가스 센서 구조 모식도

국내 연구진이 높은 습도나 강산성 등 극환경에서도 작동할 수 있는 고감도 가스센서 기술을 개발했다. 각종 휘발성 유기화합물을 선택적으로 감지할 수 있고, 여러 극한환경에서도 감도를 유지할 수 있어 산업폐기물이나 폭발물 감지 등의 용도로 활용될 것으로 기대된다.

* 휘발성 유기화합물(VOC,volatile organic compound) : 아세톤, 메탄올, 에탄올, 테트라하이드로퓨란 같은 유기용매로 휘발하여 인화될 경우 폭발할 수 있어 감지기술 개발이 중요

성균관대학교 화학과 이효영 교수와 수라지트 솜 박사(제1저자) 연구팀이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부(장관 최문기)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구)의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 네이처 자매지 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)지 6월 5일자 온라인판에 게재되었다.(논문명: Highly Sensitive and Selective Gas Sensor Using Hydrophilic and Hydrophobic Graphenes)

금속 산화물이나 탄소나노튜브를 이용하는 기존 가스센서는 습도가 높으면 작동하지 않아 물과 잘 섞일 수 있는 안정적인 물질을 이용해 습도 등에 영향을 받지 않는 가스센서를 개발하는 것이 관건이었다.

연구팀은 고분자 광섬유로 된 반사탐침에 산화그래핀 또는 환원그래핀으로 된 감지층을 코팅한 광학 가스센서를 개발했다. 환원그래핀을 이용한 가스센서는 있었지만, 산화그래핀을 이용한 것은 이번이 처음이다.

* 감지층 : 가스와 직접 접촉해 특정 화합물을 감지하는 부분
* 광학 가스센서(optical gas sensor) : 고분자 광섬유를 이용하여 가스접촉에 따른 반사율 변화와 같은 광학적 특성 변화를 읽어 특정 화합물을 감지하는 센서. 센서부에 전기를 이용하는 전자 가스센서에 비해 가볍고 원격측정이 가능하며 특히 휘발성 유기화합물 감지시 폭발 위험이 낮다는 것이 장점이다.

개발된 산화그래핀 가스센서는 일반 광학가스센서와 달리 90% 이상 고습환경에서도 작동했는데, 이는 산화그래핀 표면의 다양한 산소작용기가 친수성을 띄어 높은 습도에서 흡수된 화합물과의 상호작용이 가능하기 때문이다.

또한, 여러 산성도 환경(pH 1, 5, 7, 11)에서도 감지능력이 유지했는데, 높은 산성과 염기성 환경에서는 산소작용기가 양성 또는 음성을 갖게 되어 감도를 더 높게 만든다는 설명이다.

한편 물에 잘 섞이고 전기가 흐르지 않는 산화그래핀을 이용할 경우 물에 잘 섞이지 않고 전기가 흐르는 환원그래핀 보다 더 감도가 높았다. 서로 다른 표면 특성으로 각각 다른 화합물을 감지할 뿐만 아니라 감도에도 차이가 있었다는 설명이다.

이외에도 연구팀은 타이오펜(thiophene)을 이용해 산화그래핀을 고품질의 환원그래핀으로 만드는 환원법을 개발하여 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)지 5월 31일자에 게재한 바 있다.

* 타이오펜(thiophene, thiofuran) : 상온에서 무색을 띄는 액체로 벤젠과 비슷한 방향족 화합물로 본실험에서 환원제로 사용하였다.(논문명: High-Quality Reduced Graphene Oxide by a Dual-Function Chemical Reduction and Healing Process)