"전등빛만으로 유해가스 잡는다" GIST, 초고감도 센서 개발

햇빛·조명 등 일상 속 가시광 조건 서 작동

상온 작동· 5주 이상 장기 안정성 동시 확보

WHO 기준의 127분의 1 수준까지 감지

국내 공동연구팀이 가시광만으로 대기중 오염물질을 감지하는 기술을 개발했다. 왼쪽부터 GIST 이상한 신소재공학과 교수, 육연지 석박통합과정생, 고등광기술연구원 김도겸 박사후연구원, 이창열 수석연구원.[사진= GIST]

광주과학기술원(GIST)이 일상 조명과 같은 가시광만으로 대기 오염물질을 극미량까지 감지할 수 있는 차세대 가스 센서 기술을 개발했다.

GIST는 이상한 신소재공학과 교수와 고등광기술연구원(APRI) 이창열 수석연구원 공동 연구팀이 상온과 가시광 조건에서 이산화질소(NO₂)를 초미량부터 고농도까지 정밀하게 감지하는 반도체 소재 기반 센서를 개발했다고 26일 밝혔다.

대기오염 측정이나 산업 안전 분야에서 쓰이는 기존 가스 센서는 이산화질소가 센서 표면에 닿을 때 전기 저항이 변하는 원리를 이용한다. 하지만 상온에서는 가스의 흡착·탈착 과정에서 전하 이동이 원활하지 않아 감지 성능이 떨어지는 문제가 있었다. 광 기반 센서의 경우에도 자외선(UV)을 필요로 해 전력 소모가 크고, 소재 열화로 인한 장기 안정성 저하가 걸림돌이었다.

연구팀은 빛을 받으면 전하를 생성하는 할라이드 페로브스카이트 나노입자를 구멍이 많은 주석 산화물(SnO₂) 구조 위에 결합하는 방식으로 이 문제를 해결했다. 나노입자는 두께 약 2nm의 얇은 실리카 보호층으로 감싸 수분·산소 등 외부 환경으로부터 보호했다.

가시광이 닿으면 나노입자에서 전하가 활발하게 생성되고, 구멍이 많은 금속 산화물 구조를 통해 가스가 넓은 표면적과 접촉하면서 감지 성능이 크게 높아진다. 별도의 가열 장치 없이도 상온에서 안정적으로 작동하는 것이 특징이다.

실험 결과, 이 센서는 0.105ppb(초미량)부터 10ppm(고농도)까지 넓은 농도 범위에서 이산화질소를 감지했다. 이는 세계보건기구(WHO)의 이산화질소 기준치(13.3ppb)의 약 127분의 1 수준에 해당하는 높은 민감도다. 또한 실리카 보호층 덕분에 5주 이상 안정적인 작동이 확인되어 장기 안정성도 입증됐다.

GIST는 이번 연구 성과가 학술적 의의와 함께 산업적 응용 가능성까지 고려한 것으로, 기술이전 관련 협의는 기술사업화실(hgmoon@gist.ac.kr)을 통해 진행할 수 있다고 공개했다.

이상한 교수는 "일상 조명과 같은 가시광 환경에서도 안정적으로 작동하는 할라이드 페로브스카이트 소재를 가스 센서에 적용한 첫 사례"라며 "저전력·고감도 차세대 가스 센서의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

이창열 수석연구원은 "할라이드 페로브스카이트의 구조적 안정성을 개선해 태양전지·발광소자를 넘어 가스 센서 등 다양한 광전자 소자로의 확장 가능성을 보여준 연구"라고 의의를 설명했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 중견연구자지원사업 및 미래수소원천기술개발사업 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 Advanced Functional Materials에 게재됐으며, 후면 표지(Back Cover) 논문으로 선정됐다. 연구는 이상한 교수·고등광기술연구원 이창열 수석연구원이 지도하고 GIST 신소재공학과의 육연지 석박통합과정생·고등광기술연구원의 김도겸 박사후연구원이 수행했다.

가시광으로 작동하는 고감도 가스 센서 원리.[이미지= GIST]