국내 연구진이 5초 만에 완성되는 신개념 합성기술을 활용, 공기 중 유해가스인 질소이산화물(NO₂)을 더 빠르고 민감하게 감지할 수 있는 새로운 가스 센서용 나노 소재를 개발했다.
경북대학교는 최명식 나노신소재공학과 교수팀이 원천 기술을 보유하고 있는 화염 화학 기상 증착법을 이용해 삼화주석(SnO₂) 나노선 위에 금(Au) 촉매 입자를 형성하고, 그 표면에 주석(Sn) 비율이 높은 주석산화물(SnOx) 박막을 입힌 삼중 구조 나노복합체를 만들어 이를 질소이산화물 가스 센서 소재로 적용하는 데 성공했다고 18일 밝혔다.
기존 금-산화주석(Au-SnO₂) 기반 센서는 감도를 높이기 위해 표면적 증가나 귀금속 촉매 도입, 다양한 구조 변형 등이 시도돼 왔다. 그러나 이러한 방식은 복잡한 다단계 공정을 필요로 하고, 금 촉매가 표면에 단순히 노출되는 접합 구조 형태여서 반응 면적이 제한되는 문제가 있다.
연구팀이 개발한 소재는 주석산화물 박막-금-산화주석이 순서대로 쌓인 삼중 구조로, 접합면도 두 개로 늘어났다. 화염 화학 기상 증착법은 고온을 순간적으로 전달해 5초 만에 합성이 가능하며, 초박막 두께를 정밀하게 제어할 수 있다.
특히 금 촉매 표면을 감싼 주석산화물 초박막은 표면 에너지를 높이고 가스 반응에 필요한 활성화 에너지를 낮추는 역할을 해 이산화질소 흡착·탈착 반응이 기존보다 쉬워진다. 이러한 표면 에너지 변화가 박막 형성 과정의 열역학적 평형 관계에서 비롯된 것으로 분석했으며, 박막 두께에 따라 감지 성능이 달라지는 원리도 이론적으로 규명했다.
또 삼중 구조가 형성되면서 가스가 표면에 도달할 때 나타나는 전도 경로가 기존 방식과 다르게 작동해 낮은 농도에서도 검출 능력이 향상됐다.
최명식 교수는 “기존 금-산화주석 센서의 구조적 한계를 보완한 삼중 구조 나노복합체를 제시한 것”이라며 “고성능 휴대용 가스 센서 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 지역혁신선도연구센터(경북대 탄소중립지능형에너지시스템센터)사업, 창의도전사업, Post-Doc.성장형공동연구사업, 중견연구자지원사업 지원을 받아 수행됐다.
이번 연구에는 최명식 경북대 교수와 이규형 연세대 교수, 진창현 연세대 연구교수, 최선우 강원대 교수, UDerive 나한길 박사 등이 참여했다. 연구 결과는 최근 재료공학 분야 국제학술지인 '컴포지트 파트 B: 엔지니어링' 온라인판에 게재됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
