사람 피부 땀샘 흉내낸 박막 개발
사람 피부 땀샘 흉내낸 박막 개발
  • 함예솔
  • 승인 2020.01.13 02:30
  • 조회수 570
  • 댓글 0
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요약

 

사람 피부의 땀샘을 흉내내 주변 환경에 따라 수축과 팽창을 자유롭게 하는 박막이 개발됐습니다. 피부 표면 온도와 비슷한 31℃에서 온도가 낮으면 팽창해 구멍이 닫히고 높으면 자동으로 열려 열을 방출한다고 하는데요. 연구진이 만든 방열소자의 크기는 3cm x 3cm 크기로 인공 땀샘 2만개가 들어가 있다고 합니다. 향후 스마트폰과 같은 유연전자 소자의 발열을 해결하는 방열소자나 에너지 발전소자, 미세한 제어시스템 등에 활용될 것으로 기대됩니다.

땀샘흉내낸 박막? 출처: AdobeStock
땀샘흉내낸 박막? 출처: AdobeStock

한국전자통신연구원(ETRI)은 사람 피부의 땀샘을 흉내내 주변 환경에 따라 자유롭게 수축과 팽창을 하는 박막을 개발했다고 합니다. 전원 없이 조절이 가능한 방열(heat sink) 소자 개발에 성공했다고 하는데요. 해당 연구는 <어드벤스드 머터리얼즈’(Advanced Materials)>에 게재됐습니다. 

 

개발된 소자는 사람의 피부 표면 온도와 비슷한 31℃에서 온도가 낮으면 팽창해 구멍이 닫히고 높으면 자동으로 열려 열을 방출한다고 하는데요. 마치 사람 피부의 땀샘처럼 유연한 박막형태로 온도조절이 가능해질 전망입니다.

 

온도에 따라 냉각조절하는 박막

인공땀샘 박막의 구조와 구동원리
인공땀샘 박막의 구조와 구동원리. 출처: ETRI

연구진은 이번 성과의 핵심은 땀샘과 같이 유연한 박막 환경에서 온도에 따라 냉각을 조절한다는 점이라고 밝혔는데요. 연구진은 온도에 따라 물의 흡수량이 달라지는 온도 반응성 하이드로겔을 마치 '풍차'와 같은 모양으로 만들어 일정 온도보다 낮으면 물을 머금어 팽창해 닫히고 온도가 높으면 물을 배출해 수축하는 밸브를 만들었습니다. 

제작된 인공땀샘 박막. 출처: ETRI
제작된 인공땀샘 박막. 출처: ETRI

연구진이 만든 방열소자의 크기는 3cm x 3cm 크기로 인공 땀샘 2만개가 들어가 있다고 합니다. 소자 두께는 70 마이크로미터(㎛)이고 땀샘의 단위구조인 셀의 크기는 100㎛, 밸브는 20㎛ 크기의 수준입니다.

 

박막의 구조는 두 개의 층으로 구분돼 위층은 프레임으로 단위구조 셀을 지지해주는 역할을 합니다. 아래층은 밸브 구조로 제작돼 고분자간 결합을 통해 유연한 박막 형태의 냉각 소자를 만들었고 내부는 용매인 물로 채워지게 됩니다.

온도에 따른 땀샘 구조체변화. 왼쪽 : 고온, 증발허용,  오른쪽 : 저온, 증발억제. 출처: ETRI
온도에 따른 땀샘 구조체 변화. 왼쪽은 고온, 증발허용, 오른쪽은 저온, 증발억제. 출처: ETRI

특히 팽창 수축을 반복하는 밸브가 사람의 땀샘 크기와 유사하게 설계됐는데요. 연구진은 본 기술의 핵심으로 밸브 구조를 설계하는 기술과 기능을 갖추기 위해 밸브를 제작하는 기술로 국내·외 특허 출원을 해둔 상태입니다. 

 

연구진은 구조 성능 입증을 위해 온도에 따른 증발량을 측정한 결과 기존 박막에 비해 저온에서 증발이 30%가량 억제됨을 보였는데요. 반복되는 실험에도 구조체는 일정한 성능을 유지하는 것을 확인해 인공 땀샘으로의 기능도 입증했습니다. 

 

대면적화도 가능하다

 

ETRI 연구진은 본 기술로 향후 크기의 대면적화도 가능하다고 설명했는데요. 또한 밸브의 패턴은 반도체 공정을 통해 만들어졌고 이를 고분자 재료로 북제해 만들었다고 설명했습니다. 

 

즉, 웨이퍼 위에 풍차모양의 밸브를 CAD를 통해 설계하고 반도체 공정을 이용해 실리콘 웨이퍼에 형상을 새긴 뒤 고분자 재료를 자외선 경화시켜 도장처럼 찍어서 만들었다고 밝혔습니다. 여기에 사용된 기술들은 모두 상용기술로서 대면적 적용이 가능합니다. 

ETRI 연구진이 사람 피부를 모사해 개발한 박막 소자 모습. 출처: ETRI
ETRI 연구진이 사람 피부를 모사해 개발한 박막 소자 모습. 출처: ETRI

연구진은 향후 본 기술을 열전소자의 히트싱크(방열판)으로 활용해 균일하고 높은 출력을 오래 냄으로써 무전원 유연소자를 만드는 게 목표라고 밝혔습니다. 따라서 향후에는 기존 연구성과인 열전소자를 보강해 손목에 시계와 같은 전자장치를 착용만 하고 있어도 체온과 같은 생체 정보를 주기적으로 센싱할 수 있도록 만들겠다고 말했습니다. 

 

연구진은 이와 같은 성과가 향후 스마트폰과 같은 유연전자 소자의 발열을 해결하는 방열소자나 에너지 발전소자, 미세한 제어시스템 등에 활용될 것으로 예측합니다. 

 

연구진은 본 기술의 상용화를 2년 내로 보고있는데요. 연구 개발 책임자이며 본 논문의 교신저자인 ETRI 신소재연구실 문승언 박사는 "향후 열전소자와 결합해 특정 부위 약물투여, 인공피부 등과 같은 웨어러블 소자의 전원으로 발전시킬 계획"이라고 말했습니다. 

 


##참고자료##
 

 


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