서울대학교 공과대학은 재료공학부 강승균 교수팀이 입고 버리면 자연에서 완전히 사라지는 생분해성 전자섬유를 개발했다고 밝혔다.

강 교수팀은 텅스텐 입자와 생분해성 고분자를 조합한 고전도성 섬유에, 유연성과 방수 성능을 갖춘 친환경 코팅을 더 함으로써 기계적 내구성을 확보한 전자소자용 섬유를 구현했다. 인간의 기술이 필연적으로 지구에 남기는 쓰레기와 달리, 착용 후 흙 속에 묻으면 스스로 분해되는 전자의류를 실현해 미래를 앞당겼다는 평가를 받고 있다.

이번 연구 성과는 지난 7월 8일 전자 분야의 국제 학술지 ‘npj 플렉서블 일렉트로닉스(npj Flexible Electronics)’에 게재됐다.

연구 배경

의류 산업은 매년 약 9200만 톤의 의류 폐기물을 쏟아내고 있으며, 이 중 대부분은 생분해되지 않는 합성섬유로 구성돼 수백 년간 매립지에 남는다. 더구나 스마트기기의 확산으로 전자 폐기물까지 기하급수적으로 증가하면서 지구는 두 산업이 남긴 쓰레기의 이중고에 시달리고 있다. 최근 스마트워치, 웨어러블 센서 등 신체에 부착하는 전자기기의 수요가 급증함에 따라 의류와 일체화된 전자기기, 즉 전자섬유의 사용도 함께 증가하고 있다.

문제는 전자섬유가 플라스틱, 금속, 회로, 배터리 등 복잡한 소재로 구성돼 있어 재활용과 분해가 사실상 불가능하다는 점이다. 전자섬유(e-textile)는 ‘입는 컴퓨터’라 불릴 만큼 진보한 기술이지만, 한 번 쓰고 버려지면 섬유 및 전자폐기물을 지구에 남긴다. 특히 의료나 스포츠 분야에서 일회성 사용 후 폐기되는 웨어러블 기기의 경우, 오히려 지속가능성 측면에서는 후퇴한 기술이라는 비판도 받고 있다. 따라서 착용성, 기능성, 친환경성을 모두 만족시키는 전자섬유의 필요성이 대두되고 있지만, 그 개발은 지금까지 난제로 여겨져 왔다.

연구 성과

이러한 한계에 도전장을 내민 서울대 강승균 교수·배재영 박사 연구팀은 완전한 생분해가 가능한 고전도성 섬유 전극을 개발했다. 연구진은 전기적 성능과 기계적 내구성을 함께 달성하면서도, 사용 후 자연환경에서 분해되는 소재를 설계하는 데 주안점을 뒀다.

1. 고전도성 구현 : 생분해성 고분자(PBAT)에 텅스텐(W) 입자를 분산시켜 만든 복합 잉크가 사용된 해당 섬유는 약 2500S/m의 높은 전기 전도도를 갖는다. 또한 건습식 방사 공정을 통해 10m 이상의 연속 생산도 가능하다.

2. 기계적 내구성 확보 : 그리고 연구진은 섬유 표면에 유연한 생분해성 폴리아늄화물(PBTPA)을 코팅해 기계적 내구성을 확보했다. 38% 이상의 신율을 달성하고 20회 세탁, 5000회 굽힘 테스트에서도 안정적 성능을 유지하는 전자소자용 섬유를 구현한 것이다.

3. 웨어러블 적용성 입증 : 또한 체온 센서, 근전도(EMG) 전극, 무선 전력 수신 코일로 제작한 해당 섬유를 실제 팔에 착용 가능한 전자의류 형태로 선보임으로써 웨어러블 적용성도 입증했다.

4. 완전 생분해성 확인 : 아울러 효소가 포함된 PBS 용액과 일반 토양 환경에서 섬유의 생분해성을 실험한 결과, 수개월 내에 구조 전체가 분해되며 잔여 유해물질을 남기지 않음을 확인했다. 지속가능한 일회용 전자소자의 가능성을 확인한 것이다.

이처럼 해당 섬유는 착용 중에는 기존 전자섬유처럼 정밀한 센싱 및 무선 통신이 가능하지만, 사용 후에는 자연으로 되돌아가기 때문에 지속가능한 전자기기 플랫폼으로서의 차별성을 지닌다. 단순한 섬유 소재 개발을 넘어, 전자기기의 마지막 순간까지 책임지는 기술을 개발했다는 점에서 이번 연구는 그 의미가 깊다.

기대 효과

따라서 생분해성, 고기능성, 대량생산성의 삼박자를 갖춘 이 전자의류 플랫폼의 등장은 국내 전자섬유 산업 및 친환경 소재 시장의 전환점이 될 것으로 전망된다. 이 기술은 특히 스마트 유니폼, 생체신호 모니터링 패치, 일회용 건강 진단 키트, 군·소방용 전자섬유 등의 분야에서 폭넓게 활용될 수 있다. 더 나아가 향후 반도체 소자, 메모리 기능 등 고집적 시스템으로 확장되거나 물리·화학적 트리거에 의한 ‘온디맨드 분해(On-Demand Degradation)’ 기술로 진화할 수 있다.

연구진 의견

연구를 이끈 강승균 교수는 “생분해성 소재와 섬유 공정을 결합해 전자소자의 지속가능성과 활용 가능성을 높인 이번 연구의 성과는 다양한 분야에서 응용될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

배재영 박사는 “생체 밀착성과 생분해성을 갖춘 전자소자를 제시한 본 기술은 지속가능한 웨어러블 기기 구현의 핵심 기반이 될 것”이라고 전했다.

연구진 진로

이번 연구의 주저자인 김용우 석박통합과정생은 현재 서울대 재료공학부에서 생분해성 전자소자 분야 연구를 수행하며 박사과정을 밟고 있다. 공동 1저자인 김경섭 박사와 공동 교신저자로 참여한 배재영 박사는 서울대 재료공학부에서 박사학위를 취득했으며, 각각 로잔 연방 공과대학교(EPFL)와 하버드대학교(Harvard University)에서 박사후 연구원으로 임용될 예정이다.