KIST 광·전자재료센터 김일두 박사팀이 팔라듐 촉매가 균일하게 첨가된 산화주석(SnO2) 센서소재를 1차원 나노섬유 형상으로 손쉽게 제조하는 기술을 확보하고 이를 50ppb의 수소 농도를 감지할 수 있는 수소센서에 적용하는데 성공했다.

가스센서는 센서 소재의 표면에 유해환경가스(일산화질소, 일산화탄소, 아황산가스 등)들이 흡착될 때, 전기전도도 값이 변화되는 원리로 동작되는 환경진단 소자이다. 특히, 팔라듐, 백금과 같은 금속촉매가 센서소재의 표면에 첨가되면 전기전도도의 변화가 더욱 크게 관찰되어 감도 특성이 우수한 센서를 제조할 수 있게 된다.

이번에 개발된 가스센서는 300nm 직경을 가지는 나노섬유들의 웹을 센서소재로 이용하여 표면적이 매우 넓고 섬유 사이의 열린 기공을 통해 유해 가스들이 빠르게 이동할 수 있어 높은 감도와 빠른 감지 특성이 동시에 가능한 장점이 있다. 기존의 반도체 공정을 이용하여 제조된 박막형 센서 또는 나노입자를 적층해 만든 센서는 치밀한 구조와 제한된 표면적을 갖고 있어 ppb급의 센서 적용에 한계가 있었다. (*ppb : parts per billion의 약칭. 10억분율. 1t에 1mg 함유되어 있을 때 1ppb에 해당.)

섬유 형상을 쉽고 빠르게 생산해 낼 수 있는 전기방사 기술로 제조된 나노섬유 센서는 50ppb 급의 수소농도에서도 35%의 전기전도도 변화가 관찰되었으며, 1ppm의 수소농도에서 300%의 전기전도도 변화가 관찰되어 우수한 수소 감지 특성을 보였다.

김 박사팀이 개발한 나노섬유 가스센서의 원천제조기술은 2008년기업에 기술이전 되어, 자동차용 AQS(Air Quality Sensor) 가스센서 개발을 진행 중에 있다. 또한, 최근에는 나노섬유 제조시 촉매 전구체를 손쉽게 첨가하여 감지물질의 결정도와 입자 크기를 자유롭게 조절할 수 있는 기술을 확보하여 한국과 미국 특허 출원을 진행 중이다.

김일두 박사는“촉매가 첨가된 1차원 나노섬유를 가스센서의 감지소재로 이용함으로써, ppb 급의 농도를 가진 극미량의 수소 및 NO2 등 유해 환경가스를 조기에 감지함으로써, 초고감도 감지 성능을 가진 센서의 제조가 가능해졌다”며,“자동차 및 실내환경 감지 뿐만아니라 모바일 및 유비쿼터스형 환경센서 분야에 특히 활용가치가 높을 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 신소재 응용 분야의 국제저널인 ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS(Impact Factor: 6.99) 12월16일자 표지논문으로 게재됐다.