TECH TRE - 공기대류구조시스템의 소프트온돌 침대
글·사진_(주)솔고바이오메디칼
HOT TECH에서는 최신 산업기술의 특성, 업계동향 및 향후전망 등을 살펴봅니다.
기술개발의 배경
일반적으로 온열(전기)매트/침대류는 겨울철에 가정용 온열을 위해 사용하나 최근에는 전위 기능, 음이온, 원적외선 기능 등을 추가하여 건강 보조용 및 의료용 기구로도 사용하고 있다.
그러나 김치와 더불어 한류 산업으로서의 가치가 큰 온돌산업분야는 실질적으로 세계화하는 데 한계를 가지고 있다.
그 이유는 바로 국부과열 및 화재의 기술적인 문제와 편안한 잠자리가 될 수 없는 딱딱한 돌, 흙, 장판 등의 소재의 한계 때문이다.
이러한 국부 과열 및 화재, 딱딱한 소재와 디자인의 한계는 바로 고정저항체인 금속발열, 면상발열체의 기술적인 한계에서 비롯되고 있다.
그리하여 한국의 전통 온돌문화를 돌침대, 흙침대와 같이 딱딱한 소재가 아닌 부드러운 쿠션감의 매트리스에 따뜻한 온열기능을
구현해내게 되었다.
소프트온돌 침대는 독립스프링매트리스에 흙침대, 돌침대의 장점과 기능이 결합된 ‘3 in 1 시스템’이다.
이 침대는 숙면매트리스로 7존 독립스프링 시스템에 SR 발열체와 신체 압력을 흡수, 분산 하도록 고안된 신소재 3D 에어쿠션을 장착, 사계절 내내 숙면에 도움되는 건강온도 37℃를 유지함은 물론 따뜻함을 제공한다.
3차원 입체에어쿠션과 고밀도의 메모리폼 사이에 가변저항의 SR발열체(Self-Regulating Heating System)를 내장시킨 공기대류구조시스템(특허등록101-4285150-000)으로 여름에는 시원한 공기층, 겨울에는 따뜻한 공기층이 자연 순환한다.
소프트온돌시스템은 SR발열체 내열성과 내구성이 우수한 메모리폼에 장착하여 고온의 발열시에도 고탄성을 유지하고 장기간 사용시에도 원형을 그대로 복원한다.
SR발열체 위에 장착된 3D에어쿠션으로 인해 발열체가 피부에 직접 접촉되지 않고 촘촘한 3차원입체 그물망층으로 온열이 대류, 복사 투과되어 온기는 부드럽게, 전기세는 절약되는 시스템이다.
소프트온돌시스템의 핵심기술
1. 공기대류시스템
90%의 공기층이 입체적으로 짜여진 신소재 3D에어쿠션에 SR발열체가 장착되어 여름에는 시원한 공기가 겨울에는 따뜻한 공기가 대류, 순환되는 시스템으로 침대 내부 공기를 순환시킨다.
2. 자기제어시스템
카본성분체인 SR발열시스템은 가변저항시스템으로 설정온도에 도달하면 스스로 전기를 차단하여 화재로부터 안전하고 유해전자파가 없으며, 고정저항체인 금속열선대비하여 40% 전기세가 절감되는 특허기술이다.
3. 체중분산시스템
1차로 3D에어쿠션의 입체구조망이 신체 압력과 충격을 흡수, 분산시켜주며 2차로 독립스프링이 인체의 곡선에 따라 7개의 구역을 나누어 체중을 받쳐주어 복원력과 편안함을 제공하는 시스템이다.
온열매트/침대의 발열기술 특허
보온과 난방을 위하여 널리 이용되는 온열매트/온열침대류는 통상적으로 전력 인가에 따른 열을 발생시키는 발열체, 발열체를 둘러싸거나 발열체의 상하부에 부착되는 단열재, 단열재의 외부에 형성되는 피복층으로 이루어진다.
이때, 상기 발열체로부터 발열된 열은 일부분이 단열재를 통하여 피복층으로 직접 복사되고 열의 대부분은 피복층으로 전도됨으로써 온열효과를 발생시킨다.
