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 개질화방법을 통해, 이산화질소(NO2) 가스의고민감, 고선택 탐지가 가능한 전기화학 센서를 개발했다고 18일 밝혔다.
이번 연구에서 개발된 소재는 십억분의 일(ppb) 미만 수준의 극미량가스를 감지할 수 있을 정도로 높은 민감도를 갖췄으며, 여러 분자가 포함된 혼합 가스에서도 이산화질소만선택적으로 감지할 수 있는 특징을 보여 향후 산업, 의료 진단 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
주요 대기 오염 물질 중 하나인 이산화질소는 승용차 배기가스, 발전소연소 등이 주요 원인으로 꼽힌다. 이 물질은 공기 중에 배출되는 먼지와 함께 호흡기에 해로울 수 있는매우 강력한 산화 가스로, 100ppm 정도의 농도만으로도 인체에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 그뿐만 아니라, 대기 중 오존 생성의 전구물질로 작용해 스모그의주요 구성 요소가 될 수 있다. 이산화질소가 환경 및 건강에 미치는 영향을 최소화하기 위해, 최근이산화질소 농도를 측정하는 센서와 모니터링 시스템이 활발히 사용되고 있다. 그러나 기존의 가스 감지소재는 낮은 가스 감지 선택성과 높은 검출 한계(Detection Limit)로 인해 정확한 감지와분석에 많은 어려움이 있었다.
이를 보완해 공동 연구팀이 개발한 가스 감지 소재는 2~3 nm 수준산화물층(ZnO)으로 둘러싸인 코어쉘(Core-shell) 구조의금속 유기 구조체(ZIF-8)로, 전기가 흐르지 않는 유기구조체 소재에 전도도를 부여해 반도체성 전자 소자로 활용할 수 있다. ZIF-8은 아연과 우기 리간드를결합해 만든 다공성 물질로, 최대 0.4 ㎚ 크기의 기공으로가스를 분리·흡착·감지할 수 있다. 또한 금속 유기 구조체의 가스 흡착 특성과 나노 스케일 산화물층의 가스 감지 특성이 시너지 효과를 발휘해 금속산화물 센서의 작동 온도를 수백 도(℃)에서 150℃로 낮췄을뿐만 아니라, 130 ppm−1 수준의 높은 민감도를 가져 약 0.63ppb 수준의 탁월한 검출 한계를보였다.
특히 이 센서 소재는 수분이 있는 환경에서 민감도가 두 배 이상 증가했고, 유기리간드의 화학적 특성으로 이산화질소에 높은 반응 선택성을 보였다. 이는 복잡한 가스 필터 과정이 없어도다양한 대기 환경 및 습도에서 안정적으로 이산화질소를 감지할 수 있음을 시사한다. 이처럼, 대면적 금속 유기 구조체 필름 제조와 마이크로 공정 기반의 센서 제작 방식은 센서의 수율을 극대화할 수 있어센서의 생산 단가도 절감할 수 있을 것으로 기대된다.
이우영 교수는 “최근 호기 가스 내 질병바이오마커 분자를 감지하는 기술에 대한 관심이 급증하고 있다.”며, “이산화질소의고민감 선택 탐지 기술은 산화질소가 바이오마커인 천식, 만성 폐 질환 및 특정 유형의 암과 같은 특정염증성 질환의 조기 진단에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.”고 전했다.
본 연구는 산업통상자원부 초임계재료산업기술센터및 키우리(KIURI) 사업, 교육부 기초과학연구사업과 과학기술정보통신부개인기초연구 및 나노소재기술개발 사업으로부터 지원받았으며, 이우영 교수 연구팀의 민혜기 박사(공동 제1저자), 권오찬박사(공동 제1저자)가수행했다. 연구 결과는 세계적인 재료과학 분야 권위지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 12월 2일 온라인 게재됐다.
출처
조선비즈/ 송복규 기자
‘유독가스’ 이산화질소만 빠르게 잡아내는 전기화학 센서 나왔다 - 조선비즈 (chosun.com)
매일경제/ 강민호 기자
이산화질소 누출 십억분의 1도 막는다 - 매일경제 (mk.co.kr)
연세공감/ 연세대학교 홍보팀
연세공감 주요행사 - 연세대학교 (yonsei.ac.kr)
논문정보
●논문제목:N-Carbon-DopedBinary Nanophase of Metal Oxide/Metal–Organic Frameworkfor Extremely Sensitive and Selective Gas Response
●논문주소: https://doi.org/10.1002/adma.202309041
