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배터리 필요 없고 더 민감한 자외선 센서 나왔다

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배터리 필요 없고 더 민감한 자외선 센서 나왔다

2020.12.30 15:12
한국연구재단 제공
연구의 교신저자 박정웅 가천대 전기공학과 교수. 한국연구재단 제공

외부에서 전기를 공급받지 않아도 자외선을 기존 센서보다 1000배 이상 민감하게 감지하는 센서가 개발됐다.

 

박정웅 가천대 전기공학과 교수 연구팀은 자외선에 분해되지 않고 흡수한 자외선을 전류로 바꾸는 금속 할라이드 페로브스카이트를 이용해 감도가 향상되고 외부 전력이 필요 없는 자외선 감지센서를 제작하는 기술을 개발했다고 이달 30일 밝혔다.

 

자외선은 피부에서 비타민D의 합성을 촉진하는 등 건강에 도움을 준다. 하지만 자외선에 지나치게 노출되면 피부암이나 백내장 같은 질병을 일으키고 작물 생산량이나 건축물 수명도 줄어든다. 자외선 노출량을 실시간으로 감시하는 자외선 감지센서는 산화물세라믹이나 실리콘을 주로 쓴다. 고온에서 진공증착 공정을 거쳐 얇은 박막을 만들어야 센서로 활용 가능하다. 산화나 열에 망가지는 것을 막기 위한 보호막도 필요한데 막이 센서 감도를 떨어트리는 문제가 있다. 센서 유지에 외부 전력이 필요한 것도 단점이다.

 

연구팀은 태양전지 소재로 쓰이는 페로브스카이트 물질을 센서에 이용했다. 자외선을 흡수하면 발생하는 전류를 감지하는 방식으로 외부 전류 없이 자외선을 측정할 수 있다. 연구팀은 자외선에 강한 금속 할라이드 페로브스카이트를 찾아내 보호막도 없앴다. 박 교수는 “유기물은 보통 자외선에 분해돼 사라지는데 실수로 오존 램프에 넣어둔 유리 기판에 코팅돼있던 금속 할라이드 페로브스카이트가 그대로 남아있는 것을 발견했다”며 “이 내구성을 센서에 응용했다”고 말했다.

 

한국연구재단 제공
(a)는 센서의 층을 나타낸다. 쿼츠(파란색) 기판에 금속 할라이드 페로브스카이트(검은색)이 코팅된다. (b)는 센서의 동작 원리를 나타낸다. 금속 할라이드 페로브스카이트(검은색)가 자외선을 흡수해 발생한 광자에서 전자와 정공이 양쪽의 전극으로 이동해 전기가 발생한다. 한국연구재단 제공

연구팀은 금속 할라이드 페로브스카이트 용액을 올린 기판을 회전시켜서 원심력으로 액체를 얇게 퍼트리는 방식으로 실온에서 표면에 코팅하는 기술을 개발했다. 이후 100도에서 열처리만 하면 진공 처리 없이도 센서를 만들 수 있다. 연구팀은 이를 통해 가로세로 20mm의 자외선 센서를 만들었다.

 

이렇게 제작된 센서는 보호막이 사라지면서 기존 산화물 기반 자외선 감지센서보다 성능이 좋아졌다. 감도는 약 1000배 늘었고 반응속도도 46밀리초(ms, 1000분의 1초)로 기존보다 200배까지 빨라졌다. 100회 넘게 연속으로 자외선을 측정해도 감도가 유지됐다. 연구팀은 "3주가 지난 후에도 감지 능력의 80%가 유지돼 안정성을 입증했다"고 설명했다.

 

박 교수는 “용액공정을 기반으로 제작되기 때문에 웨어러블 기술과 접목해 입는 옷, 자동차, 건물외벽 등 장소에 제한받지 않고 설치가 가능하다"며 "또한 별도의 전원이 필요없고 자체 발전이 가능하기 때문에 반영구적으로 사용이 가능하다”고 말했다. 이 연구는 국제학술지 ‘재료화학 저널 A’에 이달 8일 게재됐다.

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