실크로 만드는‘값싼’전자섬유 제조 기술 개발

실크로 만드는‘값싼’전자섬유 제조 기술 개발

등록일 2016-12-13

 

 

 

실크로 만드는‘값싼’전자섬유 제조 기술 개발
 
 
        

□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 김병훈(인천대)·진형준(인하대) 교수 연구팀이 값비싼 접착체 없이 실크에 산화 그래핀*을 코팅하여 전자섬유로 만드는 기술을 세계 최초로 개발했다고 밝혔다.
      *산화 그래핀 : 탄소를 질산과 황산으로 산화시켜 만든 물질. 섬유와 그래핀의 대량 합성을 위해 주로 사용되며     화학적, 열적 방법을 통해 그래핀을 입힌 전자섬유로 환원할 수 있음.

□ 전자섬유는 생체 정보를 측정하는 바이오 셔츠, 신형 전투복, 입는 컴퓨터 등에 사용되고 있으나 제조 비용과 복잡한 공정으로 상용화에 어려움이 따르고 있다.

□ 연구팀은 수소결합이 쉽고 고온에 강한 실크의 특성에 주목했다. 실크를 산화 그래핀 수용액에 담그고 말리는 과정을 반복하여 고가의 접착제 등 매개체 없이 그래핀 산화물을 코팅했다. 또한 전자섬유로 환원할 때 열을 이용하여 기존보다 빠르게 제작하는 것을 제시했다. 

□ 실크를 사용한 전자 섬유는 기존의 전자 섬유와 같은 약 10지멘스(S)/cm의 전기 전도성을 보였다. 세탁이나 구부림에도 크게 변화하지 않았다. 기존보다 더 싸고 빠르게 제작하면서도 동일한 기능을 가진 전자섬유를 만들 수 있는 방법이다.

□ 김병훈 교수는“이번 연구성과는 실크를 사용하여 더 빠르고 저렴하게 전자섬유를 제작할 수 있는 기술을 개발한 것이다. 앞으로 휘어지는 휴대용 디스플레이, 입을 수 있는 전자기기, 유해물질 및 미세먼지 센서 개발에 기여할 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구성과는 미래창조과학부한국연구재단의 기초연구사업(개인연구)의 지원을 받아 수행되었으며, 국제 재료공학 학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)를 통해 11월 29일자에 게재되었다.

<참고자료> : 1. 논문의 주요내용
             2. 연구결과 개요
             3. 연구이야기
             4. 용어설명
             5. 그림설명

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : Pyroprotein-based electronic textiles with high stability
   - 저자 정보 : 김병훈 교수 (교신저자, 인천대학교 물리학과), 진형준 교수 (교신저자, 인하대학교 고분자공학과), 전준우 (제1저자, 인천대학교 물리학과), 조세연 박사 (공동 제 1저자, 인하대학교 고분자공학과), 정유진, 신동석, 김나래, 윤영수 교수, 김현태, 최수봉 교수, 홍원기, 김해진 박사

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성
   ○ 최근 휴대하기 용이하고, 가볍고, 얇은 전자 소자가 주목 받고 있다. 이와 관련하여 전자공학과 섬유와의 융합을 통한 전자섬유의 구현에 대한 많은 관심이 집중 되고 있으며 이에 관한 활발한 연구가 진행되고 있다.
   ○ 이러한 연구 중 섬유에 다른 매개체를 이용하여 그래핀을 코팅 하는 방법으로 전자 섬유를 구현하는 방법도 연구 되었다. 우리는 이러한 제작 과정 중 그래핀을 좀 더 쉽게 섬유에 도입하기 위한 방법을 찾아내기 위해 연구를 진행하게 되었다.

