| 한스경제=이유근 기자 | 국내 연구진이 5초 이내에 합성 가능한 새로운 삼중 구조 나노복합체 소재를 개발하여 공기 중 유해 가스인 질소이산화물(NO₂) 감지 성능을 크게 향상시켰다. 경북대학교 최명식 교수 연구팀은 화염 화학 기상 증착법(Flame chemical vapour deposition)을 활용해 기존 센서의 한계를 극복할 수 있는 신개념 가스 센서 소재를 선보였다.

연구팀은 산화주석(SnO₂) 나노선 위에 금(Au) 촉매 입자를 형성하고, 그 표면에 주석 비율이 높은 주석산화물(SnOx) 박막을 입힌 삼중 구조 나노복합체를 성공적으로 구현했다. 이 기술은 원천 기술인 화염 화학 기상 증착법을 통해 5초라는 짧은 시간 안에 합성이 가능하며, 초박막 두께 제어 또한 정밀하게 이루어진다.

기존 금-산화주석(Au-SnO₂) 기반 센서는 감도 향상을 위해 표면적 증가, 귀금속 촉매 도입, 구조 변형 등의 방법이 시도되었으나, 복잡한 공정과 제한된 반응 면적이라는 한계를 지니고 있었다. 그러나 이번에 개발된 삼중 구조 나노복합체는 산화주석(SnOx) 박막–금(Au)–산화주석(SnO₂) 순서로 적층되어 접합면이 두 개로 늘어났으며, 이는 반응 면적의 확대를 의미한다.

특히 금(Au) 촉매 표면을 감싼 주석산화물(SnOx) 초박막은 표면 에너지를 높이고 가스 반응에 필요한 활성화 에너지를 낮추는 역할을 한다. 이러한 표면 에너지 변화는 박막 형성 과정의 열역학적 평형 관계에서 비롯되며, 질소이산화물(NO₂)의 흡착 및 탈착 반응을 더욱 용이하게 만든다. 연구팀은 박막 두께에 따른 감지 성능 변화 원리를 이론적으로 규명했으며, 삼중 구조 형성으로 인한 전도 경로의 변화가 낮은 농도에서도 검출 능력을 향상시키는 요인임을 밝혔다.

실제로 100℃, NO₂ 2ppm 조건에서 기존 산화주석 나노선의 감응도는 17.08, 금-산화주석 나노선은 17.45였던 반면, 새로 개발된 삼중 구조 나노복합체 나노선은 23.3의 감응도를 기록하며 성능 향상을 입증했다.

최명식 교수는 "기존 금-산화주석 센서의 구조적 한계를 보완한 삼중 구조 나노복합체를 제시함으로써 고성능 휴대용 가스 센서 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단의 지역혁신선도연구센터(경북대 탄소중립지능형에너지시스템센터)사업 , 창의도전사업 , Post-Doc.성장형공동연구사업 , 중견연구자지원사업 지원을 받아 수행되었으며, 경북대 최명식 교수, 연세대 이규형 교수, 진창현 연구교수, 강원대 최선우 교수, ㈜UDerive 나한길 박사 등이 공동으로 참여했다. 연구 결과는 재료공학 분야 국제학술지인 ‘컴포지트 파트 B: 엔지니어링(Composites Part B: Engineering, Impact Factor=14.2, JCR 상위 0.3%)’ 11월 5일자 온라인판에 게재되었다.

이유근 기자 news1177@naver.com