경우에는 분산매 등이 완전히 건조되지(또는 다 날아가지) 않아 전기전도도에 영향을 줄 수 있고, 180 ℃보다 높은 경우에는 상기 패턴 발열층에 크랙이 발생하는 등 상기 패턴 발열층 또는 상기 섬유원단이 손상될 수 있다. 건조 시간은 건조 온도에 따라 분산매 등이 완전히 건조될 수 있는 시간으로 알맞게 정해질 수 있다.
상기 패턴 발열층은 탄성력을 갖는 상기 카본나노튜브에 의해 탄성력을 가질 수 있으며, 상기 섬유원단의 변형에 따라 변형될 수 있고, 상기 섬유원단의 변형 시에도 발열 효율과 복원력을 유지할 수 있다. 이때, 상기 패턴 발열층은 표면적의 변화 또는 상기 카본나노튜브의 접촉점 개수의 변화에 의해 적어도 부분적으로 저항이 변화될 수 있다. 그리고 오픈부를 형성하는 연속적인 망 구조로 상기 패턴 발열층을 형성함으로써, 상기 섬유원단의 변형에 따라 상기 패턴 발열층의 각 단위 패턴이 방향성을 갖고 잘 변형될 수 있다. 이에 상기 패턴 발열층의 손상(또는 단선)없이 발열 섬유원단의 내구성을 향상시킬 수 있다.
상기 패턴 발열층을 형성하는 과정(S200)에서는 상기 섬유원단의 타면에 진공압을 형성하여 상기 분산 용액을 여과하면서 상기 카본나노튜브를 상기 섬유원단 상에 진공 흡착시킬 수 있다. 상기 패턴 발열층은 진공흡착법으로 상기 섬유원단 상에 형성될 수 있다. 상기 섬유원단의 타면에 진공압을 형성할 수 있으며, 진공배기수단을 통해 이와 연결된 진공 용기에 진공을 형성하여 상기 섬유원단의 타면에 진공압이 형성되도록 할 수 있다. 이를 통해 상기 카본나노튜브를 상기 섬유원단의 일면 상에 진공 흡착시킬 수 있으며, 상기 카본나노튜브가 분산매에 분산된 분산 용액에서 여과(filtering)되어 상기 섬유원단 상에 남게 되는 상기 카본나노튜브가 상기 섬유원단 또는 상기 자가조립단층 상에 진공 흡착되어 상기 섬유원단의 일면 상에 상기 패턴 발열층을 형성할 수 있다. 여기서, 상기 섬유원단마다 다른 특성의 결이 있으며, 그 결에 따라 늘어나는 길이 대비 저항의 변화량이 다르기 때문에 저항의 변형 시 방향성을 부가해줄 수 있다.
상기 섬유원단의 타면에 진공압을 형성하여 상기 카본나노튜브를 상기 섬유원단의 일면에서 타면 방향으로 흡착시키는 진공흡착법에 의해 상기 패턴 발열층을 상기 섬유원단의 일면 상에 형성할 경우, 강한 진공압에 의한 흡착 에너지에 의해 상기 섬유원단 내부까지 상기 카본나노튜브가 침투할 수 있고, 상기 패턴 발열층이 상기 섬유원단 상에 효과적으로 흡착될 수 있다. 그리고 진공압에 의해 상기 분산매가 진공을 형성하지 않는 것보다 상기 섬유원단을 잘 빠져나올 수 있기 때문에 빠르게 상기 패턴 발열층을 형성할 수 있고, 이에 따라 상기 패턴 발열층을 형성하는 공정 시간을 단축할 수 있으며, 상기 섬유원단의 표면에 균일하게 진공압이 형성되므로 균일한 상기 패턴 발열층을 형성할 수 있다.
즉, 진공흡착법으로 상기 패턴 발열층을 형성하여 강한 진공압에 의한 흡착 에너지에 의해 상기 섬유원단 내부까지 상기 카본나노튜브가 침투할 수 있을 뿐만 아니라 상기 카본나노튜브 표면의 수산화기(OH-)와 상기 섬유원단의 표면에 형성된 상기 자가조립단층의 작용기(예를 들어, NH+)가 이온 결합할 수 있어 더욱 강한 에너지로 상기 섬유원단과 상기 패턴 발열층이 결합할 수 있다. 이에 진공흡착법을 통해 더욱 내구성이 높은 상기 카본나노튜브가 흡착(또는 코팅)된 상기 섬유원단으로 발열 섬유원단을 제작할 수 있다.
