Special 첨단 기능성 세라믹소재 최신기술 및 산업응용 동향(1)

2차원 세라믹 물질 기반 저항변화식 가스센서 개발에 관한 연구동향

장지수_한국과학기술연구원 전자재료연구센터 선임연구원

1. 서론

다양한 세라믹 신소재 기술들 중에서도 나노소재 기술은 기존 재료들의 물성을 뛰어넘고, 예상치 못한 물리화학적 특성을 보여주어, 과학계에서 큰 주목을 받고 있으며, 대표적인 차세대 전자소재 기술로 각광 받고 있다. 특히, 다양한 나노소재들 중에서도 2차원 결정구조를 갖는 세라믹 소재들은 넓은 비표면적, 기계적인 유연성 그리고 높은 계면반응성을 제공할 수 있어, 촉매, 에너지, 센서, 공기필터, 광소재 등 다양한 응용분야에 활용되고 있다.
　　4차산업혁명을 선도할 다양한 핵심 기술들 중에서 인공감각기관으로 개발 될 수 있는 초고감도 센서 개발 구현이 큰 주목을 받고있다.1-3 특히, 다양한 타입의 물리화학 센서들 중에서 악취를 나타내거나, 인체에 치명적인 영향을 미치는 기체분자들을 모니터링하는 가스센서 개발분야의 중요성이 대두되고 있다.4 대표적으로, 유해환경 모니터링 시스템, 폭발성 기체 감지센서, 음식 신선도 감지센서, 질병진단 호기센서, 음주센서 등 다양한 곳에 활용 될 수 있을 뿐만 아니라 해외제품에 의존하고 있는 가스센서 기술의 국산화 측면에서도 초고감도 가스센서 기술을 개발하는 것은 매우 중요하다.5,6 가스센서 기술은 기체들을 감지하는 동작원리에 따라 다양한 종류의 센서들이 존재하는데, 센서의 소형화 및 비용절감과 같은 상용화 관점에서 바라보면 반도체 특성을 갖는 세라믹 물질을 활용한 저항변화 가스센서에 대한 기술 수요가 지속적으로 늘어나고 있다.7,8 반도체 특성을 띄는 금속산화물 기반의 저항변화식 센서의 경우 현재 다양하게 개발이 진행되고 있고, 상용화된 제품들도 다수 시판되고 있지만, ppm(part-per-million) 단위 농도의 극미량 기체들을 정확하게 감지하고 정확하게 분석하는 데에는 근본적인 한계가 있고, 혼합된 기체들이 존재하는 실제 대기환경에서 정확하게 감지하고자 하는 기체를 감지하여 분석하기란 매우 어려운 한계점을 가지고 있다.9,10
　　이러한 현존하는 가스센서 기술의 한계점들을 극복하기 위해, 금속산화물 표면에 나노입자 촉매를 기능화하거나 2차원 나노소재를 활용하여 특정 기체에 대한 민감도와 선택도를 향상시키는 연구들이 다수 진행되고 있다. 예를 들면, 한국과학기술원의 김일두 교수 연구팀은 텅스텐 산화물 나노구조체 표면에 Pt, Pd, Ru와 같은 귀금속 촉매들을 기능화하여 아세톤, 톨루엔, 황화수소등에 선택적으로 반응하는 나노소재 기반 가스센서를 성공적으로 개발하고 보고하였다.11 서울대학교 장호원 교수 연구팀은 2차원 그래핀 소재를 활용하여 상온에서 구동하며 저소비전력을 가지면서도 이산화질소에 선택적으로 반응 하는 센서개발 내용을 보고하였다.
　　본 연구동향서에서는 2차원 물질들을 활용한 저항변화식 가스센서의 선택도와 민감도를 향상시키기 위해 진행되고 있는 최신 기술들에 대해서 소개하고 앞으로의 기술 전망에 대해 소개하고자 한다.

그림 1. (a) 2차원 루테늄 산화물, 루테늄 산화물 전구체, 산 처리된 루테늄 산화물 전구체의 XRD 결과, (b) 루테늄 산화물 전구체의 결정구조 이미지, (c) 2차원 루테늄 산화물의 주사팀침현미경 결과, (d and e) 2차원 루테늄 산화물의 투과전자현미경 분석 이미지, (f) 2차원 루테늄 산화물의 결정구조 이미지, (g) 루테늄 산화물 센서가 평평한 상태에서의 온도에 따른 이산화질소 감지 특성 결과, (h) 루테늄 산화물 센서가 구부러진 상태에서의 온도에 따른 이산화질소 감지 특성 결과12

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