그래핀 시트를 구비한 발열 매트

그래핀 시트를 구비한 발열 매트 {GRAPHENE SHEET PROVIDED BY HEAT MAT}

본 발명은 그래핀 시트를 구비한 발열 매트에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 발열 매트에 포함된 그래핀 시트에 그래핀을 내장하여 발열선에서 생성되는 열 에너지를 최대한 빠르게 온도를 높이고, 사용자에게 열 에너지를 효율적으로 전달하는 그래핀 시트를 구비한 발열 매트에 관한 것이다.

일반적으로 전기 에너지를 활용하는 발열 매트는 주로 동정기에 많이 사용되는 물품으로, 외피와 내피 사이의 공간에 일정 두께의 덮개부를 형성하는 한편 쿠션층의 상측으로 발열선을 지그재그 형태로 배열하거나 면상 발열체를 깔아주며, 그 상측으로 전자파를 차단하는 전자파 차단부재를 추가 구성한다.

또한 발열 매트는 내피 쪽으로 인체의 접속이 이루어지게 하되 내피에는 원적외선과 근적외선 및 음이온을 방출하는 옥, 황토, 숫 등과 함께 토르마린이나 게르마늄 등을 설치함으로써 매트에 누운 신체의 체온을 높이는 동시에 원적외선과 음이온이 피부로 침투하여 근육 통증을 완화시키는 한편 혈행을 개선하고 있다.

이에 따라, 대한민국 등록실용신한 제20-0303193호 (이하 선행기술문헌1 이라함)에는 다기능 매트를 출원한 바가 있다.

이를 구체적으로 살펴보면, 다기능 매트는 도 1에 도시된 바와 같이, 내측으로 스폰지(50)와 견면(60) 및, 전열선(70)이 적층형성되고, 전열선(70) 사이에 온도를 감지토록 온도센서가 구비되는 매트에 있어서, 스폰지(50)와 견면(60) 및, 전열선(70)이 구비토록 내측에 소정공간을 갖고, 음전위를 발생시키는 음전위판(80)이 구비되며, 그 상부면으로 성형화되어 원적외선을 방사하는 방사체(11)가 장착토록 장착공간(13a)을 갖는 브라켓(13)이 복수개 설치되는 외피(10)와, 외피(10)의 외피에 승,하강에 의한 진동이 발생토록 외피(10)의 내측으로 좌,우측에 분할되어 설치되는 다수개의 솔레노이드(20)와, 외피(10) 내측의 소정위치에 다수개 설치되어 초장파를 발생토록 귄취형성되는 초장파코어(30)와, 전열선(70)과 솔레노이드(20) 및, 초장파코어(30)와 전기적으로 연결되 어 매트의 좌측과 우측이 분할 제어토록 구성되는 콘트롤로부(40)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그러나, 방식은 근본적으로 발열선이나 면상 발열체에 의한 발열로 인하여 인체의 온도를 높이게 되나, 원적외선과 음이온 방출물질에 의한 원적외선과 음이온이 인체의 내부에 깊숙이 침투하지 못하고, 표피층에만 그 효과가 전달되기 때문에 통증의 원인이 되는 근육의 피로를 풀어주는 못하며, 특히 원적외선과 음이온의 침투 시간이 오래 걸리는 한편 인체의 온도를 높이는 시간도 많이 걸리는 문제가 있었다.

이와 같이 기존 발열 매트에서는 발열선이나 면상 발열체에 전기 에너지를 공급하여 인체 온도를 상승시키게 되나 표피층에만 적용되며, 근본적인 혈행 개선과 근육 통증 완화 등의 효과가 미미하다.

종래의 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 그래핀(graphene)을 이용하여 발열 매트에 구성된 발열선을 이용하여 온열이 빠른 시간에 온도 상승과 동시에 사용자의 신체 깊숙한 지점까지 전달되어 통증을 완화하도록 구성된 그래핀 시트를 구비한 발열 매트를 제공함에 있다.

