발열의류, 손난로 등 실생활에 유용한 제품 생산 가능해져

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

고려대학교 기계공학부 윤석구 교수팀은 고분자 나노섬유 제조 기술과 전기 도금기술을 이용해 그물 형태의 구리 섬유를 이용한 세계 최고의 수준의 고성능 유연 투명발열체를 개발했다고 10일 밝혔다.

이 투명 발열체를 활용할 경우 전기적·기계적 안정성이 높고 다양한 형태의 구조로 제작이 가능하여 온열치료용 의료기기 제작뿐만 아니라 투명 토스트기, 발열의류, 휴대용 난방기(손난로) 등 실생활에 유용한 제품 생산이 가능해진다.

이와 함께 수초 내로 유리에 형성된 결빙과 성에를 제거할 수 있어 자동차 유리, 대형 광고판 및 가로등 등에도 응용이 가능하다.

현재 발열 히터로 사용하는 재료로 CNT(carbon nano tube), 그래핀 등 나노탄소 소재가 가장 많이 사용되고 있다. 그러나 이 소재들은 유연성과 투과도가 낮은데다가 낮은 발열 효율의 단점을 지니고 있다. 반면에 은 나노와이어(AgNW)는 연성과 전기 전도성이 우수하고 지름이 수 나노미터(nm, 1미터의 10억분의 1) 수준으로 작아 고성능 투명 발열체 재료로 각광받고 있지만, 와이어간의 높은 접촉 저항에 따른 낮은 전기 전도성 및 은 나노와이어의 낮은 열내구성 등의 각종 문제점을 지니고 있는 것으로 드러났다.

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 하고 그물 형태의 구리섬유를 만든 다음 탄성이 우수한 고분자인 Silicon rubber(ECO flex)에 결합시켜 고신축성 투명 발열체를 개발하는 데 성공했다.

연구팀은 “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 확인됐다”고 설명했다.

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.

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