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신속한 음주진단 가능한 고성능 에탄올 센서 개발

박한수 | 기사입력 2024/02/29 [20:23]

신속한 음주진단 가능한 고성능 에탄올 센서 개발

박한수 | 입력 : 2024/02/29 [20:23]

- 다공성 금속유기구조체 레이저 가공…고민감도 하이브리드 센서 -

 

국내 연구팀이 자동차 안전 및 환경과 식품 모니터링 등 다양한 산업 분야에서 활용되는 고성능 에탄올 센서의 효율과 안정성을 높이는 새로운 방법을 제시하였다. 

 

한국연구재단(이사장 이광복)은 대구경북과학기술원 권혁준 교수 연구팀(제1저자 임형태 석박사통합과정)이 금속유기구조체에 레이저 공정을 적용해 상온에서 다양한 농도의 에탄올을 즉각적으로 감지할 수 있는 에탄올 센서를 개발했다고 밝혔다.

금속유기구조체은 금속 이온과 유기 리간드의 규칙적인 배열을 통해 이루어지는 결정질 물질이며, 넓은 표면적 및 화학적 기능성으로 인해 최근 센서 연구에서 활발히 사용되고 있다.

 

에탄올 센서는 차량의 시동 잠금장치를 비롯해 의료, 화공, 식품 등 산업 전반에서 사용된다. 하지만 고성능 에탄올 센서는 일반적으로 250도(℃) 이상 높은 온도에서 작동하여 측정 준비에 시간이 소요되고, 전력 소모에 큰 한계가 있었다.

 

이에 따라 고감도, 고신뢰성, 저전력, 신속한 반응/회복 속도 및 일관된 제조 공정을 갖춘 에탄올 센서 개발의 필요성이 대두되었다.

 

이에 연구팀은 금속유기구조체에서 유래한 다공성 금속산화물/탄소 소재를 개발하고 최대 3,500%의 반응성을 보이는 고성능 에탄올 센서를 개발하였다.

 

연구팀은 금속과 유기물이 규칙적으로 배열되어 있는 금속유기구조체에 미세 레이저 광열 공정을 수행하여 금속산화물/탄소 하이브리드 구조의 고성능 에탄올 센서 제작에 성공하였다.   

 

레이저 공정으로 제작한 에탄올 센서는 기존 기능성 물질 제작 시 걸림돌로 작용했던 불균일성 및 패터닝의 한계를 효과적으로 해결하였다. 

 

새로운 에탄올 센서는 상온에서 최대 3,400ppm의 고농도부터 수 ppm의 저농도까지 감지가 가능하다. 또한 선택성 및 열안정성을 확보하여 산업 현장의 에탄올 누출 알람 및 날숨을 통한 신속한 음주 진단 등 다양한 분야에서 즉각적인 모니터링이 가능하다. 

 

또한 차세대 가스 센서 물질로 주목받는 금속유기구조체 파생물의 소형화 및 패터닝에도 성공하여 향후 전자코(E-nose) 등 첨단 IoT 진단 및 데이터 분야에서 활발히 응용될 것으로 기대된다.

 

권혁준 교수는 “연구결과가 차세대 IoT 플랫폼 적용을 위해서는 에탄올 센서 단독 사용에서 나아가 유해가스 센서 혹은 압력 센서와 같은 물리 센서와의 통합이 필수적”이라며, “후속 연구를 통해 여러 다기능성 센서와 통합해 안전 및 질병관리 시스템 구축의 기반을 제공할 계획이다”라고 밝혔다. 

 

과학기술정보통신부 및 교육부와 한국연구재단의 개인기초연구사업과 대학중점연구소지원사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 재료과학, 나노기술 분야 국제학술지 ‘나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)’에 2월 9일 게재되었다. 

 

(그림1) 금속유기구조체(MOF)에 직접 레이저 조사를 통해 얻어진 금속산화물/탄소 합성물 기반 에탄올 센서 제작의 모식도 

금속유기구조체 박막은 금속 이온과 유기 리간드의 층별증착공정을 통해 준비된다. 이후 532 nm 연속파 레이저의 직접 조사를 거치면 유기 리간드의 하소가 일어나며, 표면 기능성 탄소와 금속산화물이 결합된 생성물을 얻을 수 있다.

 

(그림2) 고성능 에탄올 센서로의 활용                         

가) 상온에서 다양한 농도(170-3,400 ppm)의 에탄올 가스에 대한 즉각적인 반응-회복 곡선. 나) 레이저 공정을 활용하여 프로그래밍 가능한 마이크로 패턴 (비행시간형 이차이온질량분석 이미지). 다) 타 휘발성 유기화합물 및 교란 가스에 대한 에탄올 선택성. 라) 극한환경에서의 응용을 위한 열적 안정성 시험. 마) 농도에 따른 저항변화의 선형성

[그림설명 및 그림제공: DGIST 권혁준 교수, DGIST 임형태 석박사통합과정] 

 

 

 
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