재료연 등, 반도체 센서 기술 국산화에 한 발 더 가까이

물 분자에 의해 결정구조가 변화하는 모습을 나타낸 도식도. 자료제공: KIMS)

한국재료연구원(KIMS, 원장 이정환/ 이하 재료연)은 에너지전자재료연구실 최진우 박사 연구팀과, 한국과학기술정보연구원(이하 KISTI) 김한슬 박사 연구팀, 부산대학교 이형우 교수 연구팀이 공동 연구를 통해, 고선택성 가스 센서 소재의 반응 원리를 규명하고 이를 통해 광학적 및 전기적으로 동시 측정이 가능한 다중 응답형 고선택성 가스 센서를 세계 최초로 개발하는 데 성공했다고 지난달 4일 밝혔다.
기존의 반도체 가스 센서 소재는 표면에 가스가 흡착됐을 때의 전기적 저항 변화를 통해 가스를 검출한다. 저항이 가스 종류에 상관없이 변화해 선택성이 낮고, 대부분 전기적 특성 변화라는 단일 지표만을 사용해 그 활용성에 한계가 있다. 연구팀은 특정 가스에 노출 시, 결정구조가 변화하는 신소재를 개발하고 이를 기반으로 색과 저항이 동시에 바뀌는 고선택성 가스 센서를 제작했다.
연구팀은 독성이 없는 구리(Cu) 기반의 친환경 메탈 할라이드 박막 소재인 세슘카파아이오다이드를 합성했다. 그리고 슈퍼컴퓨터 기반의 시뮬레이션을 통해 본 소재가 가역적으로 변하는 특성을 가질 수 있음을 규명하고, 물 분자가 효율적인 결정 변화 자극제가 된다는 사실을 입증했다. 또한 이번 이론을 기반으로 센서 소자를 설계 및 제작함으로써, 해당 소자가 물 분자 검출에 탁월함을 확인하고 전기적 특성과 색 변화를 동시에 활용해 서로 다른 극성을 가진 다양한 알코올을 성공적으로 구분하는 데 성공했다.
세계 가스 센서 시장규모는 2021년 10억 달러를 기록했으며, 매년 7.5%가량 성장할 것으로 예측된다. 반도체 가스 센서 기술은 경량화, 소형화, 대량 생산에 적합해 모바일, 사물인터넷(IoT), 농·축산업 등 다양한 분야에 활용할 수 있다. 본 기술은 결정구조 변화형 소재를 활용한 새로운 센서 개념과 실증사례를 세계 최초로 제시했다는 측면에서 큰 의미가 있다.
연구책임자인 재료연 최진우 선임연구원과 KISTI 김한슬 선임연구원은 “해당 연구는 반도체 센서 소자 및 유관 신소재의 새로운 개발 방향을 제시한다는 점에 주목해야 할 것”이라며, “이번에 개발한 센서 소재는 다중 응답 특성을 가져 향후 농·축산, 의료, 모바일 등 다양한 산업 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국재료연구원 주요사업, 한국과학기술정보연구원 국가슈퍼컴퓨터 5호기 R&D혁신지원프로그램, 과학기술정보통신부 기초연구사업 등을 통해 수행됐다. 연구 결과는 소재 분야의 국제 학술지인 ‘Advance Functional Materials’誌에 7월 11일 자 표지논문으로 게재됐다.