또한 본 발명의 목적은, 발열 매트 내부에 습기로 인한 곰팡이나 병원균이 발생하는것을 예방하고, 인체의 피부와 접촉하는 표면에 땀이 차거나 진드기등이 서식하는 것을 방지하는 그래핀 시트를 구비한 발열 매트를 제공하는데 있다.

최상단부에 위치하고 사용자 신체와 접촉하며 상단부에 구성된 돌출부재를 포함하는 내피와, 최하단부에 위치하고 바닥을 이루는 외피와, 상기 내피와 상기 외피 사이에 위치하고, 쿠션력을 제공하는 쿠션재와, 상기 쿠션재 위에 설치되고 발열이 이루어지는 발열선과, 상기 발열선의 상부에 구성되어 상기 발열선으로부터 발생되는 전자파를 차단하는 전자파 차단부재 및 상기 내피와 상기 전자파 차단부재 사이에 구성되며, 그래핀을 라미네이팅하여 삽입되며 상기 발열선에서 발열효과를 극대화 하는 그래핀 시트를 포함하는 패드부 및 상기 내피와 상기 외피 및 상기 패드부의 외부를 박음질과 같은 봉합수단을 이용하여 결속 및 봉합하는 마감수단을 포함하는 그래핀 시트를 구비한 발열 매트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 돌출부재는 토르마린 5~30%, 그래핀 파우더 1~10%, 수지 60~94%로 배합하여 스크린 또는 DOT코팅무늬로 구성되는 것을 포함하는 그래핀 시트를 구비한 발열 매트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 그래핀은 두께가 50㎛ 내지 80㎛를 갖는 것을 포함하는 그래핀 시트를 구비한 발열 매트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 그래핀은 총 중량에 있어서, 흑연 65 내지 90%, 바인더 9 내지 33%, DMF 0.5 내지 1.0%, 분산재 0.5 내지 1.0% 로 구성되는 것을 포함하는 그래핀 시트를 구비한 발열 매트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 그래핀은 쓰리롤밀로 인해 공정이 이루어지는 것을 포함하는 그래핀 시트를 구비한 발열 매트.

상술한 바와 같은 본 발명은, 그래핀(graphene)을 이용하여 발열 매트에 구성된 발열선을 이용하여 온열이 빠른 시간에 온도 상승과 동시에 사용자의 신체 깊숙한 지점까지 전달되어 통증을 완화할 수 있다.

또한 본 발명의 목적은, 발열 매트 내부에 습기로 인한 곰팡이나 병원균이 발생하는것을 예방하고, 인체의 피부와 접촉하는 표면에 땀이 차거나 진드기등이 서식하는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 종래 기술의 발열 매트 단면도,
도 2는 그래핀 시트를 구비한 발열 매트의 사시도,
도 3은 도 1의 부분 확대도,
도 4는 도 1의 측단면도,
도 5는 도 1의 분해사시도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의하여 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구 범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 종래 기술의 발열 매트 단면도, 도 2는 그래핀 시트를 구비한 발열 매트의 사시도, 도 3은 도 1의 부분 확대도, 도 4는 도 1의 측단면도, 도 5는 도 1의 분해사시도이다.

발열 매트(100)는 최상단부에 위치하고 사용자 신체와 접촉하는 내피(120)와, 최하단부에 위치하고 바닥을 이루는 외피(140)와, 발열 매트(100)의 주 구성요소인 패드부(160) 및, 내피(120)와 외피(140) 및 패드부(160)의 외부를 박음질과 같은 봉합수단을 이용하여 결속 및 봉합하는 마감수단(180)을 포함한다.

내피(120)는 일정한 넓이를 갖고 발열 시트(100)의 최상단부에 구성되고 사용자 신체의 일부와 접촉이 가능하며, 사용자 신체의 일부와 접촉이 가능하도록 표면이 매끄럽거나 인체에 무해한 천 또는 모직으로 구성된다.

또한 내피(120)는 상단부에 다수가 돌출되어 있는 돌출부재(122)를 포함한다.

돌출부재(122)는 지구상에 존재하는 광물 중에서 유일하게 영구적인 전기특성을 가지고 있는 토르마린(Tourmaline)과 화학조성이 탄소이고 결정구조가 육방정계(六方晶系)의 구성을 가지고 있는 흑연(Graphite ; 그라파이트)로 구성된다.

