KR101711438B1 - 발열 페이스트 조성물을 구비한 발열체 원단 및 이를 이용한 발열 스티어링 휠 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시 예에 따른 발열체 원단은 0.4 ~ 2.0mm 의 두께를 갖는 직물패드의 표면 또는 내부에 0.4 ~ 5mm 의 간격으로 배열되는 발열 섬유를 포함하고, 상기 발열 섬유는 발열 페이스트 조성물을 통해서 형성되는 발열체를 구비하고, 상기 발열 페이스트 조성물은 발열 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 입자 3 내지 6중량부, 탄소나노입자 0.5 내지 30중량부, 혼합 바인더 10 내지 30중량부, 유기 용매 29 내지 83 중량부, 분산제 0.5 내지 5중량부를 포함하고, 상기 혼합 바인더는 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되거나 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 발열 페이스트 조성물을 구비한 발열체 원단 및 이를 이용한 발열 스티어링 휠에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 진행 방향을 조절하는 스티어링 휠은 조향축과 연결된 허브와 일단이 상기 허브에 연결되어 방사 방향으로 연장된 스포크 및 상기 스포크의 타단에 결합된 원형의 림으로 구성된다.
여기서 스포크나 림의 내부에는 보강하기 위한 강이나 경합금으로 된 심이 들어 있고, 외부는 합성수지재로 되어 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 스티어링 휠을 나타낸 평면도이다.
도 1에 도시된 스포크(12) 및 림(13)은 현재 고급차종에 적용되고 있는 모델을 개략적으로 도시한 것이다.
이때, 운전자가 림(13)을 잡고서 조향을 할 경우에 마찰력을 크게 하여 미끄러지지 않도록 하고, 잡는 감촉(그립감)을 좋게 하며, 장식적인 효과를 높이기 위하여 림(13)의 일부를 가죽(14)으로 감싼다.
따라서, 상기 가죽으로 감싸지는 림(13)의 부분에는 가죽으로 감쌀 경우 림의 두께가 균일하게 되도록 가죽의 두께에 해당하는 만큼 림(13)의 외경의 일부를 작게한 소경부(13b)와 가죽(14)의 단부를 밀어 넣어 마감처리하기 위한 홈(13a)이 형성되어 있다.
다음으로, 가죽(14)에 복수의 양면 접착테이프를 부착하고, 림(13)의 소경부(13b)를 감싼 후, 가죽의 에지부를 따라 형성된 바늘구멍을 실로 꿰매서 고정한다.
그 다음으로, 가죽(14)의 양 단부를 림(13)의 홈(13a)으로 밀어 넣어서 매끄럽게 마감처리한다.
한편, 고급형 스티어링 휠에 적용하는 기능성 수단으로 발열 설비를 내장하는 기술이 적용되고 있다.
그러나, 발열 설비를 내장한 발열 스티어링 휠 구조는 합성수지로 피복된 림에 별도의 전기저항열선 또는 전기저항 박막을 코팅한 후 가죽커버를 덧씌우는 형태가 되므로, 스티어링 휠의 그립감을 향상시키기에는 한계가 있다.
즉, 합성수지부의 딱딱한 촉감에, 전기저항 열선 또는 전기저항 박막 등의 이물감이 핸들커버에 그대로 전달되므로, 그립감이 저하된다.
또한, 상기 도 1의 AA' 방향에 따른 단면의 경우 하기 도 2에서와 같이, 전기저항 열선 또는 전기저항 박막을 포함하는 발열 패드(15)가 접힘부에 정확하게 안착되지 못하여 가죽(14)의 마감 상태가 림(13)을 감싸고 있는 합성수지(11)로부터 들뜨거나, 단차를 발생시키는 불량으로 판정되는 경우가 자주 발생하고 있다.
본 발명의 목적은 스티어링 휠용 발열체 원단에 발열 페이스트 조성물을 포함시킴으로써, 스티어링 휠을 감싸는 가죽 내부에 포함되는 발열 패드의 두께를 감소시킬 수 있고, 기존 스폰지 타입(Sponge type)의 발열 패드 보다 그립감을 향상시킬 수 있는 발열 페이스트 조성물을 구비한 발열체 원단 및 이를 이용한 발열 스티어링 휠을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상술한 발열 페이스트 조성물을 포함하는 발열체 원단을 적용한 스티어링 휠을 제조함으로써, 기존 제조 비용 보다 원가를 절감시킬 수 있으며, 불량률 또한 감소시키고, 전력 소모량도 감소시킬 수 있는 발열 페이스트 조성물을 구비한 발열체 원단 및 이를 이용한 발열 스티어링 휠을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 고내열성을 가져 온도에 따른 저항 변화가 작고, 비저항이 낮아 저전압 및 저전력으로 구동 가능한 발열 페이스트 조성물을 구비한 발열체 원단 및 이를 이용한 발열 스티어링 휠을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발열체 원단은 0.4 ~ 2.0mm 의 두께를 갖는 직물패드의 표면 또는 내부에 0.4 ~ 5mm 의 간격으로 배열되는 발열 섬유를 포함하고, 상기 발열 섬유는 발열 페이스트 조성물을 통해서 형성되는 발열체를 구비하고, 상기 발열 페이스트 조성물은 발열 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 입자 3 내지 6중량부, 탄소나노입자 0.5 내지 30중량부, 혼합 바인더 10 내지 30중량부, 유기 용매 29 내지 83 중량부, 분산제 0.5 내지 5중량부를 포함하고, 상기 혼합 바인더는 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되거나 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 직물패드는 난연 섬유로 이루어질 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 발열 섬유는 상기 난연 섬유와 함께 평직될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 발열 섬유는 상기 직물패드 표면에 박음 처리될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 발열체 원단은 2개를 한 세트로 할 때, 상기 한 세트의 시간당 소모 전력량이 54 ~ 78W(12V, 4.5 ~ 6.5A)일 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 혼합 바인더는 에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 폴리비닐 아세탈 수지 10 내지 150 중량부, 페놀계수지 100 내지 500 중량부가 혼합될 수 있다.
