KR102098314B1 - 발열 매트리스 패드의 제조 방법 - Google Patents

발열 매트리스 패드의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

발열 매트리스 패드 및 그 제조 방법을 제공한다. 발열 매트리스 패드의 제조 방법은, i) 제1 원단의 제1면에 150㎛ 내지 200㎛의 두께를 가지는 열경화성 제1 접착층을 코팅하는 단계, ii) 제2 원단의 제2면에 150㎛ 내지 200㎛의 두께를 가지는 열경화성 제2 접착층을 코팅하는 단계, iii) 제1 접착 필름과 제2 접착 필름의 사이에 발열체를 제공하는 단계, 및 iv) 제1 접착층, 제2 접착층 및 발열체를 제1면 및 제2면에 수직인 방향으로 130℃ 내지 180℃에서 가열 압착하여 발열체를 둘러싸는 절연 매트릭스를 제공하는 단계를 포함한다. 발열체를 제공하는 단계에서, 발열체는, i) 외부 전원과 연결되어 전력을 공급받고, 제1 방향으로 길게 뻗고, 상호 이격된 한 쌍의 금속 전극들, ii) 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 길게 뻗고, 한 쌍의 금속 전극들을 상호 연결하는 복수의 탄소 섬유들, 및 iii) 제1 방향으로 길게 뻗고, 복수의 탄소 섬유들과 상호 교차하여 함께 직조된 복수의 실들을 포함한다. 절연 매트릭스를 제공하는 단계에서, 제1 접착층 및 제2 접착층이 용융되어 복수의 탄소 섬유들과 복수의 실들 사이의 이격 공간에서 상호 접하여 무기공(無氣孔)으로 형성된다. 절연 매트릭스가 복수의 탄소 섬유들과 직접 접촉하여 복수의 탄소 섬유들을 외부와 절연시킨다.

Description

발열 매트리스 패드의 제조 방법 {METHOD FOR MANUFACTURING HEATING MATTRESS PAD}
발열 매트리스 패드의 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 화재 위험성이 없는 발열 매트리스 패드의 제조 방법에 관한 것이다.
발열 패드의 발열원으로서 니크롬과 구리 등의 발열선이 이용된다. 그러나 니크롬과 구리로 된 발열선을 사용하는 경우 단락 현상으로 인하여 화재가 발생할 수 있다.
따라서 화재 발생 위험을 줄이기 위해 절연재인 실리콘이나 우레탄으로 코팅한 발열 패드를 사용할 수 있다. 그러나 이러한 발열 패드는 그 유연성이 낮아서 발열선이 단선되거나 단락될 수 있다. 또한, 습기에 약하여 합선이 자주 발생할 수 있다.
한국등록특허 제1,558,514호
화재 위험성이 적은 발열 매트리스 패드를 제공한다. 또한, 전술한 발열 매트리스 패드의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발열 매트리스 패드의 제조 방법은, i) 제1 원단의 제1면에 150㎛ 내지 200㎛의 두께를 가지는 열경화성 제1 접착층을 코팅하는 단계, ii) 제2 원단의 제2면에 150㎛ 내지 200㎛의 두께를 가지는 열경화성 제2 접착층을 코팅하는 단계, iii) 제1 접착 필름과 제2 접착 필름의 사이에 발열체를 제공하는 단계, 및 iv) 제1 접착층, 제2 접착층 및 발열체를 제1면 및 제2면에 수직인 방향으로 130℃ 내지 180℃에서 가열 압착하여 발열체를 둘러싸는 절연 매트릭스를 제공하는 단계를 포함한다. 발열체를 제공하는 단계에서, 발열체는, i) 외부 전원과 연결되어 전력을 공급받고, 제1 방향으로 길게 뻗고, 상호 이격된 한 쌍의 금속 전극들, ii) 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 길게 뻗고, 한 쌍의 금속 전극들을 상호 연결하는 복수의 탄소 섬유들, 및 iii) 제1 방향으로 길게 뻗고, 복수의 탄소 섬유들과 상호 교차하여 함께 직조된 복수의 실들을 포함한다. 절연 매트릭스를 제공하는 단계에서, 제1 접착층 및 제2 접착층이 용융되어 복수의 탄소 섬유들과 복수의 실들 사이의 이격 공간에서 상호 접하여 무기공(無氣孔)으로 형성된다. 절연 매트릭스가 복수의 탄소 섬유들과 직접 접촉하여 복수의 탄소 섬유들을 외부와 절연시킨다.
