현재, 웨어러블 디바이스라고 하면 스마트 워치나 구글 글라스와 같은 액세서리 형태의 디바이스를 떠올릴 수 있다.

그러나 진정한 의미에서 ‘웨어러블 디바이스’는 우리가 항상 입고 있는 옷과 같은 형태의 직물형 웨어러블 디바이스이며, 머지않아 이 분야는 많은 주목을 받을 것으로 예상된다.

그 배경으로, 현재의 액세서리와는 달리 직물과 일체된 형태이므로 직물이 가지는 변형에 대한 자유로움을 가질 수 있고 소형화가 가능하기 때문이다.

특히, 위급상황에서 여러 가지 위험요소를 감지하는 센서와 이를 무선통신을 이용해 전달하는 등의 기능이 필요한 산업용 의복의 경우를 생각할 때 더욱 더 직물형 웨어러블 디바이스 개발의 필요성이 대두되고 있다.

이러한 직물형 웨어러블 스마트 디바이스를 구현하기 위해서는 필수적으로 전기전도성이 우수한 전도성 섬유가 필요하게 된다. 말하자면 전도성 섬유는 섬유형태의 전극역할을 수행하게 된다. 현재 사용되는 전도성 섬유는 대전방지나 발열 등의 단순한 기능을 수행하고 있다.

하지만, 미래 웨어러블 디바이스에서 전도성 섬유는 △소자를 구현하기 위한 전극 △소자를 연결하는 배선전극 △에너지를 생성 저장하는 소자의 전극 △신호를 전송하는 안테나 역할 등 매우 다양한 기능을 발휘할 수 있다.

탄소나노소재 기반 웨어러블 디바이스 뜰 것

■ 전도성 섬유의 기술개발 동향

전도성 섬유를 웨어러블 디바이스에 사용하기 위해서는 기계적 물성, 환경신뢰성 및 세탁성, 신체 적합성의 다양한 요구조건을 만족시켜야 한다. 현재 제조 가능한 전도성 섬유로는 금속사, 금속코팅사, 전도성 고분자 코팅사, CNT(탄소나노튜브) 섬유, 그래핀 섬유 등이 보고되고 있다.

금속사의 경우 전기전도도는 매우 우수하나 섬유 고유의 기계적 특성 구현이 어렵고 신체적합성에 문제가 발생할 수 있으며, 세탁성을 부여하기 어려운 단점 등을 지니고 있다.

금속코팅사이나 전도성 고분자 코팅사의 경우 전기전도도가 낮아 대전방지 등의 용도로 밖에는 사용이 불가능하다. 이러한 문제점을 극복할 수 있는 대안으로 제시되고 있는 것이 CNT나 그래핀과 같은 탄소나노소재를 이용한 전도성 섬유이다.

◇ CNT 섬유

CNT를 섬유소재로 응용하기 위해서는 번들형상 또는 엉킴현상 등의 응집특성을 해석하고 분산을 통한 분리-재정렬 과정을 반드시 해결해야한다. CNT를 이용한 섬유 제조방법은 그 제조방법에 따라 건식법과 습식법으로 나뉠 수 있다.

2002년에 중국 칭화대학교의 S. Fan교수팀은 건식공정에 의해 다중벽 CNT를 기판에 수직으로 성장시켜 CNT 포레스트를 제조하고 이를 CNT 간 반데르발스 힘(van der Waals force)을 이용해 누에고치에서 실을 뽑듯이 꼬아서 수십 센티미터 길이의 순수한 전도성 CNT 섬유로 제조했다.

한편, 2004년 영국 캠브리지 대학교의 Windle 교수팀은 CNT 합성할 수 있는 합성로를 수직으로 위치시킨 후 촉매와 소스를 주입해 합성돼 밑으로 나오는 CNT를 직접 꼬아서 전도성 섬유를 만드는 방법을 제안한 바 있다. 이렇게 제조된 전도성 섬유는 매우 우수한 기계적, 전기적 특성을 나타낸다.

2007년에 미국 로스앨러모스 국립연구소의 Yuntian Zhu 등은 더욱 개선된 건식공정으로 Superthread 섬유를 제조했는데 약 50GPa의 강도를 지니며 같은 무게의 강철에 비해 약 100배의 강도를 보이는 것으로 보고됐다.

그러나 표면이 매우 거칠어 박막적층구조를 지니는 구동소자나 디스플레이 소자 등의 제조에 부적합하고 사용 중 CNT가 인체에 노출될 우려가 있다.