실시 예에 있어서, 발열 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 실란 커플링제 0.5 내지 5 중량부를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 탄소나노튜브 입자는 다중벽 탄소나노튜브 입자일 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 유기 용매는 카비톨 아세테이트, 부틸 카비톨 아세테이트, DBE(dibasic ester), 에틸카비톨, 에틸카비톨아세테이트, 디프로필렌글리콜메틸에테르, 셀로솔브아세테이트, 부틸셀로솔브아세테이트, 부탄올 및 옥탄올 중에서 선택되는 2 이상의 혼합 용매일 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 발열체는 상기 발열 페이스트 조성물이 기판 상에 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄 또는 콤마코팅되어 형성될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 기판은 폴리이미드 기판, 유리섬유 매트 또는 세라믹 유리일 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 발열체는 상기 발열체 상부면에 코팅되는 것으로, 실리카 또는 카본블랙과 같은 흑색 안료를 구비하는 유기물로 형성되는 보호층을 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 발열 스티어링 휠은 합성수지로 피복된 림(Rim)부, 상기 림부의 일부분을 감싸며, 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 형태의 발열체 원단, 상기 발열체 원단과 연결되는 전원 인가부, 및 상기 발열체 원단의 표면을 감싸는 외피재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
실시 예에 있어서, 상기 합성수지는 폴리우레탄수지를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 발열체 원단 및 상기 외피재는 상기 림부 및 스포크(Spoke)부를 연결하는 연결부위에 동시에 삽입될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 외피재는 인조가죽 또는 천연가죽을 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 발열체에 전력을 공급하는 전력 공급부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 발열 페이스트 조성물을 구비한 발열체 원단 및 이를 이용한 발열 스티어링 휠의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 스티어링 휠용 발열체 원단에 발열 페이스트 조성물을 포함시킴으로써, 스티어링 휠을 감싸는 가죽 내부에 포함되는 발열 패드의 두께를 감소시킬 수 있고, 기존 스폰지 타입(Sponge type)의 발열 패드 보다 그립감을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 상술한 발열 페이스트 조성물을 포함하는 발열체 원단을 적용한 스티어링 휠을 제조함으로써, 기존 제조 비용 보다 원가를 절감시킬 수 있으며, 불량률 또한 감소시키고, 전력 소모량도 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 고내열성을 가져 온도에 따른 저항 변화가 작고, 비저항이 낮아 저전압 및 저전력으로 구동 가능한 발열 페이스트 조성물을 포함할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 스티어링 휠을 나타낸 평면도이다.
도 2는 상기 도 1의 스티어링 휠에 대한 AA' 방향의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어링 휠용 발열체 원단을 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어링 휠용 발열체 원단에 발열 페이스트 조성물을 통해서 형성되는 발열 섬유를 배열시킨 것을 나타낸 설계도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 비교예들에 따른 발열 스티어링 휠을 나타낸 개략도 이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 스티어링 휠을 나타낸 개략도 이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 스티어링 휠의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 스티어링 휠에 포함되는 발열 페이스트 조성물을 이용한 발열체의 시편의 이미지이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스티어링 휠의 실시 예 및 비교 예에 따라 제조된 발열체의 발열 안정성 시험 모습의 이미지이다.
도 2는 상기 도 1의 스티어링 휠에 대한 AA' 방향의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어링 휠용 발열체 원단을 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어링 휠용 발열체 원단에 발열 페이스트 조성물을 통해서 형성되는 발열 섬유를 배열시킨 것을 나타낸 설계도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 비교예들에 따른 발열 스티어링 휠을 나타낸 개략도 이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 스티어링 휠을 나타낸 개략도 이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 스티어링 휠의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 스티어링 휠에 포함되는 발열 페이스트 조성물을 이용한 발열체의 시편의 이미지이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스티어링 휠의 실시 예 및 비교 예에 따라 제조된 발열체의 발열 안정성 시험 모습의 이미지이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어링 휠용 발열체 원단을 나타낸 사진이다.
도 3을 참조하면, 평직된 직물패드(120)에 발열 페이스트 조성물을 통하여 형성되는 발열 섬유(110)가 삽입된 발열체 원단(100)을 볼 수 있다.
