MXene 잉크 혁신으로 무선 충전 스마트 의류가 이제 가능해졌다

기술 발전으로 오늘날 모든 것이 스마트해졌습니다. 스마트폰, 냉장고, TV, 시계, 자전거, 자동차, 지갑부터 오븐, 안경, 초인종, 온도조절기, 그리고 전동칫솔에 이르기까지.

예상치 못한 또 다른 스마트화 대상은 바로 여러분의 옷입니다. 맞습니다! 의류와 섬유도 스마트해지고 있습니다. 온도, 움직임, 압력을 감지하고 반응할 수 있는 섬유를 상상해 보세요.

섬유는 어디에나 존재하고 넓은 표면적과 사용자와의 근접성 덕분에 기능을 통합하는 것이 유망한 사업이 됩니다.

많은 유명 패션 브랜드가 약속했지만, 센서와 차세대 섬유가 적용된 스마트 의류는 아직 일상에 보편화되지 않았습니다. 이는 섬유 기반 전자제품, 즉 e-텍스타일이 섬유 자체에 전원 공급 장치를 필요로 하며, 이는 사용자 편안함에 부정적인 영향을 줄 수 있기 때문입니다.

대안으로 의류에 부착하는 에너지 수확 방식을 채택했습니다. 광전지 장치는 합리적인 출력은 얻지만 전압이 낮고, 제조 공정이 복잡하며 빛이 필요합니다. 압전 소자는 높은 전압을 생성하지만 전류는 μA 수준에 머뭅니다.

여기서 무선 충전은 큰 장점을 제공할 수 있으며, 연구자들은 MXene을 활용해 섬유에 직접 통합하고 있습니다.

e-텍스타일을 우리의 옷장에 도입하기 위해, Drexel University 연구진이 캘리포니아의 Accenture Labs와 협력해 무선 충전이 가능한 완전한 섬유 에너지 그리드를 구축했습니다.

그리드 구축 과정과 실현 가능성을 상세히 다룬 최신 연구(국립보건원 지원)는 MXene으로 구성된 잉크를 사용해 비직조 면 섬유에 인쇄한 사례를 보고했습니다.

이 인쇄는 직접 인쇄 방식을 사용하면 쉽게 할 수 있으며, 잉크는 실온에서 건조시켜 섬유에 부착할 수 있습니다.

Drexel University의 의류용 에너지 그리드는 sEMG 센서를 포함한 실제 전자기기를 구동하고 실시간으로 데이터를 전송할 수 있습니다. 팀은 또한 MXene 코일로 직접 전력을 공급받는 무선 줄 열도 제작했습니다.

MXene: 무한한 가능성을 가진 2D 나노재료

Drexen에서 자체적으로 개발된 MXene은 높은 전도성을 가질 뿐만 아니라 의류가 겪는 세탁, 신축, 접힘을 견딜 수 있을 만큼 내구성이 뛰어난 나노재료입니다.

자연적인 전도성 외에도 MXene은 전자기 복사를 차단하고 물에 안정적인 콜로이드 용액으로 분산될 수 있습니다. 이를 통해 화학 첨가제 없이도 섬유에 MXene을 손쉽게 코팅할 수 있습니다. MXene은 초고용량 커패시턴스를 보여 센서 분야에서도 유망합니다. 이러한 나노플레이크는 거의 모든 표면에 자유롭게 배치될 수 있습니다.

이 모든 특성은 MXene이 다른 재료에 비해 뚜렷한 장점을 제공하며, 기능을 추가하고 전기를 생성·저장하기 위해 섬유에 통합하기에 이상적인 후보가 됩니다. Drexel University는 다음과 같이 언급했습니다:

MXene의 가능성은 무한합니다.

예를 들어, 연구진은 티타늄 카바이드 MXene 플레이트의 고성능 필름을 대량 생산할 수 있는 전략을 개발했습니다, 이는 항공우주, 바이오메디컬, 유연 전자 장치에 유망한 응용 가능성을 가지고 있습니다. 다른 연구에서는 새로운 MXene 물질에서 p형 특성을 발견했습니다하여 나노기술 응용 가능성을 확대했습니다. 또 다른 팀은 촉매 분야에서 MXene의 잠재력을 밝혀내고 있습니다, 암모니아를 재생 에너지 저장용 수소 운반체로 활용하는 방안을 모색하고 있습니다.

실제로 Drexel 대학 공대 재료과학공학과 연구진이 이 2D 카바이드·질화물 군을 발견한 지는 10년이 넘었습니다. 몇 개 원자 두께에 불과한 이 구조는 특성과 활용 측면에서 엄청난 잠재력을 보여주었습니다.

