가스 감도 10배 이상 높인 초고감도 가스센서 구현 - 가스센서를 기반으로 하는 유해‧위험가스 감지, 음주측정, 인공후각 등 다양한 에너지‧환경 응용 소자의 성능 향상에 기대 -
□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.
2. 발견 원리
○ 고감도의 반도체형 가스센서*를 구현하기 위해서는 높은 비표면적을 가지는 나노 구조체를 설계하는 것이 중요하지만 일반적인 나노구조체에 존재하는 나노기공은 크기가 너무 작아서 가스의 확산 원리상(크누센 가스확산*) 가스의 유출입을 제한하고, 가스감도를 크게 저하시키는 문제가 있다. 반면 마크로 기공(>50나노미터)은 가스 확산을 큰 폭으로 증가시킬 수 있지만 비표면적의 증가가 크지 않으므로 가스감도를 증가시키기 어렵다.
* 반도체형 가스센서 :산화물 반도체를 이용한 가스센서. 측정하고자 하는 가스가 산화물 반도체의 표면에 흡착하거나, 산화물 반도체 표면에 이미 흡착된 화학종과 반응하여 전하를 주고 받는 현상에 의해 저항이 감소 또는 증가하는 원리를 이용함.
○ 연구팀은 이 두 기공의 근본적인 한계를 극복하면서 장점을 극대화하기 위한 방안으로 나노기공과 마크로 기공을 구형 구조 내부에 형성시키고 이를 메조 크기의 지름(~20나노미터)을 가지고 길이가 긴 원기둥 모양의 카본나노튜브(CNT) 템플레이트*를 이용하여 서로 연결하고자 하였다. 그 결과 나노기공, 선형 메조기공*, 구형 마크로기공*이 동시에 존재하면서 기공들이 3차원적으로 연결된 구조를 설계하여 초고감도의 가스센서를 구현했다.
* 카본나노튜브 템플레이트 : 원기둥 모양의 나노구조를 지니는 탄소 동소체. 본 연구에서는 열처리를 통해 빈 공간을 형성시켜 주는 템플레이트의 역할을 함. 템플레이트는 어떤 모양을 만들 때 사용되는 주형, 모양, 패턴
* 나노기공 : 직경이 나노미터 수준의 기공
* 선형 메조기공 : 직경이 2–50 나노미터이고, 길이는 수 마이크로미터 이상인 선형기공
* 구형 마크로기공 : 직경이 50 나노미터 이상인 구형의 기공
가스 감도 10배 이상 높인 초고감도 가스센서 구현
연구팀이 초고감도의 가스센서에서 가스의 유출입을 제한하기 위해 무엇을 이용했어
구형 마크로기공