습식방사법에 의한 탄소나노소재 전도성 섬유 제조에 있어서는 어떻게 용액 내에 고농도로 탄소나노소재가 잘 분산된 분산액을 제조하느냐가 관건이다.

기존의 방법은 손쉽게 접근이 가능한 계면활성제와 같은 분산제를 이용해 CNT를 용매에 분산하고 이를 고분자 용액에서 고체화시켜 섬유를 제조하는 방법이 제안됐으며, 2004년 Rice대학의 Smalley 교수팀은 초산를 이용해 단일벽 CNT를 분산, 액정 상으로 제조 후 섬유를 제조하는 방법을 보고했다.

그러나 분산제를 사용한 분산액의 경우 섬유제조 후 분산제가 다량 남게 돼 고전도성을 구현하기 어렵다. 그리고 초산을 사용하는 경우 고전도성, 고강도 섬유의 제조가 가능하지만 고가의 특정 단일벽 CNT만이 가능한 재료적 한계와 고분자 매트릭스와 복합된 형태로 전도성 섬유 제조가 불가능하다는 한계를 지니고 있다.

이에 대한 대안으로 한국전기연구원에서는 분산제를 사용하지 않고 고분산성 고농도 탄소나노소재 분산액을 제조할 수 있는 획기적인 방법을 제안한 바 있다.

탄소나노소재에 다중수소결합이 가능한 관능기를 도입할 경우 탄소나노소재 간 반데르발스 힘을 극복할 수 있어 용액 내에서 탄소나노소재끼리 응집되어 침전되는 현상을 막을 수 있다.

이러한 고농도 페이스트는 섬유방사에 적합한 다양한 고분자 소재 및 기타 이종소재와의 복합화가 매우 용이해 다양한 종류의 전도성 섬유제조가 가능하다.

또한 현재까지 50% 이상의 탄소나노소재와 고분자를 복합화해 직접 용액방사를 통해 복합체 섬유를 제조한 예가 보고되지 않고 있었으나 한국전기연구원의 분산기법을 이용하면 50% 이상 고분자 매트릭스에 탄소나노소재를 복합화해 전도성 섬유 제조가 가능해진다.

아울러, 고분자와 복합화할 경우 나노입자인 CNT 등이 인체에 미치는 영향을 배제시킬 수 있는 방법으로 생각할 수 있다.

◇ 그래핀 섬유

그래핀을 이용하는 경우 흑연을 산화시켜 분리된 산화그래핀 용액을 이용해 섬유 제조가 가능하다.

화학적으로 산화해 제조되는 단일층 산화그래핀은 많은 관능기를 함유하고 있어 고농도로 용매에 분산이 가능하다. 특히, 이방성 콜로이드의 대표적인 메조상인 유방성 네마틱(Lyotropic Nematic) 액정상을 형성한다. 이러한 액정상 산화그래핀은 용액방사를 통한 그래핀 섬유를 제조하는데 매우 유용하게 이용된다.

산화그래핀 용액의 액정구조를 활용해 기존의 용액방사공정을 활용할 경우 섬유를 제조할 수 있다고 보고하고 있지만, 기존의 고분자 섬유와 달리 표면이 매우 거칠고, 산화그래핀의 환원을 통해 전도성을 구현하므로 후처리 공정이 매우 중요하게 된다.

환원돼 전기전도도를 가지는 환원 그래핀 입자를 이용할 경우 환원과정을 거치지 않아 공정이 간편해질 수 있지만 환원된 그래핀 입자는 고농도의 페이스트로 분산이 어려워 아직 보고된 바가 없는 실정이다. 이러한 그래핀 섬유의 특성 때문에 주로 슈퍼커패시터와 같이 비표면적이 클 때 유리하게 작용하는 응용분야에서 연구논문이 발표되고 있다.

◇ 탄소나노소재·나노금속 복합 전도성 섬유 제조

이론적으로 CNT나 그래핀 등의 탄소나노소재는 금속보다 1,000배정도의 우수한 전기전도도를 가지고 있다.

그러나 실제 단위소재가 전극으로 사용되는 것이 아니고 이들 소재가 저로 접촉함에 의해 형성되는 접점을 통해 전기가 흐르기 때문에 이 접점에서 발생되는 접촉저항과 접점저항이 매우 커 전체적인 전도성 섬유의 저항이 높게 측정된다.

또한 용액공정에 의해 섬유제조를 위한 섬유도프를 제조하는 과정에서 탄소나노소재 표면에 결함이 생기게 돼 단위소재 자체의 전기전도도도 저하된다.

