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NEW 응용화학과 이준우 교수팀, 대기오염물질 감지 차세대 화학 센서 구현
- 2025-05-08
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- 영국화학회 발간 학술지 <JMCA>, 이준우 교수 ‘2025 이머징 인베스티게이터’ 선정
- <JMCA>에 우수 신진 연구자 연구성과 시리즈로 소개
응용화학과 이준우 교수팀이 유독 기체인 이산화질소(NO₂)를 더욱 민감하고 안정적으로 감지할 수 있는 화학 센서를 구현해냈다. 앞으로 대기오염 물질의 감지나 산업현장 환경 모니터링 등을 위한 차세대 센서로 활용될 것으로 전망된다.
이준우 교수(응용화학과·대학원 분자과학기술학과) 공동 연구팀은 이산화질소(NO₂) 감지를 위한 고성능의 화학 센서 제작에 성공했다고 밝혔다. 이번 연구는 ‘에틸렌글리콜 측쇄가 유도한 국소 응집체 기반 저결정성 공액 고분자의 NO₂ 감지 성능 및 안정성 향상(Enhancing NO₂ sensing performance and stability: low-crystallinity conjugated polymers with localized aggregates via ethylene glycol pendants)’이라는 제목으로 영국화학회 발간 재료화학분야 권위지 <저널 오브 머터리얼즈 케미스트리 A(Journal of Materials Chemistry A)> 4월28일자 뒤 표지논문으로 게재됐다.
해당 논문은 아주대 이준우 교수(응용화학과·대학원 분자과학기술학과)와 한국과학기술연구원(KIST) 장지수 선임연구원(전자재료연구센터)의 공동 연구 결과다.
이산화질소(NO₂)는 대표적인 대기오염 물질로 주로 자동차 배기가스, 화력발전소, 공장 같은 산업시설의 연소 과정에서 발생한다. 특히 도시 지역에서는 교통량의 증가와 활발한 산업 활동 등으로 이산화질소(NO₂) 농도가 높게 유지되어 호흡기 질환과 알레르기를 유발하며, 미세먼지 생성의 주요 원인 중 하나로 작용하고 있다. 이에 세계보건기구(WHO)는 이산화질소(NO₂)를 인체에 유해한 1군 대기오염 물질로 분류하고 있다.
이산화질소(NO₂)가 적정 수준을 초과하는 경우 건강에 심각한 영향을 줄 수 있기에 ▲대기질 모니터링 ▲공장 및 실내 환경 감시 ▲산업 안전 관리 등의 분야에서 정확한 이산화질소(NO₂) 센싱 기술은 필수적이다. 그러나 지금까지 상용화된 대부분의 고분자 기반 센서는 여러 한계를 보여왔다. 탐지 가능한 감도가 높지 못하거나, 감도는 높지만 고온다습한 환경에서 성능 저하를 보이는 경우가 많은 것. 때문에 센서를 실제 여러 환경에서 안정적으로 적용하는 데에 어려움이 존재했다.
특히 고감도 센서의 구현을 위해서는 센서의 고분자 안으로 이산화질소(NO₂) 분자가 원활하게 확산되어야 하는데, 이를 위해 고분자의 결정성을 낮추면 전기전도성이 떨어지고 반대로 전기전도성을 높이기 위해 결정성을 높이면 가스 분자의 확산성이 떨어지는 ‘결정성-확산성 간의 상충(trade-off)’이 중요한 기술적 과제로 남아 있었다.
아주대-KIST 공동 연구팀의 이번 연구는 바로 이러한 기존 센서 기술의 한계를 해결하고자, 전도성과 확산성을 동시에 확보할 수 있는 새로운 분자 설계 전략을 제시했다는 점에서 주목받고 있다.
연구팀은 공동 연구를 통해 이산화질소(NO₂)를 더욱 민감하게 감지할 수 있는 새로운 형태의 전도성 고분자 센서를 개발했다. 연구팀의 센서는 높은 온도와 습한 환경에서도 안정성을 유지하면서 고감도 센싱이 가능하다.
이번 연구의 에틸렌글리콜 측쇄구조(곁사슬, side chain)에 따른 고분자 형태 및 센서 기작 모식도
고감도 고분자 센서의 개발에 있어 기존 공정에서 가장 큰 난관으로 존재해온 ‘결정성-확산성 간의 상충’을 위해 연구팀은 유기화합물인 에틸렌글리콜 기반의 측쇄(곁사슬) 구조를 도입해 고분자의 결정성을 낮추고, 사슬 간 전자 이동을 촉진하는 국소적 응집체(localized aggregates)를 유도하는 방식으로 설계를 진행했다.
이러한 비결정성 구조는 전기전도성을 향상시킬 뿐만 아니라, 고분자 내부로의 이산화질소(NO₂) 분자 확산성과 친화력을 동시에 증가시켜 감도를 높이는데 크게 기여한다. 이로 인해 연구팀은 기존에 널리 활용되어온 고분자(PC8TT)에 비해 약 3배 향상된 이산화질소(NO₂) 감지 성능을 확인할 수 있었으며, 고온 환경에서도 형태 안정성을 유지함을 확인했다.
또한 에틸렌글리콜 측쇄의 극성과 흡습성이 습한 환경에서도 감도 저하 없이 센서의 성능을 유지하게 하는 주요 요인으로 작용해, 실제 도시 환경과 같은 조건에서도 안정적인 감지가 가능함을 보여줬다.
이준우 교수는 “이번 연구는 고분자 센서의 민감도와 내열성을 동시에 높일 수 있는 분자 설계 전략을 제시했다는 점에서 의미가 크다”며 “새로 개발한 고분자 물질을 활용하면 가볍고 유연한 소자의 제작이 가능해, 앞으로 대기오염 물질 감지나 산업현장 환경 모니터링 등에 적용될 차세대 센서 기술로의 발전이 기대된다”라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 세종과학펠로우십, 아주대학교 교내 연구비 지원을 받아 수행됐다. 아주대 연구진은 고분자 합성 연구를, 한국과학기술연구원(KIST) 연구진은 센서로의 응용 연구를 맡았다.
한편 이준우 아주대 교수는 <저널 오브 머터리얼즈 케미스트리 A(Journal of Materials Chemistry A, JMCA)> 주관 ‘2025 이머징 인베스티게이터(Emerging investigator)’로 선정됐다. 영국화학회(Royal Society of Chemistry) 발간 학술지 <JMCA>는 신진 연구자 가운데 매해 재료화학 분야에서 눈에 띄는 성과를 낸 연구자들을 ‘이머징 인베스티게이터’로 선정해왔다. <JMCA>는 우수 신진 연구자들의 눈에 띄는 연구성과를 시리즈로 소개하고 있다.
* 위 이미지 설명 - <저널 오브 머터리얼즈 케미스트리 A(Journal of Materials Chemistry A)> 4월28일자의 ‘뒤 표지논문’으로 게재된 공동 연구팀의 성과. 위의 큰 이미지가 공동 연구팀의 성과를 설명하는 이미지다. 자동차에서 나온 대기오염 물질인 이산화질소(NO2)를 보다 민감하게 센싱해, 이를 스마트기기로 모니터링할 수 있음을 보여준다. 이미지 출처 <Journal of Materials Chemistry A>