국내 연구진이 세계 최초로 가스센서와 히터를 하나의 그래핀 소자에 적용, 투명하고 휘어지는 특성을 강화함으로써, 향후 웨어러블 디스플레이에 적용 가능성을 더욱 높였다.

ETRI(한국전자통신연구원, 원장 김흥남)는 21일, 그래핀을 이용, 미세한 가스를 측정하면서도 투명하며 휠 수 있는 고성능 가스센서-히터 융합소자 제작에 성공, 나노분야의 저명한 국제 학술지『스몰(Small)』지 온라인에 지난 17일 등재되었고 뒷면표지 커버에 선정되었다고 밝혔다.

연필심의 재료인 흑연의 한개 층을 말하는 ‘그래핀’은 탄소원자들이 벌집모양으로 배열된 얇은 막 형태의 나노소재로 두께가 0.3nm(나노)크기로 우수한 전도성, 높은 투과도 그리고 우수한 유연성 등 다양한 특성을 가지고 있다.

ETRI가 개발에 성공한 가스센서는 이러한 그래핀으로 구현함으로써, 기존에 사용되어온 실리콘 등과 같은 반도체 박막 소재와는 다르게, 투명성과 유연성을 유지할 수 있는 장점을 가지고 있다.

이를 활용, 연구진은 가스센서로 투명성과 유연함이 요구되는 창문이나 자동차의 앞 유리창, 유해 실험실에서 사용하는 실험용 보안경 등에 가스센서를 적용할 수 있게 되었다고 설명했다.

가스센서는 측정하고자 하는 가스분자가 그래핀 표면에 흡착했을 때, 센서의 저항 변화로부터 가스의 유무를 측정할 수 있다. 이후 가스센서의 재활용을 위해서는 센서 표면에 붙어있는 가스 분자들을 떼어내는 이른바 ‘초기화’가 필요하다.

이를 위해 기존에는 별도의 금속성 히터를 외부에 장착하여 가스 분자들을 떼어냈으나, 금속성 히터는 소재 특성상 불투명하고 휘어지지가 않으며, 부피가 커서 유연한 투명 센서 적용에 한계를 보여 왔다.

이에 비해 ETRI 연구진은 그래핀 가스센서 뿐만이 아닌 그래핀 히터까지 한 곳에 접목, 센서 초기화과정 동안에도 투명하며 휠 수 있는 장점을 유지시킬 수 있다고 전했다.

ETRI 그래핀소자창의연구센터 최춘기 센터장은 “본 연구의 성공으로 그래핀을 이용한 투명하며 유연한 고성능 가스 분자 센서의 상용화 가능성을 한 발 더 앞당긴 쾌거”라고 말했다.

아울러 연구진은 개발한 기술의 측정 성능 최적화를 위한 그래핀이 단일 원자층이면서 그 원자구조에 결함이 없는 그래핀임을 실험적으로 확인 하였다고 밝혔다.

연구진은 이렇게 최적화된 2cm x 2cm 크기의 그래핀 센서-히터 소자의 분자측정 및 초기화 전 과정이 수초 내에 이뤄지는 등 센싱 성능의 우수성도 확인했다고 설명했다.

연구를 주도한 그래핀소자창의연구센터의 유영준 박사는 “최근 각광받고 있는 스마트 윈도우에 접목될 다양한 기능 중 고성능 가스 분자 센서 기능을 원하는 위치와 크기 그리고 디자인으로 적용 할 수 있는 나노 융합 기술이다”라고 말했다.

이번 논문의 제1저자는 ETRI 최홍규, 최진식 박사이며, 유영준 박사, 최춘기 센터장은 교신저자이다. 아울러 논문에는 미국 컬럼비아대학교 김필립 교수(현 미국 하버드대학교), KAIST 최성율 교수, 목원대 김기출 교수 등이 연구에 참여하였다.

본 과제는 미래창조과학부 정부출연금사업인 “ETRI 창의연구실사업” 지원으로 개발되었으며, ETRI 미주기술확산센터를 통해 해외 마케팅을 추진하고 있다.

ETRI는 이번 연구결과를 향후 선택형 가스 분자 센서로 확장하면서 센서 관련업체, 자동차 제조사, 환경관련 업체 등에 기술이전 한다는 계획이다. ETRI는 본 사업을 통해 SCI논문 20여편, 특허도 국내•외 30여건을 출원했다고 밝혔다.