KR20230000910U - 탄소나노섬유 직조 그래핀 텍스로 제작되는 보온신발 - Google Patents

Abstract

본 고안의 탄소나노섬유로 직조된 그래핀 텍스로 가온 되는 보온신발은 그래핀 텍스만 없었을 뿐 이미 일반 전선과 전열 장치로 제작되어 유통되고 있었으나 재질이 무겁고 내구성이 약하며 기존의 탄소섬유는 신발이 보행으로 굴곡을 만들면 단전되는 사유로 상품화가 어려웠으나 본 그래핀 텍스는 기존의 탄소섬유와 달리 둥근 섬유가 아니라 굴절로 단절되는 일이 없는 신제품으로 시중에 유통되기 시작하였다,
이러한 특성을 참작하여 심한 보행에도 탄소섬유가 굴절로 단절되지 아니하므로 이를 기존의 신발 재료와 신소재 그 레핀 텍스를 결합하여 합체 원단으로 제작하여 재단하여 신발 상체로 사용하면 신발 내면 안전하게 보온 되도록 보온신발로 제작하는 기법을 개발하고 이를 널리 보급하려는 새로운 보온신발에 관한 실용신안 출원에 관한 신발제조분야에 속하는 제조기술이다,
본 고안으로 인하여 그동안 보온신발로 인하여 보온에 관한 어려움을 해소하므로 추운 겨울철에 추운 곳에서 작업이나 전투를 하는 젊은이들에게 희소식이 되는 효과가 기대된다,
[색인어]
그래핀 텍스, 탄소 나노 섬유, 표층가죽, 내장 그래핀,
발등 부위, 보온신발, 굴곡 부위,

Description

탄소나노섬유 직조 그래핀 텍스로 제작되는 보온신발{The thermoelectric shoes to warm by the graphene texture as a carbon-nano-fiber to be woven}

본 고안의 '탄소나노섬유 직조 그래핀 텍스로 제작되는 보온신발'은 최근에 개발 중인 새로운 소재로 전 세계에서 자력으로 직조하는 것으로는 네 번째로 성공한 국내산이 상업화하므로 인한 여러 분야에 적용하고자 하는 미래 소재로 주목받는 첨단기술에 속하는 재료이며 이를 가장 착용하기 까다로운 신발용 내피 재료로 사용하여 주로 추운 곳에서 작업하거나 군인과 같이 보초를 서야 하는 이들에게 절실하게 필요한 보온신발로 제작하여 제공하려는 진전된 발명품을 실용화제품으로 응용하는 신발제작기술에 속하는 분야이다,

이러한 신발제품은 지금까지 그동안 많은 발전을 해 왔으나 최근에 탄소섬유가 나노(Nano) 화로 가공되면서 금속보다 인장강도가 강한 물성을 찾다가 최근에는 고분자보다 300배나 강한 막대형태의 탄소나노튜브를 실로 사출하여 흑연 시트 형태의 그래핀 텍스를 개발하였으므로 이들을 연결하여 배향 도가 높은 섬유로서 비틀림도 견디는 새로운 나노 형상의 탄소섬유가 개발되었다 하여 이를 이용하여 신발 바닥보다 발등에 보온한다면 비틀림이 심한 부위에 인장력도 높일 수 있게 되어 이를 신발 발등 부위로 제작하는 신발 분야의 제작기술에 속하는 분야이다,

본 기술을 배경으로 새롭게 고안하는 보온신발로 개발하게 된 동기는 그간 보온신발로 제작하기 위해 각종 모피를 신발 내측에 넣는 방법이나 전선을 배선시켜 전열 장치로 신발 내면을 데우는 방식 등이었으나 신발이란 특성은 습기가 차서 감전 위험도 크고 발에서 나는 땀으로 인한 냄새 등의 어려움이 많았는데 국산제품으로 국내에서 구할 수 있는 탄소 나노형 제품으로 직조된 시트형상의 텍스로 발등 외피 내면에 내장시켜 신발을 제작한다면 감전위험도 없이 소형배터리로 통전시켜 발열시킬 수 있어서 간편하게 보온할 수 있게 할 수 있기에 이를 배경으로 신발을 제작하는 기술로 발전시키는 것이다,

본 보온신발제작기술을 토대로 탄소 나노 화 제품을 더욱 많은 분야에 적용한다면 추운 날씨로 고생을 하는 젊은이들은 물론 주거환경이 여의치 않은 노년층에도 적용되므로 인하여 저가의 제품으로 신발은 물론 의복과 장갑과 모자까지 제작하여 공급도 가능한 제작기술로 제조됨으로 인해 향후 큰 발전을 이를 배경이기도 하다,

