탄소나노튜브 기반 피부부착형 신축성 패치 개발
최 교수 연구팀이 선보인 소자는 탄소나노튜브(CNT) 표면에 마이크로 단위의 주름을 잡은 독특한 형태를 취한다. 전기를 유도하는 메커니즘을 완성하기 위해 소자 좌측에는 순수한 상태의 탄소나노튜브를 배치했다. 반면 우측 영역에는 산소 원자가 포함된 물질을 추가함으로써 두 영역의 성질이 상반되도록 비대칭적 구조를 수립했다. 이러한 상태에서 인체의 날숨에 포함된 습도가 소자 표면에 닿으면 반응이 시작된다. 산소가 풍부한 쪽에서 산소가 결핍된 방향으로 수소 이온이 이동을 시작하며 소자 양단에 전압이 발생하는 원리다.
연구팀은 성균관대학교 백상열 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 이 소자의 뒷면에 특별한 기능을 더했다. 문어 빨판의 돌기 구조를 모사한 흡착컵(suction-cup) 형태의 특수 패턴을 표면에 도입한 것이다. 생체모사 기술을 기반으로 완성된 해당 접착 패턴은 수분이 가득한 가혹한 조건 속에서도 고유의 우수한 부착력을 잃지 않고 유지하는 강점을 지닌다. 외부 보조 장치의 도움 없이 인체에 안정적으로 고정되는 소자의 고유성이 여기에서 비롯된다.
"이번 연구는 수분으로부터 전기에너지를 효율적으로 수확하는 기술적 전환점을 마련했다는 점에서 의미가 깊습니다. 특히 신축성이 높으면서도 젖은 환경에서 안정적인 접착력을 유지하도록 설계하는 데 심혈을 기울였습니다. 기존 웨어러블 기기들이 지닌 배터리 의존성 문제를 해결할 실마리를 찾았다고 자부합니다. 앞으로 스마트 의료기기나 차세대 전자기기 시장에서 친환경 자가구동 장치로 폭넓게 활용되기를 기대합니다."
실제 정밀 측정 결과 개발된 패치는 주변의 습도 변화만을 활용해 최대 102mV의 전압과 1.75mA/m²의 전류 밀도를 안정적으로 생성해 냈다. 300% 수준에 달하는 강력한 인장력이 가해지는 환경 조건에서도 전기 생산 효율은 저하되지 않고 온전하게 유지된다. 접착력 부문에서도 건조한 피부 환경은 물론이고 땀이 많이 배어 나오는 습윤한 피부 표면에서 최대 3.66N/cm²의 강력한 부착 성능이 확인되었다. 연구팀은 해당 패치를 피실험자의 코 아래에 직접 부착하는 방식으로 운동 이후 변화하는 호흡 패턴을 실시간으로 추적하는 실증 실험을 완료했다. 배터리 장착이 필요 없는 자가구동형 헬스케어 모니터링 시스템의 현실화 가능성을 입증한 대목이다.
이 센서 장치가 지닌 독보적인 가치는 신호 감지에 머무르지 않고 전압을 직접 발생시켜 전기를 생산한다는 사실에 기인한다. 추후 출력 전압을 획기적인 수준으로 끌어올리는 후속 연구가 결실을 맺는다면 활용도는 비약적으로 치솟을 전망이다. 호흡을 포착하는 센서 기능에 머무는 대신, 사람이 코 밑에 부착하고 숨을 쉴 때마다 발생하는 전력을 축적해 타 배터리를 충전하는 하베스팅 장치로의 변모도 불가능하지 않다. 이에 따라 연구팀은 수분 반응 시 도출되는 전압 출력을 대폭 제고해 실질적인 에너지 하베스팅 소자로 고도화하는 연구에 박차를 가할 계획이다. 한편 이번 연구 성과는 재료과학 및 나노기술 분야의 세계적 권위지인 ‘ACS Nano’에 2025년 6월 26일 자로 온라인 게재되며 기술적 우수성을 인정받았다.
두 개의 전극이 일체화된 다기능성 섬유 소자 원천기술 확보
전도성 물질인 탄소나노튜브를 활용해 실 형태의 배터리를 제작하는 기술은 웨어러블 분야의 오랜 과제였다. 연구팀은 이 배터리 실을 일반 원사와 함께 직조한 뒤 전해질을 도포해 발광을 유도하는 섬유형 전지 시스템 연구에 집중해 왔다. 이러한 연구를 고도화한 끝에 2024년 4월 10일, 전극 일체형 다기능 섬유 소자 개발에 성공하며 국제학술지 'Advanced Functional Materials'에 게재되는 성과를 거뒀다. 이 기술은 기존 웨어러블 시스템이 마주했던 구조적 한계를 해결한 대표적 사례로 평가받는다.
의복형 시스템의 기본 단위가 되는 섬유형 소자는 음극과 양극이라는 두 개의 전극 배치가 성능을 결정짓는 핵심 요소다. 기존의 평행, 동축, 혹은 꼬임 형태의 전극 구조는 공간 효율성이 낮고 내구성이 취약하다는 결함이 따랐다. 특히 외부에서 가해지는 충격이나 변형으로 인해 두 전극이 물리적으로 맞닿으면 전기적 단락이 발생해 소자가 제대로 작동하지 못하는 치명적인 한계가 나타났다. 전극 배치 방식을 완전히 수정해 쇼트 문제를 근본적으로 차단할 새로운 설계 모델이 요구되던 시점이다.
