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[기계신문] 한국기계연구원(이하 기계연) 나노공정장비연구실 권순근 책임연구원과 KAIST 기계공학과 김영진 교수 공동 연구팀이 세계 최초로 그래핀 소재 기반의 개인 맞춤형 전자섬유를 개발했다.
기계연과 KAIST 공동 연구팀은 독성의 화학물질이나 패터닝용 광학 마스크를 사용하지 않고, 레이저 직접 패터닝 기술로 전자섬유 위에 레이저 유도 그래핀을 형성시켜 그래핀 기반 전자섬유를 성공적으로 제조했다.
이때 레이저 직접 패터닝 기술은 섬유 표면에 레이저를 직접 쏴서 레이저가 닿은 부분만 소재 변환이 이뤄질 수 있게 기능성 소재의 패턴을 제작하는 기술을 말한다.
폴리머 필름이나 섬유 표면에 고출력 레이저를 조사하면 광에너지가 표면에서 열에너지로 변환되면서 레이저가 조사된 부분에 순간적으로 탄소 소재가 제작되는데, 제작된 탄소 소재의 결정 구조가 2차원 나노신소재인 그래핀과 유사한 특성을 보여 ‘레이저 유도 그래핀’으로 명명한다.
기존의 전자섬유 제조 기술은 전도성 잉크를 섬유에 코팅해 전도성 섬유를 제작한 뒤, 일반 섬유와 함께 직조하는 방법과 기능성을 가진 얇은 막을 일반 섬유에 붙여서 제조하는 방법으로 나뉜다.
이 방법은 다양한 디자인을 생산하기 어렵고, 공정 과정에서 유해화학물질 유출 등 공정 과정이 위험하고 복잡해 대량생산에는 제약이 있다.
이번에 개발된 기술은 섬유 표면에 간단히 레이저를 쏘는 것만으로 세계 최고 수준의 전기전도 특성을 갖는 고품질 레이저 유도 그래핀 소재를 생산하며, 화학약품이나 추가 가공 없이 친환경적으로 제작할 수 있다.
또, 펨토초 레이저 공정 기술을 적용해 세계 최고 수준의 레이저 유도 그래핀 전극의 전기전도 특성을 구현했다. 펨토초 레이저 공정 기술이란 매우 짧은 펄스 폭과 높은 출력의 극초단 레이저를 이용한 재료 가공 기술로 일반 레이저 대비 재료의 손상이 거의 없고, 미세 패턴 제작에 유리한 공정 기술이다.
개발된 기술은 향후 개인의 건강관리를 위한 헬스케어나 산업용, 군사용 의류 등 맞춤형 스마트 의류 제품에 활용될 수 있다.
기계연 권순근 책임연구원은 “개발된 기술은 일반 섬유 구조를 분석해 최적의 전자섬유 기능을 우수한 특성을 갖는 그래핀 소재로 구현한 최초의 결과”라며 “기존 생산방법을 벗어나, 친환경적이고 간단한 방식으로 맞춤형 전자섬유를 대량생산할 수 있다는 점에서 중요한 의미가 있다”고 밝혔다.
한편, 이번 연구는 기계연 기본사업 ‘나노기반 옴니텍스(Omni-TEX) 제조 기술 개발’ 과제의 지원을 받아 수행됐으며, 관련 내용을 재료, 화학 분야 학술지 ‘ACS Nano’에 발표했다.
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