KR20190049974A - 스마트 발열 패드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스마트 발열 패드에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 무선통신을 이용하여 스마트 기기로 조작할 수 있도록 구성되는 스마트 발열 패드에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 발열 패드는, 기재의 적어도 일부의 영역에 금속 나노 물질을 포함하는 방사 물질이 전기 방사 (electrospinning) 되어 형성되는 발열층을 포함하고, 상기 발열층과 전기적으로 연결되는 전극을 포함하는 발열 패드; 및 상기 전극으로 전원을 공급하여 상기 발열층의 온도를 제어하고, 상기 발열 패드의 제어 상태를 디스플레이 하도록 구성된 발열 제어 장치; 를 포함한다.
본 발명의 스마트 발열 패드에 따르면, 무선통신을 이용하여 스마트 기기를 통해 조작함으로써, 사용자가 온도 조절 장치를 직접 조작하지 않아도 온도 또는 사용 시간을 용이하게 조절할 수 있는 스마트 발열 패드를 제공할 수 있으며, 휴대용 배터리를 이용하여 충전할 수 있도록 구성함으로써, 콘센트의 유무에 관계없이 어디에서나 충전이 가능하고, 휴대성이 증대된 스마트 발열 패드를 제공할 수 있다.

Description

스마트 발열 패드 {Heating pad controlled by smart devices}

본 발명은 스마트 발열 패드에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 무선통신을 이용하여 스마트 기기로 조작할 수 있도록 구성되는 스마트 발열 패드에 관한 것이다.

일반적으로 추운 겨울철에는 두껍게 제작된 섬유 제품을 사용하여, 차가운 공기의 유입을 막고 체온을 보존한다. 또한, 최근에는 건강 상의 이유로 발열 기능이 부가된 섬유 제품을 이용하는 사용자들도 증가하는 추세이다.

그러나, 이러한 제품들은 상당한 중량감을 가지며 부피가 크기 때문에 휴대성이 좋지 않다는 단점이 있다. 따라서, 활동량이 많거나 실외에서 장시간 활동해야 하는 상황에서는 활동성을 저해할 뿐만 아니라, 충분한 보온감을 부여하기 어렵다는 한계점이 있다.

이에, 종래에는 발열용 패드를 안감의 내측에 일체형으로 내장하여 제작한 의류가 제안되었다. 그러나, 발열용 패드가 내장된 의류는 발열용 패드가 구비된 국소부위 영역에서만 발열이 이루어지기 때문에, 일정 부분에 대해서만 발열 기능을 구현한다는 문제가 있다. 또한, 발열용 패드가 내장된 의류를 세탁하는 경우, 발열용 패드가 장착된 부분으로 수분이 침투되거나, 외력으로 인해 발열용 패드의 내구성이 저하되기도 하며, 특히, 이러한 의류는 겨울철 외에는 활용할 수 없기 때문에 실용성이 떨어진다는 문제점도 있다.

한편, 발열 기능이 부가된 섬유 제품들은 별도의 전원장치를 이용하여 발열 제품의 전원이나 온도 등을 수동으로 제어해야 한다. 전원장치를 수동으로 제어하는 경우, 온도를 세밀하게 조절하거나, 전원장치에 구비된 버튼이 의도하지 않게 외력에 의해 조절되는 상황이 발생하기도 한다. 이에 사용자는 발열 제품이 필요한 상황에서 발열 제품의 전원이 인가되어 있지 않거나, 온도가 너무 높거나 낮게 설정되어 있기도 하여 불편함을 겪게 된다.

또한, 최근에는 사물 인터넷 (IoT) 을 부가하는 제품들이 증가하는 추세이므로, 무선 통신 기술을 이용하여 스마트 기기로 작동을 제어할 수 있는 발열 제품의 개발이 필요하다.

1. 한국 특허등록 제 10-1564950 호 (발명의 명칭 : 발열패드가 구비되는 섬유제품의 제조방법)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 본 발명은, 무선통신을 이용하여 스마트 기기를 통해 상태를 조작할 수 있는 스마트 발열 패드를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 휴대용 배터리를 이용하여 충전할 수 있도록 구성함으로써, 휴대가 간편하고 충전이 용이하도록 하는 스마트 발열 패드를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 원적외선을 방출하도록 구성하여 사용자의 건강 증진에 기여할 수 있도록 하는 스마트 발열 패드를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 발열 패드는, 기재의 적어도 일부의 영역에 금속 나노 물질을 포함하는 방사 물질이 전기 방사 (electrospinning) 되어 형성되는 발열층을 포함하고, 상기 발열층과 전기적으로 연결되는 전극을 포함하는 발열 패드; 및 상기 전극으로 전원을 공급하여 상기 발열층의 온도를 제어하고, 상기 발열 패드의 제어 상태를 디스플레이 하도록 구성된 발열 제어 장치; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 발열 제어 장치는, 외부 단말기로부터 상기 발열 패드를 제어하도록 하는 제어 정보를 무선으로 수신하고, 상기 제어 정보에 기초하여 상기 발열층의 발열을 조절하고, 상기 제어 정보는, 상기 발열체의 온도, 예약시간, 걸음수 측정 데이터, 알람 설정 데이터, 배터리 잔량, 타이머 설정 시간 및 전원의 온오프 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 발열층은, 상기 방사 물질이 전기 방사되어 형성된 복수의 나노 발열 섬유가 서로 교차되는 지점에서 전기적으로 연결되어 네트워크를 이루도록 구성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 발열 패드는, 상기 발열층을 덮도록 형성되는 보호층 및 상기 보호층을 덮도록 형성되는 단열층을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 발열 패드는, 상기 발열층으로부터 전도되는 열에 의해 원적외선을 방출하도록 구성된 원적외선층을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 나노 물질은, 은 나노 입자 (Ag nanoparticles) 일 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 발열층은, 상기 방사 물질이 이중 전기 방사 (co-electrospinning) 되어 형성될 수 있다.

본 발명의 스마트 발열 패드에 따르면, 무선통신을 이용하여 스마트 기기를 통해 조작함으로써, 사용자가 온도 조절 장치를 직접 조작하지 않아도 온도 또는 사용 시간을 용이하게 조절할 수 있는 스마트 발열 패드를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 스마트 발열 패드에 따르면, 휴대용 배터리를 이용하여 충전할 수 있도록 구성함으로써, 콘센트의 유무에 관계없이 어디에서나 충전이 가능하고, 휴대성이 증대된 스마트 발열 패드를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 발열 패드를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2은 도 1의 발열 패드의 구조를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1의 발열 제어 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 스마트 발열 패드의 동작을 조절하는 외부 단말기의 어플리케이션의 화면을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 스마트 발열 패드의 적용예를 도시한 도면이다.
도 6은 도 1의 발열 패드의 다양한 적용예를 도시한 도면이다.
도 7은 도 2의 발열층 및 이에 포함되는 나노 발열 섬유를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 8은 나노 발열 섬유를 제조하기 위한 전기 방사 장치와 그 장치를 사용하여 나노 발열 섬유를 제조하는 방법을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 9는 도 7의 전기 방사 장치에 사용될 수 있는 노즐의 형태를 개략적으로 도시한 단면도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층"위(on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 도시된 것이며, 본 발명이 도시된 구성의 크기 및 두께에 반드시 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.

이하, 첨부된 도 1 내지 도 9를 참고로 하여 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 발열 패드에 대하여 자세히 설명한다.

