사진. Magnific

한국재료연구원(이하 KIMS)이 부산대학교, 한국항공대학교와 공동으로 전기를 생산하면서 동시에 유해가스를 감지할 수 있는 다기능 섬유형 전자소자를 개발했다. 하나의 섬유가 스스로 전력을 생산하는 동시에 황화수소(H₂S) 가스를 감지하는 자가발전형 안전 센서로 작동할 수 있음을 입증한 성과다.

이번 연구는 KIMS 에너지·환경재료연구본부 송명관 박사 연구팀과 융·복합재료연구본부 이희정 박사 연구팀이 부산대학교 이형우 교수 연구팀, 한국항공대학교 신명훈 교수 연구팀과 공동으로 수행했다.

최근 웨어러블 전자기기와 IoT 기술이 빠르게 발전하면서 외부 전원 없이 스스로 전기를 생산하고 주변 환경까지 모니터링할 수 있는 전자섬유 개발 필요성이 커지고 있다. 그러나 기존 섬유형 태양전지는 발전 효율과 내구성에 한계가 있었으며 대부분 전력 생산 기능에만 집중돼 실제 웨어러블 환경에서의 활용에는 제약이 있었다.

연구진은 이러한 한계를 극복하기 위해 섬유형 태양전지에 유해가스 감지 기능을 결합한 금속-유기 골격체(이하 MOF) 기반 다기능 섬유 전자소자를 개발했다. 염료감응 태양전지의 발전 기능과 황화수소를 효과적으로 포착하는 MOF 소재를 하나의 섬유 구조에 통합해 에너지 생산과 환경 감지를 동시에 수행할 수 있도록 설계했다.

연구팀은 대표적인 MOF 소재인 UiO-66에 전자를 끌어당기는 불소(F)와 전자를 내어주는 아민기(NH₂)를 각각 도입해 태양전지와 가스센서에 적합한 기능성 소재를 합성했다.

이를 섬유형 염료감응 태양전지의 이산화티타늄(TiO₂) 광전극에 적용해 빛을 흡수한 뒤 생성되는 전하의 이동 효율을 높였으며, 동시에 MOF의 미세 기공 구조를 활용해 황화수소 가스를 빠르게 흡착하고 감지할 수 있도록 구현했다.

개발된 섬유형 전자소자는 광전변환효율 7.16%를 기록해 기존 이산화티타늄 광전극 대비 약 29% 향상된 발전 성능을 보였다. 강한 햇빛뿐 아니라 실내 조명 환경에서도 전기를 생산할 수 있어 일상생활에서도 자가발전 전원으로 활용할 가능성을 확인했다.

가스 감지 성능도 우수했다. 황화수소에 약 9초 만에 반응해 신속한 감지가 가능했으며, 산업 현장에서 발생할 수 있는 유해가스 누출을 실시간으로 모니터링하는 안전 센서로 활용 가능성을 입증했다.

연구진은 실제 착용 환경을 고려한 내구성 평가에서도 우수한 결과를 확보했다. 1,500회 이상 반복 굽힘 시험 후에도 초기 성능의 약 80%를 유지했으며, 20회 세탁 이후에도 80% 이상의 성능을 유지해 의류 형태의 웨어러블 기기에 적용 가능한 수준의 기계적 안정성을 확인했다.

이번 기술은 하나의 섬유가 전원과 센서 역할을 동시에 수행한다는 점에서 웨어러블 전자섬유의 활용 범위를 크게 넓혔다는 평가를 받는다. 주변 빛을 이용해 자체적으로 전력을 생산하면서도 유해가스 노출 여부를 실시간으로 감지할 수 있어 산업현장 작업자 안전관리와 환경 모니터링, 스마트 의류, 자가발전형 IoT 센서 등 다양한 분야에 적용될 것으로 기대된다.

특히 외부 배터리나 별도의 센서 장치 의존도를 낮춰 가볍고 유연한 차세대 안전·환경 모니터링 플랫폼으로 발전할 가능성도 제시했다.

KIMS 송명관 책임연구원은 “이번 연구는 기능성 MOF 소재를 섬유형 태양전지와 가스센서 플랫폼에 적용해 에너지 생산과 가스 검지 기능을 하나의 섬유 소자에서 동시에 구현한 연구”라며 “발전 성능 향상과 센서 기능을 함께 확보함으로써 차세대 웨어러블 전자섬유의 새로운 가능성을 제시했다”라고 말했다.

이어 그는 “앞으로 다양한 MOF 소재를 기반으로 유해가스 감지 특성을 체계적으로 분석하고 관련 데이터베이스를 구축해 자가발전형 센서 소자의 활용성을 더욱 높여 나갈 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIMS 기본사업과 글로벌선도연구센터 지원사업, 국가과학기술연구회(NST) 글로벌 TOP 전략연구단 사업을 통해 수행됐으며, 연구 결과는 화학공학 분야 국제학술지 Chemical Engineering Journal에 지난 6월 온라인 게재됐다.