이번 연구 성과를 이미지로 만든 ‘어드밴스드 머티리얼즈’ 표지
카이스트 신소재공학과 연구팀은 가시광을 활용해 상온에서 초고감도로 이산화질소를 감지할 수 있는 가스 센서를 개발했다고 10일 밝혔다. 이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’에 실렸다.
기존 가스 센서는 금속산화물 반도체 기반 저항 변화식이어서 300도 이상 가열이 필요하다. 이 때문에 일반적인 상온 측정에는 한계가 있다. 이를 대신할 광활성 방식 가스 센서 기술이 눈길을 끌고 있지만, 인체에 해로운 자외선이나 근자외선 영역의 빛을 활용해야 한다는 단점이 있다.
이에 연구팀은 광활성 방식 가스 센서를 녹색광을 포함한 가시광선 영역으로 확대해 범용성을 높였다. 녹색광을 조사했을 때 이산화질소 감지 반응성은 기존 대비 52배로 증가했다. 특히 실내조명에 사용되는 백색광을 조사했을 때도 최고 수준의 이산화질소 가스 감지 반응성을 달성했다.
연구팀은 이를 위해 가시광선 흡수가 어려운 인듐 산화물 나노섬유에 비스무스 원소를 첨가해 청색광을 흡수할 수 있도록 중간 밴드 갭을 형성했다. 여기에 금 나노입자를 추가로 덧붙여 가스와의 산화-환원 반응을 촉진하는 국소 표면 플라즈몬 공명 현상을 통해 녹색광 영역에서도 활성도를 높였다. 비스무스와 금 나노입자 첨가 효과와 나노섬유가 갖는 넓은 비표면적 특성을 통해 상온에서 이산화질소 반응성을 기존 센서 대비 52배 늘어났다.
연구를 이끈 김일두 카이스트 신소재공학과 교수는 “이산화질소는 자동차 배기가스나 공장 매연 등에서 검출되는 대표적 대기 환경 유해가스”라면서 “이번 연구 결과는 우리 주변에서 일반적으로 접근할 수 있는 녹색 및 청색광(430~570㎚·나노미터) 영역의 가시광선을 활용해 상온에서 초고감도로 감지할 수 있는 신소재를 개발한 것”이라고 말했다. 김 교수는 “실내조명 및 기기와의 결합한 가스 센서의 상용화에 큰 역할을 할 것으로 기대한다”고 덧붙였다.
