광운대(총장 유지상)는 박재영 교수 연구팀이 3차원 다공성 그래핀 유연전극 소재 및 이 기술을 활용한 암 진단 센서 개발에 성공했다고 20일 밝혔다.
개발된 기술은 레이저 가공과 코팅 기술만을 이용해 소재 및 디바이스를 제작할 수 있어 상용화 가능성이 높은 기술로 평가된다.
최근 레이저로 제작된 3차원 다공성 그래핀(3DPG) 전극 소재 독특한 구조와 우수한 열 전도성, 높은 표면적, 우수한 전기 전도성으로 인해 바이오 센서 및 에너지 저장 소자 분야에 활발한 연구가 이뤄지고 있다. 하지만 레이저 가공기술로 만들어진 3차원 다공성 그래핀 플레이크는 상호 연결이 불안정해 전기 전도성이 일정하지 않고, 기계적 강도가 약해 상용화 기술로는 한계가 있었다.
또 센서 및 에너지 저장소자의 반복적인 구부림 사용이 있을 때에는 구조적 변형이 유발돼 전기 전도성을 감소시켰다. 이를 해결하기 위해 우수한 기계적 유연성과 생체 적합성을 갖는 2D 나노 물질인 포스포린을 3차원 다공성 그래핀에 코팅하는 연구가 이뤄졌다. 이 물질은 외부 환경에 노출될 때에 성능 저하와 구조적 손상이 쉽게 발생하고 활성 기능성 그룹이 없어 한계가 있어왔다.
박재영 교수팀은 폴리아지리딘으로 켑슐화한 포스포린을 3차원 다공성 그래핀에 코팅함으로써 불균일한 전기 전도성, 쉽게 깨지거나 변형되는 구조 문제를 성공적으로 해결했다 폴리아지리딘을 사용한 비 공유 캡슐화 기술은 포스포린의 환경 노출 시 불안정성, 자가 응집 및 재 적층, 활성 기능성 그룹의 부족, 커피 링 효과를 경감시키는데 효과가 컸다. 또 2D 포스포린과 3D 다공성 그래핀을 연결하는 가교 효과로 전극소재 전기화학적 특성과 표면 활성 기능성을 향상시켰다.
연구팀은 폴리아지리딘으로 켑슐화한 포스포린이 코팅된 3차원 다공성 그래핀 유연전극 소재를 이용해 고성능 웨어러블 암 진단 센서, 심전도(ECG) 센서, 마이크로 수퍼캐패시터를 개발했다. 이는 3차원 다공성 유연전극 소재 우수성과 대량생산이 가능한 제작 공정기술이 다양한 산업 분야에서 크게 활용될 수 있음을 입증했다.
이번 연구는 한국 연구재단 바이오의료기술개발사업과 산업통상자원부 나노융합산업핵심기술개발사업 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 세계 최고의 기능성 소재 및 소자 연구 전문저널인 독일 와일리에서 출판하는 어드벤스드펑셔널머티리얼즈 6월호에 표지논문으로 게재됐다.
김명희기자 noprint@etnews.com
