KR20190088319A - Carbon fiber facric and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 탄소섬유 원단 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 전압의 인가에 따라 발열성을 나타내며, 여러번 세탁 후에도 전기 전도성을 유지하고, 유연성을 구비하여 의류 등과 같이 착용이 가능한 탄소섬유 원단 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon fiber fabric and a manufacturing method thereof. More particularly, the present invention relates to a carbon fiber fabric which exhibits exothermic properties upon application of a voltage, maintains electrical conductivity even after washing several times, has flexibility, and can be worn as clothes or the like, and a manufacturing method thereof.
탄소섬유는 탄소로 된 섬유 상의 재료로서, 다른 섬유에 비하여 높은 비강도 및 비탄성률을 갖는다. 그리하여, 복합 재료용 보강 섬유로서 스포츠, 항공/우주, 토목/건축 등의 산업 전반에 사용하는 것이 연구되고 있다. 특히, 최근 탄소섬유들이 서로 교차하면서 엮어져 있는 면상 구조체 형태를 갖는 탄소섬유 원단을 면상발열체 소재, 면상방열체 소재 또는 착용 가능한 전자기기[이하, "웨어러블 디바이스(Wearable device)"라고 약칭함] 소재 등에 적용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.Carbon fiber is a carbon fiber material and has a higher specific strength and a higher non-elasticity than other fibers. Thus, the use of reinforcing fibers for composite materials in sports, aerospace / space, and civil engineering / construction industries has been studied. Particularly, a carbon fiber fabric having a shape of an area structure in which carbon fibers are interwoven with each other is called a surface heating element material, a surface heat dissipation material, or a wearable electronic device (hereinafter, abbreviated as a "wearable device" And so on.
탄소섬유 원단을 제조하는 종래기술로서는 필라멘트 형태의 탄소섬유로 직물을 제직하거나 편물을 제편하는 방법이 널리 알려져 있으나, 필라멘트 형태인 탄소 섬유는 구부리거나 접혀졌을때 쉽게 부스러지는 성질을 갖기 때문에 탄소섬유 원단을 제직 또는 제편하기 매우 어려운 문제점이 있었다.As a conventional technique for producing a carbon fiber fabric, a method of weaving or knitting a fabric with filament-type carbon fibers is widely known, but since the filament type carbon fiber has a property of being easily broken when bent or folded, There has been a problem in that it is very difficult to weave or carry it.
또한, 상기 방법으로 제조된 탄소섬유 원단이 사용 중 외력에 의해 구부려지거나 접히는 현상이 반복될 경우 절단되거나 형태가 손상되고, 전기 전도도의 물성이 크게 저하되기 때문에 세탁 후 반복사용이 어려웠고, 그로 인해 웨어러블 디바이스 소재로 적용하기에는 많은 한계가 있었다.In addition, when the carbon fiber fabric produced by the above method is repeatedly bent or folded by an external force during use, it is severed, its shape is damaged, and the physical properties of electrical conductivity are greatly deteriorated. Therefore, repeated use after washing is difficult, There are many limitations to apply as a device material.
한편, 탄소섬유 방적사에 수용성 고분자를 코팅하고, 수용성 고분자가 코팅된 탄소섬유 방적사로 직물을 제직한 후, 수용성 고분자를 용해시켜 탄소섬유 원단을 제조하는 방법이 제안되었다.On the other hand, a method has been proposed in which a water-soluble polymer is coated on a carbon fiber spun yarn, a fabric is woven using a carbon fiber spunbonded with a water-soluble polymer, and then a water-soluble polymer is dissolved.
이 방법에 의해 제조된 탄소섬유 원단은 외력에 의해 구부러지거나 접히는 현상이 반복될 경우에, 원단이 절단되거나 손상되어 전기 전도도 등의 물성이 저하되는 문제점을 어느 정도 해결할 수는 있지만, 제직전 수용성 고분자를 탄소섬유 방적사에 코팅하는 공정과 제직 후 수용성 고분자를 제거하는 공정을 거쳐야 하기 때문에 제조공정이 복잡한 문제점이 있었다.The carbon fiber fabric produced by this method can solve some problems that the fabric is cut or damaged and the physical properties such as electrical conductivity is lowered when the phenomenon of bending or folding due to external force is repeated, Is coated on the carbon fiber spun yarn and the process of removing the water-soluble polymer after the weaving process is complicated.
또한, 탄소섬유 원단에서 수용성 고분자가 완벽하게 제거되지 않고 소량 잔존하기 때문에, 3.75V 정도의 저전압을 인가시에 발열 효과가 없으며, 여러번 세탁 후에는 여전히 전기 전도도가 하락하게 되는 문제점이 있었다.In addition, since the water-soluble polymer is not completely removed from the carbon fiber fabric but remains in a small amount, there is a problem in that the electric conductivity is lowered after washing several times without applying a low voltage of about 3.75V.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 양호한 제직 또는 제편 공정성으로 제조할 수 있는 탄소섬유 원단 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems and it is an object of the present invention to provide a carbon fiber fabric and a method of manufacturing the carbon fiber fabric which can be manufactured with good weaving or processability.
그리고, 본 발명은 저전압의 인가시에도 발열 효과가 뛰어나며, 여러번 세탁 후에도 양도한 전기 전도도를 구비하며, 외력에 의해 구부러지거나 접혀도 형태 및 전기 전도도 등의 물성이 저하되지 않는 탄소섬유 원단 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention relates to a carbon fiber fabric excellent in exothermic effect even when a low voltage is applied, has a transferred electrical conductivity even after washing several times, and is free from deterioration of physical properties such as curved or folded shape and electrical conductivity due to external force, And a method thereof.
