서울–(신흥뉴스)–다섯 종류의 금속 원소를 하나의 산화물에 조합해 에탄올 가스 감지 성능을 크게 높이는 기술이 개발됐다.
서울대학교 공과대학 재료공학부 장호원 교수 연구팀은 인듐·주석·철·아연·텅스텐을 조합한 ‘고엔트로피 산화물’ 기반 에탄올 가스 센서를 개발하고, 성능 향상에 기여하는 표면 반응 특성을 분석했다. 센서는 300℃에서 에탄올 50ppm에 노출됐을 때 비교 대상인 저엔트로피 산화물의 12.6배에 달하는 응답률을 보였다. 연구 결과는 국제학술지 ‘Advanced Science’에 게재됐다.
금속 산화물 기반 가스센서는 기체가 센서 표면과 반응할 때 발생하는 전기저항 변화를 이용해 가스를 감지하는 기술이다. 구조가 단순하고 제작 비용이 낮아 실내 공기질 관리와 식품 상태 확인, 산업 현장 모니터링 등 다양한 분야에 활용하기 위한 연구가 진행되고 있다.
그러나 한 종류의 금속 산화물만 사용하는 기존 센서는 기체와 반응할 수 있는 표면의 자리가 제한돼 적은 양의 기체를 감지하는 능력과 특정 기체를 구별하는 능력을 함께 높이는 데 어려움이 있었다. 이를 개선하기 위해 다른 금속 원소를 첨가하거나 금·백금·팔라듐 등의 귀금속을 표면에 입히는 방법이 연구돼 왔지만, 첨가 원소의 안정성과 귀금속의 비용 부담 등이 한계로 지적됐다.
연구팀은 여러 금속 원소를 하나의 소재에 조합하는 ‘고엔트로피 설계’에 주목했다. 고엔트로피 산화물은 여러 종류의 금속 원소를 비슷한 비율로 하나의 산화물 구조에 섞은 소재다. 서로 다른 원소가 섞이면 원자 주변의 환경이 다양해지고, 기체가 달라붙거나 반응하는 표면의 특성도 바뀔 수 있다.
연구팀은 다섯 금속 원소가 고르게 분포한 고엔트로피 산화물 나노구조를 합성하고, 엔트로피 수준이 낮거나 중간인 산화물 센서와 동일한 조건에서 성능을 비교했다.
그 결과, 300℃에서 에탄올 50ppm을 주입했을 때 고엔트로피 산화물 센서의 응답률은 5135%로 나타났다. 저엔트로피 산화물은 408%, 중엔트로피 산화물은 654%를 기록해 고엔트로피 산화물의 응답률이 각각의 약 12.6배, 7.9배에 달했다. 응답률은 센서가 목표 기체에 노출됐을 때 전기저항이 얼마나 변하는지를 나타내는 지표다.
응답 시간은 3초, 에탄올을 제거한 뒤 원래 상태로 돌아오는 회복 시간은 73초로, 비교 대상 산화물보다 빠른 응답·회복 특성을 보였다. 에탄올 농도에 따른 응답 신호를 바탕으로 계산한 이론적 검출한계는 4.8ppb였다. 이는 측정 데이터를 통해 추정한 최소 검출 농도로, 해당 농도에서 감지 성능을 직접 검증한 결과와는 구분된다.
성능 향상의 원인은 소재 표면에 붙는 산소와 결함 구조의 변화에서 찾았다. 이 센서는 표면에 흡착된 산소가 에탄올과 반응할 때 발생하는 전기저항 변화를 감지한다. 고엔트로피 산화물에서는 저엔트로피 산화물보다 흡착된 산소와 ‘산소 공공’이 증가했다. 산소 공공은 산화물 구조에서 산소 원자가 빠진 자리로, 기체의 흡착과 반응에 영향을 준다. 연구팀은 다양한 금속 원소의 조합이 이러한 표면 특성을 바꿔 에탄올과의 반응을 촉진한 것으로 분석했다.
장기 안정성과 높은 습도에서의 작동 특성도 확인했다. 센서는 6개월간 진행한 안정성 평가에서 에탄올 감지 성능을 유지했으며, 상대습도 90%의 높은 습도 조건에서도 반복적인 감지가 가능했다. 다만 최적 작동 온도가 300℃인 만큼 실제 활용을 위해서는 작동 온도를 낮추고, 다른 기체와 에탄올을 구별하는 선택성과 습도 변화에 대한 내성을 높이는 후속 연구가 필요하다.
이번 연구는 원소 조합에 따른 소재의 구조·표면 특성과 가스 감지 성능의 관계를 분석하고, 귀금속 촉매에만 의존하지 않는 센서 소재 설계 방향을 제시했다는 데 의미가 있다. 향후 실내 공기질 관리와 식품·산업 현장 모니터링 등에 필요한 맞춤형 가스 센서 소재 개발에 기여할 것으로 기대된다.
연구를 지도한 장호원 교수는 “이번 연구는 여러 원소의 조합을 조절하는 엔트로피 설계를 통해 산화물 소재의 표면 반응을 바꾸고, 에탄올 감지 성능을 높일 수 있음을 확인했다”며 “앞으로 다양한 원소 조합을 탐색해 에탄올뿐 아니라 여러 기체에 선택적으로 반응하는 소재를 개발하고, 이를 바탕으로 다양한 가스를 감지할 수 있는 센서로 연구를 확장해 나갈 계획”이라고 말했다.
연구에는 서울대학교 재료공학부 남기백·서진호 석·박사통합과정생이 공동 제1저자로 참여했다. 남기백 연구원은 금속 산화물·황화물 등 무기 소재의 합성과 물성을, 서진호 연구원은 고엔트로피 소재의 합성과 물분해 촉매 응용을 연구하고 있다. 두 연구원 모두 박사학위 취득 후 박사후연구원으로 관련 연구를 이어갈 계획이다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원(RS-2024-00421181, RS-2024-00405016), 과학기술정보통신부 InnoCORE 사업(1.250021.01), 국가과학기술연구회(GTL25021-230), 농촌진흥청 공동연구사업(PJ01706703), 교육부와 한국연구재단의 기초연구사업(RS-2025-25396663), BK21 FOUR 사업 등의 지원을 받아 수행됐다. 서울대학교 반도체공동연구소와 공학연구원은 연구 시설을 제공했다.
참고자료
– 논문명/저널: A High-Entropy Strategy for Chemoresistive Ethanol Sensors With Remarkably Rapid and Selective Response, Advanced Science (2026)
– DOI: https://doi.org/10.1002/advs.75724
