성균관대 화화과, 수 초 내 폭발물 99% 이상 감지하는 형광 고분자 센서 개발 … 저비용·고효율 차세대 솔루션 주목

성균관대학교는 화학과 배한용, 송창식, 김태연 교수 공동 연구팀이 차세대 클릭화학 기술인 서펙스(SuFEx, Sulfur(VI) Fluoride Exchange·황 불화물 교환) 반응을 기반으로 고성능 형광 고분자 센서를 개발했다고 3일 밝혔다. 이 센서는 트라이나이트로톨루엔(TNT), 다이나이트로톨루엔(DNT)과 같은 대표적 폭발물을 수 초 이내에 99% 이상 감지할 수 있는 형광 소광 성능을 보인다. 기존 센서보다 월등한 감도와 신속성을 입증했다.

연구팀은 전자 수용체인 폭발물과의 상호작용을 극대화할 수 있는 새로운 고분자 구조(SP 시리즈)를 설계해 기존 형광 센서의 한계였던 낮은 선택성, 느린 반응속도, 복잡한 합성 과정을 극복했다. 대표적으로 개발된 SP-7 고분자는 눈으로도 식별 가능한 강력한 형광 소광 반응을 유도하며, 현장에 실질적으로 적용할 수 있는 감지 기술로 주목된다.

특히 연구팀은 얇은층 크로마토그래피(TLC) 기반의 현장형 감지 시스템을 함께 구현해 값비싼 장비 없이도 폭발물 감지가 가능한 고효율 솔루션으로써 실용 가능성을 입증했다. 해당 기술은 공공안전, 국방, 테러 대응 등 다양한 분야에서 빠르고 정확한 현장 대응을 가능케 할 것으로 기대된다.

배 교수는 "이번 연구는 서펙스 반응과 고분자 센서 기술, 수용액 기반 유기촉매 합성을 통합한 신개념 감지 시스템으로, 자연 모방형 소재 설계와 실용기술을 성공적으로 융합했다"며 "공공안전과 국방 분야에서 핵심 기술로 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

송 교수는 "SP 고분자는 우수한 필름 형성력과 높은 형광 효율, 뛰어난 감지 특성을 모두 갖춘 물질로, 실제 현장 센서로 활용될 가능성을 보여줬다"고 부연했다.

김 교수는 "SP-7의 전자 이동 효율이 시간-분해 분광학 데이터와 계산화학적으로 입증됐으며 이는 기존 감지소재를 뛰어넘는 성능의 근거가 된다"고 설명했다.

이번 연구 결과는 소재, 에너지, 의약, 환경 등 첨단 과학기술 분야의 권위 있는 국제학술지 '첨단 과학(Advanced Science)'에 지난달 11일 게재됐다. 이선부 박사과정생, 허재영 석사졸업생, 노승현 박사과정생이 공동 제1저자, 배한용·송창식·김태연 교수가 공동 교신저자로 참여했다.

이번 연구는 성균관대 화학과와 방위산업체 PNL 글로벌 간 공동연구로 진행됐다. 국방과학연구소(ADD) 미래도전 국방기술 연구개발 사업과 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.