이우영, 김대우 교수 공동연구팀, 절연성 금속 유기구조체 개질화를 통한 고민감 NO2 선택탐지 전기화학 센서 개발

- 제올라이트형 금속 유기골격체(ZIF-8)의 표면 산화를 통해 세계 최고 수준 NO2 가스 탐지 성능 구현

[(사진설명) 왼쪽부터 이우영 교수, 김대우 교수, 민혜기 박사 (제 1저자), 권오찬 박사 (제 1저자)]

연세대학교(총장 서승환) 신소재공학과 이우영, 화공생명공학과 김대우 교수 공동연구팀이 절연성 금속 유기구조체(ZIF-8)을 표면 개질화하여, 이산화질소(NO2) 가스의 고민감, 고선택 탐지가 가능한 전기화학 센서를 개발하였다. 이 연구에서 개발된 소재는 part per billion(ppb) 미만 수준의 극미량 가스를 감지할 수 있을 정도로 높은 민감도를 갖추었으며, 여러 분자가 포함된 혼합가스에서도 이산화질소만 선택적으로 감지할 수 있는 특징을 보여 향후 산업, 의료 진단 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

이산화질소는 대기 중에서 발생하는 중요한 대기오염물질 중 하나로, 주로 자동차 및 산업에서의 연소과정에서 발생하며, 공기 중에 배출되는 먼지, 승용차 배기가스, 발전소에서의 연소 등이 주된 원인이다. 이산화질소는 매우 강력한 산화가스로 100 ppm 정도의 농도만으로도 호흡기에 해로울 수 있으며, 대기 중 오존 생성의 전구물질로 작용하여 스모그의 주요 구성 요소가 될 수 있다. 현재 환경 및 인간 건강에 미치는 영향을 모니터링하고 예방하기 위해 이산화질소 농도를 측정하는 센서 및 모니터링 시스템이 사용되고 있으나, 기존 가스 감지 소재의 낮은 가스 감지 선택성과 높은 검출 한계로 가스의 정확한 감지 및 분석에 많은 어려움이 있다.

공동연구팀이 개발한 가스 감지 소재는 금속 유기구조체(ZIF-8)가 2~3nm 수준 산화물층(ZnO)으로 둘러싸인 코어쉘(core-shell) 구조로 전기가 흐르지 않는 유기구조체 소재에 전도도를 부여하여 반도체성 전자소자로 활용할 수 있다. 금속 유기구조체의 매우 높은 표면적으로 인한 가스흡착 특성과 나노스케일 산화물층의 가스 감지 특성이 시너지 효과를 내어 수 백도에 달하는 기존 금속 산화물 센서의 작동온도를 150℃로 낮췄을 뿐만 아니라 130ppm-1 수준의 높은 민감도를 가져 약 0.63ppb 수준의 뛰어난 검출한계를 보여주었다.

금속산화물-금속 유기구조체 복합구조 개발 및 이산화질소 가스센서 응용

특히, 이 소재는 기존 가스 센서와 다르게 수분이 있는 환경에서 민감도가 두 배 이상 증가했고, 유기 리간드의 화학적 특성으로 인해 이산화질소에 높은 반응 선택성을 보여주었다. 이는 복잡한 가스 필터 과정 없이 다양한 대기환경 및 습도에서도 안정적으로 이산화질소 가스를 감지할 수 있음을 보여준다. 또한, 대면적 금속 유기구조체 필름 제조와 마이크로 공정 기반의 센서 제작 방식은 센서의 수율을 극대화할 수 있어 센서의 생산 단가도 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

연세대 김대우 교수는 “금속 유기구조체 기반 소재는 뛰어난 가스 분석 소재임에도 불구하고, 전도성의 조절이 쉽지 않아 전기화학 가스탐지 소자로서 활용되기 어려웠다. 이 연구에서 개발한 소재 개질 공법은 ZIF-8 뿐만 아니라 다양한 시리즈의 금속 유기구조체에 확장 가능하고, 향후 다양한 소재 및 응용 분야로의 적용이 이뤄질 것으로 기대된다”고 전했다. 연세대 이우영 교수는 “호기 가스 내 질병 바이오마커 분자를 감지하는 기술에 대한 관심이 급증하고 있다. 이산화질소의 고민감 선택탐지 기술은 산화질소가 바이오마커인 천식, 만성 폐질환 및 특정 유형의 암과 같은 특정 염증성 질환의 조기진단에 활용할 수 있을 것으로 기대된다”고 전했다.

본 연구는 산업통상자원부 초임계재료산업기술센터 및 키우리 사업, 교육부 기초과학연구사업과 과학기술정보통신부의 개인기초연구 및 나노소재기술개발 사업으로부터 지원받았으며, 이우영 교수 연구팀의 민혜기 박사(공동 제1저자), 권오찬 박사(공동 제1저자)가 수행하였다. 본 연구 결과는 세계적인 재료과학 분야 권위지 ‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)’에 12월 온라인 게재되었다.

□ 논문명, 저자정보

- 논문명: N-Carbon-Doped Binary Nanophase of Metal Oxide/Metal-Organic Framework for Extremely Sensitive and Selective Gas Response, Advanced Materials (2023년 12월 온라인 게재, 2023년 IF=29.4)

- 주요 저자 정보: 이우영(교신저자, 연세대 신소재공학과), 김대우(교신저자, 연세대 화공생명공학과), 민혜기(공동 제1저자, 연세대 KIURI연구단, 신소재공학과, UIUC), 권오찬(공동 제1저자, 연세대 화공생명공학과, UCB), 외 6명의 공동저자