그리고, 본 발명은 유연성을 구비하여 웨어러블 디바이스(Wearable Device) 소재 등에 적용할 수 있는 탄소섬유 원단 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Further, it is an object of the present invention to provide a carbon fiber fabric which is flexible and can be applied to a wearable device material, and a manufacturing method thereof.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.However, these problems are exemplary and do not limit the scope of the present invention.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 전압의 인가에 따라 발열성을 나타내는 탄소섬유 원단으로서, 상기 탄소섬유 원단은, 산화섬유 방적사로 제조된 원단이 탄화(Carbonization)된 원단부; 및 상기 원단부의 적어도 일면 상에 형성된 금속층을 포함하는, 탄소섬유 원단이 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a carbon fiber fabric which exhibits exothermic properties upon application of a voltage, wherein the carbon fiber fabric comprises a raw fabric part made of an oxidized fiber yarn and carbonized; And a metal layer formed on at least one side of the distal end.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산화섬유 방적사는 폴리아크릴로니트릴계(PAN 계) 산화섬유, 피치계 산화섬유 중 어느 하나를 포함할 수 있다.Also, according to one embodiment of the present invention, the oxidized fiber spun yarn may include any one of polyacrylonitrile (PAN) oxide fiber and pitch oxide fiber.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속층은 Ag, Al, Au, Cu, Pt, Ti 중 어느 하나를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the metal layer may include any one of Ag, Al, Au, Cu, Pt, and Ti.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소섬유 원단은, 5V의 전압을 인가할 경우 78℃ 내지 155℃까지 발열될 수 있다.Also, according to an embodiment of the present invention, the carbon fiber fabric may generate heat from 78 ° C to 155 ° C when a voltage of 5V is applied.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소섬유 원단은, 방적 방향에 따라 Course 방향과 Wale 방향을 포함하고, Course 방향으로 전압을 인가한 경우가, Wale 방향으로 전압을 인가한 경우보다 발열 온도가 높게 나타날 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the carbon fiber fabric includes a Course direction and a Wale direction according to a spinning direction, and when a voltage is applied in a Course direction, The temperature may be high.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소섬유 원단은, 테두리 영역을 제외한 나머지 영역의 일면 상에 금속층이 형성되고, 금속층을 접촉하여 전압을 인가한 경우가, 탄소섬유 원단의 테두리 영역을 접촉하여 전압을 인가한 경우보다 발열 온도가 높게 나타날 수 있다.In addition, according to one embodiment of the present invention, the carbon fiber fabric has a metal layer formed on one surface of a region other than the rim region, and a voltage applied to the metal layer in contact with the metal layer, The heating temperature may be higher than when a voltage is applied in contact.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소섬유 원단은, 양면 상에 금속층이 형성되고, 양면 상에 금속층이 형성된 경우가, 일면 상에만 금속층이 형성된 경우보다 동일 전압 인가시 발열 온도가 높게 나타날 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the metal fiber layer is formed on both surfaces of the carbon fiber fabric, and when the metal layer is formed on both surfaces of the carbon fiber fabric, .
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 탄소섬유 원단을 면상 발열체로서 포함하는 웨어러블 디바이스(wearable device)가 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a wearable device including a carbon fiber fabric as an area heating element.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, (a) 단섬유 형태의 산화된 탄소섬유 소스를 방적하여 산화섬유 방적사를 제조하는 단계; (b) 상기 산화섬유 방적사로 원단을 제조하는 단계; (c) 상기 원단을 열처리하여 탄화(carbonization)시키는 단계; 및 (d) 상기 원단의 적어도 일면 상에 금속층을 형성하는 단계를 포함하는, 탄소섬유 원단의 제조방법이 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an oxide fiber spun yarn, comprising the steps of: (a) spinning an oxidized carbon fiber source in the form of a short fiber to produce an oxidized fiber spun yarn; (b) fabricating the fabric with the oxidized fiber yarn; (c) carbonizing the fabric by heat treatment; And (d) forming a metal layer on at least one side of the fabric.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, (a) 단섬유 형태의 산화된 탄소섬유 소스를 방적하여 산화섬유 방적사를 제조하는 단계; (b) 상기 산화섬유 방적사의 적어도 표면 상에 금속층을 형성하는 단계; (c) 산화섬유 방적사로 원단을 제조하는 단계; 및 (d) 상기 원단을 열처리하여 탄화(carbonization)시키는 단계를 포함하는, 탄소섬유 원단의 제조방법이 제공된다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an oxide fiber spun yarn, comprising the steps of: (a) spinning an oxidized carbon fiber source in the form of a short fiber to produce an oxidized fiber spun yarn; (b) forming a metal layer on at least the surface of the oxidized fiber spun yarn; (c) fabricating the fabric with an oxidized fiber yarn; And (d) carbonizing the fabric by heat treating the carbon fiber fabric.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 산화된 탄소섬유 소스는 폴리아크릴로니트릴계(PAN 계) 산화섬유, 피치계 산화섬유 중 어느 하나일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the oxidized carbon fiber source may be any one of a polyacrylonitrile (PAN) oxide fiber and a pitch oxide fiber.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 원단을 열처리하여 탄화시키는 온도는 700℃ 내지 1,500℃일 수 있다.Also, according to an embodiment of the present invention, the temperature at which the raw fabric is heat-treated and carbonized may be 700 ° C to 1,500 ° C.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열처리는 1분 내지 300분 동안 수행할 수 있다.Also, according to an embodiment of the present invention, the heat treatment may be performed for 1 minute to 300 minutes.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속층은 Ag, Al, Au, Cu, Pt, Ti 중 어느 하나를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the metal layer may include any one of Ag, Al, Au, Cu, Pt, and Ti.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 원단은 직물, 편물 중 어느 하나일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the fabric may be any one of a fabric and a knitted fabric.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (d) 단계에서, 상기 금속층에 기공(pore)들이 형성되고, 원단의 탄화 과정에서 생성된 가스가 상기 기공을 통해 배출될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, in the step (d), pores are formed in the metal layer, and a gas generated in the carbonization process of the fabric may be discharged through the pores.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 금속층이 어닐링되어 결정화가 진행될 수 있다.Also, according to an embodiment of the present invention, the metal layer may be annealed to proceed crystallization.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 양호한 제직 또는 제편 공정성으로 제조할 수 있는 효과가 있다.According to one embodiment of the present invention as described above, there is an advantageous effect that it can be manufactured with good weaving or processability.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 저전압의 인가시에도 발열 효과가 뛰어나며, 여러번 세탁 후에도 양도한 전기 전도도를 구비하며, 외력에 의해 구부러지거나 접혀도 형태 및 전기 전도도 등의 물성이 저하되지 않는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to provide an electric double layer capacitor which is excellent in heat generating effect even when a low voltage is applied, has electric conductivity imparted even after washing many times, and is free from deterioration of physical properties such as bending, folding, It is effective.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 유연성을 구비하여 웨어러블 디바이스(Wearable Device) 소재 등에 적용할 수 있는 효과가 있다.According to one embodiment of the present invention, flexibility is provided and the present invention can be applied to a wearable device material or the like.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.Of course, the scope of the present invention is not limited by these effects.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단을 나타내는 개략도이다.
도 2 내지 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소섬유 원단의 세탁 전 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 4 내지 도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소섬유 원단의 10회 세탁 후 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소섬유 원단의 세탁 전/10회 세탁 후의 온도 대비 면 저항을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소섬유 원단의 탄화 온도별 전압-온도 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소섬유 원단에 10V 전류를 인가/차단하는 과정에서 시간에 따른 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소섬유 원단에 1~15V의 전류를 인가/차단하는 과정에서 전압 변화에 따른 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유의 방향에 따른 발열 특성을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 접촉 형태를 나타내는 개략도이다.
도 12는 본 발명의 실시예 2에 따른 금속층이 단면으로 코팅된 탄소섬유 원단의 발열 특성을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예 3에 따른 금속층이 양면으로 코팅되고, 금속층 부분에 전극을 접촉시킨 탄소섬유 원단의 발열 특성을 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예 3에 따른 금속층이 양면으로 코팅되고, 원단부 부분에 전극을 접촉시킨 탄소섬유 원단의 발열 특성을 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예 4에 따른 금속층이 양면으로 코팅되고, 금속층 부분에 전극을 접촉시킨 탄소섬유 원단의 발열 특성을 나타내는 도면이다.1 is a schematic view showing a carbon fiber fabric according to an embodiment of the present invention.