이때, 직물패드는 난연 섬유로 이루어진 것을 사용하는 것이 바람직하다. 그리고, 본 발명에 따른 난연 섬유는 폴리크랄, 모다크릴 및 폴리염화비닐 중 하나 이상이 사용될 수 있다.
또한, 폴리에스테르 등의 일반 섬유에 난연제를 혼입해서 난연화한 직물패드 또는 난연 폴리노직이 사용될 수 있다.
다음으로, 발열 섬유(110)는 일정한 간격으로 배치되는 상기 난연 섬유를 대체하여 직물패드(120) 내에 일체형으로 삽입될 수도 있고, 직물패드의 표면에 박음 처리되어, 직물패드가 발열체 원단으로 작용할 수 있도록 한다.
이때, 발열 섬유(110)가 배치되는 간격(L)은 0.4 ~ 5mm 가 되도록 하는 것이 바람직하다.
기존의 열선 방식을 이용한 스티어링 휠에는 열선의 물리적 특성 때문에 최소 10mm 이상의 간격을 두고 형성되었는데, 본 발명에서는 발열 섬유(100)의 자체 두께가 얇고 유연하므로 5mm 이하로 배열할 수 있다.
발열 섬유(110)의 간격이 0.4mm 미만일 경우에는 발열 섬유가 지나치게 많이 소모되어 제조 비용이 증가할 수 있으며, 발열량을 조절하기 어려워질 수 있으며, 그 간격이 5mm를 초과할 경우에는 발열 효율이 떨어져 전력 소모가 증가될 수 있다.
아울러, 본 발명은 발열 섬유(110)를 이용하기 때문에, 발열체 원단의 전체 두께를 0.4 ~ 2.0mm 범위 내로 조절할 수 있다.
기존에는 열선 자체 두께가 2.0mm를 초과하는 경우가 대부분이었기 때문에, 열선의 안착을 위해서 스폰지 패드 등의 합성 수지재를 이용하여 발열체 원단을 제조하여야 했다.
그러나, 이 경우 발열체 원단의 두께로 인해서 스티어링 휠을 감싸는 마감 작업이 용이하지 못한 경우가 발생하였고, 발열체 원단이 들뜨거나 단차를 발생시켜 그립감이 저하되는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명에서는 발열 섬유(110)를 포함하는 발열체 원단(100)의 전체 두께는 0.4 ~ 2.0mm 로 조절하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 발열체 원단(100)의 두께가 0.4mm 미만인 경우에는 정상적인 그립감을 제공할 수 없으며, 발열체 원단의 두께가 2.0mm를 초과할 경우에는 들뜸이나 단차와 같은 불량이 발생될 수 있기 때문이다.
아울러, 상기 두께를 조절함에 있어서, 발열 섬유(110)는 직물패드(120)의 일면에만 배열될 수도 있으며, 상황에 따라서는 발열 효율이나 그립감을 고려하여 직물패드(120)의 양면에 형성될 수도 있다.
다음으로, 발열 섬유(110)는 서로 평행하게 배열되는 형태 이외에 크로스 방식으로 격자형태로 배열될 수도 있으며, 나선형 등 다양한 형태가 모두 가능하다.
이때, 직물패드(120)에 배열된 발열 섬유(110)는 발열 에너지 제공을 위한 전원 인가부에 연결된 형태가 되어야 하며, 이에 대한 일례를 살펴보면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스티어링 휠용 발열체 원단에 발열 페이스트 조성물을 섬유 형태로 배열시킨 것을 나타낸 설계도이다.
도 4를 참조하면, 스티어링 휠의 원형 림(Rim) 일부를 감쌀 수 있는 형태로 발열체 원단(200)의 전개도가 도시된 것을 볼 수 있다.
이때, 스티어링 휠을 양손으로 조작하므로, 발열체 원단(200) 2개가 한 세트로 사용된다.
그리고, 스티어링 휠의 크기 및 두께 등을 고려하여 발열 페이스트 조성물(210)의 배열 형태를 조절할 수 있는데, 도시된 실시예에서는 나선형으로 배열된 방식을 나타낸다.
여기서, 상기와 같은 배열에 의해서 상기 발열체 원단(200) 한 세트의 시간당 소모 전력량이 54 ~ 78W(12V, 4.5 ~ 6.5A)가 되도록 조절하는 것이 바람직하다.
소모 전력량이 54W 미만이 될 경우에는 발열을 위한 시간이 증가되거나, 발열량이 약해 질 수 있다. 그리고, 반대로 소모 전력량이 78W를 초과할 경우에는 지나치게 에너지가 소비되어 발열 스티어링 휠의 품질이 저하될 수 있다.
이상에서 설명한, 본 발명의 발열체 원단을 이용하면 발열 스티어링 휠 제조를 용이하게 수행할 수 있다.
먼저, 합성수지로 피복된 림부의 일부분에 상기 발열체 원단을 감싸고, 발열체 원단에 전원 인가부를 연결하고, 상기 발열체 원단의 표면에 인조가죽 또는 천연가죽을 감싸는 공정을 수행하여 발열 스티어링 휠 제조를 완료할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 스티어링 휠과 기존의 발열 스티어링 휠을 비교하여 그 특성들의 차이를 살펴보는 것으로 한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 비교예들에 따른 발열 스티어링 휠을 나타낸 개략도 이다.
