[쿠키과학] '그래핀 센서 약점 극복'… 표준연, 유해가스 초고속 감지기술 개발

한국표준과학연구원(KRISS)이 소금물을 활용한 전기화학 공정으로 상온에서 유해가스를 빠르게 감지하고 회복하는 ‘염소화 그래핀 가스 센서’를 개발했다.

이 기술은 히터 없이 작동해 전력 소모와 발열 문제를 동시에 해결한 게 특징이다.

가스 센서는 지하주차장, 보일러실, 산업 배관 등 유해가스 누출 위험이 있는 현장에서 필수 장치다. 

특히 이산화질소(NO₂)는 자동차 배기가스와 공장 매연에서 발생하는 대표적 대기오염 물질로, 정밀 감지와 상시 모니터링이 필요하다.

기존 센서는 수백 ℃ 이상 고온에서 작동해 전력 부담이 크고, 그래핀 센서는 상온 구동이 가능하지만 회복 속도가 느린 한계가 있었다.

KRISS 반도체디스플레이측정그룹 연구진은 이 문제를 소금물로 해결했다.

염화나트륨(NaCl) 수용액을 그래핀 표면에 떨어뜨린 뒤 전압을 가하면 염소 성분이 그래핀에 균일하게 결합해 센서 성능을 끌어올린다.

이는 기존 염소가스나 염산을 사용하는 방식과 달리 공정이 간단하고 안전성이 높다.

실제 실험결과 상온에서 이산화질소 감도는 기존 대비 약 2.5배 향상됐고, 감지 속도는 기존 157초에서 38초로 단축됐다.

특히 회복 시간은 1485초에서 202초로 대폭 줄었다.

이에 따라 가스 감지 후 다음 측정까지 걸리는 시간이 기존 25분에서 3분 수준으로 빨라졌다.

연구진은 이를 밀도범함수이론(DFT) 계산으로 규명했다. 

염소 처리한 그래핀은 이산화질소를 강하게 끌어당기는 동시에 주변 공기 중 산소와도 활발히 반응한다. 

또 가스 감지 후 깨끗한 공기를 만나면 산소 분자가 이산화질소 분자를 밀어내고 자리를 차지해 외부 열원 없이도 상온에서 빠른 회복이 가능함을 확인했다.

이 기술은 저전력·소형화가 가능해 웨어러블 기기 적용 가능성을 크게 높일 전망이다.

특히 스마트워치, 환경 모니터링 센서, 산업안전 시스템 등 다양한 분야에서 활용이 기대된다.

김연후 KRISS 책임연구원은 “그래핀 센서의 가장 큰 약점이던 느린 회복 속도를 소금물이라는 안전한 재료로 해결했다”며 “가스 센서의 소형화와 저전력화를 가로막던 기술적 장벽을 낮춰 다양한 응용이 가능할 것”이라고 설명했다.

한편, 이번 연구는 포스텍, 서울대, 성균관대가 참여했고, 연구결과는 지난해 12월 국제학술지 ‘Journal of Materials Chemistry A’ 표지 논문으로 선정됐다.
(논문명: Electrochemically Chlorinated Graphene for Ultrafast NO2 Detection at Room Temperature)