△ (왼쪽부터) 안준성 교수, 정용록 박사, 강민구 박사과정, 정준호 박사, 박인규 교수

고려대 세종캠퍼스(부총장 김영) 소속 안준성 교수(전자기계융합공학과)와 △한국원자력연구원 정용록 박사 △KAIST 기계공학과 박인규 교수 △한국기계연구원 정준호 박사 공동연구팀이 `스마트 섬유용 금속/세라믹 나노리본 얀 제조 기술'을 개발했다.

해당 기술과 관련된 논문은 저명 국제 학술지 `스몰 (Small, Impact Factor 13.3, JCR 6.6%)‘의 2024년 03월 온라인판에 게재되었으며, 논문에는 △고려대학교 세종캠퍼스 안준성 교수 △한국원자력연구원 정용록 박사 △KAIST 기계공학과 강민구 박사과정이 공동 제1 저자로 참여했다.

 

스마트 섬유(smart textile)는 기존의 섬유에 디지털 정보 기술이 결합된 신개념 미래형 섬유를 뜻한다. 발광 소자, 배터리, 센서, 엑추에이터 등의 역할을 수행하는 스마트 섬유는 의류패션 산업, 의료 산업, 군용 산업, 스포츠 및 피트니스 산업 등 다양한 분야에 적용되고 있다. 이런 고성능 스마트 섬유를 구현하기 위해서는 나노물질의 우수한 전기적 특성과 기계적 유연성이 확보된 기능성 나노섬유의 사용이 필수적이다.

 

이를 위해 현재까지는 주로 높은 유연성/신축성/가공성을 갖는 유기물 혹은 탄소 계열의 기능성 나노섬유 (ex. 탄소나노튜브/그래핀 섬유 혹은 전기방사 나노섬유) 들을 활용하거나 기존의 섬유에 전도성 나노 물질을 액상/기상 코팅하여 스마트 섬유로 발전시켜왔다.

 

하지만 일반적인 고성능 전자 소자는 대부분 무기물 소재로 이루어져 있기 때문에 스마트 섬유의 응용 분야 다양성과 성능 확보에 물리적인 한계가 존재한다. 특히 반도체 소자에 활용되는 물질인 금속/세라믹의 경우 유기 소자에 비해 전자 소자로서 성능이 매우 우수하며 내구성이 뛰어나지만, 기계적으로 높은 취성을 갖기 때문에 단일 물질로 이루어진 유연한 섬유 형태로 제작하는 것이 극도로 어렵고 현재까지 보고된 바가 거의 없다.

 

최근 새로운 코팅소재/구조를 개발하여 섬유 성능을 향상하는 연구가 많이 진행되고 있지만, 아직 폴리머 및 탄소 계열의 소재의 응용에 국한되며 금속/세라믹 단일 소재로 제작된 기능성 섬유는 개발이 미흡한 실정이다. 따라서 현재까지 개발된 기능성 나노섬유 제조 공정은 물질적 다양성이 부족하고 단일 물질로 제조가 어렵다는 한계점이 존재하며, 스마트 섬유의 성능을 높이기 위해서는 금속/세라믹 나노섬유의 개발이 필수적이다.

 

연구팀은 스마트 섬유용 기능성 나노섬유의 원천적인 재료적 한계점을 극복하고자 범용적 금속/세라믹 나노리본 섬유 제조 플랫폼 기술을 개발하였다. 나노임프린트 리소그래피로 제작한 나노 몰드에 금속을 증착한 후, 플라즈마 식각 공정을 통해 몰드를 식각하면 공중부양된 금속/세라믹 나노리본을 얻을 수 있다.

 

기판과의 접착력이 약해진 나노리본 다발을 얀 (yarn) 형태로 꼬아주게 되면 최종적인 나노리본 얀 형상을 확보할 수 있으며, 이는 대량 생산이 가능하고 다양한 무기물에 적용 가능한 세계 최초의 차세대 얀 제조 공정이다.

△ 금속/세라믹 나노리본 얀 및 응용 분야에 관한 개략도

 

해당 연구에서는 금, 팔라듐, 니켈, 알루미늄, 백금, 텅스텐 산화물, 주석 산화물, 니켈 산화물, 인듐 산화물, 구리 산화물 등 다양한 소자로 나노리본 얀을 제작 가능함을 입증하였다. 또한 개발된 나노리본 얀이 수소, 암모니아 등 그린 가스를 감지할 수 있는 고성능 가스 센서로 활용될 수 있을 뿐만 아니라 물 전기분해, 마찰전기 나노발전기 등 그린 에너지 관련 소자로 효율적으로 응용될 수 있음을 보여주었다. 개발된 무기물 나노섬유는 기존 스마트 섬유용 소자의 한계를 뛰어넘어 의료 산업/패션 산업/군용 산업/헬스케어용 스마트 섬유를 실현하고 사물인터넷 (Internet of Things, IoT)을 섬유에 구현할 수 있을 것으로 기대된다.

 

연구를 주도한 고려대학교 안준성 교수 및 연구를 지도한 KAIST 박인규 교수, 한국기계연구원 정준호 박사는 "개발된 금속/세라믹 나노리본 얀 제작 기술은 스마트 섬유용 기능성 나노섬유 제작 공정의 본질적인 문제인 소재 다양성과 대량 생산의 어려움을 해결할 수 있을 것으로 기대되고, 추후 센서/에너지 소자를 포함한 다양한 나노 전자 소자 제작에 활용될 수 있을 것이다ˮ라며 "이는 나노구조체 제작 기술 및 스마트 섬유 기술의 압도적 선도 국가가 되기 위한 발판이 될 것이다ˮ고 연구의 의의를 설명했다.

 

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단 중견연구자지원사업, 한국기계연구원 기본사업 "초실감 확장현실 기기 구현을 위한 나노기반 핵심제조기술 개발(NK248B)" 과제, 교육부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 지자체-대학 협력기반 지역혁신 사업의 지원을 받아 수행됐다.

 

 

 

 

 

고려대학교 세종캠퍼스 홍보기금팀