표준연, 유해가스 초고속 감지 센서 개발
김연후 책임연구원이 개발한 염소화 그래핀 기반 가스센서의 성능을 측정하고 있다. 표준연 제공
소금물 처리 하나로 유해가스 감지 센서의 재사용 대기 시간을 25분에서 3분으로 줄였다. 전력 소모가 적어 소형 기기에도 탑재할 수 있어 지하주차장·공장 등 유해가스 누출 위험 현장의 상시 모니터링에 활용이 기대된다.
한국표준과학연구원(표준연)은 소금물을 활용해 상온에서 유해가스를 빠르게 감지하고 회복하는 '염소화 그래핀 가스 센서' 개발에 성공했다고 16일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '재료화학 저널A(Journal of Materials Chemistry A)' 지난해 12월호 표지 논문으로 발표했다.
가스 센서는 지하주차장·보일러실·산업 현장 배관 등 유해가스 누출 위험 구역에 설치하는 필수 장치다. 이산화질소(NO₂)는 자동차 배기가스와 공장 매연에서 발생하는 주요 대기오염 물질로 정밀 감지와 상시 모니터링이 중요하다.
그러나 기존 센서는 소재를 수백 도까지 가열해야 해 전력 소모가 많고 발열 부담이 크다. 탄소 원자 한 층으로 이뤄진 얇은 소재인 그래핀으로 만든 센서는 히터 없이 상온에서 작동하는 대안으로 주목받았지만 회복 속도가 느려 연속 사용에 문제가 있다.
연구팀은 소금물(염화나트륨 수용액)을 활용한 전기화학 공정으로 이 문제를 해결했다. 그래핀 표면에 소금물을 떨어뜨린 뒤 전압을 가하면 소금물 속 염소 성분이 그래핀 표면에 균일하게 결합해 센서 성능이 높아진다.
기존 방식은 독성 염소가스나 염산을 직접 사용하거나 고온·고압 공정이 필요하지만 새 공정은 유해 물질 없이 단순화해 안전성을 확보하고 제조 비용도 낮췄다.
개발된 염소화 그래핀 가스 센서는 상온에서 이산화질소 반응 민감도가 기존보다 약 2.5배 높아졌다. 가스 감지 속도는 157초에서 38초로 75.8% 단축됐다. 가장 큰 제약으로 꼽히던 회복 시간은 1485초에서 202초로 86.4% 감소해 가스 감지 후 다음 측정까지 걸리는 시간을 약 25분에서 3분 수준으로 대폭 줄였다.
회복 속도가 빨라진 원리는 밀도범함수이론(DFT) 계산으로 규명했다. 염소 처리된 그래핀은 이산화질소를 강하게 끌어당기는 동시에 공기 중 산소와도 활발히 반응한다. 가스 감지 후 깨끗한 공기가 유입되면 산소 분자가 이산화질소 분자를 밀어내고 자리를 차지하면서 외부 열원 없이도 상온에서 빠른 회복이 가능해진다.
히터 없이 상온에서 구동하면서 감도와 회복 성능까지 갖춘 만큼 스마트워치 같은 웨어러블 기기나 환경 감시망 구축에 적합한 솔루션으로 활용될 것으로 기대된다.
김연후 반도체디스플레이측정그룹 책임연구원은 "그래핀 센서의 최대 약점이었던 느린 회복 속도를 소금물이라는 안전한 재료로 개선했다"며 "가스 센서의 소형화와 저전력화를 가로막던 기술적 한계를 낮춘 만큼 스마트폰과 웨어러블 기기 등 다양한 분야로 확장을 기대한다"고 말했다.
doi.org/10.1039/D5TA05009J
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