1. 스마트 발열 패드의 구성

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 발열 패드를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2은 도 1의 발열 패드의 구조를 설명하기 위해 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 3은 도 1의 발열 제어 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 스마트 발열 패드 (1000) 는 발열 패드 (100) 및 발열 패드 (100) 를 제어하는 발열 제어 장치 (200) 를 포함한다. 구체적으로, 발열 패드 (100) 는 발열층 (130) 및 발열층 (130) 과 전기적으로 연결되는 전극 (120) 을 포함하고, 발열 제어 장치 (200) 는 발열 패드 (100) 의 전극 (120) 으로 전원을 공급하여 발열층 (130) 의 온도를 제어하고, 발열 패드 (100) 의 제어 상태를 디스플레이 하도록 구성된다.

발열 패드 (100) 는 접속 단자 (120) 가 형성된 전선 (101) 이 별도의 충전장치 (미도시) 와 전기적으로 연결됨으로써 전원을 공급받고, 이로 인해 발열하도록 구성된다.

전선 (101) 에는 접속 단자 (102) 와 인접하도록 발열 제어 장치 (200) 가 구성되어, 전극 (120) 과 발열 제어 장치 (200) 가 발열 패드 (100) 의 전선 (101) 으로 연결되고, 그 발열 제어 장치 (200) 가 발열 패드 (100) 로 인가되는 전원을 제어하도록 구성된다.

발열 패드 (100) 의 전선 (101) 은 발열 패드 (100) 와 일체형으로 형성되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 발열 패드 (100) 의 일면에 접속부가 형성되어, 접속 단자 (102) 가 삽입되도록 구성될 수도 있다.

도 2를 참조하면, 발열 패드 (100) 는 기재 (110) 와, 기재 (110) 의 일면에 형성된 전극 (120), 전극 (120) 과 전기적으로 접속되는 발열층 (130), 발열층 (130) 을 덮는 보호층 (140), 및 보호층 (140) 을 덮도록 형성되는 단열층 (160) 을 포함한다.

기재 (110) 는 발열층 (130) 이 형성되는 곳으로서, 형성된 발열층 (130) 을 지지하는 역할을 한다.

기재 (110) 는 합성수지 필름, 천연섬유, 유리섬유, 합성섬유, 합성피혁 및 천연 피혁 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 합성수지 필름으로는 열가소성 폴리우레탄 (TPU) 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET) 필름이 사용될 수 있다.

그 밖에도 기재 (110) 는 발열층 (130) 에서 발생되는 열을 안정적으로 견딜 수 있는 내열성과 발열층 (130) 을 외부와 전기적으로 절연시키는 절연성을 가지는 것이라면 상술한 소재에 한정되는 것은 아니고, 통상 발열 시트를 형성함에 있어 사용되는 공지의 기재 (110) 가 사용될 수 있음은 물론이다.

발열 패드 (100) 는 발열층 (130) 과 전기적으로 접속되고, 후술할 발열 제어 장치 (200) 로부터의 전력을 발열층 (130) 에 공급하는 전극 (120) 을 포함한다.

전극 (120) 은 발열 패드 (100) 의 양 단부에 형성되어 발열 패드 (100) 의 전체 영역에 걸쳐 형성된 발열층 (130) 에 전력을 공급하도록 구성된다.

전극 (120) 은 기재 (110) 의 금속 잉크가 스크린 프린팅 (screen printing) 되는 방식으로 형성될 수 있다. 금속 잉크로는 은 (Ag) 또는 구리 (Cu) 잉크가 사용될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 금속 소재로 전극 (120) 이 형성될 수 있음은 물론이다. 전극 (120) 은 기재 (110) 에 전기 방사 방식으로 발열층 (130) 이 형성되기 이전에 형성될 수도 있고, 발열층 (130) 이 형성된 이후에 형성될 수 도 있다. 전극 (120) 과 발열층 (130) 이 전기적으로 접속되기만 한다면, 본 발명에서 전극 (120) 이 형성되는 순서는 특별히 한정되지는 않는다.

발열층 (130) 은 전기 저항에 의해 발열하는 층으로, 복수의 나노 발열 섬유 (131) 를 포함하여 기재 (110) 의 일면에 형성된다. 여기서 나노 발열 섬유 (131) 는 기재 (110) 의 적어도 일부의 영역에 금속 나노 물질을 포함하는 방사 물질이 전기 방사 (electrospinning) 되어 형성된다.

전기 방사 방식으로 형성된 나노 발열 섬유 (131) 및 이를 포함하는 발열층 (130) 은 기재 (110) 의 일면에 안정적으로 결속된 상태를 유지할 수 있다. 이로써 발열 패드 (100) 는 종래의 발열 박판 또는 발열 코일로 형성된 발열층 (130) 을 포함하는 발열 패드 (100) 보다 개선된 유연성 및 전기적 안정성을 가질 수 있다.

전기 방사 방식으로 형성되는 나노 발열 섬유 (131) 및 이를 포함하는 발열층 (130) 에 관한 구체적인 내용은, 도 5 내지 도 7을 참조하여 후술하도록 한다.

발열 패드 (100) 는 발열층 (130) 과 전극 (120) 을 덮도록 형성되는 보호층 (140) 을 포함한다.

보호층 (140) 은 발열층 (130) 을 덮도록 형성되는 제1 보호층 (140a) 및 기재 (110) 를 덮도록 형성되는 제2 보호층 (140b) 으로 구성된다. 이때, 제1 보호층 (140a) 및 제2 보호층 (140b) 의 소재나 기능은 유사하므로 공통으로 설명하도록 한다.

보호층 (140) 은 발열층 (130) 으로의 수분의 투습을 방지하고, 발열층 (130) 의 나노 발열 섬유 (131) 의 산화를 방지하는 역할을 한다. 또한 보호층 (140) 은 발열층 (130) 을 외부와 전기적으로 절연시키는 역할을 하도록 구성된다.

보호층 (140) 은 열가소성 폴리우레탄 (TPU) 소재로 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 보호층 (140) 은 공지된 다양한 합성 수지 소재로 형성될 수 있음은 물론이다.

이러한 보호층 (140) 은 발열층 (130) 및 전극 (120) 의 전체를 덮도록 형성되는 것이 좋다. 액상의 합성 수지가 발열층 (130) 및 전극 (120) 을 덮도록 도포되어 형성될 수도 있고, 필름 타입의 합성 수지가 고열의 자동프레스를 이용한 열 압착에 의해 발열층 (130) 및 전극 (120) 을 덮도록 형성될 수도 있다.

발열 패드 (100) 는 보호층 (140) 을 덮도록 형성되는 단열층 (160) 을 더 포함할 수 있다. 단열층 (160) 은 발열층 (130) 으로부터 방출된 열의 손실을 방지하도록 기능한다. 단열층 (160) 은 유리섬유 등을 압축해 만든 단열재로 형성될 수 있으며, 그 밖에도 내화성이 단열성이 뛰어난 소재라면 공지의 소재가 채용될 수 있음은 물론이다. 도 2에서는 설명의 편의를 위하여 단열층 (160) 이 제2 보호층 (140b) 을 덮도록 형성하는 것으로 도시하였지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 단열층 (160) 은 제1 보호층 (140a) 을 덮도록 형성될 수도 있고, 발열층 (130) 과 보호층 (140) 사이에 형성될 수도 있다.

발열 패드 (100) 는 발열층 (130) 으로부터 전도되는 열에 의해 원적외선을 방출하도록 구성된 원적외선층 (150) 을 더 포함할 수 있다.

원적외선층 (150) 은 섬유 또는 직물에 토르말린 (Tourmaline) 이나 탄소 (C) 또는 게르마늄 (Ge) 과 같은 원적외선 물질을 원사로 직조 및 코팅한 소재를 사용하거나, 원적외선 분말 물질을 고분자 재료와 조합하여 제작한 필름과 같은 소재를 사용하여 형성할 수 있다.

