기존 섬유 제조 공정으로 웨어러블 전자기기용 와이어 개발

한국전기연구원(KERI) 나노융합연구센터 한중탁 박사팀이 기존 합성섬유 공정 방식을 활용해 웨어러블 전자기기에 적용할 수 있는 기능성 와이어를 제조하는 데 성공했다.

웨어러블 전자기기는 스마트 시계, 안경, 이어폰 등 다양한 형태로 일상에 자리 잡고 있으며, 가볍고 오래 사용할 수 있는 성능이 중요한 요소로 꼽힌다. 이러한 기기의 핵심 소재 중 하나인 기능성 와이어는 전기가 통하는 동시에 높은 유연성을 요구한다.

이번 연구에서는 단일벽 탄소나노튜브(CNT)를 활용해 고에너지 경량 와이어를 개발했다. CNT는 강철보다 100배 강하면서도 전기 전도성이 구리에 버금가는 신소재로, 육각형 구조를 이루는 탄소 원자가 원통형으로 배열돼 유연성 또한 뛰어나다. 특히 소량 첨가만으로도 에너지 밀도를 크게 높일 수 있어 전자기기에서 구리 사용량을 줄이는 데 기여할 수 있다. 그러나 CNT는 응집 성질이 강해 분산이 어렵고, 전기·전자기기 분야에 적용하는 데 높은 기술력이 필요했다.


한중탁 박사팀은 CNT 표면에 용매 친화적인 산소 기능기를 도입하는 방식으로 이 문제를 해결했다. 연구팀은 저온에서 강산과 첨가제를 활용해 CNT를 반죽하듯 처리해 표면 결함을 최소화하고 성능을 극대화했다. 여기에 100나노미터(nm) 크기의 산화 그래핀을 첨가해 CNT 용액(도프)의 분산성을 높이고, 기존 합성섬유 제조 방식과 동일한 방사(spinning) 공정을 적용했다. 방사 과정에서 산소 기능기가 도입된 CNT는 상호 수소 결합을 통해 하나의 가닥으로 접합되며 기능성 와이어로 완성됐다.

한국재료연구원(KIMS)과 건국대 연구팀은 해당 와이어의 성능을 검증했다. 한국재료연구원 김태훈 박사팀은 CNT 와이어를 직물 형태의 슈퍼커패시터로 제작해 에너지 저장 성능을 평가했으며, 세계 최고 수준의 성능을 확인했다. 건국대 이위형 교수 연구팀은 CNT 와이어의 가스 센서 성능을 분석해, 유해가스 감지에 뛰어난 효과가 있음을 입증했다. 이 기술은 소방, 국방 등 스마트 의류 분야에 적용 가능성이 높다.

연구 결과는 미국 화학회(American Chemical Society)가 발행하는 나노과학 분야 최상위급 SCI 학술지 ‘ACS Nano’에 게재됐다. 해당 학술지의 JCR 영향력 지수(Impact Factor)는 15.8로, 관련 분야 상위 7.9%에 속한다.


한중탁 박사는 “기능화된 CNT를 유기용매에 분산하고, 용액 방사해 와이어를 만든 세계 최초의 연구 성과”라며 “이 기술을 통해 가볍고 오래 사용할 수 있는 웨어러블 전자기기 산업 발전을 이끌 것”이라고 밝혔다. 이어 “향후 전기차나 드론 등 미래 모빌리티 분야에서도 구리 와이어를 대체해 경량성과 에너지 효율성을 높이는 데 기여할 것”이라고 덧붙였다.

KERI는 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 산하 정부출연연구기관으로, 이번 연구는 KERI 기본사업과 국가과학기술연구회(NST) 창의형융합연구사업, 한국연구재단 개인연구사업의 지원을 받아 수행됐다.