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- 면섬유를 1:3의 비율로 얇은 구리 와이어에 부착된 LED를 꼬았다.
- 지속 가능하고 실용적인 e-섬유 및 e-텍스타일을 향한 큰 단계
- 유연하고 변형 가능한 RGB 화면은 크기가 46인치이고 광도가 평방 미터당 1만 칸델라
- 모든 전자 제품은 일반 섬유보다 굵지 않으며 면사로 함께 가공할 수 있다.

연구원들이 직조된 다기능 디스플레이를 개발했다.
전자 섬유는 LED, 센서 및 에너지 저장 장치의 통합을 가능하게 한다.

커튼을 텔레비전으로 활용
한 연구팀이 처음으로 하이테크 섬유로 짜여진 대형 디스플레이 및 기타 전자 제품을 생산했다. 직조된 소재는 화면 역할을 할 뿐만 아니라 터치스크린, 센서 및 전원 공급 장치의 기능도 하나로 통합한다. 팀 보고서에 따르면 전자 제품은 기존의 섬유 제조 공정을 사용해 유연하게 감고, 늘리고, 가공할 수도 있다. 이것은 스마트 텍스타일의 새로운 가능성을 열어준다. 

▲ 전자 섬유로 짜여진 이 디스플레이는 비디오를 표시할 수 있을 뿐만 아니라 터치 스크린 및 다기능 센서의 기능도 한다. © University of Cambridge

신축성 있는 태양 전지가 있는 티셔츠, 센서가 장착된 재킷 또는 자체 발광 의류 등 연구자들은 전자 제품을 직물에 통합하는 방법을 한동안 찾고 있었다. 그러나 이러한 "스마트" 직물의 대부분은 지금까지 매우 견고하지 않았다. 부분적으로만 방수가 되고 구성 요소는 나중에 직물에 통합되어야 한다. 또한 전자 섬유는 일반적으로 하나의 기능만 수행할 수 있다. 즉, 조명을 켜거나 센서 또는 집전 장치로 작동하는 것이다.

견고한 섬유 형태의 전자 제품

케임브리지 대학의 최형우가 이끄는 팀은 이제 7가지 기능을 결합하고 표준 섬유 생산 공정을 사용하여 가공할 수 있을 정도로 매우 견고한 섬유를 개발했다. "이것은 일상적인 응용 분야에서 지속 가능하고 실용적인 e-섬유 및 e-텍스타일을 향한 큰 단계다"고 Choi의 동료 김종민이 설명했다. "이것은 시작일 뿐이다.“

다기능 직물을 위해 과학자들은 7가지 다른 유형의 전자 섬유를 생산한 다음 이를 고전적인 직기에서 원하는 패턴으로 결합했다. 직조된 디스플레이를 위해 그들은 면섬유를 1:3의 비율로 얇은 구리 와이어에 부착된 LED를 꼬았다. 이미 짜여진 이 유연하고 변형 가능한 RGB 화면은 크기가 46인치이고 광도가 평방 미터당 1만 칸델라이다.

▲ 스마트 텍스타일 디스플레이 시스템 제작을 위한 텍스타일 엔지니어링과 전자 공학 간의 기술 융합; a F-장치 및 이에 상응하는 제작된 F-장치의 개략도. b 섬유 기술(직조). c 스마트 텍스타일 시스템. d 폴딩, 벤딩, 롤링 조건 및 벽걸이 시스템의 측면도에서 스마트 텍스타일 디스플레이 시스템의 기계적 안정성. (출처: 관련논문 Fig. 1Smart textile lighting/display system with multifunctional fibre devices for large scale smart home and IoT applications)

하나의 패브릭에 7가지 다른 E 섬유

디스플레이용 LED 외에도 Choi와 그의 동료들은 6가지 다른 유형의 전자 섬유를 직물에 통합했다. "스마트 섬유 시스템의 이러한 각 섬유 장치는 코어와 외피로 구성되거나 단일 섬유 표면에 통합되어 있다”고 그들은 설명했다. 결과적으로 모든 전자 제품은 일반 섬유보다 굵지 않으며 면사로 함께 가공할 수 있다.