원적외선층 (150) 으로부터 방출되는 원적외선은 발열층 (130) 으로부터 열이 가해지는 경우 더 많은 양이 방출될 수 있다. 따라서, 원적외선층 (150) 은 열에 의해 손상되지 않으면서도 발열층 (130) 과 인접한 위치에 형성되는 것이 바람직하다. 도 2에서는 설명의 편의를 위하여 원적외선층 (150) 이 제1 보호층 (140a) 을 덮도록 형성하는 것으로 도시하였지만, 이에 제한되지 않는다.

원적외선층 (150) 으로부터 방출되는 원적외선은 다양한 효과가 있다. 예컨대, 원적외선은 사용자의 신진대사를 강화하여 혈액순환을 촉진하거나 통증을 완화하는 효과가 있다. 또한, 원적외선은 체온을 적정체온으로 유지시키고, 노폐물 배출을 촉진하는 효과가 있다. 따라서, 사용자는 본 발명의 스마트 발열 패드 (1000) 를 신체에 적용함으로써 건강 증진의 목적으로 사용할 수 있다.

한편, 발열 패드 (100) 는 일면에 외피 (170) 가 형성될 수 있다. 외피 (170) 는 면, 폴리에스테르, 레이온 소재, 원적외선 소재 등으로 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 외피 (170) 는 발열층 (130) 에 흐르는 전류를 효과적으로 절연하고, 발열층 (130) 을 외부 환경으로부터 보호할 수 있는 소재라면 어떤 것이든 선택될 수 있다.

외피 (170) 는 도 2에 도시된 바와 같이 단열층 (160) 을 덮도록 형성되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 원적외선층 (150) 을 덮도록 형성될 수도 있고, 제1 보호층 (140a) 을 덮도록 형성될 수도 있다.

또한, 발열 패드 (100) 는 일면에 접착 부재 (미도시) 가 형성될 수도 있다. 따라서, 발열 패드 (100) 를 신체에 부착하거나 물체에 적용하는 경우 발열 패드 (100) 가 적용 부위에 견고하게 고정되도록 할 수 있다.

발열 패드 (100) 는 일반적인 성냥갑 크기 정도의 사이즈부터 일반 방석 크기의 사이즈 등 용도에 따라 다양하게 제작될 수 있다.

다시, 도 1을 참조하면, 발열 제어 장치 (200) 는 외부 단말기 (E) 로부터 발열 패드 (100) 를 제어하도록 하는 제어 정보를 무선으로 수신하여, 수신한 제어 정보에 기초하여 발열층 (130) 의 발열을 조절한다.

발열 제어 장치 (200) 는 외부 단말기 (E) 로부터 제어 정보를 수신하는 통신부 및 통신부로부터의 제어 정보에 기초하여 발열층 (130) 을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다. 이 때 제어 정보는, 발열체의 온도, 예약시간, 걸음수 측정 데이터, 알람 설정 데이터, 배터리 잔량, 타이머 설정 시간 및 전원의 온오프 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

통신부는 무선통신 방식을 이용하여 제어 정보를 수신한다. 예컨대, 무선통신 방식은 블루투스 (Bluetooth), 와이파이 (Wifi), NFC 등이 선택될 수 있다.

통신부는 사용자가 외부 단말기 (E) 에 입력한 발열층 (130) 의 제어 정보를 수신한다. 이에 통신부는 제어부로 제어 정보 신호를 전달하고, 제어부가 발열층 (130) 을 제어함으로써, 사용자가 원하는 온도 또는 원하는 시간 동안 발열하도록 제어할 수 있다.

도 4는 본 발명의 스마트 발열 패드의 동작을 조절하는 외부 단말기의 어플리케이션의 화면을 도시한 도면이다.

도 4를 참조하면, 어플리케이션 (Application) (300) 은, 홈 (310), 예약 (320), 온도 (330) 및 모드 (340) 항목으로 구성된다.

사용자가 홈 (310) 항목을 선택하면 도 4에 도시된 홈 화면이 표시된다. 홈 화면은 온도표시부 (311), 예약표시부 (312), 모드표시부 (313) 및 배터리표시부 (314) 로 구성된다.

온도표시부 (311) 에는 사용자가 설정한 발열 패드 (100) 의 온도 및 현재 발열 패드 (100) 의 온도가 표시된다. 예약표시부 (312) 에서는 발열 패드 (100) 가 작동하도록 설정된 시간 및 설정된 시간에 따라 발열 패드 (100) 가 현재까지 구동된 시간이 표시된다. 예를 들어, 예약시간 2시간 중에 1시간 20분이 작동되었다면, 이와 같은 정보가 표시될 수 있다. 모드표시부 (313) 에서는 사용자의 걸음수가 표시되며, 이에 따라 소비된 열량이 더 표시될 수 있다. 배터리표시부 (314) 에서는 발열 패드 (100) 의 배터리의 잔량이 표시된다.

사용자가 예약 (320), 온도 (330) 및 모드 (340) 항목을 선택하는 경우, 별도의 제어 화면 (미도시) 이 표시될 수 있다.

예약 (320) 항목에서는 예약 설정 기능, 동작 시간 설정기능을 제공한다. 사용자는 예약 설정 기능을 이용하여 발열 패드 (100) 가 설정된 시간동안만 구동되도록 설정할 수 있으며, 이때 사용자는 30분 내지 10시간 이내의 범위에서 시간을 설정할 수 있다. 또한, 사용자는 동작 시간 설정 기능을 이용하여, 발열 패드 (100) 가 설정된 시간동안 연속동작 하도록 설정할 수 있으며, 연속동작 시간은 10시간 이내의 범위에서 설정될 수 있다.

온도 (330) 항목에서는 온도설정 기능, 절전 기능, Fast 기능을 제공한다. 온도설정 기능은 38℃ 내지 50℃의 온도 범위에서 발열 패드 (100) 의 온도를 설정함으로써, 발열 패드 (100) 가 설정된 온도로 구동되도록 할 수 있다. 절전 기능은 발열 패드 (100) 의 온도가 설정온도보다 5℃ 이하인 경우, 발열 패드 (100) 가 다시 동작하도록 설정할 수 있다. 예를 들어, 설정온도가 40℃ 인 경우, 발열 패드 (100) 의 온도가 35℃ 이하일 때 재작동하도록 설정할 수 있다. 또한, Fast 기능은 발열 패드 (100) 의 전원이 on 되는 경우, 초기 10분 동안 연속동작 하도록 설정할 수 있다.

어플리케이션 (300) 은 사용자의 설정값, 즉, 예약 시간, 설정 온도 또는 걸음수 측정 등의 설정값에 도달하면 상태를 알려주도록 작동하는 알람 기능이 부가될 수도 있다. 다만, 이러한 어플리케이션 (300) 의 구성은 예시적인 것이며, 공지의 다양한 기능을 더 포함할 수 있음은 물론이다.

사용자는 상술한 외부 단말기 (E) 의 어플리케이션 (300) 을 이용함으로써, 발열 제어 장치 (200) 를 직접 조작하지 않더라도 발열 패드 (100) 의 작동을 제어할 수 있다. 또한, 어플리케이션 (300) 에 사용자가 원하는 온도 또는 시간 등을 직접 입력하여 제어함으로써, 발열 제어 장치 (200) 를 직접 조작하여 제어하는 것보다 더 정확하고 세밀하게 조절할 수 있으며, 발열 패드 (100) 의 충전 상태를 확인할 수 있어, 발열 패드 (100) 가 방전되기 전에 충전을 수행할 수 있다.

한편, 외부 단말기 (E) 는 일반적인 스마트 기기를 의미하는 것으로, 스마트폰 (smart phone), 태블릿, (tablet), PC, 랩 탑 (lap-top), 데스크탑 (desk-top) 등 일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.

