스마트 패브릭이 열을 전기로 변환

외부 전원 없이도 온도를 모니터링하고, 활동을 추적하며, 스스로 당신을 따뜻하게 유지하는 옷을 상상해 보세요.

음, 이러한 모든 것과 그 이상이 기술과 의류가 교차하는 분야에서 진행되는 연구와 개발 덕분에 빠르게 현실이 되고 있습니다.

기술 발전은 스마트폰과 가전제품을 더 똑똑하게 만들면서 우리의 삶을 변화시켜 왔습니다. 이제 옷조차도 스마트해져서 흥미롭고 보다 지속 가능한 미래를 열어줄 가능성을 제공하고 있습니다.

전 세계 스마트 섬유 시장은 이미 41억 달러 규모이며, 2032년까지 245억 달러로 성장할 것으로 예상됩니다. 흥미롭게도, 에너지 수확이 현재 이 시장에서 가장 큰 비중을 차지하고 있다고 Markets and Markets가 보고했습니다.

에너지 수확은 주변 에너지를 전기 에너지로 변환하여 자율 전자 장치를 구동하는 기술입니다. 이 에너지는 기계적 및 열적 등 다양한 원천에서 수집될 수 있습니다. 에너지 수확 섬유를 만들기 위해서는 활성 물질을 섬유 표면에 추가하거나 직조·자수 형태로 섬유에 통합합니다.

이러한 스마트 섬유는 제한된 에너지만을 보유한 배터리의 대안으로 활용될 수 있습니다. 웨어러블 섬유 적용에서는 배터리가 딱딱하고 부피가 커서 세탁 전에 제거해야 하는 등 개선이 필요합니다.

아직 초기 단계이지만, 기술 발전, 디자인, 소비자 수요, 소형화, 정부 정책 등 다양한 요인에 힘입어 이 분야는 빠르게 성장하고 있습니다.

이제 이 분야의 흥미로운 혁신과 우리가 입는 옷이 실제로 제공하는 전력에 대해 살펴보겠습니다!

체온을 전기로 변환하는 스마트 패브릭

가장 최근의 전기적인 개발 중 하나는 가장 최근의 전기적인 개발 워털루 대학교 연구진이 장난 대학의 섬유 과학 및 공학 선도 기관과 협력하여, 신체와 햇빛의 열 에너지를 전력으로 변환하는 스마트 패브릭을 만든 것입니다.

이 스마트 패브릭은 전력을 생성하고, 건강 지표를 관찰하며, 신체 활동을 추적할 수 있는 능력을 가지고 있습니다. 이러한 센서는 패브릭이 온도 변화를 감지하고 압력, 스트레스, 화학 조성을 모니터링하도록 합니다.

이 패브릭의 유망한 적용 사례는 온도와 호흡 속도를 추적하고 화학 물질을 감지하여 폐암 및 바이러스와 같은 상태를 식별하는 데 도움을 주는 스마트 마스크입니다. 워털루의 인쇄 전자 재료 연구소 소장 겸 화학공학과 교수인 Yuning Li에 따르면:

“우리는 다기능 감지 능력과 자체 전원 잠재력을 갖춘 패브릭 소재를 개발했으며, 이는 스마트 패브릭의 실용적인 적용에 한 걸음 더 다가가게 합니다.”

팀이 설계한 이 패브릭은 유연하고 MXene 기반의 열전소자로, 변형 자극과 온도를 정밀하게 감지할 수 있습니다. 이를 위해 팀은 나일론 표면에 접착성 폴리도파민(PDA) 층을 형성하여 수소 결합을 통해 MXene이 부착되도록 했습니다.

MXene은 층상 구조, 유연성, 넓은 표면적, 전기 및 금속 전도성, 생체 적합성, 친수성, 크기 조절 가능성, 풍부한 표면 화학 등 드문 조합의 특성으로 많은 주목을 받고 있습니다. 연구에서는 다음과 같이 언급했습니다:

“결과적인 MXene 기반 열전 패브릭은 뛰어난 온도 감지 능력과 사이클 안정성을 보이며, 동시에 높은 민감도, 빠른 응답성(60 ms), 그리고 변형 감지에서 놀라운 내구성(3200 사이클)을 제공합니다.”

이 새로운 패브릭은 시장의 다른 섬유보다 비용 효율적이고 내구성이 뛰어나며 안정적일 뿐만 아니라, 빈번한 재충전이 필요한 기존 웨어러블 장치와 달리 외부 전원 없이도 작동할 수 있습니다. 이를 통해 연구는 전도성 고분자와 MXene을 현대 섬유 기술에 통합함으로써 스마트 패브릭 발전에 큰 잠재력이 있음을 보여줍니다.

