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[사진. (왼쪽부터) 이규형 교수, 이승용 박사, 김민영 박사, 박철오 박사, 좌하은 연구원]

 

신소재공학과 이규형 교수팀이 ZnO 나노시트 합성 과정에서 어닐링 공정의 분위기와 온도를 정밀하게 제어해 결정 배향과 형태학적 특성을 조절한 소재를 개발하고, 이를 기반으로 대기 중 오염 가스를 감지할 수 있는 고성능 가스 센서를 구현했다.

 

이번 연구는 이규형 교수와 이승용 박사가 주도했으며 김민영 박사, 박철오 박사, 좌하은 통합과정 연구원이 제1저자로 참여했다. 연구팀은 기존 가스 센서용 산화물 소재 연구가 감도 향상을 위한 산소 공공 생성에 주로 집중해 온 것과 달리, 나노시트 형태로 합성된 ZnO의 결정 배향과 형상-구조 인자가 가스 센싱 특성과 관련된 핵심 요소임을 규명했다. 이를 통해 가스 센서용 산화물 소재 개발에 대한 새로운 패러다임을 제시했다.

[그림. 어닐링 공정에 의해 결정배향 및 형상-구조 특성이 제어된 ZnO 나노시트 합성 공정(위) 및 개발 소재를 이용한 NO2 센싱 특성]

 

연구팀은 ZnO 나노시트를 대기, Ar, H₂ 분위기에서 300~800 ℃ 범위의 온도로 어닐링 처리한 후, 정밀한 구조 및 물성 분석을 수행했다. 그 결과, 어닐링 조건에 따라 ZnO 나노시트의 형태학적 구조 변화뿐만 아니라 우선 결정 배향 특성과 산소 결함의 종류가 효과적으로 제어될 수 있음을 확인했다. 특히 표면 반응 인자인 에너지 장벽(energy barrier), in situ FT-IR 분석을 통한 NO₂ 가스 흡착 특성, 그리고 가스 센싱 성능 간의 상관관계를 체계적으로 규명함으로써, 산화물 기반 가스 센서 소재 설계를 위한 새로운 복합적 설계 전략을 제시했다.

한편 연구는 산업기술거점센터육성 시범 사업과 G-LAMP 지원 사업, 삼성전자 전략산학과제 지원으로 수행되었으며, 연구 결과는 화학 및 환경 공학 분야 전문학술지인 ‘Chemical Engineering Journal (Impact Factor = 13.2, JCR 상위 3%)’에 1월 8일 온라인 게재됐다.