다시, 도 3을 참조하면, 발열 제어 장치 (200) 는 발열 패드 (100) 의 제어 상태를 디스플레이 하도록 구성된다. 구체적으로, 발열 제어 장치 (200) 는 발열 패드 (100) 의 전원의 온오프를 및 발열층 (130) 의 온도를 표시하는 온도확인부 (220) 를 포함한다.

온도확인부 (220) 는 다수 개의 발광소자로 구성되어 발열층 (130) 의 온도를 단계적으로 표시한다.

구체적으로, 온도확인부 (220) 는 파란색, 노란색, 빨간색으로 발광하는 발광소자로 구성되어, 발열층 (130) 의 온도가 1단인 경우 파란색 발광소자가 점등되고, 2단인 경우 노란색 발광소자가, 3단인 경우 빨간색 발광소자가 점등되어 발열층 (130) 의 온도를 확인할 수 있다. 이러한 발열층 (130) 의 온도는 1단인 경우 약 37℃, 2단인 경우 약 40℃, 3단인 경우 약 45℃인 것을 의미할 수 있다.

발열 제어 장치 (200) 는 상술한 바와 같이, 외부 단말기 (E) 를 이용하여 무선통신으로 발열 패드 (100) 를 제어할 수도 있으나, 발열 제어 장치 (200) 를 직접 조작함으로써 작동할 수 있음은 물론이다. 이러한 경우에는, 발열 제어 장치 (200) 에 구비된 버튼 (210) 을 이용하여 발열 패드 (100) 의 전원 및 발열층 (130) 의 온도를 직접 제어할 수 있다.

버튼 (210) 은 발열 패드 (100) 의 전원의 온오프 및 발열층 (130) 의 온도를 제어한다. 버튼 (210) 을 한 번 누르는 경우, 발열 패드 (100) 의 전압이 인가됨과 동시에, 발열층 (130) 의 온도가 1단이 되도록 제어할 수 있다.

발열층 (130) 의 온도는 버튼 (210) 을 누르는 횟수에 비례하여 1단 내지 3단으로 제어되며, 발열층 (130) 의 온도가 3단인 상태에서 버튼 (210) 을 누르게 되면 발열 패드 (100) 의 전원이 오프된다.

다만, 이러한 버튼 (210) 및 온도확인부 (220) 는 예시적인 것일 뿐이며, 온도를 문자로 표시하거나 일반적으로 사용되는 표시 방법 또는 제어 버튼을 이용하여 구성될 수도 있다.

한편, 발열 패드 (100) 는 온도 센서 (미도시) 를 포함하도록 구성되어, 감지된 온도에 따라 발열층 (130) 의 발열을 제어할 수 있다. 발열 제어 장치 (200) 는 설정한 온도에 이르면 전원이 오프 되고 온도가 낮아지면 다시 전압이 인가되는 방식 즉, 발열층 (130) 으로의 전력 공급을 차단하는 방식으로 구동될 수 있다.

온도 센서는 구성이 간단하며 비용이 저렴하고, 고온에서도 온도 측정 효과가 우수한 열전대 (Thermo couple) 인 것이 바람직하다. 다만 이에 한정되는 것은 아니고, 온도 센서는 바이메탈 (bi-metal), 써미스터 (thermistor) 등 공지의 다양한 온도 센서일 수도 있고, 온도 센서는 별도의 전선으로 온도 센서와 연결되어 온도를 표시하는 온도기록 수단을 구비할 수도 있다.

다만, 온도 센서는 상술한 바에 한정되는 것은 아니다. 당업자에게 공지된 다양한 방식으로 발열층 (130) 의 발열 온도가 조절될 수 있음은 물론이다.

한편, 발열 패드 (100) 는 발열 제어 장치 (200) 와 연결되는 전선 (101) 및 별도의 케이블을 삽입하여 충전장치 (미도시) 와 연결할 수 있는 접속 단자 (120) 를 포함하여 구성된다. 이 때, 충전장치는 휴대용 보조배터리가 이용될 수 있다.

휴대용 보조배터리는 전자 기기와 유선으로 연결됨으로써 전자 기기를 충전할 수 있는 장치이다. 구체적으로, 전자 기기는 일반적으로 충전 장치를 이용하여 콘센트로부터 전기를 공급받음으로써 충전이 이루어진다. 그러나, 사용자가 전자 기기를 충전하는 중에 사용하려는 경우, 사용자는 충전 장치의 길이 또는 콘센트의 위치에 따라 사용에 제한을 받아 불편함을 겪게 된다. 휴대용 보조배터리는 이러한 불편함을 해소할 수 있는 장치로써, 본 발명의 스마트 발열 패드 (1000) 를 공간이나 콘센트의 제약 없이 어디에서나 사용할 수 있도록 한다.

한편, 도 3에 도시된 발열 제어 장치 (200) 는 예시적인 것이며, 공지의 제어 장치 또는 전원 장치가 선택될 수도 있다.

본 발명의 스마트 발열 패드 (1000) 는 다양한 목적으로 활용될 수 있다.

도 5는 본 발명의 스마트 발열 패드의 적용예를 도시한 도면이고, 도 6은 도 1의 발열 패드의 다양한 적용예를 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 발열 패드 (100) 는 별도의 밴드부재 (B) 에 구비된 다수 개의 고정집게를 발열 패드 (100) 의 일측면에 고정함으로써, 사물이나 사람의 일부를 감싸는 형태로 사용할 수 있다. 예를 들어, 밸크로 또는 접착면이 형성된 밴드부재 (B) 를 구비하는 경우, 발열 패드 (100) 를 사람의 신체에 감싸는 복대 형태로 사용할 수 있다.

또한, 도 6을 참조하면, 발열 패드 (100) 는 도 6의 (a)와 같이 신체에 적용하거나, 도 6의 (b) 내지 (f)와 같이 의류, 방석, 유모차나 휠체어와 같은 이동수단의 카시트의 일면에 부착될 수 있다. 이러한 경우, 발열 패드 (100) 는 사용자의 체온을 높이도록 이용할 수 있다. 특히, 발열 패드 (100) 는 원적외선을 방출할 수 있도록 구성되므로, 사용자가 통증을 느끼는 부위에 부착함으로써 통증을 완화하거나 신진대사를 활발히 하도록 하는 목적으로 이용할 수 있다.

또한, 발열 패드 (100) 는 도 6의 (g)와 같이 물병이나 젖병과 같은 용기에 부착될 수도 있다. 이러한 경우, 발열 패드 (100) 는 용기에 수용된 액체 또는 음식물을 보온하도록 하는 효과가 있다.

도 6에 도시된 적용 사례들은 예시적인 것일 뿐이며, 발열 패드 (100) 는 사용자의 사용 목적에 따라 다양한 방식으로 적용될 수 있다.

이하, 첨부된 도 7 내지 도 9를 참고로 하여 발열 패드의 발열층을 형성하는 나노 발열 섬유의 구성 및 나노 발열 섬유를 제조하는 방법에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다. 이때, 설명의 편의를 위하여 도 1 내지 도 6이 함께 참조될 수 있음은 물론이다.

2. 발열층에 포함되는 나노 발열 섬유의 구성

도 7은 발열층 (130) 및 이에 포함되는 나노 발열 섬유 (131, 이하 ‘F’ 라 함) 를 개략적으로 도시한 사시도이다.

도 7을 참조하면, 발열층은 복수의 나노 발열 섬유 (F) 를 포함하여 형성된다.

나노 발열 섬유 (F) 는 서로 교차되는 지점 (N) 에서 전기적으로 연결되어, 복수의 나노 발열 섬유 (F) 가 네트워크를 이루면서 전류가 흐를 수 있도록 구성된다.

나노 발열 섬유 (F) 는 약 50 nm 내지 1 ㎛ 범위의 직경 및 수 ㎛ 내지 수백 ㎛ 범위의 길이로 형성될 수 있다.