 2. 연구 내용
   ○ 산화 그래핀 수용액에 누에로부터 얻은 전기방사 실크 섬유를 담구고 말리는 과정을 반복하여 실크와 산화 그래핀 사이의 여러 작용기를 이용한 상호작용을 통하여 아무런 매개체 없이 산화 그래핀을 실크에 간단한 방법으로 도입하였다.
   ○ 실크에 도입 된 산화 그래핀의 전기적 특성을 향상 시키기 위해 요오드화 수소산(Hydroiodic Acid)를 이용한 화학적 환원 방법을 이용하여 산화 그래핀의 산소 작용기를 최대한 제거하여 그래핀과 가까운 성질을 갖게 하였다. 뿐만 아니라 실크는 고온에서도 안정적인 파이로프로틴(Pyroprotein)*으로 알려져 있어 산화 그래핀을 환원하는 방법 중 강산이 들어가는 화학적 환원 방법 외에 비교적 간단한 방법인 열적 환원 방법을 이용한 전자섬유를 제작할 수 있었다.
        *파이로프로틴 : 고온에서도 안정적인 천연 단백질 섬유(실크)를 의미함. 일반적으로 단백질은 고온에서 변형이 되며 안정적이지 않지만 파이로프로틴은 천연 단백질 섬유이지만 고온에서도 안정적이다.
   ○ 이렇게 만들어진 전자 섬유는 기존의 다른 매개체를 이용한 전자 섬유와 비슷한 전기 전도성 (약 10 S/cm)을 보였으며, 이러한 특성은 외부의 요인 (구부림, 세탁, 온도 변화)에도 크게 변화하지 않는 안정적인 전자섬유라는 사실을 실험을 통해 입증하였다.
   ○ 위와 같은 방법으로 누에로부터 얻은 전기방사 실크뿐만 아니라 거미줄, 우리가 일반적으로 사용하는 상업용 실크 섬유에도 적용하였을 때에도 안정적인 전자섬유를 구현하였다.

 3. 연구 성과
   ○ 이번 연구는 생체 적합한 자연 유래물인 실크와 산화 그래핀의 상호 작용을 이용, 아무런 매개체 없이 간단한 코팅 방법을 사용하여 실크와 그래핀과의 결합을 구현하는데 성공하였다.
   ○ 고온에서도 안정적인 실크의 독특한 특성을 이용하여 산화 그래핀을 환원하는 과정 중에 다른 화학 약품 없이 열을 이용한 환원 방법을 적용할 수 있다.
   ○ 이렇게 간단한 방법은 향후 실용 가능한 전자섬유를 제작하는 방법에 비용절감 및 시간절감 등의 경제성을 확보한 획기적인 방법을 제시함은 물론 전자섬유의 현실화를 앞당겼다 할 수 있다.
   ○ 이번 연구를 기반으로 하여 단순한 전기적 특성을 지니는 섬유로써의 역할뿐만 아니라 휴대용 디스플레이, 입을 수 있는 전자기기, 유해물질 센서, 반도체성 섬유 등의 다양한 분야에서도 적용가능 한 다기능 전자섬유 개발도 쉽게 이루어질 것으로 기대된다.