절연 매트릭스를 제공하는 단계에서, 절연 매트릭스의 두께는 각각 0.56mm 내지 3.6mm일 수 있다. 절연 매트릭스를 제공하는 단계에서, 가열 압착시의 가압력은 60kpa 내지 130kpa일 수 있다. 절연 매트릭스를 제공하는 단계에서, 가열 압착시의 시간은 1분 내지 3분일 수 있다.
절연 매트릭스를 제공하는 단계에서, 가열 압착시의 가열 온도는 130℃ 내지 180℃일 수 있다. 발열체를 제공하는 단계에서, 복수의 탄소 섬유들은 도전성 외표면을 포함하고, 도전성 외표면은 절연 매트릭스와 직접 접촉할 수 있다. 열경화성 제1 접착층을 코팅하는 단계와 열경화성 제2 접착층을 코팅하는 단계에서, 열경화성 제1 접착층 및 열경화성 제2 접착층은 각각 우레탄, 폴리우레탄, 폴리에스테르 및 나일론으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 소재를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발열 매트리스 패드는 i) 상호 마주하는 한 쌍의 원단들, ii) 한 쌍의 원단들 사이에 위치하는 발열체, 및 iii) 발열체를 둘러싸고 무기공(無氣孔)으로 형성된 절연 매트릭스를 포함한다.
발열체는, i) 외부 전원과 연결되어 전력을 공급받고, 제1 방향으로 길게 뻗고, 상호 이격된 한 쌍의 금속 전극들, ii) 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 길게 뻗고, 한 쌍의 금속 전극들을 상호 연결하는 복수의 탄소 섬유들, 및 iii) 제1 방향으로 길게 뻗고, 복수의 탄소 섬유들과 상호 교차하여 함께 직조된 복수의 실들을 포함할 수 있다. 절연 매트릭스는 복수의 탄소 섬유들과 복수의 실들 사이의 이격 공간을 관통하고, 복수의 탄소 섬유들과 직접 접촉하여 복수의 탄소 섬유들을 밀폐시킬 수 있다. 발열 매트리스 패드는 매트리스 스프링 바로 위치하도록 적용될 수 있다.
화재 위험성이 0%에 가까운 발열 매트리스 패드를 제조할 수 있다. 따라서 발열 매트리스 패드를 안전하게 사용할 수 있다. 또한, 발열 매트리스 패드가 탄소 섬유를 함유하여 그 내구성이 우수할 뿐만 아니라 우수한 발열 성능을 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 매트리스 패드의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 2 내지 도 6은 도 1의 발열 매트리스 패드의 각 제조 단계를 순서대로 나타낸 도면들이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 매트리스 패드의 개략적인 사용 상태도이다.
도 8 및 도 9는 각각 본 발명의 실험예에 따른 발열 매트리스 패드의 사진들이다.
도 10은 본 발명의 실험예에 따른 발열 매트리스 패드의 압축 강도 실험 그래프이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 매트리스 패드의 제조 방법의 순서도를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 발열 매트리스 패드의 제조 방법의 순서도는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 발열 매트리스 패드의 제조 방법을 다르게 변형할 수도 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 발열 매트리스 패드의 제조 방법은, 제1 원단의 제1면에 열경화성 제1 접착층을 코팅하는 단계(S10), 제2 원단의 제2면에 열경화성 제2 접착층을 코팅하는 단계(S20), 제1 접착층과 제2 접착층의 사이에 발열체를 제공하는 단계(S30), 그리고 제1 접착층, 제2 접착층 및 발열체를 제1면 및 제2면에 수직인 방향으로 가열 압착하여 발열체를 둘러싸는 절연 매트릭스를 형성하는 단계(S40)를 포함한다. 이외에, 발열 매트리스 패드의 제조 방법은 다른 단계들을 더 포함할 수 있다.
먼저, 단계(S10)와 단계(S20)에서는 각각 제1 원단의 제1면에 열경화성 제1 접착층을 코팅하고 제2 원단의 제2면에 열경화성 제2 접착층을 코팅한다. 단계(S10)와 단계(S20)에서는 이러한 방법을 통해 접착층이 코팅된 원단을 제조한다. 이를 도 2를 좀더 상세하게 설명한다.
