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2024년 12월 17일 (화) 03:18 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 수면 중 사용자의 열감에 따른 국부 자동 온도 제어 카본 전기 매트

영문 : Localized automatic temperature control carbon electric mat based on user’s heat sensitivity during sleep

과제 팀명

매트랩

지도교수

이동찬 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 20194300** 임*환(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 20194300** 구*모

서울시립대학교 기계정보공학과 20194300** 이*서

서울시립대학교 기계정보공학과 20194300** 하*규

서울시립대학교 기계정보공학과 20214300** 황*영

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 과제는 전기 열선을 통한 난방 매트에 관한 제품으로, 사람의 신체 부위에 따라 세 구역을 나누어 각각의 온도 조절을 가능하게 한다. 각 구역의 온도를 실시간으로 측정하여 수면 중 사용자의 온도 변화에 따라 최적의 온도를 제공할 수 있다. 수면 중 사용자의 수면 단계에 따라 목표 체온 또한 변화토록 하여 깊은 수면 단계의 시간을 늘릴 수 있다. 기상시간을 설정하여 온도 조절을 통한 알람 기능을 제공할 수 있다. 이를 통해 사용자의 수면의 질이 향상되어 정신적, 신체적 건강 역시 개선될 것으로 기대된다.

개발 과제의 배경

기온이 낮은 지방은 겨울의 대한민국을 포함하여 전세계적으로 다양하게 존재한다. 따라서 앞으로도 난방 시스템에 대한 수요는 사라지지 않고 계속해서 존재할 것이며, 다양한 난방 시스템 중에서도 특히 수요가 높은 전기매트의 경우는 추후에도 높은 수요를 가질 것이라고 추론할 수 있다. 그렇기 때문에 기존의 전기매트를 개량한다면 높은 상품성을 가질 수 있을 것이라고 판단하게 되어 전기매트의 개량이라는 개발 목표를 갖게 되었다.

현재 시중에는 다양한 전기매트가 존재하며 그 중에서는 부위 별로 다른 온도를 갖도록 하는 전기매트 역시 존재한다. 그러나, 이러한 부위 별 온도 조절 기능을 갖는 기존 제품들은 자동이 아닌 수동적으로 사용자가 직접 부위 별로 온도를 입력해주어야 한다는 단점을 지니고 있다.

따라서 우리 조는 이러한 기존 제품으로부터 영감을 받아 단순히 사용자가 부위 별로 온도를 입력하는 것이 아니라 사용자의 열감에 따라 자동으로 전기매트의 온도가 변화하는 시스템을 개발하고자 하며, 해당 제품을 이용하는 사용자에게 수면 중 최적의 온도를 제공함으로써 수면의 질을 향상시킬 수 있는 효과를 주고자 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

개발 과제의 목표

사용자의 신체의 부위 별 온도를 측정하여 사용자에게 최적의 온도를 제공할 수 있는 국부 자동 온도 제어 온수매트 시스템을 개발한다. 또한, 사용자가 더 편하게 설정을 조절할 수 있도록 온도 제어 어플리케이션을 개발한다.

개발 과제의 내용

구조 설계

크게는 머리, 가슴, 배 세 구역으로 나누어 온도의 조정을 달리하도록 설계하도록 한다. 나누어진 구역을 둘 혹은 세 부분으로 나누어 더욱 세부적인 분할을 도모할 수 있다. 총 3~9개 구역의 개별적인 조정을 위하여 온수를 구역별로 따로 공급하는 방식으로 설계함을 목표로 한다. 하나의 펌프에서 여러 갈래의 유로를 통해 온수가 매트로 공급되며, 온수 유로는 매트 구역마다 독립적으로 펌프에서 공급되고 나갈 수 있도록 분리되어 설계된다. 난방이 필요하다고 판단되는 구역에 맞추어 펌프에서 배출되는 온수의 유로가 열리고 닫히며 국부적 난방의 목적을 이룰 수 있도록 설계할 계획이다.

매트의 내부를 지나는 유로는 사람의 체중에 의해 가해지는 압력에 문제없이 작동될 수 있도록 구조적으로 안정되어야 하며, 이는 설계 단계에서 가능한 구조해석 시뮬레이션을 통해 도움을 받을 수 있을 것으로 예상된다. 매트 내부의 유로는 구역 내의 고른 온도 분포와 난방 효율을 고려하여 온수가 어떻게 유입되고 지나갈 지 감안하여 설계해야 할 것이다. 이러한 고려사항 또한 유동해석 시뮬레이션을 통해 제작 이전 단계에서 가능한 검증을 거칠 예정이다.

제어시스템 설계

적외선 온도 센서를 구역별로 설치하여 해당 구역의 온도를 측정할 수 있도록 설계할 예정이며, 목표치 온도에 도달할 수 있도록 각 유로의 열리고 닫힘을 자동으로 제어할 수 있도록 시스템을 설계하도록 한다.

