실내조명 활용해 초고감도로 이산화질소 감지

KAIST

실내조명에 사용되는 녹색광을 사용해 최고 수준의 이산화질소 감지 성능을 구현한 연구 결과가 실린 국제학술지 '어드밴스드 어터리얼즈' 표지. 'KAIST 제공

국내 연구진이 일상생활에서 흔히 쓰이는 녹색광을 가스 센서에 조사해 상온에서 최고 수준의 이산화질소 감지 성능을 구현하는 데 성공했다. 녹색광이 50% 이상 포함된 실내조명을 통해 작동이 가능한 초고감도 상온 가스 센서를 개발했다.

KAIST는 김일두 신소재공학과 교수 연구팀이 가시광을 활용해 상온에서도 초고감도로 이산화질소(NO2)를 감지할 수 있는 가스 센서를 개발했다고 10일 밝혔다. 

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

연구팀은 이번 연구에서 사용하는 가시광의 영역을 녹색광까지 확대해 범용성을 크게 높였다. 실제 실험에서 녹색광을 조사했을 때 이산화질소 감지 반응성이 기존 대비 52배로 증가했다. 특히 녹색광이 절반 이상 포함됐으면서 실내조명에 사용되는 백색광을 조사했을 때 최고 수준의 이산화질소 가스 감지 반응성 달성에 성공했다.

연구팀은 반응성을 향상하기 위해 가시광선의 흡수가 어려운 인듐 산화물(In2O3) 나노섬유에 비스무스(Bi) 원소를 첨가해 청색광을 흡수할 수 있도록 중간 밴드 갭을 형성시켰다. 금(Au) 나노입자를 추가적으로 결착시키고 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR) 현상을 통해 가시광 중 가장 풍부한 녹색광 영역에서의 활성도를 극대화했다. 비스무스와 금 나노입자 첨가 효과와 나노섬유가 갖는 넓은 비표면적 특성을 통해 상온에서 이산화질소 반응성을 기존 센서 대비 52배 증가시켰다. 

연구책임자인 김일두 교수는 “대표적인 대기 환경 유해가스인 이산화질소 가스를 우리 주변에서 일반적으로 접근할 수 있는 녹색광과 청색광영역의 가시광을 활용해 상온에서 초고감도로 감지가 가능한 신소재를 개발했다”고 설명했다. 이어 “가스 센서의 소비전력 및 집적화 문제를 해결할 수 있어 향후 실내조명 및 기기와의 결합을 통한 가스 센서의 상용화에 큰 역할을 할 것으로 기대한다”고 덧붙였다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’6월호 속표지 논문으로 게재될 예정이다.

[박정연 기자 hesse@donga.com]