전기적 안정성과 누액방지, 기계적 강인성을 동시 확보한 신축성 전도성 섬유 개발
[연구필요성]
웨어러블 헬스케어, 디지털 인터페이스, 스마트 의류 등 차세대 기술의 구현을 위해서는 신축성(strain-tolerant), 내구성(toughness), 전도성(conductivity)을 동시에 갖춘 섬유형 전극개발이 필수적이다. 그러나 기존 섬유형 전극은 딱딱한 전도성 필러나 금속와이어 기반의 구조로 인해 신체 움직임에 따른 반복적인 변형에서 전기적 특성이 쉽게 바뀌고 파손되기 쉬우며, 대면적 대량 생산에도 한계가 있었다. 또한 액체금속 기반섬유는 뛰어난 전도성과 신축성을 지녔음에도, 누액(leakage) 문제와 기계적 안정성 부족, 공정의 제약으로 인해 실제 의류에 통합하기 어려웠다.
이를 해결하기 위해서는 높은 연신 특성을 유지하면서도, 변형에 따른 전도도 안정성을 확보하고, 내구성이 강하며, 산업적 양산이 가능한 섬유형 전극이 필요했으나, 현재까지 이러한 요구조건을 동시에 만족하는 섬유 전극은 부재했으며, 실제 사람크기 이상의 크기로 만드는 것은 매우 어려운 과제였다.
[연구성과/기대효과]
연구진은 본 연구를 통해 액체금속 입자를 기능화된 TPU 고분자와 복합화하여, 전기적 안정성과 누액방지, 그리고 기계적 강인성을 동시에 확보한 신축성 전도성 섬유(Tough and Stretchable condcutive Fiber, TSF)를 개발하였다. 특히 섬유 가공시 고분자 사슬을 화학적으로 활성화시킴으로써, 액체금속 입자간 물리적 응집을 유도하고(Flocculation), 고점도 환경에서도 자체적으로 전도성-강성이중 구조가 형성되는 전략을 사용하였다.
이 기술을 기반으로, 길이 50m에 달하는 전도성 섬유(TSFtw)를 연속적으로 제작하였으며, 이를 실제 의류에 봉제 방식으로 통합하여 실시간 심박 측정(PPG), 무선 통신 기반 디지털 키보드 입력 및 인터랙션, IMU 기반 동작 감지 및, 인터랙티브 디스플레이 제어 등 다양한 스마트 기술을 섬유 내에 구현할 수 있었다.
뿐만 아니라, 해당 섬유는 세탁기 세탁, 10,000번 이상의 반복 스트레칭, 실생활 동작 환경에서도 우수한 전기적·기계적 안정성을 유지하여, 기존 전자섬유의 한계를 극복하였다. 이번 성과는 웨어러블 디바이스의 회로 집적과 신호 전송을 위한 핵심 전극 기술로 평가받으며, 향후 스마트 의료, 재활 모니터링, 스포츠 인터페이스, 메타버스 환경 인터랙션 등 다양한 분야로 확장될 예정이다.
[본문]
서울대학교 첨단융합학부 박성준 교수(의과대학 겸무) 및 연구팀 (이건희 박사, 현 부산대 교수), 이윤흠 박사과정, 서현엽 박사과정)이, 액체금속 복합체 기반의 50미터급 신축성 전자섬유를 연속 생산하고, 이를 실제 착용 가능한 스마트 의류로 구현하는 데 성공했다.
전자섬유는 사용자 친화적인 웨어러블 소자와 헬스케어 기기의 핵심 소재로 주목받아 왔지만, 기존 섬유형 전극은 인체의 움직임에 취약해 내구성과 전기적 안정성이 부족하다는 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 최근에는 기계적 변형에 유연하게 대응할 수 있는 액체금속(Liquid Metal, LM) 기반 전도성 소재가 연구되고 있으나, 누액(leakage) 위험과 대면적 생산의 어려움으로 실제 의류 적용에는 한계가 있었다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 액체금속 입자(LMP, Liquid Metal Particle)를 기능화된 고분자(TPU)로 감싸는 복합화 기술을 개발했다. 특히 고출력 소니케이션(sonication)을 이용해 고분자 사슬의 말단을 화학적으로 활성화하고, 입자 간 물리적 응집을 유도해 자연스러운 상분리(flocculation) 구조를 형성했다. 그 결과, 전도성 영역과 기계적 지지 영역이 이중 구조로 분리된 섬유가 완성돼 누액 없이 안정적인 전도성과 뛰어난 강인성, 신축성을 동시에 확보할 수 있었다.
또한 연구팀은 이렇게 제작된 섬유 여러 가닥을 정밀하게 꼬아내는 비틀림 섬유(TSFtw) 구조를 도입, 실제 봉제가 가능할 정도의 두께와 기계적 강도를 확보했다. 이를 통해 옷감 위에 바느질하듯 전자섬유를 통합할 수 있었으며, 전원, 센서, 처리 모듈 등 다양한 전자 부품을 안정적으로 연결해 운동 중에도 끊김 없는 작동을 구현했다.
개발된 섬유는 얇고 유연하면서도 세탁, 강한 스트레칭, 반복적인 꺾임에도 성능을 유지하며, 의료용 스마트 의류, 웨어러블 인터페이스, 디지털 제어 장치 등 다양한 응용 가능성을 지닌다. 연구팀은 실제로 이 섬유를 이용해 심박 측정 센서, 무선 키보드, IMU 기반 모션 트래커, 인터랙티브 디스플레이가 통합된 디지털 의류를 제작하고, 일상 환경에서의 안정적인 작동을 실험적으로 입증했다.
박성준 교수는 “이번 연구는 기능성 섬유 전극을 산업 규모로 생산할 수 있을 만큼 성능과 안정성을 확보한 사례”라며 “섬유에 전도성과 유연성을 동시에 부여함으로써 실제로 입고 사용할 수 있는 전자기기, 즉 ‘입는 컴퓨터’를 실현하는 데 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재됐으며 (논문명 : Meter-scale heterostructure printing for high-toughness fiber electrodes in intelligent digital apparel), 삼성미래기술육성센터의 연구 지원을 받아 수행됐다.
[연구결과]
Heterostructure Printing for Mass Production of High-Toughness Fiber Electrodes in Intelligent Digital Apparel
Gun-Hee Lee, Yunheum Lee, Hyeonyeob Seo, Kyunghyun Jo, Jinwook Yeo, Semin Kim, Jae-Young Bae, Chul Kim, Carmel Majidi, Jiheong Kang, Seung-Kyun Kang, Seunghwa Ryu, and Seongjun Park
(Nature Communications, in press, https://www.nature.com/articles/s41467-025-59703-4)
액체금속 입자를 신축성 고분자로 감싸는 복합화 기술을 개발함. 고출력 소니케이션 통해 고분자 사슬의 말단을 화학적으로 활성화하고, 입자 간 물리적 응집을 유도해 자연스러운 상분리 구조를 형성함으로써, 전도성 영역과 기계적 지지 영역이 이중 구조로 분리된 섬유를 제작할 수 있었음. 해당 섬유는 누액 없이 안정적인 전도성과 뛰어난 강인성, 신축성을 동시에 가져, 재활 모니터링, 스포츠 인터페이스, 메타버스 인터랙션 등 다양한 분야로 확장될 스마트 의류에 대한 적용가능성을 보임.
[그림설명]
그림. 고내구도, 고안정성을 가지는 신축성 전자 섬유에 대한 모식도