재료硏, 무연 페로브스카이트 소재 기반 초고감도 암모니아 가스센서 개발

국내 연구진이 미래 친환경 에너지인 수소와 암모니아의 안전성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 무연 페로브스카이트 기반의 가스센서를 개발해 주목받고 있다.

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진) 에너지·환경재료연구본부 송명관 박사 연구팀이 부산대학교 이형우 교수, 인천대학교 강영호 교수, 호주 맥쿼리대학교(Macquarie University) 김진철 교수 연구팀과 공동으로, 친환경 무연(無鉛, Lead-free) 페로브스카이트 소재를 이용한 초고감도 암모니아 가스센서를 개발했다. 연구팀은 센서가 암모니아를 감지하는 작동 원리까지 세계 최초로 규명해 차세대 페로브스카이트 기반 가스센서 개발의 새로운 방향을 제시했다. 이번 기술은 암모니아 기반 수소경제 시대의 안전성을 높일 핵심 가스감지 기술로 활용될 것으로 기대된다.

암모니아는 저장과 운반이 어려운 수소를 안전하게 운반하는 차세대 수소 운반체(Hydrogen Carrier)로 최근 주목받으며, 수소경제의 핵심 물질로 떠오르고 있다. 하지만 암모니아는 소량만 누출돼도 인체에 유해해 저장시설과 운송 설비, 발전소, 산업현장 등의 환경에서 미세한 누출까지도 즉시 감지할 수 있는 고성능 센서가 필수이다. 특히 산업현장에서는 수십 ppm 수준의 암모니아만 노출돼도 작업자의 건강에 영향을 줄 수 있어, 보다 민감하고 정확한 감지 기술의 개발이 요구되고 있다.

기존의 페로브스카이트 기반 가스센서는 암모니아를 민감하게 감지할 수 있지만, 대부분 인체와 환경에 유해한 납(Pb)을 포함해 상용화에 한계가 있었다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하고자 납 대신 친환경 소재인 안티모니(Sb)를 적용한 무연 페로브스카이트(포름아미디늄 안티몬 브로마이드, FA3Sb2Br9)를 개발하고, 이를 암모니아 가스센서에 적용해 친환경성과 성능을 동시에 확인 및 확보했다.

연구팀이 개발한 센서는 1ppm 수준의 초저농도 암모니아까지 안정적으로 검출했으며, 암모니아 농도가 높아질수록 센서 신호도 일정하게 증가해 농도를 정량적으로 분석할 수 있음을 확인했다. 해당 센서는 100ppm 농도의 암모니아에 단 13초 만에 반응하고, 신호 또한 최대 235% 증가해 우수한 감지 성능을 입증했다. 또한 메탄(CH4), 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 수소(H2), 메탄올(MeOH) 등 다른 가스에는 상대적으로 낮은 반응을 보여 암모니아를 선택적으로 감지할 수 있었으며, 2개월간 보관한 뒤에도 초기 성능의 약 97%를 유지해 우수한 장기 안정성도 확인했다. 특히 이번 센서는 용액 공정을 이용한 간단한 스핀코팅 방식으로 제작돼 대면적 생산과 제조비 절감에도 유리하다.

본 연구의 가장 큰 성과는 고성능 센서를 개발한 데 그치지 않고 암모니아를 감지하는 새로운 작동 원리까지 규명했다는 점이다. 기존에는 암모니아가 센서 표면에 붙으면서 전기적 신호가 발생하는 것으로 알려져 있었지만, 연구팀은 암모니아 분자가 페로브스카이트 소재 내부로 가역적으로 삽입되면서 p형 도핑(p-type doping)을 유도하고, 이에 따라 전기전도도가 증가해 센서 신호가 발생한다는 사실을 밝혀냈다. 이는 기존의 표면 흡착 중심 메커니즘과 차별화되는 결과로, 향후 페로브스카이트 가스센서의 감도와 선택성을 높이는 데 있어 소재 설계의 새로운 기준을 제시했다고 볼 수 있다.

이번 기술은 암모니아를 에너지원이나 수소 운반체로 사용하는 발전소와 선박, 그리고 암모니아 생산·저장·운송 시설, 비료·화학공장 등에서 미세 가스 누출을 조기에 감지하는 안전관리 센서로 활용될 수 있다. 특히 비교적 간단한 용액 공정으로 제작할 수 있어, 센서의 대면적화와 대량생산에 유리하다. 향후 휴대용 감지기와 배관 부착형 센서, 실시간 유해가스 감시시스템 등 다양한 형태로 확장이 기대된다. 이를 통해 수입 의존도가 높은 고성능 가스 센서의 국산화와 유지·관리 비용 절감에 기여하고, 성장하는 수소·암모니아 에너지 시장에서 관련 소재 및 센서 산업의 경쟁력을 향상시킬 것으로 전망된다.

연구책임자인 KIMS 송명관 책임연구원은 “이번 연구는 친환경 무연 페로브스카이트를 활용해 고감도 암모니아 센서를 구현했을 뿐만 아니라, 센서의 작동 원리를 원자 수준에서 규명했다는 점에서 의미가 크다"며 "향후 수소·암모니아 기반 에너지 인프라의 안전관리와 산업현장의 유해가스 모니터링 기술에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.