멍게 껍질로 만든 전자소자, 군사의류·스포츠웨어 등 활용 기대

광주과학기술원(GIST)

GIST-인하대 공동 연구팀이 연구한 (a) 멍게껍질 (b) 멍게껍질에서 추출한 셀룰로오스 (c) 나노화된 셀룰로오스. 첫 번째 이미지는 건조된 멍게 껍질, 두 번째 이미지는 추출된 셀룰로오스, 세 번째 이미지는 광학적 특성을 보여주는 나노셀룰로오스다. GIST 제공

국내 연구진이 해양폐기물에서 섬유를 추출해 친환경 전자소자를 개발했다. 향후 이식형 섬유 기반 전자기기 및 센서 개발에 활용될 것으로 기대된다.

광주과학기술원(GIST)은 윤명한 신소재공학부 교수와 심봉섭 인하대 화학공학과 교수 공동연구팀이 멍게 껍질에서 추출한 셀룰로오스 나노섬유와 전도성 고분자의 복합화를 통해 친환경 섬유형 유기 전기화학 트랜지스터(OECT)를 개발했다고 21일 밝혔다. 

유기 전기화학 트랜지스터는 전해질 내에서 구동하는 트랜지스터 중 하나다. 전해질 안에 존재하는 이온과 반도체층과의 전기적‧전기화학적 반응을 통해 반도체층의 도핑과 탈도핑을 유도하고 전기적 신호를 변환‧증폭한다.

섬유형 유기물 전기화학 트랜지스터는 이온 주입을 통한 신호 변환과 증폭이 가능하다. 체내 이식 또는 피부에 부착해 뇌, 심장, 근육 등 다양한 생체전기 신호를 쉽게 검출할 수 있다. 헬스케어, 군사 의류, 스포츠웨어 및 패션 아이템 등 다양한 분야에서의 잠재적 활용이 가능하다.

일반적으로 전도성 고분자 소재의 기계적‧전기적 특성을 강화하기 위해서는 각기 다른 장점을 지닌 두 물질을 혼합하는 복합화 방법이 사용된다. 두 물질이 서로 잘 혼합되지 않거나 한 물질의 특성을 강화하려고 하면 다른 물질의 성능이 저하되는 문제가 발생한다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 높은 결정성과 방향성을 갖는 셀룰로오스 나노섬유(CNF)와 전도성 고분자 물질(PEDOT:PSS)을 복합화해 분자 수준에서 한 방향으로 고도로 정렬시켰다. 이를 통해 기계적 유연성과 우수한 전기·전기화학적 특성을 겸비한 소재를 개발하는 데 성공했다.

고성능의 유연한 섬유형 전기화학 소자는 사람 또는 동물의 생체신호를 측정할 수 있을 뿐 아니라 식물에도 적용 가능하다고 연구팀은 설명했다. 식물의 이온 변화량 및 수분 함유 상태 등 영양 상태를 실시간으로 파악할 수 있는 차세대 스마트팜용 작물 모니터링 기술에도 활용할 수 있다.

윤명한 교수는 “이번 연구에서는 지구상에서 가장 풍부한 천연 유기물을 이용해 엔지니어링 고분자의 다양한 특성을 강화했다”며 “특히 절연체인 셀룰로오스 나노섬유의 자발적 구조화를 유도해 전도성 고분자의 전기적 특성을 향상시킨 것은 구조화 효과를 명확하게 보여주는 것으로 학술적 의미가 크다”고 말했다. 

심봉섭 교수는 “생분해가 가능하고 재생 가능한 소재인 나노셀룰로우스를 활용해 미래에 입을 수 있는 친환경 섬유 전자 장치 개발에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”며 “탄소중립을 실현하고 일상생활 속 스마트 섬유를 현실화하는 데 크게 기여할 것”이라고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘카보하이드레이트 폴리머’에 11일 온라인 게재됐다.

[박정연 기자 hesse@donga.com]