어디서든 실시간 감지하는 유해가스 센서
어디서든 실시간 감지하는 유해가스 센서
  • 함예솔
  • 승인 2020.09.04 16:40
  • 조회수 955
  • 댓글 0
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밀폐된 공간에서 유해가스를 감지해 안전사고를 사전에 방지할 수 있는 초저전력 유해가스 감지 센서가 개발됐습니다. 

본 표지 그림은 카나리아를 대신하여 항시 동작 가능한 초 저전력 가스 센서가 언제 어디서는 유해 가스로부터 우리의 생명을 지켜준다는 의미를 담았다. 출처: KAIST
본 표지 그림은 카나리아를 대신하여 항시 동작 가능한 초저전력 가스 센서가 언제 어디서는 유해 가스로부터 우리의 생명을 지켜준다는 의미를 담았다. 출처: KAIST

KAIST 전기및전자공학부 윤준보 교수 연구팀이 독자 기술로 개발한 나노 소재 '나노린'을 통해 상시 동작이 가능한 초저전력 유해가스 감지 센서를 개발했습니다. 이번 연구는 <Advanced Functional Materials>에 게재됐습니다. 

  • 나노린(Nanolene)

완벽하게 정렬된 나노와이어 다발들이 공중에 떠 있는 구조를 지칭하는 용어입니다. 나노와이어의 Nanoline과 그래핀과 같은 2차원 나노 재료의 접미사 –ene을 합성해 탄생한 단어입니다.

연구진이 개발한 Nanolene의 모식도(왼쪽)와 전자 현미경을 통한 사시도 (오른쪽).  출처: KAIST
연구진이 개발한 Nanolene의 모식도(왼쪽)와 전자 현미경을 통한 사시도 (오른쪽). 출처: KAIST

언제, 어디서든 사용 가능한 유해가스 감지 센서

 

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

 

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

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. 출처: KAIST
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. 출처: KAIST

이때 주변으로 방출되는 다량의 열과 히터의 높은 소비 전력 때문에 스마트폰과 같은 휴대용기기에 적용 가능한 실시간 가스 센서를 개발하기는 쉽지 않습니다. KAIST 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 특징입니다. 

 

'스마트폰 속 카나리아' 될 수 있을까

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. 출처: KAIST
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. 출처: KAIST

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 어렵습니다. 윤 교수 연구팀은 나노린을 통해 이런 문제점을 해결했습니다. 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 있습니다.

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

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

 

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

 

윤준보 교수는 "상시 동작형 가스 센서는 언제 어디서나 유해가스의 위험을 알려주는 '스마트폰 속 카나리아'로 활용이 기대된다"고 연구 결과를 소개했습니다. 제1 저자인 KAIST 전기및전자공학부 최광욱 박사는 이를 휴대용기기에 내장하기 적합한 초저전력 가스 센서 기술이라고 설명하면서 "이 기술이 가스 사고를 사전에 차단하고 인명 사고를 막는 데 활용되길 기대한다"고 밝혔습니다.


##참고자료##


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