MIT, 기능성 섬유로 셔츠를 고성능 마이크로폰으로 변신

매사추세츠 공대(MIT) 요엘 핑크(Yoel Fink) 교수는 "직물은 유체처럼 행동한다"고 말하며 디자이너들이 의상의 '흐름(flow)'을 말하는 이유를 설명합니다.

"우리가 입는 직물에는 작은 파동이 지나갑니다. 너무 작아 보이지 않을 뿐이죠." 핑크 교수는 MIT 재료과학 교수로서 말했습니다.

핑크 교수와 로드아일랜드 디자인 스쿨(RISD) 등 다대학 팀이 그 미세한 파동을 포착하는 소재를 만들었습니다.

압전 섬유: 구부러지면 전압 발생해 신호 처리·데이터 출력

기능성 압전 섬유는 구부러지면 전압을 발생시켜 신호 처리와 가치 있는 데이터 출력을 가능케 합니다. 이 감지 소재 정보는 향후 착용형 보청기, 통신하는 옷, 생체 신호 추적 의류 등을 지원할 수 있습니다.

핑크 교수는 테크 브리프(Tech Briefs)에 "몇 가닥 기능성 섬유만으로 직물 전체에 새로운 의미를 부여할 수 있다"고 말했습니다.

직물 기반 마이크로폰 제작 과정

소재는 두꺼운 마커 크기의 프리폼(preform) 직사각형 '블록'으로 시작합니다. 프리폼을 가열하면 태피(taffy)처럼 당겨 긴 스트립으로 뽑아냅니다.

핑크 교수팀은 현수된 마일러(mylar) 시트에 센서를 부착해 섬유 음향 감도를 테스트했습니다. 레이저로 시트 진동(따라서 섬유 진동)을 측정하며 근처 스피커로 재생한 소리에 대한 반응을 관찰했습니다.

테스트 소리는 조용한 도서관부터 시끄러운 도로까지 다양한 환경이었습니다. 섬유는 재생된 소리에 비례해 진동하며 전류를 생성했습니다.

이후 팀은 섬유를 일반 실과 직조해 기계 세탁 가능한 드레이퍼블(drapable) 직물 패널을 제작했습니다.

"가벼운 재킷 느낌이에요. 데님보다 가볍지만 드레스 셔츠보단 무겁죠." RISD 연구원 엘리자베스 메이클존(Elizabeth Meiklejohn)이 표준 직기로 직조하며 말했습니다.

메이클존은 제1저자 웨이 옌(Wei Yan, MIT 박사후연구원 시절 섬유 개발 기여), 핑크 교수, MIT·케이스 웨스턴 리저브대·위스콘신대 매디슨·미 육군 환경의학연구소 연구진과 협업했습니다.

"팬데믹 와중에도 연구 발전에 헌신한 학생·박사후연구원·직원들의 노력이 이 작업에 특히 빛났습니다." 핑크 교수가 말했습니다.

핑크 교수와의 문답: 스마트 의류의 미래

Tech Briefs: 스마트 의류가 아직 대중화되지 않은 이유는?

요엘 핑크 교수: 아직 존재하지 않기 때문입니다! 사람들은 이 분야를 '웨어러블'이라 부르는데, 웨어러블은 우리가 입지 않는 것들을 위한 단어입니다. 진짜 직물과 섬유로 특별한 일을 하게 하는 기술·공학·과학이 이제 막 태동하고 있습니다. 그 미래가 지금 일어나고 있습니다.

시계나 장신구를 차는 식의 접근은 채택 장벽에 부딪혀 소위 웨어러블의 지평을 제한했습니다.

Tech Briefs: 기존 웨어러블의 단점은?

요엘 핑크 교수: 첫째 편의성. 우리는 최대한 적게 걸치고 다니길 원합니다. 둘째 심미성. 별로 예쁘지 않습니다. 셋째 가치 제안. 예를 들어 건강 혜택을 결국 직물이 제공하리라 생각하는 수준으로 전달하지 못합니다. 이 세 가지 모두 개선 여지가 있습니다.