먼저 도 5는 본 발명에 따른 비교예1로서 열선을 이용한 경우를 나타낸 것이고, 도 6은 비교예2로서 발열 도료를 이용하여 발열 스티어링 휠을 제조한 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 림(310)의 표면에 폴리우레탄(PU) 합성수지(320)로 감싼 스티어링 휠(300)의 표면에 10mm 간격으로 구리 열선(340)을 배열시킨 스폰지 패드(330)를 감싼다.
다음으로, 구리 열선(340)의 에지부에 전원 인가부(350)를 연결하고, 스폰지 패드(330)의 상부에 인조 가죽(360)을 감싼 상태에서 마감 공정을 수행한다.
도 6을 참조하면 림(410)의 표면에 폴리우레탄(PU) 합성수지(420)로 감싼 스티어링 휠(400)의 표면에 5mm 두께의 발열 도료층(430)을 형성한다.
이때, 발열 도료층(430)은 스프레이(440)로 Ag 및 CNT를 포함하는 도료를 분사하여 형성한다.
다음으로, 발열 도료층(430)의 에지부에 전원 인가부(450)를 연결하고, 발열 도료층(430)의 상부에 인조 가죽(460)을 감싼 상태에서 마감 공정을 수행한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 스티어링 휠을 나타낸 개략도 이다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 실시예1로서 폴리염화비닐 섬유로 이루어진 1mm 두께의 직물패드에 5mm 간격의 나선형 방식으로 발열 섬유(540)를 박음 처리한 발열체 원단(530)을 제조하여, 스티어링 휠(500)에 감싼 후, 인조 가죽(560)을 감싼 상태에서 마감 공정을 수행한다.
다음으로, 상기 비교예1, 비교예2 및 실시예1에 대한 제조 싸이클 타임, 불량률 및 소비전력에 대한 특성을 비교하면 다음과 같다.
여기서, 싸이클 타임 및 불량률 특성은 상기 비교예1, 비교예2 및 실시예1을 10회씩 수행하면서 측정하였으며, 소비전력은 10개의 완성품에 대한 평균 수치를 비교하였다.
그 다음으로, 각 완성품의 경도(Rockwall Hardness)를 측정하여 나타나는 범위를 조사하였다.
| 싸이클 타임 | 불량률 | 경도 | |
| 비교예1 | 30분 | 5/10 | 50~55 |
| 비교예2 | 25분 | 3/10 | 52~57 |
| 실시예1 | 12분 | 0/10 | 68~70 |
상기 표 1을 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 발열 스티어링 휠은 기존 대비 50% 이상의 싸이클 타임 단축 효과를 얻을 수 있으며, 불량발생률도 50% 이상 감소시킬 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 실시예1은 기존의 비교예1 및 비교예2의 경우보다 더 하드(Hard)한 그립감을 제공하여, 더 고급스러우면서도 균일하고 안정적인 발열 특성을 제공할 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 발열 스티어링 휠의 불량 감소는 스티어링 휠의 림부와 스포크 연결 부분에서 발생하는 들뜸 또는 단차를 감소시킴으로써 실현될 수 있는데, 그 구체적 형태를 살펴보면 다음과 같다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 스티어링 휠의 단면을 나타낸 단면도이다.
도 8을 참조하면, 스티어링 휠(600)의 상기 도 1의 AA' 방향에 대한 단면 부분만 확대하여 나타낸 것으로, 스포크부(620)부와 림부(630)의 연결 부분에 발열체 원단(650) 및 외피재(640)가 동시에 삽입된 구조를 구현함으로써, 외피재(640)가 들뜨거나 단차를 발생시키는 문제를 해결할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 스티어링 휠용 발열체 원단은 발열 페이스트 조성물을 섬유 형태로 직접 평직하거나, 직물패드에 박음질함으로써, 기존 발열 패드 보다 두께를 감소시킬 수 있으며, 이로 인해 불량 발생률을 현저히 감소시킬 수 있다.
또한, 발열 스티어링 휠 제조 비용을 감소시키고, 그 발열 효율 또한 기존 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 후막 형성용 발열 페이스트 조성물(이하, 발열 페이스트 조성물)은 탄소나노튜브 입자, 탄소나노입자, 혼합 바인더, 유기 용매 및 분산제를 포함한다.
구체적으로 발열 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 탄소나노튜브 입자 3 내지 6중량부, 탄소나노입자 0.5 내지 30 중량부, 혼합 바인더 10 내지 30 중량부, 유기 용매 29 내지 83 중량부, 분산제 0.5 내지 5 중량부를 포함한다.
상기 탄소나노튜브 입자는 단일벽 탄소나노튜브, 이중벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 또는 이들의 혼합물로부터 선택될 수 있다. 예컨대 상기 탄소나노튜브 입자는 다중벽 탄소나노튜브(multi wall carbon nanotube)일 수 있다. 상기 탄소나노튜브 입자가 다중벽 탄소나노튜브일 때, 직경은 5nm 내지 30nm 일 수 있고, 길이는 3㎛ 내지 40㎛일 수 있다.
