150% 쭉 늘어난다…KAIST, 액체금속 기반 ‘전자섬유’ 개발

"웨어러블 헬스케어에 폭넓은 활용 기대"

(왼쪽부터) 이번 연구에 공동 제1저자로 참여한 이건희 KAIST 박사, 이도훈 박사과정, 전우진 박사과정 및 스티브 박 신소재공학과 교수, 정재웅 전기및전자공학부 교수, 박성준 바이오및뇌공학과 교수. KAIST 제공.

입기만 하면 체온, 심박동수 등을 잴 수 있는 운동복, 상갓집에 가야 할 때 색깔이 검은색으로 바뀌는 셔츠 등을 만들려면 ‘전자섬유’가 필요하다.  

KAIST는 스티브 박 신소재공학과, 정재웅 전기및전자공학부, 박성준 바이오및뇌공학과 교수 공동 연구팀이 신축성을 높인 전자섬유를 개발해 13일 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 발표했다고 25일 밝혔다. 높은 전도도와 내구성을 가진 액체금속 복합체 기반의 전자 섬유다. 

전자 섬유는 사용자 친화 웨어러블 소자, 헬스케어 소자, 최소 침습형 임플란터블 전자소자에 핵심 요소로 쓰여 현재 활발한 연구가 진행 중이다. 하지만 고체금속 전도체 필러를 사용한 전자섬유는 늘리면 전기전도성이 급격히 감소한다는 문제가 있다. 

연구팀은 기계적 변형에 맞춰 형태가 바뀌는 액체금속 입자 기반 전도체 필러를 제시했다. 액체금속 마이크로 입자에 인장(물체 중심축에서 바깥 방향으로 늘어나는 현상)을 가하면 타원형으로 늘어나면서 전기저항 변화를 최소화할 수 있다. 

하지만 액체금속 입자 크기는 수 마이크로미터에 불과하기 때문에, 기존의 딥-코팅 방법으로는 섬유에 입자를 코팅할 수 없다. 이에 연구팀은 액체금속 입자가 실 위에 잘 접촉하도록, 블레이드와 기판 사이에 현탁액(고체 입자가 분산돼있는 액체) 조성을 실시간으로 바꿔 화학적 변성이 일어나도록 했다. 현탁액 전단 방법과 함께 연구팀은 탄소나노튜브가 포함된 액체금속 입자를 한층 더 코팅해 액체금속 복합체의 기계적 안정성을 확보했다. 

액체금속 복합체 기반 전자섬유가 우수한 신축성을 보이고 있다. KAIST 제공.

이렇게 제작된 전자섬유는 추가 공정 없이 우수한 초기전도성을 보였고 고체금속 전도체 기반 섬유와 달리 150%를 늘려도 전기저항 변화가 거의 없었다. 기계적 안정성도 우수해 반복적인 변형 실험에서 전기적 성질을 유지했다. 

연구팀은 실제 상용화된 옷에 이번에 개발한 전자섬유를 적용해 다양한 전자회로를 구현했다. 연구팀의 이번 기술이 다양한 섬유에 호환 가능하고, 재료는 생친화성을 갖는다는 점에서 섬유형 바이오 전자섬유도 구현했다. 이로써 기계적 변형의 영향을 받지 않는 뇌 활동 전극, 신경 자극 전극, 다기능성 옵토지네틱 프로브 등의 제작이 가능한 범용성과 공정 신뢰성을 획득했다. 

스티브 교수는 “이번 연구는 다양한 전자 공학적 기능을 웨어러블 형태로 구현하는 가능성을 보여줬다”며 “환자 편의성을 높인 웨어러블 헬스케어 소자나 최소 침습형 임플란터블 전자소자 개발의 새로운 방향성을 제시했다”고 말했다. 

[문세영 기자 moon09@donga.com]