국내 연구진, 수축·팽창 가능한 유연센서 기술 개발

최태우 기자 / 기사승인 : 2020-01-10 10:10:58
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무전원 센서로 자동 온도조절 가능한 박막형 냉각능 조절소자 구현
▲ 박막소자를 개발한 ETRI 연구진 (왼쪽 앞줄부터 시계 방향으로 임솔이 연구원, 김정훈 선임연구원, 우지용 선임연구원, 문승언 책임연구원) [사진=ETRI]
[IT비즈뉴스 최태우 기자] 국내 연구진이 피부의 주변 환경에 따라 수축과 팽창이 자유로운 박막을 개발했다. 해당 기술이 상용화되면 사람 피부의 땀샘처럼 유연한 박막형태로도 온도조절이 가능한 센서 개발이 가능해질 것으로 보인다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 사람의 피부 표면 온도와 비슷한 31도에서 온도가 낮으면 팽창해 구멍이 닫히고 높으면 자동으로 열려 열 방출을 전원 없이 조절이 가능한 방열소자 개발에 성공했다고 밝혔다.

연구진은 이번 성과의 핵심이 땀샘과 같이 유연한 박막 환경에서 온도에 따라 냉각을 조절한다는 점이라고 밝혔다.

연구진은 온도에 따라 물의 흡수량이 달라지는 온도 반응성 하이드로겔을 마치 ‘풍차’와 같은 모양으로 만들어 일정온도 보다 낮으면 물을 머금어 팽창해 닫히고 온도가 높게 되면 물을 배출해 수축하는 밸브를 만들었다.

방열소자의 크기는 3cm x 3cm 크기로 인공 땀샘 2만개가 집적돼 있으며 두께는 70㎛ 수준이다. 땀샘의 단위구조인 셀의 크기는 100㎛, 밸브는 20㎛다.

박막의 구조는 2개의 층으로 구분돼 위층은 프레임으로 단위구조 셀을 지지해 주는 역할을 한다. 아래층은 밸브구조로 제작돼 고분자간 결합을 통해 유연한 박막형태의 냉각 소자를 만들었다. 내부는 용매인 물로 채워지게 된다.

팽창수축을 반복하는 밸브는 사람의 땀샘 크기와 유사하게 설계됐다. 연구진은 밸브구조를 설계하는 기술과 기능을 갖추기 위해 밸브를 제작하는 기술로 국내외 특허출원을 해둔 상태다.

연구진은 구조 성능 입증을 위해 온도에 따른 증발량을 측정한 결과 기존 박막에 비해 저온에서 증발이 30% 가량 억제됨을 확인했다고 설명했다. 반복되는 실험에도 구조체는 일정한 성능을 유지하는 것을 확인하면서 인공땀샘으로의 기능도 입증했다.

밸브의 패턴은 반도체공정을 통해 만들어져 대면적화도 가능하다. 웨이퍼 위에 풍차모양의 밸브를 CAD를 통해 설계하고 반도체공정을 이용해 실리콘웨이퍼에 형상을 새긴 뒤 고분자 재료를 자외선 경화시켜 도장처럼 찍어서 제작했다고 설명했다.

연구진은 이와 같은 성과가 향후 스마트폰과 같은 유연전자 소자의 발열을 해결하는 방열 소자나 에너지 발전소자, 미세한 제어시스템(Actuator)에 활용될 것으로 보고 있다.

연구개발책임자이며 논문의 교신저자인 ETRI 신소재연구실 문승언 박사는 “향후 열전소자와 결합해 특정부위 약물투여, 인공피부와 같은 웨어러블 소자의 전원으로 발전시킬 계획”이라고 말했다.

이번 연구는 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업과 산업통상자원부 소재부품기술개발사업, ETRI 미래핵심도전 연구개발사업의 지원으로 진행됐다. 해당 논문은 ETRI ICT창의연구소의 김준수 연구원(하버드 대학교 박사과정)과 문승언 박사가 각각 1저자 및 교신저자로 참여했다.

연구 성과는 세계적 학술지 ‘어드벤스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 온라인판에 게재됐다.

 

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