MXene은 하나만 있는 것이 아니라, 다양한 종류가 존재하며 그 가능성은 더욱 무궁무진합니다.

가능성은 하늘이 한계입니다.

– Yury Gogotsi, Drexel 공대 교수이자 A.J. Drexel 나노재료 연구소 소장, 수년 전

그 후 연구진은 MXene을 코팅으로 적용해 다양한 재료에 뛰어난 특성을 부여할 가능성을 탐구하기 시작했습니다.

현재 최신 개념 증명으로 대학은 또 다른 큰 발전을 이루었으며, 이는 착용 기술에 큰 도약을 의미합니다. 기존에는 부피가 크고 딱딱한 배터리 사용으로 의류에 완전히 통합되지 못했습니다.

부피가 큰 에너지 공급원과 딱딱한 부품이 이상적이지 않다는 점에 대해, 연구 책임자인 Gogotsi는 이러한 장치가 착용자에게 불편하고 침해적이라고 설명했습니다.

e-텍스타일을 벽에 연결할 수는 있지만, 직접 전원 공급은 움직임을 제한합니다. 그는 덧붙였습니다:

(그들은 또한) 시간이 지나면서 딱딱한 전자 부품과 부드러운 섬유 사이의 인터페이스에서 고장이 발생하는 경향이 있습니다.

이러한 인터페이스는 사용자 편안함을 감소시키고 기계적 고장이 발생하기 쉽습니다. 또한 e-텍스타일의 세탁 가능성 문제도 다루기 어렵습니다.

그래서 Drexel 연구팀은 유연하고 가벼운 면 기판 위에 섬유 그리드를 인쇄했으며, 이는 작은 패치 크기에 불과했습니다.

또한 전자기파를 에너지로 변환해 무선 충전을 가능하게 하는 MX-coil이라는 인쇄형 공진 코일을 포함하고 있습니다. 에너지를 저장하고 장치를 구동하는 세 개의 섬유 슈퍼커패시터도 있습니다.

열을 전기로 변환할 수 있는 섬유에 대해 알아보려면 여기를 클릭하세요.

에너지 저장을 위한 슈퍼커패시터 ‘패치’

출처: Drexel University

LED와 같은 수동 장치를 넘어 전자기기를 구동하도록 최적화되지 않은 MXene 기능성 섬유의 내구성, 전기 전도성, 에너지 저장 용량을 연구한 후, Drexel과 Accenture Labs는 작년에 이 슈퍼커패시터를 개발했습니다.

당시 팀은 이 슈퍼커패시터가 몇 분 안에 충전되고 약 두 시간 동안 온도 센서와 무선 데이터 전송을 구동할 수 있다고 보고했습니다.

연구를 공동 저술한 Gogotsi는 당시 기술을 섬유에 완전히 통합하려면 전원 공급 장치를 매끄럽게 통합할 수 있어야 한다고 언급했습니다.

우리의 발명은 섬유 에너지 저장 장치의 향후 방향을 제시합니다.

– Gogotsi

MXene이 섬유에 쉽게 부착될 수 있어 Drexel의 슈퍼커패시터는 높은 에너지 밀도를 보여주고 기능적 응용을 지원합니다. 이는 실제 적용에서 섬유 기반 에너지 저장을 구현하는 데 필요합니다.

MXene 섬유 슈퍼커패시터 패치는 최소한의 재료와 공간으로 에너지 저장 용량을 극대화하도록 설계되었습니다. 이를 통해 생산 비용을 낮추면서 의류의 유연성과 착용성을 유지했습니다.

이제 슈퍼커패시터를 만들기 위해, 작은 면 직물 조각을 MXene 용액에 담갔습니다. 그 후 리튬 염화물 전해질 겔 위에 층을 형성했습니다. 각 슈퍼커패시터 셀은 MXene으로 코팅된 두 개의 섬유 층을 가지고 있습니다.

장치를 구동할 수 있는 패치를 만들기 위해, 25㎠ 면적의 5개 셀을 적층해 6볼트까지 충전 가능한 전원 팩을 만들었습니다. 셀은 성능 저하를 방지하기 위해 진공 밀봉되었습니다.

팀의 슈퍼커패시터는 Arduino Pro Mini 3.3V 마이크로컨트롤러를 구동할 수 있었으며, 이는 섬유 에너지 장치 중 기록된 최고 총 전력 출력 중 하나였습니다.

마이크로컨트롤러는 30초마다 온도를 무선 전송하며 96분 동안 작동했습니다. 이 성능은 20일 이상 지속되었습니다.

