[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 한국과학기술연구원(KIST) 기능성복합소재연구센터 정현수·이승기 박사 연구팀은 한국과학기술원(KAIST) 정희태 교수팀과의 공동연구를 통해 후처리 공정이 전혀 필요 없고 연속으로 대량생산이 가능한 섬유형 이산화질소(NO2) 센서를 개발했다고 4일 밝혔다.

최근 웨어러블(wearable) 기기가 일상에 널리 보급된 가운데 관련 분야의 연구 또한 매우 활발하다. 그중에서도 착용을 통해 상태와 환경을 실시간으로 손쉽게 감지할 수 있는 ‘웨어러블 센서’가 주목을 받고 있다. 웨어러블 센서 가운데 섬유 형태는 유연하고 일반 섬유에 직조를 할 수 있어 가장 이상적인 플랫폼으로 주목받고 있다.

기존의 섬유 기반 센서 소재들은 대부분 일반 섬유에 전도성 소재와 센서 소재를 혼합해 코팅하는 방식으로 제작돼 왔다. 하지만 저항이 높아 높은 전압이 필요하고 무엇보다 섬유와 코팅되는 소재들의 결합력이 떨어져 내구성에 문제가 많았다.

연구진이 개발한 복합섬유를 일반 섬유에 직조한 모습 [자료=KIST]

문제해결을 위해 섬유 자체가 전도성을 갖는 그래핀산화물 섬유가 등장했다. 그러나 그래핀 섬유는 후처리 공정이 필수적이고 유연성이 많이 저하되며 공정 및 소재 비용이 많이 소요, 경제적이지 못하다는 단점이 지적돼 왔다.

KIST 연구진은 버려지는 멍게껍질로부터 나노셀룰로오스(nanocellulose)를 추출, 탄소나노튜브와 결합한 복합섬유를 제조해 후처리 및 촉매가 필요 없는 이산화질소 센서 소재를 개발했다.

개발한 복합섬유는 기계적 강도와 유연성을 동시에 보유하고 있어 일반 섬유와 직조가 가능하다. 실제로 연구팀은 복합섬유를 삽입한 직물을 만들어 유해가스인 이산화질소를 감지하는 데 성공했다.

특히 일반 습식방사법으로 복합섬유를 연속 생산할 수 있어 향후 값싼 웨어러블 가스 센서를 상용화하는 데 있어 매우 유리할 것으로 보인다.

연구에 쓰인 소재 가격만으로 연구진이 제조비용을 산출한 결과 섬유 1m당 약 10원 미만의 비용이 드는 것으로 확인됐다. 이 방법으로 제조된 복합섬유는 전도성, 다공성과 함께 이산화질소 가스에 대한 높은 선택성과 감도를 보유하고 있다.

정현수 박사는 “이번 연구는 웨어러블 센싱 소재로서 갖춰야 할 기본 물성을 재료의 복합화를 통해 효율적으로 한 번에 제조할 수 있는 있다는 점에서 매우 중요하다”며 “향후 이산화질소 외에 다른 유해가스 검출용 웨어러블 소재를 경제성 있게 개발하는 데 매진하겠다”고 말했다.

연구결과(논문명 ‘Continuous Meter-Scale Synthesis of Weavable Tunicate Cellulose/Carbon Nanotube Fibers for High-Performance Wearable Sensors’)는 소재 분야 유명 국제저널인 ‘ACS Nano’ 최신호에 게재됐다. 

kimys@newspim.com