최근 레이저로 제작된 3차원 다공성 그래핀(3D porous graphene, 3DPG) 전극 소재의 독특한 구조와 우수한 열 전도성, 높은 표면적, 우수한 전기 전도성으로 인해 바이오 센서 및 에너지 저장 소자 분야에 응용 및 활용을 위한 연구가 많이 이루어지고 있다. 하지만 레이저 가공기술로 만들어진 3차원 다공성 그래핀 플레이크(Flakes)는 상호 연결이 불안정하여 전기 전도성이 일정하지 않고, 기계적 강도가 약해서 상용화 기술로는 한계가 있었다.

또한 이를 이용한 센서 및 에너지 저장소자의 반복적인 구부림 사용이 있을 때에는 구조적 변형이 크게 유발되어 전기 전도성을 크게 감소시켰다. 이를 해결하기 위해 우수한 기계적 유연성과 생체 적합성을 갖는2D 나노 물질인 포스포린(Phosphorene, Ph)을 3차원 다공성 그래핀에 코팅하는 연구가 이루어졌지만, 이 물질은 외부 환경에 노출될 때에 성능 저하와 구조적 손상이 쉽게 발생하고 활성 기능성 그룹이 없기 때문에 우수한 성능의 센서 및 에너지 저장 소자를 구현하기에는 한계가 있어왔다.

이에 박재영 교수팀은 폴리아지리딘(polyaziridine, PAZ)으로 켑슐화한 포스포린을 3차원 다공성 그래핀에 코팅함으로써 불균일한 전기 전도성, 쉽게 깨지거나 변형되는 구조 문제를 성공적으로 해결하였다. 폴리아지리딘(PAZ)을 사용한 비 공유 캡슐화 기술은 포스포린의 환경 노출 시 불안정성, 자가 응집 및 재 적층, 활성 기능성 그룹의 부족, 커피 링 효과를 경감시키는데 효과가 매우 컸다. 또한 2D 포스포린과 3D 다공성 그래핀을 연결하는 가교 (bridging) 효과를 통하여 전극소재의 전기화학적 특성과 표면 활성 기능성을 크게 향상시켰다.

또한 본 연구팀은 폴리아지리딘으로 켑슐화한 포스포린이 코팅된 3차원 다공성 그래핀 유연전극 소재를 이용하여 고성능의 웨어러블 암 진단 센서, 심전도(ECG) 센서, 마이크로 수퍼캐패시터를 성공적으로 개발하였다. 암 진단 센서는 0.1-700pgmL-1및 1–100ngmL-1의 선형 범위와 0.34pgmL-1의 검출한계, 그리고 높은 선택성을 보였다. 손가락 접촉 기반 심전도 센서는 피부 전극 인터페이스에서 상대적으로 낮고 안정적인 임피던스를 나타냈고, 측정된 센서의 신호 대 잡음비(13.5dB)는 Ag/AgCl 상용전극(13.9dB) 센서와 유사하였다. 또한 마이크로 수퍼커패시터는 16.94mF cm-2의 우수한 정전용량 특성을 나타냈다. 이러한 결과는 본 연구에서 개발한 3차원 다공성 유연전극 소재의 우수한 특성과 대량생산이 가능한 제작 공정기술이 다양한 산업 분야에서 크게 활용될 수 있음을 입증하였다.

한편, 이번 연구는 한국 연구재단 바이오의료기술개발사업(NRF-2017M3A9F1031270)과 산업통상자원부 나노융합산업핵심기술개발사업(20000773)의 지원을 받아 수행되었다. 연구 성과는 세계 최고의 기능성 소재 및 소자 연구 전문저널인 독일 와일리 (Wiley)에서 출판하는 어드벤스드펑셔널머티리얼즈(Advanced Functional Materials, IF:18.808) 2021년도 6월호에 표지논문으로 게재되었다.

https://doi.org/10.1002/adfm.202009018