이러한 미세하고 유연한 나노 발열 섬유 (F) 의 특성상, 나노 발열 섬유 (F) 를 포함하여 형성된 발열층 (130) 은 접히거나 휘어지는 등의 외력에 의해 쉽게 손상되지 않아 전기적 안전성이 확보될 수 있다.

이때, 형성되는 나노 발열 섬유 (F) 의 밀도는, 발열층 (130) 으로 3V 내지 7.5V의 전압이 공급되는 경우 발열층 (130) 이 20℃ 내지 70℃의 온도 범위에서 발열하도록 결정될 수 있다. 이러한 성능 조건을 만족하도록 발열층 (130) 를 구성하기 위하여, 발열층 (130) 의 면적 대비 0.2% 내지 10%를 차지하도록 나노 발열 섬유 (F) 가 형성될 수 있다.

3. 나노 발열 섬유의 제조 방법

도 8은 나노 발열 섬유를 제조하기 위한 전기 방사 장치와 그 장치를 사용하여 나노 발열 섬유를 제조하는 방법을 개략적으로 도시한 블록도이고, 도 9은 도 7의 전기 방사 장치에 사용될 수 있는 노즐의 형태를 개략적으로 도시한 단면도이다.

전기 방사 장치

도 8을 참조하면, 전기 방사 장치 (1) 는 방사 용액 탱크 (10), 방사 노즐 (20), 외부 전원 (30) 및 컬렉터 기판 (40) 을 포함한다.

방사 용액 탱크 (10) 는 방사 용액을 저장한다. 방사 용액 탱크 (10) 는 내장된 펌프 (미도시) 를 이용하여 방사 용액을 가압하여 방사 노즐 (20) 에 방사 용액을 제공할 수 있다.

방사 노즐 (20) 은 방사 용액 탱크 (10) 로부터 방사 용액을 제공받아 방사 용액을 방사한다. 방사 노즐 (20) 은 상기 펌프에 의하여 방사 용액이 가압되어 내부의 노즐관을 채운 후에, 외부 전원 (30) 에 의하여 인가된 전압에 의하여 방사 용액을 방사한다.

여기서, 방사 노즐 (20) 로는 도 9의 (a)와 같은 단일 노즐 (20a) 이 사용될 수도 있고, 도 9의 (b)와 같은 이중 노즐 (20b) 이 사용될 수도 있다.

본 발명의 발열층에 포함되는 나노 발열 섬유 (F) 의 구조에 따라 두 형태의 방사 노즐은 선택적으로 사용될 수 있다. 단일 노즐 (20a) 또는 이중 노즐 (20b) 을 사용하여 나노 발열 섬유 (F) 를 제조하는 경우의 제조 공정 및 제조된 나노 발열 섬유 (F) 의 구조는 후술하도록 한다.

외부 전원 (30) 은 방사 노즐 (20) 에 방사 용액이 방사되도록 전압을 제공한다. 전압은 방사 용액의 종류 및 방사 양에 따라 변화될 수 있다. 예를 들어 약 100 V 내지 약 30000 V 의 범위일 수 있고, 직류이거나 교류일 수 있다. 외부 전원 (30) 에 의하여 인가된 전압은 방사 노즐 (20) 에 채워진 방사 용액을 방사시킬 수 있다.

컬렉터 기판 (40) 은 방사 노즐의 하측에 위치하고, 방사되는 방사 용액을 수용한다. 컬렉터 기판 (40) 은 접지되어 접지 전압인 0V의 전압을 가질 수 있고, 또는 컬렉터 기판 (40) 은 방사 노즐 (20) 과 반대 극성의 전압을 가질 수도 있다. 외부 전원 (30) 에 의하여 방사 노즐 (20) 이 양의 전압 또는 음의 전압으로 하전되고, 이에 따라 방사 용액도 하전되므로, 접지되거나 반대 극성의 전압을 가지는 컬렉터 기판 (40) 과 전압 차이가 발생하게 된다.

외부 전원 (30) 에 의하여 방사 노즐 (20) 에 전압이 인가되면, 방사 노즐 (20) 의 단부에서 방사 용액이 테일러 콘과 같은 원뿔형 형상으로 형성된다. 이때, 방사 노즐 (20) 과 방사 용액 사이에는 약 50000 V/m 내지 약 150000 V/m 범위의 전기장이 형성될 수 있다. 전압 차이에 의하여 방사 용액은 컬렉터 기판 (40) 으로 방사되어 수용될 수 있다.

방사 용액의 유량과 방사 노즐 (20) 및 컬렉터 기판 (40) 의 전압 차이를 제어함에 따라, 방사 용액의 방사에 의하여 컬렉터 기판 (40) 에 수용되는 나노 발열 섬유 구조체 (50) 의 직경과 길이를 제어할 수 있다. 예를 들어, 상술한 전기 방사 장치 (1) 로부터 방사된 나노 발열 섬유 구조체 (50) 는 약 50 nm 내지 1 ㎛ 범위의 직경 및 약 수 ㎛ 내지 수백 ㎛ 범위의 길이를 가질 수 있다.

한편, 도 8에서의 방사 노즐 (20) 과 컬렉터 기판 (40) 의 위치 관계는 예시적인 것이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 컬렉터 기판 (40) 이 방사 노즐 (20) 의 상측에 위치하고 방사 노즐 (20) 에서 방사되는 방사 용액이 상측 방향으로 방사될 수도 있고, 컬렉터 기판 (40) 이 방사 노즐 (20) 에 대하여 수평하게 위치하고 방사 노즐 (20) 에서 방사되는 방사 용액이 수평 방향으로 방사될 수도 있다. 방사 노즐 (20) 및 컬렉터 기판 (40) 의 다양한 배치 방식에 따른 전기 방사 방식이 본 발명의 기술적 사상에 포함될 수 있다. 또한, 컬렉터 기판 (40) 으로 면상 기판을 예시하였지만, 이에 한정되지 않고 컬렉터 기판 (40) 으로 중심축을 두고 회전하는 드럼형 컬렉터가 사용될 수 있음은 물론이다.

나아가, 방사 노즐 (20) 은 방사 용액을 선형 형태로, 예를 들어 와이어 형태 또는 로드 형태로 방사시킬 수 있다 (즉, 스피닝 모드 (Spinning mode)). 반면, 방사 노즐 (20) 은 방사 용액을 스프레이 형태로 방사시킬 수 있다 (즉, 스프레이 모드 (Spray mode). 방사 용액은 용액의 점성, 용액 내의 용질의 무게 비, 용질과 용액의 종류, 및 용질과 용매의 분자량 등과 같은 자신의 물성에 따라 다른 형태로 방사될 수 있으며, 인가되는 전압의 크기에 따라 다른 형태로 방사될 수도 있다. 예를 들어, 방사 용액이 상대적으로 높은 점성을 가지거나, 상대적으로 낮은 전압이 인가되는 경우에 스피닝 모드에 의해 전기 방사 공정이 수행될 수 있으며, 방사 용액이 상대적으로 낮은 점성을 가지거나, 상대적으로 높은 전압이 인가되는 경우에 스프레이 모드에 의해 전기 방사 공정이 수행될 수 있다.

스피닝 모드와 스프레이 모드는 나노 발열 섬유 (F) 를 제조함에 있어 혼용되어 수행될 수 있으며, 이하의 단일방사 후 코팅 공정에 따른 발열층 제조방법을 설명함에 있어 보다 구체적으로 설명하도록 한다.

전기 방사 물질

본 발명에 포함되는 발열층 (130) 을 형성하는 나노 발열 섬유 (131) 는 나노 물질과 고분자 물질로 제조된다.

