▲ (a) 4 인치 이상 대면적 균일하게 합성된 이황화 텅스텐의 1층, 2층, 4층 사진. (b) 균일하게 은 나노선을 코팅하여 표면을 기능화한 후, 전극을 형성하여 가스센서를 제작. (c) 제작된 가스센서들의 사진. (d) 이황화 텅스텐 위에 은 나노선이 균일하게 코팅된 SEM 사진..

국내 연구진이 당뇨 환자의 호흡 속에 포함된 극소량의 아세톤을 감별해 병을 진단할 수 있는 초고성능 가스센서 개발에 성공했다. 적은 양의 가스 검출에 뛰어나며 나노미터의 얇은 두께로 디자인 다양도가 높아 향후 활용이 기대된다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 2일 김형준 연세대 교수 연구팀이 이차원소재인 이황화텅스텐(WS₂)을 이용해 적은 양의 아세톤과 이산화질소 분자를 검출할 수 있는 초고성능 가스센서를 개발했다고 밝혔다.

이황화텅스텐은 대표적인 반도체성 이차원 소재로 반도체 소자의 소형화와 유연소자 구현에 적용되어 실리콘을 대체할 미래 신소재로 최근 활발히 연구되고 있다.

가스센서로의 응용연구가 활발한 이차원 소재는 부피에 비해 표면적이 넓고 주변 환경에 민감하게 반응 한다는 장점이 있지만 가스 노출 반응만 확인이 가능할 뿐 특정 가스를 잡아내는 가스센서로의 기능이 부족해 상용화를 위한 연구가 필요했다.

또한 이차원 소재는 박막 제작 시 층수(두께)에 따라 전기적 특성이 달라져 균일한 층수로 합성해야 한다. 기존에는 화학 기상 증착법을 통해 제작되어 왔으나, 대면적으로 균일한 층수의 박막을 만들기 어려운 단점이 있었다.

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

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 공정 기반으로 합성했으며 이 합성물에 은 나노선을 균일하게 코팅했다.

연구팀이 개발한 가스센서는 상당히 낮은 농도인 0.5ppm의 아세톤을 검출할 수 있다. 이는 기존 센서보다 1,000배 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 향상됐다. 이차원 소재로 만든 센서가 나노미터급으로 얇아지게 될수록 초소형 센서 제작에 용이하기 때문에 유연소자에도 적용이 활발할 전망이다.

김형준 교수는 “해당 연구는 향후 초민감 가스 센서의 주된 연구방향 중의 한 줄기가 될 것”이라며 “이번 개발이 향후 무선 통신 기술과 결합하여 한층 진보한 사물 인터넷(IoT)의 웨어러블 센서 기술로 활용되길 기대한다”고 연구 의의를 밝혔다.

한편, 이번 연구성과는 한국연구재단에서 지원한 글로벌프론티어 사업(미래창조과학부 소관)의 지원을 통해 거두었으며 국제적 학술지인 미국 화학회의 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 9월 24일자로 게재되었다.