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미량의 유해 가스 검출이 가능한 스마트 가스 센서 개발

자연과학대학 물리학과 김문덕 교수 연구팀이 높은 정확도로 미량의 유해 가스를 감지할 수 있는 스마트 가스 센서 개발 및 성능 향상에 성공하며, 환경가스 센서 분야의 연구 우수성을 입증했다.

이번 연구 성과는 ‘Advanced Composites and Hybrid Materials’(IF: 23.2, 상위 1.4%)에 1월 18일 게재됐다. 이번 연구는 파수풀레티 케다레스와라 사이람(Pasupuleti Kedhareswara Sairam) 박사 후 연구생이 제1저자로, 김문덕 교수가 교신저자로 참여했다.

이번 연구에서 김문덕 교수팀은 표면탄성파(surface acoustic wave, SAW) 소자에 정전기적 자가 조립 지원 제작된 반응물질인 CuO@V2C MXene을 하이브리드 반데르발스 이종 구조(van der Waals heterostructure, vdW-HS) 감지 소자로 제작했다.

연구팀은 하이브리드 SAW 센서의 H2S 가스에 대한 감지 성능을 높이기 위해 증가된 표면적, 풍부한 표면 말단 그룹, 결함 상태, 산소 빈자리 및 CuO@V2C MXene 반데르발스 이종 구조(vdW-HS)의 쇼트키 장벽 변조를 통해 전하 이동과 H2S 가스 흡착을 향상시켰다.

그 결과, 연구팀의 개발한 하이브리드 SAW센서는 낮은 농도인 20ppm의 황화수소(H2S) 가스를 높은 정확도로 감지했으며, 특히, 주목할 만한 감도(∼39.71kHz), 빠른 응답/복구시간(54/76초), 감지 농도 한계(∼27.2ppb) 등 다양한 부분에서 대응 제품들보다 우수한 성능을 보였다. 또, 다양한 온도(상온∼200°C) 및 상대 습도(0~80%) 조건에서 우수한 가역성, 장기 안정성, 향상된 감도를 나타냈다.

연구팀은 밀도 함수 이론 계산과 에너지 밴드 이론을 통해 하이브리드 SAW센서가 여러 유해 가스보다 황화수소(H2S)에 대한 더 높은 흡착 에너지를 갖는다는 것을 확인했다.

연구팀은 이번에 개발한 하이브리드 SAW센서가 비용 대비 높은 효율 및 성능 등을 보여 환경 보호, 의료 및 산업 모니터링 등 다양한 응용 가능할 것으로 예측하고 있다.

김문덕 교수는 “그동안 연구원과 학생들이 쌓아온 노력의 결과가 좋은 저널에 게재됨으로써 환경가스 센서 분야 연구력을 인정받았다는 점을 기쁘게 생각한다”며, “Al 적용 후속 연구를 통해 여러 유해 가스에 대한 선택도 및 감도 향상 연구를 이어나갈 예정”이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단(대학중점연구소지원사업, 양자제어물성연구소, BK21 Four)의 지원을 받아 수행됐다.

□ 논문 제목: Room temperature ultrasensitive ppb-level H2S SAW gas sensor based on hybrid CuO@V2C MXene van der Waals heterostructure

□ 논문 링크: https://doi.org/10.1007/s42114-024-01194-w