나노 물질은 도전성 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 금속 나노 물질을 포함하거나 또는 탄소 나노 물질을 포함할 수 있다.

구체적으로 나노 물질은 은(Ag) 나노 물질인 것이 바람직하다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고 나노 물질은 구리(Cu), 코발트(Co), 스칸듐(Sc), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 아연(Zn), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 니오브(Nb), 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al), 테크네늄(Tc), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 카드뮴(Cd), 하프늄(Hf), 탄탈(Ta), 텅스텐(W), 레늄(Re), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au), 수은(Hg), 란탄족 원소(lanthanide), 및 악티늄족 원소(actinoid), 실리콘(Si), 게르마늄(Ge), 주석(Sn), 비소(As), 안티몬(Sb), 비스무트(Bi), 갈륨(Ga) 및 인듐(In)로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

나노 물질은 다양한 나노 형상을 가지는 물질로 구성될 수 있고, 예를 들어 나노 입자(nanoparticle), 나노 와이어(nanowire), 나노 튜브(nanotube), 나노 로드(nanorod), 나노 월(nanowall), 나노 벨트(nanobelt) 및 나노 링(nanoring) 으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

이러한 나노 물질은 용해성 용매에 용해된 나노 물질 용액으로 구성될 수 있다. 용해성 용매는 물, 알콜 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있으며, 예컨대, 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 아세톤, 데트라하이드로퓨란, 톨루엔 또는 디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드, N,N-디메틸 포름아미드, 1-메틸-2-피롤리돈, 트리메틸 포스페이트 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다.

다만, 상술한 나노 물질 및 나노 물질 용액은 예시적인 것이며, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.

고분자 물질 및 고분자 물질로부터 형성된 고분자 나노 섬유는 다양한 고분자 물질을 포함할 수 있다.

예를 들어, 고분자 물질은 폴리비닐피롤리돈(PVP), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리메틸메스아크릴레이트(PMMA), 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리우레탄, 폴리에테르우레탄, 셀룰로오스 아세테이트, 셀룰로오스 아세테이트 부틸레이트, 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트, 폴리메틸아크릴레이트(PMA), 폴리비닐아세테이트 (PVAc), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리퍼퓨릴알콜(PPFA), 폴리스티렌, 폴리에틸렌 옥사이드(PEO), 폴리프로필렌옥사이드(PPO), 폴리카보네이트(PC), 폴리비닐클로라이드(PVC), 폴리카프로락톤, 폴리비닐풀루오라이드 및 폴리아마이드로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

또한, 고분자 물질은 상술한 물질의 공중합체를 포함할 수 있고, 예를 들어 폴리우레탄 공중합체, 폴리아크릴 공중합체, 폴리비닐아세테이트 공중합체, 폴리스티렌 공중합체, 폴리에틸렌옥사이드공중합체, 폴리프로필렌옥사이드 공중합체, 및 폴리비닐리덴 풀루오라이드 공중합체로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

이러한 고분자 물질은 용해성 용매에 용해된 고분자 물질 용액으로 구성될 수 있다. 용해성 용매는 물, 알콜 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있으며, 예컨대, 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 이소프로판올, 부탄올, 아세톤, 데트라하이드로퓨란, 톨루엔 또는 디메틸포름아미드, 디메틸설폭사이드, N,N-디메틸 포름아미드, 1-메틸-2-피롤리돈, 트리메틸 포스페이트 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다

다만, 상술한 고분자 물질 및 고분자 물질 용액은 예시적인 것이며, 본 발명의 기술적 사상이 이에 한정되는 것은 아니다.

단일 방사 공정에 따른 나노 발열 섬유 제조방법

도 9의 (a)의 단일 노즐 (20a) 을 사용하여 단일 방사가 수행되는 구체적인 공정은 다음과 같다.

먼저, 단일 노즐 (20a) 로부터 방사된 나노 발열 섬유 구조체 (50) 를 수집하기 위한 기판을 배치한다. 여기서 기판은, 도 8의 컬렉터 기판 (40) 이거나 또는 컬렉터 기판 (40) 상에 배치된 별개의 기판일 수 있다. 컬렉터 기판 (40) 과 별개의 기판인 경우, 기판은 도전성 물질을 포함하여 컬렉터 기판과 동일한 전압 상태를 가질 수 있다.

방사 용액 탱크 (10) 로부터 공급된 방사 용액을 기판 상에 전기 방사한다.

단일 방사 공정에서 사용되는 방사 용액은 상술한 나노 물질 용액일 수도 있고, 상술한 나노 물질 용액에 고분자 물질 용액이 혼합된 혼합 용액일 수도 있다. 방사 용액은 겔(gel) 상태일 수 있다.

전기 방사 시 인가되는 전압은 나노 물질의 종류, 고분자 물질의 종류, 기판의 종류 및 공정 환경 등에 따라 변화될 수 있음은 물론이고, 예컨대 약 100 V 내지 약 30000 V 의 범위일 수 있다.

전기 방사에 의해 형성된 나노 발열 섬유 구조체 (50) 는 기판 상에 안착하여, 서로 겹쳐져 연결되어 형성된 1차원, 2차원 또는 3차원 네트워크 구조체를 구성하도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 나노 발열 섬유 구조체 (50) 는 복수의 선형 형상의 구조들이 평행하게 서로 겹쳐져 연결되어 하나의 선형 형상으로 연결된 1차원 네트워크 구조체를 형성할 수도 있고, 복수의 선형 형상의 구조들이 소정의 각도를 가지도록 서로 겹쳐져 연결되어 하나의 평면 형상으로 연결된 2차원 네트워크 구조체를 형성할 수 있으며, 복수의 선형 형상의 구조들이 소정의 각도를 가지도록 서로 겹쳐져 연결되어 하나의 입체 형상으로 연결된 3차원 네트워크 구조체를 형성할 수 있다. 나아가, 나노 발열 섬유 구조체 (50) 는 소정의 패턴을 가지는 형상을 가질 수 있고, 예를 들어 그물망(mesh) 형상을 가지거나, 웹(web) 형상을 가지도록 배열될 수도 있다.

다음으로, 기판에 배열된 나노 발열 섬유 구조체 (50) 의 내부의 변형을 바로잡고 물질들이 균질하게 배치되도록 하기 위하여 어닐링 (annealing) 공정이 선택적으로 수행될 수 있다. 어닐링은 일정 온도 온도까지 가열했다가 서서히 식히는 열 처리 방식으로, 기설정된 온도 범위에서 나노 발열 섬유 구조체 (50) 를 적당히 가열함으로써 수행될 수 있다.

어닐링 공정에 의해 나노 발열 섬유 구조체 (50) 에 포함된 나노 물질 사이의 결합력을 증가시킴으로써, 나노 발열 섬유 구조체 (50) 가 도 7의 나노 발열 섬유 (F) 로 형성될 수 있다.

어닐링은 대기 중의 공기 분위기, 아르곤 가스나 질소 가스를 포함하는 불활성 분위기 또는 수소 가스를 포함하는 환원성 분위기에서 수행될 수 있다. 어닐링 공정은 선택적인 것으로 생략될 수도 있고 또는 여러 차례에 걸쳐 단계적으로 수행될 수도 있다.

단일 방사 후 코팅 공정에 따른 나노 발열 섬유 제조방법

도 9의 (a)의 단일 노즐 (20a) 을 사용하여 단일 방사 후 코팅이 수행되는 구체적인 공정은 다음과 같다.

먼저, 단일 노즐 (20a) 로부터 방사된 나노 발열 섬유 구조체 (50) 를 수집하기 위한 기판을 배치한다. 기판을 배치하는 단계는 상술한 ‘단일 방사 공정에 따른 나노 발열 섬유 제조방법’에서 과 동일하므로 중복된 설명은 생략한다.

