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신속한 음주진단 가능한 고성능 에탄올 센서 개발

- 다공성 금속유기구조체 레이저 가공…고민감도 하이브리드 센서 -

□ 국내 연구팀이 자동차 안전 및 환경과 식품 모니터링 등 다양한 산업 분야에서 활용되는 고성능 에탄올 센서의 효율과 안정성을 높이는 새로운 방법을 제시하였다.

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 대구경북과학기술원 권혁준 교수 연구팀(제1저자 임형태 석박사통합과정)이 금속유기구조체*에 레이저 공정을 적용해 상온에서 다양한 농도의 에탄올을 즉각적으로 감지할 수 있는 에탄올 센서를 개발했다고 밝혔다.

* 금속유기구조체: 금속 이온과 유기 리간드의 규칙적인 배열을 통해 이루어지는 결정질 물질이며, 넓은 표면적 및 화학적 기능성으로 인해 최근 센서 연구에서 활발히 사용되고 있다.

□ 에탄올 센서는 차량의 시동 잠금장치를 비롯해 의료, 화공, 식품 등 산업 전반에서 사용된다. 하지만 고성능 에탄올 센서는 일반적으로 250도(℃) 이상 높은 온도에서 작동하여 측정 준비에 시간이 소요되고, 전력 소모에 큰 한계가 있었다.

○ 이에 따라 고감도, 고신뢰성, 저전력, 신속한 반응/회복 속도 및 일관된 제조 공정을 갖춘 에탄올 센서 개발의 필요성이 대두되었다.

□ 이에 연구팀은 금속유기구조체에서 유래한 다공성 금속산화물/탄소 소재를 개발하고 최대 3,500%의 반응성을 보이는 고성능 에탄올 센서를 개발하였다.

□ 연구팀은 금속과 유기물이 규칙적으로 배열되어 있는 금속유기구조체에 미세 레이저 광열 공정을 수행하여 금속산화물/탄소 하이브리드 구조의 고성능 에탄올 센서 제작에 성공하였다.

○ 레이저 공정으로 제작한 에탄올 센서는 기존 기능성 물질 제작 시 걸림돌로 작용했던 불균일성 및 패터닝의 한계를 효과적으로 해결하였다.

□ 새로운 에탄올 센서는 상온에서 최대 3,400ppm의 고농도부터 수 ppm의 저농도까지 감지가 가능하다. 또한 선택성 및 열안정성을 확보하여 산업 현장의 에탄올 누출 알람 및 날숨을 통한 신속한 음주 진단 등 다양한 분야에서 즉각적인 모니터링이 가능하다.

□ 또한 차세대 가스 센서 물질로 주목받는 금속유기구조체 파생물의 소형화 및 패터닝에도 성공하여 향후 전자코(E-nose) 등 첨단 IoT 진단 및 데이터 분야에서 활발히 응용될 것으로 기대된다.

□ 권혁준 교수는 “연구결과가 차세대 IoT 플랫폼 적용을 위해서는 에탄올 센서 단독 사용에서 나아가 유해가스 센서 혹은 압력 센서와 같은 물리 센서와의 통합이 필수적”이라며, “후속 연구를 통해 여러 다기능성 센서와 통합해 안전 및 질병관리 시스템 구축의 기반을 제공할 계획이다”라고 밝혔다.

□ 과학기술정보통신부 및 교육부와 한국연구재단의 개인기초연구사업과 대학중점연구소지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 재료과학, 나노기술 분야 국제학술지 ‘나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)’에 2월 9일 게재되었다.

- 다공성 금속유기구조체 레이저 가공…고민감도 하이브리드 센서 -

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주요내용 설명

<작성 : DGIST 권혁준 교수, DGIST 임형태 석박사통합과정>

1. 연구의 필요성

○ 최근 가스 센서 기술은 대기 상태의 정밀 분석을 통해 환경 모니터링 분야에서 핵심적인 역할을 담당하고 있다. 특히 에탄올은 의료 치료, 화학 공정, 식품 산업 등 다양한 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 에탄올은 쉽게 대기 중으로 휘발되어 폭발 위험을 초래하며, 호흡기 자극, 마취 효과, 인식 저하와 같은 생리적 반응을 일으킬 수 있다. 이에 따라 고감도, 고신뢰성, 저전력 소모, 경제성, 신속한 반응/회복 속도 및 일관된 제조 공정을 갖춘 에탄올 센서 개발의 필요성이 대두되었다.