군화와 같이 장기간 착용해야 하는 경우 신발 바닥의 습기나 냄새 등을 제거하려면 신발바닥에 깔아 놓는 탈부착 인솔을 자주 갈아주어야 하는데 이는 이미 제작되어 유통되고 있으므로 이를 사용하면 습기와 냄새를 해소할 수 있어서 큰 문제가 되지 않고 또한 발바닥은 지면과의 마찰로 열기가 필요 없으며 단지 발등 위의 보온만이 문제가 되고 있다,

보온신발에 관한 기존 발명을 보면 국내 특허로는 자가발전 식 보온신발로서 제20-2002-0029576호(2002.09.30.)와 탈착 가능한 배터리 내장함을 구비 한 보온신발 제20-1999-0007456호(1999.05.04.)와 제10-2014-0037147호(2014.03.26)의 자체발열 신발과 제20-2001-0027909호(2001.09.11)의 탄소섬유를 이용한 발열 신발과 국내등록 특허 제10-1716614호(2017.03.14.)의 그래핀을 함유한 발열 신발 제조방법 및 그 제조방법에 따라 제조된 발열 신발과 일본 공개특허공보 특개 편09-276317호(1997.10.28.) 등이며 이와 유산한 기술들을 본 발명의 배경기술로 삼았다,

본 고안에서 해결할 과제는 과열에 대한 안전성인데 배터리를 사용하는 것은 물론 본 보온신발은 신발바닥이 아니라 신발 발등만 착용하는 것이므로 땀으로 인한 습기가 있다 해도 탄소섬유의 특성상 감전의 위험은 크다고 보기 어렵지만 그래도 이러한 습기를 고려하여 안전을 위한 대안 과제가 필수적으로 채택해야 한다,

보온신발로서 발등 부위를 내피와 외피로 구분하고 내피 및 외피 사이에 내장시키는 나노 화 된 탄소섬유로 직조하여 제작되어 시판되는 나노 화 탄소로 직조된 그래핀 시트를 사용하는데 기존의 탄소섬유는 인장력에 강하지만 그래핀 텍스는 비틀림에 강한 직물이라 신발 발등 부위는 인장력보다는 비틀림에 강해야 하니 안성맞춤이라 하겠으며 탄소섬유는 동선과 달라 감전위험이 낮으며 배선되는 배터리에서 탄소섬유 간의 전선은 안전하게 피복시켜 감전에 대한 우려를 불식시킬 과제도 채택하여 위험요소를 해소하여 해결되도록 해야 할 것이다,

본 고안에서 제안할 제작기술에 관한 과제는 위험요소를 사전에 파악하는 것인데 본 제품은 관찰하기 어려운 발등이라는 점에서 자칫 소홀히 할 수 있는 부위이므로 조그마한 위험요소라도 사전에 제한하여 규격화하고 비록 탄소섬유보다 더 강한 그래핀 텍스(Graphene textile)가 개발되어 전도율을 높임으로써 감전 위험은 늘 존재하므로 이에 대한 안전성에 대한 과제를 중점적으로 연구해야 하며 실질적으로 착용하여 장기간 시험을 통한 후 상품화과제를 해결수단으로 한다,

탄소섬유가 처음 알려진 것은 약 100년 전 T. A. 에디슨이 대나무 섬유를 탄화하여 전구의 필라멘트로 사용하기 시작한 때부터인데 공업적으로 제조되기 시작한 것은 1959년 셀룰로스계 섬유를 기초로 하여 생산한 것으로 한국에서는 1990년도에 한 산업체에 의해 처음으로 생산에 성공했으며 원료로는 셀룰로스, 아크릴섬유, 비닐론, 피치(pitch) 등이 쓰이는데, 원료에 따라 또는 처리 온도에 따라 분자 배열과 결정의 변화가 생기고 일반적으로 탄소의 육각 고리가 연이어 층상 격자를 형성한 구조로써 금속광택이 있고 검은색이나 회색을 띠고 있고 건강보조용 허리띠 제작에 사용되는 탄소섬유는 희색의 망사와 유사한 직물을 사용하고 있어서 이에 관한 연구도 과제로 택한다.

2004년 영국 학자 가임(Andre Geim)과 노보셀로프(Konstantin Novoselov) 연구팀이 상온에서 투명 테이프를 이용하여 흑연에서 그래핀을 떼어 내는 데 성공하였고, 그 공로로 이들은 2010년 노벨 물리학상을 받았으며, 그래핀(Graphene)이라는 것은 흑연 구조가 탄소들이 벌집 모양의 육각형 그물처럼 배열되어 흑연의 그래파이트(graphite)와 탄소이중결합의 접미사인 -ene을 결합해 만든 Graphene(그래핀)으로 불리는 새로운 제품이므로 계속 이어지는 후속연구에 따라 기능을 검증하는 과제도 필요하다,

