‘맞춤형 스마트 의류’ 구현한 친환경 전자 섬유 기술 세계 최초 개발

- 기계연-카이스트, 극초단 펄스 레이저 기반 그래핀 전자섬유 개발

- 헬스케어, 산업용, 군사용 등 차세대 개인 맞춤형 전자섬유 대량생산 기대

□ 개인 맞춤형 전자섬유 구현을 위한 멀티모달* 그래핀 전자섬유가 세계 최초로 개발됐다. 헬스케어, 산업용, 군사용 등 다양한 분야에서 ‘맞춤형 스마트 의류’를 대량 생산할 수 있을 것으로 기대된다.

    * 멀티모달(Multi-Modal)은 시각, 청각 등의 여러 감각 인터페이스를 통해서 정보를 주고받는 것

<기계연 권순근 책임연구원(왼쪽), 카이스트 김영진 교수(가운데), 카이스트 양동욱 박사과정(오른쪽)>

□ 과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연) 나노공정장비연구실 권순근 책임연구원과 카이스트(총장 이광형) 기계공학과 김영진 교수 공동연구팀은 세계 최초로 그래핀 소재 기반의 개인 맞춤형 전자 섬유를 개발하고, 관련 내용을 재료, 화학 분야 저명 학술지 ‘ACS Nano (IF = 18.027)’에 발표했다. 

     *게재명: Multimodal E-Textile Enabled by One-Step Maskless Patterning of Femtosecond-Laser-Induced Graphene on Nonwoven, Knit, and Woven Textiles (2023.10.10.)

□ 기계연과 카이스트 공동연구팀은 독성의 화학물질이나 패터닝용 광학 마스크를 사용하지 않고, 레이저 직접 패터닝 기술*로 전자 섬유 위에 레이저 유도 그래핀*을 형성시켜 그래핀 기반 전자 섬유를 성공적으로 제조했다. 

    * 섬유 표면에 레이저를 직접 쏴서 레이저가 닿은 부분만 소재 변환이 이뤄질 수 있게 기능성 소재의 패턴을 제작하는 기술

    * 폴리머 필름이나 섬유 표면에 고출력 레이저를 조사하면 광에너지가 표면에서 열에너지로 변환되면서 레이저가 조사된 부분에 순간적으로 탄소 소재가 제작됨. 제작된 탄소 소재의 결정 구조가 2차원 나노신소재인 그래핀과 유사한 특성을 보여 “레이저 유도 그래핀”으로 명명됨

<섬유상 레이저-유도-그래핀 생성 및 전자 섬유 응용>

□ 기존의 전자섬유 제조 기술은 전도성 잉크를 섬유에 코팅해 전도성 섬유를 제작한 뒤 일반 섬유와 함께 직조하는 방법과 기능성을 가진 얇은 막을 일반 섬유에 붙여서 제조하는 방법으로 나뉜다. 이 방법은 다양한 디자인을 생산하기 어렵고, 공정 과정에서 유해화학물질 유출 등 공정 과정이 위험하고 복잡해 대량생산에는 제약이 있다. 

□ 이번에 개발된 기술은 섬유 표면에 간단히 레이저를 쏘는 것만으로 세계 최고 수준의 전기전도 특성을 갖는 고품질 레이저 유도 그래핀 소재를 생산하며, 화학약품이나 추가 가공 없이 친환경적으로 제작할 수 있는 장점이 있다. 또한, 펨토초 레이저 공정 기술*을 적용해 세계 최고 수준의 레이저 유도 그래핀 전극의 전기전도 특성을 구현했다. 

    * 매우 짧은 펄스 폭과 높은 출력의 극초단 레이저를 이용한 재료 가공 기술로 일반 레이저 대비 재료의 손상이 거의 없고, 미세 패턴 제작에 유리한 공정 기술

□  개발된 기술은 향후 개인의 건강관리를 위한 헬스케어나 산업용, 군사용 의류 등 맞춤형 스마트 의류 제품에 활용될 수 있다.  

□ 기계연 권순근 책임연구원은 “개발된 기술은 일반 섬유 구조를 분석해 최적의 전자 섬유 기능을 우수한 특성을 갖는 그래핀 소재로 구현한 최초의 결과”라며 “기존 생산방법을 벗어나, 친환경적이고 간단한 방식으로 맞춤형 전자 섬유를 대량 생산할 수 있다는 점에서 중요한 의미가 있다”고 밝혔다. 

□ 한편, 이번 연구는 기계연 기본사업 ‘나노기반 옴니텍스(Omni-TEX) 제조 기술 개발’ 과제의 지원을 받아 수행됐다.