| KIST, 후처리 공정 및 촉매 없이
| 유해가스 감지 센싱 기능 섬유 개발
| 차세대 웨어러블 센서에 활용 기대


웨어러블 센서는 착용함으로써 상태와 환경을 실시간으로 감지할 수 있는 센서로, 여러 소재와 결합하여 그 모양과 기능을 달리할 수 있다. 섬유 형태는 유연한 동시에 일반 섬유에 직조할 수 있어 이상적인 플랫폼으로 주목받고 있다.

한국과학기술연구원(KIST) 기능성복합소재연구센터의 정현수 박사, 이승기 박사 연구팀과 한국과학기술원(KAIST) 정희태 교수 연구팀이 공동연구를 통해 후처리 공정이 필요 없고 연속대량생산이 가능한 섬유형 이산화질소(NO₂) 센서를 개발했다고 3일 밝혔다.

기존 섬유 기반 센서 소재들은 대부분 일반 섬유에 전도성 소재와 센서 소재를 혼합하여 코팅하는 방식으로 제작되었다. 그러나 저항이 높아 높은 전압이 필요하고, 무엇보다 섬유와 코팅되는 소재들의 결합력이 떨어져 내구성이 떨어졌다.

이를 해결하기 위해 섬유 자체가 전도성을 가지는 그래핀산화물(graphene oxide) 섬유가 등장했다. 그래핀 섬유는 그러나 후처리 공정이 필수적이며 유연성이 많이 저하되고 공정 및 소재 비용이 많이 소요되어 경제적이지 못하다는 단점이 지적되어왔다.

KIST 연구진은 멍게껍질로부터 나노셀룰로오스를 추출, 탄소나노튜브(carbon nanotube)와 결합한 복합섬유를 제조하여 후처리 및 촉매가 필요 없는 이산화질소 센서 소재를 개발했다.

나노셀룰로오스(nanocellulose)는 녹색 식물이나 다양한 형태의 조류 및 난균류의 세포벽을 구성하는 요소로, 지구상에 가장 풍부한 유기 화합물인 셀룰로오스를 나노 수준으로 분해한 물질이다.

개발한 복합섬유는 기계적 강도와 유연성을 동시에 보유하고 있어 일반 섬유와 직조가 가능하다. 연구팀은 실제로 복합섬유를 삽입한 직물을 만들어 유해가스인 이산화질소를 감지하는 데 성공했다. 이미 산업화되어 있는 일반 습식방사법으로 복합섬유를 연속 생산할 수 있어, 향후 값싼 웨어러블 가스 센서를 상용화하는 데 유리할 것으로 보인다.

연구에 쓰인 소재 가격만으로 연구진이 제조비용을 산출한 결과 섬유 1m당 약 10원 미만의 비용이 드는 것으로 확인되었다. 이 방법으로 제조된 복합섬유는 전도성, 다공성 그리고 이산화질소 가스에 대한 높은 선택성과 감도(ppb 레벨)를 제조단계에서부터 원스텝(one-step)으로 보유하고 있다.

KIST 정현수 박사는 “이번 연구를 통해 웨어러블 센싱 소재로서 갖춰야 할 기본 물성들을 재료의 복합화로 한 번에 제조할 수 있다는 점을 알 수 있었다”라며, “향후 이산화질소 외에 다른 유해가스 검출용 웨어러블 소재를 경제성 있게 개발하는 데 노력하겠다”라고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 오픈리서치프로그램과 한국연구재단 나노소재기술개발사업을 통해 수행되었다. 연구결과는 소재 분야 국제저널인 ‘ACS Nano’ 최신호에 게재되었으며, KIST는 제조기술에 대한 국내 특허를 출원 완료했다.