[한국기술뉴스] 아주대학교 신소재공학과 이재현 교수 연구팀이 성균관대학교 황동목 교수 연구팀과 공동 연구로 새로운 산성도 감지 메커니즘 발굴을 기반으로 초고감도 그래핀 이온 센서 기술을 개발했다.

그래핀은 뛰어난 전기전도성과 구성 원자들이 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. 이에 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.

연구팀은 소재 합성 초기에 형성되는 핵의 밀도를 조절해 최종 형성 소재의 결정성 및 결정립 크기를 조절하는 ‘핵 성장 밀도 제어법’을 적용했다. 이를 통해 이온의 선택적인 투과가 가능하도록 결정립계 결함의 밀도가 제어된 나노 결정성 그래핀을 구현했다.

그 결과, 나노 결정성 그래핀 기반의 pH 센서는 기존 그래핀 pH 센서와 차별화된 새로운 감지 메커니즘을 보였다. 또한, 일반적인 pH 센서의 한계 민감도 59mV/pH를 뛰어넘어 최적화된 조건에서 약 140mV/pH 정도의 민감도를 갖는 고감도의 그래핀 pH 센서를 구현했다.

연구팀은 “결정립계 결함의 밀도가 제어된 고품위의 나노 결정성 그래핀 소재를 통해 이론적 한계를 뛰어넘은 새로운 감지 메커니즘을 제시한 첫 사례”라며 “향후 사물인터넷(IoT) 기기나 의료진단기기에 적용 가능한 고감도 반도체 이온 센서로 발전할 가능성을 제시했다”고 밝혔다.

연구 결과는 ‘나노 레터스’에 1월 13일 표지 논문으로 게재됐다.