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경
  ㅇ 최근 전자공학과 섬유와의 융합을 통한 전자섬유의 구현에 대한 많은 관심이 집중 되고 있다. 전자 섬유는 입을 수 있고 전기전도도를 가진다는 독특한 특성 때문에 단순한 패션뿐만 아니라 의료, 스포츠, 국방 등의 여러 분야에 응용 될 수 있다.
  ㅇ 기존의 전자 섬유는 직접 전자 장치를 옷에 부착하여 사용하였지만, 근래에는 탄소기반의 저차원 물질 등을 이용하여 섬유 자체에 전기가 흐르는 좀 더 기능적인 요소를 갖추는 전자 섬유 연구가 진행 중이다. 우리는 이러한 전자 섬유 제작 과정을 좀 더 쉽게 섬유에 적용하기 위한 방법을 찾아내기 위해 연구를 진행하게 되었다.
 ㅇ  기존의 전자 섬유를 제작하는 연구 중 합성 섬유인 나일론에 소혈청 알부민(Bovine Serum Albumin, BSA)이라는 물질을 접착제로 이용하여 나일론 표면의 제타 퍼텐셜을 조정하여 산화 그래핀을 코팅시키고, 이를 환원하여 전자 섬유를 제작했다는 보고가 있다.
 ㅇ  하지만 이는 전자 섬유와는 직접적으로 연관이 없는 물질이 공정 과정에 들어가며, BSA의 녹는점이 60~70°C로 열에 약하고, 제타 퍼텐셜*을 조정하기 위해서는 pH를 낮추어야 하는데 이 때문에 다른 화학 약품 (염산)이 필연적으로 들어가야 한다. 또한 BSA의 단가가 매우 비싸기 때문에 공정 과정에서의 비용이 매우 많이 든다. 이러한 이유로 BSA와 같은 다른 접착제 작용을 하는 물질 없이 그래핀을 직접 섬유에 도입하여 비용절감, 시간절감 등의 경제성을 높이기 위한 방법을 모색하였다. 
        *제타 퍼텐셜 :  점토나 콜로이드와 같은 입자 표면 근처에 입자 표면의 부전화와 균형을 맞추기 위해 약간의 음이온과 양이온이 액상 속을 확산적으로 분포 된 확산층과 고착층이 형성되며 이 때, 확산 이중층 내에서 교질 표면으로부터의 거리에 따라 양이온과 음이온의 분포가 달라지며 그에 해당하는 전기적 전위가 생기는데 이를 제타 퍼텐셜이라고 한다.

 2. 연구내용

  ㅇ 실크는 누에나 거미와 같은 곤충들로부터 얻을 수 있는 천연 소재이다. 생물 의학에서 봉합 용도로 쓸 만큼 인체에 적합한 물질이며 우수한 기계적 성질을 가지고 있다는 사실도 잘 알려져 있다. 이들의 구조는 수소결합을 할 수 있는 친수성을 갖는 부분과 소수성을 갖는 부분을 가지고 있어서 BSA와 같은 접착제 역할을 하는 매개체 없이도 산화 그래핀과의 상호작용이 용이하여 거미줄이나 누에와 같은 실크 기반의 물질을 이용한 전자 섬유 제작에 집중을 하게 되었다.
 ㅇ  더욱이 실크는 고온에서도 안정적인 파이로프로틴(Pyroprotein)으로 알려져 있어 열에도 안정적이며 이러한 성질을 이용하면 산화 그래핀을 환원하는 방법 중 강산이 들어가는 화학적 방법 외에 비교적 간단한 방법인 열적 환원 방법을 적용할 수 있어서 실크를 이용하면 더욱 쉬운 방법을 통한 전자 섬유를 구현할 수 있다는 장점이 있다.

  ㅇ 전기 방사법을 이용하여 실크 섬유를 제작하고 이를 산화 그래핀 수용액에 담궈 코팅을 하였다. 실제로 코팅이 잘 되었는지 확인하기 위해 전자주사현미경(Scanning Electron Microscopy)와 라만분광법(Raman Spectroscopy)을 이용하여 표면을 분석한 결과 산화 그래핀이 실크에 잘 코팅된 것을 확인하였다. 산화 그래핀은 전도성을 갖지 않기 때문에 요오드화 수소산(Hydroiodic Acid)를 이용한 화학적 환원 방법과 열을 이용한 열적 환원 방법을 이용하여 산화 그래핀을 환원 하였다. X선 광전자 분광법(X-ray Photoelectron Spectroscopy)을 이용하여 산소 작용기들이 환원 후에 급격히 감소되었음을 확인하였다.
  ㅇ 이렇게 만들어진 전자 섬유를 발광 다이오드(LED)가 연결 된 간단한 전원 장치에 연결하여 불이 들어오는 것을 확인하였고, 섬유의 전기적 특성을 4단자 방법을 이용하여 측정하였다. 전자 섬유의 전기 전도도는 약 10S/cm로 BSA을 이용하여 만든 전자 섬유와 유사한 값을 보이며, 이러한 전기적 특성이 외부의 요인 (구부림, 세탁, 온도)에도 변화하지 않는다는 사실도 실험을 통하여 입증하였다.
  ㅇ 위와 같은 방법을 거미줄과 우리가 일반적으로 사용하는 상업용 실크 섬유에도 적용하여 안정적인 전자 섬유를 구현하였다.