“기존 섬유형 소자의 구조적 결함을 극복하기 위해 인간 DNA의 이중나선 구조에 주목했습니다. 두 가닥의 서열이 마주 보며 평행을 유지하되 결코 접촉하지 않는 자연의 원리를 전기 시스템에 투영한 것이죠. 두 가닥의 주름진 탄소나노튜브 리본을 하나의 탄성 고무 섬유 표면에 이중나선 형태로 감싸는 구조를 구현함으로써 양극과 음극이 분리된 전극 일체형 시스템을 완성할 수 있었습니다. 구부리거나 잡아당기는 거친 움직임 속에서도 전극 간 충돌이 발생하지 않아 고장 우려가 없는 다기능성 의복 소자의 상용화 기반을 다졌다고 생각합니다.”
실제 나선 설계는 전극 간 접촉을 차단하는 차폐벽 역할을 수행하며, 표면의 미세 주름은 인장이나 굴곡 같은 물리적 자극을 흡수하는 완충 장치로 기능한다. 이러한 기계적 안정성을 바탕으로 개발된 소자는 다채로운 영역에서 잠재력을 증명해 냈다. 외부 변형률을 정밀하게 수치화하는 센서 기능은 물론이고 에너지를 보관하는 슈퍼커패시터, 나아가 물리적 움직임을 구현하는 액츄에이터 역할까지 무리 없이 소화하는 멀티 플랫폼으로서의 가치를 보여준다. 옷감 형태로 짜내는 직조 공정이 가능하므로 미래형 의복 전원장치나 스마트 텍스타일 소자로의 전방위적 확장이 점쳐지는 이유다. 현재 연구팀은 섬유 표면에 에너지 효율을 극대화할 수 있는 특수 물질을 추가 증착하는 후속 실험에 매진하며 배터리 본연의 저장 능력을 개선하는 데 역량을 집중하고 있다.
정지된 순수한 물에서 전기를, 하이드로볼텍 셀의 혁신
연구팀이 축적해 온 나선 및 주름 구조의 원천기술은 최근 연구의 거대한 촉매제가 되고 있다. 이전 연구 성과들을 탄탄한 디딤돌 삼아 기존 시스템이 지닌 기술적 벽을 넘어서는 중대한 연구 결과들이 연이어 도출되는 추세다. 그중에서도 지난해 11월, 정지된 순수 물(deionized water) 속에 전기 생산이 가능한 탄소나노튜브 기반 신축성 하이드로볼텍 셀(hydrovoltaic cell)을 개발한 것이 대표적이다(‘npj flexible electronics’ 2025년 11월 18일 온라인 게재, 한국생산기술연구원 김시형 박사 연구팀 공동연구).
과거 구축된 수분 기반 전기 에너지 하베스팅 기술은 작동 조건이 상당히 까다로웠다. 물의 인위적인 흐름을 유도하거나 염분 등의 농도 차이, 혹은 지속적인 압력 변화가 수반되어야만 전력이 생산되는 한계를 노출했다. 소자 자체가 신축성이 없는 딱딱한 구조로 설계되어 실제 마찰이 일어나는 유연 환경에서는 기능이 쉽게 상실되곤 했다. 이온 유동이 전무해 완전히 정지된 깨끗한 물속에서는 전기에너지 추출이 사실상 불가능의 영역으로 간주되어 왔다.
연구팀은 이를 타개하고자 수중에서 서로 상반된 표면전하 특성을 나타내는 두 가지 형태의 탄소나노튜브 섬유를 설계했다. 각각 물과 친한 친수성 섬유와 물을 배척하는 소수성 섬유다. 나아가 탄성 고무 섬유의 중심축을 따라 이 두 종류의 섬유를 이중나선(double-helix) 모양으로 정교하게 감아 고정(winding-locked)하는 구조를 이끌어 냈다. 이러한 상태의 소자가 물을 만나면 내부에서 비대칭적인 전하 상호작용이 자연스럽게 유도된다. 외부의 강제적인 흐름이나 기계적 자극이 완전히 배제되더라도 양 극단 사이에 안정한 전위차가 스스로 형성되는 원리다.
실제 정밀 정량 분석을 수행한 결과, 개발된 하이드로볼텍 셀은 정지된 순수 물속에 담그는 환경 조건만으로도 약 0.31V의 전압을 안정적으로 유지했다. 동시에 22.4μA/cm²의 전류 밀도를 중단 없이 지속해서 생성하는 독보적인 지표를 달성했다. 최대 200%에 이르는 강력한 신장 자극이 가해져 격렬하게 늘어나는 조건에서도 전기적 성능 저하는 전혀 관찰되지 않았다. 연구팀은 이 셀의 실용성을 확인하기 위해 일반 면장갑의 손가락 마디마디에 해당 소자를 바느질하듯 정교하게 연결하는 방식을 취했다. 그 결과 손가락을 굽히고 펼 때 발생하는 역동적인 움직임 속에서도 실시간 전압 변화의 파형을 노이즈 없이 포착하는 성과를 거뒀다.
