[논문]전자섬유 소개 및 기술 개발 동향

박성규; 김원근

문제 정의

그리고 스위스 취리히 공대(ETHZ)의 Wearable Computing Lab.에서는 90년대부터 전도성 섬유에 대한 연구를 진행하여 전도성 섬유를 이용한 직물형 안테나, 트랜지스터, 압력 센서 등을 개발, health assistant 응용으로 사용자의 자세를 감지하여 이를 교정해주는 motion aware clothing, back manager를 개발, 전도성 섬유와 칩의 연결을 더욱 간편하고 저렴하게 구현하기 위한 연구를 진행하고 있다. 독일의 스포츠 웨어 전문회사인 Adidas는 2008년 DuPont과 Iinvista로부터 spin-out한 textronics를 인수하여 Adidas wearable sports electronics를 설립하였는데 특히 착용형 생체 모니터링 시스템에 중점을 두고 wearable sports electronics 기술을 개발하고 있다.
스마트 섬유의 진화를 살펴보면 1980년대 초기엔 소형 컴퓨팅 기기를 분리하여 옷에 넣거나 직접 착용하던 보조적인 수단에 지나지 않았지만 2000년대에 들어서면서 가젯(gadget) 형태의 디지털 기기를 옷에 장착(on-cloth)하는 단계를 거쳐 2030년경에는 디지털 기능을 완전히 내장(in-cloth)하는 단계까지 발전할 것으로 예상되고 있다(그림 2). 여기서는 이러한 스마트 섬유 중에서도 전기‧전자 및 통신 등 IT 기술과 섬유 기술이 융합되어 차세대 첨단 섬유로 거듭나기 시작한 전자섬유 기술을 중심으로 lighting textile과 능동 전자소자들의 내장을 통한 차세대 전자기기 및 바이오센서 등의 응용에 대해 살펴보고자 한다.
그런데 최근 섬유와 IT기술의 융합이 가속화되면서 전기신호를 전달할 수 있는 전도성이 매우 뛰어난 섬유 소재들이 개발되고, 이러한 섬유로 트랜지스터와 전자회로까지 구성할 수 있게 되었기 때문에 ‘wearable computer’의 가능성은 더 이상 꿈이 아닌 현실로 다가오고 있다. 이에 따라 본 원고에서는 인체 내장형 입는 컴퓨터이외에, bio 센서, 디스플레이의 미래와도 밀접한 관련이 있는 전자섬유의 기술개발 동향에 대하여 살펴보고자 한다.

성능/효과

이러한 신개념의 능동형 전자섬유소자의 소재 및 공정의 개발은 최근 이슈화 되고 있는 친환경/녹색 성장과도 밀접한 연관을 가지고 있다. 즉, 이러한 신개념의 전자 섬유소자는 기존의 오염원을 방출하는 photolithography 방식이 아닌 프린팅 방식과 제직 기술을 이용함으로써 공정단가의 감소와 더불어 기존의 메탈, 유해성 고분자 물질, 에칭 용액 등을 사용하지 않음으로서 인체에 치명적인 유해 물질을 감소시킬 수 있으며 진공 공정을 획기적으로 줄여 장비 및 공정에서의 전력 소모를 줄여 친환경적이며 녹색공정에 가장 적합한 방식이 될 수 있다. 아직 전 세계적으로 이러한 능동형 전자섬유 소재/소자/시스템의 개발은 극히 초기 단계이므로 현시점에서 학계를 바탕으로 선진 연구를 수행한다면 향후 도래할 능동형 전자섬유 시장에서 원천 소재/소자 기술을 확보하여 전 세계적인 기술 흐름을 주도적으로 이끌 수 있으리라 확신한다.

