자가발전하는 고감도 자외선 센서 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 자외선을 감지하면 전류를 발생시키는 방식의 자가동력 자외선 센서가 개발됐다. 태양전지의 원리를 센서에 응용함으로써 외부전원이 필요없게 만든 것이다.

개발된 기술은 특히 상온에서 용액 공정만으로 제작할 수 있어 유연기판을 사용하는 웨어러블 기기에 적용할 수 있으며, 태양광을 이용하기 때문에 전력 생산과 센서 기능을 동시에 수행할 수 있는 복합 소자로도 응용이 가능할 것으로 기대된다.

29일 한국연구재단(이사장 노정혜)은 가천대 전기공학과 박정웅 교수 연구팀이 자가동력 고감도 자외선(UV-C) 감지센서를 개발했다고 전했다.

자외선은 동식물에게 좋은 효과도 있지만, 과도한 노출은 피부암이나 백내장을 유발할 수 있고 피부 노화를 촉진시킨다. 자외선을 실시간으로 모니터링하는 광센서 기술은 안전한 야외활동은 물론 동식물에 대한 영향을 밝히는 연구에 기여할 수 있다.

산화물세라믹이나 실리콘 등을 소재로 한 기존 자외선 센서는 고온에서 진공증착 공정을 통해 얇은 박막을 코팅해야 한다. 또 대기 노출시 산화 및 열적 파괴에 대한 보호막이 필요하다.

연구팀은 태양전지에서 빛을 흡수해 에너지로 변환하는데 사용되는 페로브스카이트를 광센서 소재로 이용했다. 자외선을 흡수하면 발생하는 전류를 감지하는 것이다. 기존 센서는 감도가 낮아 증폭을 위해 외부전원이 필요했다면 연구팀이 만든 센서는 외부전원 없이 자외선을 광원으로 내부에서 발생된 전류만으로도 구동할 수 있다는 것이 특징이다.

특히 페로브스카이트 박막을 상온 용액공정으로 제작했다. 널리 사용되는 투명전극(ITO)이 코팅된 쿼츠(석영유리) 기판 위에 할라이드 페로브스카이트 용액을 떨어트린 후 회전시켜 원심력으로 액체를 밀려나게 하는 스핀코팅 방식으로 실온에서 표면을 코팅하는 데 성공했다. 대기중 스핀코팅 후 섭씨 100도에서 열처리하는 간단한 공정을 완성했다.

연구팀이 이번에 개발한 자외선 센서는 자외선 가운데 주로 강력한 살균 효과와 세포 파괴에 관여한다고 알려진 UV-C(파장 280~100 nm) 자외선을 검출하도록 페로브스카이트 물질의 에너지 밴드갭을 설계했다.

연구팀은 이렇게 만든 센서가 기존 산화물 기반의 UV-C 센서 대비 감도가 약 1천배 이상 향상됐고, 100회 이상 연속측정 후에도 감도가 유지됐다고 밝혔다. 또한 최대 200배 빠른 반응속도와, 3주가 지난 후에도 자외선 광 감지능력이 80% 이상 유지된 실험결과를 제시했다.

박정웅 교수는 후속 연구로 현재 개발된 센서의 단위 셀 면적(20×20 mm)을 넓히고, 성능과 안정성을 높여서, 영구적으로 사용할 수 있는 다양한 영역대의 광센서를 개발할 계획이라고 밝혔다.

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