[기계신문] 화석연료에 의존한 에너지 소비는 온난화와 오존층 파괴를 가속화시키고 있다. 특히 오존층 감소는 태양으로부터 방사되는 자외선이 반사되거나 흡수되지 않고 직접적으로 지구에 도달하면서 예상하지 못한 결과를 낳는다.
태양에서 나오는 특정 파장의 빛인 자외선(UV-C)은 인간에게는 비타민 D 합성을 촉진시켜 구루병을 예방하는 효과가 있고, 식물 성장을 촉진하여 곡물의 생산량을 증가시킬 수 있다.
하지만 과도한 자외선 노출은 피부암 및 백내장을 일으키고, 피부 노화를 촉진시킨다. 생명체의 유전정보를 파괴하고, 건축물의 수명을 감소시킬 수 있다. 따라서 이를 실시간으로 모니터링할 수 있는 광센서 기술이 필요하다.
그런데 최근 회전판 중심에 놓인 물방울을 바깥으로 흩어지게 하는 힘 ‘원심력’을 이용해 얇은 박막을 만드는 스핀코팅 방식으로 상온에서 자외선 감지센서를 제조하는 기술이 소개됐다. 가천대학교 IT융합대학 전기공학과 박정웅 교수 연구팀이 자가동력 고감도 자외선 감지센서를 개발했다.
산화물세라믹(ZnO, TiO2 등)이나 실리콘 등을 소재로 한 기존 자외선 센서는 고온에서 진공증착 공정을 통해 얇은 박막을 코팅해야 한다. 또 대기 중 노출시 산화 및 열적 파괴에 따른 보호막이 필요하다. 또한 자외선 가운데 주로 강력한 살균 효과 및 세포 파괴에 관여한다고 알려진 자외선 검출센서 연구는 상대적으로 많이 이뤄지지 않았다.
연구팀은 태양전지에서 빛을 흡수해 에너지로 변환하는데 사용되는 페로브스카이트를 이용했다. 자외선을 흡수하면 발생하는 전류를 감지하는 것이다.
기존 센서의 감도가 낮아 증폭을 위해 외부전원이 필요했다면 연구팀이 만든 센서는 외부전원 없이 자외선을 광원으로 내부 에서 발생된 전류만으로도 구동할 수 있다는 것이 특징이다.
사용된 할라이드 페로브스카이트 용액을 기판 위에 떨어트린 후 회전시켜 원심력으로 액체를 밀려나게 해서 실온에서 표면을 코팅하는 데 성공했다.
기존 센서를 제작하는 고진공 증착공정이 이뤄지는 반면, 대기 중 스핀코팅 후 핫플레이트 위 섭씨 100℃에서 열처리하면 간단히 이뤄진다. 또한 제작 공정조건을 개선하고 휘어지면서도 투명한 플라스틱 기판을 사용하면 웨어러블 디바이스 기술과도 접목이 가능하다.
만들어진 센서는 기존 산화물 기반의 UV-C 센서 대비 감도가 약 1,000배 이상 향상되었고 100회 이상 연속 측정 후에도 감도가 유지되었다는 설명이다.
최대 200배 빠른 반응속도(광원 On 시 46ms, 광원 Off 시 47ms)도 장점이다. 또한 3주가 지난 후에도 자외선 광 감지능력의 80% 이상 유지되는 안정성을 보였다.
특히 상온에서 용액 공정만으로 제작할 수 있다는 것도 장점이다. 비교적 낮은 온도에서 제작하기에 유연기판을 사용하는 웨어러블 디바이스에 적용할 수 있고, 태양광을 이용하기 때문에 자체 전력 생산 및 센서 기능을 동시에 수행할 수 있는 복합 에너지변환 소자로 응용이 가능할 것으로 기대된다.
박정웅 교수는 “개발된 광센서는 태양광 발전 원리를 이용하기 때문에 자외선 감지 후 별도의 증폭 작용 없이도 자체적으로 감지가 가능하여 구조가 매우 간단하다”며 “센서의 단위 셀 면적은 400㎟로 연구팀은 향후 대면적 제작과 성능향상을 위한 연구를 지속할 계획”이라고 밝혔다.
한편, 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 기본연구사업 및 가천대학교 GL융합연구인프라구축과제 등의 지원으로 수행된 이번 연구는 영국왕립화학회 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)’에 12월 8일 게재되었다.
기계신문, 기계산업 뉴스채널