도 2는 도 1의 발열 매트리스 패드의 제조 방법 중 단계(S10)와 단계(S20)를 개략적으로 나타낸다. 도 2의 발열 매트리스 패드의 제조 방법은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 단계(S10)와 단계(S20)를 다른 형태로도 변형할 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 제1 원단(10)의 제1면(101)에 +z축의 화살표 방향으로 열경화성 제1 접착층(20)을 부착하여 제1면(101) 위에 코팅할 수 있다. 또한, 제2 원단(12)의 제2면(121)에 -z축의 화살표 방향으로 열경화성 제2 접착층(22)을 부착하여 제2면(121) 위에 코팅할 수 있다. 여기서, 열경화성 제1 접착층(20) 및 열경화성 제2 접착층(22)은 각각 가열 가압하여 핫멜트 형태로 제1 원단(10) 및 제2 원단(12)에 부착할 수 있다.
여기서, 열경화성 제1 접착층(20) 및 열경화성 제2 접착층(22)은 인체에 무해한 우레탄, 폴리우레탄, 폴리에스테르 또는 나일론 등의 소재를 사용할 수 있다. 이 소재들은 방수성 및 전기 절연성의 특성을 가지고, 180℃ 이상에서도 녹지 않을 정도로 열에 강하다. 또한, 탄소 섬유와의 반응성이 약하므로, 발열체와 반응하지 않으며 친환경적이다.
여기서, 열경화성 제1 접착층(20)의 두께(t20) 및 열경화성 제2 접착층(22)의 두께(t22)는 각각 150㎛ 내지 200㎛일 수 있다. 열경화성 제1 접착층(20)의 두께(t20) 및 열경화성 제2 접착층(22)의 두께(t22)가 너무 큰 경우, 소재 비용이 너무 높다. 또한, 열경화성 제1 접착층(20)의 두께(t20) 및 열경화성 제2 접착층(22)의 두께(t22)가 너무 작은 경우, 발열체(30)를 둘러싸는 절연 매트릭스를 형성하기에 그 양이 부족하다. 따라서 열경화성 제1 접착층(20)의 두께(t20) 및 열경화성 제2 접착층(22)의 두께(t22)를 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다.
다시 도 1로 되돌아가면, 도 1의 단계(S30)에서는 제1 접착층과 제2 접착층의 사이에 발열체를 제공한다. 발열체는 탄소 섬유를 사용하고, 전기를 공급해 가열한다. 이를 도 3 및 도 4를 통하여 좀더 상세하게 설명한다.
도 3은 도 1의 단계(S30)에서 제공되는 발열체(30)를 개략적으로 나타낸다. 도 3의 확대원에는 발열체(30)에 포함된 탄소 섬유(303)의 단면 구조를 확대하여 나타낸다. 도 3의 발열체(30)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 발열체(30)를 다른 형태로도 변형할 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 발열체(30)는 한 쌍의 금속 전극들(301), 복수의 탄소 섬유들(303), 복수의 실들(305), 및 외부 전원선(307)을 포함한다. 이외에, 발열체(30)는 다른 구성요소들을 더 포함할 수 있다. 외부 전원선(307)은 한 쌍의 금속 전극들(301)과 연결되어 발열체(30)에 전력을 공급한다.
한 쌍의 금속 전극들(301)은 x축 방향으로 길게 뻗어 있다. 한 쌍의 금속 전극들(301)은 구리 또는 니켈 등의 소재로 제조될 수 있다. 금속 전극들(301)은 박막 또는 봉 형태 등으로 제조할 수 있다. 한 쌍의 금속 전극들(301)은 상호 이격되며, 외부 전원선(307)을 통해 외부 전원과 연결되어 전력을 공급받는다.
탄소 섬유들(303)은 금속 전극(301)이 뻗은 방향과 교차하는 방향인 y축 방향으로 길게 뻗어 있다. 탄소 섬유들(303)은 한 쌍의 금속 전극들(301)을 상호 연결하여 한 쌍의 금속 전극들(301)로부터 전력을 공급받아 발열한다.
도 3의 확대원에 도시한 바와 같이, 탄소 섬유들(303)은 외표면(303a)을 가지며, 외표면(303a)도 도전층인 탄소 섬유 성분 자체로 이루어진다. 탄소 섬유들(303)은 단일 소재로 형성되어 그 자체가 도전성을 가지거나 적어도 그 외표면(303a)은 도전층으로 형성된다. 따라서 어떤 경우라도 탄소 섬유들(303)의 외표면(303a)은 도전성을 가진다. 한 쌍의 금속 전극들(301)에 인가된 전력은 탄소 섬유들(303)에 공급되어 탄소 섬유들(303)이 발열한다.
