재료硏-부산대, 금속-유기 골격체 기반 다기능 섬유전자소자 개발

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진) 에너지·환경재료연구본부 송명관 박사 연구팀과 융·복합재료연구본부 이희정 박사 연구팀이 부산대학교 이형우 교수, 한국항공대학교 신명훈 교수 연구팀과 공동으로, 전기 생산과 황화수소(H2S) 가스 감지를 동시에 수행할 수 있는 다기능 섬유형 전자소자를 개발했다. 이번 성과는 섬유 한 가닥이 스스로 전기를 만들고 유해가스를 감지하는 ‘자가발전형 안전 센서’로 작동할 수 있음을 보여준 것으로, 스마트 의류와 산업안전용 웨어러블 기기의 실용화를 앞당길 핵심 기술로 평가된다.

최근 웨어러블 전자기기와 사물인터넷(IoT) 기술이 빠르게 발전하면서, 외부 전원에만 의존하지 않고 스스로 전력을 생산하면서 주변 환경까지 모니터링할 수 있는 차세대 섬유형 전자소자 개발이 중요한 연구 분야로 주목받고 있다. 그러나 기존 섬유형 태양전지는 발전 효율과 내구성에 한계가 있었고, 대부분 전력 생산 등 단일 기능에 머물러 실제 웨어러블 환경에서의 활용성이 제한적이었다,

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해, 기존 섬유형 태양전지의 전기 생산 기능에 유해가스 감지 기능을 더한 금속-유기 골격체(MOF, Metal-Organic Framework) 기반 다기능 섬유전자소자를 개발했다. 이번 기술은 염료가 빛을 흡수해 전기를 만드는 섬유 형태의 태양전지에, 황화수소(H2S)와 같은 유해가스를 효과적으로 포착할 수 있는 MOF 소재를 결합한 것이 핵심이다. MOF는 금속 이온과 유기 분자가 3차원으로 연결된 다공성 소재로, 넓은 내부 표면과 미세한 기공 구조를 바탕으로 태양전지에서는 염료를 더 많이 붙잡아 발전 효율 향상에 기여하고, 유해가스가 닿았을 때는 가스 분자를 빠르게 포착한다.

연구팀은 대표적인 MOF 소재인 UiO-66에 전자를 끌어당기는 불소(F)와 전자를 내어주는 아민기(NH2)를 각각 도입해, 태양전지와 가스센서에 적합한 기능성 MOF 소재를 합성하였다. 이후 이 소재를 섬유형 염료감응 태양전지의 이산화티타늄(TiO2) 광전극에 적용해, 빛을 받아 생성된 전하가 더 원활하게 이동하도록 했다. 동시에 MOF 표면과 기공이 황화수소 가스와 효과적으로 반응하도록 해, 하나의 섬유 안에서 전기 생산과 유해가스 감지가 함께 이뤄지는 구조를 구현했다.

개발된 섬유형 소자는 전기를 생산하고 유해가스를 감지할 뿐만 아니라, 실제 착용 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있는 성능을 보였다. 빛 에너지가 전기로 바뀌는 비율인 광전변환효율은 7.16%로, 기존 이산화티타늄 광전극보다 약 29% 높았다. 강한 햇빛은 물론 실내조명 아래에서도 전기를 생산해 일상 환경에서 자가발전 전원으로 활용될 가능성을 보였으며, 황화수소 가스에는 약 9초 만에 반응해 빠른 감지 성능을 나타냈다. 특히 1,500회 이상 반복해 구부린 뒤에도 초기 성능의 약 80%를 유지했고, 20회 세탁 후에도 80% 이상의 성능을 유지해 옷감처럼 구부러지고 세탁되는 환경에서도 적용할 수 있는 내구성을 입증했다.

이번 성과는 섬유 한 가닥이 전원과 센서 역할을 동시에 수행할 수 있다는 점에서 웨어러블 전자섬유의 활용 범위를 넓힌 것으로 볼 수 있다. 옷감처럼 사람의 몸에 착용할 수 있는 형태로 주변 빛을 이용해 전기를 만들고, 동시에 유해가스 노출 여부를 감지할 수 있어 산업현장의 작업자 안전관리, 환경 모니터링, 스마트 의류, 자가발전형 IoT 센서 등에 적용될 수 있다. 특히 외부 전원이나 별도 센서 장치에 대한 의존을 낮춰, 가볍고 유연한 차세대 안전·환경 모니터링 플랫폼으로 발전할 가능성이 크다.

연구책임자인 KIMS 송명관 책임연구원은 “이번 연구는 이희정 박사 연구팀이 개발한 기능성 MOF 소재를 섬유형 태양전지와 가스센서 플랫폼에 적용해, 에너지 생산과 가스 검지 기능을 하나의 섬유 소자에서 동시에 구현한 연구”라며, “특히 섬유형 전자소자 분야에서 발전 성능 향상과 센서 기능을 함께 확보함으로써 차세대 웨어러블 전자섬유의 새로운 가능성을 제시했다”고 말했다.

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