신소재공학부 조형균 교수 연구팀, 이방성 반도체 소재를 활용한

 불규칙 저농도 독성이산화질소 탐지용 메모리 타입 센싱 시스템 제시

[그림1] 신소재공학부 조형균 교수 연구팀, 공동 제1저자 김영빈 박사, 정성현 박사과정

신소재공학부 조형균 교수 연구팀(공동 제1저자 김영빈 박사, 정성현 박사과정)은 일반적인 고농도 독성이산화질소 가스에 대한 경보 기능뿐만 아니라, 불규칙적/지속적 노출에 따른 누적량을 탐지하는 진보적 기능을 모두 탑재한 메모리 타입 가스 센싱 시스템을 제시했다고 밝혔다.

기존의 독성 가스 센싱 시스템은 치사량 이상의 순간적인 독성가스 노출을 탐지하여 시그널을 생성하는 것이 주된 기능이지만, 실생활에서는 치사량 이하 저농도 독성가스가 불규칙적이고 지속적으로 체내에 누적되어 치사량을 넘는 상황이 발생한다. 불규칙적인 가스 노출 환경에 따른 시그널을 생성하기 위해선 구동 및 자발적 회복기능이 동일한 환경에서 이뤄져야 하지만, 기존에 연구된 산화물 반도체와 같은 소재는 강한 화학흡착 기구를 통해 구동되기 때문에 불규칙적인 가스 노출 환경에 대한 시그널 생성에 어려움이 있었다.

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이에 연구팀은 저차원 결정구조 반도체인 안티모니 셀레나이드(Sb2Se3) 나노플레이크(Nanoflake)를 디자인 및 개발하고, 이를 기반으로 고농도에서의 비상 경보기능과 저농도에서의 메모리타입 가스 센싱이 모두 가능한 시스템을 구현했다.

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일반적으로 저차원구조 소재 기반 가스 센싱은 결함이 존재하지 않는 반 데르 발스(van der Waals) 면에서 발생하는 물리적 흡착 (Physisorption)에 의해 상온에서 구동가능하며, 산화물 기반 센싱 소재의 끊어진 결합, 즉, 댕글링 본드(Dangling bonds) 면에서는 고온에서 반응하는 화학적 흡착(Chemisorption)을 통해 구동한다. 

Sb2Se3 나노플레이크 구조는 이방성 2차원 결정구조로 인해, 형성된 표면이 반 데르 발스 결정면과 댕글링 본드 결정면으로 이루어지는 이방성을 보이며, 상온 및 고온에서 모두 이산화질소 탐지가 가능하다. 특히 기존소재와 달리, 본 Sb2Se3 가스 센서는 상온에서도 매우 낮은 구동전압(1V)만을 필요로 하며, 자발적 회복 기능으로 별도의 처리 없이 지속적인 구동이 가능하다.  

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연구팀은 2차원 결정구조를 가지는 Sb2Se3 나노플레이크 구조를 가지는 전도성 재료의 결정면에 따른 물리흡착기구와 화학흡착기구를 적극 활용하여 상온 구동 및 자발적 회복기능을 갖는 메모리타입의 센싱 시스템의 구현이 가능하게 하였다. 

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조형균 교수는 “Sb2Se3 가스 센서 개발을 통해 치사량을 넘는 고농도 가스에 대한 비상경보 기능을 포함해, 극미량의 불규칙적이고 지속적인 노출 환경에서 체내에 누적됨에 따라 치사량을 넘을 수 있는 상황을 실시간으로 확인할 수 있도록 하는 메모리타입 센싱 시스템을 구현한 것은 큰 의미가 있다”고 말했다. 

본 연구는 국가연구과제 "광전기화학반응의 이론적 한계를 초월한 신개념 소재/공정/구동 모델 연구(Design of novel material/process/operation capable of exceeding theoretical limitations of the photoelectrochemical reaction”(No.2021R1A2C3011870)와 “스마트 플랫폼 첨단소재 개발연구 (Development of Advanced Materials for Smart Platform)” (No.2019R1A6A1A03033215)의 지원을 받아 수행되었으며, 소재과학(Materials science) 분야 상위 4.33% 이내의 세계적인 학술지인 ‘Advanced Functional Materials (IF 18.808)에 2021년 6월 온라인 게재되었다.