당뇨병 호흡 진단 가능 및 대기오염 측정 정밀도 12배 향상
국내 연구진이 가스 센싱 물질로 뛰어난 성능을 보이는 이차원 소재중 이황화 텅스텐을 대면적 합성해 가스 센서를 개발했다. 이황화 텅스텐의 표면을 기능화해 가스 센서로서의 기능을 향상시켰다. 제작된 가스 센서는 1 ppm 이하의 아세톤 검출 능력을 보여 비침습적 당뇨진단에 유용할 것으로 보인다. 또한, 은 나노선을 이용한 표면기능화 후, 은의 촉매효과에 의해 이산화질소 검출 능력에 대해서만 약 12배 증가했다. 본 연구 결과는 대면적 균일한 층상구조의 이황화 텅스텐을 이용하고, 가스 센서의 성능을 향상시킬 수 있는 표면기능화 기술을 개발 하였다는 점에서 가치가 높다.
연세대 김형준 교수 연구팀이 이차원 소재인 이황화텅스텐(WS2)을 이용해 적은 양의 아세톤과 이산화질소 분자를 검출할 수 있는 초고성능 가스센서를 개발했다. 이차원 소재는 이차원 결정 구조를 갖는 화합물로 원자층 단위의 매우 얇은 막을 형성하기 쉬우며, 우수한 전기/화학적 특성을 갖는다. 그래핀, 육방형 질화붕소, 이황화 몰리브덴 등이 있다.
특히, 이차원 소재는 부피에 비해 표면적이 넓어 주변 환경에 민감하게 반응한다. 최근 이를 이용해 가스 센서로 응용하려는 연구가 활발하다. 가스 센서는 생활 속에서 대기오염을 측정하거나 산업·연구 현장에서 가스 누출을 확인할 때 유용하게 쓰인다.
▲ 그림 1. (a) 4 인치 이상 대면적 균일하게 합성된 이황화 텅스텐의 1층, 2층, 4층 사진. (b) 균일하게 은 나노선을 코팅하여
표면을 기능화한 후, 전극을 형성하여 가스센서를 제작. (c) 제작된 가스센서들의 사진. (d) 이황화 텅스텐 위에 은 나노선이
균일하게 코팅된 SEM 사진.
최근까지 이차원 소재로는 가스 노출의 반응 여부만 확인 가능했다. 특정 가스를 잡아내는 가스 센서로의 상용화를 위해서는 특정 가스의 검출 원리와 검출 기능 향상 방법에 대한 연구가 필요하다. 이차원 소재는 박막 제작 시 층수(두께)에 따라 전기적 특성이 달라져 균일한 층수로 합성해야 한다. 기존에는 화학 기상 증착법을 통해 제작돼 왔으나, 이는 대면적으로 균일한 층수의 박막을 만들기 어렵다.
연구팀은 이차원 이황화텅스텐 합성 기술을 토대로 은 나노선을 도입해 아세톤과 이산화질소 분자를 1ppm 이하 농도에서 검출 가능한 3nm 두께의 가스 센서를 개발했다. 이차원 소재로 만든 센서가 나노미터급으로 얇아지게 될수록 초소형 센서 제작에 용이하며 유연소자에도 적용이 쉬워진다. 연구팀은 산화텅스텐 박막을 황화공정을 통해 10cm 이상의 층수가 균일한 이황화텅스텐을 합성했다. 특정 가스에 대한 반응성을 높이기 위한 이황화텅스텐의 표면 처리를 위해, 은 나노선을 이염화구리 매개 폴리올 공정 기반으로 합성했다. 이 합성물에 은 나노선을 균일하게 코팅했다.
▲ 그림 2. (a) 가스 센서의 두 전극에 1V의 전압을 인가할 때, 추출되는 전류가 가스의 주입에 따라 변화함. 초기 전류값을
기준으로 전류 변화비를 계산하여 가스반응도 (Response)를 계산함. (b) 은 나노선으로 표면기능화하기 전후를 비교한
가스센서의 가스반응도. 표면기능화 후 약 12배 정도의 가스반응도 증가. (c) 은 나노선의 촉매 효과에 의해 이산화질소
분자가 이황화 텅스텐 표면에 흡착하는 비율이 증가함을 나타낸 모식도.
가스 센서는 상당히 낮은 농도인 0.5ppm의 아세톤을 검출할 수 있다. 기존 센서보다 1,000배 성능이 향상된 것으로 나타났다. 이 센서는 비혈액검사를 통한 당뇨 진단 시 유용하다. 당뇨 환자의 호흡 중에는 1.8ppm 이상의 아세톤이 포함되기 때문이다. 또한 은의 촉매 반응에 의해 이산화질소의 검출 특성이 기존보다 12배 향상됐다.
김형준 교수는 “이번 연구는 향후 초민감 가스 센서의 주된 연구방향 중의 한 줄기가 될 것”이라며 “이번 개발이 향후 무선 통신 기술과 결합해 한층 진보한 사물인터넷(IoT)의 웨어러블 센서 기술로 활용되길 기대한다”고 말했다.
사물인터넷(IoT) 시대의 도래로 다양한 센서의 수요가 급증하고 있다. 특히 반도체 가스 센서는 제작 단가가 낮고 동작원리가 매우 간단하기 때문에 다양한 용도의 가스센서로 이용되기에 용이하다. 그동안 널리 연구되어온 금속 산화물 기반의 반도체 소재가 낮은 가스 센싱 효율 및 높은 동작 온도를 필요로 하는 한계를 보이는 반면, 이차원 소재는 체적대비 표면적이 매우 크기 때문에 주변 환경에 매우 민감하게 반응하는 특성을 보임으로써 비교적 낮은 동작온도와 높은 가스 센싱 효율을 보인다. 이를 기반으로 제작된 가스 센서는 이산화질소, 일산화질소, 이산화탄소, 일산화탄소, 암모니아 등 대기환경 모니터링 뿐만 아니라 실내 대기질 분석, 환자의 호흡 중에 포함된 미세농도의 바이오 마커를 검출하는 의료용 진단 도구 등으로 활용될 수 있다.
한국연구재단에서 지원한 글로벌프론티어 사업(미래창조과학부 소관)의 지원을 통해 거둔 이번 연구 성과는 국제적 학술지인 미국 화학회의 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 9월 24일자로 게재됐다.
김진희 기자 (eled@hellot.net)
