자가동력 고감도 자외선(UV-C) 감지 센서 개발-용액공정 기반으로 웨어러블 기술과 접목, 옷 자동차 건물외벽 등 응용 기대

자가동력 고감도 자외선(UV-C) 감지 센서 개발-용액공정 기반으로 웨어러블 기술과 접목, 옷 자동차 건물외벽 등 응용 기대

 

등록일 2021.01.04.

 

 

자가동력 고감도 자외선(UV-C) 감지 센서 개발
용액공정 기반으로 웨어러블 기술과 접목, 옷 자동차 건물외벽 등 응용 기대

□ 회전판 중심에 놓인 물방울을 바깥으로 흩어지게 하는 힘, 원심력. 이를 이용해 얇은 박막을 만드는 스핀코팅 방식으로 상온에서 자외선 감지센서를 제조하는 기술이 소개됐다.
○ 피부암이나 백내장을 유발할 수 있는데다 건물이나 자동차 등의 노후화를 가속화시키는 자외선을 실시간으로 모니터링, 보다 안정적인 야외활동과 자외선에 의한 식물생장 및 건물수명과의 상관 관계를 밝힐 데이터를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 박정웅 교수(가천대학교) 연구팀이 자가동력 고감도 자외선(UV-C) 감지센서를 개발했다고 밝혔다.

□ 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 UV-C(파장 280–100 nm) 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 고진공증착공정이 이뤄지는 반면 대기 중 스핀코팅 후 핫플레이트 위 섭씨 100도씨에서 열처리 하면 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 연속측정 후에도 감도가 유지되었다는 설명이다.
○ 최대 200배 빠른 반응속도(광원 On시 46 ms / 광원 Off 시47 ms)도 장점이다. 또한 3주가 지난 후에도 자외선 광 감지능력의 80% 이상 유지되는 안정성을 보였다.

□ 개발된 센서의 단위 셀 면적은 400mm2 (20×20mm)로 연구팀은 향후 대면적 제작과 성능향상을 위한 연구를 지속할 계획이다.
○ 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.

주요내용 설명

<작성 : 가천대학교 박정웅 교수>

논문명
Solution-processed and self-powered photodetector in vertical architecture
저널명
Journal of Materials Chemistry A
키워드
UV-C, Perovskite, Solution process.
DOI
10.1039/D0TA08738F (Accepted Manuscript)
저 자
Thi My Huyen Nguyen (제1저자/가천대학교), Sangmo Kim (김상모/공동저자/가천대학교), Chung Wung Bark (박정웅/교신저자/가천대학교)

1. 연구의 필요성
○ 화석연료에 의존한 에너지 소비는 온난화와 오존층 파괴를 가속화 시키고 있다. 특히 오존층 감소는 태양으로부터 방사되는 자외선이 반사되거나 흡수되지 않고 직접적으로 지구에 도달하면서 예상하지 못한 결과를 낳는다.
○ 태양에서 나오는 특정 파장의 빛인 자외선은 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 모니터링 할 수 있는 광센서 기술이 필요하다.
○ 고감도 감지를 위해서는 광흡수 물질이 넓은 에너지 밴드갭 (> 3.1eV)을 가져야 하고, 결함이 적은 박막형태가 가장 유리하다.
○ 한편 금속 할라이드 페로브스카이트(Meatl Halid perovskite) 물질은 용액 기반의 코팅공정 같은 높은 열처리 없이도 빠르고 간편하게 광흡수성이 높은 박막 형태로 제작할 수 있어 기존 실리콘 반도체를 대체할 수 있는 광에너지 변환 소재로 주목을 받고 있다.
2. 연구내용
○ 금속 할라이드 페로브스카이트가 광에너지를 흡수, 전류를 흘려보내는 원리를 이용하여 자외선을 흡수하여 전류와 전압이 발생하면 빛을 감지하는 고감도 자외선 감지센서를 개발하였다.
○ 이를 위해 널리 쓰이는 투명전극, ITO* 전극이 코팅된 쿼츠** 기판 위에 2단계 (2-step) 스핀 코팅법을 이용하여 페로브스카이트 박막을 제작하였다.
○ 센서의 광흡수층으로 사용된 페로브스카이트 물질(CH3NH3 PbI3 (MA PbI3))은 에너지 밴드갭을 2.3eV ~ 1.1eV로 제어가능하며 고효율 에너지 변환이 가능하다.

3. 연구성과/기대효과
○ 기존 보고된 갈륨산화물 또는 아연산화물 기반의 자외선(UV-C, 274 nm) 센서 대비 감지능력이 약 1,000배 이상 향상되었다. 100회 이상 연속 측정 후에도 감도 감소 없이 최대 200배 이상 빠른 반응속도(광원 On시 46 ms / 광원 Off 시47 ms)를 유지하였다.
○ 또한 유기물 기반임에도 불구하고, 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.

