섬유소를 이용한 착용 전자 제품 동향

차세대 착용 전자 제품


차세대 착용 전자 제품은 부드럽고 곡선인 인체에 적합하도록 연성이 뛰어난 새로운 재료를 요구하고 있다. 섬유소 착용 전자 시스템은 이러한 특성을 만족시켜주는 기술로, 나노 전자 소자 기술의 접합을 통해 기존의 섬유소 제품이 제공하지 못하는 특별하고 다양한 기능을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

최근 10년의 나노 기술 개발은 반도체 소자의 소형화 제조 기술을 가속화시키고 있으며, 이러한 기술은 섬유소 소자에 적용해서 1~50마이크로미터 크기에, 종횡비가 50이 넘는 섬유소의 표면이나 내부에 전기적 특성을 이전하거나 생성하는 것이 가능하다. 이러한 섬유소 소자를 통해 현재 대량생산인 1/2/3차원의 방적과 직물 제조를 통해 제품을 보다 효과적으로 양산할 수 있는 특징을 가지고 있다.

이러한 섬유소 조립 기술은 착용형 제품에 적용 가능한 다양한 특성을 가진다. 편안함, 유연성 그리고 높은 비표면적의 특성뿐만 아니라 작은 섬유소 크기로 이루어져 있어 기계적 신뢰성에서 뛰어난 특성이 있다. 섬유소가 가지는 가장 큰 특성은 아래의 2가지다.

첫 번째는 큰 구조적 변형에도 발생하는 변형이 매우 적다는 것이다. 이러한 내변 변형이 결국에는 피로 파괴를 가져오게 되기 때문에 기계적인 신뢰성 측면에서 매우 중요하다.

두 번째는 섬유소 조립에 의한 뛰어난 손상 저항성이다. 섬유소는 그 복잡한 구조에 의해 갑작스러운 구조의 파괴나 균열 전파 등을 방지할 수 있다. 고체 구조나 박막 구조에서 보여지는 어떠한 파괴 구조도 섬유소 구조에서는 관찰되지 않는다.

이 글은 섬유소를 바탕으로 착용 전자 제품의 응용에 있어 다양한 분야에서 그 가능성을 알아보고자 하였다. 헬스 케어, 환경 모니터링, 에너지 전환, 인간과 기계의 인터페이스, 에너지 충전, 통신 및 무선 네트워크 등에서의 적용과 도전체 재료, 제조 기술, 전자 소자 및 제품에 대해서도 정리하였다. 다양한 관련 논문과 출판물을 정리하여 현재 재료의 제한과 제조성과 실제적인 면에서의 소자 개발, 그리고 향후 해결해야 할 문제점 등에 대해 논의하겠다.





전도성 재료

섬유소를 이용한 착용형 전자 소자에서 가장 중요한 점은 제조에 사용되는 재료의 선택이며 높은 캐리어 이동도와 전기적 특성을 가지고 있느냐 하는 것이다. 또한 기계적인 특성, 안전성 그리고 환경적인 안전성 등도 중요한 요건이 된다.

유연하고 부드러운 도체 혹은 반도체 재료의 개발은 전기적, 화학적, 물리적 특성 때문에 섬유기반 착용 전자소자에서 매우 중요하다. 이러한 재료들은 유연의 광학, 전기 소자와 화학적, 생물학적 센서 소자 적용에도 가능성이 매우 크다.

‧ 전도성 폴리머

섬유소를 이용해 직물을 만드는 독특한 공정 때문에 섬유소 재료는 스마트 의류의 재료로서 가장 이상적이다. 전기적 특성을 직물섬유소에 적용하기에는 아직 기술적으로 어려워 많은 수의 재료가 연구되지는 않고 있다. 

가장 가능성이 높은 재료로는 저분자 폴리머를 근간으로 하는 재료들로서, 이는 폴리머 재료가 가지는 전기적, 화학적, 물리적 특성들을 쉽게 변화시킬 수 있는 성질을 효과적으로 이용할 수 있기 때문이다.

