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[사진. (왼쪽부터) 이규형 교수, 진창현 연구교수, 최명식 경북대 교수]

 

신소재공학과 이규형 교수 연구팀이 단일 공정으로 가스센서 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 소재 합성 기술을 개발했다. 화염 화학 기상 증착법(Flame Chemical Vapour Deposition, FCVD)과 급냉(Quenching) 공정을 결합한 ‘one-spoon amorphous carbon deposition(OSaCD)’ 기술을 통해, 소재의 표면과 계면을 동시에 제어할 수 있는 공정을 구현한 것이다.

 

연구 결과는 재료공학 분야 국제학술지 'Journal of Advanced Research'에 3월 30일 게재됐다.

 

연구팀은 물 표면에서 형성된 비정질 탄소막을 산화아연(ZnO) 나노시트 위에 코팅하는 방식을 개발했다. 액체처럼 형성된 탄소를 떠서 얹는 방식에서 착안해 ‘one-spoon’이라는 개념을 도입했으며, 이를 통해 후속 열처리 과정에서 탄소의 결합 특성을 정밀하게 조절할 수 있는 공정 기술을 구현했다.

[그림. OSaCD 기법을 이용한 amorphous carbon/ZnO의 합성 모식도]

 

기존 가스센서 성능 향상 연구는 반도체 표면적을 넓히거나 도핑을 통해 전하 농도를 조절하고, p-n 접합 등 반도체 정션을 형성하는 방식이 주로 활용돼 왔다. 그러나 이러한 방식은 공정이 복잡하고 개별 요소를 따로 제어해야 하는 한계가 있었다. 연구팀은 FCVD 기반 급냉 공정을 응용해 액체 성질의 비정질 탄소를 형성하고 이를 산화아연 표면에 직접 코팅하는 새로운 접근법을 제시했다.

 

이번 연구의 핵심은 단순한 코팅이 아니라, 표면과 계면을 동시에 설계한 ‘이중 접합 구조’를 구현한 데 있다. 탄소층은 표면에서 산소 흡착을 촉진하는 동시에, 탄소와 산화아연이 맞닿는 계면에서는 산소 공공(oxygen vacancy)을 억제해 전자의 이동을 조절하는 역할을 한다. 이를 통해 이산화질소(NO₂)에 대한 높은 감응도와 낮은 검출 한계, 장기 안정성을 동시에 확보했다.

 

이규형 교수는 "이번 공정 기술이 표면과 계면을 동시에 제어해 전자 구조를 조절할 수 있다는 점에서 의미가 크다"며, "해당 기술이 가스센서를 넘어 에너지, 촉매 등 다양한 기능성 소재 분야에 적용 가능한 범용 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다.

 

이번 연구는 이규형 교수와 진창현 연구교수가 공동으로 수행했으며, 경북대학교 최명식 교수 연구팀이 참여했다. 최명식 교수는 우리 대학교 KIURI 연구단 재직 당시 연구 전략 수립에 참여했으며, 경북대학교 부임 이후 공동연구를 이어가며 성과를 완성했다.

 

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 지역혁신선도연구센터 사업과 Post-Doc. 성장형 공동연구사업의 지원을 받아 수행됐다.