AI를 포함한 기술의 다양한 진보를 언급하면서, Li는 이러한 모든 발전이 ‘전통적인 센서는 종종 부피가 크고 비용이 많이 들며 다루기 어려워 포괄적인 데이터 수집을 구현하지 못한다’는 점에 의존한다고 주장했습니다. 따라서 스마트 패브릭에 내장된 인쇄형 센서는 지속적인 데이터 수집 및 모니터링에 이상적이라고 덧붙였습니다.

이 혁신적인 패브릭이 이러한 적용을 가능하게 하는 데 큰 진전을 이루었지만, 연구진은 이제 패브릭의 성능을 더욱 향상시키고 전자 시스템과 통합하는 데 집중할 것입니다. 스마트폰 앱도 향후 개발에 포함되어 패브릭에서 수집된 데이터를 실시간 비침습적 건강 모니터링을 위해 의료 전문가에게 전달할 수 있게 될 것입니다.

미래를 선도하는 패브릭

스마트 의류 분야는 이미 오랫동안 빠르게 발전해 왔습니다. 2016년, 조지아 공대(Atlanta) 연구진은 만들었습니다 마이크로 케이블 전력 패브릭을, 이는 햇빛과 움직임으로부터 에너지를 수확할 수 있었습니다.

이를 위해 과학자들은 얇은 섬유 기반 태양전지와 트리보전기 나노발전기를 실에 결합했습니다. 결과적인 스마트 패브릭은 두께 320 μm의 단일 층을 가지고 텐트, 커튼 및 다양한 의류에 통합될 수 있었습니다. 연구에 따르면 이 섬유는 휴대폰을 직접 충전하고 전자 시계를 지속적으로 구동할 수 있었습니다.

싱가포르 NTU 과학자들은 또한 ‘신체 움직임을 전기로 변환하는’ 패브릭을 성공적으로 개발했습니다. 이 신축성 및 방수 패브릭을 만들기 위해 과학자들은 기계적 힘(예: 누르기 또는 짜기)을 전기에너지로 변환하는 폴리머를 사용했습니다. 이 패브릭은 신축성 스판덱스 기반의 기본 층을 가지고 있으며, 유연하고 강하며 방수성을 제공하는 고무와 같은 물질과도 통합되었습니다.

실험에서 팀은 이 패브릭의 작은 조각을 두드리면 전기가 발생해 100개의 LED를 효과적으로 밝힐 수 있음을 보여주었습니다. 또한 세탁, 구김, 접어도 성능에 부정적인 영향을 주지 않았으며 최대 5개월 동안 안정적인 전기 출력을 유지했습니다.

“우리는 이것을 티셔츠에 짜거나 신발 밑창에 통합하여 신체의 미세한 움직임으로부터 에너지를 수집하고 모바일 기기로 전력을 전달할 수 있을 것이라고 생각합니다.”

– 연구 책임자 Lee Pooi See, 재료 과학자 및 NTU 부총장 겸 교수

스마트 패브릭은 많은 연구와 개발의 대상이지만, 비용 효율성은 여전히 큰 과제이며, 실용성이 부족한 경우도 문제입니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 연구자들은 기존 의류와 동일한 기계를 사용해 저비용으로 생산할 수 있는 차세대 스마트 섬유를 개발했습니다. 연구진은 먼저 신축성을 견딜 수 있는 물질로 섬유를 코팅하면 기존 직조 공정과 호환될 수 있음을 입증했습니다. 이제 스마트 섬유는 자동화된 공정을 통해 크기와 형태에 제한 없이 제작될 수 있습니다.

이는 시작에 불과합니다. 스마트 섬유에 대한 관심이 다양한 흥미로운 혁신으로 이어지고 있습니다. 예를 들어, 이 진보는 섬유에 내장하거나 재킷 형태로 착용할 수 있는 웨어러블 장치 개발로 이어졌습니다. 이 장치는 날씨와 관계없이 열 감지 센서(예: 야간 투시경)로부터 착용자를 위장할 수 있습니다.

장치 표면은 주변 온도에 맞게 빠르게 가열되거나 냉각되어 착용자의 체열을 숨기지만, 내부는 인간 피부와 동일한 온도를 유지합니다.

한편, 싱가포르 국립대학에서는 섬유, 바다 소금, 탄소 잉크 및 특수 흡수 겔을 이용한 습기 구동 전기 생성(MEG) 장치를 개발했습니다. 섬유의 한쪽 끝을 항상 젖은 상태로, 다른 쪽을 건조하게 유지함으로써 탄소 코팅된 섬유는 150시간 이상 전기를 생산할 수 있는 전류를 생성했습니다. 사실상 배터리 역할을 하며 기존 AA 배터리보다 높은 전력을 제공해 일상 전자기기 구동 가능성을 보여주었습니다.

