세탁가능한 실형태 섬유형 유연 가스센서 첫 개발

1천번 구부려도 정상동작, 의류·웨어러블 기기적용

사이언티픽 리포트 게재, 외부 공기질 옷이 알려줘

▲  가스센서를 개발한 ETRI 연구원 © TIN 뉴스

가느다란 실과 같은 형태의 섬유가 센서가 되는 길을 국내 연구진이 처음으로 열었다. 지난 6월 17일 ETRI(한국전자통신연구원, 원장 김흥남)는 세탁은 가능하면서 유연하고 고감도인 섬유형 가스센서 개발에 성공했다고 밝혔다.

본 기술은 나일론, 면, 폴리에스터 등 기존 섬유와 감지물질의 견고한 결합을 유도하기 위한 분자수준의 접착제를 이용해 그래핀(탄소 원자로 이루어져 있으며 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막)을 코팅하여 섬유가 공기 중 가스 유무를 확인하는 원리를 바탕으로 하고 있다.

이 원리를 적용하면 상온에서도 매연가스에 포함된 이산화질소(NO²)를 만나면 그래핀 산화물의 고유 저항이 바뀌고, 정도의 차이를 통해 가스농도를 알려주게 된다.

구부림 스트레스, 세탁 등 환경요인에도 신뢰성이 우수한 섬유형 유연 가스센서 성능을 구현하기 위해 원자막 형태의 환원된 산화 그래핀을 가스감지물질로 사용, 섬유상에 견고히 코팅하는 공정도 개발했다. 이런 방법으로 하여 유해가스를 선택적 감지하는 가스센서 제작이 가능했다고 설명했다.

그동안 가스센서는 공기청정기의 유해가스 유무, 김치냉장고에서 김치 숙성여부의 가스 감지, 자동차가 매연가스를 인지하면 이를 차단해 내부순환만 되도록 하는 장치 등에 널리 활용되어 왔다.

또한 일반적으로 가스센서는 딱딱한 기판위에서 대부분 만들어졌지만 이번에 ETRI가 샤프심에 감을 만큼 실과 같은 유연한 가스센서를 개발하면서 앞으로는 웨어러블 기기나 의류 등에 부착이 가능한 가스센서를 통해 유해가스 유무 확인이 용이해졌다.

▲  <개발된 센서 사진> 나일론, 면, 폴리에스터 등의 상용섬유에 환원된 산화그래핀을 감지물지로 사용하는 섬유형 가스센서 시제품(좌)과 전자현미경을 이용한 확대 사진(우) © TIN 뉴스

한 예로 부직포 등 섬유 종류의 하나인 정수기 필터의 경우 연구진이 개발한 가스센서 적용이 가능하기 때문에 필터 역할 외에 센서 역할까지 가능한 스마트한 기능을 가질 수 있다는 것이다. 따라서 소방대원의 화재진압, 맨홀과 같이 공기상태를 알 수 없는 곳에 진입시 연결된 장치를 통해 공기상태 확인도 가능할 전망이다.

ETRI는 본 가스센서가 세탁을 하거나 1천번을 구부려도 성능을 유지한다고 말했다. 또 센서의 굵기가 마이크로미터(㎛)에서 밀리미터(㎜)의 실형태 또는 섬유라서 감지물질을 붙여 활용이 가능하고 추가적인 전력소모도 없다고 밝혔다.

향후 본 기술은 옷의 로고 등에 적용되어 10cm 이내의 가까운 거리에서 다양한 무선 데이터를 주고받는 통신 기술인 근거리무선통신(NFC:Near Field Communication)을 통해 스마트폰과 연동되거나 발광다이오드(LED)를 이용해 유해가스가 인지되면 저항값이 변해 옷에 불빛을 반짝거리게도 만들 수 있다.

