KRICT 한국화학연구원

□ 우리나라에서 간혹 사망자가 발생하는 유해가스 누출 사고 및 최근 해외의 종이빨대에서 유해물질이 검출된 연구 결과 등으로 인해 유해가스·물질에 대한 우려와 관심이 커지는 가운데, 국내 연구진이 고성능 환경 센서 기술을 개발했다.

 - 한국화학연구원(원장 이영국) 조동휘·이정오 박사 연구팀, 한국과학기술연구원(원장 윤석진) 장지수 박사 공동 연구팀은 최근 발표된 연구 논문을 통해, 상온에서 낮은 전력 소모로 ▲공기 중에 누출될 수 있는 유해가스인 황화수소* 검출과, ▲폐수 속 염료 등 오염 물질의 분해에 모두 적용 가능한 ‘광촉매 특성을 갖는 금속산화물 반도체 가스 센서’ 개발에 성공했다고 밝혔다.
    * 황화수소 : 달걀 썩는 냄새가 특징인 유해가스로, 축사 또는 화장실 옆 정화조 등에서 누출된 황화수소에 고농도 중독 시 신경마비나 사망 위험 존재

 - 이번 기술 개발로 환경 센서 핵심 소재가 유해가스 감지, 오염물질 저감 등 다양한 용도로 제품화되는데 기여할 수 있을 것으로 전망된다.

□ 가스 센서 기술은 다양한 방식이 있는데, 그 중 반도체식 기술은 주로 금속산화물인 센서 소재가 어떤 가스와 반응할 때 전기적 특성이 변화하는 원리를 이용한다. 이 방식은 유해가스에 대한 높은 민감도, 빠른 반응속도, 양산성 등의 우수한 장점이 있다.

 - 다만 가스가 활발히 반응하기 위해서는 센서 소재를 수백 ℃까지 히터로 가열하는 활성화 과정이 필요한데, 이때 ▲？많은 전력이 소모된다는 단점과, 높은 온도에서는 ▲？모든 가스가 반응해서 특정 가스만 선별하기 어렵다는 필연적인 한계가 있었다.

□ 이에 공동 연구팀은 ▲낮은 전력으로도 작동되는 센서 소재 제작을 위해 히터 가열 방식이 아닌 ？‘빛’을 통해 열을 발생시키는 ‘광활성화’ 방식을 적용하고, ▲특정 가스에만 반응하도록 ？‘4가지 성분이 포함된 나노 촉매’를 센서 표면에 균일하게 합성함으로써 문제를 해결했다.

 - 연구팀은 금속산화물의 일종인 이산화티타늄을 센서 재료로 삼고 우선 ？전력 효율을 높이기 위해, 첨단 나노 반도체 기술을 이용해 빛이 최대한 잘 흡수될 수 있는 규칙적인 정렬 형태의 ‘3차원 나노-쉘 구조’*를 만들었다. 이 구조에선 기존보다 전력 소모가 1/100 정도인 ㎽ 수준의 빛을 집중시키는 것만으로 높은 열이 발생하여, 히터를 통한 가열이 없어도 센서 소재 활성화가 가능했다.
     * 3차원 나노-쉘 구조 : 조개껍데기처럼 얇은 반구 형태(쉘 구조)를 매우 작게 (나노 단위로) 만들되, 평면(2차원)이 아닌 입체(3차원)적으로 쌓아놓은 모습

 - 그리고 ？특정 가스만 선별적으로 감지하기 위해, 센서 소재 표면에 ‘특정 가스에 반응하는 금속 나노 촉매’를 합성했다. 이 때 나노 촉매를 이루는 원소가 다양할수록 여러 종류의 가스 중에서 특정 가스만 선택적으로 반응하는데 더 유리해진다. 이는 인터넷에서 검색 조건을 여러 개 설정할수록 정확성이 높아지는 방식과 유사하다고 볼 수 있다. 이번 연구에서는 ‘백금, 팔라듐, 니켈, 코발트’의 4가지 원소를 첨가하자 유해가스 중 ‘황화수소’만 선택적으로 잘 반응했다.

 - 이렇게 이산화티타늄 센서 소재 표면에 나노 촉매를 합성하는 과정에도 앞서 제작했던 빛을 잘 흡수하는 ‘3차원 나노-쉘 구조’가 활용됐다. 센서 표면에 나노 촉매로 바뀔 금속이온 재료를 넓게 펼친 후 강한 빛을 짧게 집중시키면, ‘3차원 나노-쉘 구조’ 덕분에 1,200도 가까이 급격히 온도가 상승하며 이산화티타늄 센서 소재 표면에 나노 촉매가 균일하게 합성되는 원리도 규명한 것이다.

□ 한편, 연구팀은 해당 센서가 갖는 또 다른 특징으로서, 수중에서 오염 물질을 줄일 수 있다는 결과도 검증하였다. 센서의 재료로 쓰인 이산화티타늄은 광촉매*로 활용되는 대표적인 화합물로서, 수중이나 대기 중 오염물질을 광촉매로 분해할 때 많이 다뤄지는 소재이다.
     * 광촉매 : 빛을 받아들여 화학 반응을 촉진시키는 물질

 - 이번 연구에서 활용된 이산화티타늄은 그 표면에 나노 촉매가 합성된 상태에서도 효율적인 광촉매 특성을 보였다. 연구 결과 특히 물 속에 극미량으로 존재하는 염료나 PFOA* 등 미세 오염 물질을 0.18㎎/㎠의 소형 센서 소재로도 분해**할 수 있었다. 
     * PFOA : 코팅프라이팬, 종이컵 등에 코팅 용도로 활용되나, 자연적으로는 잘 분해되지 않아 인체에 축적 시 질병 유발 가능성이 있는 유해물질
     ** 염료 분해 : 0.01mM (10-5mol/L) 수준을 광촉매 반응으로 5시간 만에 72% 분해 PFOA 분해 : 0.2mM (2×10-4mol/L) 수준을 광촉매 반응으로 12시간 만에 42.5% 분해

 - 기존의 기술은 분말 형태의 광촉매를 오염수에 투입·반응시킨 후 전량 회수가 어려워 광촉매의 양이 줄어드는 단점이 있는 반면, 이번 기술은 소형화된 환경 센서를 오염수에 넣었다가 꺼내면 건조 후 재활용할 수 있어 효율적으로 오염물질 저감이 가능한 장점이 있다.

 - 이번 기술 개발로, 환경 센서 관련 기업과의 적극적인 협업을 통해 실내·외 환경질 모니터링 뿐만 아니라, 필요에 따라 해당 오염원을 저감시키는 핵심기술로써 사용자의 삶의 질 개선에 크게 기여할 수 있을 것으로 전망된다.

□ 화학연 이영국 원장은 “이번 연구를 통해 개발한 기술은 황화수소  탐지 및 수중의 오염물질 분해 등 국민의 건강한 삶을 위한 기술로서, 앞으로 추가적인 연구를 통해 다양한 유해가스, 유해물질에도 적용될 수 있는 플랫폼 기술이 될 것으로 기대한다.”라고 말했다.

 - 이번 연구결과는 재료화학 분야의 권위적인 국제학술지인 ‘Journal of Materials Chemistry A(IF : 11.9)’ 2023년 9월호 표지 논문으로 선정됐다.

 - 또한 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업, 다부처공동사업의 지원을 받아 수행됐다.