상기 탄소나노입자는 예컨대 그라파이트 나노입자일 수 있으며, 직경은 1㎛ 내지 25㎛일 수 있다.
혼합 바인더는 발열 페이스트 조성물이 300℃ 가량의 온도 범위에서도 내열성을 가질 수 있도록 하는 기능을 하는 것으로, 에폭시 아크릴레이트(Epocy acrylate) 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트(Hexamethylene diisocyanate), 폴리비닐 아세탈(Polyvinyl acetal) 및 페놀계 수지(Phenol resin)가 혼합된 형태를 갖는다. 예컨대 상기 혼합 바인더는 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합된 형태일 수 있고, 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합된 형태일 수도 있다. 본 발명에서는 혼합 바인더의 내열성을 높임으로써, 300℃ 가량의 고온으로 발열시키는 경우에도 물질의 저항 변화나 도막의 파손이 없다는 장점을 갖는다.
여기에서 페놀계 수지는 폐놀 및 페놀 유도체를 포함하는 페놀계 화합물을 의미한다. 예컨대 상기 페놀 유도체는 p-크레졸(p-Cresol), o-구아야콜(o-Guaiacol), 크레오졸(Creosol), 카테콜(Catechol), 3-메톡시-1,2-벤젠디올(3-methoxy-1,2-Benzenediol), 호모카테콜(Homocatechol), 비닐구아야콜(vinylguaiacol), 시링콜(Syringol), 이소-유제놀(Iso-eugenol), 메톡시 유제놀(Methoxyeugenol), o-크레졸(o-Cresol), 3-메틸-1,2-벤젠디올(3-methoxy-1,2-Benzenediol), (z)-2-메톡시-4-(1-프로페닐)-페놀((z)-2-methoxy-4-(1-propenyl)-Phenol), 2,.6-디에톡시-4-(2-프로페닐)-페놀(2,6-dimethoxy-4-(2-propenyl)-Phenol), 3,4-디메톡시-페놀(3,4-dimethoxy-Phenol), 4-에틸-1,3-벤젠디올(4ethyl-1,3-Benzenediol), 레졸 페놀(Resole phenol), 4-메틸-1,2-벤젠디올(4-methyl-1,2-Benzenediol), 1,2,4-벤젠트리올(1,2,4-Benzenetriol), 2-메톡시-6-메틸페놀(2-Methoxy-6-methylphenol), 2-메톡시-4-비닐페놀(2-Methoxy-4-vinylphenol) 또는4-에틸-2-메톡시-페놀(4-ethyl-2-methoxy-Phenol) 등이 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 혼합 바인더의 혼합 비율은 에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 폴리비닐 아세탈수지 10 내지 150 중량부, 페놀계 수지 100 내지 500 중량부의 비율일 수 있다. 페놀계 수지의 함량이 100 중량부 이하인 경우 발열 페이스트 조성물의 내열 특성이 저하되며, 500 중량부를 초과하는 경우에는 유연성이 저하되는 문제가 있다(취성 증가).
유기 용매는 상기 전도성 입자 및 혼합 바인더를 분산시키기 위한 것으로, 카비톨 아세테이트(Carbitol acetate), 부틸 카비톨아세테이트(Butyl carbotol acetate), DBE(dibasic ester), 에틸카비톨, 에틸카비톨아세테이트, 디프로필렌글리콜메틸에테르, 셀로솔브아세테이트, 부틸셀로솔브아세테이트, 부탄올(Butanol) 및 옥탄올(Octanol) 중에서 선택되는 2 이상의 혼합 용매일 수 있다.
한편, 분산을 위한 공정은 통상적으로 사용되는 다양한 방법들이 적용될 수 있으며, 예를 들면 초음파처리(Ultra-sonication), 롤밀(Roll mill), 비드밀(Bead mill) 또는 볼밀(Ball mill) 과정을 통해 이루어질 수 있다.
분산제는 상기 분산을 보다 원활하게 하기 위한 것으로, BYK류와 같이 당업계에서 이용되는 통상의 분산제, Triton X-100과 같은 양쪽성 계면활성제, SDS등과 가은 이온성 계면활성제를 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 발열 페이스트 조성물은 발열 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 실란 커플링제 0.5 내지 5 중량부를 더 포함할 수 있다.
실란커플링제는 발열 페이스트 조성물의 배합시에 수지들간에 접착력을 증진시키는 접착증진제 기능을 한다. 실란 커플링제는 에폭시 함유 실란 또는 머켑토 함유 실란일 수 있다. 이러한 실란 커플링제의 예로는 에폭시가 함유된 것으로 2-(3,4 에폭시 사이클로헥실)-에틸트리메톡시실란, 3-글리시독시트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필트리에톡시실란, 3-글리시독시프로필트리에톡시실란이 있고, 아민기가 함유된 것으로 N-2(아미노에틸)3-아미토프로필메틸디메톡시실란, N-2(아미노에틸)3-아미노프로필트리메톡시실란, N-2(아미노에틸)3-아미노프로필트리메톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실란, 3-아미노프로필트리에톡시실, 3-트리에톡시실리-N-(1,2-디메틸뷰틸리덴)프로필아민, N-페닐-3-아미노프로필트리메톡시실란이 있으며, 머켑토가 함유된 것으로 3-머켑토프로필메틸디메톡시실란, 3-머켑토프로필트리에톡시실란, 이소시아네이트가 함유된 3-이소시아네이트프로필트리에톡시실란 등이 있으며, 상기 나열한 것으로 한정되지 않는다.
