생기원, 세계 최초‘유기골격 구조체 기반 반도체 센서기술’개발

한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원)은 기능성소재부품연구그룹 정영규 박사팀이 세계 최초로 ‘유기골격 구조체 기반 반도체 센서기술’을 개발했다고 지난달 7일 밝혔다.
기존 가스센서 상용화에 가장 큰 걸림돌이었던 습도 의존성 문제를 완벽히 해결한 이 기술은, 재료화학분야 학술지 ‘Journal of Materials Chemistry A’에 10월 표지 논문으로 게재됐다.
미세먼지, 유해가스 등 공기 질에 대한 국민의 우려가 높아지는 가운데, 정확한 이산화질소(NO₂) 관측 모니터링 시스템 개발이 요구되면서 가스센서 연구가 주목받고 있다. 다양한 가스센서 중에서도 반도체식 가스센서는 크기가 작고, 작동 원리가 간단하며, 제조가 단순해 제작단가가 낮다는 장점이 있다. 다만 동작 원리상 여러 가스가 혼합돼 있는 경우 감지 신뢰성이 낮아지고, 센서 자체의 화학적 내구성이 불안정하다는 단점이 지적돼 왔다. 게다가 습도 의존성이 높아 센서 외에 별도의 습도 제거장치가 꼭 필요하다는 한계 때문에 상용화에 난항을 겪었다.
생기원 연구팀은 3차원 유기 골격구조 물질(COF, Covalent Organic Framework)을 얇은 시트 형태인 2차원의 공유결합 유기 나노시트(CON, Covalent Organic Nanosheet)로 합성하는데 성공했다. 아울러 부도체(전기나 열을 전달받지 못하는 물체)인 3차원 COF 물질이 2차원 시트 형태로 합성되면 전기가 통하는 반도체 특성을 갖게 되는 것을 세계 최초로 밝혀냈다.
이 물질의 표면은 물 분자를 밀어낼 수 있는 초소수성 특성을 띄게 되는데, 이 특성을 기반으로 반도체식 가스센서 상용화에 가장 큰 걸림돌이었던 습도 의존성 문제를 완벽히 해결했다. 또한 물질의 구조가 순수하게 공유결합만으로 이루어져 있어 기존 유기물 기반 가스센서에 비해 화학적 안정성이 매우 뛰어나다. 이와 함께 미세먼지 전구체 물질인 NO₂를 다른 가스의 간섭 없이 초저농도인 20ppb(1ppb=1/1000ppm)까지 감지할 수 있는 센서기술을 개발함으로써 반도체식 가스센서 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.
생기원 정영규 박사는 “이번 연구는 미세먼지 뿐만 아니라 식품품질 관리 센서와 질병 진단 호기(豪氣)센서 개발의 새로운 돌파구가 될 것”이라며, “국민 생활 안전 증진에 큰 도움이 되기 바란다.”고 밝혔다.
이번 연구는 ‘국가과학기술연구회 BIG ISSUE 사업’ 중 생기원의 ‘생활밀착형 센서를 위한 나노소재·공정 기술 개발사업’을 통해 도출된 결과로, 한국외국어대학 박진균 화학과 교수팀이 연구에 참여했다.