방사 용액 탱크 (10) 로부터 공급된 방사 용액을 기판 상에 전기 방사한다.

단일 방사 후 코팅 공정에서 사용되는 방사 용액은 상술한 나노 물질 용액 및 고분자 물질 용액 중 선택된 하나의 용액일 수 있다. 방사 용액은 겔 gel) 상태일 수 있다.

‘단일 방사 공정에 따른 나노 발열 섬유 제조방법’에서 상술한 바와 같이, 전기 방사 시 인가되는 전압은 나노 물질의 종류, 고분자 물질의 종류, 기판의 종류 및 공정 환경 등에 따라 변화될 수 있음은 물론이고, 예컨대 약 100 V 내지 약 30000 V 의 범위일 수 있다.

다음으로, 방사된 나노 섬유 상에, 나노 물질 용액 및 고분자 물질 용액 중 전기 방사된 용액과 다른 하나의 용액을 스프레이 방사하여, 방사된 나노 섬유의 적어도 일부를 둘러싸도록 코팅층을 형성한다.

상술한 바와 같이, 전기 방사 장치를 사용하여 방사 용액의 점성, 용질과 용액의 종류 등의 물성에 따라, 인가되는 전압의 크기에 따라 스피닝 모드 또는 스프레이 모드로 방사를 수행할 수 있으므로, 스피닝 모드로 방사된 나노 섬유 상에 스프레이 모드로 코팅층을 형성함으로써 나노 물질 및 고분자 물질이 서로 다른 층을 형성하도록 구성된 이중의 나노 발열 섬유 구조체 (50) 를 제조할 수 있다.

예를 들어, 고분자 물질을 포함하는 고분자 섬유가 내측에 위치하고 나노 물질을 포함하는 코팅층이 고분자 섬유의 외측에서 둘러싸면서 위치하는 이중 구조로 형성될 수도 있고, 나노 물질을 포함하는 나노 섬유가 내측에 위치하고 고분자 물질을 포함하는 코팅층이 나노 섬유의 외측에서 둘러싸면서 위치하는 이중 구조로 형성될 수도 있다. 여기서, 코팅층은 방사된 나노 섬유를 완전히 둘러싸도록 형성될 수도 있고, 방사된 나노 섬유의 일부가 외부로 노출되도록 방사된 나노 섬유의 일부를 둘러싸도록 형성될 수도 있다.

단일 방사 후 코팅 의해 형성된 나노 발열 섬유 구조체 (50) 는 기판 상에 안착하여, 서로 겹쳐져 연결되어 형성된 1차원, 2차원 또는 3차원 네트워크 구조체를 구성하도록 배열될 수 있으며, 상술한 어닐링 공정에 의하여 나노 발열 섬유 구조체 (50) 는 약 수 ㎛ 내지 수백 ㎛ 범위의 길이의 나노 발열 섬유 (F) 로 형성될 수 있다.

한편, 이중층의 나노 발열 섬유 구조체 (50) 에, 선택적으로, 고분자 물질이 제거되도록 소결 (sintering) 공정이 수행될 수 있다. 소결 공정에 의하여 고분자 물질이 제거되면, 막대 타입 또는 중공 타입의 나노 발열 섬유가 제조될 수 있다.

즉, 고분자 물질이 나노 물질을 둘러싸도록 나노 발열 섬유 구조체 (50) 가 이중층 구조로 형성되는 경우, 고분자 물질을 소결하여 제거하면, 최종적으로 내부가 빈 중공의 형상으로 나노 발열 섬유 (F) 가 형성된다. 반대로 나노 물질이 고분자 물질을 둘러싸도록 나노 발열 섬유 구조체 (50) 가 이중층 구조로 형성되는 경우, 고분자 물질을 소결하에 제거하면, 최종적으로 막대 형상으로 나노 발열 섬유 (F) 가 형성된다.

고분자 물질을 제거하기 위한 소결 방식은 화학적 소결, 광 소결 및 열 소결 방식이 채용될 수 있다.

화학적 소결은 고분자 물질이 녹을 수 있는 유기 용매에 고분자 물질과 나노 물질이 이중층을 형성하고 있는 나노 발열 섬유 구조체 (50) 를 함침시킴으로써 고분자 물질을 녹여 내는 방식으로 소결하는 것을 의미한다.

여기서, 유기 용매는 고분자 물질을 용해할 수 있는 모든 종류의 용매를 포함할 수 있다. 유기 용매는 헥산과 같은 알칸족, 톨루엔과 같은 방향족, 디에틸 에테르와 같은 에테르족, 클로로포름과 같은 알킬 할라이드족, 에스테르족, 알데히드족, 케톤족, 아민족, 알코올족, 아미드족, 카르복실산족 및 물 등 다양한 물질을 포함할 수 있다. 유기 용매는, 예를들어 아세톤, 플로로알칸, 펜탄, 헥산, 2,2,4-트리케틸펜탄, 데칸, 시클로헥산, 시클로펜탄, 디이소부틸렌, 1-펜텐, 카본디설파이드, 카본테트라클로라이드, 1-클로로부탄, 1-클로로펜탄, 실렌, 디이소프로필에테르, 1-클로로프로판, 2-클로로프로판, 톨루엔, 틀로로벤젠, 벤젠, 브로모에탄, 디에틸 에테르, 디에틸 설파이드, 클로로포름, 디클로로메탄, 4-메틸-2-프로파논, 테트라하이드로퓨란, 1,2-디클로로에탄, 2-부타논, 1-니트로프로판, 1,4-디옥산, 에틸 아세테이트, 메틸 아세테이트, 1-펜타놀, 디메틸 설폭사이드, 아닐린, 디에틸아민, 니트로메탄, 아세토니트릴, 피리딘, 2-부톡시에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 에탄올, 메탄올, 에틸렌 글리콜 및 아세트 산으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

광 소결은 제논 램프 등을 이용하여 원하는 파장 영역 (또는 전 영역) 의 빛을 일정 에너지로 1초에서 수초 동안 조사함으로써, 빛을 이용하여 짧은 시간 동안 고분자 물질을 제거하고 나노 물질들의 네트워킹을 형성하는 방식을 의미한다.

광 소결 공정에서는 광펄스 (light pulse), 켜짐 시간, 꺼짐 시간, 전압 및 파장영역 등이 중요한 조절 변수로서, 이러한 변수 들의 최적화 과정을 거쳐 광 소결이 이루어지는 것이 바람직하다.

광 소결은 수초 내에 이루어질 수 있으므로 필요에 따라 여러 번 반복적으로 수행될 수도 있다.

열 소결은 고분자 물질이 녹는점 이상의 온도 범위로 나노 발열 섬유를 가열함으로써 고분자 물질을 녹여 내는 방식으로 소결하는 것을 의미한다.

예컨대, 500℃ 이상의 높은 온도에서 열 소결 하여 고분자 물질을 녹여내고 나노 물질들이 서로 네트워킹을 형성하도록 할 수 있다. 다만, 녹는 점이 낮은 일반 유리기판이나 플라스틱 기판을 사용하는 경우 고온으로 열 소결하는 공정을 이용할 수 없으므로, 열 소결 방식을 채택하는 경우 기판의 선택에 유의할 필요가 있다.

이중 방사 공정에 따른 나노 발열 섬유 제조방법

도 9의 (b)의 이중 노즐 (20b) 을 사용하여 이중 방사가 수행되는 구체적인 공정은 다음과 같다.

이중 노즐 (20b) 은 제1 방사 물질을 방사하는 제1 노즐 (21) 과, 제2 방사 물질을 방사하는 제2 노즐 (22) 을 포함할 수 있다. 제1 노즐 (21) 은 제1 방사 물질을 포함하는 제1 탱크 (11) 와 연결되고, 제2 노즐 (22) 은 제2 방사 물질을 포함하는 제2 탱크 (12) 와 연결된다. 이러한 이중 노즐 (20b) 은 제1 방사 물질과 제2 방사 물질이 서로 혼합하지 않은 상태에서 동시에 방사될 수 있도록 한다.