그 다음 상기 패턴 발열층에 전기적으로 연결되는 전극을 형성한다(S300). 전극은 상기 패턴 발열층에 전기적으로 연결될 수 있으며, 상기 패턴 발열층의 양쪽 끝단에 형성될 수 있다. 상기 전극을 통해 상기 패턴 발열층에 전류를 흘려주어 상기 패턴 발열층을 전기 발열시킬 수 있다.
상기 섬유원단은 결(grain)을 가질 수 있으며, 섬유원단마다 다른 특성의 결을 가질 수 있고, 그 결에 따라 늘어나는 길이 대비 저항의 변화량이 달라 상기 패턴 발열층의 저항 변화 시 방향성을 부가해줄 수 있다. 또한, 상기 섬유원단의 결은 상기 카본나노튜브가 흡착되는 흡착면을 제공할 수 있으며, 대부분의 상기 카본나노튜브가 상기 결에 흡착될 수 있다.
상기 패턴 발열층을 형성하는 과정(S200)은 상기 섬유원단의 결을 따라 제1 라인부를 형성하는 과정(S210); 및 상기 제1 라인부와 단위 패턴을 이루도록 상기 섬유원단의 결과 교차하는 방향으로 연장되는 제2 라인부를 형성하는 과정(S220)을 포함할 수 있다.
상기 섬유원단의 결을 따라 제1 라인부를 형성할 수 있다(S210). 제1 라인부는 상기 섬유원단의 결을 따라 제공될 수 있으며, 상기 섬유원단의 결을 따라 신축할 수 있어 신축에 따른 저항 변화가 작을 수 있다. 상기 카본나노튜브는 머리카락 구조로 되어 서로 엉켜 있는 구조이며, 분자 구조상 부분 단락이 발생하여도 연결되어 있는 접촉점이 많아 쇼트나 화재의 위험성이 없고, 장기간 사용에 따른 내구성이 뛰어나다. 이러한 상기 카본나노튜브는 상기 제1 라인부가 늘어남에 따라 서로 엉켜 있던 입자들이 풀리거나 서로 떨어질 수 있으며, 이에 따라 상기 카본나노튜브의 접촉점의 개수가 변할 수 있고, 상기 카본나노튜브의 접촉점 개수의 변화에 의해 상기 제1 라인부의 저항이 변화할 수 있다. 상기 제1 라인부는 대부분의 상기 카본나노튜브가 흡착 고정된 상기 섬유원단의 결을 따라 신축됨으로써, 상기 제1 라인부가 늘어나더라도 상기 섬유원단의 결을 따라 촘촘히 제공된 상기 카본나노튜브에 의해 입자들 간의 연결이 대부분 유지될 수 있고, 이에 따라 상기 카본나노튜브의 접촉점 개수의 변화가 적어 신축에 따른 저항 변화가 작을 수 있다.
그리고 상기 제1 라인부와 단위 패턴을 이루도록 상기 섬유원단의 결과 교차하는 방향으로 연장되는 제2 라인부를 형성할 수 있다(S220). 제2 라인부는 상기 섬유원단의 결과 교차하는 방향으로 연장될 수 있으며, 상기 제1 라인부 간을 연결할 수 있고, 상기 제1 라인부와 단위 패턴을 이룰 수 있다. 굴곡을 가져 두 개 이상의 방향으로 연속되어 연장될 수 있다. 이때, 상기 제2 라인부는 서로 다른 방향으로 연장되는 복수의 단위 라인으로 이루어질 수 있으며, 서로 다른 방향으로 연장되는 상기 복수의 단위 라인이 연결되어 상기 제1 라인부 간을 연결할 수 있다. 여기서, 서로 다른 방향은 모두 상기 섬유원단의 결과 교차하는 방향일 수 있고, 상기 교차하는 방향은 수직으로 교차하는 것뿐만 아니라 평행하지 않고 비스듬한(또는 엇갈리는) 방향을 모두 포함할 수 있다. 그리고 상기 제2 라인부는 상기 섬유원단의 결과 교차하는 방향으로 신축하게 되어 신축에 따른 저항 변화가 클 수 있다. 상기 제2 라인부를 이루는 카본나노튜브는 상기 제2 라인부가 늘어남에 따라 서로 엉켜 있던 입자들이 떨어져 어느 정도 이격 거리가 발생할 수 있으며, 이에 따라 상기 카본나노튜브의 접촉점의 개수가 변할 수 있고, 상기 카본나노튜브의 접촉점 개수의 변화에 의해 상기 제2 라인부의 저항이 변화할 수 있다. 상기 제2 라인부는 상기 섬유원단의 결과 교차하는 방향으로 신축됨으로써, 상기 제2 라인부가 늘어남에 따라 대부분의 상기 카본나노튜브가 흡착 고정된 상기 섬유원단의 결들이 분리되고, 상기 결들 간에 서로 엉켜 있던 입자들이 떨어져 입자들 간의 연결이 대부분 끊어질 수 있으며, 이에 따라 상기 카본나노튜브의 접촉점 개수의 변화가 많게 되어 신축에 따른 저항 변화가 클 수 있다.
