대구경북과학기술원(DGIST·디지스트)은 전기전자컴퓨터공학과 권혁준 교수팀(제1저자 임형태 석박사통합과정생)이 사람의 폐를 본떠 10억 분의 1 수준의 초저농도 이산화질소를 실시간으로 모니터링할 수 있는 ‘그래핀-금속유기구조체 하이브리드 가스센서’를 개발했다고 13일 밝혔다.
고성능 센서로 간단한 공정과정, 에너지 효율과 유연성까지 갖춰 헬스케어 기기 적용이 기대된다. 미세먼지를 유발하는 주범 중 하나인 이산화질소는 심혈관계 질환, 퇴행성 뇌질환을 유발하는 치명적인 물질이다. 이산화질소를 관리하기 위해서는 이를 모니터링 할 수 있는 센서의 개발이 중요하다. 낮은 농도도 측정이 가능한 검출한계가 얼마나 낮은지, 검출 속도가 얼마나 빠른지 등이 이산화질소 센서의 성능을 결정한다.
기존의 이산화질소 모니터링 방식은 화학 발광식 측정소에서 주로 수행된다. 부피가 크고 비용이 많이 드는 것은 물론 공간적 측정범위가 한정적이기 때문에 개인화된 대기오염 정보를 제공할 수 없다. 대안책으로 반도체식 센서가 있지만 이 센서 역시 검출한계 기준을 충족하지 못할 뿐만 아니라 높은 작동 온도를 요구해 상용화에는 한계가 있다.
이를 해결하기 위해 권 교수팀은 레이저유도그래핀(LIG)의 하부구조에 1g만으로도 축구장만큼의 표면적을 가질 만큼 극도로 높은 나노-다공성을 갖는 금속유기구조체(MOF)를 선택적으로 성장시킨 하이브리드 구조를 제작해 실시간으로 초저농도 이산화질소 모니터링이 가능한 센서를 개발했다.
특히 권 교수 연구팀이 개발한 센서는 사람의 폐에서 착안한 계층적 기공구조를 가지고 있다. 이 때문에 표면적뿐만 아니라 빠른 기체 교환에서도 탁월한 강점이 있다. 그 결과 기존의 이산화질소 센서와 비교했을 때 가장 낮은 수준의 검출한계(0.168 ppb)와 가장 빠른 반응 시간(15초) 확보에 성공했다.
또 이번 연구를 통해 개발된 하이브리드 센서는 레이저 공정을 이용했기 때문에 진공장비와 같은 복잡한 기반시설 없이도 간편하게 전극을 형성할 수 있으며 금속유기구조체의 패터닝의 어려움도 동시에 해결했다.
최대 1만번 이상을 구부려도 가스 센서의 성능을 유지할 수 있는 유연한 구조를 구현했기 때문에 고성능 웨어러블 헬스케어 기기에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
권혁준 교수는 “최근 급격한 도시화로 인한 대기오염으로부터 사람들을 보호할 수 있는 센서를 사람의 폐에서 착안해 제작했다”며 “향후 웨어러블 기기 등에 적용해 개인별로 맞춤화된 건강관리 정보를 제공할 수 있었으면 한다”고 말했다.
이번 연구는 임형태 석박사통합과정생이 제1저자로, 권혁준 교수가 교신저자로 참여했으며 연구 성과는 세계적 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 5월 30일 온라인 게재됐다. 과학기술정보통신부의 휴먼플러스융합연구개발사업과 국가핵심소재연구단, 교육부 대학중점연구소지원사업의 후각융합연구센터의 지원을 받아 수행됐다.
대구=최일영 기자 mc102@kmib.co.kr
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