공기 속 유해물질 검출·수중 오염물질 분해 가능 ‘반도체 가스센서’ 개발

화학연구원, KIST와 공동연구로 낮은 전력서 2가지 기능 갖는 센서 기술 확보
'빛'을 통해 열 발생, 3차원 나노-쉘 구조로 전력효율 높여…국제학술지 게재

공기속 유해가스와 물 속의 오염물질을 검출·분해할 수 있는 고성능 센서가 개발됐다.

한국화학연구원은 조동휘·이정오 박사팀이 한국과학기술연구원(KIST) 장지수 박사팀과 함께 상온에서 낮은 전력으로 공기 중 유해가스인 황화수소 검출과 폐수 속 염료 등 오염물질 분해에 모두 적용 가능한 ‘광촉매 특성의 금속산화물 반도체 가스센서’를 개발했다고 26일 밝혔다.

반도체식 가스센서 기술은 주로 금속산화물인 센서소재가 가스와 반응할 때 전기적 특성이 변화하는 원리를 이용한다. 이 방식은 유해가스에 대한 높은 민감도, 빠른 반응속도, 양산성 등의 우수한 장점이 있다.

하지만 가스가 활발히 반응키 위해서는 센서소재를 수백 ℃까지 히터로 가열하는 활성화 과정이 필요해 많은 전력이 소모되며 높은 온도에서 모든 가스가 반응해 특정 가스만 선별하기 어렵다는 한계가 있다.

이번에 공동 연구팀은 히터 가열 방식이 아닌 ‘빛’을 통해 열을 발생시키는 ‘광활성화’ 방식을 적용해 낮은 전력으로도 작동되는 센서소재를 제작하고 특정 가스에만 반응토록 4가지 성분이 포함된 나노 촉매를 센서 표면에 균일하게 합성시켰다.

연구팀은 이산화티타늄을 센서재료로 하고 전력효율을 높이기 위해 첨단 나노 반도체 기술을 이용, 빛이 최대한 잘 흡수될 수 있는 규칙적인 정렬 형태의 ‘3차원 나노-쉘 구조’를 만들었다.

이 구조는 기존보다 전력 소모가 1/100 정도인 ㎽ 수준의 빛을 집중시키는 것만으로 높은 열이 발생돼 히터를 통한 가열이 없어도 센서소재 활성화가 가능하다.

또 센서소재 표면에 특정 가스에 반응하는 금속 나노 촉매를 합성, 목표로하는 특정 가스만 선별적으로 감지토록 했다. 이번 연구에서는 백금, 팔라듐, 니켈, 코발트 등 4가지 원소를 첨가해 유해가스 중 ‘황화수소’만 선택적으로 반응토록 했다.

연구팀은 이어 개발된 센서가 수중에서 오염 물질을 줄일 수 있다는 결과도 확인했다. 센서의 재료로 쓰인 이산화티타늄은 광촉매로 활용되는 대표적인 화합물로, 수중이나 대기 중 오염물질을 광촉매로 분해할 때 많이 다뤄지는 소재다.

특히 연구에서 활용된 이산화티타늄은 표면에 나노 촉매가 합성된 상태에서도 효율적인 광촉매 특성을 보였다. 연구 결과, 특히 물 속에 극미량으로 존재하는 염료 등 미세 오염물질을 분해하는게 확인됐다.

기존 기술은 분말 형태의 광촉매를 오염수에 투입·반응시킨 후 전량 회수가 어려워 광촉매의 양이 줄어드는 단점이 있었으나 이번 기술은 소형화된 환경센서를 오염수에 넣었다가 꺼내 건조 후 재활용할 수 있어 효율적으로 오염물질 저감이 가능하다.

연구 결과는 재료화학 분야 국제 학술지 ‘Journal of Materials Chemistry A(IF : 11.9)’ 9월호 표지 논문으로 선정됐다.(논문명:Atomically mixed catalysts on a 3D thin-shell TiO2 for dual-modal chemical detection and neutralization)

화학연 이영국 원장은 “이번 연구를 통해 개발한 기술은 황화수소 탐지 및 수중의 오염물질 분해 등 국민의 건강한 삶을 위한 기술”이라며 “후속 연구를 통해 다양한 유해가스, 유해물질에 적용될 수 있는 플랫폼 기술이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

[대전=뉴시스]