스마트 센서는 점점 작아지고 있다. 여러 연구자들이 자동차는 물론 몸 안에도 이식할 수 있을 정도로 작은 센서를 제작하는 방법을 찾고 있다. 중요한 건 작아지면서도 배터리가 오래 유지되는 것이다. 생산 단가와 측정 신뢰도 역시 중요한 부분이다.
이를 위해 UNIST에서는 ‘공중부유형 1D 나노 구조 기반 가스 센서’를 연구 개발 중이다. 가스 센서는 검출하려는 가스 농도를 측정하는 센서의 총칭. 대기와 실내 환경을 모니터링하고 산업 현장이나 사고 현장에서 가스를 검출하는 데 활용된다. 그렇다면 UNIST가 개발 중인 가스 센서는 기존과 어떻게 다를까. 기계 및 원자력공학부 신흥주 교수에게 그 이야기를 들어봤다.
“공중부유형이란 말 그대로 센서를 구성하는 나노미터(nm) 크기의 와이어가 공중에 떠 있다는 거예요. 반도체로 만든 나노미터 크기의 막대를 나노와이어(nanowire)라고 하는데, 저희는 이걸 다리(bridge)처럼 만들어서 공중에 뜨게 했어요. 이렇게 하면 나노와이어가 바닥에 있을 때보다 더 넓은 면적으로 가스를 받아들여요. 공정 정밀도도 비교할 수 없이 좋아지고요.”
윗 그림은 왼쪽부터 공중부유형 폴리머 마이크로 와이어, 공중부유형 탄소 나노와이어, 공중부유형 탄소 메쉬의 모습이다. 아래쪽에는 공중부유형 하이브리드 나노와이어와 산화아연 나노와이어 군집의 모습이다. | 신흥주 교수 제공
나노와이어는 센서 그 자체다. 나노와이어에 가스나 바이오를 감지하는 물질을 코팅하면 가스나 질병 인자 등에 반응하게 된다. 이때 나노와이어의 전기저항이 변한다. 이 변화를 측정하면 검출 물질의 농도를 알 수 있다. 나노와이어는 가스 센서뿐 아니라 혈당 측정, 질병 진단 등 바이오 센서에도 활용 가능하다.
신흥주 교수는 현재 나노와이어 하나 또는 단일 나노와이어에 집적된 나노와이어 군집체만 센서로 이용하고 있다. 덕분에 전력 소비량이 다른 마이크로 단위 센서와 비교할 수 없을 정도로 적다. 공중에 떠 있으니 원하는 물질을 나노와이어 표면에 코팅하는 일도 수월하다.
신흥주 교수가 자신이 개발한 공중부유형 나노와이어 센서에 대해 소개하고 있다. | 사진: 안홍범
다만 소형화된 센서에서 신호를 뽑아내기 때문에 노이즈가 생길 수 있다. 이 부분은 스마트센서연구센터 내 다른 연구자들과 협업해서 해결할 예정이다.
그는 나노와이어 기반 센서의 상용화에 세 가지 관건이 있다고 설명했다. 양산성을 높여 공정 단가를 줄이고, 센서의 측정 신뢰도를 높이고, 마지막으로 선택도를 민감하게 만드는 것이다. 여기서 선택도는 다양한 유해 가스 중 측정하고자 하는 가스를 감별해 반응하는 것을 말한다.
신 교수는 “공중부유형 나노와이어를 활용한 센서의 상용화는 3년 후 정도를 내다보고 있다”며 “이에 대비해 양산성을 높이고 신뢰도와 선택도를 만족시키기 위한 연구를 거듭할 것”이라고 말했다.
※ 신흥주 교수의 공중부유형 나노와이어 센서는 이번 호 UNIST MAGAZINE의 표지를 장식했다. 아래는 표지 이야기다.
COVER STORY 유해가스 감지하는 첨단 스마트 센서!
신흥주 교수팀에서 개발한 ‘공중부유형 1D 나노 구조 기반 가스 센서’는 언뜻 납작한 판처럼 보인다. 사실 이 판은 양쪽이 전극인데, 이들 사이가 실 또는 메쉬(mesh) 형태의 나노와이어로 이루어진 다리(bridge)로 연결되어 있다. 이 나노와이어가 각종 가스와 만나게 되면 나노와이어의 전기전도도가 변한다.
공중부유형 하이브리드 나노와이어의 개념도. 공중부유형 하이브리드 나노와이어는 다리 형태로 공중에 띄운 나노와이어로 이뤄지며, 이들을 여러 개 모으면 다종 가스 센서 칩을 만들 수 있다. 왼쪽 위 사진에서 가운데 보이는 작은 구멍이 한 종류의 가스를 감지하는 센서라고 보면 된다. | 신흥주 교수 제공
결국 납작한 두 전극 사이의 저항을 측정하는 것만으로 각종 가스의 유무 및 농도를 측정할 수 있다. 특히 이 센서는 나노와이어가 공중에 떠 있는 형태이기 때문에 나노와이어의 높은 부피 대 표면적비를 최대한 활용할 수 있으며, 나노와이어에 기능을 추가하기 위한 표면 처리에도 유리하다.