그런데, 이러한 열의 복사 또는 전도 방식으로의 열전달 방식은 발열체가 단열재와 피복층에 매립된 구조를 가지기 때문에 발열체 부근만이 국부적으로 가열될 우려가 있으며, 심한 경우 화재 사고를 일으킬 수도 있다.
또한, 열전도 방식으로 열전달이 이루어지기때문에 매트의 전 영역 중에는 발열체와의 거리가 멀면 멀수록 온열온도가 감소되는 단점도 상존하고 있다.
또한 시중 대부분의 온열매트/침대에 사용되는 발열부는 90%이상이 금속발열선(금속저항선)을 이용하고 있으며 금속 저항선을 감싸고 있는 절연피복재료는 실리콘, PVC 또는 나일론 등을 사용한다.
온도조절방식은 크게 온도감지방식과 제어 소자 그리고 출력제어방식에 따라 구분된다.
이러한 발열체 방식은 시간이 흐르면서 국부 과열로 인한 화재로 연결되기 쉽다.
내열성이 높은 테프론 코팅이나 실리콘 코팅 절연선일지라도 국부과열로 인한 화재나 화상을 방지할 수 없는 기술적 한계를 가지고 있다.
그리고 금속 발열체에 비해 좀더 안정적이고 고른 열 분포를 갖는 면상 발열체는 반복되는 가열 냉각의 환경에 의해 쉽게 저항값이 변하는 특성을 가지고 있어 수명이 짧고 국부과열에 의한 화재의 위험과 잦은 고장으로부터 자유롭지 못하다.
현재 온열매트(침대)제조업계의 90%이상이 금속발열선(고정 저항)을 채택하고 있고 센싱(열감지)방법으로는 나일론 써미스터에 의한 위상제어방식을 채택하고 있다.
이 방식은 시간이 흐르면서 국부 과열로 인한 화재로 연결된다.
이러한 금속열선과 면상발열체의 화재 위험성이 딱딱한 온돌침대나 저가의 전기장판 시장을 형성시켜온 주요 원인이며 부드럽고 편안한 잠자리를 선호하는 세계시장에 진출하지 못하는 가장 큰 이유이기도 하다.
소프트온돌 침대는 발열체의 차이에서 구현되고 있다.
소프트온돌의 발열체는 전기매트나 돌침대 등에 사용되는 금속열선, 면상발열체가 아닌 자기감응발열시스템(Self – Regulating Heating System: SR)인 SR발열체이다.
이 자기감응발열체는 면상발열체와 마찬가지로 탄소 발열체를 사용하여 안정적인 발열을 가능하게 하며 10~15mm폭에 3~5mm 두께의 케이블형태로 우수한 내구성을 갖고 있다.
또한 온도가 상승하면 저항값도 비례해서 상승하며 설정된 최고온도에 도달하면 저항값도 무한대가 되어 전류가 흐르지 않는 원리다.
또한 탄소 발열체에 전류를 공급해주는 전선은 동일 평면상에 위치하며 반대방향으로 전류를 흘려주는 방식으로 그 자체가 무자계 열선을 이루어 2mG 미만의 자기장이 발생하므로 인체에 안전하다.
따라서 이 자기감응발열체는 금속발열체나 면상발열체 등의 기술적 한계인 과열, 전자파 등의 안전성과 내구성 등을 완전히 해결해 준다.
이 기술은 PTC(Positive Temperature Coefficient Thermistor)발열체로 개발되어 정유회사에서 송유관 파이프 히팅에 사용되고 있어 과열방지 등의 안전성 면에서 세계적으로 검증이 된 상태이다.
SR발열체와 3D에어쿠션을 결합한 소프트온돌시스템은 종래의 온열매트에 있어서의 열전달 방식인 복사와 전도 현상을 이용하면서도 매트의 내부에 발열체에서 발생된 열의 공기대류구조를 형성함으로써, 열의 전달이 복사 및 전도뿐만 아니라 공기대류구조를 통한 대류방식에 의해서도 이루어지게 할 수 있는 온열매트의 구성을 제공한다.