본 발명은 상술한 본 발명의 실시 예들에 따른 발열 페이스트 조성물을 기판 상에 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄(내지 롤투롤 그라비아 인쇄) 또는 콤마코팅(내지 롤투롤 콤마코팅)하여 형성되는 발열체를 추가적으로 제공한다.
여기에서 상기 기판은 폴리카보네이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 플리이미드, 셀룰로스 에스텔, 나일론, 폴리프로필렌, 폴리아크릴로린트릴, 폴리술폰, 폴리에스테르술폰, 폴리비닐리덴플롤라이드, 유리, 유리섬유(매트), 세라믹, SUS, 구리 또는 알루미늄 기판 등이 사용될 수 있으며, 상기 나열된 것들로 한정되는 것은 아니다. 상기 기판은 발열체의 응용 분야나 사용온도에 따라 적절히 선택될 수 있다.
발열체는 상기 기판 상에 본 발명의 실시 예들에 따른 발열 페이스트 조성물을 스크린 인쇄 또는 그라비아 인쇄를 통해 원하는 패턴으로 인쇄하고, 건조 및 경화한 후에, 상부에 은 페이스트 또는 도전성 페이스트를 인쇄 및 건조/경화 시킴으로써 전극을 형성함으로써 형성될 수 있다. 또는 은 페이스트 또는 도전성 페이스트를 인쇄 및 건조/경화한 후에 상부에 본 발명의 실시 예들에 따른 발열 페이스트 조성물을 스크린 인쇄 또는 그라비아 인쇄함으로써 형성하는 것도 가능하다.
한편, 상기 발열체는 상부면에 코팅되는 보호층을 더 포함할 수 있다. 상기 보호층은 실리카(SiO₂)로 형성될 수 있다. 보호층이 실리카로 형성되는 경우에는 발열면에 코팅되더라도 발열체가 유연성을 유지할 수 있는 장점을 갖는다.
이하, 본 발명에 따른 발열 페이스트 조성물 및 이를 이용한 발열체를 시험예를 통하여 상세히 설명한다. 하기 시험예는 본 발명을 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명이 하기 시험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
시험예
(1) 실시 예 및 비교 예의 준비
하기 [표 2]과 같이 실시 예(3종류) 및 비교 예(3종류)를 준비하였다. [표 2]에 표기된 조성비는 중량%로 기재된 것임을 밝혀둔다.
| 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 비교예 1 | 비교예 2 | 비교예 3 | |
| CNT 입자 | 4 | 5 | 6 | 4 | 5 | 6 |
| CNP 입자 | 8 | 9 | 15 | - | - | - |
| 혼합 바인더 | 20 | 15 | 22 | - | - | - |
| 에틸셀룰로오스 | - | - | - | 10 | 12 | 14 |
| 유기용매 | 63 | 67 | 52 | 82 | 79 | 76 |
| 분산제(BYK) | 5 | 4 | 5 | 4 | 4 | 4 |
실시 예들의 경우 CNT 입자와, CNP 입자(실시 예 1 내지 3)를 [표 2]의 조성에 따라 카비톨아세테이트 용매에 첨가하고 BYK 분산제를 첨가한 후, 60분간 초음파 처리를 통해 분산액 A를 제조하였다. 이후, 혼합 바인더를 카비톨아세테이트 용매에 첨가한 후 기계적 교반을 통해 마스터 배치를 제조하였다. 다음으로 상기 분산액 A 및 마스터배치를 기계적 교반을 통해 1차 혼련한 후에 3-롤-밀 과정을 거쳐 2차 혼련함으로써 발열 페이스트 조성물을 제조하였다.
비교 예들의 경우 CNT 입자를 [표 2]의 조성에 따라 카비톨아세테이트 용매에 첨가하고 BYK 분산제를 첨가한 후, 60분간 초음파 처리를 통해 분산액을 제조하였다. 이후, 에틸셀룰로오스를 카비톨아세테이트 용매에 첨가한 후 기계적 교반을 통해 마스터 배치를 제조하였다. 다음으로 상기 분산액 B 및 마스터배치를 기계적 교반을 통해 1차 혼련한 후에 3-롤-밀 과정을 거쳐 2차 혼련함으로써 발열페이스트 조성물을 제조하였다.
(2) 발열체 특성 평가
실시 예 및 비교 예에 따른 발열 페이스트 조성물을 10×10cm 크기로 폴리이미드 기판 위에 스크린 인쇄하고 경화한 후에, 상부 양단에는 은 페이스트 전극을 인쇄하고 경화하여 발열체 샘플을 제조하였다.
관련하여 도 9는 본 발명에 따른 발열 페이스트 조성물을 이용하여 제작한 발열체 시편의 이미지이다. 도 9a는 폴리이미드 기판 위에 발열 페이스트 조성물이 스크린 인쇄되어 형성된 발열체다. 도 9b는 유리섬유 매트 위에 발열 페이스트 조성물이 스크린 인쇄되어 형성된 발열체다. 도 9c 및 도 9d는 도 9a의 발열체 상부에 보호층을 코팅한 경우의 이미지이다(도 9c는 검은색 보호층 코팅, 도 9d는 녹색 보호층 코팅).
