[글로벌대학팀 김선영 기자] 동국대학교 에너지신소재공학과 권순철 교수와 조제웅 교수 연구팀이 한국생산기술연구원 홍성우 박사 연구팀과의 공동연구를 통해 초고감도 NO2(이산화질소) 유기 가스 센서의 핵심기술을 개발했다고 13일 밝혔다. 연구팀은 이 기술이 저전력, 고효율 및 고감도 가스 센서 수요가 급증하는 현재, 중요한 역할을 할 것으로 기대하고 있다.

NO2 노출 증가에 따른 건강 위험성 우려 속에서, 기존 금속 산화물 기반의 저항형 NO2 가스 센서는 복잡한 제조 공정과 상온에서의 한계 등 문제점이 있었다. 이에 유기물 기반의 센서가 저전력, 저비용, 높은 유연성 등의 장점을 내세우며 주목받고 있다. 하지만 기존 유기 센서는 감응도가 낮아, 이를 극복하기 위한 연구가 필요했다.

연구팀은 유기 활성층 소재로 고분자 전해질(PhNa-1T)과 고체 전해질(SILs), 이차원 물질인 맥신을 배합하여 혁신적인 하이브리드 저항형 가스 센서를 개발했다. 해당 센서는 NO2 가스가 노출되면 NO2⁻ 이온이 형성되고, PhNa-1T 백본 내 폴라론 상태가 증가하면서 전기 저항이 변화한다. 이로 인해 고체 전해질이 고분자층을 도핑해 추가적인 전기화학 반응을 유도하며, 센서 성능이 크게 향상됐다.

이번에 개발된 유기 센서는 상온에서 작동 가능하며, 50ppm의 NO2 농도에서 80%의 높은 감응도(ΔR/R₀)와 낮은 검출 한계(~53ppb)를 보였다. 맥신을 포함한 복합소재 센서는 1V 이하의 저전압에서 안정적으로 작동하고, 10ppm NO2 농도에서 48%의 높은 감응도를 나타내 기존 기술을 크게 능가하는 성과를 거두었다. 또한, 플렉시블 기판에 제작된 센서는 1,000회 굽힘 테스트 후에도 80%의 감응도를 유지하며, 웨어러블 기기 적용 가능성을 입증했다.

권순철 교수는 "이번 연구를 통해 유기 고분자를 활성층으로 활용하여 차세대 NO2 가스 검출기를 구현한 것이 의미 있다"며 "개발된 복합소재를 활용한 시스템 최적화와 다양한 가스 검출로의 확장을 계획하고 있으며, 이를 통해 차세대 박막형 및 플렉서블 가스 센서 상용화에 한걸음 더 다가갈 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이 연구는 한국연구재단, 한국산업통상자원부, 과학기술정보통신부, 국가과학기술연구위원회 등의 지원을 받아 진행됐으며, 관련 기술은 국제 학술지 「Chemical Engineering Journal (IF=13.4)」에 2025년 2월 12일 온라인 게재됐다.

김선영 기자 글로벌대학팀 news@beyondpost.co.kr