[붙임] 연구결과 개요, 용어설명, 그림설명

[연구결과 개요]

1. 연구배경

현대 사회에서 가스 감지 기술은 공기질 모니터링, 산업 현장 안전, 환경 보호, 의료 진단 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 하고 있다. 최근 실내 공기질에 대한 관심이 증가하면서 유해 가스 감지와 같은 다양한 가스 감지 기술의 필요성이 높아지고 있다. 기존의 가스 측정 장치는 주로 금속 산화물 반도체 센서를 사용하지만, 물질 활성화를 위해 열 에너지가 필요하고, 온도 의존성이 높아 가열이 필요하여 높은 소모전력이 요구된다. 또한, 반도체 센서는 대기 중의 다양한 가스에 대해 복합적으로 반응을 하는 교차민감도 특성으로 인해 정확한 가스 식별이 어려운 문제가 있다. 이러한 문제를 극복하기 위해 복수의 상이한 센서로부터 측정된 데이터를 인공지능으로 해석하여 가스를 종류와 농도를 식별하는 전자코 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나, 마이크로 미터 사이즈의 가스센서의 동작에서도 밀리와트 수준의 전력 소비를 요구하고 있으며, 교차민감도를 해결하기 위해 여전히 충분히 많은 개수의 센서가 요구된다는 한계가 있어왔다. 최근에는, 실시간 무선 모니터링과과 함께 소형화, 저전력 동작의 요구가 증가하면서, 이러한 문제를 해결하기 위한 새로운 기술 개발이 필요하다.

2. 연구내용 

본 연구에서는 전통적인 다중 센서 기반 전자 코(e-nose) 시스템의 문제점을 해결하기 위해 초저전력 단일 센서 기반 전자 코 시스템을 개발하였다. 전자 코는 다양한 가스를 식별하고 그 농도를 판별하는 장치로, 기존 시스템은 여러 센서를 사용하여 전력 소모가 많고 비용이 높았다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 1D 나노히터로 구동되는 금속 산화물 반도체 기반 가스 센서를 사용하고, 전력인가 방식을 조절하여 전력 소모를 크게 줄였다. 가스 센서는 센싱부와 히터부로 구성되며, 대부분의 전력 소모는 센싱부를 활성화하기 위해 히터부를 가열하는 과정에서 발생한다. 본 연구에서는 듀티 사이클링이라는 기술을 사용하여 히터가 필요할 때만 작동하게 함으로써 전력 소모를 최대 90%까지 줄였다. 듀티 사이클링은 센서에 전력을 공급하고 단절하는 과정을 반복적으로 가하여 센서의 실제 작동시간을 전력이 공급되는 비율 (듀티) 만큼 감소시키는 기술이다. 듀티 사이클링을 사용하면서도 실시간 가스 분석을 위해 충분히 많은 가스 신호를 얻으면서도 센서가 작동할 수 있는 온도로 즉각적으로 가열할 수 있는 히터 개발이 필수적이다. 본 연구에서는 히터를 1D 나노구조 (길이: 175 μm, 지름: 약 270 nm)로 제작하고 그 위에 반도체 나노물질을 집적하여 센서를 제작하였다.  히터의 사이즈를 극소화함으로써 10만분의 1초의 짧은 시간 안에 250 도까지 순간적인 가열 및 상온으로의 냉각이 가능하게 되었다. 따라서, 1초의 주기 안에서 10%의 전력 공급 만으로도 안정적이며 즉각적인 가열이 가능하였다. 3차원의 나노사이즈의 히터임에도 제작 공정은 일반적인 반도체 공정을 기반으로 하여 6인치 웨이퍼에 대량생산이 가능할 수 있도록 개발되었다. 이러한 즉각적인 가열 및 냉각 속도에 비해 반도체 물질 표면의 가스 흡착 반응은 상대적으로 느리다. 따라서, 듀티 사이클링을 빠르게 반복하게 되면 전원이 꺼진 상태에서도 흡착된 가스가 남아 있게 되어 가스 반응 신호를 얻을 수 있게 된다. 그러므로 전원이 켜진 상태와 커진 상태에서 서로 상이한 센서 신호를 수집할 수 있게 되어 단일 센서만으로도 마치 두 개의 센서 들이 작동하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있었다 (HT 신호: 가열상태에서 얻어진 신호, RT 신호: 상온상태에서 얻어진 신호). 이러한 동시에 측정되는 이중 신호를 딥러닝 모델 중 하나인 합성곱 신경망(CNN)으로 실시간 분석함으로써 지속적으로 변화하는 다양한 가스의 종류와 농도를 정확하게 식별할 수 있었다. CNN 알고리즘을 통해 다섯 가지 가스를 93.9%의 높은 분류 정확도로 분류할 수 있었으며, 동시에 가스의 농도도 예측할 수 있었다.

