국립한밭대, 옷감처럼 유연한 무기·고분자 복합 섬유 개발

국립한밭대학교(총장 오용준) 기계공학과 하지환 교수 연구팀이 고려대학교 세종캠퍼스 제어계측공학과 안준성 교수 연구팀, 한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 박인규 교수 및 신소재공학과 김상욱 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 기존 무기 소재의 높은 전기적·화학적 기능성을 유지하면서도 실처럼 유연하게 변형할 수 있는 ‘초유연 무기·고분자 복합 섬유’를 개발했다.

이번 연구 성과는 스마트 의류와 웨어러블 전자기기에 활용할 수 있는 차세대 섬유 소재 기술이라는 점에서 주목된다.

스마트 의류는 착용자의 움직임이나 주변 환경 변화에 반응해 다양한 기능을 제공하는 차세대 의류 기술이다. 이를 구현하려면 섬유의 유연성은 물론 높은 기능성과 안정적인 성능을 동시에 확보해야 한다.

그러나 촉매와 전극 등에 널리 활용되는 금속 및 금속산화물 소재는 단단하고 변형에 취약해 섬유 형태로 구현하는 데 한계가 있었다. 이에 공동연구팀은 무기 소재를 수십~수백 나노미터 두께의 얇은 리본 형태로 제작한 뒤, 이를 꼬아 실처럼 다룰 수 있는 ‘나노얀(nanoyarn)’ 구조로 구현했다.

나노미터 크기의 얇은 구조와 꼬임 구조를 활용해 본래 단단한 무기 소재에 높은 유연성을 부여한 것이 핵심이다.

특히 연구팀은 무기 나노리본으로 구성된 중심부인 코어(core)를 부드러운 고분자 나노섬유가 감싸는 ‘코어–셸(core–shell)’ 구조를 적용했다. 나노임프린트 기술과 가느다란 고분자 섬유를 제조하는 전기방사 기술을 결합해 무기 소재로 만든 실 표면에 균일한 고분자 보호층을 형성했다.

이 과정에서 국립한밭대 하지환 교수 연구팀은 전기방사 나노섬유 공정 분야의 전문성을 바탕으로 코어–셸 구조를 구현하는 데 핵심적인 역할을 담당했다.

전기방사로 형성된 고분자 보호층은 미세한 공극을 통해 전해질과 반응 물질이 내부 코어까지 이동할 수 있도록 하면서도 코어의 손상을 방지한다. 이를 통해 반복적인 굽힘과 압축 등 다양한 변형 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있도록 했다.

연구팀은 개발한 초유연 무기·고분자 복합 섬유의 활용 가능성을 확인하기 위해 물 분해 과정의 산소 발생 반응에 사용되는 촉매 전극, 섬유형 에너지 저장소자, 힘 감지 센서 등에 적용했다. 그 결과 하나의 섬유 플랫폼에서 에너지 변환과 저장, 감지 기능을 모두 구현했다.

특히 섬유형 촉매 전극과 에너지 저장소자는 기존 연구 결과와 비교해 경쟁력 있는 성능과 높은 장기 안정성을 보였다. 또한 센서 배열을 활용하면 힘의 크기뿐 아니라 힘이 작용하는 분포까지 동시에 분석할 수 있음을 확인했다.

이러한 연구 결과는 초유연 복합 섬유가 단순한 섬유 소재를 넘어 에너지와 센서 기능을 통합한 다기능 플랫폼으로 활용될 수 있음을 보여준다. 향후 스마트 의류와 웨어러블 전자기기, 웨어러블 헬스케어 분야의 핵심 소재로 발전할 가능성도 제시했다.

하지환 교수는 “단단해서 옷감에 쓰기 어려웠던 무기 소재를 전기방사 나노섬유로 감싸 실처럼 다룰 수 있게 한 것이 이번 연구의 핵심”이라며 “에너지와 센서 기능을 함께 갖춘 섬유 플랫폼으로서 스마트 의류와 웨어러블 헬스케어 분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구에는 하지환 교수가 공동 제1저자로 참여했다. 고려대 세종캠퍼스 제어계측공학과 김다빈 석사과정과 KAIST 신소재공학과 수치트라 파드마잔 사시칼라(Suchithra Padmajan Sasikala) 박사도 공동 제1저자로 이름을 올렸다. 공동 교신저자는 KAIST 기계공학과 박인규 교수, 신소재공학과 김상욱 교수, 고려대 세종캠퍼스 제어계측공학과 안준성 교수다.

연구 결과는 섬유 및 첨단 소재 분야 국제학술지인 ‘어드밴스드 파이버 머티리얼스(Advanced Fiber Materials)’에 게재됐다. 해당 학술지의 임팩트 팩터(Impact Factor)는 22.6이며, JCR 기준 상위 1.6%, 섬유·직물(Textile) 분야 순위 1위로 소개됐다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 우수연구–중견연구 사업(과제번호 RS-2025-00521316) 및 지원사업(과제번호 RS-2025-00523026, 2021R1A2C3008742), 한국연구재단의 창의도전연구기반지원사업(과제번호 RS-2023-00248902), 산업통상자원부와 한국산업기술기획평가원(KEIT)의 지원사업(과제번호 RS-2022-00154781) 및 산업기술알키미스트 프로젝트사업(과제번호 1415179744, 20019169), 과학기술정보통신부 재원의 정보통신기획평가원(IITP) 대학ICT연구센터(ITRC) 지원사업(과제번호 IITP-2026-RS-2023-00258971), 교육부와 한국연구재단의 글로컬R&D지원 사업(과제번호 RS-2025-25414424)의 지원을 받아 수행됐다