- 수중에서 체온 조절, 자가 발전 및 생체 신호 감지 기능 동시 구현
- 수중 작업자의 안전성을 높여 더 진보된 수중 작업 및 활동에 큰 기여 예상
- 수중 뿐만 아니라 다양한 극한 고온 및 저온 환경에 적용 가능 예상
▲ 서울대 기계공학부 고승환 교수, 정영주∙최준화 박사과정, 조지아 공과대학 이진우 박사
서울대학교 공과대학(학장 이병호)은 기계공학부 응용 나노 및 열공학 연구실 고승환 교수 연구팀이 수중에서 사용자의 필요에 따라 체온 조절과 자가 전력 생산이 가능한 전자 피부를 개발했다고 밝혔다.
최근 심해 개발, 심해 군작전 또는 대형 해상사고 때문에 생기는 심해 구조작업 등이 자주 발생하면서 장시간 수중 작업해야 하는 상황이 자주 발생하고 있다. 수중은 대기보다 낮은 온도로 인해 장시간 작업 시 작업자에게 저체온증(hypothermia)의 문제를 야기할 수 있다. 뿐만 아니라, 네오프렌 재질의 두꺼운 잠수복은 작업자로 하여금 종종 열중증(hyperthermia)의 문제 또한 일으킬 수 있다. 안전한 장시간 수중 작업을 위해서는 작업자의 체온유지와 더불어 작업자의 생체신호를 지속적으로 모니터링 할 수 있어야 한다.
고승환 교수 연구팀은 본 연구개발을 통해 네오프렌 재질의 드라이 수트와 연결된 채 피부에 부착하여, 평상시에는 잠수부의 심전도, 자세, 그리고 위치(수심) 감지를 위한 자가 발전을 하고, 저체온증(hypothermia) 및 열중증(hyperthermia)과 같이 체온에 이상이 있을 시에는 체온 조절을 통해 신체 항상성을 유지할 수 있게 하여 수중에서의 신체 활동을 돕는 새로운 전자 피부를 개발하였다.
최근 소프트 전자 기기 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 지원하는데 있어 기술적 어려움이 있을 수밖에 없다. 이에 국내외 유수의 연구진들은 신체의 움직임을 방해하지 않고 자가 전력 생산이 가능한 웨어러블 소자 개발에 심혈을 기울여왔다.
▲ 수중 전자 피부를 착용했을 때 사용자의 필요에 따라 체온 조절을 위해 가열 혹은 냉각을 하거나, 자가 전력 생산을 통해 사용자의 생체 신호를 감지할 수 있다.
고승환 교수 연구팀은 수중에서의 전력 생산을 위해 체온과 수온 간의 열 차이에 주목하였다. 연구팀은 피부에 부착할 수 있는 신축성이 있고 부드러운 열전 소자 기반의 전자 피부를 개발하여, 주변 해수와 잠수부의 신체 사이에서 발생하는 큰 온도 차이로부터 전기 에너지를 생산할 수 있도록 하였다. 뿐만 아니라, 동일 소자를 통해 냉각하거나 가열하여 잠수부의 체온을 일정하게 유지할 수 있도록 하였다.
여기서 열전 소자는 열에너지와 전기에너지를 변환시키는 소자를 일컫는다. 즉, 해당 소자는 온도 차이로 인해 생기는 전위차에 의해 전류가 흐르거나(제베크 효과), 이와 반대로, 인가하는 전류의 방향에 따라 냉각 혹은 가열이 가능하다. (펠티에 효과)
수온과 체온 간의 온도차이를 통해 생산된 전력은 장기간 수중에서 활동하는 잠수부의 생체 신호를 감지하기 위한 지속적인 전력 공급책으로서, 심전도 센서, 관성 센서(자세 측정용), 수압 센서(수심 측정용)를 통해 사용자의 현재 상태를 실시간으로 파악할 수 있게 해준다. 뿐만 아니라, 수중 전자 피부의 또 하나의 기능인 지속적인 냉각 및 가열을 수행하기 위해서(체온 조절 모드)는 열전 소자에 방열판이 필수적으로 탑재되어야 한다. 주변 해수는 자연적인 무한 방열판 역할을 수행함으로써, 잠수부의 체온 조절을 용이하게 해준다.
▲ 실제 수중 상황에서 수중 전자 피부를 부착하여 PID 제어를 통해 능동적으로 체온을 유지할 수 있고, 사용자의 역동적인 활동시에도 생체 움직임 신호를 감지할 수 있다.
이러한 수중 구조 플랫폼을 위한 전자 피부는 오랜 시간 지속되는 잠수부의 수난 구조 활동을 안전하게 보장할 수 있을 것이라 기대된다. 연구진은 실제 수중 상황에서 자가 발전을 통해 생체 움직임 관련 신호를 감지하였고, 다양한 열적 상황에서 체온 또한 일정하게 유지할 수 있는 것을 확인하였다.
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. 그리고 수중 뿐만 아니라 다양한 극한 고온 및 저온환경에도 작업자의 안전성을 높이는데 활용할 수 있을 것으로 예상한다” 라고 밝혔다.
연구 결과는 세계적으로 큰 주목을 받아 에너지분야 저명학술지인 〈Nano Energy〉 저널에 2022년 1월 31일 온라인판에 게재되었다. (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.
[문의사항]
서울대학교 기계공학부 고승환 교수 / maxko@snu.ac.kr
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