이러한 통기성 구조체에 SR발열체외에도 금속, 면상 등 모든 발열체와 결합한 기술에 대해 핵심인 특허 2종을 취득하였다.
국내시장 동향과 전망
한국의 온돌은 세계적으로 매우 이상적인 난방문화이다.
밥을 지으면서 열기와 연기가 구들장을 달궈 바닥을 따뜻하게 달구는 난방방식은 건강에도 좋고, 난방과 취사를 동시에 할 수 있어 에너지 효율에도 매우 효과적인 방법이다.
게다가 달궈진 방안의 공기는 위로 오르는 성질이 있기 때문에 공기순환에도 좋다.
우즈베키스탄 같은 추운 지방에는 한국식 온돌을 설치한 아파트가 매우 큰 인기를 끌고 있다.
최근에는 미국, 유럽 등지에서도 온돌식 바닥난방이 성행하고 있다. 이러한 세계시장에서 무한한 상품가치가 있는 온돌은 그동안 전기매트, 돌침대/흙침대 등의 상품으로 개발되어 왔는데 고질적인 과열 및 화재의 위험성, 딱딱한 재질로 인해 푹신한 침대문화가 발달한 외국에서는 크게 인정받고 있지 못한 실정이다.
또한 온돌식 전기침대에 적용할 수 있는 국제표준이 없었기 때문에 제품의 안전성 및 성능에 대해 국제적으로 공인된 시험인증이 어려웠다.
이에 지난 2010년 10월 지식경제부 기술표준원(KTC)은 IEC(국제전기표준위원회)에 온돌식 전기침대 국제표준(안)을 추진하여 채택되었다고 발표한 바 있는데, 온돌침대가 국제 표준으로 확정되면 내수시장 확대와 더불어 중소기업의 수출경쟁력 향상에 큰 도움이 될 것으로 예상된다.01
국내에서는 전체 침대시장이 2014년 기준 9,500억원 규모이고 그 중에서 돌/흙 등 온돌침대 시장이 약 13% 비중을 차지하고 있다.02 또한 온열/온수매트 시장은 약 5,000억원 규모로 추산되고 있다.03
이러한 시장규모 속에서 온돌침대인 돌/흙침대 시장은 약 1,800억원 정도로 추산이 되고 있으며 약 70% 정도를 관련 대표기업이 점유하고 있다.
돌, 흙침대는 온열과 건강이라는 복합적인 요인으로 지난 2000년대 이후로 크게 성장해왔으나 최근 침대 구매고객층들이 젊어짐에 따라서 딱딱한 돌, 흙 소재의 선호도가 떨어지고 매트리스에 온풍이나 발열체를 넣은 온열침대가 새롭게 시장에 진출하고 있다.
딱딱한 소재가 아닌 부드러운 탄성의 매트리스를 선호하는 젊은 세대를 위한 새로운 온돌침대의 트렌드는 크게 온풍침대와 발열체를 내장한 온열매트리스로 이어지고 있다.
온풍침대는 일반 침대 매트리스에 Fan형태의 온풍기기를 내장하여 따뜻한 바람을 송풍하는 시스템의 침대이며 발열매트리스는 매트리스에 전기열선, 탄소발열(면상발열체) 등을 내장한 시스템으로 관련업계의 대기업 및 중소기업들이 새롭게 진출하고 있으며 소프트온돌침대도 이 유형에 속한다.
현재 소프트온돌 침대는 독립스프링침대와 돌침대, 흙침대, 온열매트의 장점을 가진 제품으로서 정통 침대 가구시장, 흙/돌침대 시장 및 온수/온열매트 시장에서 고객과 유통 업계에 새로운 상품 카테고리를 형성해 나갈 것으로 기대된다.
또한 온열기능뿐만 아니라 다양한 친환경 원단과 소재들로 건강기능성을 향상하고 매트리스와 온도조절기에 헬스케어 기능을 추가하여 스마트 헬스케어 침대로서의 연구가 진행될 것으로 전망된다.
01 2010년 10월 15일 조선일보 기사외 다수
02 한국가구통계자료. 조선비즈닷컴. 2014.4.21일자 기사참조
03 전자신문. 2014.10.07일자 기사참조