첨단융합학부 미래에너지전공 및 휴머노이드 후각디스플레이센터 이형우 교수 연구팀이 금속유기골격체(MOF)인 UiO-66을 활용한 섬유형 염료감응 태양전지 기반 다기능 전자섬유 플랫폼을 개발했다. 섬유형 태양전지의 발전 효율을 높이는 동시에 유해가스인 황화수소(H₂S)를 감지할 수 있는 다기능 스마트 전자섬유로, 스마트 의류와 웨어러블 전자기기, 산업안전 모니터링 분야에 적용 가능한 자가발전형 센서 플랫폼으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 

최근 스마트 의류, 웨어러블 전자기기, 사물인터넷(IoT) 기술이 빠르게 발전하면서 몸에 착용할 수 있고 유연하게 구부러지는 섬유형 전자소자에 대한 관심이 커지고 있다. 특히 섬유형 태양전지는 인체 활동 중에도 빛을 이용해 전력을 생산할 수 있어 차세대 웨어러블 전원으로 주목받고 있다.

하지만 기존 섬유형 태양전지는 발전 효율이 제한적이고, 실내와 같은 저조도 환경에서는 성능이 떨어지는 한계가 있었다. 또한 대부분 전력 생산 기능에 초점이 맞춰져 있어 가스 감지나 환경 모니터링 등 추가 기능을 동시에 구현하기 어려웠다.

연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 높은 기공도와 넓은 표면적을 가진 금속유기골격체인 UiO-66에 주목했다. UiO-66은 금속 이온과 유기 분자가 규칙적으로 연결된 다공성 소재로, 기체 흡착 능력이 뛰어나 에너지·환경 분야에서 차세대 기능성 소재로 주목받고 있다.

연구진은 불소(F) 및 아미노기(NH2)가 도입된 UiO-66 MOF를 합성하고, 이를 섬유형 염료감응 태양전지의 광전극 소재인 이산화티타늄(TiO₂)에 적용했다. 그 결과 염료 분자가 흡착할 수 있는 표면적이 증가하고 전하 이동 특성이 개선되면서 광전류 생성과 전하 수집 효율이 향상됐다.

【기능성 UiO-66 MOF 기반 섬유형 태양전지 및 황화수소 가스센서】

특히 UiO-66-F가 적용된 섬유형 태양전지는 기존 소자 대비 최대 29% 향상된 7.16%의 광전변환효율(PCE)을 달성했다. 실내 조명 환경에서도 우수한 발전 성능을 보여 웨어러블 전자기기용 자가발전 소자로서의 활용 가능성을 확인했다.

이번 연구를 통해 연구팀은 태양에너지 수확 기능과 유해가스 감지 기능을 하나의 섬유 플랫폼에 통합했다. 연구팀은 UiO-66-F가 황화수소 가스를 선택적으로 흡착하는 특성을 활용해 섬유형 가스센서 기능을 구현했다. 황화수소는 하수처리장, 석유화학 공정, 산업시설 등에서 발생하는 대표적인 독성 가스로, 인체에 유해하기 때문에 실시간 감지가 중요하다.

실험 결과 UiO-66-F가 적용된 소자는 100 ppm의 황화수소 가스에 대해 약 97%의 높은 감응 특성을 나타냈으며, 빠른 응답 및 회복 특성도 보였다. 기존 TiO2 기반 소자에서는 나타나지 않던 우수한 가스 감지 성능을 확보함으로써, 하나의 전자섬유가 전력을 생산하면서 동시에 주변 환경의 유해가스를 감지할 수 있음을 입증했다.

또한 개발된 전자섬유는 1,500회 이상의 반복 굽힘 시험과 20회의 세탁 시험 이후에도 초기 성능의 70~80% 이상을 유지해, 실제 의류나 웨어러블 기기에 적용하기 위해 필요한 기계적 안정성과 내구성을 갖췄다.

이형우 교수는 “이번 연구는 섬유형 태양전지의 에너지 생산 성능을 향상시키는 동시에 유해가스 감지 기능까지 구현함으로써 하나의 전자섬유에서 에너지 수확과 환경 모니터링을 동시에 수행할 수 있는 가능성을 제시했다”며 “향후 스마트 의류, 웨어러블 전자기기, 산업안전 모니터링 시스템 등 다양한 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 집단연구사업인 글로벌연구센터 사업과 과학기술정보통신부 한국재료연구원 기본사업의 지원을 받아 부산대·한국재료연구원(KIMS) 공동연구로 수행됐다. 부산대 첨단융합학부 미래에너지전공 및 휴머노이드 후각디스플레이센터 이형우 교수가 교신저자, 휴머노이드 후각디스플레이센터 김재호 박사가 제1저자 및 교신저자로 참여했다. 

