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생기원, 세계 최초‘유기골격 구조체 기반 반도체 센서기술’개발

-「Journal of Materials Chemistry A」10월 표지논문 게재

- 습도 의존성 문제 완벽 해결로 반도체식 가스센서 상용화 길 열려

□ 한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원)이 세계 최초로 ‘유기골격 구조체 기반 반도체 센서기술’을 개발했다고 밝혔다.

ㅇ 기존 가스센서 상용화에 가장 큰 걸림돌이었던 습도 의존성 문제를 완벽히 해결한 이 기술은, 재료화학분야 최고 권위지 중의 하나인 ‘Journal of Materials Chemistry A’에 10월 표지 논문으로 게재됐다. (Impact Factor=11.3)

□ 미세먼지, 유해가스 등 공기 질에 대한 국민의 우려가 높아지는 가운데, 정확한 이산화질소(NO2) 관측 모니터링 시스템 개발이 요구되면서 가스센서 연구가 주목받고 있다.

ㅇ 다양한 가스센서 중에서도 반도체식 가스센서는 크기가 작고, 작동 원리가 간단하며, 제조가 단순해 제작단가가 낮다는 장점이 있다.

ㅇ 다만 동작 원리상 여러 가스가 혼합돼 있는 경우 감지 신뢰성이 낮아지고, 센서 자체의 화학적 내구성이 불안정하다는 단점이 지적돼 왔다.

ㅇ 게다가 습도 의존성이 높아 센서 외에 별도의 습도 제거장치가 꼭 필요하다는 한계 때문에 상용화에 난항을 겪었다.

□ 생기원 기능성소재부품연구그룹 정영규 박사팀은 3차원 유기 골격구조 물질(COF, Covalent Organic Framework)을 얇은 시트 형태인 2차원의 공유결합 유기 나노시트(CON, Covalent Organic Nanosheet)로 합성하는데 성공했다.

ㅇ 아울러 부도체(전기나 열을 전달받지 못하는 물체)인 3차원 COF 물질이 2차원 시트 형태로 합성되면 전기가 통하는 반도체 특성을 갖게 되는 것을 세계 최초로 밝혀냈다.

ㅇ 이 물질의 표면은 물 분자를 밀어낼 수 있는 초소수성 특성을 띄게 되는데, 이 특성을 기반으로 반도체식 가스센서 상용화에 가장 큰 걸림돌이었던 습도 의존성 문제를 완벽히 해결했다.

ㅇ 또한 물질의 구조가 순수하게 공유결합만으로 이루어져 있어 기존 유기물 기반 가스센서에 비해 화학적 안정성이 매우 뛰어나다.

ㅇ 이와 함께 미세먼지 전구체 물질인 NO₂를 다른 가스의 간섭 없이 초저농도인 20ppb(1ppb=1/1000ppm)까지 감지할 수 있는 센서기술을 개발함으로써 반도체식 가스센서 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

□ 생기원 정영규 박사는 “이번 연구는 미세먼지 뿐만 아니라 식품품질 관리 센서와 질병 진단 호기(豪氣)센서 개발의 새로운 돌파구가 될 것”이라며, “국민 생활 안전 증진에 큰 도움이 되기 바란다.”고 밝혔다.

ㅇ 한편 본 연구는 ‘국가과학기술연구회 BIG ISSUE 사업*’ 중 생기원의 ‘생활밀착형 센서를 위한 나노소재·공정 기술 개발사업’(연구 책임자: R&D전략기획단 최현석 박사)을 통해 도출된 결과로, 한국외국어대학 박진균 화학과 교수팀이 연구에 참여했다.

*BIG ISSUE 사업: 정부출연연구기관의 주요사업 중 국가 미래 성장을 위한 원천기술 창출기지 역할 강화를 위한 임무중심형 연구 장기과제 사업