전투에 임하는 군인의 개인 특성과 전투 국면을 반영할 수 있는 전자 섬유(E-textile) 플랫폼이 개발됐다.
이 기술은 전장에서 실제 활용 가능한 견고함과 경제성을 모두 확보했다.
KAIST는 신소재공학과 스티브 박 교수 연구팀이 섬유 위에 전자회로를 '그려 넣는' 혁신기술로 인체에 착용 가능한 전자 섬유 플랫폼을 개발했다고 25일 밝혔다.
연구팀이 개발한 웨어러블 전자 섬유 플랫폼은 3D 프린팅 기술과 신소재공학적 설계를 결합해 유연하면서 내구성이 뛰어난 센서와 전극을 섬유에 직접 인쇄하는 것을 가능케 한다.
이는 전투원 개개인의 정밀한 움직임과 인체 데이터를 수집한 후 맞춤형 훈련 모델을 제시할 수 있게 한다.
기존 전자 섬유 제작 방식은 복잡하거나 개인별 맞춤형 제작에 한계가 있었다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 '직접 잉크 쓰기(Direct Ink Writing, DIW)' 3D 프린팅이라는 적층 방식 기술을 도입했다.
이 기술은 센서와 전극의 기능을 하는 특수 잉크를 섬유 기판 위에 원하는 패턴으로 직접 분사해 인쇄할 수 있어 복잡한 마스크 제작 과정 없이도 다양한 디자인을 유연하게 구현할 수 있게 한다.
연구팀이 개발한 기술의 핵심은 신소재공학적 설계에 기반한 고성능 기능성 잉크 개발이다.
연구팀은 유연성을 가진 스티렌-부타디엔-스티렌(Styrene-butadiene-styrene, SBS) 고분자와 전도성을 부여하는 다중 벽 탄소나노튜브(Multi-walled carbon nanotube,MWCNT)를 결합해 최대 102% 늘어나면서도 1만회 반복적인 테스트에서도 안정적인 성능을 유지하는 인장·굽힘 센서 잉크를 개발했다.
이는 전투원의 격렬한 움직임 속에서도 정확한 데이터를 꾸준히 얻을 수 있음을 의미한다.
또 섬유의 위아래 층을 전기적으로 연결하는 '상호연결 전극(Interconnect electrode)' 구현에도 신소재 기술이 적용됐다.
은(Ag) 플레이크와 단단한 폴리스티렌(Polystyrene) 고분자를 조합한 전극 잉크를 개발해 섬유 속으로 잉크가 스며드는 정도(Impregnation level)를 정밀하게 제어함으로써 섬유의 양면 또는 다층 구조를 효과적으로 연결하는 기술을 확보했다.
센서와 전극이 집적된 다층 구조의 웨어러블 전자 시스템 제작을 가능케 한 것이다.
개발된 플랫폼의 성능은 인체 움직임을 모니터링하는 실험을 통해서 입증됐다.
연구팀은 개발된 전자 섬유를 어깨·팔꿈치·무릎 등 옷의 주요 관절 부위에 프린팅해 전자 섬유 착용자가 달리기, 팔 벌려 높이뛰기, 팔굽혀 펴기 등 신체활동을 할 때 움직임과 자세 변화를 실시간으로 측정할 수 있었다.
또 스마트 마스크를 활용해 호흡 패턴을 모니터링하거나 장갑에 여러 센서와 전극을 프린팅해 기계학습을 통한 물체 인식 및 복합적인 촉감 정보를 인지하는 응용 가능성도 시연했다.
이러한 과정은 전자 섬유 플랫폼이 전투원의 움직임 역학을 정밀하게 파악하는 데 효과적임을 보여준다.
박 교수는 "이번 연구는 병과·직책별 전투 유형에 따른 맞춤식 훈련을 제공할 수 있는 원천기술을 확보해 군 장병의 전투력과 생존율을 보장하는 데 초점을 맞춰 진행됐다?며 "이번 연구 성과가 과학기술 발달에 기여하는 동시에 군에서 실제 적용·활용될 기술로 평가받길 기대한다"고 말했다.
한편 이번 연구는 산업통상자원부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
KAIST 신소재공학과 박규순 박사과정(육군 소령)이 제1 저자로 참여하고, 스티브 박 교수가 지도교수 역할을 맡아 진행한 이번 연구는 전기·전자 및 재료공학 분야 국제 학술지 'npj Flexible Electronics' 5월 27일자를 통해서도 소개(출판)됐다.
대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr
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