라디칼 음이온 형성 원리
아주대학교 김종현·권오필 교수팀이 울산과학기술원 연구팀과 함께 유기 반도체 기반의 고성능 암모니아 검출 가스센서 개발에 성공했다.
연구팀은 암모니아(NH3) 가스와 선택적으로 ‘안정성 라디칼 음이온’을 형성할 수 있는 특성의 라일렌(rylene) 기반 유기 반도체 소재를 선택했다.
라일렌 구조의 유기 반도체 소재가 암모니아 가스에 노출될 경우, 분자 간 전하이동 반응을 통해 안정성 라디칼 음이온이 형성되는 현상과 함께 전류 값 증폭 및 광흡수 변화가 나타나는 것을 발견했다.
연구팀은 이를 이용해 암모니아 가스를 200ppb(10억분의 1) 수준의 극미량까지 감지하며 동시에 암모니아 가스로부터 1700%의 전류 증폭 성능을 보이는 고성능의 가스센서 개발에 성공했다.
암모니아 가스는 특정 농도 이상을 장시간 흡입할 경우 두통, 구토, 기침 및 호흡곤란 증상을 일으키는 유해물이다.
암모니아 가스 검출 기술에는 반도체 소재의 저항변화를 통한 기술이 사용돼왔다.
문제는 무기 반도체 소재는 센서 제작을 위한 소자 제작과정이 복잡하고 비용이 많이 투입된다는 점이다.
또 유기 반도체 소재는 검출력과 검출선택성에서 한계가 있었다.
연구팀은 암모니아 가스 분자와 라일렌 유기 반도체 분자 간에 발생하는 효율적인 전하이동반응 원리를 양자 계산으로 증명하여 센서의 원리와 소재 설계 원리도 함께 제안했다.
이번에 개발된 유기 반도체 소재는 합성 공정이 매우 간단하고 극미량의 암모니아 가스만으로도 증폭된 전류신호를 얻을 수 있는 만큼 제작비용의 경감과 검출력 한계를 극복한 차세대 고감도 유해가스 센서라는 평가를 받고 있다.
연구 결과는 소재 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔날 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 7월 27일자 온라인판에 게재되었다.
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