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송풍 장치 없이 습기 제거하는 휴대형 열적 쾌적감 측정기 개발해
팽창 계수가 큰 유체를 열선으로 가열해 위아래로 챔버를 진동시킴으로써 작은 공간 속 대류만으로도 가능해진 효율적 습기 제거
[447호] 2018년 05월 01일 (화) 김유빈 기자 betty4003@kaist.ac.kr

 바이오및뇌공학과 조영호 교수 연구팀이 손목에 장착하는 시계형 열적 쾌적감 측정기를 개발했다. 이번 연구는 지난 1월 19일 자 <사이언티픽 리포츠(Scientific Reports)>에 게재되었다.

땀의 양으로부터 열적 쾌적감 분석해
연구팀은 새로 개발한 측정기로 손목에서 발생하는 땀의 양과 위치를 측정한 뒤, 이를 통해 측정기를 장착한 사람이 느끼는 열적 쾌적감을 분석하였다. 열적 쾌적감이란 사람이 덥거나 추울 때 느끼는 쾌적한 정도를 말한다. 즉, 연구팀은 땀의 양을 측정함으로써 인간의 감정 일부를 분석하는 데 초점을 맞춰 연구를 시작했다.

송풍 장치가 필요했던 기존 열 측정기
기존에 개발된 땀과 관련된 측정기는 모두 크기가 크고, 빠른 재사용이 힘들다는 단점이 있었다. 땀의 양을 측정하는 방식으로는 밀폐시킨 공간 안의 습도를 측정하는 방식과 땀에 의해 달라지는 피부 표면의 전기 전도도*를 측정하는 두 가지가 주로 사용된다. 습도를 재는 방식이 전기 전도도를 재는 방식보다 더 정확하나, 이 방식은 여러 번 습도를 측정할 뿐만 아니라 기구를 건조하는 과정이 필요해 측정 시간이 길다는 단점이 있었다. 이를 보완하기 위해 송풍 장치를 탑재한 측정 장치도 개발되었으나, 이 방식으로는 기구의 크기가 너무 커져 실생활에 적용하기는 어려웠다.

챔버로 크기, 무게, 전력 소모 개선해
연구팀은 측정기에 작은 구동기를 달고, 이 구동기가 챔버(Chamber)를 위아래로 진동시킴으로써 추가적 송풍 장치 없이 자연 대류만으로 기구 내 습기를 제거하는 방식을 도입했다. 챔버란 피부 위를 막아 공간을 만드는 종 모양의 기구 구성 요소이다. 챔버를 이동하는 방식은 추가적인 송풍 장치가 필요하지 않아 기기의 크기와 무게, 전력 소모를 최소화할 수 있다. 연구팀이 개발한 측정기는 직경 35mm, 두께 25mm, 배터리 포함 무게 30g으로 기존 측정기와 비교하였을 때 무게는 47.6%, 소비전력은 12.8% 수준이다. 기기의 크기는 챔버를 기준으로 자연 대류가 충분히 일어날 수 있는 최소한의 체적을 찾은 뒤, 이것에 맞춰 다른 구조들을 구상했다.
이번 기구의 챔버는 가로와 세로 모두 10mm로 이루어져 있다. 챔버는 장착된 센서 위에 탑재된 액체와 열선에 의해 움직인다. 전기를 가하면 열선에서 열이 발생하고, 이 열은 열선 바로 아래 위치한 유체를 팽창시킨다. 팽창된 유체가 챔버를 아래로 충분히 밀어낼 수 있도록 연구팀은 냉장고 냉매에 사용되는 팽창 계수**가 큰 유체를 사용했다. 팽창 계수가 큰 유체를 사용하면 작은 공간에 위치한 유체만으로도 챔버의 진동을 충분히 발생시킬 수 있다.

지능형 맞춤 에어컨 등에 사용될 전망
이번에 개발한 측정기는 움직이는 사람의 열적 쾌적감도 분석할 수 있어 다양한 분야에 실용화될 전망이다. 우선 단순히 온도와 습도를 일정한 수치에 맞추는 에어컨을 넘어, 에어컨을 사용하는 사람이 더운지 추운지에 맞춰 온도와 습도가 달라지는 지능형 맞춤 에어컨 제작이 가능하다. 자동차에서는 운전석과 조수석에 앉은 사람에 맞춰 각 공간의 온도 및 습도를 조절해 보다 쾌적한 승차감을 구현할 수도 있다.
조 교수는 “대부분의 사람은 육체적 건강만 챙길 뿐 정신적 건강 관리에 소홀한 경향이 있다”며, “이번 연구는 체내 변화를 분석함으로써 개인의 정신적 건강에 기여할 수 있는 연구라고 생각한다”고 언급했다. 또한, “인간이라는 하나의 플랫폼에서 이번 연구와 비슷하게 맥, 체온, 습도를 측정해 스트레스 정도를 분석하는 기기도 연구 중이다”고 밝혔다.

   
▲ 연구팀이 개발한 측정기의 모식도(a)아래에서 측정기를 바라본 모습. (b)측정기의 중심에 위치한 센서의 모습. (c)측면에서 측정기를 바라본 모습.조영호 교수 제공

전기 전도도*
전류가 통과하기 쉬운 정도를 나타내는 양. 단위로는 전기저항의 역수를 사용한다.

팽창 계수**
유체 또는 일정한 물체를 가열할 때, 온도당 증가하는 체적 또는 길이를 비율로 나타낸 수치.
 

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