극한 추위·더위에도 끄떡없다… ‘늘어나는 투명 히터’ 개발

극한의 추위나 높은 습도 환경에서도 성능 저하 없이 열을 내는 차세대 ‘신축성 투명 히터’가 국내 연구진에 의해 개발됐다. 투명하고 잘 늘어나는 특성을 유지하면서도 환경 안정성을 확보해, 향후 웨어러블 기기나 자동차 유리의 성에 방지 시스템 등에 폭넓게 활용될 전망이다.

한국연구재단은 한국기술교육대학교 배진우 교수 연구팀이 고투명·고신축성 ‘이오노겔(Ionogel)’ 전극과 유전층을 활용해 극한 환경에서도 안정적으로 구동하는 저전압 투명 히터를 개발했다고 밝혔다.


수분 증발 없는 ‘이오노겔’로 내구성·효율 잡았다
최근 웨어러블 기기 시장이 커지면서 투명하면서도 유연한 히터 기술이 주목받고 있다. 기존에는 주로 물을 포함한 ‘하이드로겔’ 소재가 사용됐으나, 건조한 환경에서는 수분이 증발하고 습한 곳에서는 수분을 과도하게 흡수해 성능이 급격히 떨어지는 단점이 있었다. 또한 구동을 위해 1,000V 이상의 높은 전압이 필요하다는 점도 상용화의 걸림돌이었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘비휘발성 이오노겔 전극’에 주목했다. 이오노겔은 이온성 액체를 고분자 매트릭스에 고정화한 소재로, 열 안정성이 뛰어나고 전기가 잘 통한다. 연구팀은 이오노겔 전극과 고유전율을 가진 유전층을 공유 결합으로 단단히 연결해 투명도와 신축성, 환경 안정성을 동시에 확보하는 데 성공했다.


전압 낮추고 성능 높여… 극한 환경서도 ‘쌩쌩’
개발된 히터는 성능 면에서도 비약적인 발전을 이뤘다. 기존 하이드로겔 기반 히터 대비 구동 전압을 80%가량 낮췄으며, 200V의 전압에서 80℃까지 온도를 높일 수 있다. 온열 치료에 적합한 40℃ 도달에는 100V 전압이면 충분하다.

무엇보다 돋보이는 점은 내구성이다. 4~80℃의 넓은 온도 범위와 10~80%의 상대습도 조건에서도 성능 저하 없이 안정적으로 작동했다. 기존 히터가 저온·저습이나 고온·다습 환경에서 무용지물이 되던 것과 대조적이다. 물리적으로도 187%까지 늘어날 수 있으며, 90% 이상의 높은 투명도를 자랑한다.

“차세대 헬스케어·로봇 분야 핵심 기술 될 것”
연구팀은 이 기술을 활용해 주변 온도가 낮아지면 자동으로 작동하는 ‘자율 열 관리 시스템’을 시연했다. 이를 통해 스마트 온실의 온도 유지나 차량 유리의 성에 제거, 웨어러블 온열기 등 다양한 분야에 적용할 수 있음을 입증했다.

배진우 교수는 “기존 하이드로겔 전극의 환경 안정성 한계를 이오노겔 기반으로 극복했다는 데 의미가 있다”며 “앞으로 구동 전압을 더 낮춰 피부에 직접 부착하는 웨어러블 헬스케어 기기나 소프트 로보틱스 등으로 적용 범위를 넓혀갈 계획”이라고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단 등의 지원으로 수행된 연구 성과는 재료 분야 국제학술지 ‘스몰(Small)’에 2월 2일 게재됐다.