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문제 정의
- 분자기반 센서는 감지물질의 종류에 따라 화학, 바이오, 광, 압력, 온도, 습도, 자기장 센서 등 다양하게 응용 가능할 것으로 예상되고 있다. 이 중에서 본 특집에서는 분자기반 화학/바이오/광 센서의 최근 연구 동향을 조사하고 차세대 웨어러블 소자로의 응용 가능성에 대해 살펴보고자 한다.
제안 방법
- 최근 본 연구팀과 김범준 교수 공동연구팀은 가교 기능기를 도입한 유기 반도체 고분자를 활용하여12 액체상의 유기용매의 종류를 직접적인 접촉으로도 안정적으로 감지할 수 있는 환경안정성 화학 센서에 대한 연구를 보고한 바 있다.10 가교된 반도체층 위에 컨테이너 분자를 도입함으로써 센서의 민감도와 선택도를 동시에 향상시켰고, 고분자 절연체와 기판재료를 사용하여 유연 소자도 함께 구현하였다. 이는 액체상의 유기용매를 직접적으로 감지한 최초의 결과로 학계에 큰 반향을 일으켰다(그림 4).
- 26 그 외에도 최근 본 연구팀과 김기문 교수 공동연구팀은 알츠하이머병의 바이오마커(biomarker) 역할을 할 수 있는 신경 전달 물질인 아세틸콜린(acetylcholine)을 선택적으로 감지할 수 있는 초분자체(supramolecule) (allyloxy) 12cucurbit[6]uril (AOCB[6])이라는 합성 수용기를 반도체의 표면 기능화 처리에 도입하였고, FET 방식의 바이오 센서의 높은 민감도뿐만 아니라 높은 선택성을 구현하였다.27 나아가 내수성이 좋은 유기 반도체와 유연한 기판 및 절연체를 이용하여 종래의 아세틸콜린 센서에 비하여 내수성과 유연성이 극대화된 센서로 응용하였다(그림 10). 특히 이 연구는 무효소 고성능 바이오 센서를 개발하여 높은 선택성과 민감도를 지니며 저비용으로 빠르고 간단히 체내 신경 전달 물질을 검출할 수 있는 차세대 센서로 응용 가능함을 입증하였다.
- 최근 본 연구팀과 조길원 교수 공동연구팀은 p-형 반도체로서 널리 알려진 펜타센(pentacene)과 좋은 계면을 이루는 유기 분자 절연체 m-bis(triphenylsilyl)benzene (TSB3)를 활용함으로써 펜타센 박막구조를 제어하였다. 특히 결정립계를 거의 가지지 않아 높은 결정성을 가지면서 동시에 나노다공성 특성을 가지는 박막을 활용하여 유연 센서를 제조하였고, 감지물질이 일반 박막 대비 전하 이동 채널층에 효과적으로 침투할 수 있도록 하여 메탄올 증기에 대해 높은 민감도와 빠른 응답속도를 확인하였다(그림 2).
- 최근 본 연구팀과 조길원 교수 공동연구팀은 p-형 반도체로서 널리 알려진 펜타센(pentacene)과 좋은 계면을 이루는 유기 분자 절연체 m-bis(triphenylsilyl)benzene (TSB3)를 활용함으로써 펜타센 박막구조를 제어하였다. 특히 결정립계를 거의 가지지 않아 높은 결정성을 가지면서 동시에 나노다공성 특성을 가지는 박막을 활용하여 유연 센서를 제조하였고, 감지물질이 일반 박막 대비 전하 이동 채널층에 효과적으로 침투할 수 있도록 하여 메탄올 증기에 대해 높은 민감도와 빠른 응답속도를 확인하였다(그림 2).6
- 플렉시블 및 웨어러블 전자소자의 핵심 요소로 여겨지고 있는 분자 재료 기반 센서의 최근 연구 동향 및 전망에 대해서 화학/바이오/광 센서 분야로 나누어서 살펴보았다. 유연성, 저비용, 대면적화 등의 장점을 가진 유기 전자소자를 기반으로 한 센서 응용 분야는 유기 재료의 분자 디자인의 용이성, 표면기능화의 용이성, 생체적합성, 뛰어난 광전자적 특성 등 여러 장점들을 활용하여 다양한 종류의 감지 물질을 아우르며 매우 활발하게 연구되고 있다.
