▲(왼쪽부터) 최민영 박사과정생, 배지인 석사졸업생, 원종빈 박사과정생, 소주희 박사, 구형준 교수

- 화학공학 분야 국제학술지 「Chemical Engineering Journal」 게재
- 상온에서 5 ppm의 저농도 톨루엔 감지 및 10,000회 반복 굽힘에도 안정적인 센싱 성능 후면

화공생명공학과 구형준 교수 연구팀(제1저자 최민영 박사과정생, 배지인 석사졸업생)이 미국 미시간대학교 원종빈 박사과정생 및 한국생산기술연구원 소재부품융합연구부문 소주희 수석연구원과의 공동연구를 통해, 상온에서 톨루엔을 선택적으로 감지할 수 있는 직물 기반 정전용량형(chemi-capacitive) 가스 센서를 개발했다.

이 연구 결과는 화학공학 분야 국제학술지인 「Chemical Engineering Journal」(I.F.: 12.5, JCR Ranking%: 4.0%)에 ‘Textile-b ased chemi-capacitive VOC sensor for selective toluene detection at room temperature’라는 제목으로 게재됐으며, 2026년 9월 11일 온라인 공개됐다.

휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs)은 산업안전과 대기질 관리 측면에서 지속적인 모니터링이 필요하다. 특히 톨루엔은 페인트, 접착제, 플라스틱 등에 널리 사용되지만, 장기간 노출 시 인체에 유해할 수 있어 신속하고 정확한 감지가 중요하다.

기존 금속산화물 기반 가스 센서는 높은 작동온도와 전력 소모가 요구되며, 단단한 전극과 기판으로 인해 웨어러블 소자로 활용하는 데 한계가 있다.

연구팀은 전도성 직물을 전극으로, PDMS를 유전체로 사용한 정전용량형 톨루엔 가스 센서를 개발했다. 톨루엔이 PDMS에 흡수되면 팽윤과 유전율 변화가 발생하고, 이에 따른 정전용량 변화를 통해 상온에서 톨루엔을 감지할 수 있다.
  ◎ 개발된 센서는 5∼1,000 ppm의 톨루엔 농도에서 선형적인 응답을 나타냈으며, 다양한 VOC 중 톨루엔에 가장 큰 정전용량 변화를 보여 높은 선택성을 나타냈다.
  ◎ 직물 전극의 높은 기체 투과성과 다공성 PDMS 구조를 통해 가스 확산을 촉진했으며, 다공성 유전체 적용 시 응답시간을 20% 이상 단축해 약 100초의 빠른 응답속도를 구현했다.
  ◎ 또한 반복적인 톨루엔 노출과 굽힘에서도 안정적인 성능을 유지했으며, 90° 조건에서 10,000회 반복 굽힘 후에도 감지 성능을 유지해 높은 기계적 내구성을 확인했다.

이번 연구에서 개발된 직물 기반 톨루엔 센서는 향후 웨어러블 유해가스 센서, 산업현장 안전 모니터링, 개인용 공기질 측정 시스템 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

해당 연구는 산업통상자원부 국제공동기술개발사업, 환경부 한국환경산업기술원(KEITI) 및 교육부 한국연구재단(NRF) 기초과학연구사업의 지원을 받아 수행됐다.

▲ 직물 기반 정전용량형 VOC 센서의 구조 및 주요 성능

(왼쪽) 직물 기반 VOC 센서의 구조 및 작동 원리 (가운데) 다양한 VOC에 대한 직물 기반 센서의 정전용량 변화 (오른쪽) 반복 굽힘에 따른 톨루엔 감지 성능 변화