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공기 중 악취가스 검출과 물 속의 미세 오염물질 분해 모두 가능한 고성능 환경 센서 개발
KRICT 뉴스
 
<h2 style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; font-synthesis: none; -webkit-font-smoothing: antialiased; border: 0px; font-variant-numeric: inherit; font-variant-east-asian: inherit; font-variant-alternates: inherit; font-variant-position: inherit; font-stretch: inherit; font-size: 15px; line-height: 1.1; font-optical-sizing: inherit; font-kerning: inherit; font-feature-settings: inherit; font-variation-settings: inherit; vertical-align: baseline; font-family: 맑은고딕, "Malgun Gothic", -apple-system, BlinkMacSystemFont, "Segoe UI", Roboto, "Helvetica Neue", Arial, sans-serif, FangSong, ?宋, STFangSong, ?文?宋, "Apple Color Emoji", "Segoe UI Emoji", "Segoe UI Symbol", AppleGothic, Dotum, arial, sans-serif; letter-spacing: -0.3px; color: rgb(73, 73, 73); text-align: center;">공기 중 악취가스 검출과 물 속의 미세 오염물질 분해</h2>
<h2 style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; font-synthesis: none; -webkit-font-smoothing: antialiased; border: 0px; font-variant-numeric: inherit; font-variant-east-asian: inherit; font-variant-alternates: inherit; font-variant-position: inherit; font-stretch: inherit; font-size: 15px; line-height: 1.1; font-optical-sizing: inherit; font-kerning: inherit; font-feature-settings: inherit; font-variation-settings: inherit; vertical-align: baseline; font-family: 맑은고딕, "Malgun Gothic", -apple-system, BlinkMacSystemFont, "Segoe UI", Roboto, "Helvetica Neue", Arial, sans-serif, FangSong, ?宋, STFangSong, ?文?宋, "Apple Color Emoji", "Segoe UI Emoji", "Segoe UI Symbol", AppleGothic, Dotum, arial, sans-serif; letter-spacing: -0.3px; color: rgb(73, 73, 73); text-align: center;">모두 가능한 고성능 환경 센서 개발</h2>
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화학소재연구본부
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우리나라에서 간혹 사망자가 발생하는 유해가스 누출 사고 및 최근 해외의 종이빨대에서 유해물질이 검출된 연구 결과 등으로 인해 유해가스&middot;물질에 대한 우려와 관심이 커지는 가운데, 국내 연구진이 고성능 환경 센서 기술을 개발했다.
화학연 조동휘&middot;이정오 박사 연구팀, 한국과학기술연구원 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 &lsquo;광촉매 특성을 갖는 금속산화물 반도체 가스 센서&rsquo; 개발에 성공했다고 밝혔다.
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 &lsquo;빛&rsquo;을 통해 열을 발생시키는 &lsquo;광활성화&rsquo; 방식을 적용하고, ▲특정 가스에만 반응하도록 &lsquo;4가지 성분이 포함된 나노 촉매&rsquo;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 &lsquo;3차원 나노-쉘 구조&rsquo;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.
그리고 특정 가스만 선별적으로 감지하기 위해, 센서 소재 표면에 &lsquo;특정 가스에 반응하는 금속 나노 촉매&rsquo;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 &lsquo;백금, 팔라듐, 니켈, 코발트&rsquo;의 4가지 원소를 첨가하자 유해가스 중 &lsquo;황화수소&rsquo;만 선택적으로 잘 반응했다.
이렇게 이산화티타늄 센서 소재 표면에 나노 촉매를 합성하는 과정에도 앞서 제작했던 빛을 잘 흡수하는 &lsquo;3차원 나노-쉘 구조&rsquo;가 활용됐다. 센서 표면에 나노 촉매로 바뀔 금속이온 재료를 넓게 펼친 후 강한 빛을 짧게 집중시키면, &lsquo;3차원 나노-쉘 구조&rsquo; 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 광촉매로 활용되는 대표적인 화합물로서, 수중이나 대기 중 오염물질을 광촉매로 분해할 때 많이 다뤄지는 소재이다.
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 0.18mg/cm2의 소형 센서 소재로도 분해할 수 있었다.
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센서가 갖는 &lsquo;광촉매&rsquo; 특성을 통해 오염수를 효율적으로 분해하는 모습.
분해 전(좌)과 분해 후(우).
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기존의 기술은 분말 형태의 광촉매를 오염수에 투입&middot;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&middot;외 환경질 모니터링 뿐만 아니라, 필요에 따라 해당 오염원을 저감시키는 핵심기술로써 사용자의 삶의 질 개선에 크게 기여할 수 있을 것으로 전망된다.
화학연 이영국 원장은 &ldquo;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.&rdquo;라고 말했다.
이번 연구결과는 재료화학 분야의 권위적인 국제학술지인 &lsquo;Journal of Materials Chemistry A(IF : 11.9)&rsquo; 2023년 9월호 표지 논문으로 선정됐다. 또한 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업, 다부처공동 사업의 지원을 받아 수행됐다.