융합공학부 황병일 교수 연구팀, 다기능 웨어러블 전자섬유 개발
우리 대학 한-스웨덴 섬유기반 자립형 미래에너지 소재기술혁신센터(센터장: 황병일 융합공학부/지능형반도체공학과 겸) 연구진이 스웨덴 찰머스공과대학 Ergang Wang 교수 연구팀과 공동연구를 통해 면직물 기반의 고성능 다기능 웨어러블 전자섬유를 개발했다.
이번 연구에서는 MXene, WO₃가 도핑된 ZnO 나노로드, 탄소나노튜브(CNT)를 층상으로 결합한 삼중 코팅 구조를 구현해, 하나의 섬유에서 전자파 차폐, 줄열 발열, 변형 감지 기능을 동시에 구현했다. 해당 연구성과는 국제학술지 Advanced Science에 「Hierarchical MXene/ZnO Nanorods: WO₃/CNT Trilayer Coatings on Cotton for High-Performance Multifunctional Wearable Fabrics」라는 제목으로 게재됐다.
연구팀은 전도성이 우수한 MXene층과 CNT층 사이에 반도체성 WO₃-doped ZnO 나노로드 층을 삽입하는 샌드위치형 구조를 설계했다. 이를 통해 기존 전도성 소재 중심의 웨어러블 섬유가 갖는 기능 단일성, 계면 불안정성, 구조적 제약을 줄이고, 전기적·열적·기계적 특성을 균형 있게 확보했다. 또한 개발된 섬유는 가볍고 유연할 뿐 아니라 통기성도 유지해 실제 의류형 웨어러블 소자로의 적용 가능성을 높였다.
개발된 섬유소자는 약 200 ms 수준의 빠른 응답 및 회복 특성을 보였고, 2000회 이상의 반복 변형 조건에서도 안정적인 변형 감지 성능을 유지했다. 또한 3.5 V의 낮은 전압에서 약 15초 만에 110°C까지 가열되는 우수한 줄열 특성을 나타냈으며, 전자파 차폐 성능은 단일 층에서 약 34.4 dB, 적층 시 최대 약 78 dB까지 향상돼 상용 전자파 차폐 기준을 충족했다. 최종 코팅 후 표면저항 역시 약 15 Ω/sq 수준까지 낮아져 안정적인 전도 네트워크가 형성된 것을 확인했다.
연구팀은 이 섬유를 손가락 움직임 기반의 모스부호 신호 전달, 제한구역 침범 감지를 위한 안전 경고 시스템, 웨어러블 열관리 및 제빙, 전자기기 보호용 전자파 차폐 소재 등으로 확장 적용할 수 있음을 확인했다. 특히 반복 세탁 후에도 전기전도성과 다기능성이 유지돼 실제 사용 환경에서도 활용 가능성이 높음을 보여주었다.
황병일 교수는 “이번 연구는 단일 기능성 섬유를 넘어, 감지·발열·차폐 기능을 하나의 플랫폼에서 동시에 구현할 수 있는 지능형 웨어러블 전자섬유의 가능성을 보여준 성과”라며 “향후 스마트 의류, 안전 모니터링 시스템, 차세대 섬유형 전자기기 분야로의 응용을 더욱 확대해 나갈 계획”이라고 밝혔다.
이번 연구에서는 MXene, WO₃가 도핑된 ZnO 나노로드, 탄소나노튜브(CNT)를 층상으로 결합한 삼중 코팅 구조를 구현해, 하나의 섬유에서 전자파 차폐, 줄열 발열, 변형 감지 기능을 동시에 구현했다. 해당 연구성과는 국제학술지 Advanced Science에 「Hierarchical MXene/ZnO Nanorods: WO₃/CNT Trilayer Coatings on Cotton for High-Performance Multifunctional Wearable Fabrics」라는 제목으로 게재됐다.
연구팀은 전도성이 우수한 MXene층과 CNT층 사이에 반도체성 WO₃-doped ZnO 나노로드 층을 삽입하는 샌드위치형 구조를 설계했다. 이를 통해 기존 전도성 소재 중심의 웨어러블 섬유가 갖는 기능 단일성, 계면 불안정성, 구조적 제약을 줄이고, 전기적·열적·기계적 특성을 균형 있게 확보했다. 또한 개발된 섬유는 가볍고 유연할 뿐 아니라 통기성도 유지해 실제 의류형 웨어러블 소자로의 적용 가능성을 높였다.
개발된 섬유소자는 약 200 ms 수준의 빠른 응답 및 회복 특성을 보였고, 2000회 이상의 반복 변형 조건에서도 안정적인 변형 감지 성능을 유지했다. 또한 3.5 V의 낮은 전압에서 약 15초 만에 110°C까지 가열되는 우수한 줄열 특성을 나타냈으며, 전자파 차폐 성능은 단일 층에서 약 34.4 dB, 적층 시 최대 약 78 dB까지 향상돼 상용 전자파 차폐 기준을 충족했다. 최종 코팅 후 표면저항 역시 약 15 Ω/sq 수준까지 낮아져 안정적인 전도 네트워크가 형성된 것을 확인했다.
연구팀은 이 섬유를 손가락 움직임 기반의 모스부호 신호 전달, 제한구역 침범 감지를 위한 안전 경고 시스템, 웨어러블 열관리 및 제빙, 전자기기 보호용 전자파 차폐 소재 등으로 확장 적용할 수 있음을 확인했다. 특히 반복 세탁 후에도 전기전도성과 다기능성이 유지돼 실제 사용 환경에서도 활용 가능성이 높음을 보여주었다.
황병일 교수는 “이번 연구는 단일 기능성 섬유를 넘어, 감지·발열·차폐 기능을 하나의 플랫폼에서 동시에 구현할 수 있는 지능형 웨어러블 전자섬유의 가능성을 보여준 성과”라며 “향후 스마트 의류, 안전 모니터링 시스템, 차세대 섬유형 전자기기 분야로의 응용을 더욱 확대해 나갈 계획”이라고 밝혔다.