[일본] 오염성 배기가스를 검출하는 방안을 개선하는 나노기술
공장과 자동차 배기가스에서 배출되는 오염물질(pollutants)은 이러한 유해한 기체를 호흡하는 인간에 영향을 끼치고, 대기로 유입되어 기후 변화(climate change)에 부정적인 영향을 끼친다. 이러한 배기가스를 검출할 수 있는 능력을 가지는 것은 측정에 반드시 필요하다.
일본 OIST(Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University) 산하 나노입자 디자인 연구를 수행하는 연구진이 오스트리아 레오벤 재료 연구소(Materials Center Leoben Austria) 소속의 연구진과 오스트리아 전자현미경과 나노분석 연구소(Austrian Centre for Electron Microscopy and Nanoanalysis) 소속의 연구진과 공동으로 수행한 연구는 나노규모에서 센서를 이용하여 오염성 배기가스(polluting emissions)를 검출하는 방안을 개선하는 효율적인 방안을 개발했다. 관련 논문은 “습한 대기에서 일산화탄소를 감지하기 위하여 크기 선택적인 팔라듐 나노입자로 장식된 단일 CuO 나노와이어(Single CuO nanowires decorated with size-selected Pd nanoparticles for CO sensing in humid atmosphere)”라는 제목으로 Nanotechnology 저널에 발표됐다.
연구진은 일반적인 산업용 오염물질인 일산화탄소(carbon monoxide)를 검출하기 위하여 팔라듐 나노입자(palladium nanoparticles)로 장식된 산화동 나노와이어(copper oxide nanowire, CuO nanowire)를 사용했다. 센서는 이러한 방법으로 개발될 미래 장치가 운영될 필요가 있는 조건인 대기 조건과 유사한 조건에서 테스트됐다.
산화동(copper oxide)은 반도체로 과학자들은 초소형 전자공학 산업에서 산화동을 적용하기 위한 가능한 응용을 찾기 위하여 제작된 나노와이어를 사용했다. 그러나 기체 감지 응용에서, 산화동은 다른 금속산화물 재료와 비교했을 때 덜 광범위하게 조사됐다.
반도체는 소량의 외부 원자가 높은 온도에서 자체적인 표면에 부착되도록 만들 때 반도체의 전기적 특성에 비약적인 변화를 경험하도록 제작될 수 있다. 동 연구 사례에서, 산화동 나노와이어는 전기 회로의 일부로 만들어졌다. 연구진은 기체 존재 하에서 결과적으로 얻어진 회로의 전기 저항에서의 변화를 측정함으로써, 일산화탄소를 간접적으로 검출했다. 연구진은 팔라듐 나노입자로 장식된 산화동 나노와이어가 나노입자가 없는 동일한 유형의 나노와이어보다 일산화탄소 존재 하에서 전기 저항이 훨씬 더 크게 증가하는 것을 확인했다.
습한 대기에서 팔라듐 나노입자로 장식된 장치뿐 아니라 일산화탄소 검출 특성을 비교하고, 단일 CuO 나노와이어를 기반으로 하는 전도성 측정의 기체 센서에 대하여 보고했다. 클러스터 크기 선택을 위한 4극형 질량 필터(quadrupole mass filter)와 결합된 마그네트론 스퍼터(magnetron sputter) 불활성 기체 결합은 부드러운 착륙 체재에서 단일 단계 팔라듐 나노입자 증착을 사용했다. 불균일하게 분산됐을 때, 결정성 팔라듐 나노입자와 크기 선택적인 직경 약 5nm가 4개의 지점 배치에서 단일 산화동 나노와이어 장치 위에 증착됐다. 습한 인공 공기에서 기체 검출 실험이 진행되는 동안 팔라듐 나노입자로 장식된 CuO 나노와이어에 대한 일산화탄소 반응이 상당히 강화됐다.
새롭게 제안된 OIST 나노입자는 먼저 크기에 따라 나노입자를 걸러내고, 이후 균일하게 분포될 수 있는 방식으로 나노와이어 표면 위에 팔라듐 나노입자를 전달 및 증착할 수 있게 해주는 정교한 기술을 사용했다. 이러한 크기의 균등한 분산은 나노입자를 선택하고 결과적으로 얻어지는 나노입자-나노와이어 상호 작용은 강화된 전기적 반응을 얻는데 중요하다. OIST 나노입자 증착 시스템은 나노와이어가 위치해 있는 웨이퍼의 일정한 지역을 분리하는 동시에 여러 유형의 나노입자를 증착하도록 맞춤 제작될 수 있다. 다시 말해서, 이러한 시스템은 여러 종류의 기체를 검출할 수 있도록 공학적으로 제어될 수 있다. 다음 단계는 각 장치가 다른 유형의 나노입자를 이용하도록 다수의 센서 장치를 이용하여 동시에 다른 기체를 검출하는 것이다.
