전북대학교는 서은지 전자정보공학부 석사(지도교수 김기현)의 고성능 암모니아(NH₃) 가스센서 연구가 센서 분야 세계적 권위지이자 미국화학회(ACS)가 발행하는 최상위권 SCI(E) 학술지인 'ACS Sensors'에 게재됐다고 16일 밝혔다.
이번 연구는 실리콘 기반 p-n 접합 다이오드 구조에 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT), 금 나노입자(AuNP), 산화아연(ZnO)을 결합한 이종접합 기반의 고감도·저전력 암모니아 가스센서를 개발한 것이다.
암모니아는 산업 현장과 환경 모니터링, 실내 공기질 관리, 의료 진단 등 다양한 분야에서 중요한 검출 대상이지만, 기존 금속산화물 기반 센서는 높은 동작 온도와 전력 소모로 실제 응용에 한계를 보여 왔다.
연구팀은 탄소나노튜브 표면의 카복실기(COOH) 기능화, 금 나노입자의 촉매 효과, ZnO 이종접합 구조를 동시에 적용해 기존 센서 대비 획기적으로 향상된 성능을 구현했다. 개발된 센서는 상온에서 30 파츠 퍼 빌리언(ppb·10억분의 1)ppm 암모니아에 대해 1128%의 높은 감응 특성을 보였고, 69ppb 수준의 초저농도 검출도 가능함을 입증했다. 여기에 상대습도가 높은 환경에서도 안정적인 검출 특성을 유지해 실제 현장 적용 가능성까지 확인했다.
특히 이번 연구는 성능 향상에 그치지 않고 컴퓨터를 활용해 제품의 설계, 제도(TCAD) 시뮬레이션을 통해 센서의 동작 원리를 체계적으로 규명했다는 점에서 주목된다. 연구팀은 ZnO와 탄소나노튜브 계면에서 발생하는 전하 이동과 에너지 장벽 변화가 감도 향상의 핵심 요인임을 밝혀내며, 센서의 물리적 메커니즘을 과학적으로 검증했다.
이번 성과는 센서반도체 산업은 물론 축산환경 관리 분야에도 적잖은 파급효과를 낼 것으로 기대된다. 센서반도체는 피지컬 AI 구현의 핵심 부품으로, 현실 세계의 다양한 정보를 감지하고 처리하는 기반 기술이다. 이번에 개발한 센서는 저전력 구동이 가능하고 반도체 공정 기반 제작이 가능해 차세대 첨단센서와 센서반도체 산업 경쟁력 강화에 기여할 수 있을 것으로 보인다.
암모니아는 축산농가에서 발생하는 대표적 악취 물질이자 초미세먼지 생성의 주요 전구물질로 꼽힌다. 이에 따라 해당 센서는 축산악취 저감, 스마트 축사, 환경 모니터링 시스템 등에서 실시간 암모니아 감지 기술로 활용될 가능성이 크다. 나아가 사물인터넷(IoT) 환경센서, 스마트팩토리, 산업안전 모니터링, 전자코 시스템 등 다양한 분야로의 확장도 기대된다.
김기현 교수는 “이번 연구는 나노소재, 반도체 소자, 센서 시스템 기술을 융합해 세계 최고 수준의 암모니아 검출 성능을 구현한 연구”라며 “앞으로 축산악취 모니터링과 환경관리, 산업안전 분야에 적용 가능한 스마트 센서 기술로 발전시켜 전북지역 센서반도체 산업 육성과 지역 기업 경쟁력 강화에 기여하겠다”고 밝혔다..
전주=김한식 기자 hskim@etnews.com