토르마린은 음이온과 미약전류, 원적외선을 생성하여 건강과 환경 쾌적을 향상시키는 물질로 알려져 있으며, 특히 토르마린에서 발생하는 음이온은 인간의 몸을 약 알칼리성 체질로 개선시키고, 노화의 원인이 되고 있는 산화 방지와 면역력을 높여주는 효과가 있는 것으로 널리 알려져 있다.

흑연은 육각형이 이어진 거대한 망상의 층이 약한 반데르 발스의 힘으로 결합하여 층상 구조를 형성하고 있과, 비늘상, 입상, 토상 결정, 금속 광택, 흑 내지 회색, 불투명, 줄 자국은 흑색. 유지상의 감촉이 있고 구부리기 쉬우며, 내열성, 내식성이 높고 전기 또는 열전도성이 양호하며 활성이 있다.

돌출부재(122)는 음이온 발생 물질 5~30%, 흑연 1~10%, 수지 60~94%로 배합하여 스크린 또는 DOT코팅무늬로 구성되며, 특히 흑연은 토르마린과 혼합되기 전에 파우더 및 가루로 치환하여 구성하는 것이 바람직하다.

여기서 음이온 발생 물질은 세라믹, 모나자이트, 귀양석, 히게리온, 게르마늄, 티타늄, 토르마린을 포함하고, 본 발명에서는 토르마린을 사용하여 돌출부재(122)를 구성되며, 수지는 천연수지 또는 합성수지를 사용하여 구성된다.

또한 돌출부재(122)는 내피(120)에 삽입함으로써 돌출부재(122)에 포함된 토르마린이 열 에너지를 포함하여 원적외선이나 음이온 등이 신체 깊숙히 침투하게 하며, 신체 온도를 상승시킴과 동시에 혈관에 흐르는 피의 흐름을 개선시켜 혈행 개선 효과가 있다.

외피(140)는 내피(120)와 동일한 넓이를 갖고 발열 시트(100)의 최하단부에 구성되며 내피(120)와 같은 재질로 구성되어 있다.

패드부(160)는 상기 내피(120)와 상기 외피(140) 사이에 구성되고, 사용자가 누웠을 경우 편안함을 제공하기 위해 쿠션력을 더해주는 쿠션재(161)와, 상기 쿠션재(161) 위에 설치되고 전기 에너지를 공급받아 발열이 이루어지는 발열선(163)과, 상기 발열선(163) 위에 위치하고 상기 발열선(163)에 의한 발열로 발생되는 전자파를 차단하는 전자파 차단부재(165) 및 상기 내피(120)와 상기 전자파 차단부재(165) 사이에 위치하고, 그래핀(168)을 라미네이팅하여 삽입되며 상기 발열선(163)에서 발열효과를 극대화 하는 그래핀 시트(167)를 포함한다.

쿠션재(161)는 외피(140)의 상단부에 구성되고, 일정한 두께로 구성되어 있으며, 사용자가 발열 매트(100)에 신체 접촉이 있을 때 편안히 누울 수 있도록 쿠션력을 제공한다.

또한 쿠션재(161)는 열 에너지를 보존하기 위해 목화, 양모, 명주, 오리털, 거위털, 폴리에스텔, 낙타털과 같은 솜으로 이루어질 수 있다.

이와 같이 쿠션재(161)는 일정한 두께를 갖고 쿠션력이 있는 것으로 설명하였으나, 이에 한정하는 것은 아니며 스프링과 같은 탄성력을 가진 탄성부재로 구현될 수 있음은 물론이다.

쿠션재(161)와 전자파 차단부재(165)사이에 구성되는 발열선(163)은 전기 에너지를 공급 받을 경우 발열이 이루어지게 되며, 면상 발열체를 사용하여도 무방하다.

또한 발열선(163) 공급 에너지가 발열온도를 감지하여 자동적으로 일정온도가 유지되도록 콘트롤러를 이용하여 전기 에너지의 공급이 이루어진다.

