“빛으로 유해가스 잡는다”…지스트, 새 가스센서 개발

광주과학기술원(GIST)이 빛만으로 공기 속 유해가스를 정밀하게 감지하는 차세대 센서 기술을 개발했다. 별도의 가열 장치 없이도 상온에서 작동하면서, 기존 센서의 낮은 효율과 높은 전력 소모 문제를 동시에 해결한 것이 핵심이다.

26일 광주과학기술원은 이상한 신소재공학과 교수와 이창열 고등광기술연구원 수석연구원 공동 연구팀이 가시광 기반 가스센서 기술을 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 상온 구동, 장기 안정성, 빛 반응성을 동시에 확보해 기존 센서의 구조적 한계를 넘어선 것으로 평가된다.

기존 가스센서는 이산화질소(NO₂)가 닿을 때 전기 저항이 변하는 원리를 이용한다. 그러나 상온에서는 가스가 센서 표면에 붙고 떨어지는 과정이 원활하지 않아 감지 성능이 떨어지는 문제가 있었다. 또한 기존 광센서는 주로 자외선(UV)을 사용해 전력 소모가 크고 소재가 쉽게 손상되는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘할라이드 페로브스카이트 나노입자’를 활용했다. 이는 빛을 받으면 전하(전기 흐름의 원인)를 만들어내는 매우 작은 입자로, 센서의 민감도를 높이는 핵심 소재다. 여기에 ‘실리카 보호층’을 덧입혀 외부 수분과 산소로부터 소재를 보호하고, 성능 저하를 막았다. 실리카 보호층은 유리처럼 얇은 막으로, 외부 환경으로부터 소재를 보호해 안정성을 유지하는 구조다.

또한 공기가 잘 통하는 다공성(구멍이 많은) 금속 산화물 구조를 적용해 가스가 센서 표면에 더 많이 닿도록 설계했다. 그 결과 빛을 받으면 전하 이동이 활발해지면서 상온에서도 높은 감지 성능을 구현할 수 있었다.

성능도 뛰어났다. 해당 센서는 0.105ppb(10억분의 1 수준)라는 극미량부터 고농도까지 넓은 범위의 이산화질소를 감지했다. 이는 세계보건기구(WHO) 기준(13.3ppb)의 약 127분의 1 수준까지 탐지 가능한 수준이다. 아울러 약 5주 이상 안정적으로 작동해 장기 신뢰성도 입증됐다.

특히 눈에 보이는 빛(가시광)만으로도 센서가 작동한다는 점에서 의미가 크다. 빛의 세기에 따라 센서 성능을 조절할 수 있어, 향후 광 제어 기반 센서 설계 가능성도 제시했다. 기존처럼 고온 가열이 필요 없기 때문에 전력 소비를 크게 줄일 수 있는 것도 장점이다.

연구팀은 이 기술이 향후 휴대용 가스 감지기, 스마트폰 기반 환경 센서, 실내 공기질 관리 시스템 등 다양한 분야에 적용될 것으로 보고 있다.

이상한 교수는 “일상 조명 수준의 가시광 환경에서도 안정적으로 작동하는 가스센서를 구현한 첫 사례”라며 “저전력·고감도 센서의 상용화를 앞당길 수 있을 것”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 등의 지원을 받아 수행됐으며, 국제학술지 Advanced Functional Materials에 게재됐다.

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