성균관대 연구팀, 탄소나노튜브 이용한 고감도 이산화질소 실시간 감지 센서 개발

□ 성균관대학교(총장 유지범) 전일 교수 연구팀이 FCCVD (Floating catalyst chemical vapour deposition) 방식으로 탄소나노튜브(carbon nano tube, 이하 CNT)를 사용해서 고감도/고선택성의 이산화질소(nitrogen dioxide, 이하 NO2) 감지 가스 센서를 구현하였다고 18일 밝혔다.

□ NO2 가스는 화석 연료, 차량, 산업 현장 등 다양한 경로로 배출되며 강한 유독성과 산화성을 가지고 있어 이 가스의 유출을 실시간으로 감지하는 것은 매우 중요하다. 또한, 매우 낮은 농도의 가스라도 장시간 노출되면 호흡기 및 뇌 질환 등을 일으킬 수 있으며, 생명에도 영향을 미칠 수 있기 때문에 저농도의 가스도 선택적으로 감지하는 것이 필수적이다.

□ 기존의 널리 사용되는 NO2 감지 물질인 산화물 반도체를 기반으로 한 가스 센서는 감도 반응속도 및 회복속도 측면에서 우수하나 동작 온도가 300℃이상으로 높고 선택성이 떨어지며, 습도 등 주변 환경의 영향에 매우 취약해 별도의 필터 및 분석 알고리즘 없이 정밀한 감지를 하는 것이 어려워 실용성이 떨어진다.

□ CNT는 넓은 표면적과 약한 π-π결합 덕분에 가스를 효율적으로 감지할 수 있으나, 기존에 주로 사용되는 용액 공정 기반 CNT 센서는 용액 제조 과정 중에 반데르발스 힘*으로 인해 나노튜브끼리 서로 엉겨붙게 되고, 이로 인해 생긴 번들은 센서의 표면적을 저해한다. 또한, 분산을 위해 첨가되는 계면활성제가 CNT 표면에 남아 있어 가스 흡착을 방해한다. 이 때문에 기존 CNT 센서는 감도가 떨어지고, 반응속도와 회복속도가 매우 느리다는 점이 한계로 지적된다.
* 반데르발스 힘: 분자간, 혹은 한 분자 내의 부분 간의 인력이나 척력

□ ‘FCCVD CNT 합성법’은 전일 교수 연구팀이 국내에서 유일하게 보유하고 있는 방식으로, 기판에서 성장하는 기존 CNT 합성법과 달리, ‘분산된 저중력 에어로졸 상태’에서 지속적으로 탄소 소스와 촉매 입자를 주입하면서 CNT를 성장시키기 때문에 구조적 결함과 불순물이 최소화된 것이 장점이다. 또한, 필터에 모아진 CNT 박막을 건식 방법으로 원하는 기판에 전사할 수 있기 때문에 용액 공정과 달리 별도의 계면활성제 사용이 불필요하다. 이러한 특성 덕분에 FCCVD CNT는 1) Surfactant-free 표면, 2) 99.9% 이상 단일벽 CNT, 3) 넓은 표면적 및 가스 흡착 사이트, 4) 높은 수율 및 대면적 양산성 등 센서에 최적화된 특징을 보인다.

□ FCCVD CNT의 고유한 우수한 특성 덕분에, 데모된 센서는 기존의 용액 공정을 이용한 CNT 센서의 한계를 극복한 감도와 빠른 반응/회복속도, 선택성을 보였다. 특히, 500ppb의 가스에 노출되었을 때, 약 41.2%의 변화가 관측되었으며, 14.2초의 반응속도와 120.8초의 빠른 회복속도가 확인되었다. 이는 지금까지 보고된 CNT 기반 NO2 가스 센서 중 가장 우수한 성능이다. 또한, 적은 구조적 결함 덕분에 신호대 잡음비가 최소화 되었으며, 이 덕분에 0.161ppb의 낮은 농도까지도 신뢰성 있게 감지할 수 있는 것을 확인하였다.

□ 연구를 주도한 성균관대 전일 교수는 “FCCVD CNT가 기존에 보고되었던 투명전극, 태양전지, 광센서 응용뿐만 아니라 가스 센서 응용에서도 우수한 특성을 입증한 것이 고무적이며, 향후 표면 개질 및 결함 제어 등을 통해 다른 가스에 대한 선택성도 확보할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

□ 이번 연구 성과는 재료 분야 세계적 권위지인 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials, IF: 29.4)에 지난 4월 8일에 발표되었으며, 본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 과제 지원으로 수행되었다.

※ 논문제목: Aerosol-synthesized Surfactant-free Single-Walled Carbon Nanotube-based NO2 Sensors: Unprecedentedly High Sensitivity and Fast Recovery
※ 논문 원본파일: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202313830

4월 19일 금요일자 보도자료 - 첨부파일 참조