세계 최초로 고기능성 스마트 ‘섬유 대량 생산 길’ 열렸다

KAIST 기계공학과 박인규 교수가 고려대학교 세종캠퍼스 안준성 교수, 한국원자력연구원 정용록 박사, 한국기계연구원 정준호 박사와 공동연구를 통해 ‘스마트 섬유용 금속‧세라믹 나노리본 얀 제조 기술’을 세계 최초로 개발했다.

박인규 교수 공동연구팀에 따르면 ‘얀(yarn)’은 천연 또는 합성 섬유를 길이의 방향으로 나란히 해 꼬임을 줘 긴 형태로 만든 연속적인 가닥 구조를 갖는 실을 뜻하며, 뜨개질, 직조 등에 사용되는 실에서 흔히 찾아볼 수 있다.

8일 공동연구팀에 따르면 기존의 섬유에 전도성 나노 물질을 코팅해 스마트 섬유로 발전시켜 왔지만, 스마트 섬유의 응용 분야 다양성과 성능 확보에 물리적인 한계가 존재했다. 

최근 새로운 코팅 소재 및 구조를 개발해 섬유 성능을 향상하는 연구가 많이 진행되고 있지만, 아직도 스마트 섬유의 성능을 높이기 위해서는 금속‧세라믹 나노섬유의 개발이 필수적이었다. 

공동연구팀은 스마트 섬유용 기능성 나노섬유의 원천적인 재료적 한계점을 극복하고자, 범용적 금속‧세라믹 나노리본 섬유 제조 플랫폼 기술을 개발했다. 

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 형태로 꼬아주게 되면 최종적인 나노리본 얀 형상을 확보할 수 있으며, 이는 대량 생산이 가능하며 다양한 무기물에 적용할 수 있는 세계 최초의 차세대 얀 제조 공정이다. 

해당 연구에서는 금, 팔라듐, 니켈, 알루미늄, 백금, 텅스텐 산화물, 주석 산화물, 니켈 산화물, 인듐 산화물, 구리 산화물 등 다양한 소자로 나노리본 얀의 제작 가능성을 입증했다. 

개발된 나노리본 얀이 수소, 암모니아 등 그린 가스를 감지할 수 있는 고성능 가스 센서로 활용될 수 있을 뿐만 아니라 물 전기분해, 마찰전기 나노 발전기 등 그린 에너지 관련 소자로 효율적으로 응용될 수 있음을 보였다. 

개발된 무기물 나노섬유는 기존 스마트 섬유용 소재의 한계를 뛰어넘어 의료산업, 패션산업, 국방, 헬스케어용 스마트 섬유에 적용 가능하며 사물인터넷(Internet of Things, IoT)을 섬유에 구현하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

박인규 교수는 “개발된 금속‧세라믹 나노리본 얀 제작 기술은 스마트 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 것ˮ이라며 “이는 나노구조체 제작 기술 및 스마트 섬유 기술의 압도적 선도 국가가 되기 위한 발판이 될 것ˮ이라고 연구의 의의를 설명했다.

고려대 세종캠퍼스 안준성 교수, 한국원자력연구원 정용록 박사, KAIST 기계공학과 강민구 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 저명 국제 학술지 ‘스몰(Small, Impact Factor 13.3, JCR 6.6%)’ 2024년 3월 온라인판에 출판됐다.