▲ KRISS 김연후 책임연구원이 염소화 그래핀 기반 가스센서의 성능을 측정하고 있다.

국내 연구진이 소금물 공정으로 그래핀 가스 센서 성능을 높여 상온에서도 유해가스를 빠르게 감지·회복하는 기술을 구현, 저전력·소형화 기반 확보로 활용성을 넓혔다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 이호성)은 일상에서 쉽게 구할 수 있는 염화나트륨(NaCl) 수용액, 즉 소금물을 이용해 그래핀 표면을 염소화하는 전기화학 공정을 적용, ‘염소화 그래핀 가스 센서’를 개발했다고 16일 밝혔다.

가스 센서는 지하주차장, 보일러실, 산업 배관 등 유해가스 누출 위험이 있는 현장에서 필수적인 안전 장치다. 특히 이산화질소(NO₂)는 자동차 배기가스 및 산업 공정에서 발생하는 대표적인 대기오염 물질로, 정밀 감지와 상시 모니터링이 중요하다.

그러나 기존 금속산화물 기반 센서는 수백 도 이상의 고온에서 작동해야 해 전력 소모와 발열 부담이 컸다. 반면 그래핀 센서는 상온 구동이 가능하지만, 가스 제거 이후 원상태로 돌아오는 회복 속도가 느려 연속 감지에 제약이 있었다.

연구진은 이러한 한계를 소금물 기반 공정으로 해결했다. 그래핀 표면에 소금물을 도포한 뒤 전압을 가하면, 용액 내 염소 성분이 그래핀에 균일하게 결합하면서 센서 성능이 향상된다. 기존처럼 염소가스나 염산을 사용하는 복잡·위험한 공정 없이도 구현 가능해, 공정 안전성과 경제성까지 확보했다.

성능 개선 효과도 뚜렷하다. 개발된 센서는 상온에서 이산화질소에 대한 민감도가 기존 대비 약 2.5배 향상됐으며, 감지 시간은 157초에서 38초로 75.8% 단축됐다. 특히 회복 시간은 1,485초에서 202초로 86.4% 줄어, 약 25분 걸리던 회복 과정을 3분 수준으로 대폭 개선했다.

연구진은 밀도범함수이론(DFT) 계산을 통해 작동 원리도 규명했다. 염소화된 그래핀은 이산화질소를 강하게 흡착하는 동시에 공기 중 산소와의 반응성이 높아, 가스 감지 후 산소가 빠르게 NO₂를 밀어내며 상온에서도 신속한 회복이 가능해진다.

이번 기술은 히터 없이도 구동 가능한 상온 센서이면서 감도와 회복 성능을 동시에 확보해, 연속 모니터링이 필요한 환경에 적합하다. 이에 따라 스마트워치 등 웨어러블 기기부터 도시 대기질 감시망까지 다양한 응용이 기대된다.

KRISS 반도체디스플레이측정그룹 김연후 책임연구원은 “그래핀 센서의 가장 큰 약점이었던 느린 회복 속도를 소금물이라는 안전한 재료로 개선했다”며 “가스 센서의 소형화와 저전력화를 가로막던 기술적 한계를 낮춘 만큼, 스마트폰과 웨어러블 기기 등으로의 확장이 가능할 것”이라고 전했다.

한편, 이번 연구는 KRISS 기본사업과 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업 지원으로 수행됐으며, 이동화, 홍병희, 안성필 연구팀이 공동 참여했다. 연구 성과는 재료화학 분야 국제학술지 Journal of Materials Chemistry A 2025년 12월호 표지 논문으로 선정됐다.