최근 연구에 따르면 기존의 환경적인 불안전성을 극복하고 실용적인 유연과 팽창성을 가지는 전도체 반도체 재료의 제조에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

‧ 탄소계 마이크로/나노 재료

탄소 나노튜브(CNT)를 근간으로 하는 재료는 높은 전자이동도, 기계적 특성, 환경적 안정성 그리고 낮은 제조 단가 등의 특성으로 인해 FET(field effect transistor) 및 투명 전극으로서의 재료에 매우 효과적이다. 이미 다공성이고 높은 기계적 특성을 보이는 탄소 섬유, CNT, 그래핀 등은 많은 연구 대상으로 각광을 받고 있다.

특히 CNT와 그래핀이 주요 전극재 연구 대상으로 각광을 받고 있다. 또한 높은 비표면적, 화학적 안정성 등의 특징으로 인해 에너지 저장체의 전극 재료로서도 많은 연구가 이루어지고 있다.

‧ 금속 나노 분말/나노와이어


나노와어어, 나노 분말 등은 매우 높은 전도성을 가지기 때문에 섬유소계 플렉시블 착용형 전자 제품에 매우 효과적이다. 최근 금속 나노와이어를 이용한 탄성 직물 전극으로 높은 신뢰성과 전력 발생 특성을 보인 압전형 나노 발전기를 인간의 도보(walking)에 적용한 연구 결과가 보고되기도 하였다[4]. 또한 2차원적인 금속 박막 구조보다 3차원적인 구조를 형성하여 더욱 높은 전기적 특성과 신뢰성을 가지게 하여, 전극의 변형 사이클에 저항성을 높이는 것이 가능하다.

‧ 섬유소계 전극


섬유소계 전극 재료는 가볍고 견고하며 유동적이고 또한 접을 수 있으며 편안한 특성을 가지고 있어 착용형 전자 제품에 이상적이다. 다양한 용도에 대한 연구가 진행되고 있으며, 주로 CNT나 구리, 은, 니켈합금, 스테인리스스틸로 제작되며, 표면 코팅, 도금 프린팅, 라미네이션 등의 방법으로의 유전체 직물로 제조되기도 한다. 따라서 다양한 재료와 제조 방법에 따라 여러 형태의 혼합 또는 복합된 구조를 가진다.

이와 같이 직조된 직물 전극 재료는 신뢰성 있는 전기 발생기에 중요한 역할을 하게 된다. 그림 1은 PVDF/NaNbO3 나노콤포지트 재료와 은 도금 직물 전극 재료로 만들어진 압전 나노 발전기의 구조와 특성을 보여주고 있다. 이 발전기는 백만번의 압축 주기성 실험을 통과하는 신뢰성을 보여주었다.

표면 실장 기술


전자 부품에서 사용되는 표면 실장 기술은 섬유소 산업에서도 사용되는데, 이것이 라미네이션 공법이다. 박막 형태의 소자들은 열소성 접착제에 의해 기존의 직물제품에 접합되어진다. 이외에도 스크린 프린팅, 디지털 프린팅 그리고 코팅의 방법들을 이용해서 기존의 직물 제품에 전기적 특성을 가지는 소자들이 제작되어진다. 이러한 방법의 가장 큰 장점은 실온에서 저렴하고 간단한 방법을 통해 제조가 이루어진다는 점이다. 그림 2에 표면 실장법으로 직물 위에 MEMS 소자를 제조하는 공정을 나타내었다.

전도성 나노코팅 기술


전도성 나노코팅 기술은 섬유소 내에 전기적 특성을 융합시키고, 착용형 전자 제품의 성능과 기능을 향상시키는데 효과적인 기술이다. 적절한 코팅 기술은 원하는 기능들을 제공하고 또한 높은 내구성을 가지는 적절한 계면층을 제공하게 된다. 섬유소 표면 구조의 변경 및 수정은 공유 또는 이온결합과 같은 강력한 표면력을 유도하는데 필수적이다.