나아가 단일 셀 검증을 마친 뒤, 여러 개의 하이드로볼텍 셀을 직렬과 병렬로 조합하는 확장 실험에 돌입했다. 전력의 전압 출력과 전류 용량을 원하는 수준으로 키우는 기반 기술을 다진 셈이다. 확보된 에너지를 활용해 탄소나노튜브 기반의 회전형 인공근육을 외부 배터리 없이 직접 구동하는 실증 단계까지 일사천리로 도달했다. 이는 향후 웨어러블 기기나 스마트 의류는 물론이고 스스로 동력을 얻어 움직이는 자가구동 소프트 로봇 분야에서 핵심적인 전원 일체형 섬유 시스템으로 자리매김할 가능성을 강력히 시사한다.
차세대 웨어러블 플랫폼의 메카, ‘WEAR Lab(웨어 랩)’
최 교수가 이끌고 있는 연구실의 이름은 ‘WEAR Lab(웨어 랩)’이다. 명칭에서 직관적으로 드러나듯 착용 가능한 형태의 다양한 소재 및 소자를 전방위적으로 연구한다. 최근 생체공학기술이 눈부시게 발달함에 따라 들고 다니는 휴대형(portable) 기기에서 몸에 착용하는 웨어러블(wearable) 기기로 패러다임이 이동하는 추세다. 이러한 흐름 속에서 연구실이 마주한 시대적 역할은 더욱 중대해질 수밖에 없다. 현재 상용화된 제품군은 스마트 워치나 링, 기능성 신발과 안경 등이 주류를 형성하고 있다. 그러나 머지않은 시기에는 피부에 접착하는 타투 형태나 인공피부, 혹은 일상복 형태의 제품이 전면에 등장할 가능성이 크다. WEAR Lab은 이처럼 다가올 차세대 플랫폼에 발맞춰 센서, 인공근육, 에너지 저장 및 발전 등 다채로운 기능을 수행하는 고부가가치 소재 개발에 전력을 다하는 중이다. 많은 이들에게 신선한 영감을 불어넣고 사회에 긍정적인 파급효과를 전달하는 기술 축적이 연구실의 궁극적인 지향점이다.
이러한 지향점을 현실로 옮기기 위해 최 교수가 연구원들에게 늘 강조하는 대목은 '장기적인 안목'이다. 최초의 아이디어가 실험실을 거쳐 하나의 온전한 논문으로 세상에 발표되기까지 짧게는 수개월에서 길게는 수년에 이르는 오랜 시간이 소요되는 까닭이다. 인간은 본능적으로 즉각적인 리액션이나 결과가 도출되는 작업에 흥미를 느끼도록 진화했다. 성과가 곧바로 확인되는 게임과 달리 학문적 탐구는 지루한 인내를 요구하므로 스스로 동기부여를 지속하는 내면의 통제력이 성패를 가른다. 흥미를 잃지 않고 꾸준함을 유지하는 역량 자체가 우수한 연구자의 자질이라는 뜻이다.
“머릿속의 아이디어를 실험을 통해 현실 세계로 실체화하는 작업은 긴 호흡이 필요한 여정입니다. 즉각적인 보상이 주어지는 영역과 달리 논문 출판까지는 지난한 인내의 시간이 필수적으로 요구되죠. 이 기간 동안 지치지 않고 스스로 동기부여를 지속하는 멘탈 관리, 학문적 호기심의 끈을 놓지 않고 묵묵히 걸어가는 태도가 무엇보다 중요합니다.”
이러한 긴 터널을 통과해야 하는 고단함이 수반되지만, 최 교수는 후배 연구자들이 연구가 지닌 독보적인 매력에 눈을 뜨기를 기대한다. 흔히 실험과 논문 작성을 딱딱한 두뇌 노동으로 치부하기 쉽지만, 실상은 완전히 궤를 달리한다. 연구라는 작업에는 과정 전반을 오롯이 자신만의 방식으로 설계하고 수행할 수 있는 절대적인 자유가 내재되어 있다. 타인이 정해놓은 규칙에서 벗어나 스스로 개척한 길에서 얻은 결실은 고스란히 연구자 자신의 온전한 자산으로 남는다.
"연구자는 자신이 갈망하는 주제를 원하는 사람과 함께 원하는 시점에 탐구할 수 있는 특권을 누리는 사람들이라 생각합니다. 정해진 결말을 향해 달려가는 기존의 삶과 달리, 매 순간 새로운 경로를 개척하는 고도의 자율성이 보장되는 일이죠. 마치 끝이 정해지지 않은 거대한 가상 세계를 자유롭게 모험하는 것처럼요. 아무도 밟지 않은 미지의 영역을 나만의 속도와 방식으로 걸어가는 즐거움을 후배들이 꼭 경험해 보기를 바랍니다."
