고감도 자외선 (UV-C) 구조 및 동작 원리
회전판 중심에 놓인 물방울을 바깥으로 흩어지게 하는 힘인 원심력을 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.
한국연구재단은 가천대학교 박정웅 교수연구팀이 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㎚) 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 100℃에서 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 향상됐고 100회 이상 연속측정 후에도 감도가 유지되었다는 설명이다. 최대 200배 빠른 반응속도(광원 On 시 46㎳/광원 Off 시 47㎳)도 장점이다. 또한 3주가 지난 후에도 자외선 광 감지능력의 80% 이상 유지되는 안정성을 보였다.
개발된 센서의 단위 셀 면적은 400㎟(20×20㎜)로 연구팀은 향후 대면적 제작과 성능향상을 위한 연구를 지속할 계획이다.
제작된 자외선 (UV-C) 자외선 센서의 감도, 신뢰성, 안정성 평가 결과
★연구이야기★
Q. 연구를 시작한 계기나 배경은?
A. 전기공학측면에서 15.4K 이상의 고압선로 설치가 급증하고 있다. 이때 배전설비 내에서 고압 이상 전력설비의 아크방전, 단락, 지락 등의 사고는 항복전압에 도달한 절연상태가 붕괴돼 발생하며, 갑작스런 기계적 물리적 원인에 의한 사고 이외 제품결함 및 시공불량, 환경조건 등의 영향에 의한 점진적인 절연파괴는 공기 중의 임계전압이 초과하는 시점에서의 부분 방전현상으로 사고 예방 및 점검이 어려움을 극복하고자 연구를 시작했다.
Q. 실용화를 위한 과제는?
A. 본 연구팀이 개발한 자외선 센서는 용액공정을 기반으로 제작되기 때문에 웨어러블 기술과 접목하여 입는 옷, 자동차, 건물외벽 등 장소에 제한받지 않고 설치가 가능하며 별도의 전원이 필요없고 자체 발전이 가능하기 때문에 반영구적으로 사용이 가능하다.
Q. 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?
A. 현재 용액공정기반의 제작공정은 균일한 코팅을 통한 대면적화가 어려운 것으로 알려져 있다. 따라서 이후 연구는 공정 개선과 다양한 방법을 개발해 대면적화를 구현하고, 현재 연구팀이 개발한 센서의 기존 감도 성능을 높이고 안정성을 높여서 영구적으로 사용할 수 있는 센서를 개발할 계획이다.