본 발명에서 이중 노즐 (20b) 은 제1 노즐 (21) 과 제1 노즐 (21) 을 둘러싸도록 형성된 제2 노즐 (22) 을 포함하여, 제1 노즐 (21) 과 제2 노즐 (22) 의 축이 일치하도록 구성된 동축 이중 구조의 노즐인 것으로 예시한다. 다만, 본 발명의 이중 노즐 (20b) 은 동축 이중 노즐에 한정되는 것은 아니고, 제1 노즐 (21) 과 제2 노즐 (22) 이 병렬적으로 배치된 이중 노즐 (20b) 일 수도 있고 그 밖의 다양한 형태의 이중 노즐로 변경될 수 있음은 물론이다.

먼저, 이중 노즐 (20b) 로부터 방사된 나노 발열 섬유 구조체 (50) 를 수집하기 위한 기판을 배치한다. 기판을 배치하는 단계는 상술한 ‘단일 방사 공정에 따른 나노 발열 섬유 제조방법’에서 과 동일하므로 중복된 설명은 생략한다.

제1 탱크 (11) 및 제2 탱크 (12) 로부터 공급된 제1 및 제2 방사 용액을 기판 상에 이중 전기 방사한다.

제1 방사 용액과 제2 방사 용액은 동시에 방사될 수 있고, 동일한 방사 길이를 가질 수 있다. 또한, 제2 방사 용액은 제1 방사 용액의 외측을 둘러싸서 방사될 수 있고, 제1 방사 용액은 제2 방사 용액에 둘러싸여 내부에 위치할 수 있다. 이에 따라, 기판에 수용되는 나노 발열 섬유 구조체 (50) 는 제1 방사 용액이 내부에 위치하고, 제2 방사 용액이 제1 방사 용액의 외측을 둘러싸는 이중층 구조를 가질 수 있다.

여기서, 제1 방사 용액이 나노 물질 용액이고 제2 방사 용액이 고분자 물질 용액일 수도 있고, 반대로 제2 방사 용액이 고분자 물질 용액이고 제2 방사 용액이 나노 물질 용액일 수도 있다. 제1 방사 용액과 제2 방사 용액의 종류는 상술한 바와 같이 본 발명의 전기 방사 공정에 따라 제조하고자 하는 나노 발열 섬유의 형태가 막대 타입 (rod type) 인지 중공 타입 (hollow type) 인지에 따라 선택될 수 있다.

동축 이중층 나노 발열 섬유 구조체 (50) 가 용이하게 형성되기 위하여는 제1 방사 용액과 제2 방사 용액이 서로 섞이지 않아야 하므로 다음과 같은 조건으로 방사가 수행되는 것이 바람직하다.

외측의 제2 방사 용액의 주입 및 방사 속도가 내측의 제1 방사 용액의 주입 및 방사 속도에 비하여 같거나 클 수 있다. 제1 방사 용액과 제2 방사 용액 중 적어도 어느 하나는 도전성을 가질 필요가 있으며, 제1 방사 용액과 제2 방사 용액의 증기압이 동일하거나 유사한 수준이어야 한다. 또한, 제1 방사 용액의 점성이 제2 방사 용액의 점성과 동일하거나 또는 더 커야 한다.

예컨대, 본 발명의 이중 방사 공정에서 제1 방사 용액의 주입 및 방사 속도가 0.1 ml/hour 내지 1.5 ml/hour 범위이고, 제2 방사 용액의 주입 및 방사 속도가 1.5 ml/hour 내지 3.5 ml/hour 범위일 수 있다. 다만, 이러한 주입 속도는 예시적인 것이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.

상술한 ‘이중 방사 공정에 따른 나노 발열 섬유 제조방법’에 따르면, 고분자 물질이 나노 물질을 둘러싸도록 또는 나노 물질이 고분자 물질을 둘러 싸도록 이중층 구조로 나노 발열 섬유 구조체 (50) 가 형성된다. 이중 방사된 나노 발열 섬유 구조체 (50) 는 기판 상에 안착하여, 서로 겹쳐져 연결되어 형성된 1차원, 2차원 또는 3차원 네트워크 구조체를 구성하도록 배열될 수 있으며, 상술한 어닐링 공정에 의하여 나노 발열 섬유 구조체 (50) 는 약 수 ㎛ 내지 수백 ㎛ 범위의 길이의 나노 발열 섬유 (F) 로 형성될 수 있다.

이렇게 형성된 이중층의 나노 발열 섬유 구조체 (50) 는 선택적으로 고분자 물질을 소결하는 공정에 의해 막대 타입 또는 중공 타입의 나노 발열 섬유 (F) 로 형성될 수 있다. 소결 공정은 상술한 ‘단일 방사 후 코팅 공정에 따른 나노 발열 섬유 제조방법’에 따른 소결 공정과 동일하므로, 중복된 설명은 생략하도록 한다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1000 … 스마트 발열 패드
100 … 발열 패드
110 … 기재
120 … 전극
130 … 발열층
131 … 나노 발열 섬유
140 … 보호층
150 … 원적외선층
160 … 단열층
170 … 외피
200 … 발열 제어 장치
210 … 버튼
220 … 온도확인부
300 … 어플리케이션
1 … 전기 방사 장치
10 … 방사 용액 탱크
11 … 제1 탱크
12 … 제2 탱크
20 … 방사 노즐
20a … 단일 노즐
20b … 이중 노즐
21 … 제1 노즐
22 … 제2 노즐
30 … 외부 전원
40 … 컬렉터 기판
50 … 나노 발열 섬유 구조체

Claims (7)

1. 기재의 적어도 일부의 영역에 금속 나노 물질을 포함하는 방사 물질이 전기 방사 (electrospinning) 되어 형성되는 발열층을 포함하고, 상기 발열층과 전기적으로 연결되는 전극을 포함하는 발열 패드; 및
   상기 전극으로 전원을 공급하여 상기 발열층의 온도를 제어하고, 상기 발열 패드의 제어 상태를 디스플레이 하도록 구성된 발열 제어 장치; 를 포함하는 것을 특징으로 하는, 스마트 발열 패드.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 발열 제어 장치는,
   외부 단말기로부터 상기 발열 패드를 제어하도록 하는 제어 정보를 무선으로 수신하고, 상기 제어 정보에 기초하여 상기 발열층의 발열을 조절하고,
   상기 제어 정보는, 상기 발열체의 온도, 예약시간, 걸음수 측정 데이터, 알람 설정 데이터, 배터리 잔량, 타이머 설정 시간 및 전원의 온오프 정보 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 스마트 발열 패드.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 발열층은, 상기 방사 물질이 전기 방사되어 형성된 복수의 나노 발열 섬유가 서로 교차되는 지점에서 전기적으로 연결되어 네트워크를 이루도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 스마트 발열 패드.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 발열 패드는,
   상기 발열층을 덮도록 형성되는 보호층 및 상기 보호층을 덮도록 형성되는 단열층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 스마트 발열 패드.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 발열 패드는,
   상기 발열층으로부터 전도되는 열에 의해 원적외선을 방출하도록 구성된 원적외선층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 스마트 발열 패드.
6. 제1항에 있어서,
   상기 금속 나노 물질은,
   은 나노 입자 (Ag nanoparticles) 인 것을 특징으로 하는, 스마트 발열 패드.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 발열층은,
   상기 방사 물질이 이중 전기 방사 (co-electrospinning) 되어 형성되는 것을 특징으로 하는, 스마트 발열 패드.

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