모바일 기기 탑재 가능한 고성능 수소센서 개발

박인규 KAIST기계공학과 교수와 정연식 KAIST 신소재공학과 교수 등 공동 연구진이 폴리스티렌 구슬의 자기 조립 현상을 이용해 고성능의 실리콘 기반 수소센서를 개발했다. 개발한 수소 센서는 제작 과정이 단순하고 비용이 저렴해 모바일 기기에 탑재할 수 있어 전력 소모에 어려움을 겪는 모바일 분야에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
청정에너지인 수소 가스는 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 현재도 냉각 시스템이나 석유 정제시설 등 다양한 산업분야에서 활용되고 있지만 무색, 무취의 가연성 물질이기 때문에 조기 발견이 어려워 고성능 수소 센서를 개발하는 것이 중요하다. 그러나 기존 수소 센서들은 부피가 크고 소모 전력이 높으며 제작비용이 상대적으로 높은 단점이 있다.
연구진은 수백 나노미터 (nm·1nm는 10억분의 1m) 직경의 폴리스틸렌 구슬들을 자기조립 현상을 이용해 규칙적으로 실리콘 기판 위에 배열시켰다. 이를 이용해 수십 나노미터 수준의 그물 모양 패턴을 구현해 초소형 고성능 수소 센서를 개발했다. 이 기술은 수소가스가 센서에 노출되면 팔라듐 나노입자와 반응해 팔라듐의 '일함수(work function)'가 변화하고 그에 따라 실리콘 나노 그물 내 전자의 공핍 영역의 크기가 변화하면서 전기 저항이 바뀌는 원리이다. 연구진은 "개발한 수소 센서는 최소 선폭 50nm 이하의 실리콘 나노 그물 구조 센서를 저비용으로 구현할 수 있다"고 설명했다. 일반적으로 수소 센서의 성능은 민감도, 반응속도, 선택성 등에 따라 구분된다. 연구진의 센서는 0.1%의 수소 농도에서 10%의 민감도와 5초의 반응속도를 기록해 기존 실리콘 기반 수소 센서보다 50% 이상 빠르고 10배 이상 높은 민감도를 보였다.
박인규 교수는 "기존의 값비싸고 복잡한 공정을 거치지 않고도, 단순한 방법으로 초미세 나노패턴 구현이 가능하며, 수소센서 뿐만 아니라 다양한 화학, 바이오센서에도 응용이 가능할 것이다"고 말했다. 연구결과는 국제학술지 '스몰' 3월 8일자 표지논문으로 선정됐다.
[원호섭 기자]