2 to 3 are scanning electron microscope (SEM) photographs of the carbon fiber fabric according to the first embodiment of the present invention.
4 to 5 are scanning electron microscope (SEM) photographs of the carbon fiber fabric according to the first embodiment of the present invention after 10 times of washing.
FIG. 6 is a graph showing the surface resistance of the carbon fiber fabric according to the first embodiment of the present invention versus temperature after washing / 10 times of washing.
7 is a voltage-temperature graph of the carbon fiber fabric according to the carbonization temperature according to the first embodiment of the present invention.
8 is a graph showing a temperature change with time in a process of applying / blocking a 10V current to a carbon fiber fabric according to
FIG. 9 is a graph illustrating a temperature change according to a voltage change in a process of applying / blocking a current of 1 to 15 V to a carbon fiber fabric according to
FIG. 10 is a graph showing a heat generation characteristic according to a direction of a carbon fiber according to an embodiment of the present invention. FIG.
11 is a schematic view showing an electrode contact form according to an embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a graph showing a heating characteristic of a carbon fiber fabric coated with a metal layer according to Example 2 of the present invention. FIG.
13 is a view showing a heating characteristic of a carbon fiber fabric in which a metal layer according to a third embodiment of the present invention is coated on both sides and an electrode is brought into contact with a metal layer portion.
FIG. 14 is a graph showing a heating characteristic of a carbon fiber fabric in which a metal layer according to a third embodiment of the present invention is coated on both sides and an electrode is in contact with a distal end portion.
FIG. 15 is a view showing a heating characteristic of a carbon fiber fabric in which a metal layer according to a fourth embodiment of the present invention is coated on both sides and an electrode is brought into contact with a metal layer portion. FIG.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.The following detailed description of the invention refers to the accompanying drawings, which illustrate, by way of illustration, specific embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different, but need not be mutually exclusive. For example, certain features, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in connection with an embodiment. It is also to be understood that the position or arrangement of the individual components within each disclosed embodiment may be varied without departing from the spirit and scope of the invention. The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is to be limited only by the appended claims, along with the full scope of equivalents to which such claims are entitled, if properly explained. In the drawings, like reference numerals refer to the same or similar functions throughout the several views, and length and area, thickness, and the like may be exaggerated for convenience.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단(100)을 나타내는 개략도이다.1 is a schematic diagram illustrating a
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단(100)은 원단부(110) 및 금속층(150)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 원단부(110)는 산화섬유 방적사로 제조된 원단이 탄화(carbonization)되어 제조될 수 있다. 산화섬유 방적사는 폴리아크릴로니트릴계(polyacrylonitrile 계, PAN 계) 산화섬유, 피치계 산화섬유 등으로 구성될 수 있다. 금속층(150)은 원단부의 적어도 일면 상에, 즉, 단면 또는 양면 상에 형성될 수 있다. 금속층(150)은 Ag, Al, Au, Cu, Ni, W, Mo, Zn, Ir 등으로 구성될 수 있다.Referring to FIG. 1, a
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유 원단(100)은, (a) 단섬유 형태의 산화된 탄소섬유 소스를 방적하여 산화섬유 방적사를 제조하는 단계, (b) 산화섬유 방적사로 원단을 제조하는 단계, (c) 원단을 열처리하여 탄화(carbonization)시키는 단계, 및 (d) 원단의 적어도 일면 상에 금속층을 형성하는 단계를 통해 제조하는 것을 특징으로 한다.In addition, the
일 실시예에 따른, 탄소섬유 원단(100)을 제조하는 과정은 이하와 같다.The process for fabricating the
먼저, 단섬유 형태의 산화된 탄소섬유 소스를 준비한다.First, an oxidized carbon fiber source in short fiber form is prepared.
단섬유(staple)는 통상 3~5cm의 길이를 가지는 짧은 섬유이고, 폴리아크릴로니트릴계(PAN 계) 탄소섬유는 90% 이상이 탄소원자로 구성된 섬유이다. 아크릴로니트릴(CH2=CHCN)의 중합체인 PAN계 중합체를 포함하는 방사 용액을 습식 방사, 건식 방사 또는 습식과 건식을 혼합한 방사 방법으로 전구체인 PAN 섬유를 얻은 후에, 이를 200℃~400℃의 산화성 분위기 하에서 가열하여 안정화시킬 수 있다. PAN의 시안기(cyano group: -CN)는 탄소와 질소가 삼중 결합(triple bond)을 이루는 구조를 가지며, 여기에 열이 가해지면 시안기의 삼중 결함이 이중 결합(double bond)으로 변하면서 PAN이 안정화 될 수 있다. 본 명세서에서는 산화되어 안정화 된 상태를 "산화된 탄소섬유 소스", "폴리아크릴로니트릴게(PAN계) 산화섬유", "옥시팬"으로 지칭한다.The staple is usually a short fiber having a length of 3 to 5 cm, and the polyacrylonitrile (PAN) carbon fiber is a fiber composed of at least 90% of carbon atoms. PAN fibers, which are precursors, are obtained by wet spinning, dry spinning or a spinning method in which wet and dry spinning are mixed with a spinning solution containing a PAN-based polymer which is a polymer of acrylonitrile (CH 2 ═CHCN) In an oxidizing atmosphere. The PAN's cyano group (-CN) has a structure in which carbon and nitrogen form a triple bond. When heat is applied to the PAN, the triple defect of the PAN changes into a double bond, Can be stabilized. In the present specification, oxidized and stabilized states are referred to as "oxidized carbon fiber source "," polyacrylonitrile (PAN) oxide fiber ", and "oxyphan ".
다음으로, 단섬유 형태의 산화된 탄소섬유 소스를 방적하여 산화섬유 방적사를 제조할 수 있다. 이어서, 산화섬유 방적사로 원단을 제조할 수 있다.Next, an oxidized fiber spun yarn can be produced by spinning an oxidized carbon fiber source in a short fiber form. The fabric can then be produced with an oxidized fiber spun yarn.
본 발명에서 사용하는 산화된 탄소섬유 소스[폴리아크릴로니트릴계(PAN계) 산화섬유]는 탄화까지 마친 폴리아크릴로니트릴계(PAN계) 탄소섬유와는 달리 유연성이 뛰어나 원단을 제직 또는 제편하기 용이하며, 그로 인해 원단의 제조공정성이 우수한 이점이 있다.The oxidized carbon fiber source (polyacrylonitrile-based (PAN-based) oxidized fiber) used in the present invention is excellent in flexibility, unlike carbonized polyacrylonitrile-based (PAN-based) carbon fibers, So that there is an advantage in that the manufacturing processability of the fabric is excellent.