Tech Briefs: 기능성 섬유 착용감은?

요엘 핑크 교수: 핵심은 직물 자체에 최소한으로 개입해 평범한 직물처럼 보이고 느껴지게 하는 것. 그 점에서 기술은 본질적으로 지각 불가능하거나 투명합니다. 이 셔츠를 보고 "이 셔츠는 마이크로폰이네" 또는 "메모리 기능이 있네" 또는 "연산이 가능하네"라고 말할 수 없습니다. 기술이 섬유 레벨에 있기 때문입니다.

중요한 건 기술의 심미성을 바꾼다는 점입니다. "마이크로폰이 아름다움의 대상이다"라고 말할 일은 없죠. 마이크로폰을 소장하는 박물관은 없습니다. 꽤 못생긴 물건들이지만, 직물 마이크로폰을 보여주면 "와, 이건 정말 심미적일 수 있겠다"라고 할 겁니다. 기술처럼 안 생겼지만 실제로는 기술입니다.

Tech Briefs: 섬유의 '보고서'를 착용자에게 유용하게 표시하려면?

요엘 핑크 교수: 현재: 섬유를 회로에 연결합니다. 회로가 정보를 가져와 디지털 포맷으로 변환하고 신호 처리를 가능케 합니다. 1년 전 아날로그 신호를 디지털로 변환해 디지털 정보 저장, 메모리, 컴퓨터 프로그램을 갖춘 '디지털 섬유' 논문을 발표했습니다. 이제 측정하는 섬유와 저장·분석하는 섬유가 합쳐지며 직물이 컴퓨터가 되는 길을 열었습니다. 아직 완전히 거기까진 아니지만 멀지 않았습니다.

Tech Briefs: 직물 마이크로폰 초기 응용 분야는?

요엘 핑크 교수: 우리 섬유/직물은 어떤 면에서 우리 삶의 사운드트랙을 포착합니다. 심장 박동, 숨쉬기, 팔 굽히기, 걷기, 관절 움직임, 혈류 등 모든 게 소리입니다. 직물이 그걸 다 포착해 하루 동안 잃어버리게 됩니다. 그걸 우리에게 접근 가능하게 만들려 합니다.

심장 소리를 듣습니다. 심장 전기 신호가 아닌 심장 자체 소리입니다. 심장은 펌프고 우리는 그 밸브와 작동 소리를 듣습니다. 전기 신호는 전체 이야기를 말하지 않습니다.

둘째: 인구 일부가 심장 질환을 가집니다. 훨씬 더 많은 인구가 평생 임신을 경험합니다. 태아의 소리·움직임·심장으로 태아와 소통하는 법을 모니터링하는 게 우리가 말하는 것 중 하나입니다. 태아 심장 소리를 듣는 건 그들의 건강과 안녕에 대한 엄청난 정보를 줍니다.

셋째: 청력 결핍 집단, 결국 우리 모두입니다. 보청기는 조용한 환경에서만 작동합니다. 우리가 두 귀 두 눈을 가진 건 깊이와 방향성 감각 때문입니다. 청력에선 시끄러운 바에서 대화 상대 목소리를 듣게 해줍니다. 직물에 여러 섬유를 두면 소리 방향을 분별할 수 있음을 논문에서 보였습니다. 이게 보청기 사용자에게 방향성 능력을 부여해 정말 혁신적일 거라 생각합니다.

Tech Briefs: 다음 단계는?

요엘 핑크 교수: '패브릭 컴퓨팅(Fabric Computing)'입니다!

지금 MIT에서 '컴퓨팅 패브릭' 과목을 가르치며 계산 세계와 직물 세계가 수렴함을 보이고 있습니다. 우리 주머니나 지갑 속 유리 상자 안 컴퓨터/폰 시대는 끝났습니다. 컴퓨팅의 미래는 직물에 있습니다.