이미 국내 기업에서 그래핀 사출 실로 직조된 직물로서 일명 그래핀-텍스 직물이 출시되고 있어서 이를 소재로 한 원단을 신발 발등 부위로 재단하여 좌우 분리 발등과 발등 중앙에서 만나는 분리 면을 신발 끈으로 묶고 뒤축을 형성하는 뒤꿈치 부위도 이미 출시된 자동복원 뒤꿈치 부위를 부착하여 뒤꿈치를 이루도록 하면 우수한 보온신발로 제작될 것이다

본 고안의 제품으로 인하여 그동안 직물제조가 없었던 그래핀 텍스에 관한 새로운 제품에 의하여 탄소섬유제품을 업그레이드시킬 수 있어서 다른 제품에도 적용하려는 개발 의욕에 의하여 더욱 많은 제품이 개발되게 되므로 인해 많은 분야에서 우수제품이 개발되는 데 도움을 주는 효과가 기대된다.

실제로 추운 곳에서 근무하는 산업 용사와 군인들에게 발바닥보다도 가장 참기 어려운 발등의 추위를 이길 수 있게 되어 근무하는 자나 근무를 명하는 자의 고충을 해결하는 효과가 가장 기대된다.

이처럼 그래핀-텍스로 불리는 나노 탄소 재질의 사출 원단으로 제작되는 보온신발의 장점인 것은 직류전기로 열 효과를 높이므로 첫째 높은 전기전도율과 둘째 높은 열 전도성과 셋째 높은 인장력으로 인하여 산업 전사용과 군인용으로 합당한 보온신발로 발바닥 부위에 동상 등의 피해 보호가 기대된다,

도 1은 본 발명의 그래핀 재료와 사용재료의 배열도,
<부호의 설명>
10 : 표층 가죽, 12 : 내장 그래핀,
14 : 내피직물, 16 : 발바닥인솔,
20 : 발등 부위, 22 : 발목 부위,
30 : 신발 하체, 32 : 신발 상체
40 : 가온 신발, 50 : 그래핀 텍스,
60 : 배터리 집, 62 : 스위치,

본 고안의 탄소나노섬유 직조 그래핀 텍스로 제작되는 보온신발은 신발용 외피를 가죽 또는 인조가죽 재료로 구매하여 재단한 표층 가죽(10)을 신발의 외피재료로 하고, 외피재료인 상기 표층 가죽(10)의 저면 인 내면에 부직포 또는 내피 직물(14)을 부착하기 전에 그래핀 텍스(50) 원단을 내장 그래핀(12)으로 가공하여 발등에 닿는 신발 내측이기에 부드러운 내피 직물(14)로 마감하기 전에 표층 가죽(10)의 내측 면에 내장 그래핀(12)을 부착하면 발등 부위와 뒤꿈치 부위와 발목 부위까지 전체부위를 단열재로 할 내피 직물(14)도 부착시켜 합체 원단으로 알맞게 재단하면 3겹을 이루는 신발 상체(32)가 제작되고 신발 하체(30)인 신발바닥만 제외한 신발 상체(32)가 모두 새로운 탄소섬유인 그래핀 텍스(50)가 내장되어 배터리 집(60)에 배터리를 담고 스위치(62)로 열을 전달할 수 있게 제작되는 것이다,

납작한 단면의 노즐로 사출한 그래핀 텍스(50)는 기존 원형 단면보다 전기전도성이 1.5배이고 단단함도 3.2배로 높아졌으며 납작한 만큼 쉽게 구부러져도 단선되는 부위가 없을 뿐만 아니라 교류가 아닌 직류전기라는 소형배터리에 의한 낮은 전류로도 온도를 높일 수 있어서 전자파 위험이 없이 신체의 말단부위인 발을 따뜻하게 할 수 있다,

그래핀 텍스(50)는 특수발명품이므로 시중에 나오기까지 시간이 소요되겠으나 실험까지 맞춘 제품이라 곧 시중에 유통될 것이지만 항공기의 소재로도 사용되어 귀할 수 있으나 일상생필품에 보급도 어렵지는 않을 것이다,

일반 탄소섬유로 제작된 발바닥용 발바닥인솔(16)은 이미 유통되고 있는데 습기가 차는 발바닥용 발바닥인솔(16)은 바람직하지 않고 발등 부위(20)에 그래핀 텍스(50)로 재단하여 제작되는 내장 그래핀(12)으로 표층 가죽(10) 배면에 부착하고 표층 가죽(10)에 부착된 내장 그래핀(12)의 바깥 면에는 내피 직물(14)로 덧씌워져 합체된 합체 원단 재료로 재단된 신발 상체(32)는 우측용과 좌측용으로 재단하고 발목 부위(22)까지 보온 되며 신발 하체(30)로 완성되는 가온 신발(40)로 봉제하면서 신발 끈으로 묶도록 신발 끈 부위를 형성시켜 가온 신발(40)을 제작하면 겨울철 실외활동을 하는 안전화 착용 근로자와 경찰 및 군인용으로 안성맞춤이 될 것이다,

탄소나노섬유로 제작되는 그래핀 텍스(50)를 구매하여 내장 그래핀(12)용으로 제작 확보하고 천연가죽이나 인조가죽으로 가공된 표층 가죽(10)도 확보하고 내피 직물(14)도 확보하여 이들을 층층으로 합체된 합체 원단으로 가공하여 발등 부위(20)에서 발목 부위(22)를 포함한 신발 상체(32)용을 제작할 재료로 준비한다.

