[기계신문] KAIST 전기및전자공학부 윤준보 교수 연구팀이 독자 기술로 개발한 나노 소재 ‘나노린’을 통해 밀폐된 공간에서 유해가스를 감지해 안전사고를 사전에 방지할 수 있는 초저전력 유해가스 감지 센서를 개발했다.
나노린(Nanolene)은 완벽하게 정렬된 나노와이어 다발들이 공중에 떠 있는 구조를 지칭하는 용어로서, 나노와이어의 Nanoline과 그래핀과 같은 2차원 나노 재료의 접미사 –ene을 합성해 탄생한 단어다.
일산화탄소 등 유해가스에 의한 안타까운 인명 사고가 끊임없이 반복되면서 예방 기술에 대한 대중의 관심과 수요가 증가하고 있으며, 국가적으로도 주요 시설 가스 경보기 설치 법제화가 진행되고 있다.
유해가스에 의한 피해는 사람이 인지하지 못한 상태에서 발생하는 경우가 대부분이기에 이를 예방하기 위해서는 언제 어디서든 주위 환경을 모니터링할 필요가 있으며, 스마트폰과 같은 휴대용기기에 가스 센서가 집적되어 항시 동작하는 활용 형태가 가장 적합하다.
다양한 방식의 가스 센서 중 금속산화물을 이용하는 반도체식 가스 센서는 작게 만들기 유리하고, 생산 단가가 저렴하며, 민감도가 높다는 장점이 있어 스마트폰 내장형 가스 센서를 구현할 가장 유력한 후보로 꼽힌다.
특히, 금속산화물은 유독 가스가 인체에 해를 미치는 방식인 산소의 흡∙탈착 과정에 민감하게 관여하기 때문에 대부분의 유독 가스에 대해 뛰어난 반응성을 보인다.
하지만 금속산화물 표면의 활발한 가스 흡∙탈착 반응을 유도하기 위해서는 열에너지 공급이 필수적이며, 감지부 온도가 수백 ℃ 내외로 높게 유지되어야 한다.
이를 위해 히터가 필수적으로 필요하며, 히터를 통해 동작 전력의 대부분을 소모한다. 바로 이러한 이유로 아직까지도 스마트폰에서 항시 동작하는 가스 센서가 내장되지 못하고 있다.
소비 전력을 낮추기 위하여 Micro-electro-mechanical system(MEMS) 공정 기술을 통해, 발열 면적을 줄이고 기판으로의 열 손실을 최소화한 소형화된 마이크로히터가 개발되고 있다.
하지만 빔을 통해 전극으로 이어지는 큰 열 손실 경로로 인해 소비 전력을 낮추는 데 한계가 있고 주변 발열 문제 또한 완전히 해결되지 못했다. 그 결과 10 mW 내외가 현재 한계이며, 이는 배터리로 동작하는 스마트폰에 적용하기에 아직까지 높은 수준이다.
KAIST 윤준보 교수팀이 개발한 유해가스 감지 센서는 독자적인 나노 공정 기술을 통해 개발한 나노 소재 ‘나노린’을 활용해 초저전력으로 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.
연구팀은 나노린을 통해 이런 문제점을 해결했다. 연구팀이 개발한 이 기술은 기존의 나노 소재 제작 방법과는 다른, 일반적인 반도체 공정을 기반으로 제작하기 때문에 양산성이 뛰어나고, 산업적 활용 가치 또한 매우 높다고 평가받고 있다.
연구팀은 우선 나노린을 초저전력 나노 히터에 활용했다. 시험과정에서 나노 소재가 지닌 고유의 열 고립 효과를 통해 기존 마이크로히터의 물리적 한계를 뛰어넘는 초저전력 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 밝혔다.
최광욱 박사는 이번 개발 기술을 “휴대용기기에 내장하기 적합한 초저전력 가스 센서 기술”이라고 설명하면서 “이 기술이 가스 사고를 사전에 차단하고 인명 사고를 막는 데 활용되길 기대한다”고 언급했다.
한편, KAIST UP 프로그램과 한국연구재단의 중견연구자 지원사업을 통해 수행된 이번 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 8월 12일 온라인 게재됐으며, 연구 내용의 우수성을 인정받아 오프라인 저널의 후면 표지논문으로 선정됐다.
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