심영석 한기대 교수, 분화구 형상 나노구조체 변환 기술 개발

심영석 한기대 교수/사진제공=한기대

한국기술교육대학교는 최근 심영석 에너지신소재화학공학부 에너지신소재전공 교수 연구팀이 1회 레이저 조사만으로 1조분의 1 수준의 극미량 가스분자를 감지할 수 있는 고성능 가스센서용 나노구조체를 제작하는 방법을 개발했다고 3일 밝혔다.

이번 연구엔 심 교수(교신저자)를 비롯해 서준민 메사추세츠공대(MIT) 박사와 강종윤 한국과학기술연구원(KIST) 박사, 장호원 서울대 교수 등이 참여했다.


반도체식 가스센서는 구동방식이 간단하고 소형화와 집적화, 대면적화가 수월해 다양한 화학적 정보를 제공하는 중요한 센서 기술로 취급된다. 고성능의 반도체식 가스센서를 제작하기 위해서는 감지소재의 표면적을 극대화하는 것이 관건이다.

연성형판(Soft-template) 방법은 희생층을 기반으로 정렬된 중공형의 나노구조체를 쉽게 제작할 수 있으며, 희생층의 형상 변화에 따라 나노구조체를 변형할 수 있어 다양한 분야에 활용된다. 하지만 희생층이 제거된 빈 공간은 가스의 확산이 어려워서 중공형 나노구조체의 내면을 반응에 활용할 수 없다는 한계가 있다.

연구팀은 고분자구슬(Polystyrene beads)을 사용한 연성형판 방법으로 가스분자와 반응할 수 있는 면적을 증가시킨 중공형 나노돔 형태의 산화주석(SnO2) 감지소재를 제작했다. 이 표면에 레이저(KrF Excimer laser, 248nm)에 조사, 외면과 내면까지 가스반응에 활용할 수 있는 분화구 형태의 고성능 감지소재를 개발했다.


또한 분화구 형상의 나노구조체 내면과 외면에 금(Au) 촉매를 코팅할 수 있는 기술을 함께 개발했다. 가스반응 실험에서 대장암 바이오 마커인 에탄올(C2H5OH), 메틸메르캅탄(CH3SH) 가스에 대한 선택성을 확보하고 세계 최고 수준의 이론적 감지 한계인 1.8ppt, 0.037ppt를 달성했다.

연구진은 아울러 열-전달 분포 시뮬레이션을 운용해 조사되는 레이저 세기에 따른 표면개질의 변화 원리를 규명하는데도 성공했다.

심 교수는 "레이저 조사를 통한 표면개질 기술은 산화주석뿐만 아니라 다양한 산화물에 즉시 적용 가능하다"고 소개한 뒤 "반복 공정을 통해 적층 구조로 만들어 표면적을 더욱 증가시킬 수도 있다"며 "가스센서뿐만 아니라 넓은 반응 면적이 필요한 다양한 분야에 응용할 수 있을 것"이라고 설명했다.

한편 이번 연구는 과기부가 주관하는 한국연구재단의 '나노 및 소재 기술 개발사업'의 지원을 받아 이뤄졌다. 연구결과는 국제학술지인 스몰 스트럭쳐스(Small Structures, IF: 11.343) 온라인판에 'Facile Formation of Metal-Oxide Nanocraters by Laser Irradiation for Highly Enhanced Detection of Volatile Organic Compounds'라는 제목으로 게재됐다.

심영석 교수의 연구 자료. 레이저 조사에 따른 산화주석 나노돔 표면변화 및 반응성 향상 이미지./사진제공=한기대