건국대 화학공학부 이위형 교수(교신저자)와 권빛누리 연구원(제1 저자)이 그래핀 고유의 특성은 유지하면서 인체의 유해한 가스를 실시간 검출할 수 있는 ‘초고민감도 그래핀 가스 센서 기술’을 개발했다고 11일 밝혔다.

관련된 연구 논문(논문명: Ultrasensitive N Channel Graphene Gas Sensors by Nondestructive Molecular Doping)은 나노분야 대표 권위지인 ACS Nano (IF = 15.881)에 이달 초 온라인 게재됐다.

IoT 시대에 웨어러블 센서의 중요성이 높아지는 가운데, 실리콘 같은 딱딱한 소재를 쓰지 않으면서 가볍고 우수한 성능을 지닌 센서의 개발에 관심이 쏠리고 있다. 특히 인체에 유해한 질소산화물(NOx) 가스를 실시간 검출하는 센서의 개발이 필요하나 센서의 높은 구동 온도, 낮은 민감도·선택성으로 제한받고 있다.

이에 연구팀은 카본 한 층의 전도성 소재로 알려진 그래핀을 이용해 ppq (1000조분의 1을 나타내는 단위) 이하의 농도에서도 반응하는 그래핀 가스 센서를 제조했다.

연구팀은 그래핀의 이산화질소에 대한 감도 및 선택성을 향상하기 위해 전자를 풍부하게 가지고 있는 아민 분자를 그래핀 위에 도핑했다. 이런 방법을 통해서 전자가 풍부해진 그래핀은 전자가 부족한 이산화질소와 같은 산화성 가스의 흡착은 증가하나, 암모니아와 같은 환원성 가스에 대한 흡착은 줄어든다는 것을 확인했다.

이는 건국대학교 물리학과 이훈경 교수팀의 양자역학적 계산 결과에 따라서 증명됐다. 특히 분자 도핑 전에는 그래핀의 이산화질소에 대한 민감도가 ppb (10억분의 1을 나타내는 단위) 수준에 머물러 있었지만, 분자 도핑 후에는 100만 배 이상 향상된 동일 재료 최고 수준인 ppq 수준의 민감도를 보였다.

이위형 교수는 “이번 연구는 분자 도핑을 통해 그래핀 고유의 투명성과 유연성을 유지하면서도 산화성 가스에 대한 우수한 민감도 및 선택성을 확보할 수 있다는 패러다임을 제시했다”며 “유연 디스플레이, 헬스케어용 소자, 웨어러블 센서 등 다양한 IoT 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 논문의 제1 저자인 권빛누리 연구원은 건국대 화학공학부, 유기나노시스템공학과(석사)를 졸업하고 현재 KIST 연구원으로 근무하고 있다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 기초연구사업(중견 연구)과 산업통상자원부 ICT융합섬유제조과정 전문인력양성 사업 지원으로 수행됐다.