자외선 센서 활용 - jaoeseon senseo hwal-yong

[기계신문] 화석연료에 의존한 에너지 소비는 온난화와 오존층 파괴를 가속화시키고 있다. 특히 오존층 감소는 태양으로부터 방사되는 자외선이 반사되거나 흡수되지 않고 직접적으로 지구에 도달하면서 예상하지 못한 결과를 낳는다.

태양에서 나오는 특정 파장의 빛인 자외선(UV-C)은 인간에게는 비타민 D 합성을 촉진시켜 구루병을 예방하는 효과가 있고, 식물 성장을 촉진하여 곡물의 생산량을 증가시킬 수 있다.

하지만 과도한 자외선 노출은 피부암 및 백내장을 일으키고, 피부 노화를 촉진시킨다. 생명체의 유전정보를 파괴하고, 건축물의 수명을 감소시킬 수 있다. 따라서 이를 실시간으로 모니터링할 수 있는 광센서 기술이 필요하다.

그런데 최근 회전판 중심에 놓인 물방울을 바깥으로 흩어지게 하는 힘 ‘원심력’을 이용해 얇은 박막을 만드는 스핀코팅 방식으로 상온에서 자외선 감지센서를 제조하는 기술이 소개됐다. 가천대학교 IT융합대학 전기공학과 박정웅 교수 연구팀이 자가동력 고감도 자외선 감지센서를 개발했다.

산화물세라믹(ZnO, TiO2 등)이나 실리콘 등을 소재로 한 기존 자외선 센서는 고온에서 진공증착 공정을 통해 얇은 박막을 코팅해야 한다. 또 대기 중 노출시 산화 및 열적 파괴에 따른 보호막이 필요하다. 또한 자외선 가운데 주로 강력한 살균 효과 및 세포 파괴에 관여한다고 알려진 자외선 검출센서 연구는 상대적으로 많이 이뤄지지 않았다.

연구팀은 태양전지에서 빛을 흡수해 에너지로 변환하는데 사용되는 페로브스카이트를 이용했다. 자외선을 흡수하면 발생하는 전류를 감지하는 것이다.

기존 센서의 감도가 낮아 증폭을 위해 외부전원이 필요했다면 연구팀이 만든 센서는 외부전원 없이 자외선을 광원으로 내부 에서 발생된 전류만으로도 구동할 수 있다는 것이 특징이다.

사용된 할라이드 페로브스카이트 용액을 기판 위에 떨어트린 후 회전시켜 원심력으로 액체를 밀려나게 해서 실온에서 표면을 코팅하는 데 성공했다.

기존 센서를 제작하는 고진공 증착공정이 이뤄지는 반면, 대기 중 스핀코팅 후 핫플레이트 위 섭씨 100℃에서 열처리하면 간단히 이뤄진다. 또한 제작 공정조건을 개선하고 휘어지면서도 투명한 플라스틱 기판을 사용하면 웨어러블 디바이스 기술과도 접목이 가능하다.

만들어진 센서는 기존 산화물 기반의 UV-C 센서 대비 감도가 약 1,000배 이상 향상되었고 100회 이상 연속 측정 후에도 감도가 유지되었다는 설명이다.

최대 200배 빠른 반응속도(광원 On 시 46ms, 광원 Off 시 47ms)도 장점이다. 또한 3주가 지난 후에도 자외선 광 감지능력의 80% 이상 유지되는 안정성을 보였다.

특히 상온에서 용액 공정만으로 제작할 수 있다는 것도 장점이다. 비교적 낮은 온도에서 제작하기에 유연기판을 사용하는 웨어러블 디바이스에 적용할 수 있고, 태양광을 이용하기 때문에 자체 전력 생산 및 센서 기능을 동시에 수행할 수 있는 복합 에너지변환 소자로 응용이 가능할 것으로 기대된다.

박정웅 교수는 “개발된 광센서는 태양광 발전 원리를 이용하기 때문에 자외선 감지 후 별도의 증폭 작용 없이도 자체적으로 감지가 가능하여 구조가 매우 간단하다”며 “센서의 단위 셀 면적은 400㎟로 연구팀은 향후 대면적 제작과 성능향상을 위한 연구를 지속할 계획”이라고 밝혔다.

한편, 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 기본연구사업 및 가천대학교 GL융합연구인프라구축과제 등의 지원으로 수행된 이번 연구는 영국왕립화학회 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)’에 12월 8일 게재되었다.

기계신문, 기계산업 뉴스채널

한음표 기자 [email protected]

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  30일 한국연구재단 박정웅 교수(가천대학교) 연구팀은 태양전지 기술을 활용해 자가동력으로 동작하면서 스핀코팅기술을 적용해 개발 비용도 낮춘 고감도 자외선(UV-C) 감지센서를 개발했다고 밝혔다.

  연구팀에 따르면 만들어진 센서는 기존 산화물 기반의 UV-C 센서 대비 감도가 약 1000배 이상 향상됐고 100회 이상 연속측정 후에도 감도가 유지된다.

  또 제작 공정조건을 개선하고 휘어지면서도 투명한 플라스틱 기판을 사용하면 웨어러블 디바이스 기술과도 접목이 가능할 것으로 기대되고 있다.

