▲ (위)환경 안정성을 위한 비휘발성 이오노겔 전극을 활용한 고투명 고신축성 히터 / 극한 환경에서도 안정적으로 구동할 수 있는 환경 안정성을 확보하기 위해 비휘발성의 이온성 액체(1-Ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide)를 포함한 이오노겔 전극을 제작하였고, 이를 투명하고 신축성이 있는 히터로 응용하였다. 제작된 투명하고 신축성이 있는 히터는 늘리기, 비틀기, 구부리기 등의 다양한 기계적 변형에서 발열 성능이 안정적으로 유지될 수 있어 웨어러블 디바이스에 적합할 뿐 아니라, 고온다습 및 저온저습의 극한 환경에서도 안정적으로 구동이 가능하다. (아래) 고성능 투명 신축성 히터를 이용한 자율 열 조절 시스템의 개발 / 개발한 고성능 투명 신축성 히터를 주변 온도가 목표 온도 이하로 떨어졌을 때 자동으로 히터가 구동되는 자율 열 조절 시스템으로 도입하였다. 이를 웨어러블 히터, 스마트 온실, 차량용 유리 성에 방지 기술에 응용하여 환경 안정성을 포함한 개발한 히터의 실용성을 입증하였다.(그림 및 설명=한국기술교육대학교 배진우 교수, 최승은 석사과정, 오승주 박사과정)  © 특허뉴스

극저온·고온다습 등 가혹한 환경에서도 안정적으로 작동하는 차세대 발열 기술이 등장했다. 한국연구재단은 한국기술교육대학교 배진우 교수 연구팀이 고투명·고신축성·비휘발성 이오노겔 전극과 유전층을 결합해 저전압 구동의 신축성 투명 히터를 개발했다고 밝혔다.

스마트·웨어러블 전자기기의 확산으로 투명성과 신축성을 동시에 갖춘 히터의 수요는 급증하고 있다. 그러나 기존 수계 하이드로겔 전극 기반 유전 히터는 수분 증발·흡수 문제로 저온저습·고온다습 환경에서 성능이 급격히 저하되는 한계가 있었다. 연구팀은 이 문제의 해법으로 비휘발성 이온성 액체를 고정화한 이오노겔 전극과 고유전율 유전층을 설계하고, 두 층을 공유 결합해 구조적 안정성을 확보했다.

그 결과, 개발된 히터는 200V에서 80℃에 도달하며 기존 대비 구동 전압을 약 80% 절감했다. 또한 100V의 낮은 전압에서 40℃에 도달해 온열 치료용 웨어러블 히터로의 가능성도 확인했다. 무엇보다 4~80℃의 온도 범위와 10~80% 상대습도의 폭넓은 조건에서도 성능을 안정적으로 유지해, 환경 변화에 취약했던 하이드로겔 기반 기술과 명확한 차별성을 보였다.

연구팀은 여기에 자율 열 관리 시스템도 시연했다. 주변 온도가 설정값 아래로 떨어지면 히터가 자동으로 작동하는 플랫폼으로, 웨어러블 히터는 물론 스마트 온실, 차량 유리 성에 방지 시스템 등 다양한 응용으로 확장 가능하다. 투명성과 신축성을 유지하면서도 환경 안정성을 확보했다는 점에서 차세대 전자 시스템과 소프트 로보틱스 분야의 활용성도 크다.

배진우 교수는 “이오노겔 기반 접근으로 기존 하이드로겔 전극의 환경 안정성 한계를 넘어섰다”며 “현재 100V 수준인 구동 전압을 더 낮추기 위해 유전층 성능 개선에 집중해, 피부 접촉이 가능한 웨어러블 디바이스 등 실생활 적용 단계로 발전시키겠다”고 밝혔다.

이번 연구 성과는 재료 분야 국제학술지 Small에 2월 2일 출판됐다.

논문명은 A Non-volatile, Low-voltage, Stretchable Transparent Dielectric Heater for Real-world Autonomous Thermal Management Platform이다.