3. 기대효과
 ㅇ 이번 연구는 생체 적합한 자연 유래물인 실크와 산화 그래핀의 상호 작용을 이용하여 BSA와 같은 매개체 없이 간단한 코팅 방법을 이용하여 BSA를 사용하면 생기는 필연적인 단점을 보완하여 실크와 그래핀과의 융합을 구현하는데 성공하였다. 이를 통해 비용절감과 시간절감 등의 경제성을 확보한 간단하고 획기적인 전자섬유 제작 방법을 제시하였다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

세계적으로 전자공학과 섬유와의 융합을 통한 전자 섬유 구현에 대한 연구는 활발하게 진행되었지만, 기존의 방법들은 복잡한 공정과정 혹은 비용이 많이 든다는 단점 등이 존재하였다. 이러한 단점을 극복하여 비용 및 시간절감 등의 경제성을 확보하며 동시에 간단하면서도 획기적인 전자섬유 제작 방법에 대한 연구를 수행하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

매개체 없이 그래핀을 섬유에 도입하기 위해서는 그래핀과 섬유가 직접적으로 상호작용하여야 하기 때문에 친수성기와 소수성기가 많고, 수소결합이 가능한 작용기를 많이 포함하고 있는 실크와 거미줄을 산화 그래핀 수용액에 간단하게 담구고 말리는 과정을 통해 쉽게 산화 그래핀을 파이로프로틴(pyroprotein) 에 코팅 할 수 있었다. 또한 고온에서도 안정적인 실크의 독특한 특성을 이용하여 비교적 간단한 방법인 열적 환원 방법을 적용하여 간단한 방법으로 전자섬유를 제작하였다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

처음 실험을 진행할 때에 산화 그래핀을 실크에 도입하는 과정에서 생각보다 쉽게 잘 이루어지지 않아서 공정에 어려움이 많았다. 하지만 이러한 문제를 해결하기 위해 코팅을 반복 진행도 해보고 코팅을 할 때에 조건을 계속 바꾸어 가며 최적화 된 조건을 찾을 수 있었다. 또한 초가을에만 얻을 수 있는 거미줄을 채집하는데 많은 시간을 보냈다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존에 알려진 다른 매개체를 이용하여 그래핀을 섬유에 도입하는 방법은 비용이나 시간적인 측면에서의 단점이 필연적으로 존재한다. 하지만 이번 연구는 실크와 산화 그래핀 작용기 사이의 직접적인 상호작용을 이용하여 다른 매개체 없이도 실크 섬유에 그래핀 산화물을 도입하였으며 또한 환원 과정에서도 다른 화학약품 (강산) 없이 열에 강한 실크의 독특한 특성을 이용, 열적 환원을 적용 할 수 있었다는 점에서 경제성 확보는 물론 간단하면서도 획기적인 전자섬유 제작방법을 제시하였다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

우리가 개발한 전자섬유를 기반으로 여러 가지 기능, 즉 미세먼지 센서, 수소 센서 및 반도체 성질을 가지는 전자섬유, 또한 입고 다닐 수 있는 에너지 저장체 개발 연구를 계획, 진행 중이다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

거미줄 실크를 이용한 전자섬유 개발 실험에 있어서, 직접 실험에 사용되는 거미줄을 채집하였는데  거미가 활동하는 기간은 한정적인데 반해 여러 실험을 반복해보기 위해 필요한 거미줄이 많이 필요하다 보니 거미줄이 항상 부족하였다. 결국 매주 등산을 하면서 열심히 찾아 다녔었다. 그 결과 학문과 건강이라는 두 마리의 토끼를 잡을 수 있었다.