▲ <섬유 가스센서의 가스 감지 장면> 센서가 섬유기반으로 제작되어, 바느질 및 다양한 방직 기술을 통해 옷감에 적용가능하고, 대기 중의 가스가 감지되면 센서의 저항이 변하여 가스의 존재 유무 및 그 존재 정도를 표시함  © TIN 뉴스

ETRI는 본 기술이 상용섬유를 사용하였고, 분자접착제 및 감지물질 코팅과 환원공정 등이 간단해 가스센서 개발 과정이 섬유의 대량 생산공정에 적합해 관련 산업에 바로 적용이 가능하다고 밝혔다.

따라서, 아웃도어 의류를 입고 외출시, 외부 공기질에 대한 정보를 옷이 제공함으로써 황사나 오염이 심할 때 이를 센싱해 사용자에게 알려줄 수 있게 된다.

연구책임자인 ETRI 이형근 선임연구원은“기존 고체기판 일변도로 개발된 가스센서와는 달리 유연하면서도 실생활에 밀접하게 사용되는 섬유를 기반으로 개발되어 일상 생활에 큰 변화를 줄 수 있다”고 말했다.

본 기술은 건국대 융합신소재공학과 윤용주 박사팀과 공동 연구를 통해 개발되었으며, ETRI의 원천기술 개발 확보를 위한 R&D 파이오니어(Pioneer) 프로그램 지원으로 지난해 10월부터 개발, 관련 특허도 확보해 두었다.

▲  <개발된 센서의 굽힘 테스트 사진> 개발된 센서의 굽힘테스트 사진 및 결과. 반경 1mm 이내로 1000번 반복 굽힘테스트에도 전기저항의 변화가 없이 성능이 유지됨   © TIN 뉴스

ETRI는 앞으로 본 가스센서로 감지 가능한 가스의 종류를 확대해 나갈 예정이며, 향후 본 기술을 유연전자소자 업체 또는 웨어러블 기기 업체, 섬유형 필터관련 업체 등에 기술이전 한다는 계획이다. 또한 연구진은 관련 산업체와의 협력을 통해 3년내 상용화를 기대하고 있다.

향후 옷 등에 부착된 센서를 활용해 우리의 삶도 한 걸음 더 진보적으로 변화될 수 있게 한 이 기술은 지난 6일자 네이처(Nature) 자매지인 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)誌’ 온라인 판에 게재되기도 했다.

김상현 기자 tinnews@tinnews.co.kr

 Scientific Reports 誌에 개재된 사진

▲  (a) Schematic illustration of RGOY gas sensor prepared from microfiber bundles (light grey cylinders) wrapped with RGO (dark grey hexagon patches). The red, blue, black, and white spheres indicate oxygen, nitrogen, carbon, and hydrogen atoms, respectively. (b) Photograph of RGOCY and RGOPY wound on a plastic bobbin. (c) RGOCY gas sensor system integrated into a fabric. (d) Demonstration of wearable gas sensing and alarm system. All parts of this figure were drawn and photographed by the authors.   © TIN 뉴스

▲  (a, d) SEM images of single RGOCY and RGOPY (scale bar = 500 and 250 \micro m). (b, e) SEM images of RGOCY and RGOPY micro fibrils (scale bar =5 \micro m). (c, f) HR-SEM images of micro fibril surface of RGOCY and RGOPY (scale bar = 500 nm). Numerous wrinkles were observed, indicating that RGO is well-wrapped around the yarn.  © TIN 뉴스

▲  (a) Gas sensing performance of RGOCY and RGOPY exposed to NO2 gas of 0.25 ppm and 1.25 ppm at room temperature. (b) Gas response of RGOCY and RGOPY exposed to various gases at a concentration of 1.25 ppm. (c) Gas response of RGOCY to 100 ppb NO2 under the existence of 1 ppm EtOH. (d) Gas response of RGOCY to 100 ppb NO2 under the existence of 1 ppm ethylene.   © TIN 뉴스

자료출처 : tinnews 바로가기