널리 쓰이는 가스센서 원리설명 쉽잖네...양자역학 모형 제시

“고전이론 설명과 달리 양자역학 모형이 실제에 가까워”

맹성렬 교수 등 한·미연구팀, 새로운 감지메커니즘 제시 


00SNO2.jpg » 나노 산화주석 가스센서의 구조 모형. 출처/ ACS Applied Materials & Interfaces


이나 식당, 공장 등에서 흔히 쓰이는 가스센서는 새어 나온 기체 분자를 아주 적은 양이라도 감지해 가스누출 사고를 예방하는 데 쓰인다. 가스 분자가 센서 물질 표면에 달라붙을 때 생기는 전자 흐름(전도도)의 변화를 감지하는 방식이 주로 쓰여, 가스센서엔 반도체 물질이 흔히 사용된다. 그러면 가스 분자는 어떻게 센서 물질의 전도도 변화를 일으킬까?


최근 미국화학회의 과학저널(<ACS Applied Materials & Interfaces>)에 가스센서의 작동 원리를 양자역학 시뮬레이션으로 푸는 논문을 낸 맹성렬 우석대 교수(전자전기공학과)는 “이산화질소라는 한 가지 가스를 대상으로 나노 산화주석 물질을 이용해 얻은 결과이긴 하지만 고전이론으로 다 설명할 수 없는 가스센서 원리를 양자역학 계산으로 처음 확인했다는 데 의미가 있다”고 말했다.


가스센서의 작동 원리를 설명하는 고전이론과 그 한계를 그는 다음과 같이 정리해 <사이언스온>에 설명했다.

“반도체 가스센서의 작동 원리는 가스 분자가 센서 물질 표면에 붙은 뒤 센서 물질 내부에서 일어나는 ‘전도전자 공핍 이론’ 현상에 기반을 두는데, 이는 달라붙은 기체 분자가 센서 표면에서 전자 1, 2개를 빼앗거나 내놓는다는 식으로 단순한 가정을 해왔습니다. 산화주석 표면에서 전자를 빼앗아가면 일정 전압에 걸려 있는 산화주석에 흐르는 전류가 감소하게 된다는 것입니다. 그러나 최근 물질 계면에서 일어나는 화학적 현상을 양자역학 관점에서 해석할 수 있게 되면서 이런 단순 가정에 여러 의문이 제기됐으나, 양자역학 관점에서 가스센서 원리를 새롭게 설명하려는 시도는 제대로 이뤄지지 못했습니다.”


양자역학에 기반한 계산과 시뮬레이션, 그리고 이를 실험으로 비교, 검증한다는 이번 논문은 이미 실생활에서 친근하게 널리 쓰이는 가스센서의 작동 원리를 설명하는 데, 복잡한 지식체계인 양자역학의 관점이 사용됐다는 점뿐 아니라 여러 연구자들이 참여했다는 점에서도 흥미롭다.


공저자인 맹 교수와 성균관대 김상우 교수, 미국 로렌스 리버모어 국립연구소의 아메티시 마이티(Ametish Maiti) 박사 등은 이산화질소 기체 분자가 판 구조의 나노 산화주석 물질 표면에 일으키는 변화를 양자역학으로 어떻게 계산할 수 있는지를 두고서 서로 오랜 토론과 논쟁을 거치며 이번 논문을 준비해왔다고 한다. 가스센서에는 둥근 알갱이 모양의 나노 산화주석이 많이 쓰이는데, 이번 실험과 시뮬레이션에선 반응이 비교적 단순하게 파악되는 판 구조의 나노 산화주석이 사용됐다.


“양자역학 계산에 의하면, (이전에 알려진 것처럼 전자 1, 2개를 주고받는  게 아니라) 기체 종류나 표면 상태에 따라 주고받는 전자가 0.32개, 0.51개, 또는 0.19개 식으로 다르다는 사실이 드러났습니다. 이번 논문은 센서 표면과 가스의 가능한 여러 조합 중 특정한 것에 대한 양자역학적 정보를 가지고 행한 시뮬레이션과 실험결과가 일치함을 보여주었다는 점에서 의미가 있습니다. (이번 논문에서 했던 방식대로) 앞으로도 특정 물질의 센서 표면과 특정 가스가 주거나 받는 전자량을 기반으로 시뮬레이션을 행하고 이를 실험값과 비교해 일치함을 보일 수 있을 것으로 기대합니다.”


맹 교수는 “가스 분자가 결함 없는 물질 표면에 달라붙는 것이 가스센서의 주된 감지 메커니즘이 아니라 가스 분자가 산소정공(oxygen vacancy:  산소 원자가 있을 자리에 빠져 있는 구조) 결함 부분에 달라붙는 것이 주된 감지 메커니즘이라는 결론을 내릴 수 있을 만큼 (시뮬레이션과 실험 사이에) 결정적인 일치가 나타났다”고 말했다.

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오철우 기자 cheolwoo@hani.co.kr

@한겨레 과학웹진 사이언스온


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오철우 한겨레신문사 과학담당 기자, 사이언스온 운영
1990년 한겨레신문사에 입사해 편집부, 사회부, 문화부, 생활과학부 등을 거쳤으며 주로 과학담당 기자로 일했다. <과학의 수사학>, <과학의 언어>, <온도계의 철학> 등을 번역했으며, <갈릴레오의 두 우주체제에 관한 대화>를 썼다.
이메일 : cheolwoo@hani.co.kr      

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