후속연구

여기에 의료, 안전, 오락 등 용도별로 세분화된 연구체계를 갖추고 목표 완제품에 합당한 기능을 복합적으로 추구하는 방식으로 개발이 진행되어야 할 것이다. 국내 여러 조사결과에도 나왔듯이 전자 섬유 분야에 대해 기술개발을 가장 어렵게 생각하고 있는 것이 국내 업체의 실정이므로 정부 및 학계 주도의 신개념 전자 섬유 소재/ 소자 연구를 통해 개발환경을 개선할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
예를 들어 현재 F-FET의 개발은 주로 유기반도체소재만을 이용한 방법으로 개발되어지고 있는 반면 이들 유기소재의 특성상 전자디바이스의 효율은 한계에 다다르고 있으며, 이러한 한계는 이들의 능동형 전자섬유 적용에 심각한 문제점을 나타내고 있다. 따라서 유기고분자소재를 탈피한 섬유 fiber에 직접적인 코팅을 할 수 있는 고성능 무기 및 탄소 기반 반도체 소재 및 절연체 소재의 개발과 더불어 이를 적용 할 수 있는 기술개발이 우선 선행되어져야 하고, 또한 이러한 신개념의 능동형 fiber 개발이후 이들을 바탕으로 하는 신구조의 fiber 기반 디바이스의 제작과 효율적인 제직 방법 및 시스템의 개발이 이행되어져야 비로소 완벽한 융복합 전자섬유의 개발이 완성되어 질 수 있을 것이다.
또한 지난 수십 년간의 섬유 산업 기술의 노하우와 제직 기술이 축적되어 있는 상태이다. 따라서 이러한 전기전자 및 섬유 설비 인프라 및 노하우를 바탕으로 신개념의 능동형 전자섬유용 F-FET의 원천 소재 및 디바이스 구조 개발, 제작 능력의 결합을 통하여 새로운 섬유 산업 및 나아가서는 전기전자/디스플레이에의 응용을 통한 기술 한국으로서의 입지를 굳건히할 수 있을 것이다. 이러한 신개념의 능동형 전자섬유소자의 소재 및 공정의 개발은 최근 이슈화 되고 있는 친환경/녹색 성장과도 밀접한 연관을 가지고 있다.
즉, 이러한 신개념의 전자 섬유소자는 기존의 오염원을 방출하는 photolithography 방식이 아닌 프린팅 방식과 제직 기술을 이용함으로써 공정단가의 감소와 더불어 기존의 메탈, 유해성 고분자 물질, 에칭 용액 등을 사용하지 않음으로서 인체에 치명적인 유해 물질을 감소시킬 수 있으며 진공 공정을 획기적으로 줄여 장비 및 공정에서의 전력 소모를 줄여 친환경적이며 녹색공정에 가장 적합한 방식이 될 수 있다. 아직 전 세계적으로 이러한 능동형 전자섬유 소재/소자/시스템의 개발은 극히 초기 단계이므로 현시점에서 학계를 바탕으로 선진 연구를 수행한다면 향후 도래할 능동형 전자섬유 시장에서 원천 소재/소자 기술을 확보하여 전 세계적인 기술 흐름을 주도적으로 이끌 수 있으리라 확신한다.
전자섬유 분야는 IT기기를 부착하는 수동형 단계를 벗어나 섬유자체가 신호전달이 가능한 형태로 발전되어야 하며, 더 나아가서는 섬유 스스로 신호의 전달, 생성, 에너지 수급 등이 가능한 능동형 전자 섬유 시스템으로 발전 되어야 한다. 여기에 의료, 안전, 오락 등 용도별로 세분화된 연구체계를 갖추고 목표 완제품에 합당한 기능을 복합적으로 추구하는 방식으로 개발이 진행되어야 할 것이다. 국내 여러 조사결과에도 나왔듯이 전자 섬유 분야에 대해 기술개발을 가장 어렵게 생각하고 있는 것이 국내 업체의 실정이므로 정부 및 학계 주도의 신개념 전자 섬유 소재/ 소자 연구를 통해 개발환경을 개선할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
