한국생산기술연구원

반도체식 가스센서 실용화 길 열렸다

- 칼슘실리케이트 활용해 내습성 강화한 '나노시트 반도체 센서기술' 개발

- 반도체식 가스센서 수분문제 해결, 'Journal of Hazardous Materials' 게재 

□ 미세먼지 예보 등 대기 질 관측이 일상화되면서 공기 중 특정물질의 농도를 측정하는 가스센서 수요가 커지고 있는 추세이다.  

ㅇ 가스센서 중에서도 크기가 작고 작동이 쉬우며 제작비용이 적게 드는 반도체식 가스센서가 주목받고 있지만, 여러 가스가 혼재돼 있을 경우 감지 신뢰성이 떨어지고, 고온에서의 화학적 내구성이 부족한 단점이 있다. 

ㅇ 특히 고습한 환경에서 감도가 낮아져 센서 신호가 변하는 치명적 단점 때문에 별도의 습기 제거장치를 부착해야 하는데, 이 경우 센서의 부피가 커지고 가격도 높아져 실용화에 걸림돌이 되어왔다. 

□ 한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원)이 칼슘실리케이트의 수분 흡착층을 활용해 나노시트를 제조하고, 이를 기반으로 반도체식 가스센서 실용화의 최대 걸림돌이었던 습기 문제를 해결한‘나노시트 반도체 센서기술’을 개발했다. 

□ 생기원 기능성소재부품연구그룹 정영규박사 연구팀은 먼저 거미줄 구조를 갖는 기존의 주석산화물* 나노와이어** 사이에 2차원 형태의 칼슘실리케이트를 성장시켰다.  

ㅇ 시멘트의 원료인 칼슘실리케이트(Calcium Silicate)는 보통 응집된 시트 형태로 존재하는데, 연구팀은 표면 특성을 제어해 주석산화물 나노와이어 사이 사이에  얇은 나노시트 형태로 칼슘실리케이트를 성장시키는 데 성공했다. 

  * 주석산화물(SnO2): 전기전도도가 크고 융점이 높은 세라믹 반도체 소재

 ** 나노와이어(Nanowire) : 지름이 나노단위인 머리카락 형태의 원통형 선

□ 합성된 2차원 나노시트는 칼슘실리케이트의 하이드록시기*가 효과적으로 표면에 노출되어 있어 수소결합을 통해 물 분자만 선택적으로 흡착하게 된다. 

ㅇ 이 같은 친수성으로 인해 대표적 대기오염 물질인 이산화질소(NO2)의 경우 물 분자는 나노시트 표면에 붙잡아두고, 미세먼지 전구체 물질만 선택적으로 주석산화물 나노와이어 감지소재에 흡착시킬 수 있다.  

  * 하이드록시기(Hydroxy Group) : 유기화학에서 구조식이 –OH로 표시되는 일가의 작용기로, 작용기 간 수소결합이 가능해 물과 친화성을 띤다. 

□ 연구팀은 감도와 수분 저항성을 동시에 높인 이 성과를 기반으로 미세먼지 전구체 물질인 이산화질소를 20ppb*까지 감지할 수 있는 나노시트 반도체 센서기술을 개발했다. 

ㅇ 개발된 나노시트 반도체 센서기술은 별도의 습기 제거장치가 필요 없어 부피와 제작단가를 줄일 수 있기 때문에 반도체식 가스센서 실용화에 청신호를 켠 것으로 평가받고 있다. 

  * ppb : 대기 속에 포함된 미량 성분의 농도를 나타내는 단위로, 1ppb=1/1,000ppm

□ 정영규 박사는“습도 저항성 문제를 해결한 나노시트를 제조하고, 이를 토대로 외부 환경요인에 구애받지 않고 미세먼지 전구체 가스를 감지할 수 있는 센서를 개발했다”고 설명하며 “다양한 현장에 미세먼지 측정 모니터링 시스템이 적용될 수 있도록 반도체식 가스센서 실용화 연구를 이어 가겠다”고 말했다

ㅇ 이번 성과는 국가과학기술연구회가 지원하는 빅 이슈(BIG ISSUE) 사업을 통해 도출되었으며, 강원대학교 최선우교수 연구팀, 한국과학기술연구원 이정훈박사 연구팀이 참여했다. 

ㅇ 또 반도체식 가스센서의 수분 의존성 문제를 해결함으로써 화학 분야 최고 권위지로 꼽히는‘Journal of Hazardous Materials’6월호에 논문이 게재* 되었다. (Impact Factor=14.224)

  * 논문명 : Two-Dimensional calcium silicate nanosheets for trapping atmospheric water molecules in humidity-immune gas sensors