크기가 크고 초소형화를 구현하기 어려운 기체 검출에 조사됐던 다른 선택 사항과 비교했을 때, 나노와이어 가스 센서는 더 저렴하고 대량 제조가 용이할 것으로 기대된다.
이러한 종류의 센서를 운영하는 데 있어서 주요 에너지 비용은 특정 전기적 반응을 확보하기 위하여 화학 반응을 촉진하는 데 필요한 고온이 될 필요가 있다. 이 연구에서는 350 ℃가 사용됐다. 그러나 다른 나노와이어-나노입자 재료 배치가 현재 이러한 시스템에서 운영 온도를 더 낮추기 위하여 조사되고 있다.
JSPS(Japan Society for the Promotion of Science) 소속의 박사 후 연구원인 Stephan Steinhauer는 나노입자가 장식된 나노와이어가 이러한 유형의 기술을 산업용 장치에 결합할 수 있는 가능성 때문에, 실용적인 응용에 큰 가능성을 가지고 있다고 밝혔다.
그림1> 균일하게 분포된 전체 웨이퍼 위에 증착된 팔라듐 나노입자.
[출처 = KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2015년 5월 18일]
[원문보기]
Nanotechnology improves methods for detecting polluting emissions
Pollutants emitted by factories and car exhausts affect humans who breathe in these harmful gases and also aggravate climate change up in the atmosphere. Being able to detect such emissions is a critically needed measure.
New research by the Nanoparticles by Design Unit at the Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), in collaboration with the Materials Center Leoben Austria and the Austrian Centre for Electron Microscopy and Nanoanalysis has developed an efficient way to improve methods for detecting polluting emissions using a sensor at the nanoscale. The paper was published in Nanotechnology.
The researchers used a copper oxide nanowire decorated with palladium nanoparticles to detect carbon monoxide, a common industrial pollutant. The sensor was tested in conditions similar to ambient air since future devices developed from this method will need to operate in these conditions.
Copper oxide is a semiconductor and scientists use nanowires fabricated from it to search for potential application in the microelectronics industry. But in gas sensing applications, copper oxide was much less widely investigated compared to other metal oxide materials.
A semiconductor can be made to experience dramatic changes in its electrical properties when a small amount of foreign atoms are made to attach to its surface at high temperatures. In this case, the copper oxide nanowire was made part of an electric circuit. The researchers detected carbon monoxide indirectly, by measuring the change in the resulting circuit’s electrical resistance in presence of the gas. They found that copper oxide nanowires decorated with palladium nanoparticles show a significantly greater increase in electrical resistance in the presence of carbon monoxide than the same type of nanowires without the nanoparticles.
The OIST Nanoparticles by Design Unit used a sophisticated technique that allowed them to first sift nanoparticles according to size, then deliver and deposit the palladium nanoparticles onto the surface of the nanowires in an evenly distributed manner. This even dispersion of size selected nanoparticles and the resulting nanoparticles-nanowire interactions are crucial to get an enhanced electrical response. The OIST nanoparticle deposition system can be tailored to deposit multiple types of nanoparticles at the same time, segregated on distinct areas of the wafer where the nanowire sits. In other words, this system can be engineered to be able to detect multiple kinds of gases. The next step is to detect different gases at the same time by using multiple sensor devices, with each device utilizing a different type of nanoparticle.
Compared to other options being explored in gas sensing which are bulky and difficult to miniaturize, nanowire gas sensors will be cheaper and potentially easier to mass produce.
The main energy cost in operating this kind of a sensor will be the high temperatures necessary to facilitate the chemical reactions for ensuring certain electrical response. In this study 350 degree centigrade was used. However, different nanowire-nanoparticle material configurations are currently being investigated in order to lower the operating temperature of this system.
"I think nanoparticle-decorated nanowires have a huge potential for practical applications as it is possible to incorporate this type of technology into industrial devices,” said Stephan Steinhauer, a Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) postdoctoral research fellow working under the supervision of Prof. Mukhles Sowwan at the OIST Nanoparticles by Design Unit.
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