DGIST, 통기성 유지하는 그래핀 마스크 센서 개발 성공

고분자 나노섬유 위에 그래핀 나노월 직접 성장
가스 분자 머무는 시간 늘려 감지 성능 향상

[대구=이데일리 홍석천 기자] DGIST 연구진이 통기성과 유연성을 유지하면서 유해가스를 감지할 수 있는 마스크형 웨어러블 센서 기술을 개발했다.

DGIST는 화학물리학과 이성원 교수팀이 고분자 나노섬유 위에 그래핀 나노월을 직접 성장시킨 계층형 ‘나노-온-나노’ 구조를 구현했다고 25일 밝혔다.

웨어러블 가스센서는 피부나 마스크 등에 부착해 호흡 환경과 산업현장의 유해가스를 실시간으로 측정하는 장치다. 장시간 착용하려면 가볍고 유연하며 공기와 수분이 통과해야 하지만 미량의 가스도 빠르게 감지해야 한다.

기존 고분자 나노메쉬는 통기성과 유연성이 뛰어난 반면 가스와 반응하는 표면적과 기능성이 제한적이었다. 고분자가 열에 약해 고온 공정이 필요한 그래핀 등 기능성 탄소소재를 직접 결합하기도 어려웠다.

연구팀은 내열성 고분자 나노섬유로 만든 3차원 나노메쉬에 저온 플라즈마 화학기상증착(CVD) 기술을 적용했다. 나노섬유의 형태를 유지하면서 섬유 표면을 따라 수직으로 솟은 그래핀 나노월을 형성해 가스가 반응할 수 있는 면적을 넓혔다.

DGIST 이성원(왼쪽) 교수와 최혁주 박사과정생.(사진=DGIST)

그래핀 나노월 사이의 좁은 공간에 가스 분자가 오래 머무르는 ‘구속 효과’도 확인했다. 실험과 가스 수송 시뮬레이션 결과 나노월 내부에서 가스 분자의 이동 경로와 충돌이 증가하면서 그래핀 표면과의 상호작용이 활발해졌다.

연구진은 개발한 센서를 웨어러블 마스크 형태의 플랫폼에 적용해 통기성과 유연성을 유지하며 장시간 가스를 측정할 수 있는 가능성도 확인했다.

이번 연구는 새로운 센서 구조와 작동 원리를 검증한 단계다. 보도자료에는 검출 가능한 가스의 종류와 최저 농도, 반응속도, 기존 센서 대비 성능 향상 폭은 제시되지 않았다. 실제 산업·생활 현장에 적용하려면 선택성과 반복 사용 안정성, 습도·온도 변화에 따른 정확도 등을 추가로 검증해야 한다.

이 교수는 “표면적을 넓히는 데서 나아가 나노구조 내부의 가스 분자 움직임을 조절해 감지 성능을 높이는 설계 원리를 제시했다”며 “가스센서뿐 아니라 다양한 통기성 웨어러블 전자소자에 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구에는 충남대와 한밭대, 경북대, 구미전자정보기술원, 한국생산기술연구원 연구진이 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 파이버 머티리얼스(Advanced Fiber Materials)’ 8월호에 게재됐다.

홍석천 (dgedaily@edaily.co.kr)