‘실로’ 창업, 가상과 현실의 경계를 허물다
인류의 삶에 기여하는 실용적 기술 역시 연구의 본질이라고 판단한 최 교수는, 2022년 스타트업 '실로(SILLO)'를 창업했다. 연구실 내부의 아이디어를 논문으로 발표하는 작업도 흥미롭지만, 종이 위 그래프에 머무는 결과물만으로는 '사람들에게 영감과 건강을 선사하는 기술'을 온전히 구현하기 어렵다는 한계를 절감한 까닭이다. 웨어러블 기술은 사용자가 직접 착용하고 감각을 체감할 때 비로소 진가가 드러나기 마련이다. 사명인 '실로'는 핵심 소재인 ‘실(Yarn)’과 가상과 현실을 연결하는 ‘통로’라는 의미를 지닌다.
주력 라인업은 섬유형 인공근육 액추에이터와 고정밀 유연 센서를 하나로 결합한 ‘실로 햅틱 센서 장갑’이다. 사용자의 섬세한 손동작을 정밀하게 수집함은 물론, 가상 공간 속 물체를 쥘 때 느껴지는 압력 및 질감을 손가락 끝에 역동적으로 되돌려준다. 가상현실(VR) 게임 내에서 공을 잡으면 장갑 내부에 심어진 섬유 인공근육이 순간적으로 수축하며 손가락을 압박해 실제 물체를 쥔 듯한 촉각을 구현하는 방식이다. 손가락의 굴곡을 측정하는 스트레인 센서와 손바닥·손끝의 압력 센서가 유기적으로 맞물려 고해상도 모션 데이터를 추출해 낸다. 기성 제품이 지닌 착용감 저하 문제를 섬유 기반 초소형 인공근육으로 정면 돌파한 셈이다. 궁극적으로 인간과 기계의 상호작용(HMI)을 가장 직관적이고 자연스럽게 빚어내는 기업으로 거듭나는 것이 실로의 지향점이다. 근골격계 질환의 재활이나 신체 기능 보조 시스템으로 영역을 넓혀 모든 이가 신체적 제약 없이 더 나은 삶을 영위하도록 돕는 비전을 구축하고 있다.
웨어러블 햅틱 센서 기술을 고도화하려는 최 교수의 여정은 휴머노이드 로봇 분야로 자연스럽게 이어진다. 향후 계획 중인 핵심 연구 과제는 사람의 미세한 손동작을 로봇이 이해할 수 있는 디지털 데이터로 변환해 구현하는 작업이다. 미래 로봇 시장의 핵심 승부처는 인간의 손을 고스란히 모사하는 정교한 로봇손 기술에 있다는 판단에서다. 현재 글로벌 무대에 등장한 휴머노이드 로봇들은 무거운 하중을 견디거나 공중제비를 도는 등 육체적 능력에서 인간을 앞서간다.
반면 미세한 조작 능력을 구현하는 단계에서는 여전히 기술적 정체기를 겪는 중이다. 정밀 제어 학습에 필수적인 ‘인간의 실제 손동작 데이터’가 부족하다는 점이 결정적인 원인이다. 외과의사가 수술도를 잡을 때 일어나는 손끝의 미세한 동작이나, 거장의 음악가가 악기를 연주할 때 발생하는 역학적 정보는 여전히 수치화되지 못한 영역이다. 최 교수는 고유의 웨어러블 센서 기술을 활용해 인간의 손에서 발현되는 초정밀 물리 데이터를 정량화해 로봇에게 이식하는 연구를 본격화할 계획이다.
“로봇이 인간의 물리적 한계를 극복하는 수준까지 진화했으나, 손끝의 섬세함을 학습할 데이터는 여전히 공백 상태입니다. 향후 외과의사의 수술 동작이나 음악가의 악기 연주처럼 베일에 싸인 인간 고유의 숙련된 감각을 정밀 데이터로 추출하고자 합니다. 이를 로봇 인공지능에 학습시켜 머지않은 미래에 사람과 똑같이 세밀한 작업을 완수하는 완벽한 로봇손을 구현하는 것이 목표입니다."
나선과 주름의 미학으로 시작된 최 교수의 연구는 수중 발전 소자 개발을 토대로 인간과 가상 세계, 로봇을 하나로 묶는 거대한 신경망으로 확장되는 추세다. 그가 자아낸 첨단 섬유의 한 가닥 한 가닥은 미래 산업의 지형도를 정밀하게 직조하는 결정적 역할을 수행할 것으로 기대된다.
취재기자 / 안유정(reporter1@s21.co.kr)
인체에서 분비되는 땀이나 호흡 시 배출되는 수분을 전기에너지로 변환하는 수분 에너지 하베스팅은 최근 각광받고 있는 차세대 친환경 기술이다. 그동안 신체에 패치 형태로 부착해 웨어러블 기기를 구동하려는 시도가 이어졌으나, 움직임과 습기 노출이라는 실제 사용 환경에서 소자의 신축성과 접착력이 급격히 떨어지는 한계가 상용화의 큰 걸림돌로 지적되어 왔다.이에 한양대학교 최창순 교수 연구팀은 탄소나노튜브를 마이크로 수준의 주름 구조로 설계하고, 문어 빨판을 모사한 흡착컵 형태의 패턴 기판을 적용해 난제를 정면 돌파했다. 움직임이 격렬한 습윤 환경에서도 우수한 부착력을 유지하는 동시에, 소재 표면에 비대칭적 산소 작용기를 도입해 습기 노출 시 양성자 확산을 통한 전력 생산 효율을 극대화한 것이 특징이다. 이는 외부에 연결하는 무겁고 딱딱한 배터리 없이도 생체 신호를 실시간 포착하는 자가구동 센서의 대중화를 앞당길 획기적인 성과로 평가받는다. 특히 이번 연구는 인체의 유연성과 발전 효율을 동시에 확보함으로써, 기계적 이질감을 지우고 신체의 숨결과 전자기기가 하나의 생명체처럼 긴밀하게 공존하는 스마트 바이오웨어의 새 지평을 열었다는 점에서 의미가 크다.