하지만 원하는 전기적 특성을 적용시키면서 저렴한 제조가를 가지는 내구성 높은 나노레벨의 코팅을 실현할 것인가 하는 가장 큰 도전에 직면해 있다. 진공 상태가 아니면서도 저렴하고 저온에서 가능한 공정이 요구된다.

자기 조직화 기술


새로운 자기 조직화 기술(Self-Organizing Technologies)을 통해 섬유소계 소자의 개발이 보고되고 있다[7]. 예를 들어 압전체 ZnO 나노와이어를 섬유소 주위에 성장시켜 섬유소계 마이크로 슈퍼 축전지(super capacitor, SC)를 얻을 수 있었다.

2개의 섬유소 전극으로 이루어진 SC는 고품질의 ZnO 나노와이어의 어레이로 형성되었고, ZnO 나노와이어는 자기 배열 방법을 이용한 열수(hydrothermal) 방법으로 준비되어진다.

전자 부품 소자 및 응용


E-Textile 소자


초기의 전자 섬유는 대부분 부피가 크고 각종 전자 장치가 복잡하게 장착되는 형태로 구성되어 섬유의 유연함과 편안함을 기대할 수 없었지만, 최근 섬유와 IT 기술 간의 기술 융합이 활발히 이루어지면서 실 형태의 우수한 전도성 섬유가 개발되고 있으며 프린팅 기법을 이용하여 직물 구조의 유기 트랜지스터(Textile Organic Transistor)까지 구현하는 등 미래 전자 섬유의 새로운 가능성이 예고되고 있다.

‧ 섬유소 트랜지스터


보고된 섬유소 트랜지스터는 2개의 카테고리로 나누어진다. 하나는 섬유소 유기 FET(OFET)이며, 다른 하나는 와이어 전기화학 트랜지스터 WECT(Wire Electochemical Tran-sistors) Fiber이다(그림 3). OFET(Organic Field-effect transistors)의 경우는 섬유소의 4층으로 이루어진 원기둥형 박막 구조에 무기질이나 폴리머 유전체의 절연 재료가 감싸고 있으며, 금속과 전도성 폴리머의 접속과 게이트의 연결을 위해 전도성 재료가 사용되어진다. 이러한 OFET에 비해 WECT는 국부적 구조에 따른 영향이 적고 또한 제조 방법이 용이한 장점이 있어 보다 실용적인 기술이다.

‧ 패브릭 안테나

많은 논문들이 패치 안테나에 대해 발표되었는데, 이는 주어진 공간에서 소형화를 시킬 수 있고, 다른 기능들과 통합이 용이하며 효과적인 방사 방향을 가지기 때문이다. 전형적인 직물 패치 안테나는 위쪽과 아래에 전도층으로 안테나와 그라운드층을 형성하고 중간에 유전체를 사용하여 기판을 형성하게 된다. 이러한 안테나를 통해 유비쿼터스 무선 전송의 방법으로 헬스 케어 및 개인적 착용형 전자 제품에 사용될 수 있다.

이러한 안테나는 전도층과 유전층을 동시에 필요로 하기 때문에 다양한 특성들이 요구되어진다. 전도층은 낮은 저항성을 가지며 균일한 저항 특성을 보여주면서 유연과 팽창성의 특성을 만족시켜야 한다. 유전층의 경우는 유전 상수와 두께가 안테나의 주파수대역과 효율성을 결정하기 때문에 섬유소의 습기 흡수에 따른 유전 특성의 변화가 없거나 변화가 최소화되어야 한다. 또한 휨이나 팽창, 압축 등에 의해서 유전체의 두께의 변화가 없어야 하는 등 많은 요구 사항이 따른다.