종래에는 필라멘트 형태의 폴리아크릴로니트릴계(PAN계) 산화섬유 또는 피치계 산화섬유를 사용하여 곧바로 직물을 제직하거나 편물을 제편하여 원단을 제조하였으나, 이 방법에 의해 제조된 원단은 외력에 구부러지거나 겹쳐졌을때 쉽게 필라멘트 형태의 구조물들이 쉽게 파손되는 문제점이 있었다. 그리하여, 본 발명은 필라멘트 형태의 폴리아크릴로니트릴계(PAN계) 산화섬유 또는 피치계 산화섬유를 사용하는 대신에, 단섬유 형태의 산화된 탄소섬유 소스를 방적하여 산화섬유 방적사를 사용한다. 폴리아크릴로니트릴계(PAN계) 산화섬유 방적사 또는 피치계 산화섬유 방적사를 사용하여 제조된 원단은 원단이 외력에 구부러지거나 겹쳐졌을때에도 파손되지 않고 유연한 형태를 유지할 수 있다.Conventionally, fabrics have been produced by directly woven fabrics or knitted fabrics by using polyacrylonitrile (PAN) oxide fibers or pitch-based oxidized fibers in the form of filaments, but the fabric produced by this method is bent to an external force There is a problem that the filament type structures are easily broken when they are overlapped. Thus, the present invention uses an oxidized fiber yarn by spinning an oxidized carbon fiber source in the form of a short fiber instead of using a polyacrylonitrile (PAN) oxide fiber or a pitch oxide fiber in the form of a filament. A fabric made of a polyacrylonitrile (PAN) oxide fiber yarn or a pitch-based oxidized fiber yarn can maintain a flexible shape without being damaged even when the fabric is bent or overlapped with an external force.
다음으로, 원단을 열처리하여 탄화(carbonization)시킬 수 있다.Next, the fabric may be heat treated to carbonize.
폴리아크릴로니트릴계(PAN계) 산화섬유 방적사 또는 피치계 탄화섬유 방적사로 제조된 원단을 가열하면, PAN의 수소, 질소 등이 제거되면서 탄소끼리만의 결합이 존재하는 탄화가 완료됨에 따라 탄소섬유 원단을 제조할 수 있다. 탄화가 완료된 면상 구조체 형태의 탄소섬유 원단을 원단부(110)로 나타낸다.When carbon fiber yarns made of polyacrylonitrile (PAN) spun yarn or pitch carbon fiber spun yarn are heated, hydrogen, nitrogen and the like of PAN are removed, and carbonization in which only carbon bonds are present is completed, Can be prepared. And a carbon fiber fabric in the form of a surface structure in which carbonization is completed is represented by a
탄화는 원단을 열처리하여 탄화시키는 온도는 700℃ 내지 1,500℃인 것이 바람직하고, 열처리는 1분 내지 300분 동안 수행하는 것이 바람직하다. 열처리 온도가 700℃ 미만이거나 열처리 시간이 1분 미만인 경우에는 충분한 탄화가 수행되지 못해서 탄소섬유 원단의 전기전도도가 저하되는 문제가 있다. 또한, 열처리 온도가 1,500℃를 초과하거나 열처리 시간이 300분을 초과하는 경우에는 탄소섬유 원단의 강도 및 신도(ductility)가 떨어지는 문제가 있다.The carbonization is preferably carried out at a temperature of 700 ° C to 1,500 ° C for carbonizing the raw fabric by heat treatment, and for 1 to 300 minutes for the heat treatment. When the heat treatment temperature is less than 700 占 폚 or the heat treatment time is less than 1 minute, sufficient carbonization is not performed and the electric conductivity of the carbon fiber fabric is lowered. Further, when the heat treatment temperature exceeds 1,500 占 폚 or the heat treatment time exceeds 300 minutes, there is a problem that the strength and ductility of the carbon fiber fabric is deteriorated.
탄화가 완료된 탄소섬유 원단은 탄소섬유들이 서로 교차하면서 엮어져 유연성을 구비하는 면상구조체 형태를 가진다[도 2 내지 도 5 참조]. 그리고, 10회 이상의 세탁 후에도 적정 면 저항(Sheet resistance)를 구비[도 6 참조]하고, 소정의 전압 인가시에도 발열성을 구비하게 된다[도 7 내지 도 9 참조].The carbonized fabric finished with carbonization has the form of a planar structure in which the carbon fibers are interwoven with each other to provide flexibility (refer to Figs. 2 to 5). Also, even after washing 10 times or more, adequate sheet resistance is provided (refer to FIG. 6), and heat generation is provided even when a predetermined voltage is applied (see FIGS. 7 to 9).
다음으로, 원단[원단부(110)]의 적어도 일면 상에 금속층(150)을 형성하여 탄소섬유 원단(100)을 제조할 수 있다.Next, the
본 발명은 원단부(110)의 적어도 일면 상에 금속층(150)을 형성한 것을 특징으로 한다. 원단부(110)의 중심 영역(111)에 금속층(150)을 형성하고, 테두리 영역(115)은 원단부(110)가 노출되도록 할 수도 있으나, 원단부(110)가 덮어지도록 금속층(150)을 전체 일면 또는 양면 상에 형성할 수도 있다.The present invention is characterized in that a
금속층(150)을 원단부(110)에 형성하는 방법은 열 증착법(Thermal Evaporation), 전자빔 증착법(E-beam Evaporation), 스퍼터링(sputtering)과 같은 물리기상 증착법(Physical Vapor Deposition: PVD), LPCVD, PECVD과 같은 화학기상 증착법(Chemical Vapor Deposition: CVD), 전기도금법, 및 잉크젯 프린팅법이나 스크린 프린팅법(screen printing)과 같은 프린팅법 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 공지된 박막 형성 방법을 제한없이 사용할 수 있다.The
탄소섬유 원단(100)에 전압을 인가하여 발열체로 사용할 때, 탄소섬유로 구성되는 원단부(110)는 발열 성능이 우수한 이점이 있지만, 열을 보유하는 특성이 낮고 발생된 열이 주위로 금방 누출되는 단점이 있다. 금속층(150)은 원단부(110)의 적어도 일면을 커버하여 탄소섬유에서 발생된 열을 가두는 효과가 있다. 또한, 금속층(150)의 금속 재질 자체가 탄소섬유보다 열을 보유하는 특성이 우수하고, 원단부(110)의 표면에서 원단부(110)를 보호하는 역할을 하므로, 여러번 세탁 후에도 형태, 전기 전도도 등의 물성이 저하되는 것을 방지하는 효과를 나타낸다.When a voltage is applied to the
또한, 일 예로, 탄소섬유의 열전도도는 100 W/mk인데 비해, 금속 물질의 경우는 탄소섬유보다 열전도도가 높다. Al은 200 W/mk, Mg은 150 W/mk, Cu 는 380 W/mk, Ag은 410 W/mk, Au은 254 W/mk, W은 190 W/mk, Ir은 160 W/mk, Mo은: 145 W/mk, Zn은 120 W/mk이므로, 탄소섬유보다 열전도도가 높다. 따라서, 표면에 금속층(150)을 코팅한 탄화섬유 원단부(110)는 금속층(150)을 코팅하지 않은 경우에 비해서 발열 온도가 높고, 발열 면적 또한 넓게 되고, 온도 전도율이 우수하게 된다.In addition, for example, the thermal conductivity of the carbon fiber is 100 W / mk, whereas the thermal conductivity of the metal material is higher than that of the carbon fiber. MK, W is 190 W / mk, Ir is 160 W / mk, Mo is 200 W / mk, Mg is 150 W / mk, Cu is 380 W / mk, Ag is 410 W / mk, Au is 254 W / And the thermal conductivity is higher than that of the carbon fiber, since it is 145 W / mk for silver and 120 W / mk for Zn. Therefore, the carbonized
한편, 다른 실시예에 따른, 탄소섬유 원단(100)을 제조하는 과정은 이하와 같다.Meanwhile, the process of manufacturing the
본 발명의 다른 실시예에 따른 탄소섬유 원단(100)은, (a) 단섬유 형태의 산화된 탄소섬유 소스를 방적하여 산화섬유 방적사를 제조하는 단계, (b) 산화섬유 방적사의 적어도 표면 상에 금속층을 형성하는 단계, (c) 산화섬유 방적사로 원단을 제조하는 단계, 및 (d) 원단을 열처리하여 탄화(carbonization)시키는 단계를 통해 제조하는 것을 특징으로 한다. 이하에서는 전술한 탄소섬유 원단(100)의 제조 방법과 차이점에 대해서만 설명한다.A
먼저, (a) 단계에서, 단섬유 형태의 산화된 탄소섬유 소스를 방적하여 산화섬유 방적사를 제조할 수 있다.First, in step (a), an oxidized fiber spun yarn can be prepared by spinning an oxidized carbon fiber source in the form of a short fiber.
