소금물로 그래핀 가스 센서 성능 ‘UP’…민감도·감지 속도 높여

표준연, 염소화 그래핀 기반 가스센서 개발
그래핀 염소화 기술로 센서 감도·반응 대폭 향상

염소화 그래핀 기반 가스 센서로 상온에서 이산화질소를 감지하는 모습. 표준연 제공.

소금물을 활용해 상온에서 유해가스를 빠르게 감지할 수 있는 그래핀 센서 기술이 개발됐다.

한국표준과학연구원은 김연후 박사 연구팀이 소금물을 이용한 전기화학 공정(염화나트륨 수용액)으로 별도 가열 장치 없이 전력 소모와 발열 문제를 해결할 수 있는 ‘염소화 그래핀 기반 가스 센서 기술’을 개발했다고 16일 밝혔다.

가스 센서는 지하주차장, 보일러실, 산업 현장 배관 등 유해가스 누출 위험이 있는 곳에 설치하는 필수 장치다.

기존 센서 기술은 소재를 수백 도까지 가열해야 하기 때문에 전력 소모가 많고, 발열 부담도 컸다.

연구팀은 그래핀 표면에 소금물을 떨어 뜨린 뒤 전압을 가해 소금물 속 염소 성분이 그래핀 표면에 균일하게 결합하는 방식으로 센서 성능을 높였다.

아울러 독성 염소가스나 염산을 직접 사용하거나 고온·고압 공정이 필요한 기존 방식과 달리 별도의 유해가스 없이 공정을 단순화해 안정성을 확보하고 제조 비용 부담을 낮췄다.

개발된 센서는 상온에서 이산화질소 반응 민감도가 기존보다 2.5배 높았고, 가스 감지 속도는 157초에서 38초로 75% 단축했다.

특히 센서의 가장 큰 제약으로 꼽히던 회복 시간은 1485초에서 202초로 86% 감소해 가스 감지 후 다음 측정까지 걸리는 시간을 약 25분에서 3분 수준으로 대폭 줄였다.

연구팀은 염소 처리된 그래핀이 이산화질소를 강하게 끌어 당기면서 주변 공기 중 산소와 활발히 반응해 외부 열원 없이 상온에서 빠르게 회복된다는 사실을 밀도범함수이론 계산으로 규명했다.

김연후 표준연 박사는 “그래핀 센서의 최대 약점이었던 느린 회복 속도를 소금물이라는 안전한 재료로 개선했다”며 “스마트폰이나 웨어러블 기기 등 다양한 분야로 확장이 가능하다”고 말했다.

연구결과는 재료화학 분야 국제 학술지 ‘저널 오브 머터리얼즈 케미스트리 A’ 지난해 12월 표지 논문으로 실렸다.

염소화 그래핀 기반 가스 센서 연구성과가 실린 국제 학술지 표지 논문. 표준연 제공.

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr