광운대, 3차원 다공성 그래핀 활용 암 진단 센서 개발

광운대학교는 최근 박재영 교수 연구팀이 다양한 웨어러블 의료·헬스케어 센서 및 에너지 저장 소자 개발에 핵심 기술인 3차원 다공성 그래핀 유연전극 소재를 개발했다고 20일 밝혔다.

이 기술은 레이저 가공과 코팅 기술만을 이용해 소재 및 디바이스를 제작할 수 있다. 저가화와 대량생산이 가능해 상용화 실현이 높은 기술로 평가받고 있다.

최근 레이저로 제작된 3차원 다공성 그래핀(3D porous graphene, 3DPG) 전극 소재의 독특한 구조와 우수한 열 전도성, 우수한 전기 전도성 등으로 바이오 센서 및 에너지 저장 소자 분야에 대한 연구가 활발하게 이뤄지고 있다.

하지만 레이저 가공기술로 만들어진 3차원 다공성 그래핀 플레이크(Flakes)는 상호 연결이 불안정해 전기 전도성이 일정하지 않고, 기계적 강도가 약해 상용화 기술로는 한계가 있었다.

또한 이를 이용한 센서 및 에너지 저장소자의 반복적인 구부림 사용이 있을 경우 구조적 변형이 유발돼 전기 전도성을 크게 감소시켰다.

그동안 우수한 기계적 유연성과 생체 적합성을 갖는 2D 나노 물질인 포스포린(Phosphorene, Ph)을 3차원 다공성 그래핀에 코팅하는 연구가 이뤄졌다. 그러나 이 물질은 외부 환경에 노출될 때 성능 저하와 구조적 손상이 쉽게 발생하는 단점을 가졌다. 또 활성 기능성 그룹이 없어 우수한 성능의 센서 및 에너지 저장 소자를 구현하는데 한계가 있었다.

박 교수팀은 폴리아지리딘(polyaziridine, PAZ)으로 캡슐화한 포스포린을 3차원 다공성 그래핀에 코팅함으로써 불균일한 전기 전도성과 쉽게 변형되는 구조 문제를 해결했다.


폴리아지리딘을 사용한 비 공유 캡슐화 기술은 포스포린의 환경 노출시 불안정성, 자가 응집 및 재 적층, 활성 기능성 그룹의 부족, 커피 링 효과를 경감시키는데 효과적이었다.

또한 2D 포스포린과 3D 다공성 그래핀을 연결하는 가교(bridging) 효과를 통해 전극소재의 전기화학적 특성과 표면 활성 기능성을 향상시켰다.

연구팀은 폴리아지리딘으로 캡슐화한 포스포린이 코팅된 3차원 다공성 그래핀 유연전극 소재를 이용해 고성능의 웨어러블 암 진단 센서, 심전도(ECG) 센서, 마이크로 수퍼캐패시터 등을 성공적으로 개발했다.

암 진단 센서는 0.1-700pgmL-1및 1-100ngmL-1의 선형 범위와 0.34pgmL-1의 검출한계, 높은 선택성을 보였다. 손가락 접촉 기반 심전도 센서는 피부 전극 인터페이스에서 상대적으로 낮고 안정적인 임피던스를 나타냈다.

측정된 센서의 신호 대 잡음비(13.5dB)는 Ag/AgCl 상용전극(13.9dB) 센서와 유사했으며 마이크로 수퍼커패시터는 16.94mF cm-2의 우수한 정전용량 특성을 나타냈다.

이번 연구 결과는 한국 연구재단 바이오의료기술개발사업(NRF-2017M3A9F1031270)과 산업통상자원부 나노융합산업핵심기술개발사업(20000773)의 지원으로 이뤄졌다.

연구 성과는 세계 최고의 기능성 소재 및 소자 연구 전문저널인 독일 와일리 (Wiley)에서 출판하는 어드벤스드펑셔널머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF:18.808) 2021년도 6월호에 표지 논문으로 게재됐다.