다음으로, (b) 단계에서, 제조한 산화섬유 방적사의 표면 상에 금속층을 형성할 수 있다. 금속층은 전술한 공지의 박막 형성 방법을 사용할 수 있으나, 무전해도금 방법을 이용하는 것이 바람직하다. 이후에 원단을 열처리하여 탄화시키는 과정에서, 방적사의 표면 상에 형성된 금속층이 어닐링되어 결정화가 진행됨에 따라 탄소섬유 원단(100)의 전기 전도도가 더욱 향상될 여지가 있다.Next, in step (b), a metal layer may be formed on the surface of the produced oxidized fiber spun yarn. As the metal layer, the above-described known thin film forming method may be used, but it is preferable to use the electroless plating method. Thereafter, the
다음으로, (c) 단계에서, 금속층이 표면 상에 형성된 산화섬유 방적사로 원단을 제조할 수 있다.Next, in step (c), the fabric can be produced with an oxidized fiber yarn in which a metal layer is formed on the surface.
다음으로, (d) 단계에서, 원단을 열처리하여 탄화시킬 수 있다.Next, in step (d), the fabric may be carbonized by heat treatment.
금속층은 모든 방적사 표면을 감싸지는 않고, 금속층 사이에 소정의 기공(pore)들이 형성되어 있을 수 있다. 700℃ 내지 1,500℃로 열처리하여 탄화시키는 과정에서 PAN의 수소, 질소 등이 제거되어야 하는데, PAN의 탄화 과정에서 생성된 수소, 질소 등은 금속층의 기공을 통해 외부로 배출될 수 있다. 그리하여, 원단을 구성하는 방적사(PAN)의 표면 상에 금속층이 코팅되어 있음에도 방적사가 탄화될 수 있다.The metal layer does not wrap all of the yarn surface, but may have predetermined pores between the metal layers. During the carbonization by heat treatment at 700 ° C. to 1,500 ° C., the hydrogen and nitrogen of the PAN must be removed. The hydrogen, nitrogen, and the like produced in the carbonization process of the PAN may be discharged to the outside through the pores of the metal layer. Thus, the spun yarn can be carbonized even though the metal layer is coated on the surface of the spinning yarn (PAN) constituting the fabric.
또한, 700℃ 내지 1,500℃로 열처리하여 탄화시키는 과정에서, 원단을 구성하는 방적사 표면에 코팅된 금속층이 어닐링될 수 있다. 탄화와 동시에 금속층이 어닐링되어 결정화가 더 진행되므로 금속층(150)의 전기 전도도가 더욱 향상될 수 있고, 금속층(150)의 강도가 높아져 원단부(110)의 표면에서 원단부(110)를 보호하는 효과가 높아질 수 있는 이점이 있다.Also, in the process of carbonizing by heat treatment at 700 ° C to 1,500 ° C, the metal layer coated on the surface of the spinning yarn constituting the fabric can be annealed. Since the metal layer is annealed at the same time as the carbonization, the electrical conductivity of the
이하에서는, 다양한 실시예에 따라 탄소섬유 원단(100)의 발열 특성을 살펴본다.Hereinafter, the heating characteristics of the
실시예 1Example 1
젤테크 회사(Zeltek company)에 제품인 폴리아크릴로니트릴계(PAN 계) 산화섬유(옥시팬)을 40㎜ 길이로 잘라 단섬유(Staple)을 제조한 다음, 이들을 방적 공정(혼타면 공정-소면 방출 공정-연조 공정-조방 공정-정방 공정-권사 공정-MVS공정-방적 공정)에 투입하여 폴리아크릴로니트릴계(PAN 계) 산화섬유 방적사를 제조하였다. 다음으로, 폴리아크릴로니트릴계(PAN 계) 산화섬유 방적사를 경사 및 위사로 사용하여 직물을 제직하였다. 다음으로, 제직된 직물을 탄화시켜 탄소섬유 원단을 제조하였다.Polyacrylonitrile (PAN) oxide fiber (oxyphene), which is a product of Zeltek company, is cut to a length of 40 mm to produce staple, and then they are subjected to a spinning process (PAN-based) oxidized fiber spun yarn was prepared by injecting it into a process-process-soft process-crude process-square process-spun process-MVS process-spun process. Next, a polyacrylonitrile-based (PAN-based) oxidized fiber spun yarn was used as warp and weft to weave the fabric. Next, the woven fabric was carbonized to produce a carbon fiber fabric.
실시예 2Example 2
실시예 1에서 제조한 탄소섬유 원단(100)을 2 X 4 cm 크기로 사용하고, Ag 금속층(150)을 150nm 두께로 단면 상에 코팅하였다.The
실시예 3Example 3
실시예 1에서 제조한 탄소섬유 원단(100)을 2 X 4 cm 크기로 사용하고, Ag 금속층(150)을 150nm 두께로 양면 상에 코팅하였다.The
실시예 4Example 4
실시예 1에서 제조한 탄소섬유 원단(100)을 2 X 4 cm 크기로 사용하고, Al 금속층(150)을 150nm 두께로 양면 상에 코팅하였다.The
도 2 내지 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소섬유 원단의 세탁 전 주사전자현미경(SEM) 사진이고, 도 4 내지 도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소섬유 원단의 10회 세탁 후 주사전자현미경(SEM) 사진이다.FIGS. 2 to 3 are SEM photographs of a carbon fiber fabric according to Example 1 of the present invention before washing, FIGS. 4 to 5 are photographs of carbon fiber fabric according to Example 1 of the present invention, It is a scanning electron microscope (SEM) photograph.