이러한 전기에너지는 콘트롤러로 공급하여 일정 온도를 유지토록 하는 기술과, 발열선을 지그재그 형태로 깔아주거나 면상 발열체를 사용하여 발열이 이루어진다.

전자파 차단부재(165)는 쿠션재(161)와 발열선(163)의 상단부에 구성되고, 발열선(163)이 전기 에너지에서 열 에너지로 치환 될 때 발생하는 전자파를 차단하는 기능을 수행하며 전자파가 사용자의 신체 일부분에 침투되지 않도록 보호한다.

또한 전자파 차단부재(165)는 일반 섬유에 니켈, 구리 등을 도금 처리하여 전자파로부터 신체를 보호해 주는 섬유로 구성될 수도 있다.

그래핀 시트(167)는 전자파 차단부재(165)와 내피(120) 사이에 구성되고, 방열성과 지지력을 갖게 하는 구성요소로서 금속 박막 또는 금속 메시(mesh)로 구성되어 있으며, 금속 박막과 금속 메시가 혼합 적층되어 구성될 수 있고, 열전도성을 갖는 모든 금속이 여기에 포함된다.

또한 그래핀 시트(167)는 전자파 차단부재(165)와 내피(120) 사이에 삽입되고, 라미네이팅시킨 그래핀(168)을 그래핀 시트(167)의 상단부에 끼워줌으로써 발열효과를 높이는 동시에 피부 깊숙이 열 에너지가 전달될 수 있도록 보정한다.

아울러 그래핀 시트(167)에 형성되는 금속은 특별히 한정하는 것은 아니지만 100W/mk 내지 300W/mk의 열전도를 가지는 금속으로부터 선택될 수 있다

또한 그래핀 시트(167)는 50㎛(마이크로미터) 내지 200㎛의 두께로 구성될 수 있으며, 50㎛미만인 경우 방열성과 지지력이 미약할 수 있고, 200㎛를 초과하는 경우 방열시트의 유연성이 떨여지며 가격 경쟁력 부분에서도 좋은 영향이 미치지 않을 수도 있다.

그래핀 시트(167)와 그래핀(168)은 서로 결합할 수 있는 결합부재가 포함되고, 결합부재는 접착성을 갖고 있는 모든 것을 포함하며, 주로 천연수지나 합성수지를 사용한다.

결합부재는 그래핀(167)과 같은 탄소소재로 결합을 하는 경우, 결합부재와 그래핀의 총 중량에 있어서, 10 내지 30 중량부로 구성된 패이스트의 방열 조성물이 라미네이팅 되어 형성 될 수 있다.

이때, 결합부재는 10중량부 미만이면 열전도가 미미할 수 있고, 30중량부초과이면 매우 많아 코팅성이 떨어지고 상대적으로 결합부재의 함량이 작아 결합력이 미약할 수 있다.

그래핀(168)은 연필심으로 쓰이는 흑연 즉 '그래파이트(graphite)'와 탄소이중결합을 가진 분자를 뜻하는 접미사 '-ene'를 결합하여 만든 용어이고, 탄소를 6각형의 벌집모양으로 층층이 쌓아올린 구조로 이루어져 있으며, 흑연에서 가장 얇게 한 겹을 떼어낸 것이다.

또한 탄소동소체(同素體)인 그래핀(168)은 탄소나노튜브, 풀러린(Fullerene)처럼 원자번호 6번인 탄소로 구성된 나노물질이고, 2차원 평면형태를 가지고 있으며, 두께는 0.2nm(1nm은 10억 분의 1m) 즉 100억 분의 2m 정도로 매우 얇으면서 물리적 또는·화학적 안정성도 높다.

또한 그래핀(168)은 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있으며, 강도는 강철보다 200배 이상 강하고, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높으며, 탄성이 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다.

아울러 그래핀(168)은 탄소나노튜브와 화학적 성질이 매우 비슷하고, 후공정을 통해 금속성과 반도체성을 분리할 수 있으나 탄소나노튜브보다 균일한 금속성을 갖고 있다.

