카이스트, 99% 정확도 모바일용 ‘전자 코’ 기술 개발

박인규 교수 연구팀, 5종류 가스 실시간 판별 센서 개발
기존 100분의 1 초저전력 구동 마이크로 LED 센서 활용

대전=김창희 기자

카이스트(총장 이광형)는 기계공학과 박인규·윤국진 교수와 물리학과 조용훈 교수 공동 연구팀이 초저전력으로 5종류의 가스를 실시간으로 선택적 판별할 수 있는 ‘전자 코 시스템’을 개발하는 데 성공했다고 14일 밝혔다.

연구팀이 개발한 ‘초저전력, 상온 동작이 가능한 광원 일체형 마이크로 LED 가스 센서 기반의 전자 코 시스템’은 초소형 LED가 집적된 광원 일체형 가스 센서와 합성곱 신경망 알고리즘을 적용해 5가지 가스(일반 공기, 이산화질소, 에탄올, 아세톤, 메탄올)를 실시간으로 정확도 99.3%, 농도 값 예측 오차 13.8%의 높은 정확도로 선택적 판별하는 기술이다.

특히 마이크로 LED를 활용한 광활성 방식의 가스 감지 기술은 기존의 마이크로 히터 방식 대비 소모 전력을 100분의 1 수준으로 획기적으로 절감한 것이 특징이다.

이번 연구에서 개발된 초저전력 전자 코 기술은 어떠한 장소에서든지 배터리 구동 기반으로 장시간 동작할 수 있는 모바일 가스 센서로 활용될 것으로 기대된다.

타깃 가스의 유무에 따라 금속산화물 가스 감지 소재의 전기전도성이 변화하는 원리를 이용한 반도체식 가스 센서는 높은 민감도, 빠른 응답속도, 대량 생산 가능성 등 많은 장점이 있어 활발히 연구되고 있다.

금속산화물 감지 소재가 높은 민감도와 빠른 응답속도를 보이기 위해서는 외부에서 에너지 공급을 통한 활성화가 필요한데 기존에는 집적된 히터를 이용한 줄 히팅 방식이 많이 사용됐다. 고온 가열 방식의 반도체식 가스 센서는 높은 소모전력과 낮은 선택성 등의 한계점이 있었다.

연구팀은 자외선 파장대의 빛을 방출하는 마이크로 크기의 LED를 제작한 후 바로 위에 산화인듐(In2O3) 금속산화물을 집적함으로써 광활성 방식의 가스 센서를 개발했다.

또한, 연구팀은 광 활성식 가스 센서의 반응성을 극대화하기 위해 금속산화물 표면에 금속 나노입자를 코팅해 센서의 응답도가 향상되는 것을 확인했다. 연구팀은 반도체식 가스 센서의 낮은 선택성 문제를 해결하기 위해 딥러닝 알고리즘을 적용해 각 타깃 가스가 만들어내는 고유한 금속산화물의 응답 패턴(저항 변화)을 분석했다.

연구책임자인 박인규 교수는 “마이크로 LED 기반의 광 활성식 가스 센서는 상온 동작이 가능하고 고온 가열 줄히팅을 하는 기존의 반도체식 가스 센서에 비해 소모전력이 100분의 1 수준으로 초저전력 구동이 가능해 대기오염 모니터링, 음식물 부패 관리 모니터링, 헬스케어 등 다양한 분야에서도 응용될 수 있는 기반 기술이 될 것”이라 연구 의미를 설명했다.

카이스트 기계공학과 이기철 박사과정 학생이 제1 저자로 참여하고 한국연구재단의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 나노 과학 분야의 저명한 국제 학술지 ‘ACS 나노 (ACS Nano)’ 2023년 1월 10일 자에 정식 게재됐다.