도 2 내지 5를 참조하면, 700℃에서 1,500℃까지 각 온도별로 열처리하여 탄화시킨 탄소섬유 원단이 도시된다. 각 온도 구간의 탄소섬유 원단은 10회 세탁 후에도 구조 변화나 표면 특성의 변화가 거의 없음을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 2 to 5, a carbon fiber fabric is illustrated in which carbon fibers are heat-treated at 700 ° C. to 1,500 ° C. for each temperature. It can be confirmed that the carbon fiber fabric of each temperature range hardly changes in structure or surface characteristics even after 10 times of washing.
도 6은 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소섬유 원단의 세탁 전/10회 세탁 후의 온도 대비 면 저항을 나타내는 그래프이다. 세탁 후에도 면 저항이 거의 변화가 없음을 확인할 수 있다.FIG. 6 is a graph showing the surface resistance of the carbon fiber fabric according to the first embodiment of the present invention versus temperature after washing / 10 times of washing. It can be confirmed that the surface resistance hardly changes even after washing.
도 7은 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소섬유 원단의 탄화 온도별 전압-온도 그래프이다. 도 7을 참조하면, 실시예 1의 탄소섬유 원단에 소정의 전압 인가시에도 발열성을 구비하고, 점점 높은 전압을 인가할수록 높은 온도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.7 is a voltage-temperature graph of the carbon fiber fabric according to the carbonization temperature according to the first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 7, it can be seen that the carbon fiber fabric of Example 1 has exothermic property even when a predetermined voltage is applied, and the higher the voltage is applied, the higher the temperature is.
도 8은 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소섬유 원단에 10V 전류를 인가/차단하는 과정에서 시간에 따른 온도 변화를 나타내는 그래프이고, 도 9는 본 발명의 실시예 1에 따른 탄소섬유 원단에 1~15V의 전류를 인가/차단하는 과정에서 전압 변화에 따른 온도 변화를 나타내는 그래프이다.FIG. 8 is a graph showing a temperature change with time in a process of applying / breaking a 10 V current to a carbon fiber fabric according to Example 1 of the present invention. FIG. A graph showing a temperature change due to a voltage change in a process of applying / interrupting a current of ~ 15V.
실시예 1로 제조한 탄소섬유 원단에 10V의 전류를 소정 시간 인가한 후 전류를 차단하는 과정을 반복하면서 시간에 따른 탄소섬유 원단의 온도변화를 측정하한 그래프는 도 8과 같았고, 실시예 1로 제조한 탄소섬유 원단에 1~15V의 전류를 50초 동안 인가한 후 30초 동안 전류를 차단하는 과정을 반복하면서 전압 변화에 따른 탄소섬유 원단의 온도 변화를 측정한 그래프는 도 9와 같았다.8 is a graph showing a change in temperature of a carbon fiber fabric with time while repeating a current interruption process after applying a current of 10 V to the carbon fiber fabric prepared in Example 1 for a predetermined time, FIG. 9 is a graph showing the temperature change of the carbon fiber fabric according to the voltage change while repeating the process of applying a current of 1 to 15 V to the fabricated carbon fiber fabric for 50 seconds and then interrupting the current for 30 seconds.
도 8 및 도 9로부터 실시예 1로 제조한 탄소섬유 원단은 3.75V의 낮은 전압에서도 평균 44.85℃로 발열되고, 12V의 전압에서는 245.4℃로 발열되고, 15V의 전압에서는 331℃로 발열됨을 알 수 있었다.From FIGS. 8 and 9, it can be seen that the carbon fiber fabric prepared in Example 1 generates heat at an average of 44.85 ° C. at a low voltage of 3.75 V, generates heat at 245.4 ° C. at a voltage of 12 V and generates heat at 331 ° C. at a voltage of 15 V there was.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유의 방향에 따른 발열 특성을 나타내는 도면이다. 금속층(150)이 형성되지 않고, 원단부(110)만 있는 1.5 X 3 cm 사이즈의 탄소섬유 원단을 이용하여 발열 특성을 측정하였다.FIG. 10 is a graph showing heat generation characteristics according to a direction of a carbon fiber according to an embodiment of the present invention. FIG. The heat generation characteristic was measured using a carbon fiber fabric of 1.5 X 3 cm size having only the
도 10의 (a)를 참조하면, 탄소섬유 원단(100)에는 코가 연결된 방향인 wale 방향 및 이에 수직하는 Course 방향이 존재한다. Wale 방향의 양단에 전극을 연결하고, Course 방향의 양단에 전극을 연결하여, 1~10V의 전압을 인가하였다. 1~10V 전압의 인가는 3회 실시하였다.Referring to FIG. 10 (a), the
도 10의 (b)를 참조하면, 탄소섬유 원단(100)의 방적 방향에 따라 발열 특성이 차이가 있음을 확인할 수 있다. Course 방향이 Wale 방향보다 약 50℃ 가량 온도가 높게 측정되었다.Referring to FIG. 10 (b), it can be seen that the heating characteristics differ depending on the spin direction of the
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 접촉 형태를 나타내는 개략도이다. 금속층(150)이 중앙 영역(111)에 형성된 탄소섬유 원단(100)을 이용하여 발열 특성을 측정하였다. 도 11의 (a)는 전압 인가 장치(200)의 전극(210, 220)이 금속층(150)에 접촉되어 전압을 인가하는 형태이고, 도 11의 (b)는 전극(210, 220)이 탄소섬유 원단(100)의 테두리 영역(115)[원단부(110)]에 접촉되어 전압을 인가하는 형태이다.11 is a schematic view showing an electrode contact form according to an embodiment of the present invention. The heating characteristics were measured using the
