Special 디지털 뉴딜과 광전자 세라믹 소재(2)

가스센서 세라믹 최신 기술 동향 및 산업 전망

김현우_한양대학교 신소재공학부 교수

1. 서 론

세라믹스는 내열성, 내식성, 내마모성등 특성으로 인해 많이 이용되어 왔지만 [두뇌]도 우수한 재료라고 할 수 있다. 세라믹스는 인간을 대신하여 “감지”하는 것이 가능한  각종 센서의 주소재로 활발히 이용되고 있다[1]. 센서는 전문가들에 의하여 여러 가지로 정의되고 있지만 [예] 산업로봇 용어 (JIS-B0134): 감각기능을 실현하기 위한 검출소자][2] 물리적, 화학적, 생물학적 신호를 입수하여 전기적 신호로 변환하며 인간의 오감에 해당하는 기능을 한다고 볼 수 있다. 센서는 우리 생활 거의 모든 곳에서 사용되고 있다. 자동차, 로봇, 항공기, 드론, 가정용 기기 등 모든 곳에 각종 센서가 부착되어 있어 센서가 없는 생활은 상상할 수조차 없다. 인류의 삶의 질을 향상하고자 하는 욕구에 따라 필수적인 장치로 센서의 고도화가 요구되고 있고 특히 우리 주변에는 다양한 종류의 가스가 존재하거나 발생하나 인간의 감각기관으로는 가스의 종류를 판별하거나 농도를 정량화하기 어렵다. 환경보전 및 안정관리, 건강관리의 사회적 요청이 폭증함에 따라 가스센서에 요구되는 성능 및 사양도 고도화되고 있고 각종 인체에 유해한 가스의 감지, 농장 및 공장의 가스 모니터링, 가스 바이오마커에 의한 질병 진단 등 매우 다양한 영역에서 가스센서의 고성능화가 요구되며 이를 위하여 새로운 소재의 도입, 구조의 다변화, 나노소재의 적용, 센서소자 구조의 다변화 등 연구개발이 진행중 이다. 센서를 구성하는 소재로써 세라믹은 견고하고 내구성이 있으며 전기적 성질이 우수하고 응용에 따른 특성 제어가 가능하여 가장 필수적인 소재로 알려져 있다.

2. 센서의 종류 개황

센서는 빛이나 온도 등의 물리량을 측정하는 물리센서, 가스나 포도당, 환경호르몬 등의 화학물질을 측정하는 화학 센서나 바이오 센서로 나눌 수 있다[3]. 화학 센서는 외계의 화학량 혹은 화학적 신호를 측정 가능한 전기신호로 변환하여 감지하는 기술로 가스센서, 습도센서 및 이온센서로 분류된다.

3. 가스센서의 종류와 특징

아래 표 1에 각종 가스센서의 종류와 특징을 기술하였다[4].

표 1. 각종 가스센서의 종류와 특징

4. 가스센서의 기술 개발 동향

1] [전기저항식] 반도체식 가스센싱 기술

가] 초기 연구 동향
전기저항식 반도체식 가스센서는 주로 산화물반도체를 감지물질로 채용하는 것으로써 1962년에 큐슈 대학 연구진이 ZnO박막을 최초로 적용하여 반도체에 가스를 적용하여 전기저항 [혹은 전기전도도]의 변화를 발견하였고 기존의 열전도식 센서에 비하여 우수한 감지능을 발현한 바 있다[6]. 이 기술은 이 후 SnO2를 반도체 저항식 가스센서로 제품을 제작하는데 적용되었고 SnO2가 SnO와 O로 분해되면 전자를 방출하는 메카니즘을 제안한 바 있다[7]. 이들은 반도체 표면에 산소의 흡착과 전자의 transfer 현상에 관련된 것인데 ZnO 표면에 nitrous oxide가 분해되는데 있어 nitrous oxide로 인하여 ZnO의 전기전도도가 감소되는 형상이 보고된 바 있다[8]. 또한 반도체표면에 화학적 흡착 [chemisorption]에 있어 흡착종과 고체간의 전자 transfer가 보고되었고 이 때 rectifying junction이 생성됨을 확인한 바 있다[9]. 화학적 흡착 [chemisorption]과정이 가스센싱에 핵심적인 역할을 함에 따라 이의 해석을 위하여 Elovich 공식 등을 창안하여 화학적 흡착 kinetics를 연구하였다[10]. 가스센싱 현상을 작용하여 인공 후각 소자 [Artificial Olfaction Devices]를 구현하려는 움직임이 1960년대에 태동하였고 이는 향기나는 물질이 여러소재의 박막에 흡착되어 자연의 후각과정을 모사하여 각종 향기를 구분해 내는 구상이었다[11]. 초기에 금속촉매의 함입이 시도되었고 이들은 화학적 그리고 전기적인 영향을 미치는 것으로 인지되었다[12]. 자외선을 조사하여 가스 감응 특성을 향상시키려는 시도가 시작되었다[13]. 특히 최근에는 가시광선을 조사하여 센싱능력을 향상시키는 방법이 시도되고 있다[14]. 기존의 박막이나 후막구조에서 벗어나 비표면적을 향상시킬 수 있는 구조의 생성이 구현되었고 예를 들어 산화물 반도체 nanobelts[15]나 nanowires[16]등의 1차원 나노구조들이다. 

그림 2. 코어 - 셀 나노구조에서 자가발열효과의 발현 메카니즘

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