어플리케이션 개발

사용자의 편의를 증진시키기 위하여 온도의 설정을 쉽게 할 수 있도록 모바일 어플리케이션을 개발하도록 한다. 전체적인 시스템을 해당 어플리케이션을 통해 제어할 수 있도록 설계하는 것이 목표이며 개발을 진행하면서 굳이 어플리케이션이 필요하지 않다고 판단되면 해당 개발 단계는 보류하도록 한다.

결과 해석 및 보고

제작된 시제품을 통해 아래의 평가항목과 비중을 고려하여 완성 목표의 달성도를 평가하도록 한다. 설계과정 중 시행되었던 시뮬레이션 해석 결과와 실제 제품의 차이를 비교하여 설계 방식이 올바르게 고안되었는 지에 대한 평가를 자체적으로 실행하여 시제품의 완성도를 높일 수 있도록 노력한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전 세계적인 기술현황

1. 온열매트 종류

온열매트는 크게 전기매트와 온수매트, 카본 전기 매트로 나눌 수 있다.

흔히 개발된 순서대로 1세대 온열매트를 전기매트, 2세대 온열매트를 온수매트, 3세대 온열매트를 카본 전기매트라고 부른다. 그 중 전기매트는 전류가 흐를 때 저항으로 인해 발생하는 열을 이용해 따뜻해지는 원리를 이용한다. 온수매트는 전기 매트의 전자파 문제와 화재 위험성이 대두되어 개발된 온열매트로, 온수 보일러에서 물을 가열하고 매트 내부의 온수 호수에 물을 순환시켜 난방하는 원리를 이용한다.

카본 전기 매트는 전기 매트의 일종이나, 열선의 소재에만 탄소 소재가 사용된다는 점에서 전기 매트와 차이가 있다. 일반적인 전기매트에서 열을 내는 열선은 ‘발열선+절연체+온도감지선+피복’으로 구성된다. 이 중에서 기존 전기매트의 경우 피복의 소재로 PVC 또는 실리콘이 사용되는데, 탄소 전기매트의 경우 피복에 탄소함유 소재가 사용된다.

2. 전기매트 원리

카본매트의 원리는 전기매트의 작동 원리와 동일하다. 전기매트 내부에는 니크롬선과 같은 저항선이 포함되어 있는데, 전류가 이 저항선에 흐르면 저항선은 전기 에너지를 열 에너지로 변환한다. 이 현상을 줄의 법칙이라고 한다.

줄의 법칙은 위와 같은 식으로 표현된다. 이 식에 따르면, 열에너지 Q는 전류 I의 제곱에 비례하고, 저항 R과 시간t에 비례한다. 따라서, 전기매트의 저항선에 전류가 흐를 때 저항이 크고, 전류가 클수록 더 많은 열이 발생하게 된다.

전기저항 R은 위와 같은 식으로 구할 수 있다. 따라서, 저항선의 재료에 따라 저항률이 다르며, 저항선의 길이가 길고 단면적이 작을수록 저항이 증가하게 된다.

전기매트가 사용하는 전력 P는 전압과 전류를 이용해 계산할 수 있다. 전력은 다음과 같은 식으로 표현된다. 전기매트는 일정한 전압 V에서 전류 I가 흐를 때 일정한 전력을 소모하며, 이 전력이 줄의 법칙에 따라 열로 변환된다.

전기매트에서 발생한 열은 전도와 복사를 통해서 주변 환경으로 전달된다. 전기매트의 표면에서 발생한 열은 사용자나 공기 중으로 전달되어 난방 역할을 한다. 전도는 물체 간 접촉을 통해 열이 전달되는 방식이다. 전기매트는 사용자의 몸과 직접 접촉하기 때문에 주로 전도에 의해 열이 전달된다. 전도율은 위와 같은 식으로 계산된다. 이 식에 따르면, 열전도율이 높고 온도차가 클수록 열이 더 빠르게 전달된다.

복사는 물체가 전자기파를 통해 열을 방출하는 과정이다. 전기매트는 일정한 온도 이상으로 가열되면 복사를 통해 열을 방출하게 된다. 복사에 의한 열전달은 위와 같은 스테판-볼츠만 법칙을 따른다.

종합하면, 전기매트의 작동 과정은 전기매트에 전류가 흐르면서 저항선에서 열이 발생되고, 발생된 열이 전도와 복사로 사용자에게 전달되어 온도를 높이는 것이다. 또한 전기매트는 열을 효율적으로 유지하기 위해 온도 조절기를 사용해 사용자가 원하는 온도를 일정하게 유지한다.