그래핀(168)은 라미네이팅이 이루어지며, 라미네이팅은 그라비아(Gravure)코팅, 마이크로 그라비아(Micro Gravure) 코팅, 키스 그라비아(Kiss Gravure) 코팅, 슬롯 다이(Slot Die) 코팅, 블렉소 방법 및 오프셋 방법이 있으며, 본 발명에서는 그라비아(Gravure)코팅, 마이크로 그라비아(Micro Gravure) 코팅이 사용된다.

그래핀(168)은 총 중량에 있어서, 흑연 65 내지 90%, 바인더 9 내지 33%, DMF 0.5 내지 1.0%, 분산재 0.5 내지 1.0% 로 구성된다.

바인더는 페놀수지, 유리아수지, 에폭시수지 및 폴리우레탄수지를 포함하고, 본 발명에서는 폴리우레탄 수지를 사용된다.

분산재는 벤토나이트계, 퓸드실리카계, 제올라이트계, 폴리아크릴릭산염을 포함하고, 이중 하나를 선택하여 사용한다.

DMF는 다이메탈폼아마이드(dimethylformamide; DMF)라 하고, 폼산메틸과 다이메틸아민으로 합성하거나 다이메틸아민과 일산화탄소의 반응으로 합성하며, 주로 화학반응의 용매로 이용된다.

즉 그래핀(168)은 흑연, 바인더, DMF, 분산재가 주로 쓰이며 쓰리롤밀(Three Roll Mill)를 통해 공정된다.

쓰리롤밀은 밀링(Milling)과 믹싱(Mixing)의 효과를 동시에 얻을 수 있는 장비로 고점도의 페이스트를 3개의 각기 다른 회전수로 회전하는 롤러간의 간극을 통과시켜 미세간극을 이용해 분산과 분쇄를 한다.

또한 그래핀(168)은 발열 매트(100)에 구성될 때 두께를 30㎛ 내지 150㎛ 갖는 것이 바람직하며, 여기에 한정되는 것은 아니지만, 그래핀(168)의 두께가 30㎛ 미만인 경우 외력에 의한 균열이 생길 수 있고 열 에너지 방출 효율이 떨어질 수 있으며, 150㎛ 초과인 경우 그래핀 시트(167)의 유연성과 가격 경쟁력에서 떨어질 수 있으므로, 그래핀(168)의 두께는 50㎛ 내지 80㎛가 바람직하다.

마감수단(180)은 상기 내피(120)와 상기 외피(140) 및 상기 패드부(160)가 결합이 되도록 발열 패드(100)의 외부에 감싸서 결합되며 발열 패드(100)와 마감수단(180)의 중복된 부분에 박음질(181)하여 봉합이 이루어진다.

이때 마감수단(180)은 천 또는 합성섬유로 이루어 질 수 있음은 물론이다.

구체적으로 최하단부에 외피(140)가 위치하고 쿠션재(161), 발열선(163), 전자파 차단부재(165), 그래핀 시트(167), 그래핀(168), 내피(120) 순으로 위치하고, 그래핀 시트(167)와 그래핀(168)은 결합부재로 인해 결합되며, 발열 시트(100)의 구성요소들을 결합하기 위해 마감수단(180)으로 각 구성요소의 외부를 감싼 후 박음질(181)로 마감처리하여 고정한다.

여기서 박음질(181)은 내피(120)와 마감수단(180) 또는 외피(140)와 마감수단(180)에 박음질(181)은 물론이고, 외피(140)와 쿠션재(161), 쿠션재(161)와 그래핀 시트(167), 그래핀 시트(167)와 내피(120)에도 박음질(181)하여 발열 매트(100)의 구성요소가 일정한 평면 유지 및 이동 방지하는 기능을 수행한다.

박음질(181)은 실과 같은 결합수단을 사용하여 봉합할 수도 있고, 접착제를 사용하여 결합 할 수도 있으며, 접착제와 박음질(181) 동시에 사용하여 결합 할 수 있음은 물론이다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100 : 발열 매트 120 : 내피
122 : 돌출부재 140 : 외피
160 : 패드부 161 : 쿠션재
163 : 발열선 165 : 전자파 차단부재
167 : 그래핀 시트 168 : 그래핀
180 : 마감수단 181 : 박음질