발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 금속 열선 발열체는 뻣뻣하여 신축성이 없고 반복적인 외력에 의해 단선될 위험이 있습니다.

• 열선이 부분적으로 절단되면 해당 부위의 저항이 급증하여 과도한 열이 발생하고 화재 위험성이 존재합니다.

• 직물 형태 발열체는 구조적으로 신축성이 있어도 발열체 자체가 늘어나지 않아, 표면 전체에 균일한 열전달이 어렵습니다.

• 신축 시 저항이 크게 변하면 회로 설계가 불안정해지고, 소비 전력이 감소하여 충분한 발열 효과를 내기 어렵습니다.

기술의 필요성

• 기존 기술의 유연성 부재 및 불균일 신축 문제를 해결할 수 있는 새로운 평면형 신축성 발열체가 필요합니다.

• 일부가 손상되어도 지속적으로 작동하며, 평면 전체에 균일한 열전달이 가능한 구조가 요구됩니다.

• 변형에도 저항 변화가 적어 회로적으로 안정적이고 지속적인 열전달이 가능한 기술이 필요합니다.

구현 방법

기술의 원리

• 신축성 기판을 미리 늘린 상태에서 유연한 전도층을 부착합니다.

• 그 위를 액체 상태의 신축성 물질로 덮고, 기판을 원래 길이로 복원시킨 후 굳힙니다.

• 이 과정에서 전도층에 미세한 주름 구조가 형성됩니다. 발열체를 다시 늘리면 이 주름이 펴지면서 구조적 안정성을 유지하고 저항 변화를 최소화합니다.

• 덮개 역할을 하는 신축성 물질층은 전도층을 외부로부터 보호하고, 주름끼리 맞닿아 발생하는 전기적 단락을 방지합니다.

구체적인 구현 방법

1. 신축성 기판(예: PDMS, Ecoflex)을 준비합니다.

2. 기판을 일정한 비율로 늘립니다.

3. 늘어난 기판 위에 유연한 전도층(예: 탄소나노튜브 시트)을 부착합니다.

4. 전도층 양 끝에 전극을 부착합니다.

5. 전도층 전체를 액체 상태의 신축성 물질로 덮습니다.

6. 기판을 원래 길이로 복원시킨 후, 덮여있는 액상 신축성 물질을 굳혀서 마감합니다.

기술의 장점

• 뛰어난 신축성: 길이 대비 최대 600%까지 늘어날 수 있습니다.

• 안정적인 저항: 크게 늘어나도 저항 변화가 100% 이내로 안정적이어서 회로적으로 안정된 성능을 보장합니다.

• 구조적 안정성 및 균일한 발열: 평면 형태의 구조로 열선 방식보다 구조적으로 안정적이며, 면 전체에 걸쳐 균일한 열을 전달합니다.

• 높은 내구성 및 기대 수명: 외력에 의한 파손 위험이 적어 기대 수명이 높습니다.

• 경량 및 저전력 구동: 기존 발열체보다 현저히 가볍고 낮은 구동 전압으로 작동하여 휴대용 및 웨어러블 기기에 최적화되어 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 발명에 따라 제작된 '평면형 신축성 전기저항 발열체'의 실제 발열 성능, 신축성에 따른 작동 안정성, 내구성 및 다양한 환경에서의 적용 가능성을 검증하는 것을 목적으로 합니다.

실험 방법 및 과정

1. Ecoflex 기판과 탄소나노튜브(CNT) 시트를 이용하여 발열체를 제작했습니다.

2. 전압(5V ~ 30V)을 단계적으로 인가하며 IR 카메라로 표면 온도 변화를 측정했습니다.

3. 스트레칭 지그를 이용해 발열체를 최대 250%까지 늘린 상태에서 온도 변화와 작동 안정성을 확인했습니다.

4. CNT 시트 층수(10, 40, 60, 100층)를 다르게 하여 제작한 발열체의 성능을 비교했습니다.

5. 물이 담긴 유리병, 냉동실의 얼음 등 실제 환경에 적용하여 발열 성능을 테스트했습니다.

실험 결과

실험 결과, 제작된 발열체는 뛰어난 신축성과 안정적인 발열 성능을 보였습니다. 30V의 전압 하에서 최대 250%까지 늘려도 안정적으로 작동했으며, CNT 시트 층수를 조절하여 발열량을 제어할 수 있음을 확인했습니다. 또한, 영하의 극한 환경에서도 효과적으로 열을 발생시키는 등 높은 실용성을 입증했습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 웨어러블 발열 의류: 자켓, 장갑, 양말 등 신체에 직접 착용하는 발열 제품

• 의료 및 헬스케어: 물리치료용 온열 찜질기, 재활 보조기기 등

• 산업 및 자동차 분야: 복잡한 형태의 배관 동파 방지, 자동차 시트 및 미러 서리 제거

• 휴대용 발열 장비: 배터리로 구동되는 방석, 담요 등 아웃도어 및 레저용 제품

기대효과

• 높은 신뢰성과 긴 수명으로 제품 경쟁력 강화

• 자유로운 변형이 가능하여 기존에 적용하기 어려웠던 다양한 분야로의 시장 확대

• 웨어러블 및 휴대용 발열 기기라는 새로운 시장 창출 및 선점

• 경량, 저전력 특성을 통해 사용자 편의성 극대화 및 친환경 기술로의 발전 가능성

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

신축성 발열 기술이 주로 적용되는 글로벌 스마트 의류 시장은 2021년 27.4억 달러 규모에서 연평균 26.8%의 높은 성장률을 보이며 2030년에는 180억 달러에 이를 것으로 전망됩니다. 또한, 글로벌 유연 발열체 시장은 2027년 20.5억 달러 규모로 성장이 예상되는 등, 관련 시장은 매우 밝은 전망을 보이고 있습니다.(출처: KEIT, KERI)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

스마트 발열 섬유 및 웨어러블 기기 시장은 대기업과 중소·벤처기업이 공존하며 성장하고 있습니다. 대기업은 스마트폰과 연계된 플랫폼을 기반으로 시장을 주도하고 있으며, 중소기업은 특정 용도에 특화된 틈새시장을 공략하며 다양한 사업 기회를 창출하고 있습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 전자기기 소형화 및 부품 단가 하락: 웨어러블 기기의 기술적 장벽이 낮아지고 생산 비용이 절감되고 있습니다.

2. 인구 고령화 및 건강 인식 증대: 의료 및 헬스케어 분야에서 개인 맞춤형 건강 관리 기기에 대한 수요가 급증하고 있습니다.

3. 웨어러블 제품 수요 증가: 산업의 초점이 스마트폰에서 차세대 웨어러블 기기로 빠르게 이동하며 시장 성장을 견인하고 있습니다.

4. 아웃도어·스포츠 시장 확대: 기능성을 갖춘 고성능 의류 및 장비에 대한 요구가 증가하고 있습니다. (출처: NH투자증권, Mordor Intelligence 등)