국내 연구팀, 가스 감지 10배 이상 높인 초고감도 센서 개발

↑ 고려대 이종흔 교수

국내 연구팀이 기존 감응소재에 비해 가스감도가 10배 이상 향상된 초고감도 가스센서를 개발했다.
고려대 이종흔 교수 연구팀은 서로 다른 크기의 기공을 유기적으로 연결한 나노구조체를 합성해 새로운 가스센서를 구현했다. 미래창조과학부 기초연구사업의 지원을 받은 이번 연구는 네이처 자매지인 ‘NPG 아시아 머티리얼스’ 11일자에 게재됐다.
가스센서는 유해가스 등에 의한 안전사고 방지, 식품·수산물의 품질과 신선도 판별, 실내외 환경 모니터링 등 다양한 분야에 활용되고 있다.
유해 위험가스는 PPM 단위의 저농도인 경우가 많기에 초고감도 센서 설계가 매우 중요하다. 가스센서의 감도를 높이고 반응속도를 높이기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.
가스센서에서 관건은 기공의 크기다. 기공이 작으면 비표면적이 커져 가스감응엔 어렵지만 가스의 확산이 어렵다. 반대로 기공이 크면 가스 공급은 쉽지만 비표면적이 작아 가스감도를 높이기 어렵다. 연구팀은 가스확산이 용이하면서도 비표면적이 큰 기공 간 연결구조 설계가 중요하다는 점에 주목했다.
연구팀은 이를 위해 높은 비표면적을 구현할 수 있는 나노구조체를 설계하기로 했다. 일반적인 나노구조체에 존재하는 나노기공은 그 크기가 너무 작아 가스 확산의 원리상 가스의 유출입을 제한하고 가스감도를 크게 떨어뜨리는 문제가 있다. 50나노미터 이상의 마크로 기공은 가스 확산을 크게 증가시키지만 비표면적의 크기가 크지 않아 가스감도를 올리기 어렵다.
연구팀은 두 기공의 한계를 극복하면서도 장점을 극대화하기위해 나노 기공과 마크로 기공을 구형 구조 내부에 형성하고 이를 메조 크기의 지름(20나노미터)을 가지고 길이가 긴 원기둥 모양의 탄소나노튜브(CNT) 템플레이트를 이용해 서로 연결했다. 그 결과 나노 기공, 선형 메조기공, 구형 마크로 기공이 동시에 존재하면서 기공들이 3차원으로 연결된 구조를 만들 수 있었다.
연구팀이 5PPM의 에탄올을 가지고 실험한 결과 새롭게 만든 센서는 가스감도가 316배였다. 기존 센서에 비해 감도가 10배 이상 높은 것으로 현재까지 보고된 결과 중에서 가장 높은 것이다.
이 교수는 “새로운 상상력을 바탕으로 서로 다른 크기의 기공을 연결한 것으로 음주측정기, 인공후각, 환경모니터링 등 가스센서를 기반으로 하는 다양한 응용 분야 및 에너지·환경소자 등에 널리 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의의를 설명했다.
[이영욱 기자]