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이규형·이우영 교수팀
이규형·이우영 교수팀, 서브갭 밴드 제어를 통한 NiWO4 강상관계 소재 개발 선택적 가스 반응 활성화 메커니즘 확립을 통해 가스센서 성능 향상을 위한 필수 요소기술로 활용 기대, 재료공학 분야 전문학술지 ‘Advanced Functional Materials’ 게재
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사진 1. (왼쪽부터) 신소재공학과 이규형 교수, 이우영 교수, 이승용 연구교수, 좌하은 통합과정우리 대학교 신소재공학과 이규형·이우영 교수팀(제1저자 이승용 연구교수, 좌하은 통합과정)이 군산대학교 이기문 교수와 함께, NiWO4 강상관계 절연체 산화물에 도핑을 적용하여 밴드구조를 조절하는 전략을 개발했다. 연구팀은 이를 통해 H2S 가스를 선택적으로 감지할 수 있는 새로운 소재를 개발하였으며, 기존의 실험 결과에 의존하던 가스센서선택도 구현과는 전혀 다른 가스센서선택도 향상 메커니즘을 제시하였다.
강상관계 절연체 산화물은 양이온과 음이온의 강한 이온결합을 갖는 일반적인 산화물과 달리, 결정격자 내에서 양이온 간의 강한 쿨롱 척력에 의해 큰 밴드갭을 갖는 물질로써 강한 절연특성을 나타내는 소재이다. 본 연구에서 사용한 모소재인 NiWO4는 강상관계 특성을 나타내지만, *Ni 양이온 간의 쿨롱 척력을 제어하면 다양한 기능 특성을 발현할 수 있는 소재로 본 연구팀이 보고한 바 있다. (*Materials Horizons, 11, 6342 (2024), Applied Catalysis B-Environment and Energy, 343, 123540 (2024), Nano Energy, 126, 109595 (2024) 등)
본 연구에서는 NiWO4의 Ni 자리에 Cu를 치환하고, 결정구조의 빈 공간에 Li을 침입시키는 조성제어로 H2S 가스를 선택적으로 감지하는 기능성을 발현시켰다. Cu의 도핑을 통해 NiWO4의 밴드갭에 Cu 서브 밴드가 형성되었고, 동시에 쿨롱 척력이 조되어 가스센서 구동에 요구되는 저항값이 구현되었다. 또한, Li은 주변에서 donor 역할을 수행하는 동시에 또 다른 Cu 서브 밴드를 형성하는 역할을 하였고, 이 두 번째 Cu 서브갭이 H2S의 환원 반응 에너지 레벨과 일치하여 H2S 가스에 대한 높은 선택도를 실현할 수 있었다.
본 연구는 실험적 결과에 의존하던 기존의 가스센싱 소재 개발의 한계를 넘어, 소재의 밴드구조와 화학반응 간의 상관관계를 기반으로 한 소재 개발 전략을 제시함으로써, 선택도 향상에 대한 기술적 어려움을 해결할 핵심 요소기술 중 하나로 활용될 것으로 기대된다.
그림1. NiWO4 강상관계 소재에서 Cu/Li 동시 도핑에 의한 서브갭 제어 및 H2S의 환원전위와의 매칭에 의한 감지 성능 발현 메커니즘
본 연구는 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단의 중견연구자지원사업과 삼성전자전략산학과제의 지원을 받아 수행되었으며, 재료공학 분야 전문 학술지인 ‘Advanced Functional Materials’에 2025년 3월 10일 온라인 게재되었다.
논문 제목: Turning on Selective H2S Gas Sensing Activity in Ternary Nickel Tungstate Strongly Correlated Electron System Through Sub-Gap Band Manipulation
논문 주소: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202425477
연구진
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이우영 교수
연세대학교 공과대학 신소재공학
WOOYOUNG@YONSEI.AC.KR
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이규형 교수
연세대학교 공과대학 신소재공학
KHLEE2018@YONSEI.AC.KR
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