실들(305)은 탄소 섬유들(303)이 뻗은 방향과 교차하는 방향인 x축 방향, 즉 금속 전극(301)이 뻗은 방향과 평행한 방향으로 뻗어 있다. 실들(305)은 탄소 섬유들(303)과 상호 교차하여 함께 직조된다. 따라서 실들(305)과 탄소 섬유들(303)이 상호 교차하여 직조되므로, 그 강도가 높아서 외부의 강한 외력에도 잘 견딜 수 있다. 실들(305)과 탄소 섬유들(303)은 각각 두가닥으로 교차시키는 옥스포드 직조 방법 또는 격자 무늬로 직조하는 타프타 직조 방법을 사용하여 제조할 수 있다. 실들(305)은 아마(flax), 저마(ramie), 대마(hemp) 또는 황마(jute)일 수 있으며, 한 종류 또는 상호 유사한 마원사들이다. 마원서의 평균 탄성 회복율을 이용하여 실들(305)과 탄소 섬유들(303)로 된 직조체를 울지 않게 하면서 평평하게 유지할 수 있다. 실들(305)은 마원사이므로, 내산성, 내알칼리성 및 박테리아 저항성을 가져서 매트리스 패드로 사용하기에 적합하다. 이렇게 제조된 발열체(30)의 두께는 0.4mm 내지 0.6mm일 수 있다. 바람직하게는, 발열체(30)는 이보다 더 얇을 수 있다. 발열체(30)의 두께가 너무 큰 경우, 발열체(30)를 접기 어렵다. 또한, 발열체(30)의 두께가 너무 작은 경우, 발열체(30)의 내구성이 저하될 수 있다. 따라서 발열체(30)의 두께를 전술한 범위로 조절한다. 한편, 발열 매트리스 패드에 따라 발열체(30)의 두께를 조절할 수 있다.
도 4는 도 3의 발열체(30)를 제1 접착층(20) 및 제2 접착층(22)의 사이에 제공하는 상태를 개략적으로 나타낸다. 도 4에 도시한 바와 같이, 상하 화살표 방향으로 발열체(30)를 제1 접착층(20) 및 제2 접착층(22)으로 합지한다. 따라서 발열체(30) 위에 제1 접착층(20)이 위치하고, 발열체(30) 아래에 제2 접착층(22)이 위치한 상태가 된다. 따라서 발열체(30)는 제1 접착층(20) 및 제2 접착층(22)에 의해 상하로 둘러싸인 구조가 된다.
다시 도 1로 되돌아가면, 단계(S40)에서는 제1 접착층(20), 제2 접착층(22) 및 발열체(30)를 -z축 방향으로 가열 압착한다. 즉, 제1 접착층(20), 제2 접착층(22) 및 발열체(30)를 제1면(101)(도 1에 도시) 및 제2면(121)(도 1에 도시)에 수직인 방향, 즉 -z축 방향으로 가열 압착한다.
발열체(30)는 xy 평면 방향의 응력에는 다소 약한 반면에 z축 방향으로의 응력에는 상당히 강하다. 따라서 발열체(30)를 화살표 방향을 따라 -z축 방향으로 눌러서 제1 접착층(20) 및 제2 접착층(22)의 사이에 발열체(30)를 합지할 수 있다. 이를 아래에 도 5를 통하여 설명한다.
도 5는 도 1의 단계(S40)에서의 절연 매트릭스를 형성하는 과정을 개략적으로 나타낸다. 도 5에 도시한 바와 같이, 화살표 방향으로 제1 원단(10), 제1 접착층(20), 발열체(30), 제2 접착층(22) 및 제2 원단(20)을 가열 가압한다. 가열 온도는 130℃ 내지 180℃일 수 있다. 가열 온도가 너무 낮은 경우, 발열체(20)가 잘 밀폐되지 않는다. 또한, 가열 온도가 너무 높은 경우, 공정 비용이 증가할 뿐만 아니라 제1 접착층(20) 및 제2 접착층(22)이 흐르는 상태가 되거나 열화되어 발열 매트리스 패드가 불량으로 제조될 수 있다. 좀더 바람직하게는, 가열 온도는 150℃ 내지 180℃일 수 있다.
한편, 제1 원단(10), 제1 접착층(20), 발열체(30), 제2 접착층(22) 및 제2 원단(20)의 가압력은 60kPa 내지 130kPa일 수 있다. 가압력이 너무 낮은 경우, 발열체(30)의 제1 접착층(20) 및 제2 접착층(22)에 의한 밀폐가 어렵다. 또한, 가압력이 너무 높은 경우, 핫멜트층으로 된 제1 접착층(20) 및 제2 접착층(22)이 옆으로 흘러 나오거나 발열체(30)가 제1 원단(10) 또는 제2 원단(20)과 직접 접촉할 정도로 외부에 노출될 수 있다. 따라서 가압력을 전술한 범위로 유지하는 것이 바람직하다.