‧ 전기 커넥터

전기 커넥터는 다른 전자 소자들 사이의 전기적 연결을 제공한다. 착용 전자 제품에서, 가장 용이한 접근 방법은 가능한 많은 변형을 가지는 커넥터를 이용하고 신축성을 가지는 전기 커넥터로 전자 소자들을 연결하는 것으로 3가지의 접근 방법이 있다. 첫 번째는 새로운 신축성이 있고 탄성이 있는 전도성 재료를 개발하는 것이다.

특히 그래핀, CNT를 이용한 탄성 재료를 사용한다. 두 번째 방법은 구조적인 변형으로 기존의 무기질 재료를 신축성이 있는 커넥터로 바꾸는 것이다. 폴리우레탄 재료 위에 평면 형태의 뒤틀린 그물망 또는 편자형 구조, 그리고 3D 코일 형태의 실리콘 나노와이어 등이 이러한 종류에 속한다.

세 번째 방법은 높은 신축성을 가지고, 3차원적으로 변형 가능한 탄성 섬유 구조를 가지는 것이다. 전도성 금속 와이어가 직물에 통합되어 섬유 회로망을 형성하게 되고, 신축성 인터커넥션을 위해 금속 박막이 직물 위에 증착되기도 한다.

‧ 섬유소를 이용한 회로


잉크젯이나 전통적인 프린팅 방식을 사용한 전자 소자가 회로를 형성하는 방법이 가능성이 많이 고려되고 있다. 다른 방법으로는 전도성 섬유소를 엮어서 직물 형태로 만드는 것이다. 그림 4에서와 같이 WCET와 금속 와이어를 이용해 전기적 특성을 가지는 다차원적인 망목 구조를 형성하여 로직 소자와 메모리 소자의 기능을 가능케 하였다.

이러한 방식의 가장 큰 문제점은 안전한 기능을 가지는 기본 섬유소 전자 기능체가 적고 또한 뛰어난 유연성을 가지지 못한다는 것이다. 이에는 2가지 이유가 있는데, 첫째는 유기 재료의 전하 이동도가 낮으며 두 번째는 전도체 부분들이 착용형 전자 제품에서 요구하는 특성들을 충족시키지 못하기 때문이다.

또한 E-Textile과 다른 전자 파트와의 패키징과 인터그레이션 그리고 커넥션에 대해서도 많은 개발이 있어야 한다. 특히 패키징과 커넥션은 조립과 사용 중의 계속적인 마찰과 변형에도 견디는 내구성을 가져야 하는 동시에 또한 유연성도 충분해야 한다.

센서와 센서 네트워크



섬유소를 이용한 전자 기술에서 가장 완성도가 높고 성공적인 제품이 섬유소 센서이다. 이러한 센서 종류에는 변형 센서, 압력 센서, 화학 센서 그리고 광학 습도 센서 등이 있다.

착용형 에너지 수확 및 저장



‧ 착용형 에너지 변환기


차세대 착용형 전자 시스템에서는 외부적인 에너지의 공급이 아닌 주위 환경 또는 인간의 활동으로부터의 에너지를 얻는 에너지 수확 장치가 필요하게 된다. 따라서 전기에너지를 가함에 따라서 변형이 일어나고 강한 힘이 발생하며 변위 발생 구조가 간단한 특성을 가지는 압전 소자를 이용하여 저전력과 이동이 용이한 소자 개발이 이루어지고 있다.
특히 유연 압전 에너지 수확 소자는 소재의 유연성으로 인하여 작은 진동에도 발전이 가능하며 복잡한 형상이나 다양한 영역에 적용이 가능하여 저용량 에너지원으로 크게 부각되고 있다.

현재 유연 압전 에너지 수확의 연구 방향은 크게 폴리머 압전 재료를 이용하는 경우, 압전 복합 재료를 이용하는 경우, 나노 구조체를 이용하는 경우, 박막 전사 공정을 이용하는 경우로 나눌 수 있다.

그림 5에 2006년부터 현재까지의 압전 나노 발전기를 통한 개발을 보여주고 있다 특히 최근 몇 년간 전압과 전력 모두에서 큰 향상을 보여주고 있다.



