표준연, LED 기반 저전력 '전자 코' 개발...유해가스 종류별로 구분

표준연이 개발한 LED 기반 다종 식별 가스 센서

한국표준과학연구원(원장 이호성)은 저렴하고 안전한 발광다이오드(LED) 빛을 활용해 여러 종류 유해가스를 정밀 식별할 수 있는 차세대 가스 센서 기술을 개발했다고 11일 밝혔다. 전력 소모가 적어 경제적일 뿐만 아니라, 뛰어난 범용성을 갖춰 산업 현장과 실생활 전반 가스 안전성을 높일 것으로 기대된다.

현재 산업 현장에서 주로 쓰이는 가스 센서는 가스 분자와 반응성을 높이기 위해 200~400도 고온 상태를 유지해야 하는 '고온 동작 방식'이다. 마이크로 히터로 장치를 상시 가열해야 해 전력 소모가 크고, 반복 고열 노출로 소재가 빠르게 마모된다.

이에 자외선이나 가시광선 LED 패널을 적용한 가스 센서가 제안됐지만, 안전성과 성능 문제로 상용화에 한계를 겪어 왔다. 특히 가시광선 LED 방식은 가스 분자와의 반응성이 약해 이산화질소 외 가스를 감지하기 어려웠다.

연구진은 인듐옥사이드 위에 인듐설파이드를 얇게 코팅한 나노 구조를 개발해 가시광선 LED 기반 가스 센서 성능을 획기적으로 개선했다. 연구진이 개발한 'Type-I 이종접합' 형태 나노 구조는 빛을 받았을 때 생기는 전하가 밖으로 흩어지지 않고, 반응이 일어나는 표면으로 모아주는 '에너지 우물' 역할을 한다. 별도 열원 없이 파란색 LED 빛만으로도 가스 분자와 즉각적으로 반응할 수 있는 감지 구조를 만들었다.

연구진은 개발한 이종접합 구조 위에 백금, 팔라듐, 금 나노 입자를 입힌 센서를 배열해 '전자 코' 기능을 구현했다. 각 귀금속 촉매가 특정 가스에만 민감하게 반응하도록 설계해 사람 코처럼 여러 가스가 뒤섞인 환경에서도 수소와 암모니아, 에탄올을 구별해낼 수 있다.

LED 기반 다종 식별 가스 센서 연구진. 앞줄 좌측부터 시계방향으로 권지환 첨단소재측정그룹장, 전종철 기술원, 권기창 책임연구원, 남기백 서울대 박사과정생.

실험 결과, 개발 센서 검출 한계(LOD)는 201.03ppt 수준으로 기존 LED 방식 센서보다 감도가 약 56배 향상됐다. 또 습도가 80%인 환경에서도 안정적으로 작동하고 300일 이상 장기 평가에도 초기 성능을 유지하는 등 내구성도 뛰어났다.

이번 기술은 가정에서도 경제적으로 활용할 수 있고, 여러 종류 유해가스를 동시에 감지할 수 있어 공장이나 발전소 센서 구축 비용을 절감할 수 있다. 또 고온 가열 과정 없이 실온 동작해 스마트폰이나 스마트워치 등 웨어러블 기기 탑재에도 유리하다. 생활 밀착형 안전 서비스가 가능해질 것으로 보인다.

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

이번 연구성과는 나노·센서 분야 학술지 스몰에 지난 12월 게재됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com