그리고 제1 원단(10), 제1 접착층(20), 발열체(30), 제2 접착층(22) 및 제2 원단(20)의 가열 가압 시간은 1분 내지 3분일 수 있다. 가열 가압 시간이 너무 긴 경우, 공정 비용이 증가할 뿐만 아니라 발열 매트리스 패드가 열화될 수 있다. 또한, 제1 접착층(20) 및 제2 접착층(22)이 녹아서 옆으로 흘러나올 수 있다. 반대로, 가열 가압 시간이 너무 짧은 경우, 제1 접착층(20) 및 제2 접착층(22)이 발열체(30)를 위아래로 둘러싸서 밀폐시키는 시간을 충분히 확보할 수 없다. 따라서 가열 가압 시간을 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다. 한편, 제1 접착층(20) 및 제2 접착층(22)에 따라 가열 가압 시간 및 가압력을 조절할 수 있다.
가열에 의해 제1 접착층(20) 및 제2 접착층(22)은 각각 용융되면서 핫멜트층으로 기능한다. 그리고 제1 접착층(20) 및 제2 접착층(22)이 상하로 발열체(30)를 둘러싸면서 용융되어 무기공(無氣孔)으로 형성된다. 따라서 발열체(30)는 외부 전원선(307)(도 3에 도시)을 제외하고는 제1 접착층(20) 및 제2 접착층(22)에 의해 둘러싸여 밀폐된다.
도 6은 도 1의 단계(S40)를 통해 제조된 발열 매트리스 패드(100)의 단면 구조를 개략적으로 나타낸다. 그리고 도 6의 확대원에는 발열체(30)와 절연 매트릭스(40)의 내부 구조를 개략적으로 나타낸다.
도 6의 확대원에 도시한 바와 같이, y축을 따라 뻗은 탄소섬유들(303)에 x축을 따라 뻗은 실들(305)이 상호 교차하면서 직조된 형태로 발열체(30)가 제조된다. 따라서 발열체(30)는 견고한 구조를 가지므로, 외부 충격에도 잘 견딜 수 있다. 나아가, 절연 매트릭스(40)는 직조에 의해 형성된 복수의 탄소 섬유들(303)과 복수의 실들(305) 사이의 xy 평면상의 이격 공간에서 위아래로 상호 접한다. 절연 매트릭스(40)는 탄소 섬유들(303)과 직접 접촉하여 탄소 섬유들(303)을 외부와 절연시킨다. 즉, 탄소 섬유들(303)의 도전성 외표면(303a)이 절연 매트릭스(40)와 직접 접촉하여 실질적으로 탄소 섬유들(303)을 피복한다. 그 결과, 탄소 섬유들(303)을 외부와 절연시켜서 화재 위험성을 차단할 수 있다. 즉, 종래의 발열 매트리스 패드의 가장 큰 문제점인 화재 가능성을 원천적으로 차단할 수 있다. 또한, 종래처럼 탄소 섬유를 전선처럼 피복으로 감싼 열선 형태로 제작하여 사용할 필요가 없다. 즉, 종래에는 폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌 등의 소재로 탄소 섬유를 피복하여 전선 형태의 열선으로 사용하였다. 그러나 열선이 굵어질 뿐만 아니라 이를 외부에서 감추기 위해 전기 매트의 두께를 일정 이상으로 조절해야 되어 열손실이 많고 전기 소모량도 커지는 문제점이 있었다. 또한, 원단 위에 놓은 열선의 중간 중간을 바느질로 고정한 부분에 사용자의 체중이나 기타 하중이 그대로 작용하여 장시간 지속되면 열선이 단선되어 화재가 발생하였다.
