[인터뷰] 셔츠만으로 심박 측정한다…전도성 섬유가 불러올 웨어러블 컴퓨팅 혁신 – 서울대 박성준 교수

최근 개발된 50미터급 액체금속 기반 전도성 섬유는 ‘입는 컴퓨터’라는 미래를 눈앞으로 끌어왔다. 스마트워치에서 스마트셔츠로, 진정한 웨어러블 기술의 전환점을 제시하는 이 기술은 의료, 스포츠, 메타버스까지 폭넓은 확장 가능성을 보여주며, 우리가 ‘기기를 입는’ 시대를 예고하고 있다.

웨어러블 헬스케어, 디지털 인터페이스, 스마트 의류 등 차세대 기술을 구현하기 위해서는 신축성, 내구성, 전도성을 동시에 갖춘 섬유형 전극 개발이 필수적이다. 그러나 기존의 섬유형 전극은 딱딱한 전도성 필러나 금속 와이어 기반 구조로 인해 신체의 움직임에 따른 반복적인 변형에 취약했고, 전기적 특성이 쉽게 바뀌거나 파손되는 한계가 있었다. 한편 액체금속 기반 섬유는 뛰어난 전도성과 신축성을 갖췄지만, 누액 문제와 기계적 안정성 부족, 공정의 제약으로 실제 의류에 통합하기 어려웠다.

서울대학교 첨단융합학부 박성준 교수(의과대학 겸무) 연구팀은 기존 액체금속 기반 섬유가 가지고 있던 누액, 내구성 부족, 전도도 저하 같은 구조적 문제를 계층적 이중 구조 설계를 통해 해결하면서 기존 섬유형 전극이 갖고 있던 문제를 해결하기 위한 실마리를 제공하고 있다.

연구팀은 실제 사람의 몸 위에 회로와 인터페이스를 배치하고, 옷을 입는 방식으로 일상 속에서 컴퓨터와 상호작용할 수 있는 환경을 떠올렸다. 기존에는 전자소자들이 옷과 따로 노는 방식이 많았지만, 이제는 섬유 그 자체가 전자기기의 일부가 되는 시대로의 전환이라는 설명이다.

이번 연구를 주도한 박성준 교수를 만나 이번 연구의 성과와 전도성 섬유를 통해 이뤄질 의류 중심의 웨어러블 컴퓨팅 환경의 미래에 대한 이야기를 나눴다.

전기적 안정성과 기계적 내구성 확보

박성준 교수는 “액체금속 입자를 단순히 고분자와 섞는 방식이 아니라, TPU(Thermoplastic Polyurethane) 고분자가 액체금속 입자를 균일하게 감싸는 구조를 설계함으로써 섬유가 늘어나거나 구부러져도 전도 경로가 유지되도록 만들었다”고 이번 연구의 핵심을 설명했다. 특히 화학적 활성화를 통해 섬유 내부에서 액체금속으로 구성된 전도층과 TPU 기반의 지지층이 자연스럽게 분리되는 상분리 구조(phase separation)를 형성해, 전기적 안정성과 기계적 내구성을 동시에 확보할 수 있었다고 성과를 설명했다.

해당 공정을 가능하게 하기 위해, 연구팀은 강한 초음파 에너지를 활용해 액체금속을 초음파를 이용해 나노입자 수준으로 분산시키는 ‘소니케이션(sonication)’ 기술을 활용, TPU 고분자 사슬을 화학적으로 활성화하여 액체금속 입자와 결합할 수 있도록 했다. 이로 인해 입자 간 연결이 형성되면서, 섬유 내부에 안정적으로 전류가 흐를 수 있는 네트워크가 만들어졌다. 이것이 바로 단순 분산을 넘어서 전도성과 내구성을 모두 갖춘 섬유 구조를 구현하는 데 기여한 공정이다.

또한 연구팀은 이렇게 제작한 섬유를 여러 가닥 꼬아내는 다층꼬임(wisted multi-ply structure, 이하 TSFtw) 구조를 적용해 실 사용에 적합한 강도와 복원력을 확보했다. 꼬임 구조는 반복적인 신축 환경에서도 전도성이 쉽게 저하되지 않으며, 최대 400%가 늘어나도 저항 변화율이 10퍼센트 미만으로 유지되는 성능을 보였다. 특히 50미터 이상 연속 생산이 가능하다는 점은 기존 기술 대비 산업화 가능성을 크게 확장시킬 수 있는 요소로 평가된다.

디지털 플랫폼 역할을 하는 의류의 등장

박 교수는 ‘입는 컴퓨터’란 옷을 입는 것만으로도 다양한 디지털 기능을 수행할 수 있는 시대를 의미한다고 설명한다. 입력(예: 터치, 움직임 인식)과 출력(예: 조명, 디스플레이) 기능을 갖춘 섬유 기술이 빠르게 진화하고 있고, 전원 공급과 연산 기능까지 섬유화되면, 기존 스마트폰이나 노트북 없이도 옷 자체가 하나의 디지털 플랫폼 역할을 할 수 있다는 것이다.

예컨대 셔츠가 심박수와 체온을 실시간으로 측정하고, 바지가 걸음걸이와 자세를 분석해 피드백을 제공하며, 재킷 소매를 터치해 게임을 조작하거나 조명을 제어하는 식이다. 박 교수는 “이처럼 별도의 기기를 들고 다니지 않아도 되는 진정한 착용형 컴퓨팅 환경이 일상 속으로 자연스럽게 스며들게 될 것”이라고 강조했다.

