왼쪽부터 고승환 서울대 기계공학부 교수, 정영주?최준화 박사과정, 이진우 조지아 공과대학 박사

서울대학교 공과대학은 기계공학부 응용 나노 및 열공학 연구실 고승환 교수 연구팀이 수중에서 사용자의 필요에 따라 체온 조절과 자가 전력 생산이 가능한 전자 피부를 개발했다고 18일 밝혔다.

고승환 교수 연구팀은 이번 연구 개발을 통해 네오프렌 재질의 드라이 수트와 연결된 채 피부에 부착해 평상시에는 잠수부의 심전도, 자세, 위치(수심) 감지를 위한 자가 발전을 하고, 저체온증(hypothermia), 열 중증(hyperthermia)과 같이 체온에 이상이 있을 때는 체온 조절로 신체 항상성을 유지하도록 수중에서의 신체 활동을 돕는 새로운 전자 피부를 개발했다.

최근 심해 개발, 심해 군 작전과 대형 해상 사고로 심해 구조 작업 횟수가 많아지면서 오랜 시간 수중 작업을 해야 하는 상황이 자주 발생하고 있다. 수중은 대기보다 낮은 온도로 장시간 작업 시 작업자에게 저체온증 문제를 부를 수 있다. 네오프렌 재질의 두꺼운 잠수복은 종종 작업자의 열 중증 문제도 일으킬 수 있다. 안전하게 장시간 수중 작업을 하려면 작업자의 체온 유지와 함께 작업자의 생체 신호를 꾸준히 모니터링할 수 있어야 한다.

최근 소프트 전자기기 기술 발전은 다양한 수중 활동을 지원하기 위한 광범위한 응용을 가능하게 했다. 현재 수중에서의 전자 기기 전력 공급의 경우 주로 단단하고 부피가 큰 배터리 형태에 의존해왔기에 실질적인 수중에서의 신체 활동 혹은 수중 해군 작전을 지원할 경우 기술적 어려움이 있을 수밖에 없다. 이에 국내외 유수 연구진들은 신체의 움직임을 방해하지 않고, 자가 전력 생산이 가능한 웨어러블 소자 개발에 심혈을 기울여왔다.

고승환 교수 연구팀은 수중에서의 전력 생산을 위해 체온과 수온 간의 열 차이에 주목했다. 연구팀은 피부에 부착하는 신축성이 있고 부드러운 열전 소자 기반의 전자 피부를 개발했다. 열전 소자 기반의 전자 피부는 주변 해수와 잠수부의 신체 사이에서 발생하는 큰 온도 차이에서 전기 에너지를 생산하도록 한다. 동일 소자를 통해 냉각하거나 가열해 잠수부 체온을 일정하게 유지도 할 수 있다.

열전 소자는 열에너지와 전기 에너지를 변환하는 소자를 일컫는다. 즉 해당 소자는 온도 차이로 생기는 전위차에 의해 전류가 흐르거나(제베크 효과) 이와 반대로 인가하는 전류 방향에 따라 냉각과 가열이 가능하다(펠티에 효과).

수온과 체온 간의 온도 차이로 생산된 전력은 장기간 수중에서 활동하는 잠수부의 생체 신호를 감지하기 위한 지속적인 전력 공급책이다. 심전도 센서, 관성 센서(자세 측정용), 수압 센서(수심 측정용)를 통해 사용자의 현재 상태를 실시간으로 파악할 수 있다. 아울러 수중 전자 피부의 또 하나의 기능인 지속적인 냉각과 가열을 수행하기 위해 체온 조절 모드는 열전 소자에 방열판이 필수적으로 탑재돼야 한다. 주변 해수는 자연적인 무한 방열판 역할을 수행해 잠수부의 체온 조절을 쉽게 한다.

이런 수중 구조 플랫폼을 위한 전자 피부는 오랜 시간 지속되는 잠수부의 수난 구조 활동을 안전하게 보장할 것으로 기대된다.

연구진은 실제 수중 상황에서 자가 발전을 통해 생체 움직임과 관련된 신호를 감지했고, 다양한 열적 상황에서 체온도 일정하게 유지하는 것을 확인했다.

고승환 교수는 “이번 성과가 인간의 수중 활동을 용이하게 하기 위한 미래의 수중 전자 및 에너지 수확 기술 개발에 대한 귀중한 자산과 통찰력을 제공할 것으로 기대한다”며 “수중뿐만 아니라 다양한 극한 고온 및 저온 환경에도 작업자 안전성을 높이는 데 활용할 수 있을 것으로 예상한다”고 말했다.

연구 결과는 세계적으로 큰 주목을 받아 에너지 분야 저명 학술지인 ‘Nano Energy’ 저널에 2022년 1월 31일 온라인판에 게재됐다.

*논문: Soft multi-modal thermoelectric skin for dual functionality of underwater energy harvesting and thermoregulation

한편 이번 연구는 한국연구재단의 기초지원사업 중견연구자지원사업 및 선도연구센터 사업의 지원을 받았다.

김대성  keilbo@keilbo.com

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