  다음은 연구를 주도한 가천대 박정웅 교수와의 일문일답이다.

  연구를 시작한 배경은?

  “대학교 전기공학과에서 학생들에게 센서공학을 강의하면서 이 분야에 대한 연구와 필요성을 절실하게 체감하게 됐다.

  특히 자외선은 매우 위험하지만 평소 주변에서 쉽게 발생하지 않아서 우리가 간과하고 넘어갈 수 있어서 매우 안타깝게 생각하고 있었다.

  또 전기공학측면에서 각종 전기기 사용의 급증으로 15.4K 이상의 고압선로 설치가 급증하고 있는데 이때 배전설비내에서 고압 이상 전력설비의 아크방전, 단락, 지락 등의 사고는 항복전압에 도달한 절연상태가 붕괴돼 발생해 갑작스런 기계적 물리적 원인에 의한 사고 이외 제품결함 및 시공불량, 환경조건 등의 영향에 의한 점진적인 절연파괴는 공기 중의 임계전압이 초과하는 시점의 부분 방전현상이 발생시에 사고 예방 및 점검이 어려움을 극복하고자 연구를 시작했다“

  개발 중 특별한 에피소드가 있다 들었는데

  ”기판의 표면처리를 위해서 사용한 오존램프(UV-C)에 실수로 유리 기판과 페로브스카이트가 코팅된 샘플을 동시에 넣었다.

  처리 후 샘플을 꺼내서 확인해보니 기판에 코팅된 페로브스카이트가 그래도 남아있음을 확인했다. 일반적으로 UV-C에 의해서 유기물은 분해돼 사라지는데 본 연구팀이 제작한 페로브스카이트는 원상태로 남아있음을 확인했고 그 이유를 조사하는 과정에서 센서의 적용가능성을 확인하는 계기가 됐다“

  
  고전압 UV 발생장치 및 센서(좌)와 센서의 구성 단면도(우)

  연구 전개 과정 대해 설명 부탁드린다

  “현재 연구팀은 다양한 복합산화물질들을 합성하고 이를 활용해 에너지 밴드갭을 제어해 광흡수능력을 개선을 통해서 광에너지 변환 기술 관련 연구를 꾸준하게 진행했다.

  최근 페로브스카이트 물질과의 본 연구실에서 합성한 물질과의 컬레버레이션를 통해서 에너지 밴드갭을 제어해 선택적 광흡수가 가능함을 발견했고 특히 자외선 흡수영역에서 뛰어난 흡수능력을 가지는 고감도 자가발전 고감도 자외선 감지 센서를 제작하게 됐다”

  연구 중 장애요소는 무엇이었고, 어떻게 극복했나?

  “고효율 페로브스카이트 태양전지 개발 경험과 노하우를 가지고 있었지만 용액 공정 기반의 자외선 센서 개발은 처음이라서 공정을 안정화시키고 구현하는데 많은 실패를 경험했다.

  또 인위적 자외선 발생은 매우 제한적이고 센서 규격이 명확하게 정해져 있지 않아 이를 해결하고 검증을 받는데 오랜 시간을 걸렸다. 하지만 본 연구원들이 국내외 전문회사 및 우수 연구팀을 벤치마킹하고 검증 자료를 수집한 결과 자외선 감지 센서를 제작할 수 있었다”

  
  박정웅 교수.

  이번 성과, 무엇이 다른가?

  “본 연구팀이 개발한 광센서는 스핀코팅이라는 용액공정을 이용해 빠르고 쉽게 자외선 센서를 제작할 수 있다.

  또한 태양광 발전 원리를 이용하기 때문에 자외선 감지 후 별도의 증폭 작용 없이도 자체적으로 감지가 가능해 구조가 매우 간단하다.

  또 기존 보고된 광센서보다 1000배 높은 감지능력 및 200배 빠른 반응속도와 안정성을 가지고 있다”

  실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

  “본 연구팀이 개발한 자외선 센서는 용액공정을 기반으로 제작돼 웨어러블 기술과 접목해서 입는 옷, 자동차, 건물외벽 등 장소에 제한받지 않고 설치가 가능하다.

  또한 별도의 전원이 필요없고 자체 발전이 가능하기 때문에 반영구적인 사용이 가능하다” 

  후속 연구계획은?

  “현재 용액공정기반의 제작공정은 균일한 코팅을 통한 대면적화가 어려운 것으로 알려져 있다는데 이후 연구는 공정개선과 다양한 방법을 개발해 대면적화를 구현하고 현재 연구팀이 개발한 센서의 기존 감도 성능을 높혀 영구적으로 사용할 수 있는 센서를 개발할 계획이다.

  또 선택적인 광흡수 능력을 높여서 기존의 UV-C 이에도 다양한 영역대의 태양광을 감지할 수 있는 능력을 가지는 광센서를 개발할 계획이다"

  한편 이번 연구는 해외 저널인 영국왕립화학회 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)’ 12월8일 자에 게재됐다. (논문명: Solution-processed and self-powered photodetector in vertical architecture)