기능성 섬유에는 무선 주파수 안테나, 구리와 구리 산화물로 만든 온도 센서, 폴리에틸렌 나프탈렌 층에 감광성 알루미늄/산화아연 그래핀으로 만든 광검출기가 포함된다. 특수 터치 섬유 덕분에 직조 디스플레이는 터치스크린으로도 사용할 수 있다. 이를 위해 연구원들은 전도성 섬유를 직물에 짜넣어 만졌을 때 저항을 변화시킨다.

휴대용 ECG용 전극도 직물에 짜 넣을 수 있다고 팀은 보고했다. 젤 전극 사이에 꼬인 탄소 섬유 다발 형태의 슈퍼 커패시터는 에너지를 저장하는 역할을 한다.
변형이 쉬운

공동 저자인 케임브리지 대학의 Luigi Occhipinti는 "섬유 기반 전자 장치, 포토닉스, 센서 및 에너지 수집기를 결합해 완전히 새로운 종류의 스마트 장치 및 시스템을 만들 수 있다. 또한 전자 제품이 일반 직조 기술을 사용하여 이렇게 크고 확장 가능한 규모로 직물에 통합된 것은 처음이다. 스트레스 테스트에서 전자 재료는 여러 번 롤업 및 젖어도 견딜 수 있었다.

▲ 스마트 섬유 시스템, 재료, 장치 아키텍처, 보조 부품, 신호 처리/코딩 및 F-LED 시각화에 통합된 F-장치 목록. 섬유 시스템에 표시되는 애플리케이션: F-RF 안테나와 송신기 사이의 거리에 따라 디지털화된 b 6 신호 강도의 실시간 작동 사진. c F-광검출기의 UV 조사에 의해 시작된 프로그래밍된 이미지. d 손가락으로 잡은 F-온도 센서에 의한 실시간 온도 모니터링. e F-바이오센서 모듈에 의해 측정된 심전도 신호. f F-touch 센서가 작동하는 30가지 IoT 기능 중 하나다. g 섬유 디스플레이의 스위치에 대한 전원 공급 장치로서의 F-에너지. (출처: 관련논문 Fig. 4 Smart textile lighting/display system with multifunctional fibre devices for large scale smart home and IoT applications)

그 결과물인 다기능 디스플레이는 커튼처럼 방에 자유롭게 걸거나 카펫처럼 바닥에 눕힐 수 있지만 의류에 통합될 수도 있다. "텍스타일 스크린은 디스플레이 모드에서 작동하고 동영상을 재생할 수 있으며, 통합 센서 및 장치의 정보를 표시하는 모니터링 모드에서 작동할 수 있다"고 과학자들은 설명한다. "예를 들어 날씨 데이터, 전자기장 또는 심장 활동을 보여준다.“

대면적 디스플레이도 가능

팀에 따르면 이 기술은 이제 다기능의 스마트 섬유에 대한 새로운 가능성을 열어준다. Occhipinti는 "섬유 생산의 잠재력을 최대한 활용함으로써 사물 인터넷을 위한 스마트하고 에너지 자율적인 장치를 곧 보게 될 것이며, 이는 일상적인 물건에 완벽하게 통합된다"고 말했다.

새로운 기능성 섬유는 일반 직기에서 처리할 수 있고 더 큰 웹에서도 생산할 수 있기 때문에 이제 더 큰 규모의 적용도 가능하다. "우리의 시스템 설계 및 통합 전략은 또한 대면적의 고기능 조명 및 디스플레이 직물의 기초를 제공한다"고 팀은 말했다.
(Nature Communications, 2022, doi: 10.1038/s41467-022-28459-6)
출처: University of Cambridge

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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