이산화티타늄을 감지소재로 한 3차원 정렬 다공성 나노구조체의 가스 확산 모델과 아세톤 감지 원리. (사진=신라대 제공)

신라대학교 신소재공학부 심영석 교수가 참여한 국내 연구팀이 지난 2월 유해가스를 감지하고 분별할 수 있는 가스센서 어레이 개발 성공에 이어 저농도의 아세톤(CH3COCH3)을 1초 안에 감지할 수 있는 초고속 가스센서를 개발했다고 18일 밝혔다.

이번 연구결과는 지난 15일 와일리(Wiley)에서 출판하는 세계적인 학술지인 ‘스몰 메소드(Small Methods, Impact Factor:14.188)’에 온라인으로 공개됐다. 논문명은 ‘Rationally Designed TiO2 Nanostructures of Continuous Pore Network for Fast-responding and Highly Sensitive Acetone Sensor’다.

아세톤은 일상생활에서 흔히 접할 수 있는 휘발성 유기화합물 중 하나로 저농도에서도 장시간 노출되면 메스꺼움, 현기증, 호흡질환을 유발한다. 최근에는 아세톤이 사람의 호흡에서 배출되는 지방 연소 및 당뇨와 관련된 생체 표식 인자(Biomaker)로 알려지면서 실내 공기 질 모니터링뿐만 아니라 극미량의 아세톤 농도 측정을 통한 비만 모니터링, 질병 진단 등 스마트 헬스케어 분야에서도 주목을 받고 있다.

연구팀은 3차원 패터닝 기술과 원자층 증착법을 이용해 정렬 다공성 나노 구조체를 제작하고 가스 확산 시뮬레이션을 기반으로 가스 감지소재로 사용되는 이산화티타늄의 두께를 정교하게 조절, 고성능의 초고속 아세톤 가스센서를 제작하는 데 성공했다.

또 제작된 가스센서를 50ppm(parts per million, 100만 분의 1) 농도의 아세톤에 노출키는 실험을 진행했으며, 3차원 정렬 다공성의 이산화티타늄 기반의 감지소재는 극대화된 비표면적과 가스 확산이 용이한 기공 구조 효과로 1초 만에 아세톤을 감지했다.

가스 반응도는 박막 형태로 제작된 가스센서에 비해 약 169배 높은 수치를 달성했으며, 이 수치는 이산화티타늄을 감지소재로 하는 가스센서 중에는 세계 최고 수준이다. 또 제작된 가스센서의 이론적 감지 한계는 극미량의 농도인 260ppt(parts per trillion, 1조 분의 1)까지 감지가 가능하다는 것을 확인했다.

심영석 교수는 “개발된 3차원 다공성 나노 구조체는 이산화티타늄에만 국한되지 않고 다양한 감지소재에 적용이 가능하다”며 “이를 활용해 다종 가스를 빠르게 감지할 수 있는 초고속 가스센서 어레이 기반의 전자코(Electronic nose)가 실현될 날도 멀지 않았다”라고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 신진연구지원사업, 미래소재디스커버리사업, 다부처공동사업과 국토교통부의 국토교통기술촉진연구사업의 지원으로 수행됐다.