상기 패턴 발열층을 형성하는 과정(S200)에서는 상기 단위 패턴의 상기 결에 수직한 방향의 길이가 상기 단위 패턴의 상기 결에 평행한 방향의 길이보다 짧게 상기 패턴 발열층을 형성할 수 있다. 상기 패턴 발열층이 상기 결에 평행한 방향으로 신축하는 경우에는 상기 섬유원단의 결을 따라 신축할 수 있어 신축에 따른 저항 변화가 작을 수 있다. 상기 패턴 발열층이 상기 결에 평행한 방향으로 늘어나는 경우, 상기 패턴 발열층이 늘어나더라도 상기 섬유원단의 결을 따라 촘촘히 제공된 상기 카본나노튜브에 의해 입자들 간의 연결이 대부분 유지될 수 있고, 이에 따라 상기 카본나노튜브의 접촉점 개수의 변화가 적어 신축에 따른 저항 변화가 작을 수 있다.
반면에, 상기 패턴 발열층이 상기 결에 수직한 방향으로 신축하는 경우에는 상기 섬유원단의 결들 사이가 붙었다 떨어졌다 하게 되므로, 신축에 따른 저항 변화가 클 수 있다. 즉, 상기 섬유원단의 결들이 붙어 있을 때와 상기 섬유원단의 결들 사이가 떨어져 있을 때에 상기 카본나노튜브의 접촉점 개수의 차이가 많이 나게 되며, 이로 인해 신축에 따른 저항 변화가 크게 된다. 상기 패턴 발열층이 상기 결에 수직한 방향으로 늘어나는 경우, 대부분의 상기 카본나노튜브가 흡착 고정된 상기 섬유원단의 결들 사이가 벌어지게 되고 상기 패턴 발열층이 상기 섬유원단의 결들 사이의 공간에서 신축하면서 상기 결들 간에 서로 엉켜 있던 입자들이 떨어져 입자들 간의 연결이 대부분 끊어질 수 있으며, 이에 따라 상기 카본나노튜브의 접촉점 개수의 변화가 많게 되어 신축에 따른 저항 변화가 클 수 있다.
이에 상기 단위 패턴의 결에 수직한 방향의 길이를 상기 단위 패턴의 결에 평행한 방향의 길이보다 짧게 함으로써, 상기 패턴 발열층에서 상기 결에 수직한 방향으로 신축하여 저항 변화가 큰 성분(또는 부분)을 상기 결에 평행한 방향으로 신축하여 저항 변화가 작은 성분보다 줄일 수 있다. 이를 통해 상기 패턴 발열층이 신축하더라도 상기 패턴 발열층의 저항 변화를 줄일 수 있고, 상기 패턴 발열층의 영역별 저항 변화에 따라 영역별로 발생하는 열효율 차이도 억제 또는 방지할 수 있다.
그리고 상기 제1 라인부를 형성하는 과정(S210)에서는 상기 제1 라인부의 폭을 상기 결의 간격보다 크게 형성할 수 있다. 즉, 상기 제1 라인부의 폭은 상기 섬유원단의 결 간의 거리보다 클 수 있다. 상기 제1 라인부의 폭이 상기 결의 간격보다 작게 되면, 상기 제1 라인부가 상기 섬유원단의 결 사이에만 형성되고, 상기 섬유원단의 결에는 형성되지 않을 수 있다. 이러한 경우, 상기 패턴 발열층의 저항 변화 시 방향성을 부가해줄 수 없고, 안정적인 상기 카본나노튜브의 흡착면을 제공하는 상기 결에 상기 카본나노튜브가 흡착되지 않아 상기 패턴 발열층이 상기 섬유원단 상에 안정적으로 고정될 수 없다.
