한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)이 초저전력에서 구동하며 정확도 높은 가스센서 '전자 코'를 개발했다. 5가지 가스를 99.3% 정확도로 실시간 판별하고 농도 예측 오차는 13.8%다. 소모전력은 기존 100분의 1 수준이다.
KAIST는 박인규·윤국진 기계공학과 교수와 조용훈 물리학과 교수팀이 '초저전력, 상온 동작이 가능한 광원 일체형 마이크로 LED 가스센서 기반 전자 코 시스템'을 개발했다고 14일 밝혔다.
우선 마이크로미터(㎛) 크기 초소형 발광다이오드(LED)를 집적한 광원 일체형 가스센서를 제작했다.
기존 반도체식 가스센서는 민감도와 응답속도 등 장점이 많지만 히터를 집적해 에너지를 공급하는 '줄 히팅' 방식이어서 소모전력이 높다. 특정 가스에 반응하는 선택성도 낮다.
연구팀은 ㎛ 크기 LED 위에 산화인듐(In₂O₃) 금속산화물을 집적한 광활성 방식 가스 센서를 개발했다. 광원과 감지 소재 사이 거리를 최소화한 광원 일체형 센서 구조로 광 손실을 줄여 마이크로와트(㎼) 수준 초저전력 가스 감지를 실현했다.
또 금속산화물 표면에 금속 나노입자를 코팅해 목표 가스와 산화·환원 반응을 촉진하는 '국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)' 현상을 일으켰다. 센서 응답도를 향상시켰다.
연구팀은 이어 센서에 서로 다른 감지 소재를 집적해 센서 어레이를 제작하고 합성곱 신경망(CNN) 딥러닝 알고리즘을 적용해 목표 가스가 만들어내는 고유한 응답패턴(저항변화)을 포착할 수 있게 했다.
총 소모전력 0.38밀리와트(㎽) 초저전력으로 일반 공기, 이산화질소, 에탄올, 아세톤, 메탄올을 실시간 선택 판별할 수 있다. 어디서든 배터리 기반으로 장시간 동작하는 모바일 가스센서로 활용 가능하다.
박인규 교수는 “대기오염 모니터링, 음식물 부패 관리 모니터링, 헬스케어 등 다양한 분야에 응용하는 기반 기술이 될 것”이라고 말했다.
이기철 KAIST 기계공학과 박사과정이 제1저자로 참여하고, 한국연구재단 지원으로 수행한 이번 연구결과는 'ACS 나노' 1월 10일자에 게재됐다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
