경북대 최명식 교수팀, 15초 탄소 코팅 공정으로 저비용․고효율 가스센서 소재 개발

(왼쪽부터) 경북대 나노신소재공학과 최명식 교수, 박지명 석사과정생, 연세대 신소재공학과 이규형 교수, 진창현 연구교수./경북대 제공

경북대학교 최명식 교수 연구팀이 단 15초 만에 초박막 탄소층을 형성하는 신개념 공정을 개발하고, 이를 적용해 기존보다 감도가 크게 향상된 차세대 가스센서용 나노복합소재를 선보였다. 

이번 연구는 연구팀이 화염 화학 기상 증착법(Flame Chemical Vapour Deposition, FCVD)에 급냉(quenching) 공정을 결합한 ‘OSaCD(One-spoon Amorphous Carbon Deposition)’ 기술을 새롭게 개발한 것이다. 이 기술은 산화아연(ZnO) 다공성 나노시트 표면에 비정질 탄소(amorphous carbon) 초박막을 약 15초 만에 균일하게 코팅할 수 있는 것이 특징이다.

기존 산화아연 기반 가스센서는 감도 향상을 위해 귀금속 도입, 도핑, 고온 열처리 등 복잡한 다단계 공정을 거쳐야 했다. 또 가스 흡착 특성을 높이기 위한 표면 개질에 주로 의존해 계면의 전자 구조를 정밀하게 제어하는 데 한계가 있었다. 특히 산소 공공(oxygen vacancy)을 증가시키는 방식은 장기 안정성과 재현성 측면에서 제약 요인으로 지적돼 왔다.

연구팀이 개발한 나노복합소재는 표면과 계면을 동시에 제어하는 ‘이중 접합 설계’ 구조를 구현했다. 물 표면에서 형성된 비정질 탄소막을 산화아연 나노시트 위에 전사하는 방식으로, 별도의 진공 장비 없이 대기 환경에서 단시간 내 공정이 가능하다. 또한 열처리 온도 조절을 통해 탄소의 결합 상태와 계면 특성을 세밀하게 제어할 수 있다.

이처럼 형성된 탄소층은 표면에서 산소 흡착을 촉진하는 동시에, 탄소와 산화아연이 맞닿는 계면에서는 산소 공공을 억제해 전자 이동 특성을 조절한다. 그 결과 공기 중 유해가스인 이산화질소(NO₂)가 흡착될 때 전기 저항 변화 폭이 크게 증가해 감지 신호가 한층 뚜렷해졌다.

실험 결과, 200℃에서 이산화질소 4ppm 농도 조건 기준 기존 산화아연 나노시트의 감응도는 약 7 수준이었으나, 탄소층을 코팅한 나노복합소재는 최대 18.8까지 향상됐다. 또한 200ppb의 낮은 농도에서도 안정적인 감지가 가능했으며, 3개월 이상의 장기 안정성도 확인됐다. 연구팀은 이러한 성능 개선이 표면과 계면의 전자 구조를 동시에 제어한 데 따른 효과라고 분석했다.

최명식 교수는 “기존 금속 산화물 센서가 표면 개질에 집중했다면, 이번 연구는 표면과 계면을 함께 설계해 전자 구조 자체를 조절한 것이 핵심”이라며 “대기 상태에서 단시간에 구현 가능한 공정이라는 점에서 다양한 금속 산화물 기반 센서와 에너지 소재 분야로의 확장 가능성이 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 지역혁신선도연구센터(경북대 탄소중립지능형에너지시스템센터) 사업과 박사후연구원 성장형 공동연구 사업 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 종합과학 분야 국제학술지인 Journal of Advanced Research(IF 13.0)에 지난 1월 30일 온라인 게재됐다.

/김락현기자 [e-mail]