특허 개요
본 특허는 투명하고 신축 가능한 젤 내부에서 열을 발생시키는 유전 손실 기반 유연 발열기입니다. 제1·제2 전극 사이에 고분자 네트워크와 전기 쌍극자 가소제로 구성된 유전성 젤층을 배치하고, 교류 전기장에서 가소제가 회전·진동·직선 운동하며 발생시키는 유전 손실을 열로 전환합니다. 행·열 방향 서브 전극과 스위칭 소자를 적용하면 교차하는 전극 영역인 단위 셀에만 전압을 인가해 선택적 국부 발열을 제어할 수 있습니다.
- 핵심 기능
두 전극에 교류 전압을 인가하면 유전성 젤층 내 가소제가 전기장 변화에 반응하고, 이 과정의 유전 손실로 젤층 자체에서 열이 발생합니다. 서브 전극별 구동·접지 신호와 스위칭 소자를 제어하면 선택한 단위 셀만 발열시키며, 전압 세기와 주파수 조건으로 발열 특성을 조절합니다.
- 차별 강점
종래 저항 발열기는 전도성 전극에서 열이 발생하므로 국부 발열 제어가 어렵고, 전극 밀도 조정 과정에서 투명성·유연성·전도성 간 상충이 발생했습니다. 본 특허는 유전성 젤층을 발열원으로 사용하고 서브 전극 배열을 결합해 투명·신축 구조를 유지하면서 선택적 발열과 포화 온도 기반의 열 안정성을 구현하는 방식입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 유연 전자소자, 유전 소재, 열 햅틱, 피부 부착형 온열 소자, 소프트 로봇 및 국부 열 제어 분야에 활용 가능하며, 투명·신축 발열 구조 연구로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 착용형 열 햅틱 장치, 열 치료기·열 마사지기, 상처 부위 국부 온열 제품, 로봇용 열 인터페이스, 열·시각 디스플레이로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
PVC-DBA 유전성 젤층과 전도성 하이드로젤 전극으로 구성된 유연 발열기를 대상으로 임피던스, 발열, 반복 구동, 온도 분포, 인장 및 광 투과 특성을 확인했습니다. 선택적 단위 셀 발열도 확인했으나, 실제 착용형·의료 제품 환경에서의 장기 수명, 안전성 및 피부 접촉 신뢰성은 추가 검증이 필요합니다.
- 시료: PVC-DBA 유전성 젤층 및 전도성 하이드로젤 전극 유연 발열기
- 비교 방식: AgNW, CNT, SWCNT, Cu 메쉬 및 kirigami 기반 전극 발열기
- 전기·열 조건: 임피던스 측정 5V 교류 전압·1～100Hz, 발열 평가 두께 약 650um 젤층에 600V·약 300초
- 인장 조건: 약 100Hz·600V에서 인장 상태의 발열 특성 평가
현재 성과
약 100Hz·600V 조건에서 변형률 400%에서도 유연 발열기 전 영역에 균일한 온도 분포를 확인했습니다. 가시광선 약 380～780nm 영역에서 유전성 젤층, 전도성 하이드로젤 전극 및 유연 발열기 모두 약 85% 이상의 투과율을 확인했습니다.
PVC-DBA 젤과 전도성 하이드로젤 전극으로 구성한 시료에서 임피던스, 주파수별 발열, 전압별 포화 온도, 반복 온·오프, 온도 분포, 인장 및 투과율 특성을 평가했습니다. 약 600V 조건에서는 동작 주파수 약 1Hz 이상에서 10도 이상의 발열을 확인했으며, 반복 온·오프에서 비발열 온도와 포화 온도가 일정하게 유지됨을 확인했습니다.
기존 저항 발열 방식은 전도성 전극 자체에서 열이 발생해 국부 발열 제어와 투명성·유연성의 동시 확보에 제약이 있었습니다. 본 특허는 교류 전기장에 따른 유전성 젤층의 유전 손실을 발열원으로 사용하고, 행·열 서브 전극과 스위칭 소자로 특정 단위 셀만 선택 발열하도록 구성한 점이 차별점입니다.
상용화까지 남은 부분
대면적 유전성 젤층 및 투명 전극 구조의 제조 공정 재현성과 균일성 검증
반복 신장과 장기 구동 환경에서의 계면 결합, 발열 성능 및 수명 신뢰성 검증
구동 전력, 전기 안전성 및 피부 접촉 환경에서의 열 안전성 검증
웨어러블·의료 응용별 패키징, 제어 회로 및 선택 발열 정밀도 검증
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
투명하고 유연한 발열기
10-2023-0071848 (2023.09.14)
미등록 (심사 중)
경기욱 (한국과학기술원), 김민기 (한국과학기술원)
한국과학기술원