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한국표준과학연구원(KRISS)은 LED 빛을 활용해 유해가스를 식별할 수 있는 차세대 센서를 개발했다고 밝혔다. 고온에서 작동하는 기존 센서와 달리 실온에서 구동할 수 있어 전력 소모를 줄이고 활용 범위를 넓힐 수 있다는 설명이다.
현재 산업 현장에서 주로 쓰이는 가스 센서는 가스 분자와의 반응성을 높이기 위해 200~400℃의 고온 상태를 유지하는 방식이다. 센서마다 마이크로 히터를 부착해 상시 가열해야 해 전력 소모가 크고, 반복되는 고열 노출로 소재 마모가 빠른 단점이 있다.
이를 해결하기 위해 히터 대신 자외선(UV)이나 가시광선 LED 패널을 적용한 가스 센서가 제안됐지만 안전성과 성능 문제로 상용화에 한계가 있었다. 자외선 방식은 반응성은 좋지만 피부 손상 위험이 있고, 가시광선 LED 방식은 반응성이 약해 이산화질소 외의 가스를 감지하기 어려웠다.
권기창 KRISS 첨단소재측정그룹 책임연구원과 남기백 서울대학교 박사과정생은 인듐옥사이드(In2O3) 위에 인듐설파이드(In2S3)를 얇게 코팅한 나노 구조를 개발해 가시광선 LED 기반 센서의 반응 효율을 높였다.
연구진이 개발한 ‘Type-I 이종접합’ 형태의 나노 구조는 빛을 받았을 때 생성된 전하가 표면 반응 영역에 모이도록 유도해 광에너지 활용도를 높이는 방식이다. 이를 통해 별도의 열원 없이 파란색 LED 빛만으로도 가스 분자와 반응하는 감지 구조를 구현했다고 연구원은 설명했다.
연구진은 해당 구조 위에 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 금(Au) 나노 입자를 적용한 센서를 배열해 복합 가스를 구분하는 ‘전자 코(E-nose)’ 방식도 구현했다. 촉매 종류에 따라 반응 특성이 달라지는 점을 활용해 혼합 환경에서도 수소, 암모니아, 에탄올 등을 구분할 수 있도록 설계했다.
성능 평가 결과 센서의 검출 한계(LOD)는 201.03 ppt(1조분의 1) 수준으로, 연구진은 기존 가시광선 LED 기반 센서 대비 감도가 약 56배 향상됐다고 밝혔다. 또한 습도 80% 환경과 300일 이상 장기 동작 시험에서도 초기 성능을 유지했다고 덧붙였다.
KRISS는 이번 기술이 단일 센서로 여러 종류의 가스를 구분할 수 있고 저전력으로 구동되는 만큼 산업 설비의 가스 감시뿐 아니라 실내 공기질 관리와 휴대·웨어러블 기기 분야로의 확장 가능성도 있다고 설명했다.
권기창 책임연구원은 “향후 촉매 조합을 최적화해 현장 특성에 맞는 유해가스를 선별 감지하는 맞춤형 지능형 센서로 발전시킬 계획”이라고 말했다.
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