사진=성균관대 황동목 교수

성균관대학교(총장 신동렬)는 신소재공학부 황동목 교수(교신저자) 연구팀이 성균나노과학기술원 정수호 박사(제1저자), 아주대학교 이재현 교수(교신저자) 등과 함께 기존의 이온 선택성 전계 효과 트랜지스터(ISFET)의 이론적 한계를 극복한 초고감도 그래핀 이온 센서 기술을 개발했다고 밝혔다.

사진=[그림] 나노결정성 그래핀 pH 센서의 센싱메커니즘

단원자 층의 탄소 육각구조로 이루어진 그래핀은 전기전도성이 뛰어나며 구성원자들이 모두 표면에 노출되어있어 이상적인 감지 물질로 여겨져 왔다. 하지만 결함의 밀도가 낮은 고결정성의 그래핀은 표면의 반응성이 매우 낮아 감지하고자 하는 물질(이온, 분자 등)이 그래핀 표면에 부착되기 어렵다는 치명적인 단점을 갖고 있었다.

이를 해결하고자 지금까지는 외부물질의 흡착력을 높여주기 위해 그래핀 표면에 인위적인 결함을 유도했다. 하지만 기계적 결함의 증가로 인해 그래핀이 가진 뛰어난 물성의 급격한 감소 현상이 동시에 발생됨으로써 여전히 이론적 감도 한계의 극복에 어려움을 겪고 있다.

이에 연구팀은 이온의 선택적인 투과가 가능한 결정립계(Grain Boundary) 결함의 밀도가 제어된 나노결정성 그래핀을 “핵성장 밀도 제어법”을 통해 구현했으며, 이를 활용하여 외부로 노출된 그래핀 표면에서만 이온을 감지하는 기존의 감지 메커니즘이 아닌 그래핀을 투과한 이온과 아래 기판의 반응을 통한 새로운 형태의 감지 메커니즘을 제시했다.

사진=[그림] 기판 상태에 따른 나노결정성 그래핀 pH 센서의 민감도 변화

연구결과, 나노결정성 그래핀 기반의 pH 센서는 기존의 그래핀 pH 센서와 차별화된 새로운 감지 메커니즘을 보였으며, 일반적 pH 센서의 한계 민감도인 Nernst limit 값(59mV/pH)을 뛰어넘어 최적화된 조건에서 약 140mV/pH 정도의 민감도를 갖는 고감도 그래핀 pH 센서를 구현했다.

황동목 교수는 “본 연구는 결정립계 결함의 밀도가 제어된 고품위의 나노결정성 그래핀 소재를 통해 이론적 한계를 뛰어넘은 새로운 감지 메커니즘을 제시한 첫 사례”이며 “향후 사물인터넷(IoT) 기기나 의료진단기기에 적용 가능한 고감도 반도체 이온센서로 발전 가능성을 제시한 것으로 기대를 모으고 있다”고 말했다.

연구결과는 세계적 권위지인 ‘나노 레터스 (Nano Letters, IF=11.238)’ 21권 1호에 1.13(수) 수록되었으며, 표지 논문으로 선정되었다. 본 연구는 한국연구재단의 중견연구(NRF-2017R1A2B2010663), 기초연구실사업(NRF-2020R1A4A4079397)의 지원으로 수행되었다.

※ 논문명 : Super-Nernstian pH Sensor Based on Anomalous Charge Transfer Doping of Defect-Engineered Graphene