파란 LED 빛 하나로 유해가스 4종 구별하는 '전자 코'

기존 센서 대비 감도 56배 향상

LED 기반 다종 식별 가스 센서. 한국표준과학연구원 제공

수백 도로 가열해야 했던 기존 가스 센서와 달리 파란색 LED 빛만으로 상온에서 여러 유해가스를 구별하는 '전자 코' 센서가 개발됐다.

한국표준과학연구원(KRISS)은 권기창 첨단소재측정그룹 책임연구원과 남기백 서울대 박사과정생이 파란색 LED 빛을 이용해 상온에서 유해가스를 고감도로 식별하는 센서 기술을 개발했다고 11일 밝혔다. 연구 결과는 나노·센서 분야 국제학술지 '스몰'에 지난해 11월 18일 게재됐다.

기존 가스 센서는 소형 히터로 센서를 수백 도까지 달궈야 한다. 히터 대신 빛을 쓰는 방식도 제안됐지만 자외선은 피부를 손상시킬 수 있고 가시광선은 감지할 수 있는 가스가 이산화질소 한 종류에 그쳐 활용도가 낮았다.

연구팀은 가시광선의 약한 반응성을 보완하기 위해 센서 소재의 구조를 바꿨다. 인듐이라는 금속의 산화물 위에 같은 금속의 황화물을 얇게 입혀 두 층이 맞닿는 구조를 만들었다. 이 구조는 빛을 받으면 생기는 전하가 흩어지지 않고 가스와 반응하는 표면으로 모이는 '에너지 우물'이다. 덕분에 별도의 열원 없이 파란색 LED 빛만으로도 가스 분자와 바로 반응할 수 있다.

연구팀은 이 구조 위에 백금, 팔라듐, 금 등 귀금속 나노 입자를 각각 입힌 센서를 나란히 배열해 '전자 코' 기능을 구현했다. 전자코는 귀금속마다 민감하게 반응하는 가스가 다르기 때문에 이산화질소, 수소, 암모니아, 에탄올 등 4종의 가스가 섞였음에도 정확히 구별해냈다. 사람의 코가 여러 냄새를 구분하는 것과 비슷하다. 파란색 LED로 상온에서 전자 코를 구현한 것은 이번이 처음이다.

전자코 센서의 감도는 기존 LED 방식 센서보다 약 56배 높았다. 습도 80% 환경에서도 안정적으로 작동했고 300일 이상 장기 시험에서도 초기 성능을 유지했다.

전자코 센서는 고온 가열 없이 작동해 전력 소모가 적고 하나의 장치로 여러 가스를 동시에 감지할 수 있어 공장이나 발전소의 센서 설치 비용을 줄일 수 있을 것으로 전망된다. 권기창 책임연구원은 "향후 촉매 조합을 최적화해 각 현장 특성에 맞는 유해가스를 선별 감지하는 맞춤형 지능형 센서로 발전시킬 계획"이라고 말했다.

<참고>
doi.org/10.1002/smll.202506056

[임정우 기자 jjwl@donga.com]