소비자들이 우려할 수 있는 전자파나 피부 부작용과 같은 안전성 문제에 대해서도 연구팀은 충분히 대비하고 있다. 통신 기능 구현 과정에서 일부 전자파가 발생하긴 하지만, 이는 인체에 영향을 줄 수 있는 수준은 아니라는 설명이다. 피부 접촉에 따른 자극 가능성을 줄이기 위해, 생체적합성이 입증된 TPU, SEBS(Styrene Ethylene/Butylene Styrene)과 같은 고분자 소재만을 사용했고, 알레르기나 발진과 같은 부작용 발생 가능성도 낮은 것으로 분석됐다. 연구팀은 향후 상용화 과정에서 피부 자극 테스트 및 인증 절차를 통해 안전성을 더욱 철저히 검증해 나갈 계획이다.

의료, 스포츠, 디지털 인터랙션 분야로 확장 가능

스마트 의류가 실제 일상에서 사용되기 위해서는 세탁 내구성 확보가 필수다. 박 교수는 “세탁은 섬유형 디바이스 개발에서 가장 중요한 시험대 중 하나”라며 “고온의 물과 강한 회전력, 세제에 포함된 화학 성분까지 견뎌야 하기 때문”이라고 설명했다. 이번에 개발한 섬유형 전극은 세탁기 사용, 일반 세제 세탁, 탈수 과정까지 견딜 수 있는 내구성을 확보했다. 여기에 추가 코팅 처리를 통해 혹시 모를 누출이나 손상을 막을 수 있도록 방수 대응도 가능하다는 것이 연구팀의 설명이다.

전원 문제 역시 현실적인 과제로 꼽힌다. 연구팀은 “섬유 자체는 전극 역할을 하기 때문에 별도 충전이 필요 없지만, 심박 센서나 디스플레이 같은 능동형 부품을 구동하려면 전원이 필요하다”고 말했다. 현재는 소형 배터리를 의류에 부착하는 방식이지만, 궁극적으로는 무선 충전, 체온·움직임을 활용한 에너지 수확(energy harvesting) 기술과 결합해, 사용자가 충전에 신경 쓰지 않아도 되는 방향으로 기술을 발전시켜 나갈 계획이다. 특히 “궁극적으로는 일반 옷처럼 입고 벗기만 해도 자동으로 작동하고 충전 걱정이 없는, 완전한 일상화가 가능하도록 만드는 것이 목표”라고 박 교수는 강조했다.

이러한 기술은 의료·재활 모니터링, 스포츠 인터페이스, 메타버스 기반 디지털 인터랙션 등 다양한 분야로 확장 가능하다. 박 교수는 “기술이라는 것은 결국 사람이 쓰는 것이고, 입는 컴퓨터라는 개념은 사람과 기술이 가장 밀접하게 만나는 지점”이라며 “이 기술이 약자에게는 건강을 돌보는 도구가, 스포츠 선수에게는 데이터 기반 트레이닝 도구가 될 수 있다”고 말했다.

입는 컴퓨터 향해 나가는 기반 기술

이번 연구에서 강조된 특징 중 하나는 격렬한 움직임 속에서도 안정적으로 생체 신호를 측정할 수 있다는 점이다. 박 교수는 “최대 400% 이상 섬유가 늘어나도 전도성이 유지되고, 반복적인 변형에도 저항 변화율이 10% 미만으로 유지된다”며 “스포츠 분야에서 선수의 심박, 근육 움직임, 체온 등을 실시간으로 정밀하게 모니터링할 수 있다”고 설명했다.

또 해당 섬유는 일반 의류처럼 자연스럽게 착용할 수 있어 고령자나 재활 환자 모니터링에도 적합하다는 평가다. 박 교수는 “심박 측정, 낙상 감지, 관절 움직임 분석 등 다양한 생체 신호를 일상 속에서 수집할 수 있고 반복 착용이나 조작이 어려운 사용자에게 특히 유용하다”며 “의료기관 입장에서는 환자의 상태를 정량적으로 파악해 이상 징후를 조기에 발견하고, 의료 인력의 상시 모니터링 부담도 줄일 수 있다”고 밝혔다.

앞으로 박 교수는 섬유 내에 보다 복잡한 회로를 집적하고, 이를 의류 기반의 AI 인터페이스로 확장하는 방향으로 연구를 이어갈 계획이다. 그는 “5년 안에 기술적 병목들이 상당 부분 해소되면서, ‘입는 컴퓨터’라는 개념이 일상에 자연스럽게 스며들 것”이라고 전망했다.

이어 그는 “스마트워치가 처음 등장했을 땐 낯설었지만 이제는 누구나 착용하듯 앞으로는 셔츠로 심박을 측정하고, 바지가 걸음걸이나 자세를 분석하며 재킷 소매를 터치해 스마트폰이나 가전기기를 제어하는 일이 특별하지 않은 시대가 올 것”이라며 “지금은 실험적이거나 연구 단계에 불과하지만, 5년이라는 시간은 패션과 기술의 융합이 생활 깊숙이 들어오는 데 충분하다”고 덧붙였다.

박성준 교수는 서울대학교 첨단융합학부 및 의과대학 겸무 교수로, 액체금속 기반의 전도성 섬유 연구를 선도하고 있다. 그는 고분자 매트릭스에 액체금속 입자를 안정적으로 분산시켜 전도성과 기계적 강도를 동시에 갖춘 신축성 섬유를 개발했으며, 이를 산업 규모로 50m 이상 연속 생산 가능한 공정으로 구현해 큰 주목을 받았다. 해당 연구는 Nature Communications에 게재되었으며, 의료용 스마트 의류부터 헬스케어, 메타버스 인터페이스까지 폭넓은 응용 가능성을 제시하고 있다.

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