22 발목 부위(22)와 발등 부위(20)를 포함하는 좌측용과 우측용 신발 상체(32)로 재단하여 신골에서 신발 윗면을 형성하고 좌측용 및 우측용 신발마다 보행에 지장을 주지 않게 바깥 편에 스위치(62)로 배터리로부터 전원을 공급받도록 배터리 집(60)과 스위치(62)를 부착한 후 별도로 제작되는 신발 하체(30)도 부착하여 안전화용이나 군화용 신발로 착용하는 보온신발(40)로 제작한다.

상기 가온 신발(40)은 겨울용이지만 여름에도 배터리만 사용하지 않으면 다른 신발로 바꿀 필요 없이 연중 착용해도 무방한데 내장 그래핀(12)의 가격이 비싸다는 것 보다는 중량이 가벼워 피로를 줄이면서 질긴 신발용이기 때문이다,

가온 신발(40)용 재료는 모두 여름용이나 겨울용이나 구분이 없이 재료들을 사용하고 있는데 단지 새로운 재료인 나노 탄소섬유로 개발된 그래핀 텍스(50)가 최근에 상품화되어 유통되고 있고 특히 직물이라기보다는 재단용 원단 시트로 상품화되어 차량 외장재 및 항공기 외장재 등으로 다양하게 사용되므로 다소 귀하기는 하나 원재료나 제조방법이 어렵지 않고 상품화되어 유통되고 있어서 관련기업을 통해 수소문 하여 구할 수 있었다,

구매한 그래핀 텍스(50) 사출 원단을 재단하여 내장 그래핀(12)으로 제작하고 내피 직물(14)을 표층 가죽(10)의 크기에 따라 재단하여 외측은 표층 가죽(10)을 바닥으로 배열하고, 배열된 위의 내측 위에 내장 그래핀(12)으로 깔고, 깔린 내장 그래핀(12)의 저면에 내피 직물(14)을 덮고, 봉합하여 합체 원단으로 가공한 한 후 발목 부위(22)에서 발등 부위(20)까지 수용하도록 재단하여 신발 상체(32)를 만들어 가온 신발(40)의 상층부위를 제작하였다,

신발 하체(30)도 별도로 신골을 사용하여 굽과 신발 하체(30) 부위로 제작하고 상기 보온신발(40)의 신발 상체(32)가 되는 발목 부위(22)와 발등 부위(20)로 제작할 때에 보행에 지장이 없도록 좌측용과 우측용 모두 보행에 지장을 주지 않도록 좌우용 신발 상체(62)에서 좌우 모두 외측에 스위치(62)와 상기 스위치(62)는 몰론 배터리 집(60)에서 가온 신발(40) 내면에 내장되는 그래핀(12)과 연결시키고 배터리 배선에 연결되는 스위치(62)로 개폐되도록 제작하여 부착한 후에 신골로 제작된 신발 하체(30)와 상하로 결합해 가온 신발(40)로 제작하여 본 고안에서 추구하는 탄소나노섬유 직조 그래핀 텍스로 제작되는 보온신발이 완성되었다.

Claims (1)

1. 그래핀 시트(50)로 제작되는 내장 그래핀(12)의 표면을 표층 가죽(10)으로 덮고 상기 내장 그래핀의 배면을 내피 직물(14)을 부착하여 제작되는 합체 원단과, 상기 합체 원단을 신발 부위별로 재단하여 봉제로 제작하는 신발 상체(32)에 별도로 제작되는 신발 하체(30)를 결합하여 완성되는 좌우 가온 신발(40)과,
   상기 가온 신발의 우측용은 상기 상체 우측 바깥 일 측에 스위치(62)를 부착하고 좌측용은 상기 가온 신발의 상체 좌측 바깥 일 측에 상기 스위치를 부착하고 각기 좌우 배터리 집(60)도 부착한 후 전선으로 좌우 상기 스위치와 연결하여 전원을 공급하면 상기 가온 신발의 발등과 발목이 보온 되는 것이 특징인 탄소나노섬유 직조 그래핀 텍스로 제작되는 보온신발

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