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빛으로 동작하는 저소비전력 고성능 가스 센서 개발

- 3차원 정렬 다공성 나노 구조체를 이용해 세계 최고 수준의 가스 감응도 달성

• - 실시간 유해가스 감지를 위한 모바일 기기 및 사물인터넷에 활용 가능할 것으로 기대

우리대학 신소재공학부 심영석 교수가 참여한 국내 연구팀이 빛으로 동작하는 저소비전력 고성능 가스 센서를 개발해 주목받고 있다.

심영석 교수는 이번 연구에 교신저자로 참여했다. KAIST 전석우 교수, 서울대학교 장호원 교수, 서준민 박사, 노스웨스턴대학교 조동휘 박사 등과 함께 연구를 진행했다.

여러 방식의 센서 중 금속산화물을 기반하는 반도체식 가스 센서는 감도가 우수하고, 작게 만들 수 있으며, 생산 단가가 저렴해 주목받고 있다. 하지만 고온에서 동작하기 때문에 귀금속으로 만들어진 히터를 장착해 열을 공급해야만 한다. 히터의 높은 소비전력과 발열은 가스 센서를 모바일 기기와 사물인터넷에 적용하는데 가장 큰 난제로 꼽혀왔다.

연구팀은 근접장 나노패터닝 기술을 이용해 이 문제점을 해결했다. 3차원 정렬 다공성 나노구조를 형성하고, 원자층 증착법을 통해 산화물 증착과 함께 내부 결함을 정교하게 조절했다. 이를 통해 빛(자외선, 가시광)에 의해 동작하는 무히터 저소비전력 가스감지 소재를 제작하는 데 성공했다.

연구팀은 가스 센서를 저가의 LED(Light emitting diode) 빛을 이용해 5ppm(parts per million : 100만 분의 1) 농도의 이산화질소에 노출시키는 실험을 진행했다. 3차원 정렬 다공성 나노 구조체의 내부에서 발생하는 빛의 산란과 증폭효과로 세계 최고 수준의 가스 감응도인 12200%를 달성했다.

또한 광학 시뮬레이션을 통해 3차원 정렬 다공성 나노 구조체의 내부에서 발생하는 광 증폭 현상의 원리를 규명하는데도 성공했다.

이번 연구결과는 국제 저명 학술지인‘Advanced Science (Impact Factor: 15.84)’12월 온라인판에 게재됐다. (논문명: Optically Activated 3D Thin-Shell TiO2 for Super-Sensitive Chemoresistive Responses: Toward Visible Light Activation)

심영석 교수는“저가의 LED를 이용할 경우, 소비전력은 800μW 정도이기 때문에, 모바일 폰에 가스 센서가 장착될 날도 멀지 않았다”라며“이번 연구를 통해 개발된 기술은 실시간 공기질 모니터링, 모바일 헬스케어 등에 활용할 수 있을 뿐만 아니라 사물인터넷 분야에서 폭넓은 응용이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 원천기술개발사업(다부처 공동사업, 나노소재기술개발사업)과 과학기술분야 기초연구사업(전략과제사업, 중견연구사업) 그리고 국토교통부의 국토교통기술촉진연구사업 지원을 통해 이뤄졌다.

3차원 정렬 다공성의 나노구조체와 빛에 의해 동작하는 가스 센서