용 어 설 명

<작성 : 가천대학교 박정웅 교수>

1. 자외선 : 일반적으로 자외선은 UVA (400–320 nm), UVB (320–280 nm), 그리고 UVC (280–100 nm)로 구분됨. 적절한 자외선 노출은 인간의 피부에 비타민 D의 합성을 촉진하고 구루병을 치료하거나 예방하는 등 건강에 도움을 주지만, 과도한 노출은 백내장 및 피부암과 같은 질병을 유발할 수 있고, 작물의 생산량과 건축물의 수명에도 영향을 미침.
2. 할라이드 페로브스카이트 : 페로브스카이트라는 명칭은 1839년 러시아의 우랄 산맥에서 발견된 CaTiO3 광물을 연구한 러시아의 광물학자 L. A. Perovski의 이름을 기념하여 지어진 MX6 팔면체가 A로 이루어진 직각 6면체의 꼭짓점을 공유한 ABX3 화학조성을 가진 결정 구조를 가지고 있음. 특히, 금속 할라이드 페로브스카이트는 면심입방구조(face centered cubic, FCC)와 체심입방 구조(body centered cubic, BCC)가 합쳐진 형태이다. X 자리(site)에는 Cl, Br, I 또는 이들의 조합인 할로겐 원소가 위치하여 있고, A 자리에는 유기물 암모늄(RNH3) 양이온이나 1가의 알칼리금속이온이, B 자리에는 Pb, Mn, Cu, Ge, Sn, Ni, Co, Fe, Cr, Pd, Cd, 또는 Yb 와 같은 금속 원소(알칼리 금속, 알칼리 토금속, 전이 금속 등)가 위치한다. 특히, 할로겐 음이온의 종류와 성분에 따라 에너지 밴드갭(band gap)이 조절할 수 있어 태양광 흡수 한계 파장을 타 반도체 재료에 비해 자유롭게 변화시킬 수 있는 장점이 있다. 에너지 밴드갭을 2.3 eV에서 1.4 eV까지 조절하여 태양빛의 흡수영역을 선택할 수 있다.
3. 스핀코팅 : 기판 위에 용액을 떨어트린 후 회전 시켜서 액체를 원심력을 이용하여 밀려나게 하여 표면에 액체를 코팅하는 방법
4. ITO 전극 : 대표적인 투명 전도성 산화물로 가시광선 영역에서 80 % 이상의 광투과율을 가지면서도 10-3 ohm-cm이하의 낮은 비저항값을 가지 물질을 말함. In2O3 (90 wt%)에 SnO2 (10 wt%)을 첨가하여 만들고, Indium Tin Oxide (ITO) 이라고 통칭하여 발하고 있음. 현재까지 뛰어난 투명전극재료서 디스플레이, 태양전지, 센서, 반도체 등에 가장 널리 사용되고 있음.
5. 쿼츠 기판 : 보통 석영 유리라고 함. 순수한 산화규소 (SiO2)로 구성되어 있으며, 전기적 저항도가 10-16 Ω-cm이하로 보통의 소다석회 유리(Soda-lime) 유리 (10-12 Ω-cm)보다 낮다. 굴절률은 1.42로 자외선 흡수단이 약 160nm로 투과율이 좋아서 자외선 투과융 소재로 사용되고 있음.

그림 설명

 

(그림1) 고감도 자외선 (UV-C) 구조 및 동작 원리
본 연구팀이 개발한 고감도 자외선 (UV-C) 제작 구조 및 원리를 나타내었다. 그림(a)는 센서의 구조의 단면도를 간략히 나타내었다. 2단계 용액공정 (스핀코팅)을 이용하여 페로스카이트 물질(FAPBI3)0.97(MaPBI3)0.03)을 ITO/쿼츠 기판위에 형성하고 Spiro-OMetTAD (hole transport layer, 홀수송층)를 코팅 후에 금속 전극(Au)를 형성하면 센서 제작이 완료됨. 그림(b)는 센서의 동작 원리를 나타낸 것으로 빛을 흡수하면 광자가 발생하고 전자와 정공이 각각 전극쪽으로 이동하여 전기 발생하는 태양전지의 발전 원리와 유사하다.
출처 : 가천대학교 교수 박정웅

 

 

