음주단속 효율 높일 고성능 에탄올 센서 나왔다

DGIST 연구진, 다공성 금속유기구조체 레이저 가공해 센서 민감도 높여

지난해 12월 대전 서구 관저동 한 대로변에서 대전 경찰이 음주단속을 벌이고 있다./연합뉴스

국내 연구진이 고성능 에탄올 센서의 효율과 안정성을 높이는 새로운 방법을 제시했다. 음주운전 단속의 효율을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.

한국연구재단은 권혁준 대구경북과학기술원(DGIST) 교수 연구진이 금속유기구조체에 레이저 공정을 적용해 상온에서 다양한 농도의 에탄올을 즉각적으로 감지할 수 있는 에탄올 센서를 개발했다고 29일 밝혔다. 금속유기구조체는 금속 이온과 유기 리간드의 규칙적인 배열로 만들어지는 결정질 물질로 표면적이 넓어 특정 물질을 감지하는 센서 연구에서 활발히 사용된다.

에탄올 센서는 차량의 시동 잠금장치를 비롯해 의료, 화공, 식품을 포함한 산업 전반에서 사용된다. 하지만 고성능 에탄올 센서는 일반적으로 250도 이상 높은 온도에서 작동하여 측정 준비에 시간이 소요되고, 전력 소모에 큰 한계가 있었다. 이에 고감도, 고신뢰성, 저전력, 신속한 반응·회복 속도와 일관된 제조 공정을 갖춘 에탄올 센서 개발이 필요해졌다.

연구진은 금속유기구조체에서 유래한 다공성 금속산화물·탄소 소재를 개발하고 최대 3500%의 반응성을 보이는 고성능 에탄올 센서를 개발했다. 금속과 유기물이 규칙적으로 배열되어 있는 금속유기구조체를 미세 레이저 광열 공정을 거쳐 금속산화물·탄소 하이브리드 구조로 만들어 고성능 에탄올 센서에 적용한 것이다. 레이저 공정으로 제작한 에탄올 센서는 기존 기능성 물질 제작 시 걸림돌로 작용했던 불균일성과 패터닝의 한계를 효과적으로 해결했다.

금속유기구조체(MOF)에 직접 레이저 조사를 통해 얻은 금속산화물·탄소 합성물 기반 에탄올 센서 제작의 모식도./한국연구재단

새로운 에탄올 센서는 상온에서 최대 3400ppm(parts per million)의 고농도부터 수 ppm의 저농도까지 감지할 수 있다. 또 선택성과 열 안정성을 확보해 산업 현장의 에탄올 누출 알람과 날숨을 통한 신속한 음주 진단과 같은 다양한 분야에서 즉각적인 모니터링이 가능하다. 또 차세대 가스 센서 물질로 주목받는 금속유기구조체 파생물의 소형화와 패터닝에도 성공해 향후 전자 코(E-nose)와 같은 첨단 IoT 진단과 데이터 분야에서 활발히 응용될 것으로 기대된다.

권혁준 교수는 “연구 결과를 차세대 IoT 플랫폼 적용하기 위해서는 에탄올 센서 단독 사용에서 나아가 유해가스 센서 혹은 압력 센서와 같은 물리 센서와의 통합이 필수적”이라며 “후속 연구를 통해 여러 다기능성 센서와 통합해 안전과 질병 관리 시스템 구축의 기반을 제공할 계획”이라고 전했다.

이번 연구 성과는 재료과학과 나노기술 분야 국제 학술지 ‘나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)’에 지난 9일 게재됐다.

참고 자료

Nano-Micro Letters(2024), DOI: https://doi.org/10.1007/s40820-024-01332-5

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