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다층 나선형 구조를 통한 섬유 집적 회로(Fibre integrated circuits by a multilayered spiral architecture) 논문에 삽입된 광섬유 칩 이미지 일부 |
부피가 크고 딱딱한 실리콘 반도체 칩 없이, 섬유 자체가 정보를 처리하는 섬유집적회로(FIC) 상용화가 가까워졌다. FIC는 대형 트럭이 밟고 지나가도 손상이 없을 정도로 충격에 강해 웨어러블 기기는 물론 원격의료, 가상현실, 뇌과학 연구 등에서 새로운 패러다임 제시가 가능하다.
27일 업계에 따르면 중국 푸단대학교 펑후이성 교수팀은 '다층 나선형 구조를 통한 섬유 집적 회로(Fibre integrated circuits by a multilayered spiral architecture)' 논문을 세계적인 과학저널 네이처(Nautre)를 통해 이달 발표했다.
기존의 섬유형 전자 기기는 전원을 공급하거나 단순한 센싱, 디스플레이 기능을 수행하는 수준에 머물렀다. 정보 처리를 담당하는 '두뇌'인 집적 회로를 유연한 섬유 형태로 구현하기 어려워, 결국 외부의 딱딱한 칩에 의존해야 했기 때문이다. 이번 연구 결과는 개별 섬유 소자를 하나의 시스템으로 통합 제어할 수 있는 '물리적으로 유연한 두뇌'를 확보했다는 점에서 의미가 있다.
연구팀은 평평한 고분자 기판 위에 트랜지스터, 저항기, 축전기 등 미세 소자를 제작한 뒤, 이를 촘촘하게 감아올리는 '다층 나선형 아키텍처(Multilayered Spiral Architecture)'를 도입했다. 이 방식은 섬유의 좁은 표면적 대신 내부 부피를 활용해 집적도를 획기적으로 높였다.
그 결과, 연구팀은 센티미터(cm)당 10만개 트랜지스터를 집적하는 데 성공했다. 이는 단순한 논리 회로 구현을 넘어 아날로그 신호 처리와 고정밀 AI 신경망 연산까지 가능한 수준이다. 실제로 실험에서 FIC는 99.8%의 높은 패턴 인식 정확도를 보여주었다.
극한 환경에서도 유지되는 내구성도 확보했다. 연구팀은 유연한 PDMS 층과 단단한 파릴렌(Parylene) 완충층을 교차 배치한 '이종 탄성 구조'를 설계해 내부 회로를 보호했다. 연구팀이 공개한 실험결과에 따르면 FIC는 △15.6톤급 컨테이너 트럭에 의한 압착 저항 △1만회의 반복적인 굽힘 및 마모 테스트 △원래 길이 30%까지 늘어나는 신장 변형 △180도/cm 각도로 비틀리는 환경에서 안정적으로 자동했다.
연구팀은 “이 기술은 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI), 스마트 텍스타일, 가상현실(VR) 웨어러블 등 첨단 분야에서 혁신적인 상호작용 패턴을 제시할 것”이라고 설명했다.
국내에서도 이와 관련된 선행연구들이 활발하게 진행 중이다. 특히 한국과학기술원(KAIST) 최경철 연구팀은 섬유나 직물 위에 고효율 유기발광다이오드(OLED)를 직접 형성하는 '입는 디스플레이(Wearable Display)'분야에서 세계적인 기술 권위를 갖고 있다. 연구팀은 2017년 머리카락보다 가는 섬유 위에 OLED를 제작하는 기술을 발표했으며, 이어 2022년에는 더 제작 난이도가 높은 흰색(White) OLED 섬유기술을 최초로 구현해냈다.
이형두 기자 dudu@etnews.com
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