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이원석 교수·정용진 교수 공동연구팀 ‘구리 도핑 텔루륨 나노와이어(Te@Cu_II)를 사용한 초고감도, 고선택성 이산화질소(NO2) 가스센서)’ 개발
- 조회 : 507
- 등록일 : 2025-09-08
국립한국교통대학교(총장 윤승조)는 전기공학전공 이원석 교수와 반도체신소재공학과 정용진 교수 공동연구팀이 친환경 수열 합성법을 이용하여 구리(Cu) 도핑 텔루륨 나노와이어(TeNW)를 제작하고, 이를 기반으로 초고감도, 고선택성 이산화질소 (NO₂) 가스센서를 개발했다고 밝혔다.
본 연구는 구리(Cu(II)) 이온을 도입한 텔루륨 나노와이어를 적용하여, 기존 텔루륨기반 센서 대비 월등히 향상된 가스 감지 성능을 확보하는 데 성공했다.
특히, 본 연구팀이 개발한 센서는 상온(25℃)에서 별도의 가열장치 없이도 7.2 ppb (10억분의 1)수준의 초저농도 이산화질소를 민감하게 검출할 수 있으며, 다양한 습도와 온도 환경에서도 뛰어난 안정성과 재현성을 보였다.
■ 친환경 수열 합성법 (Eco-friendly hydrothermal method): 본 연구에서는 인체와 환경에 유해한 전통적인 환원제 (수산화하이드라진 등) 대신, 친환경 환원제인 포도당을 사용한 수열합성법을 도입하였다. 이 방법을 통해 1차원 텔루륨 나노와이어를 저독성, 고효율로 합성할 수 있었으며, 이어서 구리(II) 이온을 도핑하여 나노구조체의 전기적 및 표면적 특성을 극대화하였다. 해당 공정은 환경오염 및 유해물질 노출 위험을 최소화하면서도 고성능 나노구조체를 안정적으로 합성할 수 있다는 점에서 기존 합성법과 차별화된 친환경적 우수성을 지닌다.
이번 연구 결과는 계측(Instrumentation)분야 최고 학술지인 Sensors and Actuators B: Chemical (Impact factor: 8.0, 저널인용보고서(JCR) 상위 0.7%)에 2025년 3월 온라인 게재됐다.
공동연구팀은 ▲이산화질소(NO2)가 호흡기 질환, 신경계 질환 등 인체에 미치는 심각한 건강 영향을 고려하고 ▲환경 오염에 따른 NO2 실시간 감지의 중요성에 주목하여, NO2를 초고감도, 고선택적으로 검출할 수 있는 가스센서 개발에 연구의 초점을 맞췄다.
센서를 제작하는 과정에서 텔루륨 나노와이어의 표면적을 극대화하고 전기적 특성을 개선하기 위해 친환경 수열합성법을 적용하였으며, 여기에 구리(II) 이온 도핑을 도입하여 센서의 감도와 선택성을 획기적으로 향상시켰다. 또한, 소재 표면의 전자 이동 특성을 정밀하게 조절함으로써, 상온에서 극미량의 NO2를 정밀하게 검출할 수 있는 구조를 구현했다.
센서에 적용된 구리 도핑 텔루륨 나노와이어 합성기술은, 기존 소재 대비 표면 전기화학적 특성을 최적화함으로써 NO₂ 가스가 표면에 흡착될 때 발생하는 저항 변화를 극대화하는 방식으로 동작한다. 이번 연구에서 개발된 센서는 7.2 ppb 수준의 극미량 NO₂ 농도까지도 정밀하게 검출할 수 있을 만큼 우수한 감도와 선택성을 보였으며, 암모니아, 톨루엔, 아세톤, 에탄올, 이산화탄소 등 다양한 기체와 비교해도 NO₂에만 선택적으로 반응했다.
특히, 실험 과정에서 다양한 온도(25–100°C) 및 습도(20–80% RH) 환경을 적용하여 센서의 주변 온도 및 습도 변동에 따른 오차를 체계적으로 분석 및 정량화함으로써, 현장 환경에서의 신뢰도 높은 데이터 해석 및 보정이 가능하다는 점에서 기존 가스센서와 차별화된 실용적 강점을 지닌다.
전기공학전공 이원석 교수는 “이번 연구를 통해 유해가스 감지 기술의 저변을 넓힐 수 있는 기반을 마련했다”라며 “향후 새로운 종류의 가스 감지 메커니즘 연구나 차세대 센서 플랫폼 개발에도 기여할 수 있을 것이다”라고 밝혔다.
반도체신소재공학과 정용진 교수는 “친환경 수열 합성 및 도핑 기법을 통해 센서 성능을 극대화할 수 있음을 확인했다”라며 “앞으로는 소재 구조의 정밀 제어와 신뢰성 평가 등 기초 연구를 더욱 심화해 나갈 계획이다”라고 전했다.
실험을 주도한 김선엽 연구원은 “향후 다양한 환경 유해물질이나 바이오마커 검출 등 실제 응용 분야로의 확장성을 적극적으로 탐색하겠다”라고 포부를 밝혔다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 기초연구사업(면역원성 세포사멸 폴리펩타이드 항종양 성능 검증을 위한 췌장암 오가노이드 모델 기반 센싱 분석 시스템 개발 글로벌 기초연구실 및 연체동물모사 뉴로모픽 플랫폼 기초연구실)으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었다. 이번 연구결과는 Impact factor 기준, 저널 인용 보고서 (JCR) 상위 0.7%에 해당하는 센서 분야 최고 학술지인 Sensors and Actuators B: Chemical (Impact factor: 8.0. 계측 (Instruments and Instrumentation 분야 1위)에 게재 예정이다. 이원석 교수와 정용진 교수는 교신 저자로 참여하였다.
