13일 출판되는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’속 표지

국내 연구진이 녹색 빛을 가스센서와 결합시켜 실내조명을 활용해 이산화질소(NO₂)를 감지하는 획기적인 기술 개발에 성공했다.

KAIST는 김일두(사진) 신소재공학과 교수 연구팀이 가시광을 활용해 상온에서도 초고감도로 이산화질소를 감지할 수 있는 가스 센서를 개발했다고 10일 밝혔다.

김일두 신소재공학과 교수

금속산화물 반도체 기반 저항 변화식 가스 센서는 가스 반응을 위해 300도 이상 가열이 필요해 상온 측정에 한계가 있었다. 이를 극복하기 위한 대안으로 최근 금속산화물 기반 광활성 방식 가스 센서가 크게 주목받고 있으나, 기존 연구는 인체에 유해한 자외선 내지는 근자외선 영역의 빛을 활용하는 데에 그쳤다.

연구팀은 이를 녹색 빛을 포함한 가시광 영역으로 확대해 범용성을 크게 높였으며, 녹색광을 조사했을 때 이산화질소 감지 반응성이 기존 대비 52배로 증가했다.

특히 실내조명에 사용되는 백색광을 조사해 최고 수준의 이산화질소 가스 감지 반응성을 달성하는 데에 성공했다.

연구진은 가시광선의 흡수가 어려운 인듐 산화물(In₂O₃) 나노섬유에 비스무스(Bi) 원소를 첨가해 청색광을 흡수할 수 있도록 중간 밴드 갭을 형성시켰다. 이후 금(Au) 나노입자를 추가적으로 결착, 국소 표면 플라즈몬 공명현상을 통해 가시광 중 가장 풍부한 녹색광 영역에서의 활성도를 극대화했다. 비스무스와 금 나노입자 첨가 효과와 나노섬유가 갖는 넓은 비표면적 특성을 통해 상온에서 이산화질소 반응성을 기존 센서 대비 52배 증가시켰다.

김 교수는 “자동차 배기가스, 공장 매연 등에서 배출되는 대표적인 대기 환경 유해가스인 이산화질소 가스를 우리 주변에서 일반적으로 접근할 수 있는 녹·청색광 영역의 가시광을 활용해 상온에서 초고감도로 감지가 가능한 신소재를 개발했다”고 밝혔다.

“가스 센서의 소비전력 및 집적화 문제를 해결할 수 있어, 향후 실내조명 및 기기와의 결합을 통한 가스 센서의 상용화에 큰 역할을 할 것으로 기대한다”고 덧붙였다.

이번 연구 결과는 3월 4일 재료 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’ 온라인에 공개됐다. 13일에는 같은 학술지 전면 속표지 논문으로 게재될 예정이다.

구본혁 기자