○ 따라서 MXene, TMDs, 그래핀 기반 나노재료 등 새로운 센싱 재료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 금속 산화물과 탄소(MOx/C)의 하이브리드 구조는 상온에서의 감지 능력과 탄소가 MOx 인터페이스에서 가스 분자의 흡착 시 전기적 상호작용을 매우 민감하게 반영하는 트랜스듀서로 작용함으로써 탁월한 민감도를 제공하는 등 매력적인 에탄올 감지 재료로 평가받고 있다. 그러나 이들의 대량 생산 과정에서 겪는 불균일성, 응집성, 패터닝 어려움 등은 여전히 극복해야 할 과제로 남아 있다.

2. 연구내용

○ 본 연구에서는 다공성 MOF(Metal-Organic Frameworks)에 직접 미세 레이저 패터닝을 수행하여 MOx/C 하이브리드 센서를 제작하는 새로운 접근법을 제시하였다. MOF는 규칙적으로 배열된 금속 이온과 유기 링커로 구성되어 있어, 탄소 및 금속 성분이 통합된 균일한 하이브리드 구조를 형성하는 이상적인 전구체로 작용한다. In-situ 레이저 공정을 통해 제작된 센서는 기존 제작방법들과 비교할 때 균일성과 정밀한 패터닝(노광 공정과 유사한 정밀도를 가진 <2 μm)을 가능하게 하였다.

○ 또한, 상온에서 최대 3,400 ppm부터 최소 1.1 ppm의 광대역의 에탄올을 3,500%의 초고민감도로 감지할 수 있었다. 특히 에탄올 가스에 노출될 때 수 십초 이내의 빠른 반응-회복시간을 보여, 에탄올 누출 센서 및 음주감지 센서와 같은 실용적인 응용분야에서 즉각적인 가스 모니터링이 가능하게 되었다.

○ 강력한 장기 안정성 및 우수한 열저항성은 산업 및 차량과 같은 극한 환경에서도 센서가 동작할 수 있음을 보였다. 따라서 본 연구는 MOF 기반 고성능 MOx/C 가스 센서를 실현하기 위한 핵심 메커니즘 및 전략을 제공한다.

3. 연구성과/기대효과

○ 본 연구는 산업 안전은 물론 음주운전 방지 시스템의 핵심 구성 요소로 활용될 수 있는 고성능 가스 센서 개발에 기여할 것으로 기대된다. 우리나라에서 교통사고로 인한 사망률이 OECD 평균의 30% 이상이며, 미국에서는 음주운전으로 인한 자동차 대형사고가 전체의 약 29%를 차지하는 등 음주운전은 개인과 사회에 큰 손실을 야기한다. 기존의 호기 중 에탄올 농도를 검출하는 센서는 여러 단점이 있었으나, 본 연구에서 개발된 MOF 유래 MOx/C 센서는 이러한 문제를 해결할 수 있는 가능성을 보였다. 호기 중 에탄올 농도를 사용자의 불편 없이 십 초 이내에 감지하고, 별도의 히터 없이 저전력으로 즉시 동작하며, 타 가스 센서와의 집적화 및 소형화가 가능하다. 이는 음주운전 방지 시스템의 구축을 위한 중요한 기술적 진보를 달성하여 개인의 안전뿐만 아니라 사회적 비용 절감에도 크게 기여할 것으로 예상된다.

그림 설명

(그림1) 금속유기구조체(MOF)에 직접 레이저 조사를 통해 얻어진 금속산화물/탄소 합성물 기반 에탄올 센서 제작의 모식도

금속유기구조체 박막은 금속 이온과 유기 리간드의 층별증착공정을 통해 준비된다. 이후 532 nm 연속파 레이저의 직접 조사를 거치면 유기 리간드의 하소가 일어나며, 표면 기능성 탄소와 금속산화물이 결합된 생성물을 얻을 수 있다.

(그림2) 고성능 에탄올 센서로의 활용

가) 상온에서 다양한 농도(170-3,400 ppm)의 에탄올 가스에 대한 즉각적인 반응-회복 곡선. 나) 레이저 공정을 활용하여 프로그래밍 가능한 마이크로 패턴 (비행시간형 이차이온질량분석 이미지). 다) 타 휘발성 유기화합물 및 교란 가스에 대한 에탄올 선택성. 라) 극한환경에서의 응용을 위한 열적 안정성 시험. 마) 농도에 따른 저항변화의 선형성

그림설명 및 그림제공: DGIST 권혁준 교수, DGIST 임형태 석박사통합과정

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