이우영·김대우 교수팀, 고성능 이산화질소 선택 탐지 전기화학 센서 개발

ZIF-8 표면 산화를 통해 십억분의 일 미만 수준 가스까지 감지

천식, 만성 폐 질환 등 염증성 질환의 조기 진단에 활용 기대

[사진. (왼쪽부터) 이우영 교수, 김대우 교수, 일리노이대 민혜기 박사, 캘리포니아대 권오찬 박사]

공과대학 신소재공학과 이우영 교수, 화공생명공학과 김대우 교수 연구팀이 절연성 금속 유기 구조체(ZIF-8)의 표면 개질화 방법을 통해, 이산화질소(NO2) 가스의 고민감, 고선택 탐지가 가능한 전기화학 센서를 개발했다.

이번 연구에서 개발된 소재는 십억분의 일(ppb) 미만 수준의 극미량 가스를 감지할 수 있을 정도로 높은 민감도를 갖췄으며, 여러 분자가 포함된 혼합 가스에서도 이산화질소만 선택적으로 감지할 수 있는 특징을 보여 향후 산업, 의료 진단 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

주요 대기 오염 물질 중 하나인 이산화질소는 승용차 배기가스, 발전소 연소 등이 주요 원인으로 꼽힌다. 이 물질은 공기 중에 배출되는 먼지와 함께 호흡기에 해로울 수 있는 매우 강력한 산화 가스로, 100ppm 정도의 농도만으로도 인체에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 그뿐만 아니라, 대기 중 오존 생성의 전구물질로 작용해 스모그의 주요 구성 요소가 될 수 있다. 

환경 및 건강에 미치는 영향을 최소화하고 대응하기 위해, 현재는 이산화질소 농도를 측정하는 센서와 모니터링 시스템이 활발히 사용되고 있다. 그러나 기존의 가스 감지 소재는 낮은 가스 감지 선택성과 높은 검출 한계(Detection Limit)로 인해 정확한 감지와 분석에 많은 어려움이 있었다.

이를 보완해 공동 연구팀이 개발한 가스 감지 소재는 2~3nm 수준 산화물층(ZnO)으로 둘러싸인 코어쉘(Core-shell) 구조의 금속 유기 구조체(ZIF-8)로, 전기가 흐르지 않는 유기 구조체 소재에 전도도를 부여해 반도체성 전자 소자로 활용할 수 있다. 

또한 금속 유기 구조체의 가스 흡착 특성과 나노 스케일 산화물층의 가스 감지 특성이 시너지 효과를 발휘해 금속 산화물 센서의 작동 온도를 수백 도(℃)에서 150℃로 낮췄을 뿐만 아니라, 130ppm⁻¹ 수준의 높은 민감도를 가져 약 0.63ppb 수준의 탁월한 검출 한계를 보였다.

특히 이 센서 소재는 수분이 있는 환경에서 민감도가 두 배 이상 증가했고, 유기 리간드의 화학적 특성으로 이산화질소에 높은 반응 선택성을 보였다. 이는 복잡한 가스 필터 과정이 없어도 다양한 대기 환경 및 습도에서 안정적으로 이산화질소를 감지할 수 있음을 시사한다. 이처럼, 대면적 금속 유기 구조체 필름 제조와 마이크로 공정 기반의 센서 제작 방식은 센서의 수율을 극대화할 수 있어 센서의 생산 단가도 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

[그림. 금속 산화물-금속 유기 구조체 복합 구조 개발 및 이산화질소 가스 센서 응용]

김대우 교수는 “금속 유기 구조체 기반 소재는 뛰어난 가스 분석 소재임에도 불구하고, 전도성의 조절이 쉽지 않아 전기화학 가스 탐지 소자로서 활용되기 어려웠다.”며, “이번 연구에서 개발한 소재 개질 공법은 ZIF-8뿐만 아니라 다양한 시리즈의 금속 유기 구조체에 확장 가능하고, 향후 다양한 소재 및 응용 분야로의 적용이 이뤄질 것으로 기대된다.”고 전했다. 

이우영 교수는 “최근 호기 가스 내 질병 바이오마커 분자를 감지하는 기술에 대한 관심이 급증하고 있다.”며, “이산화질소의 고민감 선택 탐지 기술은 산화질소가 바이오마커인 천식, 만성 폐 질환 및 특정 유형의 암과 같은 특정 염증성 질환의 조기 진단에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.”고 전했다.

본 연구는 산업통상자원부 초임계재료산업기술센터 및 키우리(KIURI) 사업, 교육부 기초과학연구사업과 과학기술정보통신부 개인기초연구 및 나노소재기술개발 사업으로부터 지원받았으며, 이우영 교수 연구팀의 민혜기 박사(공동 제1저자), 권오찬 박사(공동 제1저자)가 수행했다. 연구 결과는 세계적인 재료과학 분야 권위지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 12월 2일 온라인 게재됐다.

논문정보

● 논문제목: N-Carbon-Doped Binary Nanophase of Metal Oxide/Metal–Organic Framework for Extremely Sensitive and Selective Gas Response

● 논문주소: https://doi.org/10.1002/adma.202309041

용어설명
● Metal Organic Framework(MOF): 금속 이온 또는 클러스터와 유기 리간드 사이의 배위결합으로 이뤄진 다공성 물질이다. 정밀하게 조절된 다양한 기공 크기와 매우 높은 표면적으로 인해 각종 분리 공정, 흡착, 촉매, 약물 전달, 센서 등의 분야에 응용되고 있다. 

● Zeolitic Imidazolate Framework(ZIF)-8: 아연과 2-메틸이미다졸 유기 리간드의 배위결합으로 이뤄진 MOF의 한 종류. 약 0.34nm의 기공 크기를 가졌으며 유기 리간드의 유연성 때문에 최대 0.4nm까지 기공 크기가 늘어날 수 있다. 이러한 기공 크기로 인해 가스 분리, 흡착 및 센싱에서 사용 가능한 물질이다.