21세기 들어 컴퓨터의 성능이 비약적으로 발전하며 인간이 실현하길 꿈꾸던 각종 기술이 개발되고 있다. 인공지능(AI)로 진화된 과학기술은 스마트(smart)라는 수식어를 달고 일상생활 속으로 스며들고 있다.

스마트 TV, 스마트 냉장고, 스마트 와치(시계) 등과 더불어 스마트 웨어러블 전자섬유까지 다양하다. 웨어러블(wearable)은 '사람이 착용한다'는 의미이며 웨어러블 디바이스(wearable device)는 '착용 가능한 전기전자 기기를 통칭'한다.

따라서 스마트 웨어러블 전자섬유는 '의류나 섬유에 전자소자, 센서, 배터리 등 첨단 기능을 융합한 섬유'다. 착용자의 신체 상태나 주변 환경을 실시간으로 모니터링해 반응할 수 있다.

◇ 한국과학기술연구원(KIST)의 안보⸱재난안전기술단의 임무 소개

한국과학기술연구원(KIST)의 안보⸱재난안전기술단은 2010년 설립됐다. 국방 연구개발 제도개선, 국방 연구개발 과제화/연구지원, 군에 과학기술 지원 등의 임무를 수행하고 있다.

더불어 안보⸱재난안전기술단 소속 미래국방국가기술전략센터는 2022년 만들어졌다. '국방과학기술 혁신을 위한 국가 연구개발 투자전략 싱크탱크'로 비전을 설정했다.

주요 임무는 △과학기술정보통신부의 국방 연구개발(R&D) 투자정책 수립 지원 △국방적용 가능 민간R&D 역량 발굴-과제기획 △국방R&D 민관군 협력기반 마련 등이다.

이번에 소개할 기술은 차세대반도체연구소 광전소재연구단 임정아 책임연구원(jalim@kist.re.kr)이 수행한 '옷감에 삽입 가능한 실 형태의 전자소자 개발, 섬유에 직접 삽입하여 인체신호, 움직임, 신호처리 가능 스마트 웨어러블 전자섬유 기술'이다.

◇ 연구 목표... 인체 또는 외부 환경과 커뮤니케이션할 수 있는 스마트 전자섬유 시스템 개발

스마트 웨어러블 전자섬유는 '옷감에 삽입 가능한 실 형태의 전자소자(트랜지스터, 다이오드, 센서) 개발, 섬유에 직접 삽입하여 인체신호, 움직임, 신호처리 등의 기술을 포함한다.

섬유의 특성은 유지하면서 전자소자가 삽입되어 인체 또는 외부 환경과 커뮤니케이션 할 수 있는 스마트 전자섬유 시스템 개발을 위해 실 형태를 가지는 반도체 소자를 개발해야 한다.

◇ 연구 배경 및 필요성... 섬유에 직접 삽입한 후에도 동작이 가능한 반도체 소자 개발

섬유는 가볍고, 유연성과 통기성을 갖고 있다. 인체에 직접 접촉해 작업자 신체 및 주변 안전 정보 모니터링을 위한 중요 인터페이스 역할을 수행한다.

이상적인 스마트 웨어러블 플랫폼으로 주목을 받고 있다. 기존 기술은 전자소자를 옷에 부착하는 단계이며 작업자의 편안함을 기대하기 어려운 실정이다.

이를 극복하기 위해 실과 같은 형태를 가져 섬유에 직접 삽입한 후에도 동작이 가능한 트랜지스터, 다이오드, 센서 등 반도체 소자를 개발했다.

◇ 연구내용 및 결과... 심전도, 광혈류 측정, 자세 모니터링, logic gate 연산 등 스마트 전자섬유 기술에 응용 가능

기존 평면 반도체 소자와 달리 금속 실에 고분자반도체, 절연막 등을 용액공정을 이용해 나노미터 두께로 균일하게 코팅했다.

다음으로 전극을 형성해 실 형태의 트랜지스터, 다이오드, 센서를 개발했다. 섬유에 삽입 후 구부리거나 세탁 후에도 성능을 유지할 수 있다.

심전도, 광혈류 측정, 자세 모니터링, logic gate 연산 등 스마트 전자섬유 기술에 응용 가능함을 보였다. 이는Advanced Materials, ACS Nano 등 국제학술지에 보고했다.

▲ 트랜지스터 구조 및 섬유형 트랜지스터, 심전도 측정 등 [출처=한국과학기술연구원]

▲ 섬유형 광다이오드 구조 및 광혈류 측정 등 [출처=한국과학기술연구원]
- 계속 -