투명 토스트기, 입자마자 따듯한 발열의류, 식지않는 손난로 현실화 가능해져

300% 늘어나고 섭씨 300도 발열 가능한 3차원 유연 투명 소재 개발

 고려대 윤석구 교수팀 연구결과 NPG 아시아 머티리얼스 개재돼

▲ 왼쪽부터 제1저자 고려대 조홍석(박사과정) 연구원, 안성필(석·박사통합과정) 연구원, 교신저자 윤석구 기계공학부 교수

최근 국내 연구진의 주도하에 구리 섬유를 이용하여 300%까지 잡아 늘리고 섭씨 300도까지 발열 가능하며 3차원 구조의 형성이 가능한 투명 발열 히터를 개발돼 화제다.

고려대 기계공학부 윤석구 교수팀은 고분자 나노 섬유 제조 기술과 전기 도금기술을 이용하여 그물 형태의 구리 섬유를 이용한 세계 최고의 수준의 고성능 유연 투명발열체를 개발했다고 밝혔다. 이 투명 발열체는 전기적, 기계적 안정성이 높고, 다양한 형태의 구조로 제작이 가능하여 온열치료용 의료기기 제작뿐만 아니라 투명 토스트기, 발열의류, 휴대용 난방기(손난로) 등 실생활에 적용 가능하다. 또한 수초 내로 유리에 형성된 결빙과 성에를 제거할 수 있어 자동차 유리, 대형 광고판 및 가로등 등에 응용 가능할 수 있다고 설명했다.

발열 히터로 사용하는 재료로 CNT(carbon nano tube), 그래핀 등 나노탄소 소재가 가장 많이 사용되고 있으나, 유연성 및 투과도가 낮으며 낮은 발열 효율의 단점을 지니고 있다. 또한 은 나노와이어(AgNW)는 연성과 전기 전도성이 우수하고 지름이 수 나노미터(nm, 1미터의 10억분의 1) 수준으로 작아 고성능 투명 발열체 재료로 각광받고 있으나, 와이어간의 높은 접촉 저항에 따른 낮은 전기 전도성 및 은 나노와이어의 낮은 열내구성 등의 여러 문제점을 가지고 있다.

윤석구 연구팀은 인듐주석산화물 및 은 나노와이어의 단점을 극복하기 위해 지름 수 백 나노미터 크기(머리카락 굵기의 수백분의 1 수준)의 고분자 나노섬유를 제조한 후 이 나노섬유 표면에 구리 전기도금을 하여 그물 형태의 구리섬유 만든 다음 탄성이 우수한 고분자인 Silicon rubber(ECO flex)에 결합시켜 고신축성 투명 발열체를 개발했다.

이에 따라 구리 섬유 투명 발열체는 구리 고유의 우수한 전기 전도성에 그물 형태의 네트워크 구조가 더해져 현재 은 나노와이어 기술에 비해 수십 배 이상 전기 전도성이 우수하여 1.5V의 작은 전압을 인가하여 328도의 고온 발열과 인장 강도 300% 늘어나도 작동하는 우수한 성능이 확인 됐다고 연구팀은 밝혔다. 

윤석구 교수는 “본 투명 발열체는 곡률반경 1mm 이하로 구부릴 수 있을 뿐만 아니라 300%이상 늘려도 발열 성능을 유지할 수 있고 저전력 투명 발열체로서, 전기 히터 등의 가전제품 뿐 아니라 차세대 착용형 및 개인 열관리 분야에 활용할 수 있는 기술을 마련하게 됐다”고 밝혔다.

이 연구결과는 세계적인 권위의 네이처(Nature) 자매지인 NPG 아시아 머티리얼스(NPG Asia Materials)에 개재됐으며, 고려대 윤석구 교수가 교신(책임)저자로 고려대 조홍석(박사과정) 연구원과 안성필(석·박사통합과정) 연구원이 공동 제 1저자로 참여했다.