150% 늘어나는 전자 섬유 개발됐다
150% 늘어나는 전자 섬유 개발됐다
  • 함예솔
  • 승인 2023.07.25 23:13
  • 조회수 2602
  • 댓글 0
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전자 섬유 관련해서 활발하게 연구가 진행되고 있는데요. 사용자 친화 웨어러블 소자, 헬스케어 소자, 최소 침습형 임플란터블 전자소자에 핵심 요소이기 때문입니다. 하지만 고체 금속 전도체 필러(Conductive filler)를 사용한 전자 섬유를 늘려서 사용하려 할 경우, 전기전도성이 급격하게 감소해 전기적 성질이 망가진다는 단점이 있습니다. 

 

KAIST 신소재공학과 스티브 박, 전기및전자공학부 정재웅, 바이오및뇌공학과 박성준 교수 공동 연구팀이 높은 전도도와 내구성을 가지는 액체금속 복합체를 이용해 신축성이 우수한 전자 섬유를 개발해 이런 문제를 해결 할 수 있다고 하는데요.

 

전자 섬유의 늘어나지 않는 단점을 해결하기 위해 연구팀은 고체처럼 형상이 고정된 것이 아닌 기계적 변형에 맞춰 형태가 변형될 수 있는 액체금속 입자 기반의 전도체 필러를 제시했습니다. 액체금속 마이크로 입자는 인장이 가해질 경우에 그 형태가 타원형으로 늘어나면서 전기 저항 변화를 최소화할 수 있는데요. 하지만 그 크기가 수 마이크로미터이기 때문에, 기존에 이용된 딥-코팅(dip-coating)과 같은 단순한 방법으로 실에 코팅하는 것이 불가능합니다.

액체금속 복합체 기반 고신축성 전자 섬유 구조와 사진. 출처 : KAIST
액체금속 복합체 기반 고신축성 전자 섬유 구조와 사진. 출처 : KAIST

연구진은 액체금속 입자가 높은 밀도로 실 위에 전달될 수 있고, 블레이드와 기판 사이에서 현탁액의 조성을 실시간으로 바꾸면서 화학적 변성을 통해 액체금속 입자를 실과 접착시킬 수 있는 새로운 방법인 현탁액 전단(suspension shearing) 방법을 통해 이를 해결했습니다. 추가로 기계적 안정성이 우수한 탄소나노튜브(CNT)가 포함된 액체금속 입자를 한층 더 코팅하는 방식으로, 액체금속 복합체의 기계적 안정성도 확보할 수 있었습니다. 

용액전단 방법을 이용한 섬유 위의 액체금속 복합체 입자 조립과정과 코팅된 실의 사진. 출처 : KAIST
용액전단 방법을 이용한 섬유 위의 액체금속 복합체 입자 조립과정과 코팅된 실의 사진. 출처 : KAIST

제작된 신축성 전자 섬유는 추가적인 공정이 필요 없이 우수한 초기전도성을 보였고(2.2x10^6 S/m), 기존의 고체 금속 전도체 기반 섬유들과는 다르게 150% 늘려도 전기저항 변화가 거의 없었습니다. 기계적 안정성도 우수해 반복되는 변형 실험에도 전기적 성질을 유지할 수 있었고, 다양한 전자 부품들과 쉽게 통합될 수 있습니다. 연구팀은 이를 이용해 실제 상용화된 옷에 다양한 전자회로를 구현했는데요. 

액체금속 입자 기반의 전자 섬유를 이용한 옷감에 꿰매서 제작한 전자회로 및 신경과학용 다기능성 전자 섬유. 출처 : KAIST
액체금속 입자 기반의 전자 섬유를 이용한 옷감에 꿰매서 제작한 전자회로 및 신경과학용 다기능성 전자 섬유. 출처 : KAIST

나아가서 연구팀은 액체금속 복합체를 코팅하는 방법이 다양한 실에 호환 가능하고, 재료의 생친화성이 우수하기 때문에, 이를 이용해 신경과학 연구에 사용할 수 있는 섬유형 바이오 전자 섬유를 구현했습니다. 연구팀은 제안된 코팅 방법을 이용해 기계적 변형에 영향을 받지 않는 뇌 활동 전극, 신경 자극 전극, 다기능성 옵토지네틱 프로브를 제작해 넓은 범용성과 높은 공정 신뢰성을 갖는다는 것을 보였습니다.

연구진 사진 (왼쪽부터) 이건희 박사, 이도훈 박사과정, 전우진 박사과정, 스티브 박 교수, 정재웅 교수, 박성준 교수. 출처 : KAIST
연구진 사진 (왼쪽부터) 이건희 박사, 이도훈 박사과정, 전우진 박사과정, 스티브 박 교수, 정재웅 교수, 박성준 교수. 출처 : KAIST

스티브박 교수는 "옷에 다양한 전자 공학적인 기능을 웨어러블 형태로 구현하는 가능성을 보여준 연구로 최근에 각광받고 있는 환자 편의성을 높인 웨어러블 헬스케어 소자나 최소침습형 임플란터블 전자소자 개발의 새로운 방향성을 제시한 의미있는 결과ˮ 라고 말했습니다.

 

연구 결과는 국제 학술지 `네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 온라인 판에 7월 13일자 출판됐습니다.

논문명: Conductance stable and mechanically durable bi-layer EGaIn composite-coated stretchable fiber for 1D bioelectronics


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