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▲ 국내 연구진이 UiO-66 MOF 소재를 적용해 개발한 다기능 섬유형 전자소자의 구조와 에너지 생산 및 유해가스 감지 과정을 보여주는 모식도다.

국내 연구진이 섬유 한 가닥으로 전기를 생산하면서 동시에 유해가스를 감지할 수 있는 차세대 다기능 섬유형 전자소자를 개발, 스마트 의류와 산업안전용 웨어러블 기기, 자가발전형 IoT 센서 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진)은 에너지·환경재료연구본부 송명관 책임연구원 연구팀과 융·복합재료연구본부 이희정 박사 연구팀이 부산대학교 이형우 교수, 한국항공대학교 신명훈 교수 연구팀과 공동으로 전기 생산과 황화수소(H₂S) 가스 감지를 동시에 수행하는 다기능 섬유형 전자소자를 개발했다고 8일 밝혔다.

이번 연구는 섬유 한 가닥이 스스로 전력을 생산하고 주변 환경의 유해가스를 감지하는 ‘자가발전형 안전 센서’로 작동할 수 있음을 보여준 성과다.

최근 웨어러블 전자기기와 사물인터넷(IoT) 기술이 발전하면서 외부 전원 없이 스스로 에너지를 생산하고 환경 정보를 수집할 수 있는 섬유형 전자소자 기술이 주목받고 있다. 그러나 기존 섬유형 태양전지는 발전 효율과 내구성 한계로 인해 전력 생산 등 단일 기능에 머물러 실제 활용에는 제약이 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 금속-유기 골격체(MOF, Metal-Organic Framework) 기반 다기능 섬유 전자소자를 개발했다. MOF는 금속 이온과 유기 분자가 3차원으로 연결된 다공성 소재로, 넓은 내부 표면적과 미세한 기공 구조를 활용해 가스 흡착, 센서, 에너지 소자 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

연구팀은 기존 섬유형 염료감응 태양전지에 황화수소 등 유해가스를 효과적으로 포착할 수 있는 MOF 소재를 결합했다. 특히 대표적인 MOF 소재인 UiO-66에 전자를 끌어당기는 불소(F)와 전자를 제공하는 아민기(NH₂)를 각각 도입해 태양전지와 가스센서 기능에 최적화된 기능성 소재를 구현했다.

이를 섬유형 태양전지의 이산화티타늄(TiO₂) 광전극에 적용한 결과, 빛을 통해 생성된 전하 이동을 개선하고 동시에 MOF 표면과 기공을 통해 황화수소 가스를 빠르게 감지하는 구조를 완성했다.

개발된 섬유형 소자는 실제 착용 환경에서도 우수한 성능과 내구성을 보였다. 광전변환효율은 7.16%로 기존 이산화티타늄 광전극 대비 약 29% 향상됐으며, 실내조명 환경에서도 전기를 생산해 자가발전 전원으로 활용 가능성을 확인했다.

또한 황화수소 가스에는 약 9초 만에 반응하는 빠른 감지 성능을 보였으며, 1,500회 이상 반복 굽힘 후에도 초기 성능의 약 80%를 유지했다. 20회 세탁 이후에도 80% 이상의 성능을 유지해 의류 형태의 웨어러블 환경 적용 가능성을 입증했다.

이번 기술은 전원과 센서 기능을 하나의 섬유 소자에 통합했다는 점에서 차세대 전자섬유 기술의 새로운 방향을 제시한다. 작업자의 유해가스 노출 여부를 실시간 감지하는 산업안전용 웨어러블 기기, 환경 모니터링 시스템, 자가발전형 IoT 센서 등으로 활용될 수 있을 것으로 전망된다.

송명관 KIMS 책임연구원은 “기능성 MOF 소재를 활용해 에너지 생산과 유해가스 감지를 하나의 섬유 소자에서 구현했다”며 “차세대 웨어러블 전자섬유의 가능성을 제시하고, 향후 다양한 MOF 소재 기반 유해가스 감지 데이터베이스 구축을 통해 자가발전형 센서 활용성을 높여 나갈 계획”이라고 전했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIMS 기본사업, 글로벌선도연구센터 지원사업, 국가과학기술연구회(NST) 글로벌 TOP 전략연구단 사업을 통해 수행됐다. 연구 결과는 화학공학 분야 국제학술지인 Chemical Engineering Journal에 지난 6월12일 온라인 게재됐다.

출처 : 신소재경제(https://www.amenews.kr/)