분자도핑을 이용한 초고민감도 그래핀 가스센서 기술 개발

건국대 화학공학부 이위형 교수(교신저자)와 권빛누리 연구원(제1저자, 석사졸업생. 유기나노시스템공학과)이 그래핀 고유의 특성은 유지하면서 인체의 유해한 가스를 실시간 검출할 수 있는 '초고민감도 그래핀 가스센서 기술'을 개발했다고 7일 밝혔다(논문명: “Ultrasensitive N‑Channel Graphene Gas Sensors by Nondestructive Molecular Doping”). 관련 연구는 나노분야 대표권위지인 ACS Nano (IF = 15.881)에 2월3일 온라인 게재되었다.

IoT시대에 웨어러블 센서의 중요성이 높아지는 가운데, 실리콘과 같은 딱딱한 소재를 이용하지 않고 가볍고, 우수한 성능을 지닌 센서의 개발이 관심을 받고 있다. 특히 인체에 유해한 질소산화물 (NOx) 가스를 실시간 검출하는 센서의 개발이 필요하나 센서의 높은 구동온도, 낮은 민감도/선택성으로 인해서 제한을 받고 있다.

이에 연구팀은 카본 한 층의 전도성 소재로 알려진 그래핀을 이용해 ppq(1000조분의 1을 나타내는 단위. 10-15)이하의 농도에서도 반응을 하는 그래핀 가스센서를 제조했다.

연구팀은 그래핀의 이산화질소에 대한 감도 및 선택성을 향상시키기 위해 전자를 풍부하게 가지고 있는 아민 분자를 그래핀 위에 도핑했다. (그림a). 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 계산결과에 의해서 증명되었다. 특히 분자도핑 전에는 그래핀의 이산화질소에 대한 민감도가 ppb (10억분의 1을 나타내는 단위. 10-9)수준에 머물러 있었지만, 분자도핑 후에는 백만배 이상 향상된 동일재료 최고수준인 ppq (10-15)수준의 민감도를 보였다.

이위형 교수는 “이번 연구는 분자도핑을 통해 그래핀 고유의 투명성, 유연성을 유지하면서도 산화성가스에 대한 우수한 민감도 및 선택성을 확보할 수 있다는 패러다임을 제시했다”며 ”유연디스플레이, 헬스케어용 소자, 웨어러블 센서 등 다양한 IoT분야에 활용이 될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 논문의 제1저자인 권빛누리 연구원은 건국대 화학공학부, 유기나노시스템공학과(석사)를 졸업하고 현재 KIST연구원으로 근무하고 있다. 이번 연구는 과학기술 정보통신부 기초연구사업 (중견연구)과 산업통상자원부 ICT융합섬유제조과정 전문인력양성 사업 지원으로 수행되었다.