▲왼쪽부터 한국재료연구원 최진우 박사, 한국과학기술정보연구원 김한슬 박사, 부산대학교 이형우 교수 (사진출처: 한국재료연구원)


세계 최초 다중 응답형 고선택성 가스 센서 개발
경량화·소형화 적합, 4차 산업 혁명서 활용성 높아

 

국내 연구팀이 특정 가스에 노출시 결정구조가 변화할 수 있는 소재를 발굴하고, 이를 기반으로 색과 저항이 모두 바뀌는 센서를 개발해 반도체 센서 기술 국산화에 한 발자국 더 다가갔다.

한국재료연구원(이하 재료연) 에너지전자재료연구실 최진우 박사 연구팀, 한국과학기술정보연구원(이하 KISTI) 김한슬 박사 연구팀, 부산대학교 이형우 교수 연구팀은 공동 연구를 통해 고선택성 가스 센서 소재의 반응 원리를 규명하고 이를 통해 광학적 및 전기적으로 동시 측정이 가능한 다중 응답형 고선택성 가스 센서를 세계 최초로 개발하는 데 성공했다고 4일 발표했다.

가스 센서는 다양한 가스의 농도를 측정하는 데 사용하는 전자 장치다.

기존의 반도체 가스 센서 소재는 표면에 가스가 흡착됐을 때의 전기적 저항 변화를 통해 가스를 검출한다.

저항이 가스 종류에 상관없이 변화해 선택성이 낮고, 대부분 전기적 특성 변화라는 단일 지표만을 사용해 그 활용성에 한계가 있다.

연구팀은 특정 가스에 노출 시, 결정구조가 변화하는 신소재를 개발하고 이를 기반으로 색과 저항이 동시에 바뀌는 고선택성 가스 센서를 제작했다.

연구팀은 독성이 없는 구리(Cu) 기반의 친환경 메탈 할라이드 박막 소재인 세슘카파아이오다이드를 합성했다.

▲물 분자에 의해 결정구조가 변화하는 모습을 나타낸 도식도 (그림출처: 한국재료연구원)

후에 슈퍼컴퓨터 기반의 시뮬레이션을 통해 본 소재가 가역적으로 변하는 특성을 가질 수 있음을 규명하고, 물 분자가 효율적인 결정 변화 자극제가 된다는 사실을 입증했다.

또한 본 이론을 기반으로 센서 소자를 설계 및 제작함으로써, 해당 소자가 물 분자 검출에 탁월함을 확인하고 전기적 특성과 색 변화를 동시에 활용해 서로 다른 극성을 가진 다양한 알코올을 성공적으로 구분하는 데 성공했다.

반도체 가스 센서 기술은 △경량화 △소형화 △대량 생산에 적합해 △모바일 △사물인터넷(IoT) △농·축산업 등 다양한 분야에 활용할 수 있다.

본 기술은 결정구조 변화형 소재를 활용한 새로운 센서 개념과 실증사례를 세계 최초로 제시했다는 측면에서 큰 의미가 있다.

또, 소재 자체에서 가스 선택성이 있는 센서를 제작함으로써, 부가적인 처리 공정이 없이도 우수한 선택성을 가진다.

더불어 색과 저항이 모두 바뀌므로 리트머스지와 같이 사용하거나 전자소자의 형태로 활용 가능해 범용성이 높고, 향후 일반적인 센서에서 활용되는 반응성 및 선택성 향상기술까지 적용한다면 수년 내로 양산화 및 시장성 확보가 가능할 것으로 전망된다.

연구책임자인 재료연 최진우 선임연구원과 KISTI 김한슬 선임연구원은 “해당 연구는 반도체 센서 소자 및 유관 신소재의 새로운 개발 방향을 제시한다는 점에 주목해야 할 것”이라며 “이번에 개발한 센서 소재는 다중 응답 특성을 가져 향후 농·축산, 의료, 모바일 등 다양한 산업 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”라고 말했다.