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카이스트 윤준보 교수팀, 초 저전력 유해가스 감지 센서 개발
등록일 2020년 09월 10일 17:02 / 조회수 109 / 작성자 관리자
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 기사 출처 : 에너지 경제 (http://www.ekn.kr/news/article.html?no=520468)

 

스마트폰 등 휴대용 기기에 내장해서 사용가능해 언제 어디서든 사람을 살리는 상시 동작형 유해가스 감지 센서

카이스트 윤준보 교수팀

▲(왼쪽부터) 윤준보 교수, 최광욱 박사, 조민승 박사과정 (사진=카이스트)


[에너지경제신문 송기우 에디터] 밀폐된 공간에서 유해가스를 감지해 안전사고를 사전에 방지할 수 있는 초 저전력 유해가스 감지 센서가 카이스트 연구진에 의해 개발됐다.

카이스트(KAIST, 총장 신성철)는 전기및전자공학부 윤준보 교수 연구팀이 독자 기술로 개발한 나노 소재 ‘나노린’을 통해 상시 동작이 가능한 초 저전력 유해가스 감지 센서를 개발했다고 1일 밝혔다.
* 나노린(Nanolene): 완벽하게 정렬된 나노와이어 다발들이 공중에 떠 있는 구조를 지칭하는 용어. 나노와이어의 Nanoline과 그래핀과 같은 2차원 나노 재료의 접미사 -ene을 합성해 탄생한 단어

일산화탄소 등의 유해가스에 의한 안타까운 인명 사고는 과거로부터 현재까지 끊임없이 반복되고 있다. 이에 따라 유해가스를 실시간으로 감지하는 예방 기술에 대한 대중의 관심과 수요가 꾸준히 증가하는 추세인데 학계에서도 유해가스 감지 센서 개발을 위한 연구가 활발하다.

금속산화물을 기반으로 하는 가스 센서는 소형화에 유리하고, 생산 단가가 저렴해서 관련 산업에 활용이 가능한 가스 감지 기술로 주목받아 왔다. 가스 센서는 수백 도 씨(℃) 내외의 고온에서 동작하기 때문에 히터를 통한 열에너지 공급이 필수적이다.

이때 주변으로 방출되는 다량의 열과 히터의 높은 소비 전력 때문에 스마트폰과 같은 휴대용기기에 적용 가능한 실시간 가스 센서를 개발하기는 쉽지 않다. 카이스트 윤준보 교수팀이 개발한 유해가스 감지 센서는 독자적인 나노 공정 기술을 통해 개발한 나노 소재 ‘나노린’을 활용해 초 저전력으로 언제, 어디서든 항상 사용이 가능한 게 큰 특징이다.

나노 소재는 독특한 전기적, 화학적 특성 때문에 미래 센서 기술의 핵심 구성 요소로 주목받고 있지만, 제조 방법상 크기를 제어하기가 쉽지 않고 원하는 위치에 정렬된 형태로 구현하는 것 또한 어렵다. 윤 교수 연구팀은 나노린을 통해 이런 문제점을 해결했다. 윤 교수팀이 개발한 이 기술은 기존의 나노 소재 제작 방법과는 다른, 일반적인 반도체 공정을 기반으로 제작하기 때문에 양산성이 뛰어나고(대량생산이 가능) 산업적 활용 가치 또한 매우 높다고 평가받고 있다.

연구팀은 우선 나노린을 초 저전력 나노 히터에 활용했다. 시험과정에서 나노 소재가 지닌 고유의 열 고립 효과를 통해 기존 마이크로히터의 물리적 한계를 뛰어넘는 초 저전력 고온 구동을 실현하는 데 성공했다. 이와 함께 나노 히터에 완벽하게 정렬된 형태의 금속산화물 나노와이어를 일체형으로 집적해 가스 센서로 응용했는데 스마트폰 내장에 적합한 수준의 낮은 소비 전력으로 일산화탄소 가스 검출에 성공했다.