하지만, 상기 제1 라인부의 폭이 상기 결의 간격보다 큰 경우에는 적어도 부분적으로 상기 섬유원단의 결에 흡착되는 상기 카본나노튜브가 생기게 되고, 상기 제1 라인부를 포함하는 상기 패턴 발열층이 상기 섬유원단 상에 안정적으로 고정될 수 있다. 또한, 상기 패턴 발열층의 저항 변화 시 방향성을 부가해줄 수 있어 상기 패턴 발열층의 신축에 의한 저항 변화를 예측 및/또는 제어할 수 있다.
한편, 상기 제2 라인부의 폭도 상기 결의 간격보다 크게 형성할 수 있다. 상기 제1 라인부와 상기 제2 라인부의 균일한 발열을 위해 상기 제2 라인부의 폭은 상기 제1 라인부의 폭과 동일할 수 있고, 상기 결의 간격보다 클 수 있다. 또한, 상기 결에 흡착되는 상기 카본나노튜브의 수(또는 면적)가 많아져(또는 넓어져) 상기 제2 라인부가 안정적으로 고정될 수 있고, 상기 패턴 발열층이 섬유원단 상에 보다 안정적으로 고정될 수 있다.
본 발명에 따른 발열 섬유원단 제조방법은 상기 카본나노튜브를 산처리하여 상기 카본나노튜브의 표면에서 적어도 일부의 카본 본딩을 제거하는 과정(S50); 카본 본딩이 제거된 상기 카본나노튜브의 표면에 상기 작용기와 이온 결합되는 기능기를 형성하는 과정(S60); 및 상기 섬유원단의 표면에 작용기를 포함하는 표면개질물질로 형성되는 자가조립단층을 형성하는 과정(S40);을 더 포함할 수 있다.
상기 카본나노튜브를 산처리하여 상기 카본나노튜브의 표면에서 적어도 일부의 카본 본딩을 제거할 수 있다(S50). 상기 카본나노튜브를 산처리하여 상기 카본나노튜브를 표면처리할 수 있다. 산처리에 의해 상기 카본나노튜브의 표면에 불포화 결합(dangling bond)을 형성시켜 수산화기(-OH)가 상기 카본나노튜브의 표면에 형성되도록 할 수 있다. 이때, 상기 카본나노튜브를 상기 분산매에 균일하게 분산시키기 위해 상기 카본나노튜브를 산처리하는 과정(S50)을 상기 카본나노튜브를 분산매에 분산시키는 과정(S100) 이전에 수행할 수도 있다.
상기 카본나노튜브는 질산을 이용하여 산처리할 수 있다. 예를 들어, 상기 카본나노튜브(예를 들어, 1 g)를 99 % 질산(예를 들어, 150 ㎖)에 넣고 산처리할 수 있다. 이때, 담금법으로 산처리를 수행할 수 있으며, 효율적인 상기 카본나노튜브의 표면처리를 위해 100 내지 150 ℃의 온도로 3 내지 5 시간 동안 교반시키면서 산처리를 수행할 수 있다. 질산에서 꺼낸 상기 카본나노튜브는 초순수 등을 이용하여 상기 카본나노튜브의 pH가 7(또는 중성)이 될 때까지 세척공정을 진행할 수 있다. 예를 들어, 질산에서 꺼낸 상기 카본나노튜브를 초순수로 5 내지 10 회 헹구어 낼 수 있다.
한편, 염산으로 산처리하는 경우에는 염소 이온(Cl-)이 카본 본딩이 끊어진 자리의 탄소 이온(C4+)과 반응하여 카본 본딩이 끊어진 자리에 염소기(-Cl)가 형성될 수 있고, 이로 인해 상기 카본나노튜브의 표면에 불포화 결합을 형성시킬 수 없다.
상기 카본나노튜브를 산처리하는 과정(S50)에서는 상기 카본나노튜브의 표면에서 적어도 일부의 카본 본딩이 제거될 수 있다. 상기 카본나노튜브를 산처리하면, 산화 과정을 통해(또는 산에 의한 에너지나 열에 의해) 카본 본딩이 끊어질 수 있고, 상기 카본나노튜브의 표면에 불포화 결합을 형성시킬 수 있다.