탄소나노튜브 기반 피부부착형 신축성 패치 개발최 교수 연구팀이 선보인 소자는 탄소나노튜브(CNT) 표면에 마이크로 단위의 주름을 잡은 독특한 형태를 취한다. 전기를 유도하는 메커니즘을 완성하기 위해 소자 좌측에는 순수한 상태의 탄소나노튜브를 배치했다. 반면 우측 영역에는 산소 원자가 포함된 물질을 추가함으로써 두 영역의 성질이 상반되도록 비대칭적 구조를 수립했다. 이러한 상태에서 인체의 날숨에 포함된 습도가 소자 표면에 닿으면 반응이 시작된다. 산소가 풍부한 쪽에서 산소가 결핍된 방향으로 수소 이온이 이동을 시작하며 소자 양단에 전압이 발생하는 원리다.연구팀은 성균관대학교 백상열 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 이 소자의 뒷면에 특별한 기능을 더했다. 문어 빨판의 돌기 구조를 모사한 흡착컵(suction-cup) 형태의 특수 패턴을 표면에 도입한 것이다. 생체모사 기술을 기반으로 완성된 해당 접착 패턴은 수분이 가득한 가혹한 조건 속에서도 고유의 우수한 부착력을 잃지 않고 유지하는 강점을 지닌다. 외부 보조 장치의 도움 없이 인체에 안정적으로 고정되는 소자의 고유성이 여기에서 비롯된다.
"이번 연구는 수분으로부터 전기에너지를 효율적으로 수확하는 기술적 전환점을 마련했다는 점에서 의미가 깊습니다. 특히 신축성이 높으면서도 젖은 환경에서 안정적인 접착력을 유지하도록 설계하는 데 심혈을 기울였습니다. 기존 웨어러블 기기들이 지닌 배터리 의존성 문제를 해결할 실마리를 찾았다고 자부합니다. 앞으로 스마트 의료기기나 차세대 전자기기 시장에서 친환경 자가구동 장치로 폭넓게 활용되기를 기대합니다."실제 정밀 측정 결과 개발된 패치는 주변의 습도 변화만을 활용해 최대 102mV의 전압과 1.75mA/m²의 전류 밀도를 안정적으로 생성해 냈다. 300% 수준에 달하는 강력한 인장력이 가해지는 환경 조건에서도 전기 생산 효율은 저하되지 않고 온전하게 유지된다. 접착력 부문에서도 건조한 피부 환경은 물론이고 땀이 많이 배어 나오는 습윤한 피부 표면에서 최대 3.66N/cm²의 강력한 부착 성능이 확인되었다. 연구팀은 해당 패치를 피실험자의 코 아래에 직접 부착하는 방식으로 운동 이후 변화하는 호흡 패턴을 실시간으로 추적하는 실증 실험을 완료했다. 배터리 장착이 필요 없는 자가구동형 헬스케어 모니터링 시스템의 현실화 가능성을 입증한 대목이다.이 센서 장치가 지닌 독보적인 가치는 신호 감지에 머무르지 않고 전압을 직접 발생시켜 전기를 생산한다는 사실에 기인한다. 추후 출력 전압을 획기적인 수준으로 끌어올리는 후속 연구가 결실을 맺는다면 활용도는 비약적으로 치솟을 전망이다. 호흡을 포착하는 센서 기능에 머무는 대신, 사람이 코 밑에 부착하고 숨을 쉴 때마다 발생하는 전력을 축적해 타 배터리를 충전하는 하베스팅 장치로의 변모도 불가능하지 않다. 이에 따라 연구팀은 수분 반응 시 도출되는 전압 출력을 대폭 제고해 실질적인 에너지 하베스팅 소자로 고도화하는 연구에 박차를 가할 계획이다. 한편 이번 연구 성과는 재료과학 및 나노기술 분야의 세계적 권위지인 ‘ACS Nano’에 2025년 6월 26일 자로 온라인 게재되며 기술적 우수성을 인정받았다.