MEG 장치의 개념은 다양한 물질이 공기 중 습기와 상호 작용하여 전기를 생성하는 능력에 기반합니다. 이는 웨어러블 전자기기 및 정보 저장 장치와 같은 실용적인 용도에 적합함을 보여줍니다.

엔지니어들은 실을 이용해 트랜지스터와 전자 장치를 만들기도 했습니다. 한 연구에서는 얇은 실을 섬유에 짜 넣어 피부에 착용하거나 외과적으로 이식해 진단 모니터링이 가능한 전자 장치를 제작했습니다.

첫 번째 실 기반 트랜지스터(TBT)는 실 기반 센서와 결합되어 완전 유연하고 다중화된 장치를 만들 수 있게 했습니다. 여기서 TBT는 린넨 실에 탄소 나노튜브를 코팅해 전자 이동용 반도체 표면을 형성하고, 두 개의 얇은 금선에 연결했으며, 그 중 하나는 전해질 겔에 부착되었습니다.

연구 저자인 Tufts University 공학부 전기·컴퓨터공학 교수 Sameer Sonkusale에 따르면:

“실시간 바이오마커 측정이 질병 치료 및 환자 건강 모니터링에 중요할 수 있는 많은 의료 응용 분야가 있습니다. 환자가 거의 인지하지 못할 정도로 부드럽고 유연한 진단 모니터링 장치를 완전히 통합할 수 있는 능력은 매우 강력할 수 있습니다.”

변화하는 온도에 적응하는 지능형 패브릭 

스마트 섬유가 탐구되는 또 다른 영역은 온도 적응형 패브릭으로, 전력 기반 난방·냉방 시스템의 필요성을 줄여 에너지 효율성을 높입니다.

이와 관련해, 이번 주에 발표된 홍콩 폴리테크닉 대학의 새로운 연구는 호흡이 가능하고 열 절연된 소프트 로봇 의류를 소개합니다. 이 의류는 주변 온도 변화에 자동으로 적응해 고온 환경에서 작업자 안전을 보장합니다.

몇 년 전 미국 화학 학회(ACS)의 흥미로운 연구는 열을 전달하고 피부에서 수분을 증발시켜 전기 없이 착용자를 냉각시키는 소재를 개발한 바 있습니다.

미국에서 에어컨 및 기타 냉방 방법이 전력 사용량의 상당 부분을 차지함에 따라, 연구진은 전체 방이 아닌 개인의 몸을 직접 냉각하는 목표 접근법을 취했습니다.

이미 의류와 섬유는 이러한 목적을 위해 설계되어 있지만, 대부분 비용이 높고 냉각 효율이 낮으며 전력 소비가 큽니다. 따라서 연구진은 전기 방사법으로 물을 튕겨내는 폴리머와 열 전도성 충전제를 나노섬유막으로 만들었습니다.

이 막은 충분히 큰 기공을 가지고 있어 피부에서 땀을 증발시키고 공기가 순환하도록 하면서 외부 물은 튕겨냅니다. 연구에서는 개인 냉각 외에도 해수 담수화, 태양 에너지 수집, 전자 기기의 열 관리 등에 활용될 수 있다고 언급했습니다.

ACS에서는 여름에는 시원하게, 겨울에는 따뜻하게 유지하는 새로운 섬유도 발표했습니다. 이는 스마트 섬유가 착용자를 따뜻하게 혹은 시원하게 하는 것이 알려져 있지만, 두 가지를 모두 수행하는 섬유는 드뭅니다. 이 강하면서도 편안한 섬유는 에너지 입력이 필요하지 않습니다.

이 스마트 패브릭을 만들기 위해 과학자들은 갑각류 외골격에서 추출한 키토산과 실크를 냉동 방사하여 다공성 미세구조를 가진 컬러 섬유로 만든 뒤, 폴리에틸렌 글리콜(PEG)이라는 상변화 폴리머를 채워 넣었습니다. 실은 폴리디메틸실록산으로 코팅해 열 에너지를 흡수·방출하는 액체 PEG가 새지 않도록 했습니다.

연구진은 이 패브릭을 폴리에스터 장갑에 통합된 섬유 조각으로 짜서 테스트했으며, 유연하고 강하며 발수성을 입증했습니다. 사람이 착용하고 122°F(50°C) 뜨거운 챔버에 넣으면 고체 PEG가 열을 흡수해 액체로 녹아 피부를 냉각시켰습니다. 반대로 50°F(10°C) 차가운 환경에 노출되면 PEG가 고체로 굳어 열을 방출해 피부를 따뜻하게 했습니다.

