[충남도민신문/천안=김용부 기자] 한국기술교육대학교(총장직무대행 남병욱)는 심영석 교수(에너지신소재화학공학부 에너지신소재전공)가 참여한 연구팀이 1조분의 1 수준의 극미량 가스분자를 감지할 수 있는 고성능 가스센서용 나노구조체를 단 1회의 레이저 조사(照射, Irradiation)만으로도 제작이 가능한 혁신적 방법을 세계 최초로 개발했다고 2일 밝혔다.

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

반도체식 가스센서는 구동방식이 간단하고, 소형화, 집적화, 대면적화가 수월하다는 장점으로 인해, 4차 산업시대에서 다양한 화학적 정보를 제공할 수 있는 중요한 센서 기술로 여겨지고 있다. 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 다양한 나노구조체를 제작할 수 있어 다양한 분야에 활용이 되어 왔다. 하지만, 희생층이 제거된 빈 공간은 가스의 확산이 어려워서 중공형 나노구조체의 내면을 반응에 활용할 수 없다는 한계가 있었다.

연구팀은 고분자구슬(Polystyrene beads)을 사용한 연성형판(Soft-template) 방법으로, 가스분자와 반응할 수 있는 면적을 증가시킨 중공형 나노돔 형태의 산화주석(SnO2) 감지소재를 제작하고, 산화주석(SnO2)의 표면을 레이저(KrF Excimer laser, 248nm)에 조사함으로써 외면과 내면까지 가스반응에 활용할 수 있는 분화구 형태의 고성능의 감지소재로 변환하는데 성공하였다.

연구팀은 제작된 분화구 형상의 나노구조체의 내면과 외면에 금(Au) 촉매를 코팅할 수 있는 기술을 함께 개발하였으며, 가스반응 실험에서 대장암 바이오 마커인 에탄올(C2H5OH), 메틸메르캅탄(CH3SH) 가스에 대한 선택성을 확보함과 동시에 세계 최고 수준의 이론적 감지 한계인 1.8ppt, 0.037ppt를 달성했다.

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

이번 연구결과는 국제저명학술지인 스몰 스트럭쳐스(Small Structures, 영향력 지수: 11.343)에 온라인으로 공개됐다. (논문명: Facile Formation of Metal–Oxide Nanocraters by Laser Irradiation for Highly Enhanced Detection of Volatile Organic Compounds)

심영석 교수는 “레이저 조사를 통한 표면개질기술은 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.”라며 “가스센서 뿐만 아니라 넓은 반응 면적이 필요한 다양한 분야야 응용이 가능할 것으로 기대된다.”라고 말했다.

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