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고려대학교 세종캠퍼스 박진성 교수 공동연구팀, 종이로 만든 부착용 차량 이산화질소 검출 센서 개발

[사진설명] (왼쪽부터) 고려대학교 세종캠퍼스 전자·기계융합공학과 박진성 교수, 한국교통대학교 전자·전기공학부 전기공학전공 이원석 교수, 고려대학교 세종캠퍼스 전자·기계융합공학과 김웅 박사, 박현준 박사과정

고려대학교 세종캠퍼스 박진성 교수(전자·기계융합공학과), 한국교통대학교 이원석 교수(전기공학전공) 공동연구팀은 환원된 그래핀 옥사이드/키토산 복합체를 종이 위에 코팅하고 이를 손쉽게 부착할 수 있게 하여 이산화질소를 검출하는 센서를 국내 최초 개발하였다.

이번 연구 결과는 재료공학 분야 상위 학술지인 Journal of Materials science & Technology (Impact factor: 6.155. 분야별 상위 5%)에 6월 16일 게재가 확정되었다. (논문명: Flexible and disposable paper-based gas sensor using reduced graphene oxide/chitosan composite)

■ 환원된 그래핀 옥사이드(Reduced Graphene Oxide, rGO): 탄소 원자들이 육각 구조의 모양으로 서로 연결되어 2차원 평면 구조를 가지는 그래핀을 환원제를 이용해 환원시킨 응용 물질. 물리적으로 높은 강도와 전도를 가져 다양한 연구에 응용되고 있다. 특히 이산화질소와 특이적으로 반응을 하고, 이때 전기 전도도가 증가하는 특성이 있다.

공동연구팀은 최근 차량 이산화질소 배출가스로 의한 대기오염의 심각성이 학계에 꾸준히 보고되고 있다는 점과 종이 기반의 센서가 경제성과 범용성 측면에서 매우 우수하다는 점에 주목하여 차량 이산화질소를 민감하고 손쉽게 검출 가능한 종이 기반 센서 개발 연구를 진행하였다.

그림 1. 환원된 그래핀 옥사이드/키토산 복합체를 이용한 종이 기반 이산화질소 검출 메커니즘 모식도 및 차량 배기가스 이산화질소 검출 모식도

공동연구팀은 키토산이 특정 조건에서 겔화되는 특성을 이용해 환원된 그래핀 옥사이드 용액과 키토산 파우더를 혼합하여 환원된 그래핀 옥사이드/키토산 복합체를 합성하였다. 이후, 조건별로 겔화 정도를 최적화하여 종이 위에 코팅할 수 있는 종이 기반 센서를 제작하였다.

환원된 그래핀 옥사이드/키토산 복합체는 그 물리적인 특성으로 인해 사용자가 원하는 모양에 따라 제작될 수 있는 특징을 지니고 있다. 쉽게 구부러지는 특징 덕분에 모든 장소에 부착하여 이산화질소 검출이 가능하다는 점은 연구팀이 개발한 센서의 우수한 범용성을 의미한다.

개발된 센서는 다양한 가스들을 노출 시켜도 이산화질소만을 선택적으로 검출해낼 수 있었으며 1 ppM의 민감한 농도에서도 검출할 수 있었다. 또한, 실제 차량 배기구에 부착하여 배기가스 내 이산화질소 검출에도 성공하여 향후 차량을 비롯한 다양한 환경에서의 센서 응용 가능성을 확인하였다.

연구책임자 박진성 교수는 “이번 연구를 통해 이산화질소뿐만 아니라 종이를 활용한 대기오염 진단을 할 수 있는 원천기술을 발견해냈다.”라며 “향후 다양한 환경에서 검출 키트로 응용될 수 있는 중요한 연구 결과다.”라고 설명했다.

이번 연구 성과와 관련하여 실험을 진행한 박현준 박사과정 연구원은 “이번 연구를 기반으로 이산화질소뿐만 아니라 대기 및 수계 상에서 인체에 해가 되는 독성 물질들을 더욱 민감하게 검출할 수 있는 멀티 센싱 플랫폼을 구축할 수 있도록 연구에 정진할 계획이다.”라고 당찬 포부를 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단(전략과제, 바이오·의료기술개발사업)과 한국환경산업기술원의 환경기술개발사업 및 범부처전주기의료기기연구개발사업단의 지원으로 수행되었다.