섬유에서 무선 충전을 가능하게 하기

배터리보다 빠르게 에너지를 전달하는 슈퍼커패시터라는 에너지 저장 장치를 만든 후, 팀은 MX-coil과 세 개의 섬유 슈퍼커패시터를 포함한 섬유 그리드 작업을 시작했습니다.

팀은 다양한 e-텍스타일 활용에 시스템이 효과적임을 입증했습니다. 예를 들어, 개발된 그리드는 3.6볼트로 무선 충전이 가능했으며, 이는 웨어러블 센서, 손목시계, 계산기를 구동하기에 충분합니다. 작은 장치 외에도 이 그리드는 컴퓨터의 디지털 회로까지 전력을 공급할 수 있었습니다.

소형 전자 장치로 그리드를 테스트한 결과, 15분만 충전해도 작은 장치를 90분 이상 구동할 수 있는 충분한 에너지를 생성함을 확인했습니다.

또한 일반 의류가 겪는 마모와 구부림을 모방한 광범위한 세탁·굽힘 사이클을 거친 후, 연구진은 그리드 성능이 거의 감소하지 않았음을 발견했습니다.

신경학 부교수인 Flavia Vitale 박사가 이끌고 펜실베니아 대학 협력자들은 근육 움직임을 모니터링하는 MXtrodes라는 무선 MXene 기반 바이오센서 전극에 대해 테스트했습니다.

에너지 저장이 필요한 의류 적용 외에도, 팀은 에너지 저장이 필요하지 않을 수 있는 사용 사례를 제시했습니다. 예를 들어 “상대적으로 정적인 사용 상황”이라고 Alex Inman 박사( A.J. Drexel 나노재료 연구소의 Gogotsi와 함께 연구 보조원)가 말했습니다.

이와 관련해 팀은 시스템을 이용해 온도·습도 센서 배열과 마이크로컨트롤러를 구동해 실시간으로 수집된 데이터를 방송했습니다. 30분의 무선 충전만으로 센서의 실시간 방송이라는 에너지 집약적 기능을 13분 동안 구동했습니다.

MX-coil은 인쇄형 섬유 가열 요소인 줄 히터를 구동하는 데에도 사용되었습니다. 개념 증명으로 약 4도(섭씨) 상승을 일으켰습니다. Gogotsi에 따르면:

다양한 기술이 무선 충전으로 구동될 수 있습니다. 응용 분야를 선택할 때 가장 중요한 점은 웨어러블에 적합해야 한다는 것입니다.

헬스케어의 미래인 생물학적 센서는 섬유에 직접 통합되어 데이터 품질과 신뢰성을 높이고 사용자 편안함을 향상시킬 수 있지만, Gogotsi는 연구 결과 섬유 기반 전력 그리드가 다양한 주변 장치를 구동할 수 있음을 보여준다고 밝혔습니다.

엔터테인먼트·훈련용 AR/VR 웨어러블 햅틱부터 패션·작업 안전용 섬유 기반 LED, 외부 전자기기 제어에 이르기까지, 그들의 섬유 기반 전력 그리드는 다양한 잠재적 활용 사례를 보여주었습니다.

큰 성과이지만, 공명 동작을 만들기 위한 설계 최적화와 효율성을 높이기 위한 다른 재료 추가가 필요합니다. 앞으로 Drexel 연구진은 시스템을 확대하면서 섬유에 통합되는 능력을 제한하거나 성능에 부정적 영향을 주지 않도록 집중할 것입니다.

전반적으로 Gogotsi와 Inman에 따르면 MXene 재료는 다양한 기술을 섬유 형태로 전환하는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다.

우리는 무선 충전으로 다양한 응용 분야를 구동할 충분한 전력을 생산하고 있으므로, 다음 단계는 통합에 달려 있습니다. MXene이 도움이 될 수 있는 큰 방법 중 하나는 전도성 트레이스, 안테나, 센서 등 다양한 기능에 활용될 수 있다는 점입니다.

– Inman

e-텍스타일이 현실이 됨에 따라 혜택을 받을 기업들

스마트 의류 시장은 현재 51억 6천만 달러 규모로 성장하고 있으며, 2025년부터 2030년까지 연평균 26.2% 성장할 것으로 예상됩니다. 사용자들의 건강·피트니스에 대한 관심이 높아짐에 따라 Google과 Apple과 같은 기술 대기업도 웨어러블 기술을 개발했으며, e-텍스타일에서도 혜택을 받을 수 있습니다.