성능/효과
- 센서의 활성층(active layer)을 구성하는 분자 재료와 감지물질은 분자 소재 활성층의 표면이나 결정립계(grain boundary)에서 수소 결합(hydrogen bonding), 소수성 상호작용(hydrophobic interactions), 전하 이동(charge transfer), 쌍극자-쌍극자 상호작용(dipoledipole interactions) 등의 다양한 상호작용을 할 수 있다.1 그 결과 감지물질은 센서 활성층 내부에서 전하 운반체(charge carrier)를 트랩(trap)시킬 수도 있고, 도핑(doping)시켜 활성층의 전기적 특성을 변화시킬 수 있다. 또한 분자 정렬구조를 변화시킬 뿐 아니라 전극/유기 재료 계면에 영향을 주어 전하 운반체의 주입(injection)/추출(extraction)에 변화를 줄 수도 있다.
- Contractor 교수 연구팀이 발표한 최초의 글루코스(glucose) 센서는 폴리아닐린을 기반으로 하였고 글루코스 산화효소(glucose oxidase)를 도입하여 제조된 센서에서의 성능이 2 mM의 검출 한계에 그쳤으나,17 poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonic acid) (PEDOT:PSS)를 기반으로 한 전기화학 트랜지스터 방식의 매우 민감한 혈당센서의 경우 5 nM의 매우 낮은 검출 한계를 구현하였다.18 글루코스 산화효소를 우수한 전기 촉매 특성을 가지는 나노물질로 변성된 백금 게이트 전극 상에 고정화시켜 센서의 성능향상을 이끌어낼 수 있었다(그림 6).
- Lambeth 교수 연구팀은 여러 종류의 폴리티오펜(polythiophene) 기반 공중합체(copolymer)를 사용하여 고 유기 박막 트랜지스터(organic thin-film transistor) 기반 화학 센서를 제조하였고, 다양한 극성을 갖는 증기상 유기 용매에 대한 센싱 특성을 고찰하였다.2,3 다양한 고분자 반도체 중 poly(3-hexylthiophene) (P3HT)은 극성 유기 용매(예: alcohol, acetone, methylene chloride, acetonitrile)에 양성 반응(positive response)을 보였고, 무극성 용매(예: toluene, benzene, hexane, cyclohexane)에는 음성 반응(negative response)을 보였다. 연구팀은 극성 용매가 P3HT의 결정립으로 침투되면 유발 쌍극자 모멘트(induced dipole moment)가 발생하여 평균 고분자 패킹 거리를 좁히는 경향이 있으며, 이는 고분자 사슬간 폴라론 호핑(interchain polaron hopping)을 증가시키기 때문에 고분자 박막의 전도도가 증가하고,4,5 반대로 무극성 용매의 침투에는 박막의 팽윤(swelling)현상이 발생하여 고분자 패킹 거리를 증가시켜 전도도 감소를 야기한다고 분석하였다.
- 20 플라즈마 화학증착(PE-CVD)로 고분자 반도체를 카르복실화시켜 바이오티닐화된 인지질의 아미노(amino) 그룹과 아미드(amide) 공유결합을 형성되게 유도하는 방법으로 10 nM의 특정 단백질을 검출할 수 있었다.
- 31 작은 밴드갭(약 0.4 eV)을 가지는 PbS 양자점을 도입함으로써 상대적으로 에너지가 큰 가시광선 영역까지 감응하던 P3HT 순수 나노와이어의 빛 감응범위가 근적외선까지 넓어지고, 광 센서의 반응 시간(response time)이 10초 이상에서 0.58초 이하로 크게 감소하였다.
- 나아가 이 기술이 상용화되면 식품이나 음료 품질검사에서 사람을 대신하여 비용과 시간을 크게 절약할 수 있을 것으로 기대된다. 그 외에도 전기방사법(electrospinning)을 통해 합성한 내부에 효소가 고정된 PEDOT 나노섬유(nanofiber) 기반 전류 측정형(amperometric) 바이오 센서는 나노섬유를 여러 개의 전극을 배열한 미세전극 어레이(microelectrode array) 표면에 부착시켜 같은 재료를 이용한 고분자 박막 기반 센서 대비 약 4배 이상(433%)에 이르는 높은 감도 및 증가된 수명시간(lifetime)을 구현할 수 있었다.22 이처럼 소자 상에 분석 대상 물질을 포착할 수 있는 특정 수용체의 화학적 변형 또는 특정의 효소고정화를 이용하여 바이오 센서를 구현하는 연구가 활발히 진행되어 오고 있는 추세이다.
- 본 연구팀은 n-형 유기 반도체, N,N'-bis(2-phenylethyl)-perylene-3,4:9,10-tetracarboxylic diimide(BPE-PTCDI) 단결정 나노와이어를 비용매 핵매개 재결정법으로 제조하였으며, BPE-PTCDI 나노와이어 기반의 유기 광 트랜지스터는 빛이 조사되지 않는 어두운 환경에서 최고 1 cm2/Vs 수준의 높은 이동도를 보임과 동시에 박막 유기 트랜지스터에 비해 높은 감광도, 점멸비, 외부양자 효율을 보이는 것을 관찰하였다.
후속연구
- 이는 액체상의 유기용매를 직접적으로 감지한 최초의 결과로 학계에 큰 반향을 일으켰다(그림 4). 나아가 본 연구결과를 활용하면 웨어러블 전자기기에 환경안정성/유연성 화학 센서를 도입할 수 있을 것으로 기대된다.
- 21 나노튜브 굵기를 머리카락 1,000분의 1로 아주 가늘게 만들어 1 fM의 쓴맛을 감지할 수 있는 높은 감도 및 선택성을 모두 지닌 고성능 센서를 제조하는 방식을 보고하였다(그림 8). 나아가 이 기술이 상용화되면 식품이나 음료 품질검사에서 사람을 대신하여 비용과 시간을 크게 절약할 수 있을 것으로 기대된다. 그 외에도 전기방사법(electrospinning)을 통해 합성한 내부에 효소가 고정된 PEDOT 나노섬유(nanofiber) 기반 전류 측정형(amperometric) 바이오 센서는 나노섬유를 여러 개의 전극을 배열한 미세전극 어레이(microelectrode array) 표면에 부착시켜 같은 재료를 이용한 고분자 박막 기반 센서 대비 약 4배 이상(433%)에 이르는 높은 감도 및 증가된 수명시간(lifetime)을 구현할 수 있었다.
- 나아가 광 센서는 우주 통신, 오존층 모니터링 및 UV 방사선 모니터링을 포함하는 고성능 자외선 검출기 개발과 같은 상업적, 군사적 응용을 위해 필수적인 소자로서 적용 분야에 따라 높은 선택성과 감광능력이 요구된다. 적외선 검출기 역시 원거리통신, 야간/생체 이미징 원격 감지(그림 12)41 등의 응용을 위해 반드시 개발되어야 할 기술이다.
- 27 나아가 내수성이 좋은 유기 반도체와 유연한 기판 및 절연체를 이용하여 종래의 아세틸콜린 센서에 비하여 내수성과 유연성이 극대화된 센서로 응용하였다(그림 10). 특히 이 연구는 무효소 고성능 바이오 센서를 개발하여 높은 선택성과 민감도를 지니며 저비용으로 빠르고 간단히 체내 신경 전달 물질을 검출할 수 있는 차세대 센서로 응용 가능함을 입증하였다.
- 특히, 사람과 사물, 사물과 사물 간의 지능통신 기술을 의미하는 사물인터넷(IoT) 기술이 진화하고 발전하면서 이에 대한 핵심이 되는 요소인 센서에 대한 수요가 급증하고 있는 추세이다. 플렉시블 및 웨어러블 고성능 센서 제조 기술은 앞으로 웨어러블 기기 및 사물인터넷의 발전을 견인할 것으로 예상된다.
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