그 다음 상기 카본나노튜브를 산처리하는 과정(S50) 이후에 카본 본딩이 제거된 상기 카본나노튜브의 표면에 상기 작용기와 이온 결합되는 기능기를 형성할 수 있다(S60). 상기 카본나노튜브의 표면에서 카본 본딩이 제거된 부분에는 수산화기 등의 기능기가 달라붙어 상기 카본나노튜브의 표면 말단에 상기 기능기가 형성될 수 있다. 이때, 상기 기능기는 수산화기(-OH)를 포함할 수 있다. 여기서, 수산화기는 공기 중의 수분에 의해서도 제공될 수 있고, 산처리된 상기 카본나노튜브의 세척 공정에서 사용되는 물에 의해 제공될 수도 있으며, 상기 분산매로 초순수를 사용하는 경우에는 상기 분산매에 의해서도 제공될 수 있다. 예를 들어, 상기 카본나노튜브의 표면에 수산화기가 형성되면, 상기 카본나노튜브의 수산화기와 자가조립단층의 작용기가 이온 결합함으로써, 상기 패턴 발열층이 상기 섬유원단 상에 잘 흡착될 수 있다.
그리고 상기 패턴 발열층을 형성하는 과정(S200) 이전에 상기 섬유원단의 표면에 작용기를 포함하는 표면개질물질로 형성되는 자가조립단층을 형성할 수 있다(S40). 자가조립단층은 상기 섬유원단의 표면과 결합되는 헤드 그룹; 자가조립단층의 말단에 제공되는 작용기를 포함하며, 상기 헤드 그룹과 연결되는 엔드 그룹; 및 상기 헤드 그룹과 상기 엔드 그룹을 연결하는 백본(backbone)을 포함할 수 있다. 상기 헤드 그룹은 상기 섬유원단의 표면과 결합할 수 있고, 상기 섬유원단의 종류에 따라 선택할 수 있으며, 일반적으로 실란계(Si-)가 선택될 수 있다. 그리고 상기 백본은 주로 알킬 사슬로 구성될 수 있고, 하이드로 카본 체인이나 플로 카본 체인들일 수 있다. 마지막으로, 상기 엔드 그룹은 기능성을 부여할 수 있는 상기 작용기를 포함할 수 있고, 상기 헤드 그룹과 연결될 수 있으며, 상기 작용기는 이후 반응이 될 부분(즉, 어떤 물질을 붙일 것이냐)에 따라 다양한 작용기 중에서 선택될 수 있다.
상기 섬유원단의 표면에 상기 자가조립단층을 형성하여 상기 섬유원단을 표면처리하면, 상기 섬유원단과 상기 패턴 발열층의 결합력이 향상되어 상기 섬유원단 상에 상기 패턴 발열층이 잘 형성될 수 있다.
상기 자가조립단층을 형성하는 단계(S40)에서는 상기 표면개질물질을 포함하는 표면처리 용액에 상기 섬유원단을 담지하여 상기 섬유원단의 표면에 상기 자가조립단층을 형성할 수 있다. 여기서, 상기 섬유원단은 컨베이어 벨트(conveyor belt) 등의 이송부(미도시)를 통해 이송되어 표면처리 용액에 담지될 수도 있으며, 이송부(미도시)는 상기 섬유원단에 접촉되는 벨트(미도시)와 상기 벨트를 이동시키는 회전롤러(미도시)로 구성될 수도 있다. 상기 표면처리 용액은 상기 섬유원단의 표면에 결합되는 상기 헤드 그룹으로 실란계 물질을 더 포함할 수 있으며, 아미노실란(Aminosilane), 3-아미노프로필트리에톡시실란(3-aminopropyltriethoxysilane; APTES) 등일 수 있다. 상기 실란계 물질은 고분자 및 무기물을 연결할 수 있는 기를 동시에 갖고 있으므로, 상기 섬유원단과 잘 결합할 수 있으며, 유리섬유와 유사하게 천연섬유 표면의 수산화기(-OH)를 활용하는 경우에는 실란계 물질에 포함된 실리콘(Si)이 상기 섬유원단 표면의 수산화기와 이온 결합하여 상기 헤드 그룹이 상기 섬유원단의 표면에 잘 결합될 수 있다. 따라서, 상기 표면처리 용액에 실란계 물질이 포함되는 경우에는 상기 헤드 그룹이 상기 섬유원단의 표면에 잘 결합될 수 있어 상기 표면처리 용액에 상기 섬유원단을 담지하는 것만으로 상기 섬유원단에 상기 자가조립단층을 형성할 수 있게 된다. 또한, 실란계 물질이 포함된 상기 표면처리 용액을 사용하면, 상기 표면개질물질의 이온들을 일정한 방향으로 상기 섬유원단의 표면에 유도시킬 수 있고, 상기 섬유원단의 표면을 대전시켜 상기 섬유원단의 표면에 정전기력을 부과할 수 있다.
