눈에 보이는 빛으로 유해가스 감지하는 센서 개발

(왼쪽부터) 신소재공학과 이상한 교수, 육연지 석박통합과정생, 고등광기술연구원 김도겸 박사후연구원, 이창열 수석연구원.

국내 연구진이 눈에 보이는 빛으로 유해가스를 감지하는 고감도 가시광 가스센서 기술을 개발했다.

광주과학기술원(GIST)은 신소재공학과 이상한 교수와 이창열 연구원이 이끄는 공동연구팀이 가시광 환경에서 작동하는 차세대 반도체 기반 가스센서 기술을 개발했다고 밝혔다.

이번 기술은 상온에서도 높은 감도와 안정성을 동시에 구현해 기존 가스센서의 한계를 개선한 것이 특징이다.

기존 가스센서는 이산화질소(NO₂)가 센서 표면에 흡착될 때 발생하는 전기 저항 변화를 이용해 농도를 측정한다. 그러나 상온에서는 전하 이동이 활발하지 않아 감지 성능이 떨어지고, 광 기반 센서는 주로 자외선을 사용해 전력 소모와 소재 열화 문제가 지적돼 왔다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 빛을 받으면 전하를 생성하는 ‘할라이드 페로브스카이트 나노입자’를 다공성 금속산화물 구조와 결합한 새로운 센서를 설계했다. 나노입자는 두께 약 2nm의 실리카 보호층으로 감싸 안정성을 높였고, 공기 흐름이 원활한 주석산화물(SnO₂) 구조 위에 배치해 가스 확산과 반응 효율을 끌어올렸다.

이 구조는 가시광(녹색광)을 받을 때 전하 생성과 이동이 활발해지며, 상온에서도 안정적인 센서 작동을 가능하게 한다. 또한 실리카 보호층이 수분과 산소로부터 소재를 보호해 장기 사용 시 성능 저하를 최소화한다.

성능 평가 결과, 해당 센서는 0.105ppb의 초미량부터 10ppm의 고농도까지 넓은 범위에서 이산화질소를 감지했다. 이는 세계보건기구 권고 기준(13.3ppb)보다 훨씬 낮은 농도까지 탐지 가능한 수준이다. 아울러 약 5주 이상 안정적인 작동이 유지돼 내구성도 입증됐다.

특히 이 기술은 별도의 가열 장치 없이 가시광만으로 작동해 전력 소비를 줄일 수 있으며, 빛의 세기에 따라 센서 성능을 조절할 수 있는 광 제어 기반 설계 가능성도 제시했다. 이에 따라 휴대용 공기질 측정기, 스마트 기기, 실내 환경 관리 시스템 등 다양한 분야에서 활용될 전망이다.

이상한 교수는 “일상적인 조명 환경에서도 안정적으로 작동하는 페로브스카이트 기반 가스센서를 구현한 첫 사례”라며 “저전력·고감도 센서 상용화에 기여할 것”이라고 말했다.

이창열 연구원은 “페로브스카이트의 구조적 안정성을 개선해 태양전지와 발광소자를 넘어 다양한 광전자 소자로 확장 가능성을 확인했다”고 설명했다.

GIST 신소재공학과 이상한 교수·고등광기술연구원 이창열 수석연구원이 지도하고 신소재공학과 육연지 석박통합과정생·고등광기술연구원 김도겸 박사후연구원이 수행한 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 지원을 받아 수행됐다. 결과는 국제학술지 Advanced Functional Materials에 2026년 3월 12일 온라인 게재됐고, 백커버 논문으로 선정됐다.