나노기술 및 정책 정보

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● 연세대학교 전기전자공학과 유기준 교수 연구팀은 세계 최초로 고온에서 반도체와 금속의 퓨전을 통해 반도체의 밴드갭 조절이 가능하다는 것을 규명하고, 이를 활용해 초고민감도의 플렉시블 열 감지용 센서를 개발

● 현재까지 개발된 웨어러블 온도 센서는 낮은 저항온도계수(TCR), 느린 열 반응속도, 독성으로 인한 낮은 인체 안전성, 유연성과 투과성의 부족 등의 한계로 인해, 사람 피부에 완전히 부착돼 활동하는 동안 지속적으로 정확한 측정을 하는 데 한계

● 연구팀은 세계 최초로 완전히 새로운 금-실리콘 나노막 퓨전 방법을 이론 및 시뮬레이션, 실험을 통해 정립했고 세계 최고 수준의 열 민감도인 TCR(-377270.72 ppm/℃)을 갖는 초고정밀 웨어러블 온도 센서 어레이를 개발

● 해당 연구를 통해 인체에 직접 센서를 부착하고 수십 분 동안 사이클을 타면서 극한의 환경에서 신체의 움직임과 땀과 같은 수분의 영향 없이 정확하게 피부 온도 및 호흡을 연속적으로 모니터링할 수 있다는 것을 규명

● 다양한 소재 가능성을 가진 실리콘의 유일한 단점은 낮은 열 민감도로 인해 온도 센서로서의 사용은 제한되어왔다는 것인데, 연구진은 금이 실리콘 내에서 깊은 불순물로 작용해 실리콘의 페르미 에너지 준위를 이동시키고 활성화 에너지를 증가시켜 열 민감도를 크게 향상시키는 현상을 실험을 통해 확인

● 해당 기술은 소재 및 전기전자 분야에서 난제로 여겨졌던 실리콘의 유일한 단점을 해결하는 초고감도 플렉시블 금-실리콘 퓨전 재료 기반 웨어러블 온도 센서를 세계 최초로 개발한 것으로, 이를 통해 인체 건강관리 및 정밀 진단, 체온과 질병 관련성 연구의 획기적인 발판을 마련

● 또한 금 도핑을 통한 실리콘의 에너지 준위 이동 및 성질 변화는 높은 열 민감도의 온도 센서뿐 아니라 추후 다양한 센서 개발과 전기 및 전자 애플리케이션에 대한 적용 가능성이 무한해 바이오 분야, 반도체 분야, 웨어러블 센서 관련 연구 및 산업 발전에 큰 영향을 미칠 것으로 기대

※ 용어설명

- 영률(Young’s modulus): 고체 재료의 강성을 측정하는 역학적 특성으로, 물체에 주어진 압력을 알 때 그 물체가 변형된 정도를 예측

- 저항온도계수(TCR): 저항값이 온도에 따라 변화하는 비율

- 페르미 에너지 준위(fermi energy level): 최외각 준위에 위치한 전자의 에너지 

※ Advanced Materials 게재(2021.11.08.), “Ultra-high Sensitive Au-doped Silicon Nanomembrane Based Wearable Sensor Arrays for Continuous Skin Temperature Monitoring with High Precision”

※ 과학기술정보통신부(나노소재원천사업, 기초연구사업) 지원