경북대학교는 최명식 나노신소재공학과 교수팀이 단 15초 만에 얇은 탄소층을 형성하는 신개념 코팅 기술을 개발하고, 이를 가스센서 감지층에 적용해 공기 중 유해가스인 이산화질소를 기존보다 더 민감하게 감지하는 차세대 가스 센서용 나노복합소재를 개발했다고 25일 밝혔다.
이번 연구는 연구팀이 보유한 원천 기술인 화염 화학 기상 증착법(FCVD)에 급냉(quenching) 공정을 결합해 'OSaCD(One-spoon Amorphous Carbon Deposition)' 기술을 새롭게 개발한 것이다. 이 기술을 통해 산화아연 다공성 나노시트 위에 비정질 탄소 초박막을 15초 만에 균일 코팅하는 데 성공했다.
기존 산화아연 기반 가스 센서는 감도 향상을 위해 귀금속 도입이나 도핑, 고온 열처리 등 복잡한 다단계 공정을 필요로 했다. 또 가스 흡착을 높이기 위한 표면 개질에 주로 의존해 계면에서의 전자 구조를 정밀하게 제어하는 데에는 한계가 있었다. 특히 결정 구조에서 산소가 빠져 생긴 결함인 산소 공공(oxygen vacancy)을 늘리는 방식은 장기 안정성과 재현성 확보 측면에서 제약으로 작용했다.
연구팀이 개발한 소재는 단순히 탄소를 한 겹 덧씌운 구조가 아니라, 표면과 계면을 동시에 제어하는 '이중 접합 설계' 구조다. 물 표면에서 형성한 비정질 탄소막을 산화아연 나노시트 위에 전사하는 방식으로, 약 15초 만에 코팅이 가능하며 별도의 진공 장비도 필요하지 않다. 또 열처리 온도에 따라 탄소의 결합 상태와 계면 특성을 정밀하게 조절할 수 있다.
이처럼 설계된 탄소층은 표면에서 산소가 더 잘 붙도록 돕고, 동시에 탄소와 산화아연이 맞닿는 계면에서는 결정 구조의 결함인 산소 공공을 억제해 전자의 이동을 조절한다. 그 결과 이산화질소가 흡착될 때 전기 저항 변화 폭이 크게 증가해 감지 신호가 더욱 뚜렷해진다.
실험 결과, 200℃에서 이산화질소 4ppm 농도 기준 기존 산화아연 나노시트의 감응도는 약 7 수준이었지만, 탄소층을 코팅한 나노복합소재는 최대 18.8까지 나타났다. 또 200ppb의 낮은 농도에서도 안정적인 감지가 가능했으며, 3개월 이상의 장기 안정성도 확인됐다. 연구팀은 이러한 성능 향상이 표면과 계면의 전자 구조가 함께 조절된 데 따른 효과로 분석했다.
최명식 교수는 “기존 금속 산화물 센서가 표면 개질에 집중했다면, 이번 연구는 표면과 계면을 동시에 설계해 전자 구조 자체를 조절한 것이 핵심이다. 대기 상태에서 단시간에 구현 가능한 공정이라는 점에서 향후 다양한 금속 산화물 기반 센서 및 에너지 소재 분야로의 확장 가능성이 기대된다”고 밝혔다.
한국연구재단의 지역혁신선도연구센터(경북대 탄소중립지능형에너지시스템센터) 사업과 박사후연구원(Post-Doc.) 성장형 공동연구 사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 최근 종합과학 전문학술지인 '저널 오브 어드밴스드 리서치(Journal of Advanced Research)'에 온라인 게재됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