한편, 실로 그물망을 만들고, 탄소 용액에 이를 함침해 제조한 전기 매트는 자주 접히거나 강한 하중이 반복되면, 실에 코팅된 탄소 용액이 탈락하므로, 이를 여러겹 함께 붙여서 내구성을 확보해야 했다. 그러나 이 경우, 전기 매트가 뻣뻣해져서 쿠션감이 저하되는 문제점이 있었다. 이와는 대조적으로, 본 발명의 일 실시예에서는 0.5k 내지 1k의 탄소 섬유를 사용하여 원단 형태로 직조하므로, 발열 매트리스 패드가 매우 부드럽고 얇다. 그리고 제1 접착층(20) 및 제2 접착층(22)이 탄소 섬유와 실들 사이에 스며들면서 탄소 섬유를 외부와 밀폐시킨다. 즉, 절연 매트릭스(40)가 무기공 상태로 되므로, 탄소 섬유의 산화를 방지할 수 있어서 피복형 탄소 섬유에 비해 견고한 상태가 된다. 또한, 탄소 섬유도 잘 훼손되지 않는다. 그리고 매트리스 하단을 가열하여 매트리스 전체를 따뜻하게 하는 종래의 리쇼드 근적외선 발열 침대의 경우, 싱글 사이즈는 500W, 더블 사이즈는 1000W의 전력이 필요한데 비해 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 매트리스 패드에서는 각각 95W 및 190W의 전력만 필요하다. 이는 종래 대비 19% 수준에 불과하다. 따라서 발열 매트리스 패드의 전력 소모량을 크게 줄일 수 있다.
한편, 원래의 제1 접착층(20) 및 제2 접착층(22)은 용융되어 절연 매트릭스(40)로 일체화된다. 발열체(30)를 둘러싸는 절연 매트릭스(40)의 두께(t40)는 0.56mm 내지 3.6mm일 수 있다. 절연 매트릭스(40)의 두께(t40)가 너무 큰 경우, 소재비와 공정 시간이 증가한다. 또한, 절연 매트릭스(40)의 두께(t40)가 너무 작은 경우, 발열체(30)를 외부로부터 밀폐하기가 어렵다. 따라서 절연 매트릭스(40)의 두께(t40)를 전술한 범위로 조절한다. 한편, 발열체(30)의 위 및 아래에 위치하여 발열체(30)를 둘러싸는 절연 매트릭스(40) 부분의 두께는 각각 0.08mm 내지 1.5mm일 수 있다. 따라서 절연 매트릭스(40)를 이용해 발열체(30)를 안정적으로 커버할 수 있다.
종래에는 발열체를 실리콘 또는 우레탄으로 코팅한 후에 그 상하에 원단을 두고 그 가장자리를 박음질하여 전기 매트를 제작했었다. 그러나 이 경우, 실리콘 또는 우레탄의 코팅 과정 중에 생긴 기포가 완전히 제거되지 않았다. 따라서 전기 매트를 계속 사용하면 기포의 팽창과 수축이 반복되면서 실리콘 또는 우레탄 코팅부가 약해져서 떨어지는 문제점이 있었다. 또한, 탄소 섬유는 그 수평 방향으로의 인장력은 철보다도 강하지만 그 수직 방향으로 하중에는 취약하다. 따라서 실리콘 또는 우레탄 코팅이 떨어지면 탄소 섬유도 탈락하여 화재가 발생할 위험이 있었다.
이와는 달리, 본 발명의 일 실시예에서는 절연 매트릭스(40)로 발열체(30)를 둘러싸기 때문에 실리콘 또는 우레탄 코팅에 따른 전술한 문제점이 발생하지 않는다. 즉, 제1 접착층(20) 및 제2 접착층(22)이 발열체(30)의 직조 원단 틈새로 녹아 스며든다. 따라서 절연 매트릭스(40)내에 기포가 잔존하지 않으며, 발열체(30)와 절연 매트릭스(40)가 완벽히 일체화된다. 즉, 절연 매트릭스(40)를 힘껏 잡아당겨도 발열체(30)로부터 떨어지지 않을 정도로 강한 접착 상태가 유지된다. 또한, 절연 매트릭스(40)에 의해 발열체(30)가 보호되므로 수직 하중에 의해 탄소 섬유가 단선되지 않는다. 즉, 금속 전극과 탄소 섬유를 외부 충격으로부터 잘 보호할 수 있다. 특히, 절연 매트릭스(40)가 내열성이면서 무기공 상태를 유지하여 탄소 섬유와 강하게 접촉하므로, 설령 탄소 섬유의 단선에 의한 스파크가 발생하더라도 화재가 발생하지 않는다. 즉, 화재가 발생하려면, 발화, 공기, 인화재의 3요소가 필요한데, 탄소 섬유의 단선에 의한 발화가 일어나도 공기 및 인화재가 존재하지 않아 화재 위험성이 없다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열 매트리스 패드(100)의 사용 상태를 개략적으로 나타낸다. 도 7의 확대원에는 발열 매트리스 패드(100)가 내장된 매트리스(800)의 내부 구조를 확대하여 나타낸다. 도 7의 발열 매트리스 패드(100)의 사용 상태는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 발열 매트리스 패드(100)의 사용 상태를 다른 형태로도 변형할 수 있다.
