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학술

인공후각용 고신뢰성 가스센서 설계 기술 개발

‘Advanced Functional Materials’ 11월 12일자 게재

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인공후각 설계에 범용적 활용이 가능한 가스센서 설계 기술 개발
향후 인공후각의 고도화에 기여할 것으로 전망




인공후각은 사람 및 동물의 후각을 모방한 것으로 냄새나 화학물질에 다른 감응 특성을 보이는 가스 센서의 배열과 이들 센서들이 나타내는 감응 패턴의 인식으로 크게 나뉜다. 

최근 컴퓨터의 연산속도, 기계학습 능력 등의 급속한 발전으로 인공후각의 계산 및 학습 능력은 충분해졌지만, 무수히 많은 냄새, 향기, 유해 화학물질 등에 대해 다양한 감응 패턴을 나타내는 가스 감응 센서 설계 기술이 부족한 상태다. 

특히, 기존의 산화물 반도체형 가스센서로 구성된 인공후각은 외부 습기의 변화에 따라 측정 결과가 크게 달라져 상용화가 어렵다는 문제가 있었다.

 
* 산화물 반도체형 가스센서(Oxide semiconductor gas sensors) : 산화물 기반의 반도체(SnO2, ZnO, In2O3, Co3O4 등)가 환원성 및 산화성 가스와 반응하여 저항의 변화를 나타내는 소자. 감도가 우수하고 소형화에 유리하여 센서 배열을 이용해 인공후각을 구현하는 데 효과적임. 


고려대학교(총장 정진택) 신소재공학부 이종흔 교수팀은 산화물 반도체형 가스 센서 특유의 감응 패턴을 유지하면서도, 감지 신호의 습도 의존성을 없애는 새로운 인공후각용 센서 설계 기술을 제안했다.




연구진은 산화물 반도체 가스 감응막에 수분 차단을 위한 산화터븀(Tb4O7)층을 코팅해 이중층 구조로 만들면, 가스 감응층 내부로 수분 침투는 억제하고 피검가스만 통과시켜 감도, 선택성, 센서 저항 등 센서 본래의 감응 특성을 변화시키지 않고도 수분에 대한 의존성을 제거할 있다는 사실을 밝혀냈다.

또한, 수분 차단 효과가 있는 산화터븀막 코팅은 다양한 감응물질(산화인듐, 산화아연, 산화주석, 팔라듐첨가 산화주석)의 센서에 적용 가능하므로, 센서 및 인공후각의 안정성과 정확성을 근본적으로 향상시키는 범용적인 방법으로 활용 가능하다. 




이종흔 고려대 교수는 “제4차 산업혁명에서 인공후각의 발전은 매우 중요한 기술적 과제이고, 인공후각의 고도화를 위해서는 고신뢰성의 감응소재를 설계하는 것이 관건이다. 그 동안 특정 센서의 습도 의존성을 줄이는 연구는 일부 진행된 바 있지만, 가스 센서 전반의 신뢰성을 높이는 일반적인 해법은 본 연구를 통해서 처음으로 제안된 것이며, 추후 공기질 모니터링, 모바일 헬스케어, 식품의 신선도 관리 분야의 다양한 인공후각에 적용되어 인간의 삶을 더 편리하게 할 것이다”고 말했다.

이번 연구는 제1저자인 정성용 박사과정(고려대 신소재공학과)의 주도하에 진행이 되었으며, 강윤찬 교수(고려대 신소재공학과)가 공저자로 참여했다.




* 저자 정보: 정성용(제 1저자, 고려대 박사과정), 문영국(공동저자, 고려대 박사과정), 김진구(공동저자, 고려대 박사과정), 박세웅(공동저자, 고려대 박사과정), 조용건(공동저자, 고려대 석사과정), 강윤찬(공동저자, 고려대 신소재공학부 교수), 이종흔(교신저자, 고려대 신소재공학부 교수)

이번 연구 결과는 재료과학 분야 세계적 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈 (Advanced Functional Materials)’ 11월 12일자에 게재됐으며, 삼성전자의 삼성미래기술육성사업 과제(SRFC-TA1803-04)의 지원으로 진행됐다.
 
* 논문명: A General Solution to Mitigate Water Poisoning of Oxide Chemiresistors: Bilayer Sensors with Tb4O7 Overlayer








연구진 소개


정성용 석박통합과정 (제1저자) 이력사항

1. 인적사항
·  소속: 고려대학교 신소재공학부
·  E-mail: jeong7460@korea.ac.kr

2. 학력사항
·  2009-2015년 전북대학교 신소재공학부 전자재료공학전공 (공학사)

3. 경력사항
·  2015-현  재 고려대학교 신소재공학부 (석·박사통합과정)

4. 전문분야 정보
·  산화물 반도체형 가스센서 설계




강윤찬 교수 (공동저자) 이력사항

1. 인적사항
·  소속: 고려대학교 신소재공학부
·  전화: 02-3290-3268
·  E-mail: yckang@korea.ac.kr

2. 학력사항
·  1997년 한국과학기술원 화학공학과 (공학박사)
·  1995년 한국과학기술원 화학공학과 (공학석사)
·  1993년 아주대학교 화학공학과 (공학사)

3. 경력사항
·  2014-현   재 고려대학교 신소재공학부 교수
·  2004-2014년 건국대학교 화학공학부 조교수, 부교수, 총장석학교수
·  2000-2004년 한국화학연구원 선임연구원
·  1998-2000년 한국과학기술원 Postdoctoral Research Associate
·  1997-1998년 히로시마대학교 Postdoctoral Research Associate

4. 전문분야 정보
·  분무열분해 기반 배터리용 나노구조체 설계



이종흔 교수(교신저자) 이력사항

1. 인적사항
·  소속: 고려대학교 신소재공학부
·  전화: 02-3290-3282
·  E-mail: jongheun@korea.ac.kr

2. 학력사항
·  1993년 서울대학교 무기재료공학과 (공학박사)
·  1989년 서울대학교 무기재료공학과 (공학석사)
·  1987년 서울대학교 무기재료공학과 (공학사)

3. 경력사항
·  2003-현   재 고려대학교 신소재공학부 교수
·  2000-2003년 서울대학교 BK21 연구교수
·  1999-2000년 National Institute for Research in Inorganic Materials (현 NIMS) STA fellow
·  1993-1999년 삼성종합기술원 선임연구원

4. 전문분야 정보
·  산화물 반도체형 가스센서 (p-형 산화물, 나노계층구조, 이중층구조 등) 설계
·  고체 산화물 전해질을 이용한 자동차 공연비 센서 및 전기화학식 가스센서 설계
·  광전기 화학학식 물분해용 고효율 광전극 설계


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