[기계신문] 인공후각은 사람 및 동물의 후각을 모방한 것으로, 냄새나 화학물질에 다른 감응 특성을 보이는 가스센서의 배열과 이들 센서들이 나타내는 감응 패턴의 인식으로 크게 나뉜다.

최근 컴퓨터의 연산속도, 기계학습 능력 등의 급속한 발전으로 인공후각의 계산 및 학습 능력은 충분해졌지만, 무수히 많은 냄새, 향기, 유해 화학물질 등에 대해 다양한 감응 패턴을 나타내는 가스 감응 센서 설계 기술이 부족한 상황이다.

산화물 반도체형 가스센서(Oxide semiconductor gas sensors)는 산화물 기반의 반도체가 환원성 및 산화성 가스와 반응하여 저항의 변화를 나타내는 소자로, 감도가 우수하고 소형화에 유리하여 센서 배열을 이용해 인공후각을 구현하는 데 효과적이다.

하지만 산화물 반도체형 가스센서로 구성된 인공후각은 외부 습기의 변화에 따라 측정 결과가 크게 달라져 상용화하는 데 어려움이 있었다.

▲ (좌측부터) 고려대학교 신소재공학부 정성용 박사과정, 강윤찬 교수, 이종흔 교수

그런데 최근 고려대학교 신소재공학부 이종흔 교수 연구팀이 산화물 반도체형 가스센서 특유의 감응 패턴을 유지하면서도 감지 신호의 습도 의존성을 없애는 새로운 인공후각용 센서 설계 기술을 제시했다.

연구팀은 산화물 반도체 가스 감응막에 수분 차단을 위한 산화터븀(Tb₄O₇) 층을 코팅해 이중층 구조로 만들면, 가스 감응층 내부로 수분 침투는 억제하고 피검가스만 통과시켜 감도, 선택성, 센서 저항 등 센서 본래의 감응 특성을 변화시키지 않고도 수분에 대한 의존성을 제거할 수 있다는 것을 밝혀냈다.

▲ (좌측부터) 기존 인공후각과 산화터븀막이 코팅된 인공후각의 모식도 및 가스 감응 특성

또한, 수분 차단 효과가 있는 산화터븀막 코팅은 다양한 감응물질(산화인듐, 산화아연, 산화주석, 팔라듐첨가 산화주석)의 센서에 적용 가능해, 센서 및 인공후각의 안정성과 정확성을 근본적으로 향상시키는 범용적인 방법으로 활용 가능하다.

이종흔 교수는 “4차 산업혁명에서 인공후각의 발전은 매우 중요한 기술적 과제이고, 인공후각의 고도화를 위해서는 고신뢰성의 감응소재를 설계하는 것이 관건”이라며 “그동안 특정 센서의 습도 의존성을 줄이는 연구는 일부 진행된 바 있지만, 가스센서 전반의 신뢰성을 높이는 일반적인 해법은 이번 연구를 통해 최초 제안된 것으로, 추후 공기질 모니터링, 모바일 헬스케어, 식품의 신선도 관리 분야의 다양한 인공후각에 적용되어 인간의 삶을 더욱 편리하게 할 것”이라고 설명했다.

▲ (상단부터) 차세대 인공후각과 다양한 응용분야의 모식도

한편, 삼성미래기술육성사업 과제(SRFC-TA1803-04)의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 11월 12일 게재됐다.

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