빛, 압력, 냄새, 맛까지 감지하는 똑똑한 섬유 등장! 웨어러블 미래기술 바꿀 차세대 섬유 탄생 / DGIST-KAIST-아주대학교-숭실대학교 공동연구팀, 다기능성 3차원 구조의 차세대 섬유 개발

빛, 압력, 냄새, 맛까지 감지하는 똑똑한 섬유 등장! 웨어러블 미래기술 바꿀 차세대 섬유 탄생

DGIST-KAIST-아주대학교-숭실대학교 공동연구팀, 다기능성 3차원 구조의 차세대 섬유 개발

연구결과는 신소재 분야 세계적 학술지‘Advanced Fiber Materials’ 표지 논문으로 선정

 

▶DGIST-KAIST-아주대학교-숭실대학교 공동연구팀

▶3차원 액정성 섬유 제조를 위한 습식방사 공정의 모식도

▶3차원 액정성 섬유 센서의 다기능성 평가에서 수소 이온 농도, 암모니아 가스, 광 감지, 기계적 변형에 반응하는 3차원 액정성 섬유 센서로서의 활용성을 입증했다.

 

DGIST(총장 이건우) 로봇 및 기계전자공학과 김봉훈 교수팀이 사람의 오감을 흉내 내는 반도체 섬유 기반의 다기능 센서를 개발했다.

 

이번 연구는 KAIST 김상욱 교수팀, 아주대학교 김장환 교수팀, 숭실대학교 김지웅 교수팀과의 공동연구로 진행됐으며, 개발된 기술은 웨어러블 사물 인터넷(IoT) 전자소자나 소프트 로봇(Soft robotics) 같은 다양한 첨단 기술 분야에 활용될 것으로 기대된다.

 

연구팀이 개발한 반도체 섬유 센서는 기존 1차원 섬유 센서보다 훨씬 정교하고 다양한 기능을 갖췄다.

 

특히, 이 센서는 섬유 안의 독특한 구조 덕분에 외부 환경 변화에 민감하게 반응한다.

 

이를 통해 빛, 화학물질, 압력뿐만 아니라 pH(산성도), 암모니아(NH3), 기계적 변형 등 다양한 환경 정보를 동시에 측정하고 모니터링할 수 있다.

 

이러한 기술은 사람의 오감처럼 여러 신호를 한 번에 감지하고 처리할 수 있는 센서 플랫폼을 새롭게 제안했다.

 

이번 연구에서는 이황화몰리브덴(이하 ‘MoS₂’)을 활용한 특수한 제작 공정을 통해 3차원 형태를 자유롭게 조절할 수 있는 섬유를 만들었다.

 

 

특히, 섬유를 리본 모양으로 뽑아내는 과정에서 자연스럽게 형성된 3차원 나선형 구조는 섬유의 곡선을 정밀하게 조정할 수 있게 해준다.

 

이렇게 제작된 섬유는 MoS₂가 가진 우수한 전기적·기계적 특성과 섬유 안의 정렬된 구조 덕분에 높은 성능을 발휘하며, 다양한 환경 정보를 감지할 수 있는 잠재력을 보여줬다.

 

김봉훈 교수는 “이번 연구로 이황화몰리브덴 같은 2차원 나노소재의 활용 범위가 크게 확장됐다”며, “앞으로도 다양한 재료를 활용해 웨어러블 기술에 필요한 신호를 정확히 측정할 수 있는 기술을 계속 연구하겠다”고 밝혔다.

 

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 "글로벌 생체융합 인터페이싱 선도연구센터(ERC)" 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과(제1저자: DGIST 박준현 박사과정생, 이수언 박사과정생, 아주대학교 김장환 교수, 숭실대학교 김효경 연구원)는 섬유 및 신소재 분야의 세계적 학술지 ‘Advanced Fiber Materials’(Impact Factor: 17.2, JCR 상위 1.7%)에 표지논문으로 게재됐다.

 

연 구 결 과 문 답

이번 성과 무엇이 다른가		이번 연구는 기존의 1차원 섬유 기반 센서 기술과 달리, 3차원 구조를 가진 액정성 섬유를 개발했다는 점에서 차별화된다. 특히, 2D 나노소재를 활용하여 섬유의 기계적 강도와 전기적 특성을 동시에 개선하였으며, 습식방사 공정의 매개변수를 정밀하게 조절하여 구조적 비대칭성를 구현하는 데 성공했다. 이를 통해 단순한 섬유 형태를 넘어선 다기능 센싱 기술의 새로운 가능성을 제시했다.
어디에 쓸 수 있나		개발된 나선형 섬유는 웨어러블 IoT 디바이스와 소프트 로보틱스에서 핵심적으로 활용될 수 있다. 예를 들어, 신체 움직임, 땀의 수소 이온 농도 변화, 광 감지 등을 실시간으로 측정하여 웨어러블 건강 모니터링에 사용할 수 있으며, 환경 센서로 활용하여 유해 가스(NH₃)를 감지하거나 구조물의 변형 상태를 실시간으로 분석할 수 있어 다양한 분야에서 혁신을 가져올 수 있다.
실용화까지 필요한 시간은		대량 생산 공정의 확립, 그리고 실제 상업적 응용을 위한 시장 검증 등에 따라 달라질 수 있다. 특히, 2D 나노소재의 대량 생산 기술 개발과 안정성 검증이 실용화를 앞당기는 핵심 과제가 될 것이다.
실용화를 위한 과제는		실용화를 위해서는 안정적인 대량 생산 기술 확보가 가장 중요한 과제이다. 특히, 나선형 섬유를 균일하게 제조할 수 있는 습식방사 공정의 상업적 확장이 필요하다. 또한, 섬유가 장시간 실사용 환경에서도 성능을 유지할 수 있도록 내구성과 신뢰성에 대한 장기적인 검증이 요구된다.
연구를 시작한 계기는		2D 나노소재가 가진 독특한 물리적 특성과 섬유 시스템의 기계적 유연성을 결합하면 기존에 없던 혁신적인 센서 및 디바이스를 개발할 수 있다는 가능성에 주목했다.
어떤 의미가 있는가		고감도와 다기능성을 동시에 가진 센서를 개발함으로써, 기존 기술이 해결하지 못한 문제들을 극복할 수 있는 가능성을 열었다. 이는 환경 모니터링, 건강 관리, 산업 안전 등 다양한 분야에서 응용될 수 있어, 차세대 스마트 기술의 핵심 기반을 마련했다고 평가할 수 있다.
꼭 이루고 싶은 목표는		본 연구에서 제안한 민감도 및 다기능성의 효율을 높여 웨어러블 뿐만 아니라 로봇틱스, 우주 항공 같은 다양한 분야에 활용할 수 있도록 연구 개발을 이루고 싶다.

<김진일 기자>

 

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