용 어 설 명

1. 어드밴스드 머티리얼스 (Advanced Materials)
  ○ 어드밴스드 머티리얼스는 독일에서 발행되는 재료공학분야의 국제 저명 학술지이다. (피인용지수 : 18.96)

2. 그래핀 (Graphene)
  ○ 그래핀은 탄소 원자들이 육각형의 벌집구조 (honeycomb structure)로 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조이다. 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 잇다. 강도는 강철보다 200배 이상 강하고, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높으며, 탄성도 뛰어나 늘리거나 구부려도 전기적 성질을 잃지 않는다. 이런 특성으로 인해 그래핀은 차세대 신소재로 각광 받는 탄소나노튜브를 뛰어넘는 소재로 평가받으며 ‘꿈의 나노물질’이라 불린다.

3. 산화 그래핀 (Graphene Oxide)
  ○ 산화 그래핀은 그래핀에 산소 작용기들이 붙어 있는 구조이다. 산화 그래핀에 대한 관심은 그래핀 소재를 대량으로 합성하고자 하는 목적에서 시작하였다. 실제 응용에 적용하기 위해서는 그래핀 소재의 대량 합성이 필요하였고 특히 나노 그래핀 소재가 균일하고 안정적으로 분산되어 있는 수용액을 만들게 되면 소재의 대량 합성 및 공정성 확보 혹은 여러 형태로의 변형 가능 등 매우 다양한 방향으로 응용이 가능하기 때문에 질산과 황산을 이용하여 그래파이트로부터 산화를 시켜 만든 물질이다.

4. 파이로프로틴 (Pyroprotein)
   ○ 파이로프로틴이라는 용어는 인하대학교 고분자공학 진형준 교수와 조세연 박사, 강원대학교 윤영수 교수가 최초로 제시한 용어로 고온에서도 안정적인 천연 단백질 섬유 (실크)를 의미한다. 연구팀은 실크와 같은 천연 단백질 섬유를 이용하여 선형 고분자에 속하는 단백질이 열에 의해 6각형의 탄소 고리화합물로 전이되는 원리를 규명하였고, 이러한 천연 단백질 섬유가 높은 온도로 열처리를 하면 탄소섬유로 변함을 확인하였다. 일반적으로 단백질은 고온에서 변형이 되며 안정적이지 않지만 파이로프로틴은 천연 단백질 섬유이지만 고온에서도 안정적이다.

그 림 설 명

       
     (그림 1) 실크와 산화 그래핀 사이의 수소 결합 상호작용을 통한 코팅 사진
     그림 (a)와 (b)는 각각 산화 그래핀과 실크 피브로인의 구조로 이들 작용기 사이에 그림 (c)와 같이 아무런 매개체 없이 서로 상호작용이 가능하기 때문에 산화 그래핀을 쉽게 코팅을 할 수 있다 (수소: 흰색, 탄소: 회색, 산소: 빨간색, 질소: 파란색). 그림 (d)와 (e)는 각각 산화 그래핀을 실크 피브로인에 코팅하기 전과 후의 사진이며, 이를 전자주사현미경 (Scanning Electron Microscopy)을 통하여 표면을 관찰한 결과, 그림 (f)와 같이 코팅 전에는 실크 피브로인 파이버의 표면이 매끈한 반면에 그림 (g)와 같이 코팅 후에 파이버 위에 주름이 생겨있으며 산화 그래핀이 잘 코팅이 되었다는 것을 알 수 있다.

    (그림 2) 상업용 실크 실 기반 전자섬유와 바느질 사진
    산화 그래핀이 일반적으로 사용하는 상업용 실크에도 잘 코팅이 되는지 확인하기 위해 상업용 실크를 이용한 전자섬유를 제작하였다. 또한 파이로프로틴의 독특한 특성을 이용하여 열적 환원을 통하여 전자섬유화 하였다. 그림 (a)와 (c)는 각 각 열적 환원과 화학적 환원 방법을 통해 만든 전자섬유를 바느질하여 LED에 연결한 후에 불이 들어오는 모습을 찍은 사진으로 상업용 실크를 이용하여 만든 전자섬유에 전류가 잘 흐르는 모습을 보여준다. 그림 (b)와 (d)는 각 각 그림 (a)와 (c)의 바느질 되어있는 전자섬유의 모습을 확대한 사진이다.