한국기술교육대학교는 에너지신소재전공 심영석 교수가 참여하는 연구팀이 1회 레이저 조사로 1조분의 1 수준의 극미량 가스 분자를 감지할 수 있는 ‘고성능 가스 센서’를 만들 수 있는 방법을 개발했다고 2일 밝혔다.

반도체식 가스센서는 다양한 화학적 정보를 제공할 수 있는 중요한 센서 기술로 여겨지고 있다. 고성능의 반도체식 가스 센서 제작을 위해서는 감지소재의 표면적을 극대화하는 것이 관건이다.

연구팀은 고분자구슬(Polystyrene beads)을 사용한 연성형판(Soft-template) 방법으로, 가스 분자와 반응할 수 있는 면적을 증가시킨 중공형 나노돔 형태의 산화주석(SnO2) 감지 소재를 제작하고, 산화주석(SnO2)의 표면을 레이저(KrF Excimer laser, 248㎚)에 조사했다

그 결과 외면과 내면까지 가스 반응에 활용할 수 있는 분화구 형태의 고성능의 감지 소재로 변환하는데 성공했다.

연구팀은 제작된 분화구 형상의 나노구조체의 내면과 외면에 금(Au) 촉매를 코팅할 수 있는 기술을 함께 개발해 가스 반응 실험에서 세계 최고 수준의 이론적 감지 한계인 1.8ppt, 0.037ppt를 달성했다.

열-전달 분포 시뮬레이션을 통해, 조사되는 레이저의 세기에 따른 표면개질의 변화 원리를 규명하는데도 성공했다.

심 교수는 “레이저 조사를 통한 표면 개질기술은 산화주석(SnO2)뿐만 아니라 다양한 산화물(TiO2, ZnO, Fe2O3, NiO 등)에 즉시 적용이 가능하고, 공정을 반복했을 때 적층 구조로 만들어 표면적을 더 증가시킬 수 있다”고 설명했다.

심 교수는 이번 연구에서 교신저자로 참여했으며, 매사추세츠 공대(MIT) 서준민 박사와 한국과학기술연구원(KIST) 강종윤 박사, 서울대학교 장호원 교수 등과 함께 연구를 진행했다.

이번 연구결과는 국제저명학술지인 작은 스트럭쳐스(Small Structures)에 ‘Facile Formation of Metal–Oxide Nanocraters by Laser Irradiation for Highly Enhanced Detection of Volatile Organic Compounds’ 논문으로 게재됐다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단(나노 및 소재기술개발사업)의 지원을 통해 이뤄졌다.