최근 수동형 전자소자 및 키패드, 발광체의 삽입등에 의존한 수동형 전자섬유개발이 주로 학계 및 연구계에서 진행되고 있는데 전기전도성 향상을 위한 소재 개발에 머무르고 있어 전자섬유용 섬유 fiber를 직접적으로 이용한 능동형 구동소자(active field effect transistors) 개발용 반도체 특성을 가진 fiber의 개발이 절실히 요구되어지고 있다. 이러한 반도체 fiber 기반의 field effect transistors(fiber-embedded FETs)의 개발은 향후 이를 기반으로 한 제직화된 능동형 전자 섬유의 탄생을 가져 올 수 있을 것이며 보다 착용감을 향상 시킬 수 있는 새로운 종류의 전자 의류의 탄생을 가져 올 수 있을 것이다. 미국에서는 최근 MIT, University of California at Berkeley, Georgia Tech.
또한 플렉서블 디스플레이는 LCD, OLED 등에 사용되는 유리 기판을 플라스틱 필름으로 대체하여 접고 펼 수 있는 유연성을 부여한 것으로 얇고 가벼울 뿐만 아니라 충격에도 강하며 휘거나 굽힐 수 있고 손쉽게 다양한 형태로 디스플레이를 만들 수 있다는 장점을 갖고 있다. 이러한 특성으로 휴대 기기에 먼저 적용이 예상되며 향후 대면적화 기술이 확보되면 노트북 컴퓨터, 모니터, TV 등 대부분의 디스플레이에 대체 적용이 가능해 IT산업 전반에 걸쳐 크게 확산 될 것으로 보인다. 특히 기존 유리 기판 기반의 디스플레이로는 적용이 제한적이거나 불가능했던 새로운 영역의 창출이 가능할 것으로 기대되고 있다.
이처럼 섬유 자체의 고유 특성을 유지하면서 이러한 전기적인 특성을 갖는 섬유를 우리말로는 ‘전자섬유’라 하며, 이 기술은 wearable computer 기술의 기반이자 향후 각종 전자 디바이스를 대체하거나 IT 기기 간의 인터페이스 역할을 하게 될 것이다.
전기적 기능을 섬유제품에 내장하여 사용하므로 가혹한 환경 조건에서도 견딜 수 있는 내구성을 가져야 하는데 일반적인 섬유제품 사용 시 다양하게 발생될 수 있는 굽힘, 접힘, 오염 등 물리적ㆍ화학적인 반응에 견딜 수 있는 내구성은 기본이고, 반복적으로 사용 가능한 전원의 개발과 세탁도 가능해야할 것이다. 또한 섬유제품은 인체와 매우 근접하여 사용하게 되므로 섬유의 유연함과 편안함을 방해해서도 안 되고, 건강을 위협하는 전자파 발생 등의 유해한 환경을 제공해서도 안 된다.
또한 이러한 fiber-embedded FETs(F-FET)의 개발은 최근 전기전자분야에서 각광을 받고 있는 flexible electronics/displays의 핵심적인 난제로 떠오르고 있는 휨 발생시 나타나는 기계적인 특성 저하 문제를 해결 할 수 있어 전기전자분야에 있어서도 신개념의 새로운 전자디바이스의 도래를 가져 올 수 있다. 즉, 이러한 F-FET는 기존의 FET나 thin film transistors(TFTs)와 달리 일차원적인(1-D) 구조를 제직하여 이차원적인 평면(2-D) 구조를 만듦으로써 모듈의 휨에 의한 발생하는 stress를 획기적으로 줄일 수 있으며 기판을 사용하지 않음으로써(free-standing structure) 기판과 전자소자간의 stress 및 delamination 현상을 없앨 수 있어 기술적으로 신개념의 새로운 전자 디바이스를 개발 할 수 있을 것이다.
표 3. 능동형 전자섬유 소재, 소자 및 집적화 개발 동향

