서울대 공대 기계공학부 고승환 교수 연구팀, 전력 소비 없이 실내 온도 낮추고 빗방울로 전력 생산하는 다기능 스마트 창문 개발

서울대 공대 기계공학부 고승환 교수팀, 전력 소비 없이 실내 온도 낮추고 빗방울로 전력 생산하는 다기능 스마트 창문 개발- 지구 온난화 대응해 제로 에너지 넘은 플러스 에너지 기술 구현- 투명 복사 냉각, 자가 전력 생산, 성에 제거 히터 등 다양한 기술 접목■ 연구 필요성o 최근 지구 온난화로 인해 냉방 수요가 크게 증가하면서, 건물 내부의 열 관리에 막대한 에너지가 소비되고 있습니다. 특히 태양광 흡수율은 높고 반사광은 적은 기존 창문은 상당한 에너지 손실을 초래합니다. 따라서 에너지 절감 창문이 기후 변화 대응과 에너지 지속 가능성 확보라는 세계적 과제에 대한 현실적 해결책으로 부상 중입니다. 이러한 창문은 거주자에게 최적의 열적 안락함을 제공할 뿐 아니라 기존 냉방 시스템에 대한 의존도를 줄여 경제 발전에도 기여하기 때문입니다.o 이처럼 건물의 창문이 실질적으로 에너지를 절감하려면 에너지 효율적인 냉각 기술(Zero Energy), 더 나아가 지속 가능한 전력 공급을 보장하는 에너지 수확 방법(Plus Energy)을 반드시 갖춰야 할 필요성이 있습니다. 또한 창문은 춥거나 안개 끼는 날에도 창문 본연의 기능인 높은 투과성을 유지할 수 있어야 합니다.■ 연구 성과 / 기대 효과o 본 연구에서 개발한 다기능 스마트 윈도우는 세 가지 주요 기능을 구현하여 차세대 에너지 절감 디바이스로서의 효용성을 입증합니다.o 첫째, 화창한 날에는 에너지를 주입하지 않고도 실내 온도를 낮추는 복사 냉각 기능을 제공합니다. 둘째, 비 오는 날에는 빗방울을 이용하여 전력을 생산하는 기능을 갖추고 있습니다. 셋째, 추운 날에는 유리창의 성에를 신속하게 제거하는 투명 히터 기능을 구현합니다.■ 연구 내용□ 연구 개요 o 서울대학교 공과대학 기계공학부 응용 나노 및 열공학 연구실 고승환 교수 연구팀은 전력 소비 없이 실내 온도를 낮추고 빗방울의 마찰 전기를 활용해 전력도 생산하는‘다기능 스마트 창문 기술’을 개발했다. 이번 연구는 지구 온난화에 대응하기 위해 제로 에너지(Zero Energy)를 넘어선 차세대 플러스 에너지(Plus Energy) 기술을 구현하고, 에너지 자립률 향상에 기여할 새로운 가능성을 개척했다는 점에서 의미가 깊다. □ 연구 배경o 최근 제로 에너지를 넘어선 플러스 에너지 빌딩(Plus Energy Building, PEB) 구현이 건축물 에너지 자립의 중요한 과제로 떠오르고 있다. 차세대 플러스 에너지 빌딩은 에너지 부하를 최소화하는 데에서 더 나아가 자발적으로 에너지를 생산할 수 있는 건물을 의미한다. 건물은 기본적으로 내부의 열 관리에 막대한 에너지를 소비하기 마련이며 최근 지구 온난화로 냉방 수요가 증가하면서 에너지 사용량이 더욱 급증하고 있다. 더욱 태양광 흡수율은 높고 반사광은 적은 기존 창문으로 인해 냉방 시 막대한 양의 에너지가 손실되고 있는 실정이다. 따라서 경제적 효율성을 갖춘 차세대 플러스 에너지 빌딩을 구현하려면 먼저 에너지를 절약하는 투명 냉각 기술(제로에너지 기반)은 물론, 나아가 지속 가능한 전력 공급을 보장하고 자가 발전이 가능한 기술(플러스에너지 기반)을 갖춘 다기능 스마트 윈도우의 개발이 이뤄져야 한다. o 위 문제를 해결하기 위해, 국내외 유수의 연구진들은 에너지 절약을 극대화할 수 있는 스마트 윈도우 개발에 주목하고 있다. 흔히 스마트 윈도우라고 하면, 창문의 색깔이 바뀌어 내부 온도를 조절하는 창문을 떠올리기 쉽다. 그러나 이러한 창문은 색깔을 변경하여 태양광의 세기를 조절하는 방식으로 냉각 기능을 구현하다 보니, 냉각되는 동안에는 정작 창문이 본연의 기능인 높은 투과도를 유지하지 못하고 불투명한 상태로 변한다는 한계점을 지닌다.