상기 작용기는 아민기(-NH), 아미노기(-NH2), 티올기(-SH), 카르복실기(-COOH), 포르밀기(-CHO), 시아나토기(-OCN), 실라놀기(Si-OH), 포스핀기(-PO2H2), 포스폰기(-PO3H2), 술폰기(-SO3H), 에폭시기 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 상기 작용기를 통해 상기 섬유원단의 표면을 (+)로 대전시켜 상기 섬유원단의 표면에 정전기력을 부과할 수 있고, 상기 작용기가 상기 카본나노튜브의 수산화기와 이온 결합할 수 있다. 이에 따라 상기 섬유원단과 상기 패턴 발열층의 결합력(즉, 상기 자가조립단층과 상기 패턴 발열층의 결합력)을 향상시킬 수 있다.
그리고 상기 카본나노튜브의 수산화기가 상기 엔드 그룹의 작용기와 이온 결합하여 상기 패턴 발열층이 형성될 수 있으며, 예를 들어 상기 카본나노튜브의 표면에 형성된 수산화(OH-)기와 상기 엔드 그룹의 아민(NH+)기가 이온 결합할 수 있다. 이에 따라 상기 섬유원단과 상기 패턴 발열층이 더욱 강한 에너지로 결합하게 되어 상기 섬유원단과 상기 패턴 발열층의 결합력이 향상될 수 있으며, 신축에 따른 상기 패턴 발열층의 박리가 억제 또는 방지될 수 있고, 본 발명의 발열 섬유원단 제조방법으로 제조된 발열 섬유원단의 내구성이 향상될 수 있다.
본 발명에 따른 발열 섬유원단 제조방법은 전기적 신호가 공급되는 단자를 형성하는 과정(S400);을 더 포함할 수 있고, 상기 전극을 형성하는 과정(S300)은 상기 섬유원단과 상기 패턴 발열층을 전도성사로 재봉하여 상기 단자와 상기 패턴 발열층을 전기적으로 연결하는 과정(S310)을 포함할 수 있다.
또한, 전기적 신호가 공급되는 단자를 형성할 수 있다(S400). 단자는 상기 전극의 일단에 형성될 수 있으며, 배터리 등의 외부 전원이 연결되어 전기적 신호가 공급될 수 있고, 공급되는 전기적 신호를 상기 전극으로 전달할 수 있다.
그리고 상기 섬유원단과 상기 패턴 발열층을 전도성사로 재봉하여 상기 단자와 상기 패턴 발열층을 전기적으로 연결할 수 있다(S310). 전도성사는 상기 섬유원단에 재봉할 수 있으며, 상기 단자와 상기 패턴 발열층을 전기적으로 연결할 수 있고, 상기 단자로부터 전달되는 전기적 신호를 상기 패턴 발열층에 전달할 수 있다. 여기서, 상기 전도성사는 은(Ag)사(絲), 금(Au)사 등의 전도성 실을 포함할 수 있고, 상기 섬유원단에 바느질(또는 재봉)하여 제공될 수 있다. 이러한 경우, 단락되는 부분없이 상기 패턴 발열층 전체에 전기적 신호가 제공될 수 있을 뿐만 아니라 상기 패턴 발열층 전체에 균일하게 전기적 신호를 제공할 수 있고, 간단하게 상기 전극을 형성할 수 있다. 또한, 보호막을 형성한 후에도 별도의 식각(etching) 공정없이 상기 전극을 형성할 수도 있다. 그리고 상기 전도성사로 상기 섬유원단과 상기 패턴 발열층을 함께 바느질하면, 간단하게 상기 전극을 형성할 수 있을 뿐만 아니라 상기 섬유원단과 상기 패턴 발열층을 단단히 결합(또는 고정)시킬 수 있다.
본 발명에 따른 발열 섬유원단 제조방법은 상기 패턴 발열층 상에 전기절연성을 갖는 보호막을 형성하는 과정(S500);을 더 포함할 수 있다.