향후 능동형 전자섬유 시장은 더욱 확대되고, 생존경쟁에서 살아남은 업체들은 더더욱 핵심기술 개발에 노력할 것임이 자명한 현실에서, 현재 국내 업체들은 스마트 섬유의 4개 영역 중 의류용에 치중하여 스포츠/레져 제품군 관련 소재 개발에 집중하는 현상을 보이고 있으나 해외 선진국들의 기술 동향 조사에서 나타난 것처럼, 시장규모나 확대 전망 면에서 의료/건강용 능동형 전자섬유 소재 분야가 더욱 유망할 것으로 예상된다. 특히 이들 분야는 선진국에 비해 기술 격차가 심하고 국내 기반 기술을 공유하거나 공동으로 개발 하는 인프라가 부족한 분야인 만큼 장기적인 안목의 지원과 투자가 필요하다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	아직까지 Philips사의 fabric rug 개념의 체중계를 전자제품 매장에서 볼 수 없는 이유는 무엇인가?	그렇지만 아직까지 이런 개념의 체중계를 전자제품 매장에서 볼 수 없는 이유는 섬유의 특성과 전기적인 특성을 동시에 구현하는 것이 쉽지 않기 때문이다. 먼저 전자 체중계로서 기능에 충실하려면 자체 발전하는 발전기와 체중을 모니터링 하는 센서, 체중 변화를 알려주는 녹색 및 적색 조명, 간단한 표시 디스플레이, 그리고 외부 다이어트 프로그래밍 기기와 연결이 가능한 무선통신기술 등이 섬유로 만들어 지고, 전기적으로 연결되어 디지털 체중계로서 적합한 기능을 발휘해야 한다.
	센서나 광원이 내재된 smart textile은 어떤 산업에 적용이 가능한가?	특히 바이오센서(biosensor)를 의복에 내재화 시키거나 LED(light emitting diode), EL(electroluminescence) 등의 광원 또는 디스플레이 소자를 섬유 기술과 접목시켜 의류와 일체화하는 smart textile 관련 기술들이 많이 보고되고 있다. 센서나 광원이 내재된 smart textile은 특수산업용(고위험군 직종) 의류나 군사용 의류, 패션 제품, 그리고 스포츠 용품 등에 적용이 가능하며, 특히 빛을 발광하거나 전달하는 기능을 갖는 lighting textile 또는 photonic textile은 조명 기능과 더불어 패션, 광고 분야에서도 응용이 가능한 기술이다. 또한 플렉서블 디스플레이는 LCD, OLED 등에 사용되는 유리 기판을 플라스틱 필름으로 대체하여 접고 펼 수 있는 유연성을 부여한 것으로 얇고 가벼울 뿐만 아니라 충격에도 강하며 휘거나 굽힐 수 있고 손쉽게 다양한 형태로 디스플레이를 만들 수 있다는 장점을 갖고 있다.
	섬유 제품은 어떤 특징을 가지고 있는가?	섬유는 가장 일반적인 휴먼 인터페이스이며, 하루 종일 옷, 침대, 벽, 실내 장식 그리고 바닥재 등과 같이 매일 인체와 접촉하는 표면의 70% 이상이 섬유 혹은 섬유소재를 이용한 기타 제품군으로 이루어져 있다. 섬유 제품은 유연하고, 편안하면서 소비자 지향의 특징을 가지며 신축성이 있고 편안하며 넓은 표면에 적용할 수 있는 장점이 있다. 따라서 이러한 섬유기반의 소재 및 구조체에 향후 도래 할 수 있는 능동형 전자 섬유 소재 및 소자/시스템 기술을 접목 시킬 수 있다면 보다 효율적이며 친환경/친인간적인 전자섬유(e-Textile)를 선보일 수 있을 뿐 아니라 현재 flexible electronics/displays 분야에서 가장 문제점으로 지적되어온 휨 등의 발생 시 야기되는 기계적인 특성 향상에 획기적인 기술적 전환점을 가져 올 수 있어 flexible electronics/displays 및 전자섬유 분야에서의 기술적인 전환점을 이끌어 낼 수 있으리라 생각 되어져 왔다.

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