□ 핵심 연구 방법o 연구진들은 에너지 효율성을 높이면서도 창문의 투명도를 손상시키지 않는 새로운 기술 개발에 박차를 가하고 있다. 이러한 노력의 일환으로 고승환 교수 연구팀은 투명도를 유지하면서도 전기를 쓰지 않는 냉각 기술을 구현하는 제로 에너지 기반 ‘투명 복사 냉각 기술’을 개발했다. 뿐만 아니라, 떨어지는 물방울이 창문과 맞닿는 순간 발생하는 마찰 전기를 이용하여 전력을 생산하는 자가 발전 기술도 개발하여 제로 에너지를 넘은 플러스 에너지 기반 스마트 윈도우 기술을 선보였다. 또한 춥거나 안개가 많이 끼는 날 창문에 끼는 성에를 신속하게 말끔히 제거하는 투명 히터 기술도 개발함으로써 복사 냉각, 전력 생산, 성에 및 서리 제거의 세 가지 기능을 하나의 소자로 동시에 구현하는 스마트 윈도우 기술을 세계 최초로 제시했다. o 연구팀은 우수한 전기 전도성 및 독특한 광학적 특성을 지닌 은과 ITO(Indium Tin Oxide, 인듐 주석 산화물)의 적층 구조로 이뤄진 창을 제작하여 아래 세 가지 기능을 하나의 소자로 구현할 수 있었다. 먼저 ‘투명 복사 냉각 기술’은 실내로 들어오는 태양광의 흡수는 최소화하는 반면, 복사열은 외부로 방출함으로써 온도를 낮추는 기술이다. 이 복사 냉각 기술은 냉매를 사용하는 기존 에어컨과는 달리 별도의 전기 에너지 소비 없이도 냉각 성능을 구현할 수 있다는 장점이 있다. 특히 연구팀은 내리쬐는 태양광 중 우리 눈에 보이는 가시광선 영역만 창을 통과시키고, 근적외선 영역의 태양광은 선택적으로 반사시킴으로써 실내 온도를 낮추고 냉각 기능을 극대화하는 데 주안점을 뒀다. 두 번째로 ‘마찰 전기를 이용한 전력 생산 기술’은 비 오는 날 빗방울이 창문과 맞닿을 때 발생하는 마찰 전기를 통해 전력을 생산하는 기술이다. 이때 전기를 수확하기 위해서는 창문 전면의 전극 물질이 필요한데, 은과 ITO의 적층 구조가 지닌 뛰어난 전기 전도성 덕분에 스마트 윈도우는 마찰 전기를 이용해 자가 발전할 수 있다. 마지막으로 연구팀은 이 투명 전극을 통한 ‘줄 발열에 의한 히터 기능’으로 추운 날 창문에 끼는 성에나 서리를 신속히 제거해 명확한 가시성을 확보하는 기술도 개발했다. 이처럼 연구팀이 개발한 다기능 스마트 윈도우는 화창한 날에는 투명 복사 냉각 기술, 비 오는 날에는 전력 생산 기술, 추운 날에는 성에 및 서리 제거 기술을 실현할 수 있다. □ 연구 결과 o 고승환 교수 연구팀은 이번 연구를 통해 개발한 스마트 윈도우가 실제 태양 빛이 내리쬐는 뜨거운 환경에서 일반 창문에 비해 대략 7도가 낮은 온도를 유지하는 것을 확인했다. 또한 비가 내리는 환경을 모사한 실험에서 스마트 윈도우는 단 하나의 물방울로 8.3 W m-2 의 전력을 생산하는 동시에 줄 발열을 통해 일반 창문 대비 대략 2배 빠른 속도로 성에를 제거하는 등 성능과 다기능성 모두에서 뛰어난 결과를 보였다.□ 기대 효과 o 고승환 교수는 “화석연료 고갈과 지구 온난화에 대응하는 ESG 실천에 최적화된 차세대 스마트 윈도우 기술을 제시한 이번 성과가 향후 플러스 에너지 기술 기반 건물 및 친환경 전기차 산업 분야의 기술 발전에 귀중한 통찰력을 제공하리라 기대한다”며 “특히 스마트 윈도우는 환경 오염을 해결하고 냉방 에너지를 저감할 뿐 아니라 자가 전력 생산 기술을 통해 기존 배터리 기술의 한계도 극복했기 때문에 다양한 산업 분야에 활용될 것으로 예상한다”고 밝혔다. □ 성과 정보o 이번 연구는 한국연구재단의 기초지원사업 중견연구자지원사업 및 세종과학펠로우십의 지원을 받았으며, 세계적으로 주목을 받아 물리학 분야 저명 학술지인 ‘Nano Energy’ 저널 (Imact factor: 16.8, 상위 5.3%) 2024년 10월호에 게재되었다. (논문 제목: Energy-saving window for versatile multimode of radiative cooling, energy harvesting, and defrosting functionalities) o 한편, 본 연구에 주저자로 참여한 정영주 박사는 현재 서울대학교 기계공학부 고승환 교수 연구실에서 후속 연구를 진행하고 있으며, 향후 해외로의 박사 후 연구원 연수 과정을 준비하고 있다.  □ 그림 설명(그림1) 플러스 에너지 구현을 위한 다기능 스마트 윈도우의 주 기능 (투명 복사 냉각, 전력 생산, 그리고 안개 및 성에 제거 기술)(그림2) 스마트 윈도우의 실생활로의 적용(A) 일반 유리를 부착한 모델하우스 (빨간색 점선, 대조군)와 스마트 윈도우를 부착한 모델하우스 (파란색 점선, 실험군).(B) 실제로 측정한 모델하우스 내부 온도 데이터.(C) 물방울에 의한 전력 생산을 통한 에너지 저장.(D) 투명 히터 기능을 통한 가시성 확보.

서울대 공대 기계공학부 박용래 교수팀, 새로운 다기능 허리 동작 보조 웨어러블 로봇 개발

서울대 공대 기계공학부 박용래 교수팀, 새로운 다기능 허리 동작 보조 웨어러블 로봇 개발- 국제적 학술지 ‘사이언스 로보틱스’ 게재- 척추 동작 보조와 부상 예방을 위한 혁신적 로봇 슈트 선보여▲ (좌측부터) 서울대학교 기계공학부 박용래 교수, 김재인 박사, 최재윤 연구원, 김준형 연구원 서울대학교 공과대학은 기계공학부 박용래 교수팀이 척추 부상 예방과 무거운 물건을 들어올리는 작업에 도움을 주는 허리 동작 보조 웨어러블 슈트(Bilateral Back Extensor Exosuit, 이하 BBEX)를 개발했다고 밝혔다.이번 연구는 지난 7월 24일 세계적 학술지인 사이언스 로보틱스(Science Robotics)에 게재됐다.효과적 작업 보조와 안전성 모두 잡은 BBEX기존의 척추 보조 장치들은 단일 방향에서 가해지는 힘만을 보조했기 때문에 비대칭적 작업에서 효율성이 떨어지는 한계가 뚜렷했다. 반면 인간의 척추와 등-허리 근육의 생체 역학을 모방한 BBEX는 다자유도 구조와 직렬로 연결된 선형 구동기를 사용하여 다양한 방향에서 가해지는 힘을 보조할 수 있다. 따라서 BBEX를 착용하면 중량물 운반 작업 중 발생하는 근육 피로와 척추 관절에 가해지는 부하를 효과적으로 감소시킬 수 있다. 또한 착용자의 자연스러운 척추 움직임을 가능케 하여 사용 편의성을 극대화한 점도 BBEX의 특징이다.혁신적 설계와 실험 통한 안전성 검증연구팀은 BBEX의 효능과 안전성을 검증하기 위해 20대 남성 11명을 대상으로 실험을 진행했다. 참여자들이 BBEX를 착용한 상태에서 대칭적 및 비대칭적 물건 들어올리기 작업을 수행했으며, 그 결과 BBEX가 여러 방향에서 효과적으로 힘을 보조하는 것을 확인했다. 또한 상부 및 하부 척추 기립근의 근육 피로도와 척추 관절에 가해지는 물리적 부하의 분석을 통해 BBEX의 종합적인 안전성도 입증했다. 이러한 성과는 BBEX가 중량물 운반 작업 환경에서의 허리 부상 등 산업재해 예방과 효율적인 작업 지원에 큰 기여를 할 수 있음을 시사한다.향후 연구 방향박용래 교수는 "BBEX는 인간의 척추와 척추 기립근의 기능적 특성을 모방하여 설계된 다기능 지원 메커니즘을 갖추고 있으며, 이 연구는 작업 현장에서 발생할 수 있는 허리 부상의 예방과 효율적인 작업 지원을 위한 새로운 해결책을 제시한다"고 밝혔다. 연구팀은 앞으로도 BBEX의 경량화 및 소형화 뿐만 아니라, 성능을 더욱 향상시키기 위한 추가 연구를 계획하고 있다.이번 연구는 서울대학교 체육교육과 박재범 교수팀과의 협력을 통해 이뤄졌으며, 과학기술정보통신부와 산업통상자원부의 지원을 받아 수행됐다. 해당 논문의 주 저자인 김재인 박사는 서울대학교 기계공학부에서 박사학위를 받았으며, 현재 삼성전자에서 근무 중이다. 최재윤 연구원은 서울대학교 기계공학부에서 석사학위를 받았으며, 오는 9월 미국 MIT 기계공학과 박사과정에 진학 예정이다. 