“LED 빛 쬐였더니” 유해가스 종류 식별…고성능 ‘전자 코’ 센서 나왔다

- 표준硏, 기존 센서 대비 전력 소모↓· 활용 분야↑

권기창 책임연구원)이 화학증기 기상법 장비로 금속산화물 및 황화물 센서 물질을 합성하고 있다.[KRISS 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국표준과학연구원(KRISS)은 저렴하고 안전한 LED 빛을 활용해 여러 종류의 유해가스를 정밀하게 식별할 수 있는 차세대 가스 센서 기술을 개발했다.

현재 산업 현장에서 주로 쓰이는 가스 센서는 가스 분자와의 반응성을 높이기 위해 200~400 ℃의 고온 상태를 유지해야 하는 ‘고온 동작 방식’이다. 이 방식은 전력 소모가 크고, 반복되는 고열 노출로 인해 소재가 빠르게 마모되는 단점이 있다.

이를 해결하기 위해 히터 대신 자외선이나 가시광선 LED 패널을 적용한 가스 센서가 제안됐지만, 안전성과 성능 문제로 상용화에 한계를 겪어 왔다.

KRISS 첨단소재측정그룹 권기창 책임연구원과 서울대학교 남기백 박사과정생은 인듐옥사이드(In2O3) 위에 인듐설파이드(In2S3)를 얇게 코팅한 나노 구조를 개발해 가시광선 LED 기반 가스 센서의 성능을 획기적으로 개선했다.

연구진은 개발한 이종접합 구조 위에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au) 나노 입자를 입힌 센서를 배열해 ‘전자 코(E-nose)’ 기능을 구현했다. 각 귀금속 촉매가 특정 가스에만 민감하게 반응하도록 설계해 마치 사람의 코처럼 여러 가스가 뒤섞인 환경에서도 유해가스인 수소와 암모니아, 에탄올을 명확히 구별해낼 수 있다.

성능 실험 결과, 개발 센서의 검출 한계(LOD)는 201.03 ppt(Parts Per Trillion, 1조 분의 1) 수준으로 기존 LED 방식의 센서보다 감도가 약 56배 향상됐다. 또한 습도가 80%인 환경에서도 안정적으로 작동하고 300일 이상의 장기 평가에도 초기 성능을 유지하는 등 내구성도 뛰어난 것으로 확인됐다.

LED 기반 다종 식별 가스 센서.[KRISS 제공]

이 기술은 센서 하나로 여러 종류의 가스를 식별할 수 있고 전력 소모가 적어 산업 현장은 물론 일반 가정에서도 경제적으로 활용할 수 있다. 한 번의 설치로 여러 종류의 유해가스를 동시에 감지할 수 있어 공장이나 발전소의 센서 구축 비용을 절감할 수 있다.

또한 고온 가열 과정 없이 실온에서 동작해 스마트폰이나 스마트워치 등 웨어러블 기기 탑재에도 유리하다. 기술 상용화 시 사용자가 자신의 이동 경로에 따른 유해 환경을 실시간 모니터링하고 가스 누출 사고에 즉각 대응하는 생활 밀착형 안전 서비스가 가능해질 것으로 보인다.

권기창 책임연구원은 “향후 촉매 조합을 최적화해 각 현장 특성에 맞는 유해가스를 선별 감지하는 맞춤형 지능형 센서로 발전시킬 계획”이라고 말했다.

과학기술정보통신부 나노·소재기술개발 사업의 지원을 받은 이번 연구성과는 나노·센서 분야 학술지 ‘스몰’에 게재됐다.