GIST, 빛으로 유해가스 감지하는 고감도 센서 개발

광주과학기술원(GIST)은 이상한 신소재공학과 교수와 이창열 고등광기술연구원(APRI) 수석연구원 연구팀이 차세대 반도체 소재 기반 가시광 가스센서 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.

센서가 민감하려면 가스가 센서 표면에 붙고 떨어지는 과정에서 전하 이동이 활발해야 한다. 그런데, 상온에서는 이러한 과정이 노이즈 등으로 제한적이어서 성능이 떨어지는 문제가 있었다.

가시광으로 작동하는 고감도 가스 센서 원리. 가운데 그림처럼 나노입자를 얇은 유리막으로 감싸 미세기둥 위에 쌓아 올렸다.(그림=GIST)

또한 기존 광 기반 센서는 주로 자외선(UV)을 필요로 하는데, 이에는 전력 소모가 크고 소재 열화(성능 저하)를 유발해 장기 안정성도 문제였다.

연구팀은 이같은 문제를 유리막과 금속 산화물 재료로 해결했다. 빛을 받으면 전하를 만들어내는 아주 작은 알갱이(할라이드 페로브스카이트 나노입자)를 스펀지처럼 구멍이 많은 구조와 결합한 새로운 센서를 개발한 것.

미세한 결정을 두께 약 2 nm(10억분의 1미터)의 매우 얇은 유리막(실리카 보호층)으로 감싼 뒤, 빨대처럼 구멍을 통해 공기가 잘 드나드는 기둥 형태의 금속 산화물 재료(주석) 위에 결합했다.

연구팀은 빛을 받으면 전하가 많이 생성돼 전하 이동이 활발해지고 상온에서도 센서가 안정적으로 작동하는 것을 학인했다. 또한 실리카 보호층은 수분·산소 등 외부 환경으로부터 소재를 보호해 안정성을 더했다.

구멍이 많은 금속 산화물 구조를 통해 가스가 더 잘 확산되고 표면에 많이 닿아 감지 성능도 향상됐다.

연구팀은 이 센서를 어두운 조건(암조건)과 눈에 보이는 빛(가시광·녹색광)을 비추는 조건에서 이산화질소 감지 성능을 비교했다. 그 결과, 센서는 초미량(0.105 ppb)부터 고농도(10 ppm)까지 넓은 농도 범위에서 이산화질소를 감지했다. 이는 세계보건기구(WHO) 기준(13.3 ppb)의 약 127분의 1 수준까지 탐지 가능한 높은 민감도를 의미한다.

특히 얇은 유리막인 실리카 보호층으로 인해 약 5주 이상 안정적으로 작동해 장기 안정성 성능도 확보했다. 가열 없이 상온에서 작동하며, 가시광만으로도 오염물질의 존재와 농도를 정밀하게 감지한다는 것이 연구팀 부연 설명이다.