서울대 장호원 교수팀, 5가지 금속 조합 고감도 에탄올 센서 개발

김형석 기자

작성일 2026-11-11 18:02

서울대학교 공과대학 재료공학부 장호원 교수 연구팀이 다섯 종류의 금속 원소를 조합한 '고엔트로피 산화물'을 이용해 에탄올 가스 감지 성능을 크게 향상시킨 센서를 개발했다고 밝혔다. 이 연구 결과는 국제학술지 'Advanced Science'에 게재되었다.

이번에 개발된 센서는 300℃의 온도와 50ppm의 에탄올 농도 조건에서 기존의 저엔트로피 산화물 센서 대비 12.6배 높은 응답률을 보였다. 또한, 3초의 빠른 응답 시간과 73초의 회복 시간을 나타냈으며, 이론적 검출 한계는 4.8ppb로 분석되었다.

금속 산화물 기반 가스 센서는 기체가 센서 표면과 반응할 때 발생하는 전기저항 변화를 감지하는 방식으로, 실내 공기질 관리, 식품 상태 확인, 산업 현장 모니터링 등 다양한 분야에 활용될 수 있다. 하지만 기존 센서는 한 종류의 금속 산화물만 사용하여 감지 능력과 구별 능력을 동시에 높이는 데 한계가 있었다.

연구팀은 여러 금속 원소를 비슷한 비율로 섞은 '고엔트로피 산화물' 소재를 활용하여 이러한 한계를 극복했다. 고엔트로피 산화물은 다양한 금속 원소의 조합으로 인해 원자 주변 환경이 복잡해지고, 기체가 달라붙거나 반응하는 표면 특성이 변화하여 감지 성능이 향상되는 것으로 분석되었다.

연구팀은 특히 고엔트로피 산화물에서 흡착된 산소와 산소 공공(산소 원자가 빠진 자리)이 증가하는 것을 확인했으며, 이러한 표면 특성 변화가 에탄올과의 반응을 촉진하는 주요 원인임을 규명했다. 또한, 개발된 센서는 6개월간의 안정성 평가에서도 성능을 유지했으며, 상대습도 90%의 높은 습도 조건에서도 작동 가능함을 확인했다.

장호원 교수는 "이번 연구는 엔트로피 설계를 통해 산화물 소재의 표면 반응을 조절하고 에탄올 감지 성능을 높일 수 있음을 보여주었다"며, "앞으로 다양한 원소 조합을 탐색하여 에탄올뿐만 아니라 여러 기체에 선택적으로 반응하는 센서 소재 개발로 연구를 확장할 계획"이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단, 국가과학기술연구회, 농촌진흥청, 교육부 등 다양한 기관의 지원을 받아 수행되었다.

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