아주대학교는 울산과학기술원(UNIST) 연구팀과 공동으로 ‘유기 반도체 기반 고성능 검출 센서’를 개발했다고 1일 밝혔다.
이번에 개발된 센서는 극미량의 암모니아(NH3) 가스까지 감지할 수 있는 기술로, 유기 반도체 소재의 전기적·광학적 가스 감지 성능을 획기적으로 개선할 수 있어 차세대 고감도 유해가스 센서로 활용될 전망이다.
이는 그동안 휘발성 유기화합물의 한 종류로서 특정 농도 이상을 장시간 흡입할 경우 두통과 구토를 비롯해 기침 및 호흡곤란 증상을 일으키는 등 인체 위험성이 매우 높은 유해물인 암모니아 가스에 대한 검출을 위한 다양한 연구가 진행되고, 특히 반도체 소재의 저항변화를 통한 정밀 검출기술 개발이 활발히 이뤄졌음에도 ‘무기 반도체 소재’는 센서 제작을 위한 소자 제작과정이 복잡하고 비용이 많이 소요되고, ‘유기 반도체 소재’는 검출력과 검출선택성에서 한계가 지적돼 온 데 따른 것이다.
이에 따라 공동 연구팀은 라일렌(rylene) 구조의 유기 반도체 소재가 암모니아 가스와 반응하는 과정에서 ‘안정성 라디칼 음이온’을 형성하고 전류값 증폭을 일으킨다는 점에 주목했다.
이런 특성을 가진 유기 반도체 소재를 센서 개발에 활용해 암모니아 가스에 노출될 경우, 1천700% 수준의 전류값 증폭을 일으켜 감지가 이뤄질 수 있도록 한 것이다.
연구팀은 또 암모니아 가스 분자와 라일렌 유기 반도체 분자 간에 발생하는 효율적인 ‘전하이동반응 원리’를 양자 계산으로 증명, 센서의 원리와 소재 설계 원리도 함께 제안했다.
연구팀은 해당 센서가 200ppb(10억 분의 1)에 달하는 극미량의 암모니아 가스까지 검출할 수 있어 가스 누출 사고 방지 등에 폭넓게 활용될 것이라고 설명했다.
김종현 교수팀은 "이번 연구에서 제안한 유기 반도체 소재는 합성 공정이 매우 간단하고 극미량의 암모니아 가스로도 라디칼 음이온 형성반응을 통해 증폭된 전류신호를 얻을 수 있다"며 "이를 통해 기존 가스 센서에서 지적되어 온 높은 제작비용 및 검출력 한계와 관련된 문제점들을 해결할 수 있어 향후 가격경쟁력을 갖춘 고감도의 암모니아 가스센서 개발이 가능할 것"이라고 말했다.
한편, 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 지난달 27일 자 온라인판에 게재됐다.
전승표 기자 sp4356@kihoilbo.co.kr
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