美서 섬유 형태 반도체 기기 구현… 10번 세탁해도 성능 안 떨어져
국내선 섬유형 태양광 전지 개발

휴대용 전자기기를 사용하는 사람의 욕심은 끝이 없다. ‘가볍고 잘 접혔으면 좋겠다. 거추장스럽게 손으로 들지 않으면 더 좋겠다.’ 그렇다면 아예 옷 자체가 전자제품이 되면 어떨까.

이런 엉뚱한 상상을 현실로 만드는 연구가 속속 성과를 내고 있다. 미국 매사추세츠공대(MIT) 연구팀은 발광다이오드(LED)와 빛 감지 센서까지 갖춘 반도체 기기를 섬유 형태로 구현하는 데 처음 성공해 학술지 ‘네이처’ 8일자에 공개했다. 연구팀은 이 섬유형 전자기기를 가공해 마음대로 구부리고 심지어 물에 빨 수도 있는 천으로 만드는 데에도 성공했다.

마이클 레인 MIT 재료과학과 연구원팀은 광섬유를 만드는 기존 공정을 개선해서 이 같은 전자기기를 완성했다. 광섬유를 만들 때는 재료를 굵기가 1cm 미만의 기둥 모양으로 빚어 ‘모재(preform)’를 만든 뒤 여기에 열을 가해 가늘고 길게 늘여 만든다. 연구팀은 모재에 모래알 굵기의 LED 반도체를 일정한 간격으로 넣고 구리와 텅스텐으로 만든 머리카락 굵기의 선을 두 줄 나란히 배치한 뒤 열을 가해 늘렸다.

그 결과 광섬유 내에 LED가 약 3.7cm 간격으로 일정하게 금속선과 연결되며 회로를 구성했다. 전자기기와 금속선은 모두 광섬유에 잘 둘러싸여 물에 닿지 않아 자연스럽게 방수 기능을 갖게 됐다. 연구팀은 실제로 이렇게 만든 천을 10번씩 빨아 성능이 떨어지지 않는다는 사실을 확인했다. 또 수조 안에 섬유를 넣고 밖에서 램프로 광신호를 보내 수조 안에서 신호를 정확히 읽는지도 확인했다. 헨델의 ‘수상음악’을 깜빡이는 빛 신호로 변환해 수조 밖에서 쪼였는데, 수조 안 섬유의 광센서가 이를 정확히 읽고 스피커로 음악을 재생시켰다.

레인 연구원은 “반도체를 포함한 전자부품을 금속선과 함께 적절히 배치하기만 하면 회로를 구성할 수 있다는 점에서 효율적”이라며 “어렵게 액체 상태에서 회로를 만들고자 고생할 필요가 없다”고 말했다. 그는 지도교수이자 재료 분야 스타트업의 최고경영자(CEO)인 요엘 핑크 MIT 교수의 전폭적인 지지로 이 연구 결과를 내년 통신기기 등으로 상용화할 계획이다.

국내에서도 섬유나 옷 형태의 전자부품을 개발하려는 노력이 이어지고 있다. 이중기 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 책임연구원은 옷은 물론이고 창문이나 건물 벽 등에 붙이기 좋게 섬유 형태의 태양광 전지를 개발해 학술지 ‘나노에너지’ 7월호에 발표했다. 연구팀은 티타늄 선의 표면을 산소와 반응시켜 가공해 잘 늘어나고 세탁도 가능한 섬유형 태양광 전지를 개발했다. 이 섬유형 태양광 전지는 지름 1cm 굵기의 원형으로 말아도 성능을 95% 이상 유지하는 등 유연한 게 장점이다.

김병훈 인천대 물리학과 교수팀은 실제 섬유(실크)를 이용해 전기가 잘 흐르면서 열에 강한 전자섬유를 개발했다. 실크를 당기면서 가열해 내부 단백질과 탄소의 구조를 변형시키는 방식으로 내구성을 강화해, 알코올램프로 수백 도까지 열을 가해도 전기가 흐르는 성질을 잃지 않았다. 여기에 여러 금속화합물을 입혀 반도체 성질을 갖게 하는 데에도 성공했다. 김 교수는 “간단한 방법으로 다기능 전자섬유 제작 가능성을 확인했다”고 의의를 밝혔다. 연구 결과는 4월 재료 분야 국제학술지 ‘머티리얼스 투데이’에 발표됐다.

윤신영 동아사이언스 기자 ashilla@donga.com