서로 다른 크기의 기공을 유기적으로 연결한 나노구조체를 합성해 기존 감응소재에 비해 가스감도가 10배 이상 향상된 초고감도 가스센서가 개발돼 주목을 받고 있다.

이종흔 교수 연구팀(고려대)은 미래창조과학부 기초연구사업 지원으로 이번 연구를 수행했으며, 이 연구는 세계적인 권위의 네이처 자매지인 NPC 아시아 머티리얼스(NPC Asia Materials)에 게재돼 더욱 눈길을 끌고 있다.

가스센서는 유해가스 등에 의한 안전사고 방지, 식품 ·수산물의 품질과 신선도 판별, 실내외 환경모니터링 등에 활용되고 있다.

특히 유해 위험가스는 ppm 단위의 저농도인 경우가 많아 초고감도의 센서 설계가 매우 중요해 가스센서의 감도를 높이고, 반응속도를 빠르게 하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.

산화형 반도체형 가스센서의 가스감응은 대부분 감응물질의 표면에서 발생하며 가스감도를 증가시키기 위해서는 입자의 크기를 수~수시 나노미터(nm)크기로 줄이는 것이 필요하다.

그러나 입자가 작아질 경우 입자 간 응집이 심해져 가스가 응집된 입자들 내부로까지 확산되는데 장시간이 필요하거나 가스확산이 어려워 가스감도가 크게 저하되는 문제점이 발생해왔다.

이종흔 교수는 “이같은 문제를 해결하기 위해 다공성 나노구조체가 가스 확산이 용이한 감응물질로 주목받고 있으나 학계에 보고되고 있는 다공성 나노구조체는 기공이 너무 작아 크누센 확산이 저하되거나 기공이 너무 커 비표면적의 증가가 미미해 가스감도가 낮은 경우가 대부분이었다”고 설명했다.

3차원 기공 연결 구조의 모습. 이종흔 교수 연구팀은 나노, 메조, 마크로 기공이 유기적으로 연결돼 있어 가스 및 이온의 확산이 유리하므로, 다양한 에너지·환경소자에 응용할 수 있다고 설명했다.

이에따라 이종흔 교수 연구팀은 각기 다른 장점을 가지고 있는 기공(나노 및 마크로 기공)들을 메조크기 직경의 1차원 구조 카본나노튜브(CNT) 템플레이트로 유기적으로 연결, 각 기공이 가지는 한계를 극복하고 장점을 극대화하는데 주력했다.

그 결과 연구팀은 금속염(Sn), 카본나노튜브(CNT), 폴리스티렌 비드가 분산된 용액을 고온에서 초음파 분무 열분해해 나노, 메조, 마크로 기공을 3차원적으로 연결된 산화주석 기공 연결 구조를 합성하고 이를 이용해 초고감도 가스센서를 구현하는데 성공했다.

이 교수는 “연구팀이 제시한 기공연결구조 가스감도는 기존에 학계에 보고된 기타 다공성 나노구조의 가스감도에 비해 최소 10배 이상 증가한 결과로 고가의 귀금속 촉매의 첨가 없이 기공제어만으로도 초고감도를 나타내는 센서를 설계할 수 있음을 보여준다”며 “이같은 기공연결구조 설계기법은 다양한 감응물질에 적용돼 가스센서 전반에서 범용적으로 활용될 수 있는 원천 기술로 그 의미가 크다”고 말했다.

연구팀에서 제안한 초음파 분무 열분해법은 원료물질을 녹여 용액을 제조하고 이를 초음파 분무 열분해 하는 것만으로도 하루에 수~수십g 단위 이상 양질의 나노구조체를 다량으로 합성할 수 있다.

이 교수는 “이번 연구는 새로운 상상력을 바탕으로 서로 다른 크기의 기공을 연결한 것으로 음주측정기, 인공후각, 환경모니터링 등 가스센서를 기반으로 하는 다양한 응용 분야는 물론 에너지·환경소자 등에 널리 적용할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

 < 출처  :  아시아에너지경제 >