광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 이상한 신소재공학과 교수팀이 백금·금 등 값비싼 귀금속 재료를 사용하지 않고도 이산화질소를 매우 민감하게 감지할 수 있는 새로운 가스센서 기술을 개발하는 데 성공했다고 17일 밝혔다.
일반적으로 금속산화물 가스센서는 공기 중 특정 기체가 센서 표면과 반응할 때 나타나는 전기적 변화를 감지해 유해가스 농도를 측정한다. 그동안 널리 사용돼 온 텅스텐산화물 센서는 구조가 안정적이지만, 반응이 느리고 민감도가 낮다는 한계가 있었다.
이를 보완하기 위해 센서 표면에 반응을 도와주는 물질, 즉 '촉매'를 추가하는 방식이 활용돼 왔다. 주로 금(Au)·백금(Pt)·팔라듐(Pd)과 같은 귀금속이 사용돼 왔지만 이러한 귀금속 촉매는 가격이 높고 수급이 불안정해 상용화의 걸림돌로 작용해 왔다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 값이 싸고 자연계에 풍부한 원소인 황(S)을 활용해 센서 표면이 가스에 더 잘 반응하도록 만드는 새로운 촉매 구조를 구현했다.
황(S)을 텅스텐산화물에 도입하면 기본적인 결정 구조는 유지되면서도 센서 표면에 미세한 빈자리가 늘어나 이산화질소가 더 쉽게 붙고, 반응이 끝난 뒤에는 더 빨리 떨어질 수 있다. 이로 인해 센서는 아주 적은 양의 이산화질소도 빠르게 감지하고, 짧은 시간 안에 다시 측정을 이어갈 수 있게 됐다. 이러한 특성은 제조 비용을 낮추는 동시에 대량 생산과 센서 소형화에도 유리한 장점으로 작용한다.
연구팀은 텅스텐산화물 표면에 황(S)을 도입함으로써 가스 반응에 중요한 역할을 하는 '산소 공극*'을 눈에 띄게 늘리는 데 성공했다. 산소 공극이 많아지면 센서 표면이 가스에 더욱 민감하게 반응해 아주 적은 양의 이산화질소도 빠르게 감지할 수 있고, 반응이 끝난 뒤에는 원래 상태로 돌아오는 속도도 한층 빨라진다.
전자에너지손실분광(EELS), X선 광전자분광(XPS), 적외선분광(IR) 등 다양한 분석 기법을 활용해 황(S) 기반 촉매 설계가 실제로 센서 표면 특성을 어떻게 변화시키는지를 정밀하게 확인했다. 그 결과, 황(S)을 적용한 텅스텐산화물에서는 산소 공극이 뚜렷하게 늘어났으며, 이러한 구조 변화가 센서 성능 향상으로 이어진다는 사실을 실험으로 입증했다.
연구팀은 이번 기술이 도시 대기질을 상시로 관측하는 장비부터 산업 현장의 유해가스 감지 시스템, 공기청정기와 환기 장치용 센서, 웨어러블 환경 감지 기기까지 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 내다봤다.
이상한 교수는 “이번에 제안한 황(S) 기반 센서 표면 조절 방식은 텅스텐산화물(WO3)에만 국한되지 않고, 다양한 금속산화물 가스센서에 적용할 수 있는 범용 기술”이라며, “성능은 유지하면서 비용 부담을 낮출 수 있어 대기오염 감시 기기의 실질적인 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 말했다.
이인희 기자 leeih@etnews.com
