발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 온열 치료기는 재사용 시 물 중탕이나 전자레인지로 데워야 하는 번거로움이 있습니다.

• 온도 조절 기능이 없어 지속적인 사용에 어려움이 있고 장시간 사용 시 화상의 위험이 있습니다.

• 전기를 이용하는 경우, 신축성이 부족하여 관절과 같이 움직임이 많은 부위에 사용하기 불편합니다.

• 외부 전원을 연결해야 하므로 사용 공간이 제한적입니다.

기술의 필요성

• 저전력으로 구동 가능하면서도 유연성을 갖춘 새로운 발열 장치 개발이 필요합니다.

• 2차원 그물망 패턴을 적용하여 신축성을 극대화한 발열 장치를 통해 사용자의 활동성을 보장할 필요가 있습니다.

구현 방법

기술의 원리

• 본 발명은 은 나노와이어와 고무 물질을 혼합하여 만든 고무 발열체를 핵심으로 합니다.

• 고무 발열체, 상부 및 하부 절연체 모두 2차원의 그물망 패턴을 가지도록 설계하여 뛰어난 신축성을 구현합니다.

• 발열체와 동일한 패턴의 절연체를 상하부에 결합하여 전체 구조의 유연성을 유지하면서 안전성을 확보합니다.

구체적인 구현 방법

1. 미리 제작된 그물망 패턴의 몰드를 준비합니다.

2. 은 나노와이어와 고무 물질이 혼합된 용액을 몰드에 부어 경화시켜 고무 발열체를 제작합니다.

3. 동일한 몰드를 사용하여 고무 용액으로 상부측 고무 절연체와 하부측 고무 절연체를 제작합니다.

4. 몰드 위에 하부측 고무 절연체, 고무 발열체, 상부측 고무 절연체를 순서대로 쌓은 후 가열하여 접착함으로써 최종 유연한 발열 장치를 완성합니다.

기술의 장점

• 저전력 구동: 0.5V의 낮은 전압에서도 안정적인 발열이 가능합니다.

• 뛰어난 신축성: 그물망 패턴 구조를 통해 관절과 같이 움직임이 많은 부위에도 불편함 없이 적용할 수 있습니다.

• 공정 단순화: 몰드를 이용한 제조 방식으로 별도의 정렬(Align) 과정 없이 간단하게 대량 생산이 가능하여 생산성이 향상됩니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 실험은 개발된 유연한 발열 장치의 성능을 검증하는 데 목적이 있습니다. 특히 인가 전압에 따른 온도 변화 및 안정성, 그리고 발열 패턴의 조밀도(필 팩터)가 가열 특성에 미치는 영향을 평가하고자 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 폴리올 공법을 통해 직경 100nm, 길이 30µm의 은 나노와이어를 합성했습니다.

2. 합성된 은 나노와이어의 표면을 친유성 리간드로 개질하여 고무 물질과의 분산성을 높였습니다.

3. 표면 개질된 은 나노와이어와 SBS 고무를 혼합한 용액을 몰드에 부어 고무 발열체를 제작했습니다.

4. 동일한 방식으로 상/하부 고무 절연체를 제작한 후, 순서대로 적층하고 가열하여 최종 유연 발열 장치를 완성했습니다.

실험 결과

인가 전압에 따라 온도가 안정적으로 유지되었으며, 특히 0.5V의 저전압에서도 ON/OFF 특성이 빠르고 안정적으로 나타나는 것을 확인했습니다.

또한, 그물망 패턴의 조밀도(필 팩터)에 따른 가열 특성을 비교한 결과, 아래 표와 같이 높은 필 팩터를 가질수록 더 효율적인 열 전달 특성을 보이는 것을 확인했습니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 웨어러블 헬스케어 기기: 뛰어난 신축성을 바탕으로 무릎, 팔꿈치 등 관절 부위에 착용하는 온열 치료기로 활용 가능합니다.

• 스마트 의류: 의류에 직접 통합하여 추운 환경에서 체온을 유지해 주는 발열 의류로 개발할 수 있습니다.

• 재활 및 스포츠 의료: 근육 이완 및 혈액 순환 촉진을 위한 재활 보조 기구나 스포츠용 웜업 밴드로 응용 가능합니다.

기대효과

• 저전력 구동을 통해 배터리 사용 시간을 늘리고, 소형 배터리 적용이 가능해져 제품 경량화에 기여합니다.

• 신축성이 극대화된 구조로 사용자의 활동성을 보장하여 웨어러블 기기로서의 가치를 높입니다.

• 단순화된 공정으로 생산 비용을 절감하고, 높은 생산성을 통해 가격 경쟁력을 확보할 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

본 기술과 관련된 시장은 꾸준한 성장세를 보이고 있습니다. 특히 웨어러블 기기와의 융합을 통해 높은 성장이 기대됩니다.

• 글로벌 유연발열체 시장: 2019년 10.3억 달러에서 연평균 9.0% 성장하여 2027년 20.5억 달러에 달할 것으로 전망됩니다. (출처).

• 글로벌 웨어러블 의료기기 시장: 2023년 251억 4천만 달러에서 연평균 20.28%의 높은 성장률을 보이며 2029년 약 761억 1천만 달러에 이를 것으로 예상됩니다. (출처).

주요 플레이어 및 경쟁 환경

웨어러블 디바이스 시장은 삼성전자, Apple 등 글로벌 빅테크 기업들이 주도하고 있으며, 이들은 헬스케어 기능을 강화하며 시장을 확대하고 있습니다. 본 기술은 이러한 기업들의 제품에 핵심 발열 소재 기술로 공급될 잠재력을 가집니다.

웨어러블 디바이스 시장 주요 기업 동향

산업 동인 및 기회 요인

1. 만성질환 및 고령화 인구 증가: 지속적인 생체 모니터링 및 원격 헬스케어에 대한 수요가 증가하며 웨어러블 의료기기 시장 성장을 견인하고 있습니다. (출처).

2. 기술 발전과 혁신: AI 기술 통합, 센서 기술 고도화 등 혁신적인 기술 채택이 새로운 기능의 스마트 기기 개발을 촉진하고 있습니다. (출처).

3. 건강 관리 트렌드 확산: 건강한 생활 습관에 대한 인식이 높아지면서 피트니스 및 건강 지표를 추적하는 기능이 소비자들에게 큰 인기를 끌고 있습니다.