▲ 3차원 나노-쉘 구조로 만든 센서 소재(이산화티타늄)의 광열 효과를 이용한 다성분계 금속 나노 촉매 합성 공정 모식도

우리나라에서 간혹 사망자가 발생하는 유해가스 누출 사고 및 유해물질이 검출된 연구 결과 등으로 인해 유해가스·물질에 대한 우려와 관심이 커지는 가운데, 국내 연구진이 공기 중 악취가스 검출과 물 속의 미세 오염물질 분해할 수 있는 고성능의 환경 센서를 개발, 다양한 용도로 제품화되는데 기여할 수 있을 것으로 전망된다.

한국화학연구원(원장 이영국) 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 26일 밝혔다.

이번 연구 개발은 화학연 조동휘·이정오 박사 연구팀과 한국과학기술연구원(원장 윤석진) 장지수 박사 연구팀이 함께 수행했다.

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 소모되고, 높은 온도에서는 모든 가스가 반응해 특정 가스만 선별하기 어렵다다.

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 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 1/100 정도인 ㎽ 수준의 빛을 집중시키는 것만으로 높은 열이 발생해, 히터를 통한 가열이 없어도 센서 소재 활성화가 가능했다.

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 유사하다. 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.

연구팀은 해당 센서가 수중에서 오염 물질을 줄일 수 있다는 결과도 검증했다. 센서의 재료로 쓰인 이산화티타늄은 광촉매로 활용되는 대표적인 화합물로서 수중이나 대기 중 오염물질을 광촉매로 분해할 때 많이 다뤄지는 소재다.

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 분해할 수 있었다.

기존 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.

한편, 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.