열 대신 빛으로 유해가스 골라잡는 차세대 센서 개발

- 저렴한 LED 빛 이용해 유해가스 종류별로 구분하는 ‘전자 코’ 센서 기술 개발 - - 기존 센서 대비 전력 소모↓· 활용 분야↑, 산업 현장과 일상 속 가스 안전성 높인다 -

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 이호성)은 저렴하고 안전한 LED 빛을 활용해 여러 종류의 유해가스를 정밀하게 식별할 수 있는 차세대 가스 센서 기술을 개발했다. 이번 기술은 고온에서 작동하는 기존 센서보다 전력 소모가 적어 경제적일 뿐만 아니라, 뛰어난 범용성을 갖춰 산업 현장과 실생활 전반의 가스 안전성을 한 단계 높일 것으로 기대된다.

 

▲ KRISS가 개발한 LED 기반 다종 식별 가스 센서

 

현재 산업 현장에서 주로 쓰이는 가스 센서는 가스 분자와의 반응성을 높이기 위해 200~400 ℃의 고온 상태를 유지해야 하는 ‘고온 동작 방식’이다. 이 방식은 센서마다 마이크로 히터를 부착해 장치를 상시 가열해야 하므로 전력 소모가 크고, 반복되는 고열 노출로 인해 소재가 빠르게 마모되는 단점이 있다.

 

이를 해결하기 위해 히터 대신 자외선이나 가시광선 LED 패널을 적용한 가스 센서가 제안됐지만, 안전성과 성능 문제로 상용화에 한계를 겪어 왔다. 자외선 방식은 가스 반응성은 좋지만 인체 노출 시 피부 손상 위험이 있고, 가시광선 LED 방식은 안전하지만 가스 분자와의 반응성이 약해 이산화질소 외의 가스를 감지하기 어려웠기 때문이다.

 

▲ KRISS가 개발한 LED 기반 다종 식별 가스 센서 모식도

 

▲ KRISS가 개발한 Type-I 이종접합 구조체의 모식도

 

KRISS 첨단소재측정그룹 권기창 책임연구원과 서울대학교 남기백 박사과정생은 인듐옥사이드(In2O3) 위에 인듐설파이드(In2S3)를 얇게 코팅한 나노 구조를 개발해 가시광선 LED 기반 가스 센서의 성능을 획기적으로 개선했다. 연구진이 개발한 ‘Type-I 이종접합’ 형태의 나노 구조는 빛을 받았을 때 생기는 전하가 밖으로 흩어지지 않고, 반응이 일어나는 표면으로 모아주는 ‘에너지 우물’ 역할을 한다. 이를 통해 광에너지 효율을 극대화함으로써 별도의 열원 없이 파란색 LED 빛만으로도 가스 분자와 즉각적으로 반응할 수 있는 감지 구조를 만들었다.

 

연구진은 개발한 이종접합 구조 위에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au) 나노 입자를 입힌 센서를 배열해 '전자 코(E-nose)' 기능을 구현했다. 각 귀금속 촉매가 특정 가스에만 민감하게 반응하도록 설계해 마치 사람의 코처럼 여러 가스가 뒤섞인 환경에서도 유해가스인 수소와 암모니아, 에탄올을 명확히 구별해낼 수 있다.

▲ KRISS가 개발한 LED 기반 다종 식별 가스 센서의 주요 가스 감지 성능 평가 결과

 

▲ KRISS가 개발한 LED 기반 다종 식별 가스 센서의 전자코(E-nose) 성능 실험 결과

 

성능 실험 결과, 개발 센서의 검출 한계(LOD)는 201.03 ppt(Parts Per Trillion, 1조 분의 1) 수준으로 기존 LED 방식의 센서보다 감도가 약 56배 향상됐다. 또한 습도가 80%인 환경에서도 안정적으로 작동하고 300일 이상의 장기 평가에도 초기 성능을 유지하는 등 내구성도 뛰어난 것으로 확인됐다.

▲ LED 기반 다종 식별 가스 센서 연구진(KRISS 권기창 책임연구원)이 화학증기 기상법 장비로 금속산화물 및 황화물 센서 물질을 합성하고 있다.

▲ LED 기반 다종 식별 가스 센서 연구진(서울대학교 남기백 박사과정생)이 이산화질소 가스를 측정하고 있다.

 

이번 기술은 센서 하나로 여러 종류의 가스를 식별할 수 있고 전력 소모가 적어 산업 현장은 물론 일반 가정에서도 경제적으로 활용할 수 있다. 한 번의 설치로 여러 종류의 유해가스를 동시에 감지할 수 있어 공장이나 발전소의 센서 구축 비용을 절감할 수 있다. 특히 저렴한 유지비 덕분에 그동안 도입이 어려웠던 주거 시설이나 공공장소의 실시간 공기 질 관리 시스템에도 쉽게 보급될 수 있다.

 

또한 이번 센서는 고온 가열 과정 없이 실온에서 동작해 스마트폰이나 스마트워치 등 웨어러블 기기 탑재에도 유리하다. 기술 상용화 시 사용자가 자신의 이동 경로에 따른 유해 환경을 실시간 모니터링하고 가스 누출 사고에 즉각 대응하는 생활 밀착형 안전 서비스가 가능해질 것으로 보인다.

 

KRISS 첨단소재측정그룹 권기창 책임연구원은 “향후 촉매 조합을 최적화해 각 현장 특성에 맞는 유해가스를 선별 감지하는 맞춤형 지능형 센서로 발전시킬 계획”이라고 말했다.

▲ LED 기반 다종 식별 가스 센서 연구진

(앞줄 좌측부터 시계방향으로 KRISS 권지환 첨단소재측정그룹장, 전종철 기술원, 권기창 책임연구원, 서울대학교 남기백 박사과정생)

과학기술정보통신부 나노·소재기술개발 사업의 지원을 받은 이번 연구성과는 나노·센서 분야 학술지인 Small(IF: 12.1)에 지난 12월 게재됐다.