요즘같은 한파에 딱 필요했네…'입을 수 있는' 차세대 히터 개발[과학을읽다]

극한 온·습도 환경서도 안정적 작동
국내연구진 '신축성 투명 유전 히터' 개발
이오노겔 전극 기반…기존 대비 전압 80% 절감
웨어러블·차량 응용 가능성 확인

극한 온·습도 환경에서도 안정적으로 작동하는 신축성 투명 히터 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 기존 하이드로겔 전극 기반 히터의 환경 안정성 한계를 극복하고, 웨어러블과 스마트 환경 제어 등 실생활 적용 가능성을 크게 넓혔다는 평가다.

한국연구재단(NRF)은 배진우 한국기술교육대학교(KOREATECH) 교수 연구팀이 비휘발성 이오노겔 전극과 고유전율 유전층을 결합한 '저전압 구동 신축성 투명 유전 히터'를 개발했다고 4일 밝혔다.

환경 안정성을 위한 비휘발성 이오노겔 전극을 활용한 고투명 고신축성 히터. 이온성 액체를 포함한 이오노겔 전극을 적용해 투명하고 신축성 있는 히터를 구현했다. 해당 히터는 늘림·비틀림·굽힘 등 기계적 변형과 고온다습·저온저습의 극한 환경에서도 발열 성능을 안정적으로 유지해 웨어러블 디바이스 적용 가능성을 확인했다. 연구팀 제공

하이드로겔 한계 넘은 이오노겔…혹서·혹한에도 성능 유지

최근 웨어러블·스마트 전자기기 수요가 증가하면서 신축성과 투명성을 동시에 갖춘 히터 기술의 중요성이 커지고 있다. 그러나 기존 수계 기반 하이드로겔 전극 유전 히터는 저온·저습 또는 고온·다습 환경에서 수분 증발과 흡수로 성능이 급격히 저하되는 문제가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 비휘발성 이온성 액체를 고분자 매트릭스에 고정한 이오노겔 전극과 고유전율 PVC 겔 유전층을 공유결합 방식으로 설계했다. 이를 통해 신축성·투명성·환경 안정성을 동시에 확보하는 데 성공했다.

개발된 히터는 200V의 전압에서 80℃에 도달했으며, 이는 기존 하이드로겔 전극 기반 히터 대비 약 80%의 전압 절감 효과에 해당한다. 또한 100V의 비교적 낮은 전압에서도 온열 치료에 적합한 40℃에 도달해 저전압 웨어러블 히터로의 구현 가능성도 확인했다.

고성능 투명 신축성 히터를 이용한 자율 열 조절 시스템의 개발. 개발한 투명 신축성 히터를 주변 온도에 따라 자동으로 작동하는 자율 열 조절 시스템에 적용해, 웨어러블 히터와 스마트 온실, 차량 유리 성에 방지 기술 등에서 실용성을 입증했다. 연구팀 제공

자율 열 관리 시스템까지 확장…웨어러블·차량·온실 시연

특히 이번 기술은 4~80℃의 온도 범위와 10~80% 상대습도에 이르는 가혹한 환경 조건에서도 성능 저하 없이 안정적으로 작동했다. 저온·저습, 고온·다습 환경에서 성능이 급격히 저하되던 기존 기술과는 뚜렷한 대비를 이룬다.

연구팀은 해당 히터를 기반으로 자율 열 관리 시스템도 구현했다. 주변 온도가 설정된 목표 온도 이하로 떨어질 경우 히터가 자동으로 작동하는 구조로, 웨어러블 온열 히터를 비롯해 스마트 온실, 차량 유리 성에 제거 시스템 등에서 성공적으로 시연했다.

배진우 교수는 "이번 연구는 하이드로겔 전극의 환경 안정성 한계를 이오노겔 기반 설계로 극복한 데 의미가 있다"며 "차세대 헬스케어, 투명·신축 전자 시스템, 소프트 로보틱스 등 다양한 실생활 분야에 적용될 수 있을 것"이라고 말했다. 이어 "현재는 피부 직접 접촉용 웨어러블 적용을 위해 구동 전압을 추가로 낮추는 후속 연구를 진행 중"이라고 덧붙였다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구사업, 교육부의 4단계 BK21 사업 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 재료 분야 국제학술지 Small에 지난 2일 게재됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr