개발된 복합소재를 이용한 환경물질 및 생체물질 검출의 전반적인 개략도(사진. 한국재료연구원)

과학기술정보통신부 산하 정부출연연구기관인 한국재료연구원(KIMS) 나노표면재료연구본부 전기화학연구실 이규환 박사(과학기술연합대학원대학교(UST) 신소재공학과 교수) 연구팀은 일상생활 속에서 접하기 쉬운 제품에 포함된 인체 유해 환경호르몬인 비스페놀A와 체내 유해 활성 산소인 과산화수소를 동시에 감지 가능한 전기화학 센서를 세계 최초로 개발하는데 성공했다.

‘비스페놀A’는 내분비계 독성을 갖고 있어 내분비계 장애물질, 생식독성물질, 고위험우려물질 후보군 등으로 지정되어 있다. 밀폐용기, 젖병, 캔, 생수통, 영수증 용지, 비닐 등 생활 속에서 쉽게 접할 수 있는 제품에 포함된 유독물질이다. 불임, 유방암, 성조숙증 등 다양한 질환의 원인이기도 하다. 또한 유해 활성 산소인 ‘과산화수소’는 산소가 인체 내에서 에너지를 생성할 때 영양소와 결합하는 과정에서 만들어진다. 세포의 신호전달체계를 무너뜨리고 면역을 낮춰 당뇨병, 동맥경화, 암 등의 질병으로 이어지기도 쉽다. 이 때문에 이를 실시간으로 감지하기 위한 센서는 그 이용 가치가 크다고 할 수 있다.

기존 전기화학 센서에 사용되는 촉매소재의 기술은 그동안 산화 또는 환원 등 하나의 반응만을 이용해 물질을 감지하는 한계를 갖고 있었다. 본 연구팀은 팔라듐 나노입자를 3D그래핀 에어로젤에 도입하는 방식을 이용해 팔라듐이 비스페놀A와 과산화수소 두 물질의 산화 및 환원반응을 촉진하는 촉매로 작용하도록 했다. 이를 통해 팔라듐이 나노몰(nM, 1몰의 1000분의 1) 수준의 매우 낮은 농도에서도 이를 동시에 검출할 수 있음을 확인했다.

연구팀은 간단한 열처리 과정을 통해 3D형태의 그래핀-전도성고분자-팔라듐 나노입자 복합소재를 합성했다. 복합소재는 3D형태에 수많은 다공성을 보유하고 있어, 넓은 표면적과 물질 수송에 유리해 유해 물질의 감지에 뛰어난 성능을 보여줬다. 특히 양전하를 띠는 전도성고분자로 인해 감지소재의 안정성을 향상시키고, 팔라듐 나노입자의 균일한 결합을 유도함으로써 넓은 검출범위를 얻을 수 있었다.

우리나라뿐만 아니라 세계 각국은 비스페놀A의 위험성에 따른 엄격한 안전관리 기준을 마련하고 있으며, 용출이 의심되는 경우 용기포장의 수입 및 제조를 전면 금지하는 추세이다. 유해 활성 산소 또한 위험성으로 인해 인체 내 미량의 과산화수소를 검출하기 위한 기술이 요구된다. 현재 전기화학 센서 기술 분야의 세계 시장 규모는 연간 6조 6,190억 달러(＄USD)로 평가되고 있으며 2025년까지 11.4%의 연평균 성장률을 보일 것으로 예상된다.

연구책임자인 이규환 책임연구원은 “실시간 현장 모니터링이 가능한 전기화학 센서의 국산화 기술은 환경, 산업, 의료, 농업 등 다양한 분야에서 지속적으로 요구되어 왔다.”며, “이번 연구 결과를 바탕으로 여러 유해물질을 동시 측정할 수 있는 다중측정 전기화학 센서 시스템을 개발해, 일상생활 속 유해물질을 저렴하고 신속하게 모니터링 할 수 있도록 계속해서 노력하겠다.”라고 말했다.

본 연구성과는 밀양시의 지원을 받아 ‘스마트 농축산업 구축을 위한 고감도 실시간 전기화학센서 소재 개발 및 응용’ 과제로 수행됐다. 또한 본 연구결과는 재료 및 화학분야 세계적인 학술지인 케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF=13.273)에 3월 1일자로 게재됐다. 연구팀은 다양한 유해 물질을 동시에 감지할 수 있는 다중측정 전기화학 센서 개발을 위해 후속 연구를 계속해서 진행 중에 있다.