DGIST 권혁준 교수, '사람의 폐'센서… 미세먼지'이산화질소' 실시간 관측

DGIST 전기전자컴퓨터공학과 권혁준 교수(위), 임형태 석박사통합과정생이 사람의 폐를 본떠 십억 분의 일 수준의 초저농도 이산화질소를 실시간으로 모니터링할 수 있는 ‘그래핀-금속유기구조체 하이브리드 가스 센서’를 개발했다. (사진=디지스터)

DGIST 전기전자컴퓨터공학과 권혁준 교수팀은 사람의 폐를 본떠 십억 분의 일 수준의 초저농도 이산화질소를 실시간으로 모니터링할 수 있는 ‘그래핀-금속유기구조체 하이브리드 가스 센서’를 개발했다고 13일 밝혔다.
 
고성능 센서로 간단한 공정 과정, 에너지 효율 및 유연성까지 갖추어 헬스케어 기기에 적용이 기대된다. 이번 연구는 임형태 석박사통합과정생이 제1저자로, 권혁준 교수가 교신저자로 참여했다.
 

본 연구 성과는 세계적 학술지인 Nature Communications에 5월 30일 온라인 게재됐다. 더불어, 본 연구는 과학기술정보통신부의 휴먼플러스융합연구개발사업 및 국가핵심소재연구단, 그리고 교육부 대학중점연구소지원사업의 후각융합연구센터의 지원을 받아 수행됐다.
 
미세먼지를 유발하는 주범 중 하나인 이산화질소는 심혈관계 질환 및 퇴행성 뇌질환을 유발하는 치명적인 물질이다. 이산화질소를 관리하기 위해서는 이를 모니터링 할 수 있는 센서의 개발이 중요하다. 낮은 농도도 측정이 가능한 ‘검출한계’가 얼마나 낮은지, 검출 속도가 얼마나 빠른지 등이 이산화질소 센서의 성능을 결정한다.

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기존의 이산화질소 모니터링 방식은 화학 발광식 측정소에서 주로 수행되는데, 부피가 크고 비용이 많이 들뿐더러 공간적 측정범위가 한정적이기 때문에 개인화된 대기오염 정보를 제공할 수 없다. 대안책으로 반도체식 센서가 있지만, 이 센서 역시 검출한계 기준을 충족하지 못할 뿐만 아니라 높은 작동 온도를 요구해 상용화에는 한계가 있다.
 
이를 해결하고자 권 교수팀은 레이저유도그래핀(laser-induced graphene, LIG)의 하부구조에 1g만으로도 축구장만큼의 표면적을 가질 만큼 극도로 높은 나노-다공성을 갖는 금속유기구조체(metal-organic framework, MOF)를 선택적으로 성장시킨 하이브리드 구조를 제작해 실시간으로 초저농도 이산화질소 모니터링이 가능한 센서를 개발했다.
 
특히, 권 교수 연구팀이 개발한 센서는 사람의 폐에서 착안한 계층적 기공 구조를 가지고 있다. 이 때문에 표면적뿐만 아니라 빠른 기체 교환에서도 탁월한 강점이 있다. 그 결과, 기존의 이산화질소 센서와 비교했을 때 가장 낮은 수준의 검출 한계(0.168 ppb)와 가장 빠른 반응 시간(15초) 확보에 성공했다.
 
또한, 본 연구를 통해 개발된 하이브리드 센서는 레이저 공정을 이용했기 때문에 진공 장비와 같은 복잡한 기반시설 없이도 간편하게 전극을 형성할 수 있으며, 기존에 부재하던 금속유기구조체의 패터닝의 어려움을 동시에 해결했다.
 
나아가, 최대 1만 번 이상을 구부려도 가스 센서의 성능을 유지할 수 있는 유연한 구조를 구현했기 때문에 고성능 웨어러블 헬스케어 기기에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
 
DGIST 전기전가컴퓨터공학과 권혁준 교수는 “최근 급격한 도시화로 인한 대기오염으로부터 사람들을 보호할 수 있는 센서를 사람의 폐에서 착안해 제작했다”며 “향후 웨어러블 기기 등에 적용해 개인별로 맞춤화된 건강 관리 정보를 제공할 수 있었으면 한다”고 말했다.