2019년, Levi(LEVI )는 Google과 협력해 스마트 트러커 재킷을 출시했습니다. 이 재킷에는 Google의 Jacquard 기술이 내장되어 있어 특정 섬유 부위를 이용해 모바일 폰을 제어할 수 있습니다.

MXene 기반 섬유는 의료 분야에서도 가치가 있으며, Medtronic(MDT)과 같은 기업이 편안함과 안전성을 제공하는 데 활용할 수 있습니다.

이제 스마트 의류의 지속적인 발전으로 크게 혜택을 받을 수 있는 두 기업을 살펴보겠습니다.

1. Vuzix Corporation (VUZI )

스마트 의류는 가상현실(VR) 및 증강현실(AR) 산업에서 활용 및 성장 가능성이 큽니다. 촉각 피드백과 같은 감각 신호를 통해 물리적 세계와 온라인 세계의 경계를 흐리게 하여 사용자에게 더욱 몰입감 있는 경험을 제공할 수 있습니다.

Vuzix는 웨어러블 AR·VR 디스플레이 기술 공급업체입니다. MXene 기반 e-텍스타일을 웨어러블에 통합함으로써 외부 배터리 팩을 없애고 사용자의 움직임을 제한하지 않아 사용자 경험을 크게 향상시킬 수 있습니다.

현재 시장 실적을 살펴보면, 시가총액 7,620만 달러 기업의 주가는 올해 44.36% 하락해 현재 $1.22에 거래되고 있습니다. EPS(TTM)는 -1.26, P/E(TTM)는 -0.92입니다.

2024년 2분기에는 총 매출이 77% 감소해 110만 달러(전년 2분기 470만 달러 대비)였으며, 이는 특히 M400 스마트 안경의 제품 판매 감소 때문입니다.

이 기간의 총 손실은 30만 달러였으며, 이는 매출 감소로 고정 제조 간접비를 충당하지 못했기 때문입니다. 연구개발 비용은 240만 달러였습니다. 2024년 6월 30일 기준 Vuzix는 현금 및 현금성 자산이 990만 달러이며, 전체 운전자본은 2,210만 달러였습니다.

2. Nike (NKE )

이 의류 대기업은 오랫동안 스마트 의류를 탐구해 왔으며, MXene 기반 무선 충전 의류를 통합하면 Nike가 사용자 기능과 편안함을 해치지 않으면서 생체 데이터를 추적할 수 있는 고급 운동복을 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다.

최근 Nike는 땀을 감지하면 자동으로 열리고 닫히는 수분 반응형 통풍구를 갖춘 새로운 통기성 의류 기술인 Aerogami를 공개했습니다. 이는 러너가 운동 중 체온을 더 잘 조절하도록 돕습니다. Nike는 이 퍼포먼스 의류 기술을 통해 “운동 전, 땀을 흘리며, 식는 동안 실시간으로 운동선수의 몸과 상호작용하는 제품을 만들고자” 했습니다.

재무 측면을 살펴보면, Nike는 시가총액 60억 달러 기업으로 현재 주가는 $77.20이며, 올해 28.18% 하락했습니다. EPS(TTM)는 3.49, P/E(TTM)는 22.36이며, 배당 수익률은 1.90%입니다.

2024년 8월 31일 종료된 회계연도 2025분기 실적에서, 회사는 매출 116억 달러(전년 대비 10% 감소)를 보고했습니다. 순이익도 28% 감소해 11억 달러였습니다. 최근 소비자 수요 감소로 어려움을 겪었지만, 여전히 스포츠웨어 시장에서 40% 점유율을 유지하고 있습니다.

한편 현금 및 현금성 자산과 단기 투자액은 103억 달러로 전년 대비 약 15억 달러 증가했습니다. 주주에게 돌아가는 수익도 증가했으며, 배당금으로 5억 5800만 달러를 지급하고, 자사주 매입에 12억 달러를 사용했습니다.

결론

기술은 가장 빠르게 성장하는 분야로, 우리의 옷장을 포함한 거의 모든 생활 영역에 영향을 미칩니다. 그러나 현재 사용 가능한 재료와 기술의 성능이 부족해 대부분의 e-텍스타일 시스템에서 유연하고 신축성 있는 섬유 에너지 저장 솔루션은 아직 충분히 개발되지 못했습니다.

지속적인 연구와 혁신을 통해 스마트 의류가 현실이 될 수 있습니다. 여기서 MXene이라는 놀라운 물질은 다재다능함으로 큰 기대를 가지고 있으며, e-텍스타일을 가능하게 할 뿐만 아니라 미래 에너지 수요를 해결할 잠재력도 가지고 있습니다.

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