도 7에 도시한 바와 같이, 침대(1000)는 매트리스(800)와 베드 프레임(900)을 포함한다. 발열 매트리스 패드(100)는 매트리스(800) 내부에 삽입하여 사용할 수 있다. 즉, 도 7의 확대원에 도시한 바와 같이, 커버(8005), 압축 스프링(8001), 압축 견면(8003), 발열 매트리스 패드(100) 및 커버(8005)가 +z축 방향을 따라 차례로 적층되어 위치한다. 본 발명의 일 실시예에서는 종래의 발열 매트리스 패드와는 달리 압축 스프링(8001) 위에 바로 넣어서 매트리스(800)에 내장된 상태로 사용할 수 있다. 즉, 발열 매트리스 패드(100)를 압축 스프링(8001)의 바로 위에 배치하여 사용한다. 발열 매트리스 패드(100)는 발열체에 포함된 탄소 섬유를 안정적으로 보호하여 외부 충격에 강하다. 따라서 발열 매트리스 패드(100)를 압축 스프링(8001) 바로 위에 놓아 사용할 수 있다. 발열 매트리스 패드(100)는 압축 견면과 고정하여 사용할 수도 있다.
발열 매트리스 패드(100)는 외부 전원선(307)을 통해 온도 조절 장치(50)와 연결된다. 도 7에는 편의상 그 도시를 생략하였지만, 온도 조절 장치(50)는 외부 전원과 연결되어 전력을 공급받는다. 따라서 온도 조절 장치(50)를 이용하여 발열 매트리스 패드(100)의 발열 온도를 제어할 수 있다. 예를 들면, 발열 매트리스 패드(100)는 최소 26W의 전력으로 쾌적한 느낌의 온도로 발열하고, 그 최대 전력량도 최대 95W이므로, 우수한 전기 절약 효과를 가진다.
이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명을 다르게 변형할 수 있다.
실험예
61cm x 150cm 크기의 발열 원단에 접착층을 부착하였다. 접착층을 녹여서 발열 원단에 부착하였다. 이 경우, 접착층은 핫멜트로 녹아서 발열 원단 틈새로 스며들어 접착되었다.
도 8은 발열 원단에 접착층을 부착하기 위해 접착층을 발열 원단 위에 배치한 상태를 나타내고, 도 9는 접착층을 녹여서 발열 원단에 부착해 이를 뒤집어서 나타낸다.
전술한 바와 같이 한 쌍의 접착층이 부착된 발열 원단 사이에 발열체를 넣고, 120kPa의 압력으로 150℃의 온도로 접착층이 부착된 발열 원단을 2분 동안 가압하였다. 발열체는 도 3의 발열체외 동일한 형태로 제조한 것을 사용하였다. 이와 같이 제조한 발열 매트리스 패드에 연결된 온도 조절 장치를 조절하여 각각 1분 동안 발열 매트리스 패드의 전기 소모량과 온도를 측정하였다. 계측은 상온 20℃에서 이루어졌다. 발열 매트리스 패드를 접는 실험을 실시하였고, 이러한 조건의 실험을 10일 이상 반복하였다. 그 실험 조건을 아래의 표 1에 나타낸다.
실험예 설정온도 전기 소모량 발열온도
실험예 1 1단 7W 21.9℃
실험예 2 2단 25W 23.2℃
실험예 3 3단 47W 24.9℃
실험예 4 4단 65W 26.8℃
실험예 5 5단 83W 30.5℃
실험예 6 6단 95W 33.2℃
실험 결과
발열 실험 결과
발열 매트리스 패드를 접어서 겨울 이불을 덮은 상태에서도 발열 매트리스 패드의 축적열은 117℃ 이상 오르지 않았다. 따라서 화재 위험성이 전혀 없다는 것을 알 수 있었다. 또한, 6단 설정으로 발열 매트리스 패드의 온도가 최고 63℃까지 상승하였으나 화상 위험은 없었다. 즉, 열이 발열 매트리스 패드에 고르게 분포되어 찜질방 같은 간접화기의 원리로 신체에 열이 전달되므로, 열감이 좋고 신체의 특정 부위에 축적열 과열 현상이 발생하지 않았다. 따라서 저온 화상의 위험이 없었다.
