'1조분의 1' 수준 공기 내 미세 유해가스 감지..표준연, 센서 개발

시간·비용 경제성 탁월, 대기환경 개선연구 및 다양한 센서·촉매에 응용 가능

[대전=뉴시스] 표준연이 개발한 초고감도 가스센서 소재(위)와 초고감도 가스센서의 소재 합성 및 제작 원리, 성능테스트 모식도. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국표준과학연구원(KRISS)은 낮은 전력으로도 세계 최고 수준의 민감도를 갖는 유해가스 감지센서를 개발했다고 5일 밝혔다.

이 기술은 대기 중 유해가스인 이산화질소를 상온에서 저전력·초고감도로 정밀 모니터링할 수 있으며 반도체 공정 잔류가스 감지, 수전해 촉매 등에도 활용이 가능하다.

이산화질소(NO₂)는 주로 자동차 배기가스, 공장 매연 등으로 배출되며 국내에서는 대기 중 연평균 이산화질소 농도를 30ppb(10억분의 1) 이하로 규제하고 있다. 이처럼 극히 낮은 농도의 가스를 정확하게 감지하기 위해서는 감도가 매우 우수한 센서가 필요하다.

최근 반도체 등 첨단산업의 발전으로 인체에 치명적인 유해가스 사용도 늘고 있어 실험실이나 공장 등에서는 안전사고 방지를 위해 반도체식 센서가 사용되고 있다.

하지만 이 센서의 반응감도가 사람의 코로 인식할 수 있는 수준의 유해가스도 감지하지 못할 만큼 낮다는 문제가 있다. 여러 가스가 혼재된 환경에서 특정 가스를 정확히 선택해 감지하는 능력도 떨어지고 민감도를 높이려면 고온에서 동작시켜야 해 에너지 소모가 크다.

이번에 표준연이 개발한 센서는 신소재 기반의 차세대 반도체식 유해가스 센서로 성능과 실용성이 대폭 향상됐다. 화학반응감도와 선택적 감지능력이 모두 뛰어나 기존에 보고된 반도체식 센서보다 이산화질소를 60배 이상 높은 감도로 감지할 수 있다.

또한 상온에서 동작 가능해 전력 소모가 적고 최적의 반도체 제조공정으로 저온에서 대면적 합성이 가능해 제작단가도 낮다.

핵심기술은 표준연이 자체개발한 이황화몰리브덴(MoS2) 나노브랜치(nanobranch) 소재로 통상 2차원의 평면구조로 사용되는 MoS2 소재를 나뭇가지 형태의 3차원구조로 합성해 민감도를 높였다.

대면적으로 균일한 소재합성이 가능할 뿐 아니라 추가 공정없이 원료물질에 포함된 탄소비율을 조절하는 것만으로 3차원구조를 만들어낼 수 있다는 장점도 있다.

개발된 가스센서로 대기 중 이산화질소를 5ppb 농도까지 감지할 수 있음이 실험을 통해 증명됐고 계산된 센서의 감지 한계는 1.58ppt(1조분의 1)로 세계 최고 수준이다.

시간 절감과 높은 경제성, 우수한 분해능을 갖추고 있어 연평균 이산화질소 농도뿐 아니라 실시간 변화를 감지해 대기환경 개선 연구에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

특히 이번 기술은 소재 합성단계에서 원료물질에 포함된 탄소함량을 조절, 소재의 전기화학적 특성을 변화시킬 수 있어 반도체 공정의 잔류가스 등 이산회질소 이외 다른 가스를 감지하는 센서로 전용 가능하다. 소재의 우수한 화학반응성을 응용하면 수소생산을 위한 수전해 촉매 성능향상에도 이용될 수 있다.

이번 연구 성과는 재료과학 분야 저명 학술지 '스몰스트럭처스(Small Structures, IF: 15.9)' 8월호에 게재됐다.(논문명"MOCVD of Hierarchical C-MoS2 Nanobranches for ppt-Level NO2 Detection)

표준연 반도체측정장비팀 문지훈 선임연구원은 "기존 가스센서의 한계를 극복한 이번 기술은 규제 대응을 위한 수준을 뛰어넘어 국내 대기환경 모니터링을 더 정밀한 수준으로 끌어올릴 것"이라며 "대기 중 이산화질소 모니터링 외에도 다양한 유해가스 센서 및 촉매개발에 활용할 수 있도록 후속연구를 이어가겠다"고 밝혔다.

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