특허조사 및 특허 전략 분석

1. 특허조사

(1) 전기매트의 열량 제어장치 및 제어방법

(2) 탄소 온열매트

(3) 수면 질을 높인 온열매트용 컨트롤러

(4) 발열 제품용 터치 타입 온도 제어 장치

기술 로드맵

특허 전략

1. 가열 영역 분할

매트의 영역을 사용자 2인을 상정한 좌우 2분할 시 각 사용자별 전체 영역의 평균 온도는 다르게 조절할 수 있지만, 각 사용자의 신체 부위별 국부 온도 제어는 불가능하다. 여러 연구를 통해 수면 중 각 신체부위별 쾌적함을 느끼는 최적의 온도가 다르다는 것이 발견되었으며, 이러한 신체부위별 최적의 온도는 수면의 질 향상에 직결된다고 밝혀졌다. 구체적으로는 하체의 온도가 상체보다 높을 경우 잠에 들기까지의 시간이 적게 소요되고 깊은 수면 단계의 비중이 증가하는 것으로 나타났다. 또한, 각 신체부위별 쾌적함을 느끼는 최적의 온도는 성별에 따라서도 다소 차이가 있는 것으로 나타났다. 이를 고려해, 사용자 1인을 고려했을 때 매트의 영역을 좌우 2분할이 아닌 상하로 3분할 하여 상체, 몸통, 하체 부분을 각각 다른 온도로 제어할 수 있는 것을 목표로 한다.

2. 수면 모드

연구를 통해 수면 도중 수면 직전보다 체온을 낮춰주면 수면의 질이 향상된다는 것이 밝혀졌다.기존 특허 (2)의 수면 모드의 경우 수면 기간 중 각 기간별로 온도를 다르게 제어한다는 점과 깊은 수면 단계에서 온도를 가장 낮게 제어한다는 점은 본 과제가 목표로 하는 것과 동일하나, 온도센서를 사용하지 않고 개루프 제어를 한다는 점에서 차이가 있다. 또한, 기존 특허의 경우는 영역 분할이 되어 있지 않아 각 영역별 수면 모드 적용이 불가능하다. 이를 각 신체부위별로 개별적으로 적용해 줄 수 있다면 추가적인 수면의 질 향상을 얻을 수 있을 것이기 때문에 영역분할에 따른 각 신체부위별 수면 모드 온도 제어를 목표로 한다.

3. 온도 조절 장치

현재 시중의 온도 조절 장치는 대부분 위와 같은 다이얼 조절 방식이며, 기존 특허 (4)의 경우에도 터치 방식이기는 하나, 기능면에서는 기존 온도 조절 장치와 큰 차이가 없다. 본 과제에서 목표로 하는 기능은 (1)기본 온도 조절 기능, (2)최적 온도 조절 기능, (3)단계별 온도 조절 기능, (4)기상 보조 기능이다. 따라서 직관성을 유지하면서 화면 전환이 가능하며 많은 기능을 포함하는 GUI 터치패널을 설계 및 제작하는 것을 목표로 한다. 또한 가능하다면 스마트폰으로 전기매트의 온도를 제어할 수 있도록 연동 어플까지 제작하는 것을 목표로 한다.

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

경쟁 제품 및 특징은 위와 같다. 시중에 개별 영역 분리 난방이 가능하며 각 영역별 수면 모드 적용이 가능한 제품은 존재하지 않는다. 두 가지 방법 중 한 가지 방법만 적용했을 경우에도 기존의 전기매트에 비해 수면의 질 향상 효과는 얻을 수 있지만, 두 가지 방법을 모두 적용할 경우 추가적인 수면의 질 향상 및 이에 따른 부가적인 정신적, 신체적 건강 등의 향상 효과를 누릴 수 있기에 시장 경쟁력이 충분하다고 판단했다. 또한, 어플로 원격 제어가 가능한 경우에도 아직 기본적으로 다이얼 온도 제어 방식을 채택하고 있기에, 터치 패널 조작 방식의 편리함 역시 경쟁력을 더해줄 것으로 예상된다.

마케팅 전략 제시

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1. 정밀 온도 제어 기술

개별 난방 기능과 온도 센서를 통해 각 구역의 온도를 세밀하게 조절할 수 있고, 이는 사용자 맞춤형 수면 환경을 제공한다.

2. 에너지 효율성

수면 도중 전기매트의 전체 영역을 동일한 온도로 유지하는 것이 아닌, 각 구역별 필요한 만큼만 열량을 공급함으로써 전기요금을 절감할 수 있다.

