기존 센서보다 감도 10배 높은 가스센서 개발

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

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

작은 기공은 비표면적이 커서 가스감응에는 유리하지만 가스 확산이 매우 어렵다. 반면 큰 기공은 가스 공급이 상대적으로 쉬우나 비표면적이 작아 가스감도를 높이기 어렵다. 이러한 점에 착안해 연구팀은 가스 확산이 용이하면서도 비표면적이 큰 기공 간 연결구조 설계가 필요함을 알게 됐다.

고감도의 반도체형 가스센서를 구현하기 위해서는 높은 비표면적을 가지는 나노 구조체를 설계하는 것이 중요하지만 일반적인 나노구조체에 존재하는 나노기공은 크기가 너무 작아서 가스의 확산 원리상(크누센 가스확산) 가스의 유출입을 제한하고, 가스감도를 크게 저하시키는 문제가 있다. 반면 마크로 기공( >50나노미터)은 가스 확산을 큰 폭으로 증가시킬 수 있지만 비표면적의 증가가 크지 않으므로 가스감도를 증가시키기 어렵다.

연구팀은 이 두 기공의 근본적인 한계를 극복하면서 장점을 극대화하기 위한 방안으로 나노기공과 마크로 기공을 구형 구조 내부에 형성시키고 이를 메조 크기의 지름(~20나노미터)을 가지고 길이가 긴 원기둥 모양의 카본나노튜브(CNT) 템플레이트를 이용해 서로 연결하고자 했다. 그 결과 나노기공, 선형 메조기공, 구형 마크로기공이 동시에 존재하면서 기공들이 3차원적으로 연결된 구조를 설계해 초고감도의 가스센서를 구현했다.

나노, 메조, 마크로 기공이 유기적으로 연결돼 있는 3차원 기공연결구조의 산화주석(SnO2)은 5ppm의 에탄올에 대한 가스감도가 316배로 나타났다. 이는 동일한 산화주석(SnO2)을 기반으로 하는 센서에 비해 감도가 10배 이상 높은 것으로, 현재까지 보고된 결과 중에서 가장 높다.

연구팀이 제안한 기공연결 구조는 가스 공급이 매우 중요한 가스센서(유해/위험 가스검지, 음주측정, 인공후각, 환경오염 모니터링 등)와 액체 중 이온 공급이 필요한 배터리, 광촉매 등 다양한 에너지/환경 응용소자의 성능을 한 단계 높이는데 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

이종흔 교수는“이번 연구는 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”며 연구의 의의를 설명했다.