김준형 연구원은 내년 2월에 서울대학교 기계공학부에서 박사학위를 받을 예정이며, 이후에는 미국 노스웨스턴 대학교(Northwestern University)에서 박사 후 연구를 이어갈 계획이다.▲ 개발된 BBEX를 착용 후 물건을 들어올리는 작업을 시연하는 장면▲ BBEX가 여러 방향에서 등-허리 근육을 보조하는 메커니즘[참고자료]연구논문: https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adk6717J. I. Kim, J. Choi, J. Kim, J. Song, J. Park, and Y.-L. Park, " Bilateral Back Extensor Exosuit for multidimensional assistance and prevention of spinal injuries," Science Robotics, vol. 9, no. 92, aedk6717, 2024.[BBEX 소개 유튜브 영상]URL : https://youtu.be/o9FIxe8q-Ts제공 : 서울대 공대 기계공학부 소프트로봇 및 바이오닉스 연구실 [문의사항]서울대학교 공과대학 기계공학부 박용래 교수 / 02-880-1668 / ylpark@snu.ac.kr

서울대 공대 재료공학부 강승균 교수팀, 주사 바늘로 수술없이 뇌질환 진단하는 생분해성 전자 텐트 개발

서울대 공대 재료공학부 강승균 교수팀, 주사 바늘로 수술없이 뇌질환 진단하는 생분해성 전자 텐트 개발- 기존 진단 방식의 수술 위험 해결하는 최소침습적 기술 제시▲ (좌측부터) 서울대학교 재료공학부 배재영 박사, 김영서 박사과정, 강승균 교수, UNIST 신소재공학과 황경석 박사, 김주영 교수, 단국대학교병원 재활의학과 현정근 교수서울대학교 공과대학은 재료공학부 강승균 교수 연구팀이 주사 바늘로 뇌질환 진단이 가능한 생분해성 전자 텐트 기술을 개발했다고 밝혔다.강승균 교수 연구팀(배재영 박사, 김영서 박사과정, 강승균 교수)이 UNIST 연구팀(황경석 박사, 김주영 교수) 및 단국대학교병원 연구팀(현정근 교수)과 이번 연구에서 개발한 기술은 지난 8월 5일 전자소자 분야 국제 저명학술지 ‘네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)’에 게재됐다.연구팀의 문제의식은 일론 머스크 테슬라 최고경영자(CEO)가 설립한 뇌신경과학 스타트업 뉴럴링크(Neuralink)의 최근 임상 시험에서처럼 브레인 칩을 뇌에 삽입하기 위해 수술까지 감수하는 사람들은 그리 많지 않으리라는 전망에서 비롯됐다. 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI, Brain Computer Interface) 장치를 뇌에 이식하려면 두개골을 제거한 후 전자칩을 삽입하는 위험한 수술을 받아야 하기 때문이다. 또한 사용이 종료된 전자칩은 면역 반응을 가져올 위험성이 있으므로 이를 제거하는 추가 수술이 필요한 실정이다. 따라서 연구팀은 바이오 및 뇌공학 기술이 대중화되려면 수술이 동반되어 매우 침습적일 수밖에 없는 기존 측정 방식을 극복할 대안이 절대적으로 필요하다는 점에 주목했다.현재 임상에서 사용되는 기술의 관점에 따르면 기존의 뇌전증(간질) 및 파킨슨병 진단 방식에서는 손바닥 크기에 가까운 대면적의 뇌 전극 사용이 필수적이었기에 전극 면적 이상의 두개골을 제거하는 위험한 수술이 불가피했다. 이 경우 뇌출혈, 뇌감염, 뇌척수액 누출과 같은 심각한 부작용이나 수술 후 신경성 고혈압 등 합병증의 가능성이 수반됐다. 이러한 수술 부담을 덜기 위해 연구진이 개발한 '생분해성 전자 텐트'는 비침습적으로 뇌질환을 진단할 수 있는 혁신적 방법을 제안했다는 점에서 의미가 깊다.