KIST 연구진이 개발한 극한 환경에서 안정적인 가스 감지 가능한 소재 활용.[KIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 고분자는 그 유연성과 경량성으로 인해 웨어러블 전자기기와 같은 분야에서 각광받아 왔으나, 낮은 전기적 전도성이 주요 단점으로 지적된다. 전도성을 향상시키기 위한 다양한 연구가 진행되어 왔지만, 여전히 유해한 용매를 사용해야 한다는 문제나, 극한 환경에서 성능 저하가 발생하는 등의 기술적 한계가 있었다.

한국과학기술연구원(KIST)은 전자재료연구센터 장지수 박사 연구팀이 미국 예일대학교, 아주대학교와 공동연구를 통해 이온-전자 혼합 전도체 기반 고분자 합성법을 개발했다고 발표했다. 이번 연구는 기존 고분자 전도체가 가진 한계를 극복하며, 차세대 고성능 화학 센서 개발에 기여할 수 있는 혁신적인 기술로 주목받고 있다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 이온성 작용기(pendant)그룹을 고분자 구조에 도입하여, 독성 용매가 아닌 친환경 용매에서도 쉽게 용해될 수 있는 공액 고분자를 합성했다. 특히 이 고분자는 친환경적인 공정에서 높은 가스 감지 성능을 나타내며, 고온다습한 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있는 특성을 가진다. 이러한 기술적 진보는 웨어러블 기기, 휴대용 전자기기, 나아가 극한 환경에서도 신뢰성 있게 작동할 수 있는 다양한 전자 장치에 적용될 가능성을 열었다.

이번 연구의 중심에는 친환경 용매에서 용해 가능한 이온화 기반 공액 고분자 개발이 핵심이다. 기존 전도성 고분자는 주로 독성 용매를 사용해야 용해가 가능했으나, 이번에 개발된 고분자는 이온 종과 전자적 전하 운반체의 결합을 통해 전기적 전도성을 크게 향상시켰다. 연구팀은 고분자 내 음이온(TFSI-)과 양이온(IM+)을 도입해 전하 운반체의 밀도와 이동도를 증가시킴으로써, 전도성 및 안정성을 극대화했다.

연구진이 개발한 n타입 기반의 전도성 고분자인 ‘N-PBTBDTT’는 질소 이산화물(NO2)과 같은 유해 가스를 감지하는 데 있어서 매우 높은 민감도를 보였다. 질소 이산화물(NO2) 감지에 대한 민감도는 189%에 달하며, 매우 낮은 농도인 2 ppb에서도 높은 검출 능력을 발휘했다. 이는 기존 센서 기술을 뛰어넘는 수준의 성능이며, 이 고분자는 80%의 높은 습도와 200°C에 이르는 고온 환경에서도 뛰어난 내구성을 보였다. 이를 통해 다양한 극한 환경에서도 안정적인 가스 감지가 가능하다는 점에서 웨어러블 기기나 산업용 센서에 폭넓게 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

극한 환경에서 질소 이산화물 (NO2)을 선택적으로 감지하는 센서 성능.[KIST 제공]

장지수 박사는 “이번 연구에서 개발된 센서는 단순한 화학 센서를 넘어 다양한 응용 분야에서 혁신적인 변화를 가져올 수 있다”고 말했다.

이준우 아주대 교수는 “특히 화재 현장에서 유해 가스 감지가 필요한 소방관, 전시 상황에서 화학 무기 노출된 군인 등 극한 환경에서 활동하는 종사자들에게 생명을 지킬 수 있는 소재로 활용할 수 있다”고 밝혔다.

이번 연구결과는 에너지 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’에 게재됐다.