화학연, 공기중 악취가스 검출하는 환경센서 개발

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 공기 중 악취 가스를 검출하고, 미세 오염물질을 분해할 수 있는 환경센서를 개발했다.

한국화학연구원은 조동휘·이정오 박사 연구팀, 장지수 한국과학기술연구원 박사 공동 연구팀이 공기 중에 누출될 수 있는 유해가스인 황화수소를 검출하고, 폐수 속 염료 등 오염 물질의 분해에 적용할 수 있는 금속산화물 반도체 가스 센서를 개발했다고 26일 밝혔다.

센서 제작 과정에서 이산화티타늄을 소재로 만든 3차원 나노·쉘 구조 확인 장면.(사진=한국화학연구원)

가스 센서 기술은 다양한 방식이 있다. 이중 반도체식 기술은 금속산화물인 센서 소재가 어떤 가스와 반응할 때 전기 특성이 변화하는 원리를 이용한다. 이 방식은 유해가스에 대한 높은 민감도, 빠른 반응속도, 양산성 등이 우수하다.

다만 가스가 활발하게 반응하려면 센서 소재를 수백도까지 히터로 가열해야 한다. 전력을 많이 쓰고, 높은 온도에서 특정 가스만 골라내기 어려웠다.

이에 연구팀은 히터 가열 방식이 아닌 빛을 통해 열을 만드는 ‘광활성화’ 방식을 적용하고, 특정 가스에만 반응하도록 백금, 팔라듐 등 4가지 성분이 포함된 나노 촉매를 센서 표면에 균일하게 합성해 문제를 해결했다.

연구팀은 금속산화물의 일종인 이산화티타늄을 센서 재료로 삼고 전력 효율을 높이기 위해 나노 반도체 기술을 이용해 빛이 최대한 잘 흡수될 수 있는 규칙적인 정렬 형태의 ‘3차원 나노·쉘 구조’를 만들었다. 이 구조에선 기존보다 전력 소모가 100분의 1 정도 수준의 빛을 집중시켜 높은 열이 발생했다.

또 특정 가스만 골라 감지하기 위해 센서 소재 표면에 ‘특정 가스에 반응하는 금속 나노 촉매’를 합성했다. 이후 백금, 팔라듐, 니켈, 코발트 등 4가지 원소를 첨가하자 유해가스 중 황화수소만 선택적으로 반응했다.

이 밖에 연구팀은 해당 센서가 물속에서 오염 물질을 줄일 수 있다는 결과도 검증했다. 센서 재료로 쓴 이산화티타늄은 광촉매(빛을 받아들여 화학반응을 촉진하는 물질)로 활용하는 대표적인 화합물이다. 수중이나 대기 중 오염물질을 광촉매로 분해할 때 많이 쓴다.

이산화티타늄은 표면에 나노 촉매가 합성된 상태에서도 효율적인 광촉매 특성을 보였다. 물 속에 극미량으로 존재하는 염료 미세 오염 물질을 소형 센서 소재로 분해했다.

이영국 화학연 원장은 “이번에 개발한 기술은 황화수소 탐지와 수중 오염물질 분해 등 국민의 건강한 삶을 위한 기술”이라며 “추가 연구를 통해 다양한 유해가스, 유해물질에도 적용되는 플랫폼 기술이 될 것으로 기대한다”고 했다.

연구결과는 재료화학 분야 국제학술지인 ‘Journal of Materials Chemistry A’에 이달 표지 논문으로 선정됐다.