과거 광부들은 유해가스로부터 생명을 지키기 위해 탄광에 들어갈 때마다 카나리아라는 새를 데리고 들어갔다. 카나리아는 메탄, 일산화탄소 가스에 매우 민감해 유해가스에 소량만 노출돼도 죽는다. 광부들은 카나리아의 노래가 들리면 안심하고 채굴했고 카나리아가 노래를 부르지 않을 땐 탄광에서 뛰쳐나와 스스로 생명을 지킬 수 있었다.

윤준보 교수는 "상시 동작형 가스 센서는 언제 어디서나 유해가스의 위험을 알려주는 ‘스마트폰 속 카나리아’로 활용이 기대된다"고 연구결과를 소개했다.

제1 저자인 카이스트 전기및전자공학부 최광욱 박사는 이를 휴대용기기에 내장하기 적합한 초 저전력 가스 센서 기술이라고 설명하면서 "이 기술이 가스 사고를 사전에 차단하고 인명 사고를 막는 데 활용되길 기대한다"고 말했다.

카이스트 UP 프로그램과 한국연구재단의 중견연구자 지원사업을 통해 수행된 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈 (Advanced Functional Materials)’ 8월 12일 字에 온라인으로 게재되는 한편 연구 내용의 우수성을 인정받아 오프라인 저널의 후면 표지논문으로 선정됐다. (논문명: Perfectly Aligned, Air-Suspended Nanowire Array Heater and Its Application in an Always-On Gas Sensor)
 

그림 1. 연구팀이 개발한 가스 센서 구조 및 제작 결과

▲그림1. 연구팀이 개발한 완벽히 정렬되고 공중에 떠 있는 형태의 발열 나노와이어와 감지 나노와이어가 일체형으로 집적된 가스 센서 구조 및 제작 결과. 나노 소재 고유의 열 고립 효과를 활용하여 기판으로 손실되는 열을 획기적으로 감소시켜 초 저전력을 달성했다. 또한 기존 선행 연구와 차별화된 완벽히 정렬된 나노 소재를 활용했기에 소자 내, 소자 간 균일성, 재현성, 신뢰성을 크게 제고했다.

그림 2. 가스 센서 소자 칩과 가스 센서의 반응 특성

▲그림2. 반도체 호환 공정을 통해 제작된 가스 센서 소자 칩의 광학 이미지 (좌) 및 일산화탄소 가스 노출에 대한 가스 센서의 반응 특성(우). 1 ppm 의 일산화탄소까지도 잘 검출함을 알 수 있다.

그림 3. 어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈 표지 그림

▲그림3. 표지 그림 설명: 과거 광부들은 유해 가스로부터 목숨을 지키기 위해 탄광 속에 카나리아라는 새를 데리고 들어갔다. 카나리아는 메탄, 일산화탄소 가스에 매우 민감하여 유해 가스에 소량만 노출되어도 죽게 되는데, 광부들은 카나리아의 노래를 들으며 안심하고 채굴하였고 카나리아가 더 이상 노래를 부르지 않으면 탄광으로부터 뛰쳐나옴으로써 생명을 지킬 수 있었다. 본 표지 그림은 카나리아를 대신하여 항시 동작 가능한 초 저전력 가스 센서가 언제 어디서는 유해 가스로부터 우리의 생명을 지켜준다는 의미를 담았다.


나노린의 모식도와 전자 현미경을 통한 사시도

▲그림4. 연구진이 개발한 Nanolene의 모식도(왼쪽)와 전자 현미경을 통한 사시도 (오른쪽)


연구진이 개발한 나노린의 열적 우수성

▲그림5. 연구진이 개발한 Nanolene의 열적 우수성; 나노 소재의 우수성(왼쪽), 한계 간격으로 정렬된 구조(가운데), 공중 부유 형태(오른쪽)




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