녹색 빛으로 감도 52배, 이산화질소 센서 나왔다

KAIST 연구진, 상온 초고감도 이산화질소 센서 구현
소비전력 문제 해결, 가스 센서 상용화에 도움

김일두 KAIST 신소재공학과 교수 연구진이 가시광을 활용해 상온에서도 초고감도로 이산화질소를 감지할 수 있는 가스 센서를 개발했다./KAIST

국내 연구진이 녹색 빛을 이용해 상온에서 이산화질소를 감지하는 센서의 성능을 높이는 데 성공했다. 이산화질소는 호흡기 질병을 유발하고 식물에도 피해를 주는 대기오염물질이다. 해당 센서는 녹색 빛이 50% 이상 포함된 실내 조명으로도 작동할 수 있어 활용 가능성이 높다.

김일두 KAIST 신소재공학과 교수 연구진은 가시광을 활용해 상온에서도 초고감도로 이산화질소를 감지할 수 있는 가스 센서를 개발했다고 10일 밝혔다. 연구 결과는 재료 분야의 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 온라인판에 지난 3월 4일 공개됐다. 오는 13일에는 전면 속표지(Inside Front Cover) 논문으로 발표될 예정이다.

지금까지 가스를 감지하는 센서는 금속산화물 표면에 가스가 흡착될 때 저항이 바뀌는 것을 측정하는 ‘금속산화물 반도체 기반 저항 변화식 가스 센서’가 많이 쓰였다. 하지만 금속 산화물과 가스의 반응을 위해서는 300도 이상 가열이 필요해 상온에서 측정하는 데에 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 최근 금속산화물에 빛을 쪼여 가스와 반응하게 만드는 ‘금속산화물 기반 광활성 방식 가스 센서’가 주목받고 있으나, 인체에 유해한 자외선이나 근 자외선 영역의 빛을 활용했다.

연구진은 녹색 빛을 포함한 가시광 영역의 빛을 활용하는 가스 센서를 개발했다. 가시광선을 흡수하기 어려운 인듐 산화물 나노섬유에 비스무트 원소를 첨가해 청색광을 흡수할 수 있도록 바꿨다. 이어 금 나노 입자를 결합시켜 가시광 중 녹색 빛 영역에서 활성도를 극대화했다.

그 결과 상온에서 녹색 빛을 조사했을 때 이산화질소 감지 반응성이 기존 센서 대비 52배 증가했다. 실내 조명으로 쓰이는 백색광을 조사해도 이산화질소를 감지하는 반응성이 개선됐다. 연구진은 “인듐 산화물을 나노섬유 형태로 이용해 표면적을 넓히고, 비스무트와 금 나노입자를 첨가해 녹색 빛에 대한 반응성을 높인 결과”라고 설명했다.

김일두 교수는 “자동차 배기가스나 공장 매연에서 나오는 대표적인 대기 환경 유해가스인 이산화질소 가스를 녹·청색광 영역의 가시광을 활용해 상온에서 초고감도로 감지가 가능하다”며 “가스 센서의 소비전력이나 집적화 문제를 해결할 수 있어 향후 가스 센서와 실내 조명을 결합한 형태로 상용화할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

참고 자료

Advanced Materials(2024), DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202313731

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