3. 기대효과 

개발된 초저전력 단일 센서 기반 전자 코(e-nose) 시스템은 히터의 사이즈가 나노사이즈로 전력 소모가 적으며, 추가적으로 듀티 사이클링 기술을 통해 에너지 효율성을 최대 90% 향상시킬 수 있어다. 또한, 웨이퍼 수준의 반도체 제조 공정을 사용하여 저렴하게 대량 제조가 된다. 단일 센서를 사용하여 소형화 및 경량화가 가능하며, 단일 센서 만으로 가스에 대한 이중 신호를 출력할 수 있어 딥러닝 알고리즘(CNN)을 활용하여 다양한 가스 유형과 농도를 높은 정확도로 실시간으로 식별할 수 있다. 따라서, 지속적으로 가스를 저비용을 분석할 수 있는 장치가 필수적인 실내 공기질 모니터링, 조기 질병 진단, 산업용 가스 누출 감지, 식품 신선도 모니터링 등 다양한 응용 분야에 본 연구에서 개발된 전자코 시스템의 활용도가 매우 높다. 또한 소형화와 저전력 소비가 필수적인 모바일 장치와 IoT 장치에 적용이 용이하여 다양한 분야에서 가스 측정 기술의 발전과 응용이 기대된다.

[용어설명]

1. 전자코 (Electronic Nose, e-nose)

인간의 후각을 모방하여 공기 중의 다양한 화학 물질을 감지하고 분석하는 장치. 센서 배열과 신호 처리 기술을 활용하여 가스의 종류와 농도를 측정할 수 있다.

2. 반도체 가스 센서 (Semiconductor Gas Sensor)

가스와 반응하여 발생하는 반도체 물질의 전기적 성질 변화를 이용해 가스의 존재와 농도를 감지하는 장치. 가스가 센서의 표면에 접촉하면 반도체의 전도도가 변하고, 이 변화를 측정함으로써 가스의 종류와 농도를 알아낼 수 있다.

3. 듀티 사이클링 (Duty Cycling)

전자 장치에서 전력을 공급하고 차단하는 과정을 주기적으로 반복하는 기법. 이 방식으로 전력을 절약하고, 장치의 소모 전력을 줄일 수 있다.

4. 합성곱 신경망 (Convolutional Neural Network, CNN)

딥러닝의 한 종류로, 주로 이미지나 시계열 데이터와 같은 패턴을 인식하는 데 사용됨. CNN은 데이터의 공간적 또는 시간적 구조를 학습하여 특성 추출 및 분류 작업을 수행한다. 이 기술을 사용해 가스 센서에서 수집한 신호를 실시간으로 분석하고, 가스의 종류를 정확하게 구별할 수 있다.

[그림설명]

그림1. 1차원 나노 히터 기반의 반도체 가스센서 및 이를 기반으로 한 실시간 무선 모니터링 시스템

(a) 개발된 1차원 나노 히터의 모식도. (b) 나노 히터 기반의 반도체 가스센서의 모식도: (하단 좌측) 히터 길이 방향의 온도 분포 시뮬레이션 결과, (하단 우측) 반도체 나노물질이 코팅된 나노히터의 단면도. (c) 가스센서/신호처리/통신 모듈이 통합된 실시간 무선 모니터링 시스템: (우측 상단) 1100개의 나노 센서 소자가 집적된 6인치 Si 웨이퍼

그림2. 1차원 나노 히터 기반의 반도체 가스센서의 전자 주사 현미경 사진

(a) 1차원 나노 히터 및 (b) 확대된 단면 이미지. (c) 나노 히터 기반의 반도체 가스센서 및 이의 (d) 상단 (e) 측면 (f) 단면 이미지

그림3. 스마트 전자코 기술의 개요

단일 센서의 듀티 사이클링과 딥러닝을 활용한 새로운 전자코 기술. (좌측 그림) 나노히터에 주기적인 전력 인가를 통해 히터의 온도를 고온 (HT)과 상온 (RT)로 즉각적인 변화를 시킴에 따라 (중안 상단 그림) 서로 상이한 반도체 저항 신호가 출력이 된다. (중앙 하단 그림) 이러한 이중 신호는 가스의 종류 및 농도에 따라 크기 및 상대적인 비율이 달라지며, (우측 그림) 이러한 이중 신호를 딥러닝(합성곱 신경망)을 이용해 공기(Air), 이산화질소(NO2), 이산화황(SO2), 일산화탄소(CO), 수소(H2)의 다섯 가지 가스의 종류와 농도에 대한 정확한 분석이 가능하다.

그림4. 스마트 전자코 기술을 활용한 실시간 가스 인자 분석 결과 

이중응답신호를 이용하여 다양한 가스의 종류와 농도를 실시간으로 예측한 결과. (a) 이산화황(SO2), (b) 일산화탄소(CO), (c) 수소(H2), (d) 이산화질소(NO2). 단일 센서가 다양한 가스를 정확하게 분류하고 농도를 예측하였음. 특히, 듀티 사이클링을 통해 전력 소모를 크게 줄이면서도 높은 정확도를 유지하였으며 실시간으로 분석이 가능하였음.