한국나노기술원(원장 이윤덕) 박경호 박사 연구팀은 수행 중인 선행공정플랫폼기술연구개발사업을 통해 질화갈륨(GaN)계 화합물반도체 기반의 센서공정플랫폼을 구축하고, 이를 기반으로 폴리머 기반 PMGI(polydimethylglutarimide) 수분 방지층 형성을 이용한 수소 센서와 스트레스 관련 호르몬인 코티솔(cortisol)을 감지하는 바이오 센서의 성능 향상 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.

청정 에너지인 수소가스는 차세대 에너지원으로써 다양한 산업 분야에 활용되고 있지만 수소는 무색‧무취의 가연성 물질이기 때문에 미리 발견하는 것이 힘들어 고성능 수소 센서를 개발하는 것이 무엇보다 중요하다. 이에 한국나노기술원은 단국대학교 장수환 교수 연구팀과 공동으로 백금 나노구조체를 감지물질로 형성시킨 질화갈륨계 화합물반도체 기반 수소센서의 성능을 개선하기 위한 수분 방지층인 PMGI 형성 기술을 개발하였다. 

이 기술의 원리는 질화갈륨 기반 수소센서의 감지부인 백금 나노입자 상부에 PMGI 수분 보호막을 형성시켜 외부의 수분 침투에 의한 센서의 감도 및 신뢰성 저하 현상을 방지하여 수소센서의 성능을 개선하게 하는 것이다. 기존의 실리콘 기반 수소센서와는 달리 화합물반도체 기반 수소센서는 화합물반도체가 가지는 우수한 물성에 의해 극한의 외부환경 속에서도 센서의 성능 저하 없이 우수한 신뢰성과 고감도 특성을 보이는 장점을 가지고 있다. 

이번 기술 개발을 통해 화합물반도체 기반 수소 센서의 성능 개선과 더불어 센서의 감지 성능에 큰 영향을 끼치는 대표적인 외부환경 요소인 수분에 대한 저항성 및 센서의 신뢰성 향상에 큰 도움을 줄 것으로 기대된다. 이는 향후 수소차나 수소 충전소의 저장용기 등 핵심부품 개발에도 활용되어 국내 수소경제 활성화에 큰 도움이 될 것으로 예상된다. 아울러 이번 연구성과는 국제 학술지 ‘Sensors and Actuators B: Chemical 저널’ 4월 30일자에도 게재되었다. 

또한 올해 4월 1일자 Biosensors & Bioeletronics 저널에는 명지대학교 이현호 교수팀과 공동연구를 통해 최근 사회적으로 이슈가 되고 있는 스트레스 관련 호르몬인 코티솔(cortisol)을 감지하는 센서를 개발한 연구 결과가 게재되었다. 이번에 개발된 연구 결과는 세계 최초로 AlGaN/GaN HEMT(High-electron-mobility transistor) 기반 소자에 감지물질을 형성시켜 다양한 농도를 가지는 코티솔 분자들의 감지에 성공하였고, 추가로 외부에서 가해지는 광에너지를 통해 센서의 감도 개선이 가능함을 실험적으로 검증하였다. 현재 해당 바이오센서의 성능 개선을 위한 후속 연구도 진행 중이며 이러한 코티솔 감지 센서 개발은 IoT 시스템과 연동되어 최근 급증하고 있는 분노조절장애 범죄예방 등 정신건강 증진 및 사회 안전에 크게 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 과학기술정보통신부가 출연하고 한국연구재단이 지원하는 선행공정플랫폼기술연구개발사업의 일환으로 한국나노기술원은 지난 2015년부터 질화갈륨(GaN)계 화합물반도체 기반 센서공정플랫폼 구축을 위한 다양한 연구 및 지재권 확보를 진행해오고 있다. 현재까지 11건의 국내 특허와 2건의 국제 특허(미국, 유럽) 등록을 완료한 바 있으며, 산·학·연 20개 이상의 기관에 센서 소자 및 웨이퍼 제작관련 공정지원을 활발히 진행 중이다.

이윤덕 원장은 “한국나노기술원에서 개발하고 있는 화합물반도체 기반 고감도 센서공정플랫폼 및 제조 관련 기술들을 수소센서 외에도 화학 및 바이오센서 등 센서 산업 전반과 다양한 응용분야에 적용 가능한 기술로 발전시켜 나갈 계획”이라고 말했다. 또한 본 사업의 총괄 연구책임자인 박경호 박사는 “극한 환경에서도 안정적인 물성을 가지는 화합물반도체 기반의 센서는 다양한 외부환경에서 높은 신뢰성을 유지해야 하는 센서 성능 문제를 해결할 수 있는 최첨단 기술로 경제적, 산업적 측면에서 큰 파급효과를 불러일으킬 것으로 예측된다”며 “앞으로도 산·학·연 다수의 기관에 플랫폼 공급을 계속해서 진행할 계획”이라고 밝혔다.

김범규 기자 다른기사 보기