(그림2) 제작된 자외선 (UV-C) 자외선 센서의 감도, 신뢰성, 안정성 평가 결과
본 연구팀이 제작한 자외선 감지센서의 특성평가를 나타낸 것이다. 그림(a)와 (b)를 자외선이 방사된 후 센서에의 감지능력을 나타낸 것으로 자외 광원이 On 된 후 0.774mW/cm2의 능력을 가지고 있음을 확인하였다. 또한 100회 이상 반복 자외선 감지 후 감지 능력은 유지되면서도 반응 속도가 46 ms (On시)/ 47 nm (off시)의 빠른 반응속도도 유지됨을 확인하였음. 그림 (c)와 (d)는 자외선 감지 센서 제작후 안정성르 평가한 결과이다. 센서 제작 3주 후 센서의 성능을 확인결과 유기물 기반 디바이스임에도 80% 이상의 감지 능력이 유지됨을 확인함.
출처 : 가천대학교 교수 박정웅

연구 이야기

<작성 : 가천대학교 박정웅 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

대학교 전기공학과에서 학생들에게 센서공학을 강의하면서 이 분야에 대한 연구와 필요성을 절실하게 체감하게 되었습니다. 특히 자외선은 매우 위험하지만, 평소 주변에서 쉽게 발생하지 않아서 우리가 간과하고 넘어갈 수 있어서 매우 안타깝게 생각하고 있었습니다.
또한 전기공학측면에서 각종 전기기 사용의 급증으로 15.4K이상의 고압선로 설치가 급증하고 있습니다. 이때 배전설비내에서 고압 이상 전력설비의 아크방전, 단락, 지락 등의 사고는 항복전압에 도달한 절연상태가 붕괴되어 발생하며, 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 시작하였습니다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

현재 연구팀은 다양한 복합산화물질들을 합성하고, 이를 활용하여 에너지 밴드갭을 제어하여 광흡수능력을 개선을 통해서 광에너지 변환 기술 관련 연구를 꾸준하게 진행했습니다. 최근에는 페로브스카이트 물질과의 본 연구실에서 합성한 물질과의 컬레버레이션를 통해서 에너지 밴드갭을 제어하여 선택적 광흡수가 가능함을 발견하였습니다. 특히, 자외선 흡수 영역에서 뛰어난 흡수능력을 가지는 고감도 자가발전 고감도 자외선 감지 센서를 제작하게 되었습니다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

고효율 페로브스카이트 태양전지 개발 경험과 노하우를 가지고 있었지만, 용액 공정 기반의 자외선 센서 개발은 처음이라서 공정을 안정화 시키고 구현하는데 많은 실패를 경험하였습니다. 또한 인위적 자외선 발생은 매우 제한적이고 센서 규격이 명확하게 정해져 있지 않아서 이를 해결하고 검증을 받는데 오랜 시간을 걸렸습니다. 하지만, 본 연구원들이 국내외 전문회사 및 우수 연구팀을 벤치마킹하고 검증 자료를 수집한 결과 자외선 감지 센서를 제작할 수 있었습니다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

본 연구팀이 개발한 광센서는 스핀코팅이라는 용액공정을 이용하여 빠르고 쉽게 자외선 센서를 제작할 수 있음. 또한 태양광 발전 원리를 이용하기 때문에 자외선 감지 후 별도의 증폭 작용 없이도 자체적으로 감지가 가능하여 구조가 매우 간단합니다. 또한 기존 보고된 광센서보다 1,000배 높은 감지 능력 및 200배 빠른 반응속도와 안정성을 가지고 있습니다.

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

본 연구팀이 개발한 자외선 센서는 용액공정을 기반으로 제작되기 때문에 웨어러블 기술과 접목하여 입는 옷, 자동차, 건물외벽 등 장소에 제한받지 않고 설치가 가능합니다. 또한 별도의 전원이 필요없고 자체 발전이 가능하기 때문에 반영구적으로 사용이 가능합니다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

현재 용액공정기반의 제작공정은 균일한 코팅을 통한 대면적화가 어려운 것으로 알려져 있습니다. 따라서 이후 연구는 공정 개선과 다양한 방법을 개발하여 대면적화를 구현하고, 현재 연구팀이 개발한 센서의 기존 감도 성능을 높이고 안정성을 높여서 영구적으로 사용할 수 있는 센서를 개발할 계획입니다. 또한 선택적인 광흡수 능력을 높여서 기존의 UV-C 이에도 다양한 영역대의 태양광을 감지할 수 있는 능력을 가지는 광센서를 개발할 계획입니다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

기판의 표면처리를 위해서 사용한 오존램프(UV-C)에 실수로 유리 기판과 페로브스카이트가 코팅된 샘플을 동시에 넣었습니다. 그런데 처리 후 샘플을 꺼내서 확인결과, 기판에 코팅된 페로브스카이트가 그래도 남아있음을 확인하였습니다. 일반적으로 UV-C에 의해서 유기물은 분해되어 사라지는데, 본 연구팀이 제작한 페로브스카이트는 원상태로 남아있음을 확인하여 그 이유를 조사하는 과정에서 센서의 적용가능성을 확인하는 계기가 되었습니다.