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NEW 이재현 교수 연구팀, 새로운 감지 매커니즘을 통한 초고감도 그래핀 이온 센서 개발
- 2021-01-25
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우리 학교와 성균관대학교 공동 연구팀이 새로운 산성도 감지 메커니즘 발굴을 기반으로 한 초고감도 그래핀 이온 센서 기술을 개발했다. 기존의 이론적 한계를 뛰어넘어 새 감지 메커니즘을 제시한 첫 사례로, 사물인터넷 기기나 의료 진단기기에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
우리 학교 이재현 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)와 성균관대 황동목 교수가 함께 한 이번 연구는 나노과학기술 분야의 세계적인 학술지인 <나노 레터스(Nano Letters, IF=11.238)> 1월13일자 표지 논문으로 선정됐다. 이재현 교수, 황동목 교수가 교신저자로 참여했고, 성균나노과학기술원 정수호 박사가 제1저자, 그리고 우리 학교 대학원 에너지시스템학과의 현상화 학생이 공동 저자로 참여했다.
논문 제목은 ‘결함이 제어된 그래핀의 이상 전하 전달 도핑 기반의 초고감도 산성도 감지 센서 개발(Super-Nernstian pH Sensor Based on Anomalous Charge Transfer Doping of Defect-Engineered Graphene)’이다.
그래핀은 뛰어난 전기전도성과 구성원자들이 표면에 노출된 특성으로 인해 이상적인 감지 물질로 주목받아왔다. 그러나 낮은 결함 밀도로 인한 낮은 표면 반응성 탓에 이온이나 분자 등 감지하고자 하는 물질이 그래핀 표면에 부착되기 어렵다는 단점을 지니고 있었다.
이로 인해 기존 그래핀 관련 연구는 외부물질의 흡착력을 높이기 위해 그래핀 표면에 인위적인 결함을 유도하는 식으로 이루어졌다. 하지만 기계적 결함의 증가로 인해 그래핀이 지닌 물성의 급격한 감소가 발생함에 따라 이론적 감도 한계의 극복에 어려움을 겪고 있었다.
이재현 교수 연구팀은 소재 합성 초기에 형성되는 핵의 밀도를 조절해 최종 형성 소재의 결정성 및 결정립 크기를 조절하는 ‘핵성장 밀도 제어법’을 적용했다. 이를 통해 이온의 선택적인 투과가 가능하도록 결정립계 결함의 밀도가 제어된 나노결정성 그래핀을 구현했다. 그래핀을 투과한 이온과 아래 기판의 반응을 통한 새로운 형태의 감지 메커니즘을 제시한 것.
그 결과, 나노결정성 그래핀 기반의 pH 센서는 기존 그래핀 pH 센서와 차별화된 새로운 감지 메커니즘을 보였다. 또한, 일반적인 pH 센서의 한계 민감도 59mV/pH를 뛰어 넘어 최적화된 조건에서 약 140mV/pH 정도의 민감도를 갖는 고감도의 그래핀 pH 센서를 구현했다.
연구팀은 “결정립계 결함의 밀도가 제어된 고품위의 나노결정성 그래핀 소재를 통해 이론적 한계를 뛰어넘은 새로운 감지 메커니즘을 제시한 첫 사례”라며 “향후 사물인터넷(IoT) 기기나 의료진단기기에 적용 가능한 고감도 반도체 이온센서로 발전할 가능성을 제시했다”고 밝혔다.
이번 연구는 한국연구재단에서 지원하는 중견연구, 기초연구실사업의 지원으로 수행되었다.
나노결정성 그래핀 pH 센서의 센싱메커니즘
*Gr = Graphene, nc-Gr = 나노결정성 그래핀
기판 상태에 따른 나노결정성 그래핀 pH 센서의 민감도 변화
<나노 레터스> 표지논문