해당 논문은 국제학술지 『Chemical Engineering Journal』 9월 1일자에 게재됐다. 

- 논문 제목: Dual functional enhancement of H2S gas sensing and fiber dye-sensitized solar cell efficiency using UiO-66 MOFs (UiO-66 MOF를 이용한 황화수소 가스 감지 및 섬유형 염료감응 태양전지 효율의 동시 향상)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.178271

※ 용어 설명

- 금속유기골격체(MOF, Metal–Organic Framework): 금속 이온과 유기 분자가 규칙적으로 연결된 다공성 신소재. 표면적이 넓고 기체 흡착 능력이 우수해 에너지 저장, 환경 감지, 촉매, 가스 분리 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 크다.

- 섬유형 염료감응 태양전지(FDSSC): 연필심 정도의 가느다란 섬유 형태로 제작되는 태양전지. 유연하고 가벼워 옷감이나 웨어러블 전자기기에 적용하기 쉽고, 빛을 이용해 전기를 생산할 수 있다.

- 황화수소(H2S): 하수처리장, 석유화학 공정, 산업시설 등에서 발생할 수 있는 독성 가스. 특유의 냄새가 있으며 고농도 노출 시 인체에 위험할 수 있어 실시간 감지가 중요하다.

- 광전변환효율(PCE, Power Conversion Efficiency): 태양전지가 받은 빛 에너지를 전기 에너지로 얼마나 효율적으로 바꾸는지를 나타내는 지표다. 수치가 높을수록 같은 빛 조건에서 더 많은 전기를 생산할 수 있다.

* 상단 연구진 사진: 왼쪽부터 이형우 교수, 김재호 박사.

[Abstract]

A collaborative research team led by Professor Hyung Woo Lee of the School of Advanced Convergence for Future Energy Major and the Humanoid Olfactory Display Innovation Research Center at Pusan National University, in collaboration with Dr. Myungkwan Song's team at the Korea Institute of Materials Science (KIMS), has developed a multifunctional electronic fiber capable of simultaneously harvesting solar energy and detecting hazardous gases through the incorporation of UiO-66 metal–organic x-x-frameworks (MOFs). Dr. Jae Ho Kim of Pusan National University served as the first and corresponding author of the study.

Wearable electronics that combine energy harvesting and environmental sensing in a single platform are highly desirable for next-generation smart textiles. Here, fluorine- and amino-functionalized UiO-66 metal–organic x-x-frameworks (MOFs) are incorporated into mesoporous TiO2 photoanodes to develop multifunctional electronic fibers capable of simultaneous solar energy harvesting and hazardous gas detection. The MOF-modified photoanodes provide increased surface area for dye adsorption and facilitate charge transport, yielding a power conversion efficiency of 7.16% for the UiO-66-F-based fiber-shaped dye-sensitized solar cell, a ~29% improvement over the pristine device, along with superior photocurrent generation under low-light indoor conditions. The same fiber platform is further integrated with gas-sensing functionality: owing to the strong affinity of UiO-66-F toward H2S, the fiber sensor exhibits a high response of ~97% toward 100 ppm H2S with rapid response and recovery, whereas pristine TiO2-based fibers show negligible sensing performance. The fibers retain more than 70–80% of their initial performance after repeated bending and washing, confirming their mechanical durability. This work presents a unified strategy for integrating energy harvesting and gas sensing into a single fiber architecture, offering a promising route toward self-powered wearable sensors, smart clothing, and IoT-based environmental monitoring platforms.

- Authors (Pusan National University)

 · Corresponding author: Hyung Woo Lee (Advanced Energy Major, School of Transdisciplinary Engineering and Humanoid Olfactory Display Innovation Research Center)

 · First author & Corresponding author: Jae Ho Kim (Humanoid Olfactory Display Innovation Research Center)

- Title of original paper: Dual functional enhancement of H2S gas sensing and fiber dye-sensitized solar cell efficiency using UiO-66 MOFs 

- Journal: Chemical Engineering Journal

- Web link: https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.178271

- Contact e-mail: lhw2010@pusan.ac.kr