KAIST, 실내조명 활용한 고감도 이산화질소 센서 구현

by강민구 기자
2024.06.10 09:03:12

[이데일리 강민구 기자] 우리나라 연구진이 녹색빛을 가스 센서에 쏴서 상온에서 최고 수준의 이산화질소 감지 성능을 보이는 것을 확인했다. 이를 통해 녹색광이 50% 이상 포함된 실내조명을 통해서도 작동할 수 있는 초고감도 상온 가스 센서를 개발했다.

KAIST 연구진.(왼쪽부터)김일두 신소재공학과 석좌교수, 박세연 박사, 김민현 박사과정.(사진=KAIST)

한국과학기술원(KAIST)은 김일두 신소재공학과 교수 연구팀이 가시광을 활용해 상온에서도 초고감도로 이산화질소를 감지할 수 있는 가스 센서를 개발했다고 10일 밝혔다.

금속산화물 반도체 기반 저항 변화식 가스 센서는 가스 반응을 위해 300도 이상 가열이 필요해 상온 측정에 한계가 있었다. 이를 극복하기 위한 대안으로 최근 금속산화물 기반 광활성 방식 가스 센서가 주목받고 있지만 기존 연구는 인체에 해로운 자외선이나 근자외선 영역의 빛을 활용하는 데 그쳤다.

연구팀은 이를 녹색 빛을 포함한 가시광 영역으로 확대해 범용성을 높였다. 녹색광을 조사했을 때 이산화질소 감지 반응성이 기존 대비 52배로 늘었다. 특히 실내조명에 사용되는 백색광을 조사해 최고 수준의 이산화질소 가스 감지 반응성을 달성했다.

국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’ 속표지 커버.(자료=어드밴스드 머터리얼즈)

연구팀은 가시광선 흡수가 어려운 인듐 산화물 나노섬유에 비스무스 원소를 넣어 청색광을 흡수하도록 중간 밴드 갭을 형성시켰고, 금 나노입자를 추가로 결착해 국소 표면 플라즈몬 공명 현상을 통해 가시광 중 가장 풍부한 녹색광 영역에서의 활성도를 극대화했다.

비스무스와 금 나노입자 첨가 효과와 나노섬유가 갖는 넓은 비표면적 특성을 통해 상온에서 이산화질소 반응성은 기존 센서 대비 52배 증가시켰다.

김일두 교수는 “자동차 배기가스와 공장 매연에서 배출되는 대기 환경 유해가스인 이산화질소 가스를 우리 주변에서 일반적으로 접근할 수 있는 녹·청색광(430~570 nm) 영역의 가시광을 활용해 상온에서 초고감도로 감지가 가능한 신소재를 개발했다”라며 “가스 센서의 소비전력과 집적화 문제를 해결할 수 있어 실내조명과 기기와의 결합을 통한 가스 센서 상용화에 역할을 할 것으로 기대한다”라고 말했다.

이번 연구에는 KAIST 신소재공학과 졸업생 박세연 박사(현 펜실베니아 대학교 박사 후 연구원), 신소재공학과 김민현 박사과정이 참여했다. 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 지난 3월 4일 온라인 공개됐다. 이번달 13일 24호 전면 속표지 논문으로도 발표 예정이다.