ADVNANO는 고성능, 고감도, 고안정성을 갖는 가스 센서 소재 개발을 위해 새로운 나노 구조체 합성을 연구하고 있습니다. 이러한 나노 소재로 제작한 가스센서를 환경유해가스 및 실내공기질 관리, 날숨 분석 생체 진단, 마약탐지 등의 목적으로 실생활에 적용하고 있습니다. 첫째, 저차원 (0-2차원) 나노 구조를 합성하여고성능 가스 센서 소재를 개발하고 있으며 새로운 반도체 금속산화물과 촉매 입자의 합성법 고안, 이종 촉매 기능화 등을 연구하고 있습니다. 둘째, 임상 실험, 알고리즘 개발 등을 통해 이러한 소재를 날숨 진단 디바이스의 실증에 사용하고자 합니다. 셋째, 웨어러블 소재와 결합하여 눈으로 직관적 확인이 가능한 색변화 센서 개발, 고성능 가스 센서 개발 등을 수행하고 있습니다. 이처럼 연구실 단위의 나노 구조체, 웨어러블 소자 개발을 넘어 연구를 실생활에 적용하는 일에도 큰 관심이 있습니다.

□ 저차원 나노구조 설계를 통한 고성능, 고선택성, 고안정성 유해가스 감지 소재 개발

ADVNANO 연구팀은 최근 세 가지 합성 전략을 고안하였고, 이를 통해 세계 최고 수준의 황화수소, 포름알데히드, 이산화질소 감지 성능을 보이는 가스 센서 소재를 개발, 보고하였습니다. 최근 발표한 전략은 2차원 금속 산화물 나노쉬트에서의 엑솔루션 (ex-solution), 2차원 금속 산화물 나노 쉬트의 갈바닉 치환 반응 (galvanic replacement reaction, GRR) 그리고 전도성 금속-유기 구조체 (conductive metal-organic framework, cMOF)에의 합금 촉매 기능화입니다. 2차원 나노쉬트 소재는 두께가 얇아 산소 흡착 시 이론적으로 소재 전체 표면을 센서 활성점으로 사용할 수 있습니다. 이러한 2차원 소재의 장점을 활용하여 보다 향상된 센서 소재를 개발하고자 엑솔루션과 갈바닉 치환 반응을 통해 표면 개질을 진행하였습니다. 엑솔루션이란 금속산화물 내부의 금속양이온을 표면으로 용출시켜 촉매 나노입자로 성장시키는 기술로 이렇게 합성된 나노입자는 산화물의 표면에 강하게 결착되어 있습니다. 본 연구에서는 이리듐 (Ir)의 도핑이 텅스텐 금속산화물 모체상의 상변화를 유도하여 기존에 보고된 논문 중 가장 낮은 온도에서도 (<300 span="">도) 엑솔루션이 가능함을 증명하였고, 이를 통해 황화수소 가스에 대한 높은 안정성을 갖는 센서를 개발하였습니다. 뿐만 아니라 박리된 코발트 산화물 (CoOx) 나노쉬트에 갈바닉 치환 반응을 적용해 p-type CoOx를 n-type 주석 산화물 (SnO2)로 전환시켜 p-n 전이가 발생한 헤테로 구조의 다공성 쉬트 구조체를 개발했습니다. 이 구조체에는 SnO2에 CoOx가 작은 크기로 구조 전체에 분산되어 있어 다량의 p-n 접합이 형성되어 있습니다. 이 접합을 이용해 전자 이동이 가속화되어 센서 성능 향상을 야기하였고, 그 결과 세계 최고 수준의 고감도 및 빠른 반응속도를 갖는 포름알데히드 센서를 개발하였습니다. 마지막으로 대표적인 cMOF 중 하나인 Cu3(HHTP)2의 기공구조 속에 PtRu 나노 합금 촉매를 기능화하여 단일 금속 촉매 대비 상승 효과에 의해 이산화질소 감지 성능이 크게 향상된 세계 최고 수준의 상온 동작 NO2 가스 감지용 소재를 개발하였습니다. ADVNANO에서 고안, 개발한 가스 센서 소재들은 그 성과를 인정받아 분야 최상위 저널인 Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Advanced Science 등의 표지 논문으로 선정되었습니다.

