나노기술 및 정책 정보

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과거 광부들은 유해가스로부터 생명을 지키기 위해 탄광에 들어갈 때마다 카나리아라는 새를 데리고 들어갔음. 카나리아는 메탄, 일산화탄소 가스에 매우 민감해 유해가스에 소량만 노출돼도 죽음. 광부들은 카나리아의 노래가 들리면 안심하고 채굴했고 카나리아가 노래를 부르지 않을 땐 탄광에서 뛰쳐나와 스스로 생명을 지킬 수 있었음.

KAIST 전기및전자공학부 윤준보 교수 연구팀은 밀폐된 공간에서 유해가스를 감지해 안전사고를 사전에 방지할 수 있는 초 저전력 유해가스 감지 센서를 개발했다고 발표했음.

연구팀은 "이 가스센서는 초 저전력으로 구동되며 외부로 열이 전달되지 않기 때문에 휴대용 기기에 내장하기에 적합하다"면서 "언제 어디서나 유해가스의 위험을 알려주는 `스마트폰 속 카나리아'로 활용이 기대된다"고 연구결과를 소개했음.

일산화탄소 등의 유해가스에 의한 안타까운 인명 사고는 과거로부터 현재까지 끊임없이 반복되고 있음. 이에 따라 유해가스를 실시간으로 감지하는 예방 기술에 대한 관심과 수요가 꾸준히 증가하는 추세임. 스마트폰과 같은 휴대용기기에 가스 센서가 들어갈 수 있다면 가스로 인한 사고를 크게 줄일 수 있을 것임.

금속산화물을 기반으로 하는 가스 센서는 소형화에 유리하고, 생산 단가가 저렴해 스마트폰 내장형 가스 센서를 구현할 가장 유력한 후보로 꼽힘. 하지만 가스 센서는 수백 도(℃) 내외의 고온에서 동작하기 때문에 히터를 통한 열에너지 공급이 필수적임. 이때 주변으로 방출되는 다량의 열과 히터의 높은 소비 전력 때문에 스마트폰과 같은 휴대용기기에 적용 가능한 실시간 가스 센서를 개발하기는 쉽지 않음.

KAIST 연구팀은 이같은 문제를 연구팀이 독창적으로 개발한 '나노린(Nanolene)'이라는 나노소재를 활용해 해결했음. 나노린은 1차원 구조 나노와이어를 의미하는 ‘Nanoline’ 과 그래핀 같은 2차원 소재를 나타내는 접미사 ‘-ene’ 을 합성해 연구팀이 새로 명명한 신조어임. 1차원 나노와이어를 한계 간격 이하로 완벽하게 정렬해 2차원 평면 구조를 이룬 형태임.

연구팀은 센서 구동을 위해 필요한 열을 전달하는 나노히터에 이 구조를 적용했음. 나노와이어를 히터 물질로 적용할 경우 물리적 열 손실 경로를 줄이고, 나노 영역에서 발생하는 고유의 열 고립 효과를 활용해 기판으로의 방열을 획기적으로 감소시킬 수 있음. 이는 주변 회로와 집적한 스마트폰 내장형 통합 칩 제작이 가능함을 의미함. 특히 연구진이 개발한 '나노린'은 나노와이어를 완벽한 간격으로 정렬해 소자 내, 소자 간 균일성, 재현성, 신뢰성을 크게 높일 수 있었음.

연구팀은 이를 통해 기존 마이크로히터의 물리적 한계를 뛰어넘는 초 저전력 고온 구동을 실현하고, 스마트폰 내장에 적합한 수준의 낮은 소비 전력으로 일산화탄소 가스를 검출할 수 있는 일체형 가스센서를 개발하는 데 성공했음.

제1 저자인 KAIST 전기및전자공학부 최광욱 박사는 이 기술이 "기존의 나노 소재 제작 방법과는 다른, 일반적인 반도체 공정을 기반으로 제작하기 때문에 대량생산이 가능하고 산업적 활용 가치 또한 매우 높다"고 평가하고 "가스 사고를 사전에 차단하고 인명 사고를 막는 데 활용되길 기대한다"고 밝힘.

본 연구 성과는 ‘Advanced Functional Materials’ (“Perfectly Aligned, Air-Suspended Nanowire Array Heater and Its Application in an Always-On Gas Sensor”) 지의 후면표지 논문으로 게재되었으며 KAIST UP 프로그램과 한국연구재단의 중견연구자 지원사업을 통해 수행되었음.