두 개의 전극이 일체화된 다기능성 섬유 소자 원천기술 확보전도성 물질인 탄소나노튜브를 활용해 실 형태의 배터리를 제작하는 기술은 웨어러블 분야의 오랜 과제였다. 연구팀은 이 배터리 실을 일반 원사와 함께 직조한 뒤 전해질을 도포해 발광을 유도하는 섬유형 전지 시스템 연구에 집중해 왔다. 이러한 연구를 고도화한 끝에 2024년 4월 10일, 전극 일체형 다기능 섬유 소자 개발에 성공하며 국제학술지 'Advanced Functional Materials'에 게재되는 성과를 거뒀다. 이 기술은 기존 웨어러블 시스템이 마주했던 구조적 한계를 해결한 대표적 사례로 평가받는다.의복형 시스템의 기본 단위가 되는 섬유형 소자는 음극과 양극이라는 두 개의 전극 배치가 성능을 결정짓는 핵심 요소다. 기존의 평행, 동축, 혹은 꼬임 형태의 전극 구조는 공간 효율성이 낮고 내구성이 취약하다는 결함이 따랐다. 특히 외부에서 가해지는 충격이나 변형으로 인해 두 전극이 물리적으로 맞닿으면 전기적 단락이 발생해 소자가 제대로 작동하지 못하는 치명적인 한계가 나타났다. 전극 배치 방식을 완전히 수정해 쇼트 문제를 근본적으로 차단할 새로운 설계 모델이 요구되던 시점이다.“기존 섬유형 소자의 구조적 결함을 극복하기 위해 인간 DNA의 이중나선 구조에 주목했습니다. 두 가닥의 서열이 마주 보며 평행을 유지하되 결코 접촉하지 않는 자연의 원리를 전기 시스템에 투영한 것이죠. 두 가닥의 주름진 탄소나노튜브 리본을 하나의 탄성 고무 섬유 표면에 이중나선 형태로 감싸는 구조를 구현함으로써 양극과 음극이 분리된 전극 일체형 시스템을 완성할 수 있었습니다. 구부리거나 잡아당기는 거친 움직임 속에서도 전극 간 충돌이 발생하지 않아 고장 우려가 없는 다기능성 의복 소자의 상용화 기반을 다졌다고 생각합니다.”실제 나선 설계는 전극 간 접촉을 차단하는 차폐벽 역할을 수행하며, 표면의 미세 주름은 인장이나 굴곡 같은 물리적 자극을 흡수하는 완충 장치로 기능한다. 이러한 기계적 안정성을 바탕으로 개발된 소자는 다채로운 영역에서 잠재력을 증명해 냈다. 외부 변형률을 정밀하게 수치화하는 센서 기능은 물론이고 에너지를 보관하는 슈퍼커패시터, 나아가 물리적 움직임을 구현하는 액츄에이터 역할까지 무리 없이 소화하는 멀티 플랫폼으로서의 가치를 보여준다. 옷감 형태로 짜내는 직조 공정이 가능하므로 미래형 의복 전원장치나 스마트 텍스타일 소자로의 전방위적 확장이 점쳐지는 이유다. 현재 연구팀은 섬유 표면에 에너지 효율을 극대화할 수 있는 특수 물질을 추가 증착하는 후속 실험에 매진하며 배터리 본연의 저장 능력을 개선하는 데 역량을 집중하고 있다.
정지된 순수한 물에서 전기를, 하이드로볼텍 셀의 혁신연구팀이 축적해 온 나선 및 주름 구조의 원천기술은 최근 연구의 거대한 촉매제가 되고 있다. 이전 연구 성과들을 탄탄한 디딤돌 삼아 기존 시스템이 지닌 기술적 벽을 넘어서는 중대한 연구 결과들이 연이어 도출되는 추세다. 그중에서도 지난해 11월, 정지된 순수 물(deionized water) 속에 전기 생산이 가능한 탄소나노튜브 기반 신축성 하이드로볼텍 셀(hydrovoltaic cell)을 개발한 것이 대표적이다(‘npj flexible electronics’ 2025년 11월 18일 온라인 게재, 한국생산기술연구원 김시형 박사 연구팀 공동연구).과거 구축된 수분 기반 전기 에너지 하베스팅 기술은 작동 조건이 상당히 까다로웠다. 물의 인위적인 흐름을 유도하거나 염분 등의 농도 차이, 혹은 지속적인 압력 변화가 수반되어야만 전력이 생산되는 한계를 노출했다. 소자 자체가 신축성이 없는 딱딱한 구조로 설계되어 실제 마찰이 일어나는 유연 환경에서는 기능이 쉽게 상실되곤 했다. 이온 유동이 전무해 완전히 정지된 깨끗한 물속에서는 전기에너지 추출이 사실상 불가능의 영역으로 간주되어 왔다.연구팀은 이를 타개하고자 수중에서 서로 상반된 표면전하 특성을 나타내는 두 가지 형태의 탄소나노튜브 섬유를 설계했다. 각각 물과 친한 친수성 섬유와 물을 배척하는 소수성 섬유다. 나아가 탄성 고무 섬유의 중심축을 따라 이 두 종류의 섬유를 이중나선(double-helix) 모양으로 정교하게 감아 고정(winding-locked)하는 구조를 이끌어 냈다. 이러한 상태의 소자가 물을 만나면 내부에서 비대칭적인 전하 상호작용이 자연스럽게 유도된다. 외부의 강제적인 흐름이나 기계적 자극이 완전히 배제되더라도 양 극단 사이에 안정한 전위차가 스스로 형성되는 원리다.