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학과소식

권순철-조제웅 공동 연구팀, 용액 공정 기반 하이브리드 초고감도 NO₂ 가스 센서 개발

등록일 2025-04-07 작성자 관리자 조회 94

동국대 권순철, 조제웅 공동 연구팀, 용액 공정 기반 하이브리드 초고감도 NO₂ 가스 센서 개발

- PhNa-1T 기반 고체 전해질(SILs)과 2차원 맥신(Ti3C2Tx) 융합… 소재 최적화
- SILs 도핑과 맥신의 효율로 낮은 바이어스 및 상온에서 가스 센싱 능력 확보
- 관련 기술 분야 최상위 국제 학술지 ‘Chemical Engineering Journal’ 최신호 게재

조제웅 교수, 권순철 교수 연구팀

▲ (왼쪽부터) 조제웅 동국대 교수(교신저자), 권순철 동국대 교수(교신저자), Guanjie Wang 석사과정(제1저자), 심은수 석박사통합과정(제1저자)

동국대학교 에너지신소재공학과 권순철, 조제웅 교수 연구팀(제1저자 Guanjie Wang 석사과정, 심은수 석박사통합과정)이 한국생산기술연구원 홍성우 박사 연구팀과의 공동연구를 통해, 초고감도 NO₂(이산화질소) 유기 가스 센서 핵심기술을 개발했다고 밝혔다.

생활 속 NO₂(이산화질소) 노출의 증가함에 따라 저전력 및 고효율 가스 센서의 수요가 증가하고 있지만, 기존 금속 산화물 기반의 저항형 NO₂ 가스 센서는 복잡한 제조 과정과 상온에서의 검출 한계 등의 문제가 있다. 유기물 기반의 센서는 기존 센서 대비 저전력, 저비용 및 높은 유연성 등 여러 장점을 가지고 있어 주목받고 있다. 다만, 단점으로 거론되는 무기물 대비 낮은 감응도를 극복하고 유기물의 물성을 극대화하는 연구의 필요성이 대두되고 있다.

연구팀은 가스 센서의 유기 활성층 소재로 고분자 전해질(Conjugated polyelectrolytes, CPEs) 소재인 PhNa-1T 및 고체 전해질(Solid-state ionic liquids, 이하 SILs), 이차원 물질인 맥신을 배합해 혁신적인 하이브리드 저항형 가스센서를 개발했다고 전했다. 연구팀에 따르면, 해당 센서는 NO₂ 가스 노출 시 [NO₂]⁻ 이온이 형성되고, PhNa-1T 백본 내의 폴라론(polaron) 상태가 증가해 전기 저항이 변화했으며, 고체 전해질에 의해 고분자층이 도핑되어 추가적인 전기화학 반응을 유발하는 구조로 우수한 센서 성능을 보였다.

이번에 개발된 유기센서는 상온에서 작동이 가능하며, 50ppm의 NO₂ 농도에서 80%의 높은 감응도(ΔR/R₀)와 낮은 검출 한계(~53ppb)를 보였다. 또한, 맥신을 포함한 복합소재 센서는 뛰어난 전하 이동 특성으로 1V 이하의 저전압 및 상온 조건에서 안정적으로 작동했으며, 10ppm NO₂ 농도에서 48%의 높은 감응도와 낮은 검출 한계(~53ppb)를 보여 기존 기술을 크게 상회하는 수치를 보였다. 플렉시블 기판에 제작된 가스센서는 1,000회 굽힘 테스트 후에도 80% 감응도를 유지하며 웨어러블 기기 적용 가능성을 입증했다.

권순철 교수는 “이번 연구를 통해 기존 유기고분자를 활성층으로 대체해 차세대 NO₂ 가스 검출기를 구현한 것에 의미가 있다”며 “개발된 복합소재를 활용한 시스템 최적화 및 다양한 가스 검출로의 확장을 계획 중이며, 이를 통해 차세대 박막형 또는 플렉서블 가스 센서 상용화에 한걸음 더 다가갈 수 있을 것”이라고 기대감을 나타냈다.

이번 연구결과는 한국연구재단한국산업통상자원부, 대한민국 과학기술정보통신부, 국가과학기술연구위원회 지원 등으로 수행되었으며, <Synergetic effect of electrochemical doping and long-range charge transport in solution-processed organic/inorganic hybrid chemiresistors for ultrasensitive NO2 detection> 라는 제목으로 관련 기술 분야 최상위 국제 학술지 「Chemical Engineering Journal (IF=13.4)」에 2025년 2월 12일 온라인 게재됐다.