[기계신문] KAIST 기계공학과 박인규·윤국진 교수와 물리학과 조용훈 교수 공동 연구팀이 초저전력, 상온 동작이 가능한 광원 일체형 마이크로 LED 가스센서 기반의 전자 코 시스템을 개발하는 데 성공했다.
공동 연구팀은 마이크로 크기의 초소형 LED가 집적된 광원 일체형 가스센서를 제작한 이후, 합성곱 신경망(CNN) 알고리즘을 적용해 5가지 미지의 가스를 실시간으로 가스 종류 판별 정확도 99.3%, 농도 값 예측 오차 13.8%의 높은 정확도로 선택적 판별 기술을 개발했다.
특히 마이크로 LED를 활용한 광활성 방식의 가스 감지 기술은 기존의 마이크로 히터 방식 대비 소모 전력을 100분의 1 수준으로 획기적으로 절감한 것이 특징이다. 이번에 개발된 초저전력 전자 코 기술은 어떠한 장소에서든지 배터리 구동 기반으로 장시간 동작할 수 있는 모바일 가스센서로 활용될 것으로 기대된다.
타깃 가스의 유무에 따라 금속산화물 가스 감지 소재의 전기전도성이 변화하는 원리를 이용한 반도체식 가스센서는 높은 민감도, 빠른 응답속도, 대량 생산 가능성 등 많은 장점이 있어 활발히 연구되고 있다.
금속산화물 감지 소재가 높은 민감도와 빠른 응답속도를 보이기 위해서는 외부에서 에너지 공급을 통한 활성화가 필요한데, 기존에는 집적된 히터를 이용한 줄 히팅 방식이 많이 사용됐다. 고온 가열 방식의 반도체식 가스센서는 높은 소모전력과 낮은 선택성 등의 한계점이 있었다.
한편, 이번 연구에서 연구팀은 자외선 파장대의 빛을 방출하는 마이크로 크기의 LED를 제작한 후 바로 위에 산화인듐(In2O3) 금속산화물을 집적함으로써 광활성 방식의 가스센서를 개발했다. 광원과 감지 소재 사이의 거리를 최소화한 광원 일체형 센서 구조는 광 손실을 줄임으로써 ㎼ 수준의 초저전력 가스 감지를 실현할 수 있었다.
또한, 연구팀은 광 활성식 가스센서의 반응성을 극대화하기 위해 금속산화물 표면에 금속 나노입자를 코팅해 국소 표면 플라즈몬 공명(Localized surface plasmon resonsance, LSPR) 현상을 활용했고, 이를 통해 센서의 응답도가 향상되는 것을 확인했다.
* LSPR : 국소표면 플라즈몬 공명에 의해 생성된 핫 전자들이 금속산화물로 이동(Hot electron transfer)해 타깃 가스와의 산화-환원 반응을 촉진하는 원리
그 후 연구팀은 앞서 설명한 반도체식 가스센서의 낮은 선택성 문제를 해결하기 위해서 마이크로 LED 가스센서에 서로 다른 감지 소재를 집적해 센서 어레이를 제작하고, 합성곱 신경망의 딥러닝 알고리즘을 적용하여 각 타깃 가스가 만들어내는 고유한 금속산화물의 응답 패턴(저항 변화)을 포착하고 분석했다.
그 결과, 개발된 전자 코 시스템은 총 소모전력 0.38 mW의 초저전력으로 5가지 가스(일반 공기, 이산화질소, 에탄올, 아세톤, 메탄올)를 실시간으로 선택적 판별이 가능했다.
KAIST 기계공학과 박인규 교수는 “마이크로 LED 기반의 광 활성식 가스센서는 상온 동작이 가능하고 고온 가열 줄히팅을 하는 기존의 반도체식 가스센서에 비해 소모전력이 100분의 1 수준으로 초저전력 구동이 가능해 대기오염 모니터링, 음식물 부패 관리 모니터링, 헬스케어 등 다양한 분야에서도 응용될 수 있는 기반 기술이 될 것”이라고 설명했다.
한국연구재단의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 나노과학 분야 국제학술지 ‘ACS Nano'에 2023년 1월 10일자 정식 게재됐다.
기계신문, 기계산업 뉴스채널