김종현 교수팀 '어드밴스트 펑셔날 머터리얼즈' 저널 게재
유기 반도체 소재의 전기적·광학적 가스 감지 성능을 획기적으로 개선할 수 있어 차세대 고감도 유해가스 센서로 활용할 수 있을 전망이다.
30일 김종현·권오필 아주대 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과)는 울산과학기술원 에너지화학공학과 연구팀과 함께 유기 반도체 기반의 고성능 암모니아 검출 가스센서 개발에 성공했다.
관련 연구는 ‘안정성 라디칼 음이온 발생 메카니즘을 이용한 라일렌 유기반도체 기반의 고감도 암모니아 가스센서 개발 (Strategic Approach for Enhancing Sensitivity of Ammonia Gas Detection: Molecular Design Rule and Morphology Optimization for Stable Radical Anion Formation of Rylene Diimide Semiconductors)’이라는 제목으로 소재 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 펑셔날 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)' 7월 27일자 온라인판에 게재되었다.
이번 연구에는 아주대학교 김종현·권오필 교수와 UNIST 곽상규 교수가 교신저자로, 아주대 대학원 분자과학기술학과의 오병민·박성하 학생이 제1저자로 함께 했다.
암모니아(NH3) 가스는 휘발성 유기화합물의 한 종류로서 특정 농도 이상을 장시간 흡입할 경우 두통, 구토, 기침 및 호흡곤란 증상을 일으키는 등 인체 위험성이 매우 높은 유해물이다. 이에 암모니아 가스 검출을 위한 다양한 연구들이 진행되어왔다.
그 중에서도 반도체 소재의 저항변화를 통한 정밀 검출기술 개발이 활발히 이루어져 왔다.
그러나 기존에 사용하던 무기 반도체 소재는 센서 제작을 위한 소자 제작과정이 복잡하고 비용이 많이 소요된다는 문제가, 유기 반도체 소재는 검출력과 검출선택성에서 한계가 지적돼 왔다.
연구팀은 암모니아 가스와 선택적으로 ‘안정성 라디칼 음이온’을 형성할 수 있는 특성의 라일렌(rylene) 기반 유기 반도체 소재에 주목했다.
라일렌 구조의 유기 반도체 소재가 암모니아 가스에 노출될 경우, 분자간 전하이동 반응을 통해 안정성 라디칼 음이온이 형성되는 현상과 함께 전류값 증폭 및 광흡수 변화가 나타남을 발견한 것이다.
연구팀은 이를 이용해 암모니아 가스를 200ppb(10억분의 1을 나타내는 단위) 수준의 극미량까지 감지하며 동시에 암모니아 가스로부터 1700%의 전류 증폭 성능을 보이는 고성능의 가스센서 개발에 성공했다.
또 연구팀은 암모니아 가스 분자와 라일렌 유기 반도체 분자 간에 발생하는 효율적인 전하이동반응 원리를 양자 계산으로 증명하여 센서의 원리와 소재 설계 원리도 함께 제안했다.
공동 연구팀은 “이번 연구에서 제안한 유기 반도체 소재는 합성 공정이 매우 간단하고 극미량의 암모니아 가스로도 라디칼 음이온 형성반응을 통해 증폭된 전류신호를 얻을 수 있다”며 “이를 통해 기존 가스 센서에서 지적되어 온 높은 제작비용 및 검출력 한계와 관련된 문제점들을 해결할 수 있었다”고 밝혔다.
이어, “개발된 소재를 이용하면 가격경쟁력을 갖춘 고감도의 암모니아 가스센서 개발이 가능할 것”이라고 전망했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단의 대학중점연구소 지원사업(분자과학기술연구센터), 기초연구사업(중견연구자지원사업), 국제화기반조성사업 및 선도연구센터(결정기능화 공정기술 센터)의 지원을 받아 수행됐다.
jjang@fnnews.com 장충식 기자
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