한국과학기술원(KAIST) 연구팀, 고성능 실리콘 기반 수소센서 개발

[보안뉴스 박미영 기자] 한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 박인규 교수, 신소재공학과 정연식 교수 공동 연구팀이 폴리스티렌(Polystyrene) 구슬의 자기 조립(self-assembly) 현상을 이용해 고성능의 실리콘 기반 수소센서를 개발했다.


연구팀이 개발한 수소센서는 제작 과정이 단순하고 비용이 저렴해 모바일 기기에 탑재할 수 있어 전력 소모에 어려움을 겪는 모바일 분야에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

청정에너지인 수소가스는 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 현재도 냉각 시스템이나 석유 정제시설 등 다양한 산업 분야에서 활용되고 있지만 무색, 무취의 가연성 물질이기 때문에 조기 발견이 어려워 고성능 수소센서를 개발하는 것이 중요하다.

그러나 기존 수소센서들은 부피가 크고 소모 전력이 높으며 제작 비용이 상대적으로 높은 단점이 있다.

공동 연구팀은 수백나노미터(nm) 직경의 폴리스틸렌 구슬들을 자기 조립 현상을 이용해 규칙적으로 실리콘 기판 위에 배열시켰다. 이를 이용해 수십나노미터 수준의 그물 모양 패턴을 구현해 초소형 고성능 수소센서를 개발했다.

이 기술은 수소가스가 센서에 노출되면 팔라듐 나노입자와 반응해 팔라듐의 일함수(work function)가 변화하고 그에 따라 실리콘 나노 그물 내 전자의 공핍 영역(depletion region)의 크기가 변화하면서 전기 저항이 바뀌는 원리다.

이번에 개발한 수소센서는 최소 선폭 50나노미터(nm) 이하의 실리콘 나노 그물 구조 센서를 저비용으로 구현할 수 있다.

일반적으로 수소센서의 성능은 민감도, 반응속도, 선택성 등에 따라 구분된다. 연구팀의 센서는 0.1%의 수소 농도에서 10%의 민감도와 5초의 반응속도를 기록해 기존 실리콘 기반 수소센서보다 50% 이상 빠르고 10배 이상 높은 민감도를 보였다.

박인규 교수는 “기존의 값비싸고 복잡한 공정을 거치지 않고도 단순한 방법으로 초미세 나노패턴 구현이 가능하며, 수소센서뿐만 아니라 다양한 화학·바이오센서에도 응용이 가능할 것”이라고 말했다.

연구는 과학기술정보통신부의 나노소재기술개발사업, 한국연구재단의 국민위해인자에 대응한 기체분자식별·분석기술개발사업, 해양수산부의 해양수산환경기술개발사업, KUSTAR-KAIST 사업의 지원을 받아 수행됐다.

가오 민 연구원, 조민규 박사후 연구원, 한혁진 박사 과정이 참여한 이번 연구는 나노 분야 국제 학술지 ‘스몰(Small)’ 3월 8일자 표지 논문으로 선정됐다.
[박미영 기자(mypark@boannews.com)]

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