(왼쪽부터)경상국립대 박준홍 교수(교신저자), 제1저자 대학원 나노신소재융합공학과 석사과정 케투트 게리 데바라(Ketut Gary Devara), 해당 논문 표지.(사진=경상국립대 제공)

국내 연구진이 대기상의 오염물질을 빠른 속도로 검출할 수 있는 반도체 센서를 개발했다. 현존 반도체 공정으로 다양한 기판 위에 대면적으로 제조 또한 가능해 빠른 시일 안에 상용화가 가능할 것으로 기대된다.

경상국립대학교는 공과대학 나노·신소재공학부 세라믹전공 박준홍 교수 연구팀(생체모방 반도체 연구실)이 층장 구조인 맥신(Mxene)에 생체 친화적 고분자물질을 복합화해 대기 상의 이산화질소와 이산화탄소를 초고감도로 탐지하는 화학 센서를 개발했다고 19일 밝혔다.

이산화질소와 이산화탄소는 지구 온난화의 주원인인 온실가스면서 동시에 인체에 침투 시 호흡기 질환을 유발하는 유해 가스로 꼽힌다. 하지만 기존 센서 소재는 낮은 검출 감도와 느린 반응 속도로 인해 한계가 존재했다.

연구팀은 5nm 수준으로 박리된 맥신에 화학적 고감도를 위한 리그닌을 혼합한 복합소재를 채널로 적용해 반도체 센서를 제작했다.

그 결과 상온에서 제작된 센서가 15ppm 수준의 미량 분자를 즉각적으로 반응하는 높은 민감도를 보였다. 특히 기존 무기질의 센서와 달리 무전압으로 구동됨에 따라 별도의 전원 없이 다양한 공간에서 대기 상태 모니터링이 가능하다. 또한 즉각적인 검출 반응 시간과 더불어 1초 이내 고속의 회복 시간으로 인해 연속적인 유해원 감시와 장기 운영 유지에도 장점이 있다.

연구 책임자인 박준홍 교수는 “기존 맥신(MXene)의 높은 전도성으로 인해 분자 검출의 민감도 제어 난제 해결 방안으로 이종 물질 간의 복합화 전략을 제시한 것”이라며 “이번 연구의 이종계면 제어 기술 적용을 다양한 2차원 소재에 확장할 수 있고 현재 개발 중인 전자코 등 다양한 응용 분야에 활용을 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 재료 분야 저명 국제 학술지 '에코멧(EcoMat)'(IF: 14.6, JCR: 5.4 %) 6월 표지논문으로 선정돼 온라인판에 게재됐다.

연구는 한국연구재단 국가반도체연구실지원 핵심기술개발사업과 개인기초연구사업의 지원을 받아 수행했다(논문명: Enhanced sensitivity of zero-bias-operated MXene chemiresistive sensor via lignin hybridization).