‘유독가스’ 이산화질소만 빠르게 잡아내는 전기화학 센서 나왔다

연세대, 금속유기구조체 이산화질소 센서 개발
다양한 대기 환경에도 탐지 민감도 높아
대면적 생산도 용이…상용화 기대

(왼쪽부터)이우영 연세대 신소재공학과 교수, 김대우 화공생명공학과 교수, 민혜기 일리노이대 박사, 권오찬 캘리포니아대 박사./연세대

국내 연구진이 혼합가스에서도 이산화질소를 선택적으로 민감하게 잡아낼 수 있는 전기화학 센서를 개발했다. 마이크로 공정으로 넓은 면적의 센서를 생산할 수 있어 상용화도 빠르게 이뤄질 것으로 기대된다.

연세대는 이우영 신소재공학과 교수와 김대우 화공생명공학과 교수 공동연구팀이 절연성 금속유기구조체의 표면 개질화로 이산화질소를 민감하게 탐지하는 전기화학 센서를 개발했다고 18일 밝혔다.

이산화질소는 자동차 배기가스와 발전소 연소 등으로 발생하는 주요 대기오염물질 중 하나다. 공기 중에 배출되면 100ppm(백만분율)만으로도 호흡기에 해로운 영향을 미칠 수 있는 강력한 산화가스로 꼽힌다.

이산화질소가 환경과 사람 건강에 미치는 영향을 최소화하기 위해 이산화질소 농도 측정 센서는 활발히 개발되고 있다. 하지만 기존 가스 감지 소재는 낮은 가스 감지 선택성과 검출한계로 정확한 분석이 어렵다.

연구팀은 2~3㎚(나노미터·1㎚는 10억분의 1) 수준의 산화물층으로 금속유기구조체(ZIF-8)를 만들어 반도체성 전자소자를 센서로 활용했다. ZIF-8은 아연과 우기 리간드를 결합해 만든 다공성 물질로, 최대 0.4㎚ 크기의 기공으로 가스를 분리·흡착·감지할 수 있다.

연구팀은 센서의 감지 특성을 높이기 위해 작동 온도를 낮췄고, 그 결과 130ppm 수준의 높은 민감도를 보였다. 특히 수분이 있는 환경에서 민감도가 두 배 이상 증가했는데, 유기 리간드의 화학적 특성으로 이산화질소에 높은 반응 선택성을 보였다. 이는 복잡한 가스 필터 과정 없이 다양한 대기 환경에서 이산화질소를 감지할 수 있음을 의미한다. 또 넓은 면적의 금속유기구조체 필름 제조와 마이크로 공정 기반으로 센서를 제작할 수 있어 생산 단가도 확 낮출 수 있다는 게 연구팀 설명이다.

김대우 교수는 “금속유기구조체 기반 소재는 뛰어난 가스 분석 소재임에도 전도성의 조절이 쉽지 않아 전기화학 가스탐지 소자로 활용되기 어려웠다”며 “이번 연구로 개발한 공법은 ZIF-8뿐 아니라 다양한 금속유기구조체에 확장할 수 있고, 다양한 소재와 응용 분야로 적용될 것으로 기대된다”고 설명했다.

이번 연구는 산업통상자원부와 교육부, 과학기술정보통신부의 지원을 받았다. 연구 성과는 재료과학 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’에 이달 2일 온라인 게재됐다.

참고자료

Advanced Materials, DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202309041

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