투명히터

투명히터는 유리 전면에 약 50나노미터 두께의 탄소나노튜브를 얇은 층으로 코팅하여 부착해 유리면에 김서림과 성에가 생기는 것을 방지하는 역할을 하는 난방 장치이다.

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개요

투명히터는 운전자 시야를 방해하는 성에나 결로 등을 제거하는 투명면상 발열체이다. 투명히터를 자동차 유리로 활용하면, 김 서림과 성에 방지는 물론 투명도를 80% 이상 유지할 수 있어 운전자는 넓은 시야를 제공받는다. 2007년 11월 28일, 한국기계연구원의 한창수 박사팀은 ㈜탑나노시스와 현대자동차㈜, 코리아오토글라스㈜ 등과 공동으로 탄소나노튜브를 이용해 투명히터를 개발했다. 전력 소모가 작고 시인성·내구성이 좋은 데다 대면적 제작이 가능해 전기자동차와 수소차 등에 적용할 수 있다. 세계 각국이 탄소나노튜브를 활용한 신기술 개발에 나서고 있는 가운데 대한민국이 먼저 투명히터의 핵심기술을 개발했다는 것에 큰 의미가 있다. 전기 전도성은 구리보다 우수하고 열전도성은 다이아몬드보다 뛰어난 반면 가공·성형이 까다다로운 특성을 지니고 있다. 그렇기 때문에 선진 각국에서는 이를 산업에 응용해 부가가치를 창출하기 위해 경쟁적으로 연구에 뛰어들고 있다. 기존 자동차 유리에 열선으로 사용돼 온 은실선은 운전자의 시야를 방해하기 때문에 뒷유리에만 제한적으로 쓰이고 있으나 탄소나노튜브막은 투명도가 80% 이상이고 열전달도 잘돼 자동차 앞유리에 코팅해 사용할 수 있다.

활용

자동차

2020년 청주대학교 융합전자공학부 반도체공학전공 이상렬 교수 연구팀이 차세대 전기자동차용 고효율 투명히터를 개발했다. 청주대 이상렬 교수와 황진영 박사는 최근 비정질 산화물을 이용한 전기자동차용 메시구조 투명히터를 발표해 세계 저명학술지인 네이처(Nature) 자매지 '사이언티픽 리포트'(Scientific Reports)에 게재됐다. 이 교수 연구팀은 14v 이하에서 구동 가능한 저전력을 요구하는 차세대 전기자동차용 투명 히터용 투명전극을 비정질 산화물을 이용해 고투과율과 저저항을 구현·개발하고 메카니즘에 대해 분석한 논문을 게재했다. 차세대 투명히터 및 차세대 투명전극 분야는 필수 요구 조건인 높은 투명성과 낮은 저항이 필수적으로 이뤄져야 하는데, 이 교수 연구팀은 메시 구조를 이용해 제작한 투명 전극을 이용해 고특성의 투명히터를 개발했다. 이 투명히터를 상용화하면 겨울철 자동차 앞유리에 성에가 발생할 때 적은 전력만으로 성에를 없앨 수 있어 전기자동차의 운행거리를 향상시킬 것으로 기대된다. 이 연구는 과학기술정보통신부 지역대학 우수과학자지원사업과 한국에너지기술평가원 에너지기술개발사업으로 수행됐다.