연구진에 따르면, 이 패브릭은 기존 섬유 산업과 호환되므로 대량 생산이 가능하다고 합니다.

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에너지 수확 스마트 패브릭에 참여하는 기업들

이제 스마트 패브릭 분야에서 혁신을 이끄는 기업들을 살펴보겠습니다:

#1. Adidas

이 회사는 10년 전 최초의 스마트 신발을 출시했습니다. 해당 신발에는 센서, 마이크로프로세서, 전기 모터, 그리고 스마트 전자 섬유 소재가 탑재되었습니다.

2021년, Adidas는 공개했습니다 새로운 섬유 혁신인 STRUNG을, 이는 업계 최초의 섬유 및 제작 공정으로 설명됩니다. 이 혁신을 통해 Adidas는 선택된 디자인을 STRUNG 로봇에 전달하기 전에 다양한 구조를 구축하고 테스트할 수 있습니다. 이 제품 개념은 특정 러너 프로파일을 위한 완전 데이터 기반 신발입니다.

Adidas의 시가총액은 430억 달러이며, 주가는 연초 대비 16.74% 상승한 119.58달러에 거래되고 있습니다. EPS(TTM)는 -0.37, P/E(TTM)는 -325이며, 배당 수익률은 0.32%입니다(CNBC 기준). 2024년 2분기에 독일 스포츠웨어 기업은 매출 58.2억 유로, 순이익 1.96억 유로, 3.4%의 영업이익률을 기록했으며, 이는 2023년 2분기 1.6%보다 상승했습니다.

#2. DuPont De Nemours

스마트 의류 분야에서 DuPont는 Intexar™를 통해 신축성 전자 연결을 출시했습니다. 이 스마트 의류 기술은 일반 섬유를 활성화되고 지능적인 의류로 변환하여 심박수, 호흡률, 근육 긴장도와 같은 중요한 바이오메트릭 데이터를 제공합니다.

DuPont의 시가총액은 334.7억 달러이며, 주가는 연초 대비 4.22% 상승한 80.19달러에 거래되고 있습니다. EPS(TTM)는 0.72, P/E(TTM)는 111.16이며, 배당 수익률은 1.90%입니다(CNBC 기준). 2024년 2분기에 회사는 순매출이 2% 증가해 32억 달러, 조정된 자유 현금 흐름은 53% 상승해 4.25억 달러를 기록했습니다.

스마트 의류에 참여하고 있는 다른 주요 기업으로는 영국 기반의 Pireta가 있으며, 이 회사는 의복의 성능이나 드레이프에 영향을 주지 않으면서 섬유에 전도성을 부여하는 독특한 첨가 공정을 개발했습니다. 또한 Collebak의 Solar Charged 재킷은 낮에 빛을 흡수하고 밤에 방출합니다. Xenoma의 e-skin은 신체 움직임과 생리 데이터를 모니터링하는 센서가 내장된 스마트 셔츠이며, OMSignal은 에너지 수확 섬유를 이용해 섬유에 내장된 센서를 구동해 심박수, 호흡 및 기타 중요한 신호를 모니터링하는 바이오 센싱 의류를 보유하고 있습니다.

Applied Materials (AMAT ), Nike, SolarEdge Technologies (SEDG ), Smartex, 그리고 Sensoria도 이 분야에서 활동하고 있습니다.

유럽에서는 여러 기업이 모여 GRAPHERGIA 프로젝트를 시작했으며, 이는 섬유와 배터리 시스템에서 에너지를 수확하는 방식을 혁신하는 것을 목표로 합니다. 이 프로젝트는 지난해 말에 시작되어 몸에 맞게 적응하고 자체 충전하는 스마트 섬유를 선도하고 있습니다.

“우리는 옷이 단순히 멋져 보이는 것을 넘어, 기기를 전원 공급하고, 센서 역할을 하며, 사물인터넷(IoT)과 원활하게 연결되는 세상을 상상합니다.”

– Prof. Spyros Yannopoulos, GRAPHERGIA 프로젝트 코디네이터

결론 

위에서 언급한 모든 흥미로운 혁신은 패션이 외관상의 파워를 과시하는 것뿐만 아니라 실제로 전력을 생성하는 수단이 되게 합니다. 섬유에 에너지 수확 장치를 통합함으로써 환경 친화적이고 광범위하며 지속 가능한 웨어러블 에너지 솔루션을 구현할 수 있습니다.

에너지 효율적인 섬유는 패션의 미래로 명확히 부상하고 있으며, 새로운 웨어러블 기술 세계를 열어줍니다. 여기서 유일한 한계는 우리의 상상력입니다.

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