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정밀도 12배 높아진 초고성능 가스 센서 개발

당뇨병 호흡 진단 가능하고 미세한 대기오염도 검출 가능

기사입력 2016-11-06 09:15:25
정밀도 12배 높아진 초고성능 가스 센서 개발


[산업일보]
한국연구재단은 김형준 교수 연구팀이 이차원 소재인 이황화텅스텐(WS2)을 이용해 적은 양의 아세톤과 이산화질소 분자를 검출할 수 있는 초고성능 가스센서를 개발했다고 밝혔다.

이차원 소재는 부피에 비해 표면적이 넓어 주변 환경에 민감하게 반응한다. 최근 이를 이용해 가스 센서로 응용하려는 연구가 활발하다. 가스 센서는 생활 속에서 대기오염을 측정하거나 산업·연구 현장에서 가스 누출을 확인할 때 유용하게 쓰인다.

최근까지 이차원 소재로는 가스 노출의 반응 여부만 확인 가능했다. 특정 가스를 잡아내는 가스 센서로의 상용화를 위해서는 특정 가스의 검출 원리와 검출 기능 향상 방법에 대한 연구가 필요하다.

이차원 소재는 박막 제작 시 층수(두께)에 따라 전기적 특성이 달라져 균일한 층수로 합성해야 한다. 기존에는 화학 기상 증착법을 통해 제작돼 왔으나, 이는 대면적으로 균일한 층수의 박막을 만들기 어렵다.

연구팀은 이차원 이황화텅스텐 합성 기술을 토대로 은 나노선을 도입해 아세톤과 이산화질소 분자를 1ppm 이하 농도에서 검출 가능한 3nm(나노미터) 두께의 가스 센서를 개발했다.

이차원 소재로 만든 센서가 나노미터급으로 얇아지게 될수록 초소형 센서 제작에 용이하며 유연소자에도 적용이 쉬워진다.

연구팀은 산화텅스텐 박막을 황화공정을 통해 10cm 이상의 층수가 균일한 이황화텅스텐을 합성했다. 특정 가스에 대한 반응성을 높이기 위한 이황화텅스텐의 표면 처리를 위해, 은 나노선을 이염화구리 매개 폴리올 공정기반으로 합성했다. 이 합성물에 은 나노선을 균일하게 코팅했다.

위 가스 센서는 상당히 낮은 농도인 0.5ppm의 아세톤을 검출할 수 있다. 이는 기존 센서보다 1천 배 향상된 성능이다. 향상된 센서는 비혈액검사를 통한 당뇨 진단 시 유용하다. 당뇨 환자의 호흡 중에는 1.8ppm 이상의 아세톤이 포함되기 때문이다.

또한 은의 촉매 반응에 의해 이산화질소의 검출 특성이 기존보다 12배(52%▶667%로 증가) 향상됐다.

김형준 교수는 “해당 연구는 향후 초민감 가스 센서의 주된 연구방향 중의 한 줄기가 될 것”이라며 “이번 개발이 향후 무선 통신 기술과 결합해 한층 진보한 사물 인터넷(IoT)의 웨어러블 센서 기술로 활용되길 기대한다”라고 연구의 의의를 밝혔다.
김진성 기자 weekendk@kidd.co.kr

안녕하세요~산업1부 김진성 기자입니다. 스마트공장을 포함한 우리나라 제조업 혁신 3.0을 관심깊게 살펴보고 있으며, 그 외 각종 기계분야와 전시회 산업 등에도 한 번씩 곁눈질하고 있습니다.

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