한국표준과학연구원(KRISS)이 뜨거운 열 대신 저렴하고 안전한 파란색 LED 빛을 이용해 다양한 유해가스를 정밀하게 구별하는 차세대 가스 센서 기술을 개발했다.
이 기술은 스마트폰이나 스마트워치 등 웨어러블 기기에 탑재해 일상 속 가스 누출을 실시간으로 감시하는 안전 기술로 활용될 수 있다.
KRISS 화학소재측정본부 권기창 박사팀은 서울대 남기백 박사과정과 공동연구로 인듐옥사이드(In2O3) 위에 인듐설파이드(In2S3)를 얇게 코팅한 나노 구조를 개발해 가시광선 LED 기반 가스 센서의 성능을 획기적으로 개선했다고 11일 밝혔다.
현재 산업현장에 쓰이는 가스 센서는 가스 분자와 반응을 유도하기 위해 200~400℃의 고온으로 가열하기 때문에 전력 소모가 크고, 센서 소재가 빨리 고장나는 단점이 있다.
이를 해결하기 위해 빛을 이용하는 방식이 제안됐지만, 자외선은 인체에 해롭고 가시광선은 반응이 약해 상용화에 어려움이 있었다.
연구팀은 빛 반응성이 낮은 한계를 독창적인 소재 설계로 극복했다. 연구팀은 산화물 반도체 인듐옥사이드 위에 황화물 반도체인 인듐설파이드를 얇게 코팅한 나노 구조를 만들었다.
이 구조는 서로 다른 두 반도체가 맞닿아 있는 제1형 이종접합 형태로, 마치 에너지 우물처럼 가두는 효과가 있어 빛을 받았을 때 생성된 전하가 흩어지지 않고 반응이 일어나는 표면으로 집중된다.
덕분에 별도 히터 없이 파란색 LED만 비춰도 가스 분자와 즉각 반응할 수 있다.
연구팀은 이 센서에 백금, 팔라듐, 금 등 서로 다른 귀금속 나노 입자를 입혀 '전자 코' 기능을 구현했다.
각 귀금속 촉매는 특정 가스에만 민감하게 반응하도록 설계함으로써 여러 가스가 섞인 환경에서도 수소, 암모니아, 에탄올, 이산화질소 등을 정확히 가려냈다.
실험 결과 이 센서는 검출한계(LOD)가 201.03ppt로, 기존 LED 방식 센서보다 56배 개됐다.
특히 습도가 80%인 악조건이나 300일 이상 장기 구동에도 초기 성능을 유지하는 내구성도 갖췄다.
이 기술은 고온 가열이 필요 없어 전력 소모가 적고 실온에서 작동해 공장이나 발전소의 안전센서, 배터리 소모에 민감한 스마트폰이나 웨어러블 기기 개인용 유해가스 알림 서비스 등에 응용이 기대된다.
권 박사는 "향후 촉매 조합을 최적화해 각 산업현장 특성에 맞는 유해가스를 선별 감지하는 맞춤형 지능형 센서로 발전시키겠다"고 말했다.
한편 이번 연구성과는 지난해 12월 국제학술지 '스몰(Small)'에 게재됐다.
(논문명: Visible Light-Driven Heterojunction Array Based on Type-I In₂S₃/In₂O₃ for Selective Multi-Gas Discrimination)
