▲ 이종흔 교수팀이 개발한 기공연결구조의 합성과정. (a) 초음파를 통해 형성된 미소액적 (b) 열분해를 통해 형성된 다공성 산화주석(SnO2)/CNT 나노구조체 (c) 열처리를 통해 최종적으로 합성된 산화주석(SnO2) 기공연결구조. .

나노구조체를 합성해 기존 감응소재에 비해 가스감도가 10배 이상 향상된 초고감도 가스센서가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

미래창조과학부(장관 최양희)는 이종흔 고려대 교수 연구팀이 서로 다른 크기의 기공을 유기적으로 연결한 나노구조체를 합성해 초고감도 가스센서를 개발했다고 17일 밝혔다.

가스센서는 유해가스 감지, 식품·수산물 신선도 판별, 국내외 대기오염 측정 등 안전과 관련한 다양한 분야에서 활용되고 있다. 특히 유해 위험가스는 ppm 단위의 저농도인 경우가 많아 감도를 높이고 반응속도을 빠르게 하기 위한 다양한 초고감도의 센서 연구가 진행되고 있다.

이를 위해 높은 비표면적을 가지는 나노 구조체를 설계해야하나 일반적인 나노구조체에 존재하는 나노기공은 크기가 너무 작아서 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 어렵다는 딜레마가 있다.

연구팀은 이 두 기공의 장점을 극대화하기 위해 나노기공과 마크로 기공을 구형 구조 내부에 형성시키고 이를 메조 크기의 지름(~20나노미터)을 가지고 길이가 긴 원기둥 모양의 카본나노튜브(CNT) 템플레이트를 이용해 서로 연결했다. 이를 통해 나노기공, 선형 메조기공, 구형 마크로기공이 동시에 존재하면서 기공들이 3차원적으로 연결된 구조를 설계하여 초고감도의 가스센서를 구현했다.

실험결과 3차원 기공연결구조의 산화주석(SnO₂)은 5ppm의 에탄올에 대한 가스감도가 316배로 나타났다. 이는 기존 센서에 비해 감도가 10배 이상 높은 것으로, 현재까지 보고된 결과 중 최고치다.

이를 응용하면 가스 공급이 매우 중요한 유해·위험 가스검지, 음주측정, 인공후각, 환경오염 모니터링 등 가스센서와 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”고 밝혔다.

한편 이 연구는 세계적인 권위의 네이처 자매지인 NPG 아시아 머티리얼스(NPG Asia Materials) 3월11일자에 게재됐다.