평범한 옷 같은 느낌의 셔츠를 입고 있지만 건강과 주변 환경에 대한 실시간 데이터를 얻을 수 있다고 상상해 보세요. 옷은 자동으로 가열되거나 냉각될 수 있으며, 여행 중에 현지 교통, 레스토랑, 명소 정보도 제공할 수 있습니다. 한 단계 더 나아가, 동일한 섬유를 사용하여 신경 질환을 치료하거나 원격 수술 중 의사에게 촉각 피드백을 제공할 수 있으며 이는 현실화되고 있습니다.

중국 상하이 푸단대학교 연구팀은 최근 사람의 머리카락보다 얇은 유연한 섬유 안에 복잡한 전자 회로를 구축해 '파이버 칩'이라는 초미세 컴퓨팅 스레드를 만들었다고 발표했습니다. 관련 연구 결과는 네이처 저널에 게재됐다. 팀에 따르면 이 기술은 웨어러블 장치, 스마트 섬유 및 차세대 뇌-컴퓨터 인터페이스를 위해 대량 생산할 수 있는 진정으로 유연한 컴퓨팅 및 감지 플랫폼을 제공하는 것을 목표로 10년 이상 개발되었습니다.

스마트 섬유가 등장한 것은 이번이 처음은 아니다. 과학 연구 커뮤니티에서는 보다 눈에 띄지 않고 자연스러운 인간-컴퓨터 상호 작용을 달성하기 위해 수년 동안 전도성 및 감지 기능을 직물에 내장하려고 노력해 왔습니다. 그러나 복잡한 전자 부품을 면사만큼 작은 공간에 어떻게 채워넣는가는 항상 기술적인 어려움 중 하나였습니다. 동시에 전통적인 칩의 크기는 계속해서 줄어들고 있지만 편평하고 견고한 구조와 부드러운 직물 사이에는 자연스러운 충돌이 있어 진정으로 "천처럼" 구부리고 비틀기가 어렵습니다.

이러한 한계를 극복하기 위해 푸단팀은 전자 부품을 직물 표면에 '붙이는' 아이디어를 버리고 대신 적층 및 나선형 권선 구조를 사용해 초극세 섬유 내부에 3차원 회로를 구축했다. 이 아키텍처에서 연구원들은 길이가 1mm에 불과한 광섬유에 약 10,000개의 트랜지스터를 통합하여 심장 박동기 칩과 거의 동일한 처리 능력을 제공했습니다. 연구팀은 이 광섬유를 1m(약 3.3피트)까지 확장하면 수백만 개의 트랜지스터를 수용할 수 있을 것으로 예상된다고 지적했다. 전반적인 컴퓨팅 성능은 일반적인 데스크톱 컴퓨터와 비슷할 수 있으며 이러한 "컴퓨팅 장치"는 여전히 실 형태로 존재하며 옷에 엮을 수 있습니다.

뿐만 아니라 각 광섬유는 저항기, 커패시터 및 다이오드와 같은 구성 요소와 통합되어 디지털 및 아날로그 신호를 동시에 처리할 수 있는 폐쇄 루프 하이브리드 시스템을 형성하여 컴퓨팅뿐만 아니라 신호 수집 및 조정도 가능하게 합니다. 이는 미래의 스마트 섬유가 부피가 큰 외부 모듈에 의존하기보다는 "단일 라인" 수준에서 데이터 수집, 전처리 및 전송을 완료할 것으로 예상된다는 것을 의미합니다.

보도에 따르면 이 섬유칩의 직경은 약 50마이크론인 반면, 일반 사람 머리카락의 직경은 약 70마이크론으로 시각이나 촉감 측면에서 기존의 섬유섬유에 더 가깝다. 매우 부드러운 기계적 특성은 의류 제작에 적합할 뿐만 아니라 뇌 조직과 같은 연조직의 기계적 특성과 동일하여 신경의학 분야에 이식할 수 있는 공간을 열어줍니다. 연구팀은 이 소재가 부드러움과 생체적합성 등에서 뛰어난 성능을 갖고 있어 지능형 신경 임플란트 등 연성 의료기기의 플랫폼 소재로 활용될 것으로 기대된다는 점을 논문에서 지적했다.

"인체는 주로 연조직으로 구성되어 있으므로 미래의 뇌-컴퓨터 인터페이스와 같은 신흥 분야에는 부드럽고 호환성이 뛰어난 전자 시스템이 시급히 필요합니다." 푸단대학교 연구원이자 이번 연구의 리더 중 한 명인 Peng Huisheng은 신화통신과의 인터뷰에서 이렇게 말했습니다. 보도에 따르면 이 기술은 향후 파킨슨병, 뇌전증, 뇌졸중 등 각종 질병과 관련된 증상 완화에 활용되거나 정밀장비에 접목돼 고감도 감지소자로 활용될 것으로 기대된다.

웨어러블 애플리케이션 측면에서 연구팀은 섬유 칩을 사용해 '스마트 촉각 장갑'을 만들었다. 푸단대학교 섬유 재료 및 장치 연구소의 Chen Peining은 이러한 유형의 장갑은 일반 직물과 모양과 느낌이 동일하지만 다양한 물체의 촉감을 감지하고 시뮬레이션할 수 있다고 말했습니다. 원격 로봇 수술 시나리오에서 이러한 장갑을 착용한 의사는 조직 경도의 차이를 "느끼게" 되므로 원격 수술 중에 보다 직관적인 촉각 피드백을 얻을 수 있습니다.

과학 연구팀은 또한 실험실 프로토타입이 실제 응용으로 나아가기 위해서는 대규모 제조 및 내구성 문제도 해결해야 한다고 강조했습니다. 이를 위해 기존 칩 산업과의 호환성이 높은 공정 기술을 채택해 파이버칩의 대량생산을 달성했다고 주장한다. 일상적인 사용을 시뮬레이션하는 테스트에서 섬유는 10,000회 이상의 굽힘 및 마찰 주기를 견뎌내고 기능을 유지했습니다. 인장 테스트에서 섬유는 약 30%의 신장률을 견디고 쉽게 비틀릴 수 있었습니다. 또한 100번의 물세척과 약 섭씨 100도, 15.6톤 트럭 밸러스트에 해당하는 압력 테스트를 견뎌냈습니다.

현재 연구팀은 섬유 칩 기술을 심혈관 수술로 전환하고 카테터, 스텐트 또는 수술 보조 수단에 적용 가능한 방법을 모색하기 위해 병원과 협력하고 있습니다. Chen Peining은 "우리는 언젠가 '섬유 칩'을 기반으로 한 전자 직물이 오늘날의 휴대폰 및 컴퓨터만큼 효율적으로 정보를 교환할 수 있기를 바랍니다"라고 말했습니다.