‧ 착용형 에너지 저장

고성능의 착용형 전자 제품을 개발하기 위해서는 경량 및 연성이 있는 전력 공급원과 저장 장치가 필요하다. 이러한 장치 없이는 진정한 착용형 시스템의 사용에 큰 제한이 있기 때문이다. 현재 리튬 이온 배터리나 SC가 집중적으로 연구되고 있다. 섬유소 배터리도 나선형, 나노 박막을 이용한 필름 형태, 신축성이 있는 전극 재료, CNT와 실리콘 나노와이어로 형성된 꼰 형태의 와이어 등 다양한 형태로 그 가능성에 대한 연구가 진행되고 있다.

전기화학 축전지(electrochemical capacitors)라고 불리는 섬유소를 이용한 SC는 다른 배터리 재료에 비해 큰 특징을 가지며, 충전 속도가 빠르고 높은 전력밀도 안전한 충전 주기 등의 특성을 보인다. 이러한 SC는 그 작동 원리에 따라 2층 축전지, pseudo 축전지 그리고 혼합형 축전지로 나눌 수 있다.

앞으로 섬유소나 섬유, 직물 등을 이용하여 에너지 변환기와 저장 기능을 하나의 소자에 집적하는 것이 필요하다. 따라서 균형 잡히고 체계적인 계획을 통해서 소자의 구조, 작동 원리, 그리고 재료의 선택, 임피던스 일치 등을 조절하고 최적의 특성을 가지는 재료로 디자인해야 한다. 하지만 아직까지 에너지 변환 효율을 높이고 저장 용량을 최대화시키는 등 많은 노력과 개발이 필요하다.

1) 전기적, 열적, 기계적으로 상이한 특성을 가지는 다양한 재료 선택 가능
2) 나노, 마이크로, 마크로 크기에서의 3차원의 복잡한 구조

현재까지는 단순한 시스템의 섬유소 또는 재료와 각 단위 공정과 같은 부분에 치우쳐 연구가 진행되어왔으나 앞으로는 더욱 복잡하고 통합적이고 체계적인 연구를 통해서 기능이 향상되어지고, 또한 기초 이해의 폭이 넓어짐에 따라 소자와 시스템을 통합하는 디자인 툴에 대한 연구도 같이 이루어져야 할 것이다.

분석자 결론



오늘날 우리는 수많은 디지털 제품에 둘러싸여 디지털화된 정보를 주고받으면서 살고 있다. 또한 거대한 디지털의 물결 속에 우리 주변의 모든 것이 빠르게 디지털화되거나 디지털과 결합되는 것을 경험하고 있다. 이렇게 많은 것들이 디지털화되는 것은 디지털 방식이 기존의 아날로그 방식에 비해 많은 장점을 가지고 있기 때문이며, 섬유 및 의류계도 예외가 아니다.

향후 전자 섬유 시장은 그 응용성에 의해 더욱 확대될 것이며, 시장 규모나 확대 전망 면에서 헬스 케어/의료용 전자 섬유 소재 분야가 더욱 유망할 것으로 예상된다. 특히 이들 분야는 선진국에 비해 기술 격차가 심하고 국내 기반 기술을 공유하거나 공동으로 개발하는 인프라가 부족한 분야인 만큼 장기적인 안목의 지원과 투자가 필요하다.

전자 섬유 분야는 IT 기기를 부착하는 수동형 단계를 벗어나 섬유 자체가 신호 전달이 가능한 형태로 발전되어야 하며, 더 나아가 섬유 스스로 신호의 전달, 생성, 에너지 수급 등이 가능한 전자 섬유 시스템으로 발전되어야 한다. 여기에 의료, 안전, 오락 등 용도별로 세분화된 연구 체계를 갖추고 목표 완제품에 합당한 기능을 복합적으로 추구하는 방식으로 개발이 진행되어야 할 것이다. 신개념 전자 섬유 소재/소자 연구를 통해 개발 환경을 개선할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.