메탈릭 글라스

2015년 손등이나 옷감 등에 붙여서 열을 낼 수 있는 투명 히터가 개발됐다. 울산과학기술원(UNIST)는 2015년 12월 21일 박장웅·김주영 신소재공학부 교수 공동 연구팀이 메탈릭 글래스라는 신소재를 기반으로 투명전극을 10초 만에 대면적으로 생산할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구진은 합금의 일종인 메탈릭 글래스를 이용해 투명전극을 구현했는데, 이 물질은 일반 금속보다 신축성이 좋고 쉽게 녹슬지 않아 내산화성, 내부식성이 우수하다. 게다가 전기 전도도가 매우 높아, 기존 투명전극(ITO)보다 저항이 10배나 적어 유연하고 신축성 있는 고성능 투명전극으로 적합하다. 연구진의 실험 결과, 메탈릭 글래스 기반 투명전극은 공기 중에 장시간 노출하거나 열을 가해도 산화되거나 녹슬지 않는 고성능을 보였으며, 유연성과 신축성이 매우 우수해 반으로 접거나 잡아당겨도 전기적 특성이 저하되지 않았다. 특히 회로를 만들 때 얇은 필름을 롤에 그대로 감아 가공하는 '롤 투 롤(Roll to Roll)' 방식을 활용하면 10초 만에 대면적 투명전극을 제작할 수 있는데다 공정 단가도 크게 낮출 수 있다. 또한, 연구진은 이 기술을 이용해 투명하고 자유롭게 변형되는 '부착형 히터'와 위험 물질을 감지할 수 있는 '가스 센서'를 구현하는 데도 성공했다. 히터와 센터 모두 투명하다는 특성이 있어 어디에나 붙여 활용할 수 있다. 예를 들어 히터는 피부나 옷감 등에 붙여 겨울철 보온용으로 이용 가능하며, 가스 센서는 손가락 끝 등에 부착해 위험 가스를 감지하는 데 사용 가능하다. 투명전극의 다양한 성능들이 향상된 만큼 더 많은 웨어러블 소자에 접목하는 것도 가능해질 전망이다.

관련 기업

㈜티디엘은 외부 공기와 비바람을 막는 전·후면 유리창 '윈드쉴드'에 장착할 수 있는 실리콘필름 기반 은(Ag) 패턴 방식 투명면상발열체를 개발했다. 윈드쉴드의 성에나 결로 등을 제거하기 위해 히터를 가동해 열풍이나 열을 가할 경우 전력 소모가 심해 장거리 운전에 취약하다. 따라서 전기차와 수소차는 윈드쉴드에 발열체를 삽입하는 투명면상발열체가 필수다. 기존 후면 윈드쉴드의 니켈(Ni)-크롬(Cr) 열선을 전면 윈드쉴드에 적용할 경우 운전자 시야를 가린다. 인듐주석산화물(ITO)은 시인성은 좋지만 내구성이 떨어지고 대면적화 문제로 실제 적용에는 어려움을 겪고 있다. 최근 활발하게 개발되고 있는 나노소재 기반 투명면상발열체는 가격이 비싸 일부 고급차에만 제한적으로 채택되고 있다. 티디엘은 기존 투명면상발열체의 단점을 해결하기 위해 전력 소모가 거의 없고 내구성과 시인성을 개선한 투명면상발열체를 개발했다. Si필름 상온접합기술로 공정을 단순화하고 생산성을 높여 가격 경쟁력을 확보했다. 전면과 후면 투명면상발열체 설계 및 해석기술로 투과율 70% 이상을 달성했으며 은 패턴 방식 산화막을 통해 대면적 전극을 형성했다. 자외선 차단, 열전달 확산, 은 패턴 보호 등 기능도 갖췄다. 티디엘 자동차부품연구원·전남대와 협력해 고유 모델을 추가로 개발하고 자동차 유리 고급화 및 기능성 추세에 맞춰 완성차 제조업체를 대상으로 마케팅을 강화할 계획이다. 전기차와 일반 차량용, 난방용, 건축용 등 다양한 투명면상발열 필름으로 제품화를 추진하고 있다. 향후 자동차를 비롯해 건축, 선박, 항공 등 타 산업 분야로 사업을 확장할 예정이다.

참고자료

• 〈투명히터〉, 《네이버 지식백과》
• 김한식 기자, 〈車 유리에 투명 열선…히터 안 틀어도 잘 보인다〉, 《전자신문》, 2020-01-20
• 김한나 기자, 〈청주대, ‘전기자동차용 고효율 투명히터’ 개발〉, 《대학지성》, 2020-06-17
• 강민구 기자, 〈손등·옷감에 부착 가능한 '투명 히터' 개발〉, 《헬로디디》, 2015-12-21
• 노신영 기자, 〈車유리 김서림·성에 방지 투명히터 개발〉, 《헬로디디》, 2007-11-28

같이 보기

• 투명
• 히터
• 윈드실드

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