이러한 단점을 보안하기 위해서 전기전도도가 우수한 금속입자를 도입할 수 있다. 하지만 일반적인 구형의 금속을 탄소나노소재에 추가한다고 해서 전기전도도가 좋아지는 것은 아니다.

그 이유는 금속소재간 연결(percolation)이 되어야 전도성 섬유에서 전기전도도를 향상시킬 수 있지만 구형입자는 대량으로 첨가하지 않는 한 서로 연결된 상태로 만들기가 어렵기 때문이다.

이에 대한 해결방안으로 CNT 복합 전도성 섬유의 경우, 1차원 소재인 CNT와 동일한 차원을 갖는 1차원 금속소재를 첨가할 경우 소량으로도 쉽게 금속입자간 접점이 형성된다.

현재, 한국전기연구원에서는 CNT와 소량의 1차원 금속나노와이어를 복합화해 105 S/m의 우수한 전기전도도를 가지는 전도성 섬유를 기존의 용액방사공정을 통해 제조하는 기술을 확보한 상태다.

■ 전도성 섬유의 응용

앞서 기술한 바와 같이 다양한 소재를 이용해 다양한 구조와 전기전도도를 구현할 수 있다.

따라서, 전도성 섬유의 전기전도도에 따라 다양한 응용분야를 도출할 수 있다. 전기전도도가 낮은 전도성 섬유의 경우 현재 일상생활에 적용되는 대전방지용이라든지 터치글러브, 직물형히터 등이 이미 상용화된 상황이다.

그러나 이러한 분야에 있어서도 내구성이라든지 가격적인 측면을 고려한다면 충분한 사업화 아이템이 될 수 있을 것으로 생각된다.

예로, 현재 터치글러브에는 금속사나 금속 코팅사를 사용하고 있는데, 사용 중 금속사의 단절 등에 의해 오작동을 하는 경우를 볼 수 있다. 이에 탄소나노소재·고분자 복합 전도성 섬유가 응용된다면 전기전도도와 기계적 내구성이 우수해 금속사의 단점을 보완할 수 있을 것으로 보인다.

전기전도도가 102 S/cm로 높은 경우 본고의 주제인 미래형 웨어러블 디바이스에 사용이 가능하나 아직 이에 대한 상용화 수준의 기술개발이 이루어지지 않고 있는 초기 기술수준에 머무르고 있어 향후 지속적인 연구개발이 요구된다.

건식법에 의한 CNT 섬유의 경우 2004년 미국 텍사스대 Baughman 교수팀은 순수 섬유를 엑츄에이터에 응용해 인공근육 개발에 활용하고 있다.

또한, 앞서 서술한 바와 같이 직물형 웨어러블 디바이스는 각종 변화를 감지할 수 있는 센서, 이의 전원 공급에 필요한 에너지 발생 및 저장소자 그리고, 이러한 전기적 신호를 전송할 수 있는 안테나 등으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

순수 CNT나 그래핀 섬유의 경우 전기적 특성뿐만 아니라 비표면적이 크기 때문에 슈퍼커패시터용 전극으로도 활용이 가능하고, 탄소나노소재 복합체 섬유는 구동소자, 디스플레이 소자 등의 섬유형 전극으로 활용이 가능할 것으로 보인다.

전극기술 및 소재·소자·플랫폼 관련 R&D 必

■ 이종간 복합화한 고성능·고신뢰성 섬유 개발

섬유는 유연하고 신축성이 있어 편하기 때문에 인체와 접촉되는 의류는 물론 침대, 커튼, 실내장식 등 우리가 일상생활에서 사용하는 다양한 제품이 섬유로 이루어져 있어 미래 웨어러블 디바이스는 섬유형으로 진화가 예상되는 만큼 지속적인 연구개발이 예상되고 있다.

이러한 섬유형 웨어러블 디바이스를 구현하기 위해서는 전기전도도가 우수하고 내구성이 우수하며, 소자제작에 적합한 표면구조를 지니는 섬유의 개발이 필수적이다. 따라서, CNT·그래핀 등의 고신뢰성 재료뿐만 아니라 나노구조의 금속 및 금속산화물 등 다양한 이종소재를 복합화한 고성능·고신뢰성 섬유의 개발이 이루어질 전망이다.

향후 우리나라가 세계 섬유형 웨어러블 디바이스 시장의 기술흐름을 주도적으로 이끌기 위해선 탄소나노소재를 기반으로 하는 섬유형 전극기술뿐만 아니라 소재·소자·플랫폼 관련 체계적인 연구개발을 필요하다.