3. 수면의 질 향상

각 신체부위별, 수면 단계별 최적의 온도가 유지됨으로써 수면 깊이 향상 및 불면증 또는 수면 장애 개선이 가능하다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

1. 경제적 파급효과

슬리포노믹스란 수면(sleep)과 경제학(economics)의 합성어로, ‘숙면을 위한 소비’를 뜻한다. 한국수면산업협회에 따르면 국내 슬리포노믹스 시장은 2022년 3조원 규모로, 2011년 4800억원 규모에서 가파르게 성장했다. 이러한 성장세가 가파른 슬리포노믹스 시장에서 가치를 재조명 받는 제품 중 하나가 난방매트이다. 수면 시간 동안 피부에 직접 닿은 채로 오랜 시간을 사용하는 제품 특성과, 수면에 있어 온도가 가지는 중요성으로 인해 숙면에 있어 빼놓을 수 없는 제품으로 인식하는 소비자들이 늘어나고 있어서다. 위 사진과 표로부터 국내 온열매트 시장 전체 규모 및 카본매트의 점유율은 매년 15~20%의 지속적인 증가세를 보이고 있음을 알 수 있다. 또한 최근에는 중견 생활가전업체의 경쟁이 고급화 시장으로 확대되었다. 프리미엄 난방 매트 시장은 정확한 온도제어를 기반으로, 고객에게 차별화된 가치를 제공하는 동시에 더욱 건강한 수면을 돕는 제품으로 포지셔닝하기 위한 경쟁이 치열하다. 이러한 상황에서 수면의 질을 높이기 위한 다양한 기능이 있는 매트는 시장에 출시하기에 경쟁력이 충분할 것으로 예상된다.

2. 사회적 파급효과

(1) 사용자 건강 증진

본 제품을 사용할 경우, 적절한 온도가 수면에 긍정적인 영향을 미침으로써, 전반적인 건강 및 면역력/정신 건강 향상 효과를 얻을 수 있다.

(2) 환경 보호

에너지 절약형 난방 방식은 탄소 배출을 감소시키고 친환경적인 소비 문화를 촉진한다.

(3) 소비자 교육

소비자에게 적절한 난방 방법과 수면 환경의 중요성을 알리고 전반적인 생활 수준을 향상시킨다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

구성원 및 역할

추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

제품 요구사항

목적 계통도

설계 사양

1. 안전기준

사용자의 화상 위험 방지를 위해 최대온도를 섭씨 40도로 설정해 그 이상으로 온도가 상승할 경우 전원을 차단한다.

2. 구역 분할

구역을 나눌 예정인 3가지 부분 중 어느 곳을 더 중요하게 생각할지 판단해야 한다. 매트의 상단 구역이 사용자 신체부위의 어디까지 해당되도록 설계할지 기준을 갖고 설계할 필요가 있다. 예를 들어 매트 상단 구역을 사용자의 머리부터 날개뼈 부분까지 설정할 경우와 허리까지 설정할 경우 제어되는 온도의 범위가 바뀌게 되므로 사용 시 효과에 차이가 발생할 수 있다.

다양한 사람의 신체 크기에 잘 적용할 수 있는 기준을 가져야 한다. 상단, 중단, 하단 구역에 해당하는 남자와 여자의 신체 부위 차이가 크지 않아야 한다. 한국인 평균 키와 신체부위별 크기는 사이즈코리아에서 제공된 다음 그림에서 묘사된 바를 참고할 수 있다. 함께 제공되는 통계수치(ex. 남자 평균키 172.5cm, 여자 평균키 159.6cm)를 통해 고려하여 매트의 분할 구역을 설계할 수 있다.

아래 그림과 같이 수면 중 하체의 온도가 다른 신체부위보다 비교적 낮게 나타나므로 다른 구역에 비하여 하단 구역의 온도를 약 1~2도 가량 높게 설정한다.

3. 수면단계별 온도 제어

누워 있는 채로 깨어 있는 수면 이전의 구간(Sleep Onset Latency)은 사용자가 느끼는 온열감에 의해 그 시간이 짧아지므로 SOL 구간에서 온도를 높게 유지해야 한다. 구역 별 측정되는 온도의 +0~5도 사이의 목표온도를 설정하여 가열할 수 있다.

깊은 수면 중 심부온도는 깨어있을 때보다 하락하여 낮게 유지되므로 심부온도가 낮게 유지되는 시간을 늘리기 위해 SOL 구간 이후 매트의 온도를 약 2도 낮추도록 한다.

4. 온도 알람 기능

수면 이전 사용자가 설정한 기상시간 30분~1시간 이전 매트의 온도를 높이는 것으로 심부온도를 강제로 높여 깊은 수면에서 1차적으로 깰 수 있도록 한다. 얕은 수면에서 알람소리를 듣고 깬 사용자는 깊은 수면 상태에서 깼을 경우보다 상쾌한 기상을 경험할 수 있다. 기상시간 이전 가열 시점은 사용자가 직접 설정할 수 있다.