[굿뉴스365]한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 복합소재기술연구소와 한국과학기술원 신소재공학과는 백금(pt) 촉매가 결착된 그래핀 실을 이용해 물 분자(H2O)에 대한 탁월한 감지특성을 갖는 습도센서를 공동으로 개발했다고 밝혔다.

사용자의 신체 또는 의복 등에 착용 가능한 웨어러블(wearable) 소자는 4차 산업혁명의 핵심 응용 분야로 활발히 연구·개발되고 있다. 이러한 웨어러블 기기는 사용자의 상태나 주변의 환경을 실시간으로 손쉽게 감지할 수 있기 때문에 우수한 성능을 갖는 센서와의 결합이 중요하다.

특히 웨어러블 화학 센서는 유해 가스 성분을 검출하는데 응용될 수 있으며, 더 나아가 사람의 호흡을 통해서 배출되는 날숨 가스성분을 검출함으로써 건강을 모니터링 하는 헬스케어 센서로도 응용할 수 있다.

다양한 가스 성분 중에서 습도는 산업, 건강상태 그리고 실내의 공기 질에 직접 관여하는 중요한 관측 대상 요소이다. 따라서 이를 시간·장소에 구애받지 않고 쉽게 감지하는 것이 중요하다.

그러나 종래의 습도 센서 소자는 일정 영역 이상 또는 이하의 습도에 대해 감도 특성이 포화하는 속성 때문에 제한된 영역의 습도 범위에서만 활용할 수 있다. 또한, 감지 소재가 유연하지 않아 웨어러블 습도센서로 적용하는데 기술적 한계점이 있었다. 또한, 감지 소재가 유연하지 않아 웨어러블 습도센서로 적용하는데 기술적 한계점이 있었다.

본 연구팀은 차세대 소재로 각광받는 2차원의 그래핀을 실(Yarn)처럼 뽑아 섬유 형상으로 제작하는 데 성공해, 이를 습도 검출용 감지 소재로 활용했다.

그래핀은 우수한 전기전도도와 넓은 비표면적으로 인해 고감도 가스 감지 소재로 활용돼 왔다. 최근 이러한 그래핀 기반의 소재를 1차원 구조의 섬유 형태로 제작하는 기술이 개발됐으나 웨어러블 습도센서로 응용한 사례는 전무했다.

본 연구팀은 고농축화된 대면적 그래핀산화물(Graphene oxide)을 제조해 유방성 액정상(Lyotropic liquid crystal)을 발현시켰다. 유방성 액정은 물질이 특정용매에 고르게 분산이 돼있고 특정 농도 이상에서 유동성과 결정성을 확보하게 돼 액정상이 나타나는 액정(liquid crystal)을 말한다. 이 그래핀산화물 액정에 습식 방사공정을 활용해 그래핀산화물 섬유를 연속적으로 대량 생산했다.

이렇게 제조된 그래핀산화물 섬유를 환원 열처리를 통해 전기적 특성을 향상시키고, 물 분자를 효과적으로 분해할 수 있는 백금촉매를 결착시켜 수분에 대해 향상된 감지 특성을 가지는 고성능 습도센서용 감지소재를 개발했다.

촉매가 결착된 그래핀 섬유의 센서는 건조한 환경뿐만 아니라 고습한 환경에서도 습도를 고속으로 측정할 수 있는 광범위 습도 센싱특성을 보여줬다. 사람의 날숨 속에 포함된 습도 또한 수초 내로 민감하게 감지했다.

정현수 박사는 “광범위한 습도 검출 성능을 가진 그래핀 실은 직조가 가능해, 웨어러블 소자로 활용 가능성이 높으며, 그래핀 섬유의 제조공정은 상용화된 용액 방사공정을 이용하므로 저비용/대량생산의 센싱소재 생산이 가능하다. 후속연구로서, 다른 유해가스 및 바이오인자 검출이 가능한 웨어러블 센싱소재를 공동개발 중”이라고 말했다.