한국재료연구원(KIMS·원장 이정환)은 최진우 KIMS 에너지전자재료연구실 선임연구원, 김한슬 한국과학기술정보연구원(KISTI) 선임연구원, 이형우 부산대 교수가 공동 연구로 고선택성 가스 센서 소재 반응 원리를 규명하고, 광학·전기 다중 응답형 고선택성 가스 센서를 세계 처음으로 개발했다고 3일 밝혔다.
기존 반도체 가스 센서는 센서 소재 표면에 가스가 흡착됐을 때 나타나는 전기적 저항 변화를 통해 가스를 검출한다. 전기 저항은 가스 종류에 상관없이 나타나기 때문에 선택성이 낮고, 전기적 특성 변화라는 단일 지표만을 사용해 그 활용성에도 한계가 있었다.
공동 연구팀은 특정 가스에 노출될 때 결정구조가 변하는 신소재를 개발하고, 이를 기반으로 색과 저항이 동시에 바뀌는 고선택성 가스 센서 개발에 성공했다.
먼저 독성이 없는 구리(Cu) 기반 친환경 메탈 할라이드 박막 소재인 세슘카파아이오다이드(Cs3Cu2I5)를 합성했다. 이어 슈퍼컴퓨터 기반 시뮬레이션으로 이 소재가 가역적으로 변하는 특성을 가질 수 있음을 규명했다. 물 분자가 효율적인 결정 변화 자극제가 된다는 사실도 확인했다.
개발 센서 소자는 물 분자 검출은 물론 서로 다른 극성을 지닌 다양한 알코올을 성공적으로 구분했다.
최진우 선임연구원은 “결정구조 변화형 소재를 활용한 새로운 센서 개념과 실증사례를 세계 최초로 제시해 반도체 센서 소자 및 유관 신소재의 새로운 개발 가능성을 보여줬다는 점에 의미가 있다”며 “다중 응답 특성을 이용해 향후 농·축산, 의료, 모바일 등 다양한 산업 분야에 적용할 수 있을 것”이라 말했다.
공동 연구팀은 현재 광-전기 응답성을 복합적으로 활용해 선택성을 극대화하는 연구를 진행하고 있다.
이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 KIMS 주요사업, KISTI 국가슈퍼컴퓨터 5호기 연구개발(R&D)혁신지원프로그램, 과학기술정보통신부 기초연구사업 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 7월 11일자 표지논문으로 실렸다.
세계 가스 센서 시장규모는 2021년 기준 10억 달러로 매년 7.5% 가량 성장할 것으로 예측된다.
창원=임동식기자 dslim@etnews.com