압축 강도 실험 결과
전술한 방법으로 제조한 발열 매트리스 패드에 수직으로 하중을 가하여 그 강도를 실험하였다. 유압 서보식 만능재료 시험기 KDPI-100 위에 발열 매트리스 패드를 놓고 압축 강도를 점차 높이면서 전기 소모량의 변화를 측정하였다. 탄소 섬유가 단선되거나 훼손될 경우 전기 소모량에 변화가 발생하게 되지만 전력 소모량에는 변화가 없었고, 실험 후 실험 부위는 정상적으로 발열되었다. 이를 도 10을 통하여 좀더 상세하게 설명한다.
도 10은 발열 매트리스 패드의 압축 강도 실험을 나타낸 그래프이다.
도 10에 도시한 바와 같이, 약 35톤의 압력에도 발열 매트리스 패드에 포함된 탄소 섬유가 손상되지 않았다. 따라서 발열 매트리스 패드의 강도가 매우 우수한 것을 확인할 수 있었다.
10, 12. 원단
20, 22. 접착층
30. 발열체
40. 절연 매트릭스
50. 온도 조절 장치
101, 121. 면
301. 금속 전극
303. 탄소 섬유
303a. 도전성 외표면
305. 실
307. 외부 전원선
800. 매트리스
900. 베드 프레임
1000. 침대
8001. 압축 스프링
8003. 압축 견면
8005. 매트리스 커버

Claims (9)

  1. 제1 원단의 제1면에 150㎛ 내지 200㎛의 두께를 가지는 전기 절연성의 열경화성 제1 접착층을 코팅하는 단계,
    제2 원단의 제2면에 150㎛ 내지 200㎛의 두께를 가지는 전기 절연성의 열경화성 제2 접착층을 코팅하는 단계,
    상기 제1 접착층과 상기 제2 접착층의 사이에 발열체를 제공하는 단계, 및
    상기 제1 접착층, 상기 제2 접착층 및 상기 발열체를 상기 제1면 및 상기 제2면에 수직인 방향으로 130℃ 내지 180℃에서 가열 압착하여 상기 발열체를 둘러싸는 절연 매트릭스를 제공하는 단계
    를 포함하고,
    상기 발열체를 제공하는 단계에서, 상기 발열체는,
    외부 전원과 연결되어 전력을 공급받고, 제1 방향으로 길게 뻗고, 상호 이격된 한 쌍의 금속 전극들,
    상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향으로 길게 뻗고, 상기 한 쌍의 금속 전극들을 상호 연결하는 복수의 탄소 섬유들, 및
    상기 제1 방향으로 길게 뻗고, 상기 복수의 탄소 섬유들과 상호 교차하여 함께 직조된 복수의 실들
    을 포함하고,
    상기 절연 매트릭스를 제공하는 단계에서, 상기 제1 접착층 및 상기 제2 접착층이 용융되어 상기 복수의 탄소 섬유들과 상기 복수의 실들 사이의 이격 공간에서 상호 접하여 무기공(無氣孔)으로 형성되고, 상기 절연 매트릭스가 상기 복수의 탄소 섬유들과 직접 접촉하여 상기 복수의 탄소 섬유들을 외부와 절연시키는 발열 매트리스 패드의 제조 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 절연 매트릭스를 제공하는 단계에서, 상기 절연 매트릭스의 두께는 각각 0.56mm 내지 3.6mm인 발열 매트리스 패드의 제조 방법.
  3. 제1항에서,
    상기 절연 매트릭스를 제공하는 단계에서, 상기 가열 압착시의 가압력은 60kpa 내지 130kpa인 발열 매트리스 패드의 제조 방법.
  4. 제1항에서,
    상기 절연 매트릭스를 제공하는 단계에서, 상기 가열 압착시의 시간은 1분 내지 3분인 발열 매트리스 패드의 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 제1항에서,
    상기 발열체를 제공하는 단계에서, 상기 복수의 탄소 섬유들은 도전성 외표면을 포함하고, 상기 도전성 외표면은 상기 절연 매트릭스와 직접 접촉하는 발열 매트리스 패드의 제조 방법.
  7. 제1항에서,
    상기 열경화성 제1 접착층을 코팅하는 단계와 상기 열경화성 제2 접착층을 코팅하는 단계에서,
    상기 열경화성 제1 접착층 및 상기 열경화성 제2 접착층은 각각 우레탄, 폴리우레탄, 폴리에스테르 및 나일론으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 소재를 포함하는 발열 매트리스 패드의 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
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