도 12는 본 발명의 실시예 2에 따른 금속층(150)이 단면으로 코팅된 탄소섬유 원단(100)의 발열 특성을 나타내는 도면이다.FIG. 12 is a graph showing a heating characteristic of a
도 12의 (a)와 같이, 실시예 2에 따라, 탄소섬유 원단(100)의 단면에만 금속층(150)을 형성하였다. 2 X 4 cm 크기의 탄소섬유 원단(100)을 사용하고, 금속층(150)은 Ag를 150nm 두께로 코팅하여 형성하였다.12A, the
도 12의 (b)와 같이, 1V의 전압을 인가한 경우에 탄소섬유 원단(100)은 약 24.8℃로 거의 발열이 되지 않은 상태를 나타낸다.As shown in FIG. 12 (b), when the voltage of 1 V is applied, the
도 12의 (c)와 같이, 5V의 전압을 인가한 경우에 탄소섬유 원단(100)은 약 78.7℃로 발열된 상태를 나타낸다. 동일한 크기의 금속층(150)이 형성되지 않은 탄소섬유 원단을 사용하여 5V의 전압을 인가한 경우는 약 67℃인데 반해, 탄소섬유 원단(100)의 단면에만 금속층(150)을 형성하여도 12℃ 가량 높게 발열 특성이 향상되는 결과가 나타났다.As shown in FIG. 12 (c), when the voltage of 5 V is applied, the
도 12의 (d)와 같이, 10V의 전압을 인가한 경우에 탄소섬유 원단(100)은 약 179.2℃로 발열된 상태를 나타낸다.As shown in FIG. 12 (d), when the voltage of 10 V is applied, the
도 13은 본 발명의 실시예 3에 따른 금속층(150)이 양면으로 코팅되고, 금속층(150) 부분에 전극(210, 220)을 접촉시킨 탄소섬유 원단(100)의 발열 특성을 나타내는 도면이다.13 is a view showing a heating characteristic of the
도 13의 (a)와 같이, 실시예 3에 따라, 탄소섬유 원단(100)의 양면에 금속층(150)을 형성하였다. 2 X 4 cm 크기의 탄소섬유 원단(100)을 사용하고, 금속층(150)은 Ag를 150nm 두께로 코팅하여 형성하였다. 전극(210, 220)은 금속층(150)에만 접촉시켜서 전압을 인가하였다.13A, a
도 13의 (b)와 같이, 1V의 전압을 인가한 경우에 탄소섬유 원단(100)은 약 26.6℃로 거의 발열이 되지 않은 상태를 나타낸다.As shown in FIG. 13 (b), when the voltage of 1 V is applied, the
도 13의 (c)와 같이, 5V의 전압을 인가한 경우에 탄소섬유 원단(100)은 약 117.6℃로 발열된 상태를 나타낸다. 동일한 크기의 금속층(150)이 형성되지 않은 탄소섬유 원단을 사용하여 5V의 전압을 인가한 경우는 약 67℃이고, 탄소섬유 원단(100)의 단면에만 금속층(150)을 형성한 경우는 약 78.5℃[도 12의 (c)]인 것에 비해, 40℃ 가량 높게 발열 특성이 향상되는 결과가 나타났다. 이는, 금속층(150)이 원단부(110)의 양면을 커버하여 원단부(110)에서 발생된 열을 보다 잘 가두고, 양면의 금속층(150)이 열을 보다 많이 보유하므로 나타난 결과로 판단된다.As shown in FIG. 13 (c), when the voltage of 5 V is applied, the
도 13의 (d)와 같이, 10V의 전압을 인가한 경우에 탄소섬유 원단(100)은 약 192.2℃로 발열된 상태를 나타낸다.As shown in FIG. 13 (d), when the voltage of 10 V is applied, the
도 14는 본 발명의 실시예 3에 따른 금속층(150)이 양면으로 코팅되고, 원단부(110) 부분에 전극(210, 220)을 접촉시킨 탄소섬유 원단(100)의 발열 특성을 나타내는 도면이다.14 is a view showing a heating characteristic of the
도 14의 (a)와 같이, 탄소섬유 원단(100)의 양면에 금속층(150)을 형성하였다. 2 X 4 cm 크기의 탄소섬유 원단(100)을 사용하고, 금속층(150)은 Ag를 150nm 두께로 코팅하여 형성하였다. 전극(210, 220)은 원단부(110)[탄소섬유 원단(100)의 테두리 영역(115)]에만 접촉시켜서 전압을 인가하였다.As shown in FIG. 14A, a
도 14의 (b)와 같이, 1V의 전압을 인가한 경우에 탄소섬유 원단(100)은 약 25.6℃로 거의 발열이 되지 않은 상태를 나타낸다.As shown in FIG. 14 (b), when the voltage of 1 V is applied, the
도 14의 (c)와 같이, 5V의 전압을 인가한 경우에 탄소섬유 원단(100)은 약 84℃로 발열된 상태를 나타낸다. 탄소섬유 원단(100)의 단면에만 금속층(150)을 형성한 경우인 약 78.5℃[도 12의 (c)]보다는 발열 특성이 향상되지만, 금속층(150)에 전극(210, 220)을 접촉시킨 경우인 약117.6℃[도 13의 (c)]보다는 발열 특성이 낮은 결과가 나타났다.As shown in FIG. 14 (c), when the voltage of 5 V is applied, the
도 14의 (d)와 같이, 10V의 전압을 인가한 경우에 탄소섬유 원단(100)은 약 150.2℃로 발열된 상태를 나타낸다.As shown in FIG. 14 (d), when the voltage of 10 V is applied, the
도 15는 본 발명의 실시예 4에 따른 금속층(150)이 양면으로 코팅되고, 금속층(150) 부분에 전극(210, 220)을 접촉시킨 탄소섬유 원단(100)의 발열 특성을 나타내는 도면이다.15 is a view showing a heating characteristic of the
도 15의 (a)와 같이, 실시예 4에 따라, 탄소섬유 원단(100)의 양면에 금속층(150)을 형성하였다. 2 X 4 cm 크기의 탄소섬유 원단(100)을 사용하고, 금속층(150)은 Al를 150nm 두께로 코팅하여 형성하였다. 전극(210, 220)은 금속층(150)에만 접촉시켜서 전압을 인가하였다.15A, a
도 15의 (b)와 같이, 1V의 전압을 인가한 경우에 탄소섬유 원단(100)은 약 26.3℃로 거의 발열이 되지 않은 상태를 나타낸다.As shown in FIG. 15 (b), when the voltage of 1 V is applied, the
도 15의 (c)와 같이, 5V의 전압을 인가한 경우에 탄소섬유 원단(100)은 약 154.6℃로 발열된 상태를 나타낸다. Ag를 탄소섬유 원단(100)의 양면에 형성한 경우인 약 117.6℃[도 13의 (c)]보다 약 37℃ 가량 높게 발열 특성이 향상되는 결과가 나타났다.As shown in FIG. 15 (c), when the voltage of 5 V is applied, the
도15의 (d)와 같이, 10V의 전압을 인가한 경우에 탄소섬유 원단(100)은 약 225.4℃로 발열된 상태를 나타낸다.As shown in FIG. 15 (d), when the voltage of 10 V is applied, the
위와 같이, 본 발명의 탄소섬유 원단(100)은 산화섬유 방적사를 제조한 후에 원단을 제조하므로, 양호한 제직 또는 제편 공정성으로 제조할 수 있는 효과가 있다. 그리고, 3.5V, 5V등의 저전압의 인가시에도 발열 효과가 뛰어나며, 여러번 세탁 후에도 양도한 전기 전도도를 구비하며, 외력에 의해 구부러지거나 접혀도 형태 및 전기 전도도 등의 물성이 저하되지 않는 효과가 있다. 그리고, 탄소섬유 원단(100)은 탄소섬유들이 서로 교차하면서 엮어져 유연성을 구비하고, 면상구조체의 형태를 가지므로 웨어러블 디바이스(Wearable Device) 소재 등에 적용할 수 있는 효과가 있다.As described above, the
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken in conjunction with the present invention. Variations and changes are possible. Such variations and modifications are to be considered as falling within the scope of the invention and the appended claims.