 

□ 날숨 진단 디바이스 개발

ADVNANO 연구팀이 개발한 Na 알칼리 금속과 Pt 귀금속 촉매가 복합으로 기능화된 WO3 나노 섬유는 구취 진단용 생체 지표인 황화수소에 높은 선택성 및 세계 최고 수준의 감도를 보이는데, 이는 Pt/Na2W4O13/WO3의 다중 이형접합이 황화수소와 선택적으로 반응하기 때문입니다. 상기 소재를 활용하여 단순 날숨 주입을 통해 실시간으로 구취진단이 가능한 휴대용 디바이스를 제작하였습니다. 독자 개발한 알고리즘을 기반으로 80건의 임상시험을 수행하고 가스 크로마토그래피를 통한 정량분석 결과와 비교분석한 결과, 약 86.3%의 정확도로 구취 환자를 진단할 수 있었습니다. 이처럼 ADVNANO는 개발된 소재를 실생활 속에서 사용 가능하도록 실용화하기 위해 많은 노력을 기울이고 있습니다. 해당 연구 성과는 국내 및 해외 3개국에 특허 출원되었으며, 미국 화학회가 발행하는 세계 저명 학술지 ACS Nano에 표지 논문으로 발행되습니다. 또, 국내 방송사인 아리랑 TV의 BizTech KOREA와 TJB 뉴스 등에 보도되었고, ACS Weekly PressPac에 소개되기도 하였습니다.

 

□ 웨어러블 플랫폼 기반 고성능 센서 개발 나노섬유 얀 기반 수소 센서

ADVNANO 연구팀은 복합 노즐 시스템을 통해 나노섬유 얀 합성 장치를 독자적으로 꾸미는데 성공하였으며, 수천 가닥의 나노섬유들이 정렬되어 구성된 초고밀도 나노섬유 얀 구조체를 개발하였습니다. 상기 얀 구조체에 수소가스와 선택적으로 반응하여 전기적 저항 변화를 나타내는 팔라듐(Pd) 박막을 증착하여 단일 실 기반 수소센서 제조에 성공하였습니다. 추가적으로 수소의 분해 반응을 촉진하여 반응속도를 향상시킬 수 있는 백금(Pt) 촉매를 증착하였습니다. 이러한 얀 기반의 수소 센서는 기존 알루미나, 실리콘 기판 기반의 센서와 대비하여 높은 유연성을 가지고 있어 직조가 가능하고, 이는 기존의 의류나 패치 형태로 제조하여 웨어러블 스마트 의류로의 개발 가능성도 가지고 있습니다. 또한, 고분자 나노섬유가 Pd박막 내부에 존재하기 때문에 고농도의 수소 노출시 수반되는 Pd의 부피팽창에 대한 응력을 완화하여 기존 센서 대비 장기안정성이 뛰어난 수소감지 센서로 활용될 수 있습니다. 해당 연구 성과는 국내 특허로 출원되었으며 미국 화학회가 발행하는 세계 저명 학술지인 ACS Nano에도 게재되었습니다.

     

□ 나노섬유 얀 기반 색변화 센서 

염료를 결합하여 ppm 수준의 미량 황화수소 또는 암모니아 가스와 선택적으로 반응하여 색변화를 나타내는 나노섬유 얀 기반의 색변화 센서를 개발하였습니다. 얀 전기방사 용액에 기체에 반응하여 색이 변화하는 염료와 기체 흡착에 도움을 주는 이온성 액체를 첨가하여 1 ppm의 미량의 황화수소를 수십 초 이내에 감지할 수 있습니다. 본 연구는 별도의 전자 장비 없이 육안으로 손쉽게 특정 가스의 유무를 색변화를 통해 감지할 수 있다는 측면에서 실용성이 뛰어나며, 실 기반의 센서이기 때문에 스마트 의류 타입으로 적용이 가능하다는 장점이 있습니다. 본 연구는 그 우수성을 인정받아 미국 화학회가 발행하는 세계 저명 학술지 ACS Nano에 게재되었고, 2019 KAIST 기술 상용화를 위한 TOP2 기술로 선정되었으며, 이에 프로토타입 제작 비용으로 5000 만원의 기술개발 지원금도 수주하였습니다.

[엑솔루션을 통한 2차원 나노 소재 촉매 기능화, 갈바닉 치환 반응을 통한 2차원 나노 소재 표면 개질, 전도성 금속-유기 구조체 내부 단일/이종 금속 촉매 기능화,

Na와 Pt가 기능화된 WO3 나노 섬유를 이용한 날숨 분석 디바이스]