전자 섬유는 섬유소에 디지털 기술이 접목된 스마트 섬유소로 퓨전 기술에 의해 탄생한 제품이라고 할 수 있다. 디지털 섬유소는 단순히 센서나 휴대폰과 같은 전자 기기를 섬유소에 장착한 전자 섬유소(electronic-Textile)와 인체와 상호 정보 교환이 가능한 지능형 섬유소(intelligent-Textile)로 나눌 수 있다. 하지만 최근에는 전자 섬유소와 지능형 섬유소의 구분을 허무는 제품들이 많이 출시되고 있어 이러한 구분이 특별한 의미를 가지지는 못한다. 디지털 섬유로 만들어진 스마트 의류는 일상적인 목적 이외에도 의료, 통신, 센싱, 군사, 소방 등 다양한 분야에도 활용될 수 있다.

우리나라는 반도체, 디스플레이, IT 강국으로서 많은 전자 디바이스 제작 능력 및 설비의 인프라가 이미 확보되어 있는 상황이라서 기존의 다른 선진국에 비해 월등한 속도로 이러한 기술 개발을 진행할 수 있는 장점이 있다. 또한 지난 수십 년간의 섬유 산업 기술의 노하우와 제직 기술이 축적되어 있는 상태이다. 따라서 이러한 전기전자, 섬유 설비 인프라 및 노하우를 바탕으로 신개념의 섬유소 원천 소재 및 디바이스 구조 개발, 제작 능력의 결합을 통하여 새로운 섬유 산업 및 나아가서는 전기전자/디스플레이에의 응용이 가능할 것이다.

이러한 신개념의 능동형 전자 섬유 소자의 소재 및 공정의 개발은 최근 이슈화되고 있는 친환경/녹색 성장과도 밀접한 연관을 가지고 있다. 즉, 이러한 신개념의 전자 섬유 소자는 기존의 오염원을 방출하는 포토그래피 방식이 아닌 프린팅 방식과 제직 기술을 이용함으로써 공정 단가의 감소와 더불어 기존의 메탈, 유해성 고분자 물질, 에칭 용액 등을 사용하지 않아 인체에 치명적인 유해 물질을 감소시킬 수 있으며, 진공 공정을 획기적으로 줄여 장비 및 공정에서의 전력 소모를 감소시켜 친환경적인 녹색 공정에 가장 적합한 방식이 될 수 있다. 아직 전 세계적으로 이러한 능동형 전자 섬유 소재/소자/시스템의 개발은 극히 초기 단계이므로 현시점에서 학계를 바탕으로 선진 연구를 수행한다면 향후 도래할 능동형 전자 섬유 시장에서 원천 소재/소자 기술을 확보하여 전 세계적인 기술 흐름을 주도적으로 이끌 수 있으리라 확신한다.

결론적으로 새로운 응용 기술을 이끌어 나갈 섬유소 전자 소자의 개발과 그 응용의 확대는 소자 기술의 양산성, 경제성, 응용 및 특성 조절성을 골고루 갖추었는가에 달려 있으며, 이러한 새로운 나노 기술, 새로운 재료 및 응용 분야의 개발로 또 스마트 디지털/발전 및 저장 기술의 패러다임의 변화가 일어날 것으로 기대된다.

환경 및 의료/건강용 첨단 능동형 전자 섬유소 소재/소자 개발은 더욱 시급한 과제임이 분명하다. 전자 섬유는 IT 기기를 부착하는 수동형 단계를 벗어나 섬유소 자체가 신호 전달이 가능한 형태로 발전되어야 하며, 더 나아가 섬유 스스로 신호의 전달, 생성, 에너지 수급 및 저장 등이 가능한 통합적인 전자 섬유소 시스템으로 발전되어야 한다. 여기에 의료, 안전, 오락, 통신, 자동차, IoT, 센서 등 용도별로 세분화된 연구 체계를 갖추고 착용 전자 완제품에 합당한 기능을 복합적으로 추구하는 방식으로 개발이 진행되어야 할 것이다.