100: 탄소섬유 원단
110: 원단부
111: 탄소섬유 원단 중앙 영역
115: 탄소섬유 원단 테두리 영역
150: 금속층
200: 전압인가 장치
210, 220: 전극100: Carbon fiber fabric
110:
111: central region of the carbon fiber fabric
115: Carbon fiber fabric edge area
150: metal layer
200: voltage applying device
210, 220: electrode
Claims (17)
상기 탄소섬유 원단은,
산화섬유 방적사로 제조된 원단이 탄화(Carbonization)된 원단부; 및
상기 원단부의 적어도 일면 상에 형성된 금속층
을 포함하는, 탄소섬유 원단.As a carbon fiber fabric showing exothermic properties upon application of a voltage,
Wherein the carbon fiber fabric comprises
A fabric part made of an oxidized fiber yarn carbonized; And
A metal layer formed on at least one surface of the far-
The carbon fiber fabric.
상기 산화섬유 방적사는 폴리아크릴로니트릴계(PAN 계) 산화섬유, 피치계 산화섬유 중 어느 하나를 포함하는, 탄소섬유 원단.The method according to claim 1,
Wherein the oxidized fiber spun yarn comprises any one of a polyacrylonitrile (PAN) oxide fiber and a pitch-based oxidized fiber.
상기 금속층은 Ag, Al, Au, Cu, Ni, W, Mo, Zn, Ir 중 어느 하나를 포함하는, 탄소섬유 원단.The method according to claim 1,
Wherein the metal layer comprises any one of Ag, Al, Au, Cu, Ni, W, Mo, Zn and Ir.
상기 탄소섬유 원단은, 5V의 전압을 인가할 경우 78℃ 내지 155℃까지 발열되는, 탄소섬유 원단.The method of claim 1, wherein
Wherein the carbon fiber fabric is heated to 78 캜 to 155 캜 when a voltage of 5 V is applied thereto.
상기 탄소섬유 원단은, 방적 방향에 따라 Course 방향과 Wale 방향을 포함하고,
Course 방향으로 전압을 인가한 경우가, Wale 방향으로 전압을 인가한 경우보다 발열 온도가 높게 나타나는, 탄소섬유 원단.The method according to claim 1,
The carbon fiber fabric includes a Course direction and a Wale direction according to a spinning direction,
Carbon fiber fabrics show a higher heat generation temperature when a voltage is applied in a Course direction than when a voltage is applied in a Wale direction.
상기 탄소섬유 원단은, 테두리 영역을 제외한 나머지 영역의 일면 상에 금속층이 형성되고,
금속층을 접촉하여 전압을 인가한 경우가, 탄소섬유 원단의 테두리 영역을 접촉하여 전압을 인가한 경우보다 발열 온도가 높게 나타나는, 탄소섬유 원단.The method according to claim 1,
The carbon fiber fabric has a metal layer formed on one surface of the remaining region except for the rim region,
The carbon fiber fabric has a higher heat generation temperature than when voltage is applied by contacting the edge region of the carbon fiber fabric.
상기 탄소섬유 원단은, 양면 상에 금속층이 형성되고,
양면 상에 금속층이 형성된 경우가, 일면 상에만 금속층이 형성된 경우보다 동일 전압 인가시 발열 온도가 높게 나타나는, 탄소섬유 원단.The method according to claim 1,
Wherein the carbon fiber fabric has a metal layer formed on both surfaces thereof,
Wherein the metal layer is formed on both surfaces of the carbon fiber fabric, wherein the heating temperature is high when the same voltage is applied as compared with the case where the metal layer is formed only on one surface.
(b) 상기 산화섬유 방적사로 원단을 제조하는 단계;
(c) 상기 원단을 열처리하여 탄화(carbonization)시키는 단계; 및
(d) 상기 원단의 적어도 일면 상에 금속층을 형성하는 단계
를 포함하는, 탄소섬유 원단의 제조방법.(a) spinning an oxidized carbon fiber source in the form of a short fiber to produce an oxidized fiber yarn;
(b) fabricating the fabric with the oxidized fiber yarn;
(c) carbonizing the fabric by heat treatment; And
(d) forming a metal layer on at least one side of the fabric
≪ / RTI >
(b) 상기 산화섬유 방적사의 적어도 표면 상에 금속층을 형성하는 단계;
(c) 산화섬유 방적사로 원단을 제조하는 단계; 및
(d) 상기 원단을 열처리하여 탄화(carbonization)시키는 단계
를 포함하는, 탄소섬유 원단의 제조방법.(a) spinning an oxidized carbon fiber source in the form of a short fiber to produce an oxidized fiber yarn;
(b) forming a metal layer on at least the surface of the oxidized fiber spun yarn;
(c) fabricating the fabric with an oxidized fiber yarn; And
(d) carbonizing the fabric by heat treatment
≪ / RTI >
상기 산화된 탄소섬유 소스는 폴리아크릴로니트릴계(PAN 계) 산화섬유, 피치계 산화섬유 중 어느 하나인, 탄소섬유 원단의 제조방법.11. The method according to claim 9 or 10,
Wherein the oxidized carbon fiber source is any one of a polyacrylonitrile (PAN) oxide fiber and a pitch-based oxidized fiber.
상기 원단을 열처리하여 탄화시키는 온도는 700℃ 내지 1,500℃인, 탄소섬유 원단의 제조방법.11. The method according to claim 9 or 10,
Wherein the temperature at which the raw material is carbonized by heat treatment is 700 ° C to 1,500 ° C.
상기 열처리는 1분 내지 300분 동안 수행하는, 탄소섬유 원단의 제조방법.13. The method of claim 12,
Wherein the heat treatment is performed for 1 minute to 300 minutes.
상기 금속층은 Ag, Al, Au, Cu, Pt, Ti, Ni, W, Mo, Zn, Ir 중 어느 하나를 포함하는, 탄소섬유 원단의 제조방법.11. The method according to claim 9 or 10,
Wherein the metal layer comprises one of Ag, Al, Au, Cu, Pt, Ti, Ni, W, Mo, Zn and Ir.
상기 원단은 직물, 편물 중 어느 하나인, 탄소섬유 원단의 제조 방법.11. The method according to claim 9 or 10,
Wherein the fabric is one of a fabric and a knitted fabric.
상기 (d) 단계에서,
상기 금속층에 기공(pore)들이 형성되고, 원단의 탄화 과정에서 생성된 가스가 상기 기공을 통해 배출되는, 탄소섬유 원단의 제조 방법.11. The method of claim 10,
In the step (d)
Wherein pores are formed in the metal layer and a gas generated in a carbonization process of the fabric is discharged through the pores.
상기 (d) 단계에서,
상기 금속층이 어닐링되어 결정화가 진행되는, 탄소섬유 원단의 제조 방법.11. The method of claim 10,
In the step (d)
Wherein the metal layer is annealed to proceed crystallization.
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| KR102029179B1 (en) | 2019-11-08 |
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