“유해가스 잡고 오염물질 분해까지 척척”…고성능 환경센서 국산화 성공

- 한국화학연구원·KIST 공동연구, 금속산화물 반도체 가스센서 개발

대기오염물질 검출 및 난분해성 수질오염원 저감용 환경 센서 모식도.[한국화학연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 유해가스 유출 사고를 원천봉쇄할 수 있는 고성능 환경센서 기술 개발에 성공했다.

한국화학연구원 조동휘·이정오 박사와 한국과학기술연구원(KIST) 장지수 박사 공동 연구팀은 낮은 전력 소모로 유해가스인 황화수소 검출과 폐수 속 오염물질 분해에 모두 적용 가능한 ‘ 금속산화물 반도체 가스 센서’를 개발했다.

반도체식 가스센서는 금속산화물인 센서 소재가 어떤 가스와 반응할 때 전기적 특성이 변화하는 원리를 이용한다. 이 방식은 유해가스에 대한 높은 민감도, 빠른 반응속도, 양산성 등의 우수한 장점이 있다.

하지만 가스가 활발히 반응하기 위해서는 센서 소재를 수백 ℃까지 히터로 가열하는 활성화 과정이 필요하다. 이때 많은 전력이 소모되고 높은 온도에서는 모든 가스가 반응해서 특정 가스만 선별하기 어렵다는 한계가 있었다.

연구팀은 금속산화물의 일종인 이산화티타늄을 센서 재료로 활용, 전력 효율을 높이기 위해, 첨단 나노 반도체 기술을 이용해 빛이 최대한 잘 흡수될 수 있는 규칙적인 정렬 형태의 ‘3차원 나노-쉘 구조’를 만들었다.

이후 특정 가스만 선별적으로 감지하기 위해, 센서 소재 표면에 ‘특정 가스에 반응하는 금속 나노 촉매’를 합성했다. 이때 나노 촉매를 이루는 원소가 다양할수록 여러 종류의 가스 중에서 특정 가스만 선택적으로 반응하는데 더 유리해진다.

한국화학연구원 연구진이 센서 제작 과정에서 이산화티타늄을 소재를 만들어진 3차원 나노-쉘 구조를 확인하고 있다.[한국화학연구원 제공]

연구팀은 수중에서 오염 물질을 제거할 수 있는 효능도 검증했다. 센서의 재료로 쓰인 이산화티타늄은 광촉매로 활용되는 대표적인 화합물로서, 수중이나 대기 중 오염물질을 광촉매로 분해할 때 사용한다. 실험결과 물 속에 극미량으로 존재하는 염료나 미세오염물질을 0.18㎎/㎠의 소형 센서 소재로도 분해할 수 있었다.

이영국 한국화학연구원장은 “이번 연구를 통해 개발한 기술은 황화수소 탐지 및 수중의 오염물질 분해 등 국민의 건강한 삶을 위한 기술”이라며 “앞으로 추가적인 연구를 통해 다양한 유해가스, 유해물질에도 적용될 수 있는 플랫폼 기술이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구결과는 재료화학 분야 국제학술지 ‘재료화학저널 A’ 9월호 표지 논문으로 선정됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com