기존보다 소모전력 100분의 1 수준

빠른 응답속도·대량 생산도 가능

음식물관리 등 응용범위 넓어

마이크로 LED 가스 센서 기반 ‘전자 코 시스템’을 설명하는 일러스트. [카이스트 제공]
마이크로 LED 가스 센서 기반 ‘전자 코 시스템’을 설명하는 일러스트. [카이스트 제공]
박인규 교수
박인규 교수

카이스트(KAIST)는 기계공학과 박인규·윤국진 교수와 물리학과 조용훈 교수 공동 연구팀이 초저전력, 상온 동작이 가능한 마이크로 발광다이오드(LED) 가스 센서 기반 ‘전자 코 시스템’을 개발했다고 14일 밝혔다.

타깃 가스의 유무에 따라 금속산화물 가스 감지 소재의 전기전도성이 변화하는 원리를 이용한 반도체식 가스 센서다. 높은 민감도, 빠른 응답속도, 대량 생산 가능성 등 많은 장점이 있어 활발히 연구되고 있다. 금속산화물 감지 소재가 높은 민감도와 빠른 응답속도를 보이기 위해서는 외부에서 에너지 공급을 통한 활성화가 필요한데 기존에는 집적된 히터를 이용한 줄 히팅 방식이 많이 사용됐다. 하지만 고온 가열 방식의 반도체식 가스 센서는 높은 소모전력과 낮은 선택성 등의 한계점이 있었다.

연구팀은 자외선 파장대의 빛을 방출하는 마이크로 크기의 LED를 제작한 후 바로 위에 산화인듐(In2O3) 금속산화물을 집적함으로써 광활성 방식의 가스 센서를 개발했다. 광원과 감지 소재 사이의 거리를 최소화한 광원 일체형 센서 구조는 광 손실을 줄임으로써 μW(마이크로와트) 수준의 초저전력 가스 감지를 실현할 수 있었다.

또 연구진은 광 활성식 가스 센서의 반응성을 극대화하기 위해 금속산화물 표면에 금속 나노입자를 코팅해 국소 표면 플라즈몬 공명 현상을 활용했고 이를 통해 센서의 응답도가 향상되는 것을 확인했다.

연구팀의 실험 결과, 개발된 전자 코 시스템은 총 소모전력 0.38mW(밀리와트)의 초저전력으로 5가지 가스(일반 공기, 이산화질소, 에탄올, 아세톤, 메탄올)를 실시간으로 정확도 99.3%, 농도 값 예측 오차 13.8%로 판별할 수 있었다. 기존 마이크로 히터 방식 대비 소모 전력을 100분의 1 수준으로 획기적으로 절감한 것도 특징이다.

초저전력 전자 코 기술은 장소에 구애받지 않고 배터리 구동 기반으로 장시간 동작할 수 있는 모바일 가스 센서로 활용될 것으로 기대된다.

박인규 교수는 “마이크로 LED 기반의 광 활성식 가스 센서는 상온 동작이 가능하고 고온 가열 줄히팅을 하는 기존 반도체식 가스 센서에 비해 소모전력이 100분의 1 수준으로 초저전력 구동이 가능해 대기오염 모니터링, 음식물 부패 관리 모니터링, 헬스케어 등 다양한 분야에서도 응용될 수 있다”고 말했다.

이번 연구결과는 나노 과학분야 국제학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 1월 10일 게재됐다. 구본혁 기자


nbgkoo@heraldcorp.com