[대전투데이 대전= 이정복 기자] 대전대학교 (총장 이종서) 신소재공학과 박희정<사진> 교수와 한국과학기술원(총장 신성철) 신소재공학과 김일두 교수 연구팀은 극미량의 이산화질소 (NO2) 가스를 현장에서 실시간으로 분석할 수 있는 고감도 웨어러블 (Wearable) 화학센서를 개발했다.

연구결과는 신소재 응용분야 세계적 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스 (Advanced Functional Materials (IF 11.382)' 4월 5일자 표지논문으로 게재됐다.

연구팀은 화학적 박리법을 통해 층상구조를 갖는 2차원 루테늄산화물 (RuO2)을 1 나노미터 (nm) 두께의 초박막 시트 (nanosheet)로 합성하는데 성공하였다. 그래핀 (graphene)과 유사한 2차원 구조를 가지는 루테늄산화물 나노시트는 넓은 비표면적을 가지기 때문에 유해 가스분자와 반응할 수 있는 면적이 넓어 고감도 화학센서 소재로 활용될 수 있다. 특히 루테늄산화물 나노시트 소재는 2차원 구조의 우수한 유연성으로 인해 웨어러블 화학센서 소재로 응용하기에 적합하다.

종래에 루테늄산화물 나노시트는 에너지 저장 및 변환 소재로 주로 응용되어 왔으나, 웨어러블 화학센서 소재로 개발된 것은 이번이 처음이다. 대부분의 산화물 나노시트 소재들은 상온에서 가스에 대한 반응 특성이 뚜렷하게 관찰되지 않기 때문에 가스 감지 소재로 활용하는데 많은 제약이 있었다. 연구팀은 유연 플라스픽 센서 기판에 손상을 주지 않으면서, 루테늄산화물 나노시트의 이산화질소 반응을 높이기 위해 은 (Ag) 나노선으로 이루어진 발열체를 센서 기판에 적용하였다. 연구팀은 유연 투명 폴리이미드 센서 기판의 온도를 80 도로 유지하였을 때, 5 ppm (part-per-million)의 이산화질소 가스에 대하여 상온 구동 보다 월등히 향상된 감지특성이 관찰되었다고 밝혔다.

이산화질소 가스는 자극성 냄새가 나는 유해한 기체로 주로 공장 굴뚝이나 자동차 배기에서 배출된다. 이산화질소 가스에 장기적으로 노출되면 피부 및 눈에 악영향을 미치며, 흡입할 시 호흡기에 치명적일 수 있다.

개발된 센서는 유연하게 휘어지는 특성을 나타내어 옷에 부착 가능한 스마트 웨어러블 센서로 개발되었다. 루테늄산화물 소재가 적용된 웨어러블 센서는 저온 구동에서도 빠른 응답 특성이 관찰되어 사용자에게 실시간으로 위험성을 알리는 유해환경 모니터링 센서로 활용될 수 있다.

2차원 층상구조를 갖는 그래핀은 발견된지 6년만에 꿈의 신소재로 불리며 2010년 노벨물리학상이 수여되었다. 이처럼 새로운 2차원 층상구조 소재의 발견은 소재분야뿐만 아니라 물리, 화학 및 바이오분야까지 그 파급효과가 광범위하다고 할 수 있다.

박희정 교수는 “2차원 층상구조의 높은 유연성과 독특한 전도성질 때문에 루테늄산화물 소재는 화학센서 분야를 포함하여 웨어러블 디스플레이 분야, 나노 에너지 분야 및 기능성 나노소재 분야의 산업소재로 확장 가능할 것”이라고 기대했다.

에너지기술 평가원 (KETEP)의 지원 및 미래창조과학부 선도연구센터인 웨어러블 플랫폼소재 기술센터의 지원을 받은 이번 연구에는 한국과학기술원 김일두 교수 연구팀의 최선진 박사가 제 1 저자로 참여하였으며, 관련 특허도 출원되었다.