도 9a에 나타난 것과 같은 발열체 샘플(실시 예) 및 상기 비교 예에 따라 제조된 발열체 샘플들의 비저항을 측정하였다(인가되는 전압/전류는 [표 3]에 표기됨). 또한, 인가되는 전압/전류에 따른 승온 효과를 확인하기 위해 상기 실시 예 및 비교 예에 해당하는 발열체를 각각 40℃, 100℃ 및 200℃까지 승온시키고, 상기 온도에 도달하였을 때의 DC 전압 및 전류를 측정하였다.
또한, 각 샘플들에 대하여 200℃에서의 발열안정성을 테스트하였다. 관련하여, 도 10에서는 실시 예 및 비교 예에 따라 제조된 발열체 샘플들의 발열안정성 시험 모습의 이미지를 나타내었으며, 시험결과는 하기 [표 3]에 정리하였다.
| 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 비교예 1 | 비교예 2 | 비교예 3 | |
| 비저항(×10ˇ²Ωcm | 1.9 | 2.55 | 2.96 | 9.73 | 8.52 | 6.23 |
| 40℃ 도달 DC 구동 전압/전류 | 5V/0.2A | 6V/0.2A | 7V/0.2A | 20V/0.3A | 16V/0.2A | 12V/0.2A |
| 100℃ 도달 DC 구동 전압/전류 | 9V/0.5A | 12V/0.4A | 14V/0.5A | 48V/0.7A | 40V/0.7A | 26V/0.6A |
| 200℃ 도달 DC 구동 전압/전류 | 20V/0.6A | 24V/0.7A | 24V/1.0A | - | - | - |
| 발열안정성(day) | 20일 이상 | 20일 이상 | 20일 이상 | 불량 | 불량 | 불량 |
상기 [표 3]를 참조하며, 비저항은 실시 예들에 해당하는 발열체가 비교 예들에 해당하는 발열체보다 작게 측정되었으며, 이에 따라 각 온도에 도달하기 위해 필요한 구동 전압/전류 역시 실시 예들에 해당하는 발열체가 비교 예들에 해당하는 발열체보다 작게 측정되었다. 즉 실시 예들에 해당하는 발열체가 비교 예보다 저전압 및 저전력으로 구동 가능함을 확인할 수 있었다.
또한, 실시 예 1 내지 3에 따른 발열체에서는 200℃의 발열 구동하에서도 20일간 안정성이 유지되는 것으로 나타나는 반면에(별도의 보호층없음), 비교 예 1 내지 3에서는 200℃의 발열 구동시 2시간 이내에 발열부 표면이 부풀어 오르는 불량 현상이 관찰되었다. 즉 실시 예들에 해당하는 발열체가 비교 예보다 200℃이상의 고온에서도 안정적으로 구동 가능함을 확인할 수 있었다.
본 발명은 상술한 발열체와, 상기 발열체에 전력을 공급하는 전력공급부를 포함하는 휴대용 발열히터를 추가적으로 제공한다.
여기에서 전력공급부란 발열체의 좌우측에 도포 형성되는 리드 전극과, 상기 리드 전극에 부착 형성되는 전원접속용 전극을 포함할 수 있다. 경우에 따라서는 상기 전원접속용 전극이 발열체에 직접 연결될 수 있다. 상기 리드 전극 또는 전원접속용 전극은 은 페이스트, 구리 페이스트, 구리 테이프 등을 이용하여 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 휴대용 발열 히터는 상기 발열체가 몸체 내부 또는 외면에 부착, 매립 또는 장착되고, 상기 발열체의 구동을 위한 전력공급부를 구비하는 형태를 갖는다. 이러한 휴대용 발열 히터는 유모차용 이너 시트, 발열 양말, 발열 신발, 발열 모자, 휴대용 발열 매트, 휴대용 조리 기구, 차량용 발열 시트 등에 이용될 수 있다.
특히 본 발명에 따른 휴대용 발열 히터에 채용되는 발열체는 상기에서 설명한 바와 같이 저전압 및 저전력으로 구동이 가능하므로 리튬이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리 등의 충방전이 가능한 2차 전지로 구동할 수 있는 바, 휴대성이 증진되고 사용시간을 크게 늘릴 수 있다는 장점이 있다.
결국, 본 발명에 따른 발열체 원단 및 이를 이용한 발열 스티어링 휠은 가죽 내부에 포함되는 발열 패드의 두께를 감소시킬 수 있고, 고내열성을 가져 온도에 따른 저항 변화가 작고, 비저항이 낮아 저전압 및 저전력으로 구동 가능한 발열 페이스트 조성물을 포함할 수 있다.
