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미세한 가스, 빛 감지해 위험 요소 찾아낸다!

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작성일15-02-13 10:19 조회3,011회

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안전 환경 모니터링


미세한 가스, 빛 감지해 위험 요소 찾아낸다!


재료, 2차원 반도체 소재의 가스감지 메커니즘 규명


초고감도 듀얼기능 센서 개발


 


 



# 아이들만 있는 집 안 거실. 게임하느라 정신이 팔린 사이 부엌에서 가스가 새어 나오고 이내 불꽃이 튀었다. 집 전체로 불이 번질 뻔 했지만 눈에 보이지 않을 정도로 작고 투명한 센서가 감지해 화재를 예방했다.


# 산업체에서 새로운 유니폼을 입고 근무하면서 유독 가스로 인한 사고가 줄어들었다. 이 유니폼에는 유독 가스를 감지할 수 있는 투명하고 유연한 센서가 장착되어 있다.


 



 아주 적은 양의 유독 가스나 빛을 감지해 안전한 환경을 구축하는 모니터링에 활용할 수 있는 기술이 개발됐다.



 재료연구소(소장 김해두) 표면기술연구본부 조병진, 함명관 박사팀은 매우 얇은 원자층 두께(나노미터 : 10억분의 1미터)를 가진 2차원 전이금속계 반도체 소재의 가스 감지 메커니즘을 새로운 분석법인 in-situ PL분광법을 통해 최초 규명했다. 이를 기반으로 유독 가스와 빛을 감지할 수 있는 초고감도 듀얼 기능 센서 개발에도 성공했다.


 이는 안전한 환경을 구축하기 위한 모니터링용 센서 소재에 적용될 수 있다. 또 차세대 플렉서블 혹은 웨어러블 기기에도 사용할 수 있어 파급효과가 클 것으로 기대된다.


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 기존 가정이나 산업현장에서 사용되는 화재경보기 등에 사용된 유독 가스 감지 센서는 수십 마이크론(1㎜의 1000분의 1) 두께의 3차원 벌크 소재로 구성되어 있다. 벌크 소재의 가스 감지 메커니즘은 이미 규명되었으나 2차원 반도체 소재는 규명되지 않았다는 점에 착안해 연구를 진행했다.


 연구팀은 빛을 이용해 소재의 전자적 특성을 파악하는 PL 분광법에 추가로 이산화질소와 암모니아와 같은 가스를 흘려보내는 새로운 방식으로 2차원 전이금속계 반도체 소재와 가스 사이의 전하 이동 과정을 직접적으로 확인했다.


 가스 감지 메커니즘의 정확한 분석이 선행돼야 센서 등으로 활용할 수 있는 기술을 개발할 수 있다.


 


 연구팀은 규명된 메커니즘을 토대로 미세한 가스와 빛 두 가지를 동시에 감지할 수 있는 초고감도 듀얼센서 개발에도 성공했다.


 2차원 전이금속계 반도체 소재를 이용해 센서를 제조하는 방법은 크게 3가지가 있다.


스카치 테이프를 이용하는 방법은 박막의 두께를 조절하기 힘들뿐만 아니라 크기가 너무 작아 센서소자를 제작하기 쉽지 않다. 용액을 이용하여 분리해 내는 방법은 불순물과 한데 섞여 소재의 고유한 특성을 잃어버리게 할 수 있는 단점을 가지고 있다. 위의 두 가지 방법은 천연광물 등 원소재로부터 소재를 획득하는 방식이다.


 


 연구팀은 원자 단위에서 소재를 합성해 나노미터 정도의 매우 얇은 박막소재를 제조할 수 있는 화학기상증착법을 사용했다. 완성된 2차원 전이금속계 반도체 소재는 금속배선 공정을 통해 최종 센서소자제작되었다.


 


 연구팀이 개발한 센서는 품질도 좋고 최대 2인치 정도 크기의 대면적 기판으로 제조될 수 있을 뿐만 아니라, 하나의 센서가 두 가지 이상의 신호를 감지해 공정비용 절감에도 크게 기여할 것으로 기대된다.


 


 2차원 전이금속계 반도체 소재는 3차원 벌크소재와 비교했을 때 더 얇고 투명하게 제조할 수 있기 때문에 가스나 빛 등을 감지하는 센서를 휴대폰이나 웨어러블 기기 등에 활용할 수 있다.




2차원 전이금속계 반도체 소재의 두께는 수 나노미터라면 3차원 벌크 소재는 수십 마이크로미터 두께로 크게 차이가 남.



 


 현재 세계 센서 시장의 규모는 2014년 155억 달러이다. 특히 나노와 IT기술의 급속발전으로 유비쿼터스 스마트 센서분야에서 성장세가 두드러진다.


 연구팀은 개발된 2차원 반도체 나노소재가 향후 관련 산업의 원천소재기술로 활용되어 큰 상업적 파급효과를 가져다 줄 것으로 예상하고 있다. 또 기존 실리콘 소재를 대체해 미래 반도체 산업의 핵심소재로서 응용될 가능성도 있다.


 


 이번 연구 성과는 네이처의 ‘사이언티픽 리포트(Scientific Reports)’와 미국화학회에서 발행되는 ‘응용재료 및 계면(ACS Applied Materials & Interfaces)’저널에 연속으로 소개됐다.




1. Cho et al., “Charge-transfer-based Gas Sensing Using Atomic-layer MoS2Scientific Reports, 5, 8052 (2015)


2. Cho et al., "Bifuntional Sensing Characteristics of Chemical Vapor Deposition Synthesized Atomic-Layered MoS2" ACS Applied Materials & Interfaces, 7, 2952 (2015)


 


 연구를 주도한 조병진 박사는 “그래핀 소재의 물성 한계를 극복하기 위해 전 세계적으로 새로운 2차원 반도체소재에 대한 관심이 폭발하고 있는 가운데 2차원 전이금속계 반도체 소재에서의 가스 감지 메커니즘을 분광법을 이용해 최초로 규명하였다는데 학술적 의의가 있다”며 “개발된 기술들은 고성능 2차원 센서 소재를 제조할 수 있는 원천기술로 차세대 웨어러블 전자기기에 사용되는 센서노드 관련 기술 개발에도 응용될 수 있다.”고 말했다.


 


 이번 연구성과는 재료연구소 주요사업 ‘인지니어링 감지소재 기술개발’과 한국연구재단 신진연구자지원사업 ‘2차원 나노박막 MoS2 소재합성과 가스센서 소자화 기술 개발’, ‘2차원 나노재료의 3차원으로의 확장과 차세대 에너지 저장소자 개발’사업의 지원을 받았다.