한국재료연구원, 브롬화구리 기반 고성능 암모니아 가스 센서 개발

한국재료연구원 에너지·환경재료연구본부 윤종원, 권정대, 김용훈 박사 연구팀이 저온에서 간단한 용액 공정을 통해 제작할 수 있는 브롬화구리막(CuBr) 기반의 암모니아(NH3) 가스 센서를 세계 최초로 개발했다. 본 기술은 센서의 유연성과 고감도·고선택성 성능은 물론 제작 비용 절감까지 구현한 성과다. 암모니아 가스 센서는 공기 중 암모니아를 감지해 실내외 환경 모니터링, 산업 현장의 유해 가스 감지, 질병 진단 등에 활용된다. 센서에 사용되는 브롬화구리막은 암모니아와 만났을 때 전기적 저항값이 크게 변해 낮은 농도의 암모니아도 감지하는 역할을 한다. 기존에는 센서에 필요한 브롬화구리막을 형성하는 과정에서 500℃ 이상의 고온의 진공 공정이 필수였기 때문에 고온에 취약한 유연 기판에 적용하기 어렵고 제작 비용도 높다는 단점이 있었다. 연구팀은 이를 해결하고자 150℃ 이하 저온에서 진공 공정 없이 이차원 구리 나노 시트를 기판에 형성하고, 간단한 용액 공정만을 통해 브롬화구리막을 합성하는 기술을 개발했다. 그 결과 플라스틱 기판 위에서 암모니아 가스 센서 구현에 성공했다. 본 연구는 저온 용액 공정 방식으로 백만분의 1 이하의 암모니아 농도를 감지하는 고감도 센서를 개발한 성과로 제작 비용을 크게 줄일 수 있고 웨어러블 센서나 진단 의료기기로 활용 가능하다는 장점이 있다. 실제로 센서를 1000번 이상 반복해서 구부리는 실험을 통해 고성능을 유지한 상태로 안정적으로 작동하는 것이 확인됐다. 연구책임자인 윤종원 선임연구원은 "이번 연구를 통해 개발한 암모니아 센서는 플렉서블, 웨어러블 기기로 확장될 가능성이 높으며 실내 공기 질 모니터링부터 개인 건강 관리까지 다양한 분야에서 활용될 수 있다"며 "특히 인체에 부착해 날숨을 분석하는 질병 진단 센서로도 응용할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다. 한편 연구팀은 전북대학교 김태욱 교수, 한국해양대학교 김홍승 교수 연구팀과 함께 연구를 수행했다. 본 연구 성과는 국가과학 기술 연구회의 글로벌 TOP 사업, 한국연구재단의 나노 및 소재기술 개발사업, 한국재료연구원의 주요 사업 등의 지원을 받았으며 세계적 학술지 센서스 앤 액튜에이터스 비: 케미컬에 3월 6일 온라인 게재됐다. 연구팀은 생산성 향상을 위해 대면적 필름 형태의 추가 연구를 지속해서 진행 중이다.