[이달의 연구자] 좌용호 교수, 상온 구동 수소·황화수소 가스 감지 센서 개발
별도의 히터 없이 초저전력으로 가스 센서 구동하다
2019-11-18 김현섭
가스 감지 센서는 일반적으로 인식 감도를 높이기 위해 히터가 내장돼 있다. 따라서 전력 소비가 높을 뿐만 아니라 소형화하기도 어렵다. 좌용호 ERICA캠퍼스 재료화학공학과 교수는 히터 없이 상온(25℃)에서 수소(H2)와 황화수소(H2S)를 감지할 수 있는 센서를 개발했다. 이번 연구는 산업통상자원부 나노소재원천개발사업의 지원을 받아 진행했다.
천연가스 사용량은 점차 증가하고 있다. 가정에서부터 산업 현장에 이르기까지 가스 폭발사고와 중독 등 위험이 도사리고 있다. 특히 황화수소는 유독 가스로 세포 호흡을 정지시켜 중추신경을 마비시키고 질식을 유발한다. 석유 정제공정과 아교, 피혁 제조공정뿐 아니라 하수처리장과 쓰레기장에서도 발생한다. 해로운 물질 중 하나이기 때문에 산업 현장에서 실시간 모니터링이 필요하다. 한편 수소는 폭발 위험이 있어 가스 유출에 철저한 감시가 필요하다. 인간의 감각기관은 위험한 가스를 인식하거나 구분하지 못 한다.
이번 연구(논문명 "Facile tilted sputtering process (TSP) for enhanced H2S gas response over selectively loading Pt nanoparticles on SnO2 thin films")를 통해 개발한 가스 센서의 특징은 상온 구동이다. 좌 교수는 가스 농도에 따라 저항이 변하는 ‘화학 저항성’ 센서와 전압을 발생시키는 ‘열화학’ 센서를 개발했다. 두 센서 모두 별도의 히터 없이 상온에서 구동이 가능해 전력 소모가 크게 줄어들었다. 열화학 센서는 전압을 공급받아 신호를 읽는 기존 센서들과 달리 가스 감지를 통한 신호 자체가 전압을 발생시켜 이론적으로 전력 소비가 없다.
좌 교수는 센서 개발에 그치지 않고 감지장치(센싱) 시스템 전반을 설계했다. 또한 센서 소자의 모듈화와 무선 네트워크를 적용한 스마트 센서까지 직접 제작해 실험했다. 좌 교수는 “가스 감지 시스템은 표준이 없어 객관적인 성능 향상을 입증하기가 어려웠다”고 전했다. 개발된 시스템과 비교할 적절한 대조군이 없어 한국산업기술시험원에 공인인증을 받아 객관성을 확보했다.
좌 교수는 지난 2010년부터 상온 구동 센서를 중심으로 다양한 방식의 센서를 개발했다. 좌 교수는 해당 분야에서만 국내외 10여 건의 특허를 등록했다. 현재 사물인터넷(IoT)의 보편화로 스마트홈과 스마트팩토리 등에 가스 센서 수요가 급증하고 있다. 좌 교수는 “가스 센서는 실생활에 유용한 기술”이며 “수소와 황화수소 외 다양한 가스 센서를 개발할 예정”이라고 밝혔다.
글/ 김현섭 기자 swiken1@hanyang.ac.kr
사진/ 이현선 기자 qserakr@hanyang.ac.kr