실제 정밀 정량 분석을 수행한 결과, 개발된 하이드로볼텍 셀은 정지된 순수 물속에 담그는 환경 조건만으로도 약 0.31V의 전압을 안정적으로 유지했다. 동시에 22.4μA/cm²의 전류 밀도를 중단 없이 지속해서 생성하는 독보적인 지표를 달성했다. 최대 200%에 이르는 강력한 신장 자극이 가해져 격렬하게 늘어나는 조건에서도 전기적 성능 저하는 전혀 관찰되지 않았다. 연구팀은 이 셀의 실용성을 확인하기 위해 일반 면장갑의 손가락 마디마디에 해당 소자를 바느질하듯 정교하게 연결하는 방식을 취했다. 그 결과 손가락을 굽히고 펼 때 발생하는 역동적인 움직임 속에서도 실시간 전압 변화의 파형을 노이즈 없이 포착하는 성과를 거뒀다.나아가 단일 셀 검증을 마친 뒤, 여러 개의 하이드로볼텍 셀을 직렬과 병렬로 조합하는 확장 실험에 돌입했다. 전력의 전압 출력과 전류 용량을 원하는 수준으로 키우는 기반 기술을 다진 셈이다. 확보된 에너지를 활용해 탄소나노튜브 기반의 회전형 인공근육을 외부 배터리 없이 직접 구동하는 실증 단계까지 일사천리로 도달했다. 이는 향후 웨어러블 기기나 스마트 의류는 물론이고 스스로 동력을 얻어 움직이는 자가구동 소프트 로봇 분야에서 핵심적인 전원 일체형 섬유 시스템으로 자리매김할 가능성을 강력히 시사한다.
차세대 웨어러블 플랫폼의 메카, ‘WEAR Lab(웨어 랩)’최 교수가 이끌고 있는 연구실의 이름은 ‘WEAR Lab(웨어 랩)’이다. 명칭에서 직관적으로 드러나듯 착용 가능한 형태의 다양한 소재 및 소자를 전방위적으로 연구한다. 최근 생체공학기술이 눈부시게 발달함에 따라 들고 다니는 휴대형(portable) 기기에서 몸에 착용하는 웨어러블(wearable) 기기로 패러다임이 이동하는 추세다. 이러한 흐름 속에서 연구실이 마주한 시대적 역할은 더욱 중대해질 수밖에 없다. 현재 상용화된 제품군은 스마트 워치나 링, 기능성 신발과 안경 등이 주류를 형성하고 있다. 그러나 머지않은 시기에는 피부에 접착하는 타투 형태나 인공피부, 혹은 일상복 형태의 제품이 전면에 등장할 가능성이 크다. WEAR Lab은 이처럼 다가올 차세대 플랫폼에 발맞춰 센서, 인공근육, 에너지 저장 및 발전 등 다채로운 기능을 수행하는 고부가가치 소재 개발에 전력을 다하는 중이다. 많은 이들에게 신선한 영감을 불어넣고 사회에 긍정적인 파급효과를 전달하는 기술 축적이 연구실의 궁극적인 지향점이다.이러한 지향점을 현실로 옮기기 위해 최 교수가 연구원들에게 늘 강조하는 대목은 '장기적인 안목'이다. 최초의 아이디어가 실험실을 거쳐 하나의 온전한 논문으로 세상에 발표되기까지 짧게는 수개월에서 길게는 수년에 이르는 오랜 시간이 소요되는 까닭이다. 인간은 본능적으로 즉각적인 리액션이나 결과가 도출되는 작업에 흥미를 느끼도록 진화했다. 성과가 곧바로 확인되는 게임과 달리 학문적 탐구는 지루한 인내를 요구하므로 스스로 동기부여를 지속하는 내면의 통제력이 성패를 가른다. 흥미를 잃지 않고 꾸준함을 유지하는 역량 자체가 우수한 연구자의 자질이라는 뜻이다.
“머릿속의 아이디어를 실험을 통해 현실 세계로 실체화하는 작업은 긴 호흡이 필요한 여정입니다. 즉각적인 보상이 주어지는 영역과 달리 논문 출판까지는 지난한 인내의 시간이 필수적으로 요구되죠. 이 기간 동안 지치지 않고 스스로 동기부여를 지속하는 멘탈 관리, 학문적 호기심의 끈을 놓지 않고 묵묵히 걸어가는 태도가 무엇보다 중요합니다.”이러한 긴 터널을 통과해야 하는 고단함이 수반되지만, 최 교수는 후배 연구자들이 연구가 지닌 독보적인 매력에 눈을 뜨기를 기대한다. 흔히 실험과 논문 작성을 딱딱한 두뇌 노동으로 치부하기 쉽지만, 실상은 완전히 궤를 달리한다. 연구라는 작업에는 과정 전반을 오롯이 자신만의 방식으로 설계하고 수행할 수 있는 절대적인 자유가 내재되어 있다. 타인이 정해놓은 규칙에서 벗어나 스스로 개척한 길에서 얻은 결실은 고스란히 연구자 자신의 온전한 자산으로 남는다."연구자는 자신이 갈망하는 주제를 원하는 사람과 함께 원하는 시점에 탐구할 수 있는 특권을 누리는 사람들이라 생각합니다. 정해진 결말을 향해 달려가는 기존의 삶과 달리, 매 순간 새로운 경로를 개척하는 고도의 자율성이 보장되는 일이죠. 마치 끝이 정해지지 않은 거대한 가상 세계를 자유롭게 모험하는 것처럼요. 아무도 밟지 않은 미지의 영역을 나만의 속도와 방식으로 걸어가는 즐거움을 후배들이 꼭 경험해 보기를 바랍니다."
