경북대 연구팀, 5초 합성 신기술로 고감도 NO₂ 센서 소재 개발
화염 화학 기상 증착법 활용한 삼중 구조 나노복합체 개발
금 촉매 감싼 초박막이 표면 에너지 높여 감지 성능 개선
국내 연구진이 5초 만에 완성되는 합성기술을 활용해 공기 중 유해가스인 질소이산화물(NO₂)을 기존보다 빠르고 민감하게 감지할 수 있는 새로운 가스 센서용 나노 소재를 개발했다.
경북대 나노신소재공학과 최명식 교수팀은 화염 화학 기상 증착법(Flame chemical vapour deposition)을 이용해 SnO₂(산화주석) 나노선 위에 금(Au) 촉매 입자를 형성하고, 그 표면에 Sn(주석) 비율이 높은 주석산화물(SnOx) 박막을 입힌 삼중 구조 나노복합체를 제작했다. 연구팀은 이를 NO₂ 가스 센서 소재로 적용하는 데 성공했다.
기존 금–산화주석(Au–SnO₂) 기반 센서는 감도 향상을 위해 표면적 증가나 귀금속 촉매 도입 등이 시도돼 왔지만, 복잡한 공정과 제한적인 반응 면적이 단점으로 지적돼 왔다. 연구팀이 개발한 삼중 구조 소재는 주석산화물 박막–금–산화주석이 순서대로 쌓인 형태로, 접합면이 두 개로 증가해 반응 특성이 개선됐다. 화염 화학 기상 증착법은 고온을 순간 전달해 5초 만에 합성이 가능하고 초박막 두께도 정밀 제어할 수 있다.
특히 금 촉매를 감싼 주석산화물 초박막은 표면 에너지를 높이고 가스 반응의 활성화 에너지를 낮춰 NO₂ 흡착·탈착 반응이 더욱 용이해졌다. 연구팀은 이 표면 에너지 변화가 박막 형성 과정의 열역학적 평형에서 비롯된 것으로 분석했다. 박막 두께에 따라 감지 성능이 달라지는 원리도 이론적으로 규명했다.
삼중 구조가 형성되면서 가스가 표면에 도달할 때 나타나는 전도 경로가 기존 방식과 다르게 작동해 낮은 농도에서도 검출 능력이 향상됐다. 100℃, NO₂ 2ppm 기준에서 기존 산화주석 나노선의 감응도는 17.08, 금–산화주석 나노선은 17.45였으며, 개발된 삼중 구조 나노복합체의 감응도는 23.3으로 나타났다.
최명식 교수는 "기존 금–산화주석 센서의 구조적 한계를 보완한 삼중 구조 나노복합체를 제시한 것이다. 고성능 휴대용 가스 센서 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대한다."라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단의 지역혁신선도연구센터사업, 창의도전사업, Post-Doc.성장형공동연구사업, 중견연구자지원사업 지원을 받아 수행됐다. 연구에는 경북대 최명식 교수, 연세대 이규형 교수와 진창현 연구교수, 강원대 최선우 교수, ㈜UDerive 나한길 박사가 참여했다. 연구 결과는 국제학술지 '컴포지트 파트 B: 엔지니어링(Composites Part B: Engineering)' 11월 5일자 온라인판에 게재됐다.