따라서, 이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
10 : 스티어링 휠 11 : 합성수지
12 : 스포크 13 : 림
13b : 소경부 13a : 홈
14 : 가죽 15 : 발열 패드
100, 200, 530, 650 : 발열체 원단
110, 210, 540 : 발열 섬유
120 : 직물패드
300, 400, 500, 600 : 발열 스티어링 휠
310, 410, 510 : 림
320, 420, 520 : 합성수지
330 : 스폰지 패드
340 : 열선
350, 450, 550 : 전원인가부
360, 460, 560 : 인조가죽
440 : 스프레이
620 : 스포크부
630 : 림부
640 : 외피재
12 : 스포크 13 : 림
13b : 소경부 13a : 홈
14 : 가죽 15 : 발열 패드
100, 200, 530, 650 : 발열체 원단
110, 210, 540 : 발열 섬유
120 : 직물패드
300, 400, 500, 600 : 발열 스티어링 휠
310, 410, 510 : 림
320, 420, 520 : 합성수지
330 : 스폰지 패드
340 : 열선
350, 450, 550 : 전원인가부
360, 460, 560 : 인조가죽
440 : 스프레이
620 : 스포크부
630 : 림부
640 : 외피재
Claims (17)
- 0.4 ~ 2.0mm 의 두께를 갖는 직물패드의 표면 또는 내부에 0.4 ~ 5mm 의 간격으로 배열되는 발열 섬유를 포함하고,
상기 발열 섬유는,
발열 페이스트 조성물을 통해서 형성되는 발열체를 구비하고,
상기 발열 페이스트 조성물 100 중량부는 탄소나노튜브 입자 3 내지 6중량부, 탄소나노입자 0.5 내지 30중량부, 혼합 바인더 10 내지 30중량부, 유기 용매 29 내지 83 중량부, 분산제 0.5 내지 5중량부를 포함하고,
상기 혼합 바인더는 에폭시 아크릴레이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되거나 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트, 폴리비닐 아세탈 및 페놀계 수지가 혼합되고, 상기 에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 페놀계수지 100 내지 500 중량부가 혼합되는 것을 특징으로 하는 발열체 원단.
- 제1항에 있어서,
상기 직물패드는
난연 섬유로 이루어진 것을 특징으로 하는 발열체 원단.
- 제2항에 있어서,
상기 발열 섬유는
상기 난연 섬유와 함께 평직된 것을 특징으로 하는 발열체 원단.
- 제1항에 있어서,
상기 발열 섬유는
상기 직물패드 표면에 박음 처리된 것을 특징으로 하는 발열체 원단.
- 제1항에 있어서,
상기 발열체 원단은
2개를 한 세트로 할 때, 상기 한 세트의 시간당 소모 전력량이 54 ~ 78W(12V, 4.5 ~ 6.5A)인 것을 특징으로 하는 발열체 원단.
- 제1항에 있어서,
상기 혼합 바인더는,
에폭시 아크릴레이트 또는 헥사메틸렌 디이소시아네이트 100 중량부에 대하여 폴리비닐 아세탈 수지 10 내지 150 중량부가 더 혼합되는 것을 특징으로 하는 발열체 원단.
- 제1항에 있어서,
발열 페이스트 조성물 100 중량부에 대하여 실란 커플링제 0.5 내지 5 중량부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발열체 원단.
- 제1항에 있어서,
상기 탄소나노튜브 입자는 다중벽 탄소나노튜브 입자인 것을 특징으로 하는 발열체 원단.
- 제1항에 있어서,
상기 유기 용매는,
카비톨 아세테이트, 부틸 카비톨 아세테이트, DBE(dibasic ester), 에틸카비톨, 에틸카비톨아세테이트, 디프로필렌글리콜메틸에테르, 셀로솔브아세테이트, 부틸셀로솔브아세테이트, 부탄올 및 옥탄올 중에서 선택되는 2 이상의 혼합 용매인 것을 특징으로 하는 발열체 원단.
- 제1항에 있어서,
상기 발열체는,
상기 발열 페이스트 조성물이 기판 상에 스크린 인쇄, 그라비아 인쇄 또는 콤마코팅되어 형성되는 것을 특징으로 하는 발열체 원단.
- 제10항에 있어서,
상기 기판은 폴리이미드 기판 또는 유리섬유 매트인 것을 특징으로 하는 발열체 원단.
- 제10항에 있어서,
상기 발열체는,
상기 발열체 상부면에 코팅되는 것으로, 실리카 또는 카본블랙으로 형성되는 보호층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발열체 원단.
- 합성수지로 피복된 림(Rim)부;
상기 림부의 일부분을 감싸며, 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 형태의 발열체 원단;
상기 발열체 원단과 연결되는 전원 인가부; 및
상기 발열체 원단의 표면을 감싸는 외피재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 발열 스티어링 휠.
- 제13항에 있어서,
상기 합성수지는
폴리우레탄수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 발열 스티어링 휠.
- 제13항에 있어서,
상기 발열체 원단 및 상기 외피재는
상기 림부 및 스포크(Spoke)부를 연결하는 연결부위에 동시에 삽입된 것을 특징으로 하는 발열 스티어링 휠.
- 제13항에 있어서,
상기 외피재는
인조가죽 또는 천연가죽을 포함하는 것을 특징으로 하는 발열 스티어링 휠.
- 제13항에 있어서,
상기 발열체에 전력을 공급하는 전력 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발열 스티어링 휠.
Priority Applications (2)
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