열 대신 빛으로 유해가스 식별 고효율 가스센서기술 개발

표준硏…LED 빛 이용해 유해가스 판별 '전자 코' 센서 개발

전력 소모↓· 활용 분야↑…산업현장·일상 속 가스 안전성 높여

[대전=뉴시스] 표준연구원(KRISS)이 개발한 LED 기반 다종 식별 가스센서 모식도.(사진=KRISS 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국표준과학연구원(KRISS)은 저렴하고 안전한 발광다이오드(LED) 빛을 활용해 여러 종류의 유해가스를 정밀하게 식별할 수 있는 차세대 가스센서 기술을 개발했다고 11일 밝혔다.

이 기술은 고온에서 작동하는 기존 센서보다 전력소모가 적고 뛰어난 범용성을 갖춰 산업현장이나 실생활 전반에 걸쳐 가스 안전성을  높일 것으로 기대된다.

현재 산업현장에서 주로 쓰이는 가스센서는 가스분자와 반응성을 높이기 위해 200~400도의 고온상태를 유지해야 하는 고온동작방식이다. 센서마다 마이크로 히터를 부착해 장치를 상시 가열해야 하므로 전력소모가 크고 반복되는 고열 노출로 소재가 빠르게 마모되는 단점이 있다.

이를 해결하기 위해 히터 대신 자외선이나 가시광선 LED 패널을 적용한 가스센서가 제안됐지만 안전성과 성능문제로 상용화에 한계를 겪어 왔다.

이번에 KRISS 첨단소재측정그룹 권기창 책임연구원과 서울대학교 남기백 박사과정생은  인듐옥사이드(In2O3) 위에 인듐설파이드(In2S3)를 얇게 코팅한 나노구조를 개발해 가시광선 LED 기반 가스센서의 성능을 획기적으로 개선했다.
 
연구진이 개발한 'Type-I 이종접합' 형태의 나노구조는 빛을 받았을 때 생기는 전하가 밖으로 흩어지지 않고 반응이 일어나는 표면으로 모아주는 '에너지 우물' 역할을 한다.
 
이를 통해 광에너지 효율을 극대화시키고 별도의 열원 없이 파란색 LED 빛만으로도 가스분자와 즉각적으로 반응할 수 있는 감지구조를 만들었다.

이어 연구진은 개발한 이종접합 구조 위에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au) 나노입자를 입힌 센서를 배열해 '전자 코(E-nose)' 기능을 구현했다.

이 전자 코는 각 귀금속 촉매가 특정 가스에만 민감하게 반응토록 설계돼 사람의 코처럼 여러가스가 뒤섞인 환경에서도 유해가스인 수소와 암모니아, 에탄올을 명확히 구별해낼 수 있다.

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

한번의 설치로 여러 종류의 유해가스를 동시에 감지할 수 있어 공장이나 발전소의 센서 구축비용을 절감할 수 있고 저렴한 유지비 덕분에 도입이 어려웠던 주거시설이나 공공장소 내 실시간 공기 질 관리시스템에도 쉽게 보급될 수 있다.

과학기술정보통신부의 지원을 받아 수행된 이번 연구성과는 나노·센서 분야 국제 학술지인 'Small'에 최근 게재됐다.

권기창 박사는 "이 센서는 고온 가열과정 없이 실온에서 동작이 가능해 스마트폰이나 스마트워치 등 웨어러블 기기 탑재에도 유리하다"면서 "향후 촉매 조합을 최적화해 각 현장 특성에 맞는 유해가스를 선별 감지하는 맞춤형 지능형 센서로 발전시킬 계획"이라고 말했다.


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