배터리·센서 결합 '스마트 섬유', 금속·세라믹으로 만든다

금속과 세라믹 재료로 나노리본 섬유 가닥을 만드는 과정. KAIST 제공

발광 소자, 배터리, 센서 등의 역할을 수행하는 스마트 섬유는 섬유에 디지털 정보 기술이 결합한 미래형 섬유다. 국내 연구팀이 소재 자체의 한계가 있었던 기존 섬유 대신 금속과 세라믹 소재로 나노섬유를 만드는 기술을 개발했다. 스마트 섬유의 소재를 다양화하고 대량 생산에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

KAIST는 박인규 기계공학과 교수가 안준성 고려대 세종캠퍼스 전자기계융합공학과 교수, 정용록 한국원자력연구원 선임연구원, 정준호 한국기계연구원 책임연구원과 공동연구를 통해 '스마트 섬유용 금속/세라믹 나노리본 얀 제조 기술'을 개발하고 연구결과를 지난 3월 국제학술지 '스몰'에 게재했다고 8일 밝혔다. 얀(yarn)은 섬유를 길이 방향으로 나란히 두고 꼬아 만든 긴 가닥 구조다. 

기존 스마트 섬유는 일반 섬유에 전도성 나노물질을 코팅해 발전시켰다. 새로운 코팅 소재와 구조를 개발해 섬유의 성능을 향상하는 연구가 많이 진행됐지만 섬유 재료 자체에 한계가 있어 스마트 섬유의 다양성 확보에 어려움을 겪었다. 연구팀은 재료의 원천적인 한계를 극복하기 위해 금속·세라믹 섬유 제조 플랫폼 기술에 주목했다.

연구팀은 매우 얇은 고분자 물질 필름에 나노 크기의 패턴을 생성하는 '나노임프린트 리소그래피'로 기판을 제작한 뒤 금속 재료를 증착시켰다. 기판을 플라스마로 식각하자 기판과의 접착력이 약해져 나노리본 다발이 공중에 떠올랐다. 이 다발을 '얀' 형태로 꼬아 스마트 섬유의 재료가 되는 나노섬유로 만들었다.

연구팀은 금, 팔라듐, 니켈, 알루미늄, 백금, 텅스텐 산화물, 주석 산화물, 니켈 산화물, 인듐 산화물, 구리 산화물 등 다양한 재료로 나노리본 얀의 제작할 수 있다는 사실도 입증했다. 또 개발된 나노리본 얀이 수소, 암모니아 등 친환경 그린가스를 감지할 수 있는 센서로 활용될 수 있을 뿐만 아니라 물의 전기분해, 마찰전기 나노 발전기 등 그린 에너지 관련 소자로 응용될 가능성도 확인했다.

나노섬유는 기존 스마트 섬유용 소재의 한계를 뛰어넘어 의료, 패션, 국방, 헬스케어 등 다양한 분야에 적용될 것으로 기대된다. 연구팀은 "사물인터넷(IoT)을 섬유에 구현하는 데 기여할 수도 있을 것"이라고 말했다.

박인규 교수는 "스마트 기능성 나노섬유 제작 공정의 본질적인 문제인 소재 다양성과 대량 생산의 어려움을 해결할 수 있을 것으로 기대한다"며 "센서/에너지 소자를 포함한 다양한 나노 전자 소자 제작에 활용될 수 있을 것"이라고 밝혔다.

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]