생체 삽입형 전자소자를 이용해 무선 형태로 뇌압을 측정하는 ‘생분해성 뇌압 센서’ 개발 성과를 지난 2016년 국제 저명학술지 ‘네이처(Nature)’에 발표했던 서울대 강승균 교수 연구팀은 이번에 전자소자를 활용한 뇌진단 기술을 개발함으로써 전세계 생분해성 전자소자 분야에서 선도적인 역할을 맡게 됐다는 평가다. 특히 배재영 박사, 김영서 박사과정, 황경석 박사 등 이번 연구 논문의 공동 제1 저자들은 국내 연구기관 소속으로 연구 활동을 펼치고 있는 만큼 이번 연구성과 발표가 한국이 의학적 치료·연구 융합의 기술 주도권을 크게 강화할 계기가 될 것으로 기대된다.▲ (그림1) 생분해성 전자 텐트를 활용한 최소침습적 대면적 뇌 표면전극 삽입 과정한편, 연구팀이 ‘생분해성 전자 텐트 기술’ 개발 과정에서 염두에 둔 부분은 생분해성 형상기억 고분자와 초박막형 생분해성 무기질 전자 소자를 사용함으로써 전자 텐트가 두개골과 뇌 사이의 수 mm 이내의 좁은 공간에서도 파손되지 않고 고르게 펼쳐질 수 있도록 설계하는 과정이었다. 두개골의 작은 구멍을 통해 주사 바늘로 주입된 전자 텐트는 두개골과 뇌 사이 공간에서 손바닥 크기의 대면적으로 스스로 펼쳐져 뇌 전체를 덮는다. 이 소자는 진단이 끝난 후에 자연스럽게 체내에서 분해되어 사라지므로, 수술 후 의료기기 잔여물이 장기간 신체에 남아 부작용을 일으키던 기존 뇌전증 및 파킨슨병 진단 방식의 문제점을 최소화할 수 있다.▲ (그림2) 좁은 공간 내에서 대면적의 전자 텐트의 형상이 복원되고 생분해되는 과정    (a) 두개골 및 뇌 모사모델 대상 전자 텐트 주사 삽입 및 형상 복원 과정    (b) 생체모사액에서의 전자 텐트의 생분해 과정연구팀은 생분해성 전자 텐트를 활용하여 동물 모델의 뇌에 전극을 삽입 후 2주 간 뇌파 신호를 측정하는 데에도 성공하였다. 또한 전자 텐트가 생분해되는 과정을 실시간으로 장기간 모니터링함으로써 체내에서의 활용 가능성도 확인하였다.▲ (그림3) 뇌 모사조직(1% 아가로즈 겔)의 굴곡진 표면을 따라 부드럽게 부착된 전자 텐트생분해성 전자 텐트는 향후 의료계 현장에서 다양한 방식으로 활용되리라 기대된다. 특히 생분해성 전자 텐트는 난치성 뇌전증 및 파킨슨병 진단 방식에 큰 변화를 가져올 전망이다. 위험이 상존하는 기존의 침습적 수술 방법과 달리, 해당 기술은 주사 바늘을 통해 최소침습적 방식으로 전자 소자를 삽입할 수 있어 환자들에게 더 나은 진단 환경을 제공할 수 있기 때문이다. 그리고 진단 후 전자 소자가 역할을 다하면 몸 속에서 자연스럽게 분해되므로 추가적인 의료기기 잔여물 제거 수술을 생략할 수 있다는 점에서 환자들에게 더 안전한 선택이 될 것으로 기대된다.이 기술은 뇌전증 및 파킨슨병 외에도 뇌졸중, 뇌수두증과 같은 뇌질환을 진단하는 데에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 이처럼 진단 및 치료 분야에서의 응용은 물론이고 특히 뉴럴링크의 뇌 이식 실험에 사용된 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI, Brain-Computer Interface) 기술의 구현에 있어서도 기존의 전극 삽입 방식에 대한 일반인들의 거부감을 줄이고, 기술의 실현 가능성을 높이는데 기여할 것으로 보인다.한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노 및 소재기술개발사업(전략형)의 지원을 받아 수행됐다.[참고자료]Bae, JY., Hwang, GS., Kim, YS. et al. A biodegradable and self-deployable electronic tent electrode for brain cortex interfacing. Nat Electron (2024). https://doi.org/10.1038/s41928-024-01216-x[문의사항]서울대학교 공과대학 재료공학부 강승균 교수 / 02-880-7162 / kskg7227@snu.ac.kr