본 연구는 구리(Cu(II)) 이온을 도입한 텔루륨 나노와이어를 적용하여, 기존 텔루륨기반 센서 대비 월등히 향상된 가스 감지 성능을 확보하는 데 성공했다.
특히, 본 연구팀이 개발한 센서는 상온(25℃)에서 별도의 가열장치 없이도 7.2 ppb (10억분의 1)수준의 초저농도 이산화질소를 민감하게 검출할 수 있으며, 다양한 습도와 온도 환경에서도 뛰어난 안정성과 재현성을 보였다.
■ 친환경 수열 합성법 (Eco-friendly hydrothermal method): 본 연구에서는 인체와 환경에 유해한 전통적인 환원제 (수산화하이드라진 등) 대신, 친환경 환원제인 포도당을 사용한 수열합성법을 도입하였다. 이 방법을 통해 1차원 텔루륨 나노와이어를 저독성, 고효율로 합성할 수 있었으며, 이어서 구리(II) 이온을 도핑하여 나노구조체의 전기적 및 표면적 특성을 극대화하였다. 해당 공정은 환경오염 및 유해물질 노출 위험을 최소화하면서도 고성능 나노구조체를 안정적으로 합성할 수 있다는 점에서 기존 합성법과 차별화된 친환경적 우수성을 지닌다.
이번 연구 결과는 계측(Instrumentation)분야 최고 학술지인 Sensors and Actuators B: Chemical (Impact factor: 8.0, 저널인용보고서(JCR) 상위 0.7%)에 2025년 3월 온라인 게재됐다.
공동연구팀은 ▲이산화질소(NO2)가 호흡기 질환, 신경계 질환 등 인체에 미치는 심각한 건강 영향을 고려하고 ▲환경 오염에 따른 NO2 실시간 감지의 중요성에 주목하여, NO2를 초고감도, 고선택적으로 검출할 수 있는 가스센서 개발에 연구의 초점을 맞췄다.
센서를 제작하는 과정에서 텔루륨 나노와이어의 표면적을 극대화하고 전기적 특성을 개선하기 위해 친환경 수열합성법을 적용하였으며, 여기에 구리(II) 이온 도핑을 도입하여 센서의 감도와 선택성을 획기적으로 향상시켰다. 또한, 소재 표면의 전자 이동 특성을 정밀하게 조절함으로써, 상온에서 극미량의 NO2를 정밀하게 검출할 수 있는 구조를 구현했다.
센서에 적용된 구리 도핑 텔루륨 나노와이어 합성기술은, 기존 소재 대비 표면 전기화학적 특성을 최적화함으로써 NO₂ 가스가 표면에 흡착될 때 발생하는 저항 변화를 극대화하는 방식으로 동작한다. 이번 연구에서 개발된 센서는 7.2 ppb 수준의 극미량 NO₂ 농도까지도 정밀하게 검출할 수 있을 만큼 우수한 감도와 선택성을 보였으며, 암모니아, 톨루엔, 아세톤, 에탄올, 이산화탄소 등 다양한 기체와 비교해도 NO₂에만 선택적으로 반응했다.
특히, 실험 과정에서 다양한 온도(25–100°C) 및 습도(20–80% RH) 환경을 적용하여 센서의 주변 온도 및 습도 변동에 따른 오차를 체계적으로 분석 및 정량화함으로써, 현장 환경에서의 신뢰도 높은 데이터 해석 및 보정이 가능하다는 점에서 기존 가스센서와 차별화된 실용적 강점을 지닌다.
전기공학전공 이원석 교수는 “이번 연구를 통해 유해가스 감지 기술의 저변을 넓힐 수 있는 기반을 마련했다”라며 “향후 새로운 종류의 가스 감지 메커니즘 연구나 차세대 센서 플랫폼 개발에도 기여할 수 있을 것이다”라고 밝혔다.
반도체신소재공학과 정용진 교수는 “친환경 수열 합성 및 도핑 기법을 통해 센서 성능을 극대화할 수 있음을 확인했다”라며 “앞으로는 소재 구조의 정밀 제어와 신뢰성 평가 등 기초 연구를 더욱 심화해 나갈 계획이다”라고 전했다.
실험을 주도한 김선엽 연구원은 “향후 다양한 환경 유해물질이나 바이오마커 검출 등 실제 응용 분야로의 확장성을 적극적으로 탐색하겠다”라고 포부를 밝혔다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 기초연구사업(면역원성 세포사멸 폴리펩타이드 항종양 성능 검증을 위한 췌장암 오가노이드 모델 기반 센싱 분석 시스템 개발 글로벌 기초연구실 및 연체동물모사 뉴로모픽 플랫폼 기초연구실)으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었다. 이번 연구결과는 Impact factor 기준, 저널 인용 보고서 (JCR) 상위 0.7%에 해당하는 센서 분야 최고 학술지인 Sensors and Actuators B: Chemical (Impact factor: 8.0. 계측 (Instruments and Instrumentation 분야 1위)에 게재 예정이다. 이원석 교수와 정용진 교수는 교신 저자로 참여하였다.