상기 패턴 발열층 상에 전기절연성을 갖는 보호막을 형성할 수 있다(S500). 보호막은 상기 패턴 발열층 상에 제공될 수 있으며, 상기 패턴 발열층을 보호할 수 있고, 전기절연성을 가져 전류(또는 전기)가 흐르는 상기 패턴 발열층을 전기절연시킬 수 있다. 또한, 상기 보호막은 상기 패턴 발열층에서 발생되는 열이 원활히 외부로 전달되도록 하기 위해 열전도성을 가질 수 있으며, 열전도성이 우수한 재질로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 상기 보호막은 연성의 재질로 이루어질 수 있고, 상기 패턴 발열층 상에 코팅될 수 있다. 상기 섬유원단의 과도한 변형(예를 들어, 잦은 변형, 상기 패턴 발열층의 탄성한계 이상의 변형 등) 또는 급격한 변형으로 인해 상기 패턴 발열층이 박리될 수 있는데, 상기 섬유원단의 변형에 따라 신축 가능한 연성의 보호막을 통해 상기 패턴 발열층의 박리를 방지할 수 있고, 상기 섬유원단의 변형에 따른 표면적 변화로 인한 상기 패턴 발열층의 응력(stress)을 완화시켜 줄 수 있다. 상기 보호막은 수지(resin)로 이루어질 수 있으며, 이에 특별히 한정되지 않고, 상기 섬유원단의 변형에 따라 신축이 될 수 있도록 탄성력이 우수한 연성의 소재이면 족하다.
여기서, 실리콘, 경화제 및 희석제를 혼합하여 상기 보호막을 형성할 수 있으며, 실리콘 69.5 g, 경화제 2 g(2.8 wt%) 및 희석제 20 ml를 혼합하여 스크린 프린팅법으로 인쇄하고 건조시켜 상기 보호막을 형성할 수 있다. 이때, 상온 내지 180 ℃(예를 들어, 약 150 ℃)에서 1 분간 건조시킬 수 있다. 건조 온도가 상온보다 낮은 경우에는 경화제, 희석제 등이 완전히 건조되지 않을 수 있고, 180 ℃보다 높은 경우에는 상기 패턴 발열층에 크랙(crack)이 발생하는 등 상기 패턴 발열층 또는 상기 섬유원단이 손상되거나 상기 보호막의 연성이 저하될 수 있다. 건조 시간은 건조 온도에 따라 경화제, 희석제 등이 완전히 건조될 수 있는 시간으로 알맞게 정해질 수 있다.
이처럼, 본 발명에서는 섬유원단 상에 카본나노튜브(CNT)로 패턴 발열층을 형성하여 패턴 발열층이 탄성력을 가질 수 있고, 섬유원단의 변형 시에도 패턴 발열층의 발열 효율과 복원력을 유지할 수 있다. 또한, 오픈부를 형성하는 연속적인 망 구조로 패턴 발열층을 형성하여 섬유원단의 결과 평행 또는 수직 방향으로 변형하는 섬유원단의 변형(또는 신축)에 따라 패턴 발열층의 각 단위 패턴이 방향성을 갖고 잘 변형될 수 있다. 이에 따라 패턴 발열층의 손상(또는 단선)없이 발열 섬유원단의 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 섬유원단의 결을 따라 제1 라인부를 형성하여 섬유원단의 변형에 따라 변형되면서도 전기전도도를 유지할 수 있는 부분(또는 면적)을 확보할 수 있고, 각 단위 패턴의 결에 수직한 방향의 길이를 각 단위 패턴의 결에 평행한 방향의 길이보다 짧게 하여 결에 수직한 방향으로 신축함으로 인해 저항 변화가 큰 성분을 줄일 수 있다. 그리고 섬유원단의 표면에 자가조립단층을 형성하여 표면개질한 후에 패턴 발열층을 형성함으로써, 섬유원단과 패턴 발열층의 결합력이 향상될 수 있고, 발열 섬유원단의 내구성이 보다 향상될 수 있다. 또한, 패턴 발열층 상에 보호막을 코팅하여 발열 섬유원단의 표면을 전기절연시킬 뿐만 아니라 패턴 발열층의 박리를 방지할 수도 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
11 : 결에 평행한 방향 12 : 결에 수직한 방향
100 : 발열 섬유원단 110 : 섬유원단
111 : 결 120 : 패턴 발열층
120a: 오픈부 120b: 단위 패턴
121 : 제1 라인부 122 : 제2 라인부
122a,122b: 단위 라인 125 : 카본나노튜브
130 : 전극 140 : 자가조립단층
141 : 헤드 그룹 142 : 엔드 그룹
143 : 백본 150 : 단자

Claims (16)

  1. 섬유원단;
    오픈부를 형성하는 연속적인 망 구조로 상기 섬유원단의 일면 상에 제공되며, 카본나노튜브로 이루어진 패턴 발열층; 및
    상기 패턴 발열층에 전기적으로 연결되는 전극;을 포함하며,
    상기 섬유원단의 표면에 제공되며, 작용기를 포함하는 표면개질물질로 이루어진 자가조립단층;을 더 포함하고,
    상기 자가조립단층은,
