일회용 커피봉지 봉제선의 구조와 유사한 광결정-실리콘 복합체 구조의 개념도. 연구진은 박막형 센서 제작을 위해 ‘나노 규모 이지-컷 공정’을 고안해 냈다.

국내 연구진이 커피포장지를 뜯는 간편한 행동에 착안해 일상속에서 색 변화를 통해 유해물질 여부를 간편하게 확인할 수 있는 기술을 개발했다.

한국연구재단은 지난 11일 박정열 서강대학교 교수, 김태성 울산과학기술원 교수 공동 연구팀이 고속 응답하는 색변화 기반 무전원 휘발성 유기화합물 검지 센서를 개발했다고 밝혔다.

휘발성 유기화합물은 악취 및 오존을 발생시킬 뿐만 아니라 신경계 장애를 유발하는 발암물질이다.이를 측정할 수 있는 기체크로마토그래피 질량·분석기나 광 이온화 검출기 등의 장비는 규모가 크고 전원을 필요로 하므로 현장 분석에서 사용하기에 불편함이 있다.

특수한 빛만 반사시키고 다른색은 모두 흡수하는 자연모사 기술 중 하나인 광결정을 이용해 휴대할 수 있는 무전원 센서를 개발하려는 시도들이 있었지만, 반응 속도가 느리고 감도가 낮아서 기체 상태의 유해물질을 검지할 수 없는 한계가 있었다.

이에 연구팀은 일회용 커피 포장의 이지-컷(Easy cut) 기술에서 영감을 얻어, 센서의 반응을 저해하는 잔류물질이 쉽게 떨어져 나가는 ‘나노 규모 이지-컷 공정(Nanoscale easy tear, NET)’을 고안해냈다.

연구진은 휘발성 유기화합물과 반응해 팽윤하는 실리콘 물질(PDMS)을 활용했다.

나노규모의 이지-컷 공정(NET)을 통해 실리콘에 기계적 전단응력을 가했을 때 커피 봉지의 봉제선처럼 광결정구조와 잔여 실리콘 물질을 깔끔하게 떨어뜨릴 수 있음을 이론적·실험적으로 규명했다.

이를 통해 광결정-실리콘 복합구조가 직접적으로 유해물질에 노출되어 반응속도와 민감도가 획기적으로 개선된다. 실리콘이 유해물질에 의해 팽윤함에 따라 결정구조 간격이 변하면서 센서의 색이 변하게 된다.

연구팀은 나아가 유해물질 검지용 센서 이외에 지능형 하이드로젤 기반의 광결정 습도센서를 제작하여 NET 공정으로 다양한 광결정 화학센서의 개발 및 성능 향상이 가능함을 확인했다.

박정열 교수는 “색 변화로 수 초 이내에 기체 상태의 유해물질을 검지할 수 있어 누구나 쉽게 육안으로 환경을 모니터링을 할 수 있을 것”이라며 “나아가 다양한 지능형 하이드로젤을 활용하여 광결정 기반의 복합형 센서를 개발함으로써, 여러 환경오염원의 동시 검출이 가능하다”라고 연구의 의의를 설명했다.

한편, 이 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(기초연구실) 지원으로 수행되었으며 국제학술지 사이언티픽 리포트(Scientific reports) 3월 28일 논문으로 게재됐다.