GIST, 가시광선으로 유해가스 감지하는 고감도 센서 개발

(광주=뉴스1) 조영석 기자 = 이상한 광주과학기술원(GIST) 신소재공학과 교수와 이창열 고등광기술연구원(APRI) 수석연구원 공동 연구팀이 차세대 반도체 소재 기반 가시광 가스 센서 기술을 개발했다고 26일 GIST가 밝혔다.

연구팀은 이 기술로 상온에서의 구동, 장기 안정성, 빛 반응성을 동시에 확보해 기존 가스 센서의 한계를 극복했다고 설명했다.

연구팀에 따르면 대기오염 측정, 산업 안전, 차량 배출가스 관리 등에 사용되는 기존 센서 기술은 가스(NO2)가 센서에 닿았을 때 센서 내부 전기 저항이 변하는 현상을 이용한다.

센서가 민감하게 반응하려면 가스가 센서 표면에 붙고 떨어지는 과정에서 전하 이동이 활발해야 하는데, 상온에서는 이런 과정이 제한돼 성능이 떨어지는 한계가 있다.

또 기존 광 기반 센서는 주로 자외선(UV)을 필요로 하는데, 이는 전력 소모가 크고 소재 열화(성능 저하)를 유발한다.

연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 빛을 받으면 전하를 만들어 내는 아주 작은 알갱이(할라이드 페로브스카이트 나노입자)를 스펀지처럼 구멍 많은 구조와 결합한 새로운 센서를 개발했다.

연구팀은 이 센서를 어두운 조건(암조건)과 눈에 보이는 빛(가시광·녹색광)을 비추는 조건에서 이산화질소(NO2) 감지 성능을 비교했다.

그 결과, 새로 개발한 센서는 초미량(0.105ppb)부터 고농도(10ppm)까지 넓은 농도 범위에서 이산화질소를 감지했다. 이는 세계보건기구(WHO) 기준(13.3ppb)의 약 127분의 1 수준까지 탐지 가능한 높은 민감도를 의미한다.

특히 이 센서는 얇은 유리막인 실리카 보호층 때문에 약 5주 이상 안정적으로 작동해 장기 안정성도 확인됐다.

이 기술은 가열 없이 상온에서 작동하며, 가시광만으로도 오염물질의 존재와 농도를 정밀하게 감지할 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.

연구팀이 새로 개발한 기술에 대해 별도 가열 장치가 필요 없어 전력 소모를 줄일 수 있기 때문에 휴대용 센서, 스마트 기기, 실내 공기질 관리 시스템 등에 활용될 것으로 기대된다고 전했다.

이 교수는 "이번 연구는 일상 조명 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.

이 교수와 이 연구원이 지도하고 육연지 GIST 신소재공학과 석박통합과정생, 김도겸 고등광기술연구원 박사후연구원이 수행한 이번 연구 결과는 지난 12일 재료과학 분야 국제학술지 '어드밴스트 펑셔널 머티어리얼스' 온라인판에 게재됐고, 후면 표지 논문으로도 선정됐다.

이 기술에 대한 이전 관련 협의는 GIST 기술사업화실을 통해 진행할 수 있다.

kanjoys@news1.kr