    상기 섬유원단의 표면과 결합되는 헤드 그룹; 및
    상기 자가조립단층의 말단에 제공되는 상기 작용기를 포함하며, 상기 헤드 그룹과 연결되는 엔드 그룹을 포함하고,
    상기 카본나노튜브의 표면에는 상기 작용기와 이온 결합되는 기능기가 형성되는 발열 섬유원단.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 섬유원단은 결(grain)을 갖고,
    상기 패턴 발열층은,
    상기 섬유원단의 결을 따라 제공되는 제1 라인부; 및
    상기 섬유원단의 결과 교차하는 방향으로 연장되는 제2 라인부를 포함하는 발열 섬유원단.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 라인부는 각각 다른 방향으로 연장되어 서로 교차하는 복수의 단위 라인으로 이루어진 발열 섬유원단.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 라인부와 상기 제2 라인부는 단위 패턴을 이루며,
    상기 단위 패턴의 상기 결에 수직한 방향의 길이는 상기 단위 패턴의 상기 결에 평행한 방향의 길이보다 짧은 발열 섬유원단.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 라인부의 폭은 상기 결 사이의 간격보다 큰 발열 섬유원단.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 패턴 발열층 상에 제공되며, 전기절연성을 갖는 보호막;을 더 포함하는 발열 섬유원단.
  8. 청구항 1에 있어서,
    전기적 신호가 공급되는 단자;를 더 포함하고,
    상기 전극은 상기 섬유원단과 상기 패턴 발열층을 재봉하는 전도성사로 제공되는 발열 섬유원단.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 단자는 한 쌍으로 이루어지고,
    상기 전극은 상기 단자 각각으로부터 서로 나란하게 연장되어 상기 단자와 상기 패턴 발열층을 전기적으로 연결하는 발열 섬유원단.
  10. 카본나노튜브를 분산매에 분산시키는 과정;
    섬유원단의 일면 상에 상기 카본나노튜브가 상기 분산매에 분산된 분산 용액을 제공하여 오픈부를 형성하는 연속적인 망 구조로 패턴 발열층을 형성하는 과정; 및
    상기 패턴 발열층에 전기적으로 연결되는 전극을 형성하는 과정;을 포함하고,
    상기 카본나노튜브를 산처리하여 상기 카본나노튜브의 표면에서 적어도 일부의 카본 본딩을 제거하는 과정;
    카본 본딩이 제거된 상기 카본나노튜브의 표면에 상기 작용기와 이온 결합되는 기능기를 형성하는 과정; 및
    상기 섬유원단의 표면에 작용기를 포함하는 표면개질물질로 형성되는 자가조립단층을 형성하는 과정;을 더 포함하는 발열 섬유원단 제조방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 섬유원단은 결(grain)을 갖고,
    상기 패턴 발열층을 형성하는 과정은,
    상기 섬유원단의 결을 따라 제1 라인부를 형성하는 과정; 및
    상기 제1 라인부와 단위 패턴을 이루도록 상기 섬유원단의 결과 교차하는 방향으로 연장되는 제2 라인부를 형성하는 과정을 포함하는 발열 섬유원단 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 패턴 발열층을 형성하는 과정에서는 상기 단위 패턴의 상기 결에 수직한 방향의 길이가 상기 단위 패턴의 상기 결에 평행한 방향의 길이보다 짧게 상기 패턴 발열층을 형성하는 발열 섬유원단 제조방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 제1 라인부를 형성하는 과정에서는 상기 제1 라인부의 폭을 상기 결 사이의 간격보다 크게 형성하는 발열 섬유원단 제조방법.
  14. 삭제
  15. 청구항 10에 있어서,
    전기적 신호가 공급되는 단자를 형성하는 과정;을 더 포함하고,
    상기 전극을 형성하는 과정은 상기 섬유원단과 상기 패턴 발열층을 전도성사로 재봉하여 상기 단자와 상기 패턴 발열층을 전기적으로 연결하는 과정을 포함하는 발열 섬유원단 제조방법.
  16. 청구항 10에 있어서,
    상기 패턴 발열층 상에 전기절연성을 갖는 보호막을 형성하는 과정;을 더 포함하는 발열 섬유원단 제조방법.
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