[지금은 과학] 미세먼지 등 대기질…반도체식 가스센서로 측정한다

[아이뉴스24 정종오 기자] 미세먼지 예보 등 대기 질 관측이 일상화되면서 공기 중 특정물질의 농도를 측정하는 가스센서 수요가 커지고 있다.

가스센서 중에서도 크기가 작고 작동이 쉬우며 제작비용이 적게 드는 반도체식 가스센서가 주목받고 있다. 여러 가스가 혼재돼 있을 경우 감지 신뢰성이 떨어지고 고온에서의 화학적 내구성이 부족한 단점이 있다.

습도가 높은 환경에서 감도가 낮아져 센서 신호가 변하는 치명적 단점 때문에 별도의 습기 제거장치를 부착해야 했다. 이 경우 센서의 부피가 커지고 가격도 높아져 실용화에 걸림돌이 돼 왔다.

'반도체식 가스센서 소자’를 실리콘 웨이퍼 기판 위에 제작했다. [사진=생기원]

한국생산기술연구원(원장 이낙규)이 칼슘 실리케이트의 수분 흡착층을 활용해 나노시트를 제조했다. 이를 기반으로 반도체식 가스센서 실용화의 최대 걸림돌이었던 습기 문제를 해결한 ‘나노시트 반도체 센서기술’을 개발했다.

생기원 기능성소재부품연구그룹 정영규박사 연구팀은 먼저 거미줄 구조를 갖는 기존의 주석산화물 나노와이어 사이에 2차원 형태의 칼슘실리케이트를 성장시켰다.

시멘트의 원료인 칼슘 실리케이트(Calcium Silicate)는 보통 응집된 시트 형태로 존재한다. 연구팀은 표면 특성을 제어해 주석산화물 나노와이어 사이 사이에 얇은 나노시트 형태로 칼슘 실리케이트를 성장시키는 데 성공했다.

합성된 2차원 나노시트는 칼슘 실리케이트의 하이드록시기가 효과적으로 대기에 노출되며 시트 표면에 기능화 된 하이드록시기는 물 분자만 선택적으로 흡착한다.

이 같은 친수성으로 인해 대표적 대기오염 물질인 이산화질소(NO2)의 경우 물 분자는 나노시트 표면에 붙잡아두고 미세먼지 전구체 물질만 선택적으로 주석산화물 나노와이어 감지소재에 흡착시킬 수 있다.

연구팀은 감도와 수분 저항성을 동시에 높인 이 성과를 기반으로 미세먼지 전구체 물질인 이산화질소를 20ppb까지 감지할 수 있는 나노시트 반도체 센서기술을 개발했다. 반도체식 가스센서 실용화에 청신호를 켠 것으로 평가받았다.

정영규 박사는 “습도 저항성 문제를 해결한 나노시트를 제조하고, 이를 토대로 외부 환경요인에 구애받지 않고 미세먼지 전구체 가스를 감지할 수 있는 센서를 개발했다”며 “다양한 현장에 미세먼지 측정 모니터링 시스템이 적용될 수 있도록 반도체식 가스센서 실용화 연구를 이어가겠다”고 말했다.

이번 성과(논문명 : Two-Dimensional calcium silicate nanosheets for trapping atmospheric water molecules in humidity-immune gas sensors)는 화학 분야 국제학술지 ‘Journal of Hazardous Materials’ 6월호에 실렸다.

/정종오 기자(ikokid@inews24.com)