‘실로’ 창업, 가상과 현실의 경계를 허물다인류의 삶에 기여하는 실용적 기술 역시 연구의 본질이라고 판단한 최 교수는, 2022년 스타트업 '실로(SILLO)'를 창업했다. 연구실 내부의 아이디어를 논문으로 발표하는 작업도 흥미롭지만, 종이 위 그래프에 머무는 결과물만으로는 '사람들에게 영감과 건강을 선사하는 기술'을 온전히 구현하기 어렵다는 한계를 절감한 까닭이다. 웨어러블 기술은 사용자가 직접 착용하고 감각을 체감할 때 비로소 진가가 드러나기 마련이다. 사명인 '실로'는 핵심 소재인 ‘실(Yarn)’과 가상과 현실을 연결하는 ‘통로’라는 의미를 지닌다.주력 라인업은 섬유형 인공근육 액추에이터와 고정밀 유연 센서를 하나로 결합한 ‘실로 햅틱 센서 장갑’이다. 사용자의 섬세한 손동작을 정밀하게 수집함은 물론, 가상 공간 속 물체를 쥘 때 느껴지는 압력 및 질감을 손가락 끝에 역동적으로 되돌려준다. 가상현실(VR) 게임 내에서 공을 잡으면 장갑 내부에 심어진 섬유 인공근육이 순간적으로 수축하며 손가락을 압박해 실제 물체를 쥔 듯한 촉각을 구현하는 방식이다. 손가락의 굴곡을 측정하는 스트레인 센서와 손바닥·손끝의 압력 센서가 유기적으로 맞물려 고해상도 모션 데이터를 추출해 낸다. 기성 제품이 지닌 착용감 저하 문제를 섬유 기반 초소형 인공근육으로 정면 돌파한 셈이다. 궁극적으로 인간과 기계의 상호작용(HMI)을 가장 직관적이고 자연스럽게 빚어내는 기업으로 거듭나는 것이 실로의 지향점이다. 근골격계 질환의 재활이나 신체 기능 보조 시스템으로 영역을 넓혀 모든 이가 신체적 제약 없이 더 나은 삶을 영위하도록 돕는 비전을 구축하고 있다.
웨어러블 햅틱 센서 기술을 고도화하려는 최 교수의 여정은 휴머노이드 로봇 분야로 자연스럽게 이어진다. 향후 계획 중인 핵심 연구 과제는 사람의 미세한 손동작을 로봇이 이해할 수 있는 디지털 데이터로 변환해 구현하는 작업이다. 미래 로봇 시장의 핵심 승부처는 인간의 손을 고스란히 모사하는 정교한 로봇손 기술에 있다는 판단에서다. 현재 글로벌 무대에 등장한 휴머노이드 로봇들은 무거운 하중을 견디거나 공중제비를 도는 등 육체적 능력에서 인간을 앞서간다.반면 미세한 조작 능력을 구현하는 단계에서는 여전히 기술적 정체기를 겪는 중이다. 정밀 제어 학습에 필수적인 ‘인간의 실제 손동작 데이터’가 부족하다는 점이 결정적인 원인이다. 외과의사가 수술도를 잡을 때 일어나는 손끝의 미세한 동작이나, 거장의 음악가가 악기를 연주할 때 발생하는 역학적 정보는 여전히 수치화되지 못한 영역이다. 최 교수는 고유의 웨어러블 센서 기술을 활용해 인간의 손에서 발현되는 초정밀 물리 데이터를 정량화해 로봇에게 이식하는 연구를 본격화할 계획이다.“로봇이 인간의 물리적 한계를 극복하는 수준까지 진화했으나, 손끝의 섬세함을 학습할 데이터는 여전히 공백 상태입니다. 향후 외과의사의 수술 동작이나 음악가의 악기 연주처럼 베일에 싸인 인간 고유의 숙련된 감각을 정밀 데이터로 추출하고자 합니다. 이를 로봇 인공지능에 학습시켜 머지않은 미래에 사람과 똑같이 세밀한 작업을 완수하는 완벽한 로봇손을 구현하는 것이 목표입니다."나선과 주름의 미학으로 시작된 최 교수의 연구는 수중 발전 소자 개발을 토대로 인간과 가상 세계, 로봇을 하나로 묶는 거대한 신경망으로 확장되는 추세다. 그가 자아낸 첨단 섬유의 한 가닥 한 가닥은 미래 산업의 지형도를 정밀하게 직조하는 결정적 역할을 수행할 것으로 기대된다.취재기자 / 안유정(reporter1@s21.co.kr)<이 기사는 사이언스21 매거진 2026년 7월호에 게재 되었습니다.>