자외선 센서 원리 - jaoeseon senseo wonli

가천대 박정웅 교수팀, 태양전지 소재로 자외선 감지에 응용

(왼쪽부터) 가천대학교 나노기술융합대학원 전기공학과 Nguyen Thi My Huyen 박사과정(제1저자), 박정웅 교수 (교신저자), 김상모(공동저자) [한국연구재단 제공]

[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.

고감도 자외선 (UV-C) 센서 구조 및 동작 원리.[박정웅 교수 제공]

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.

최상국 기자

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회전판 중심에 놓인 물방울을 바깥으로 흩어지게 하는 힘, 원심력인데요. 이를 이용해 얇은 박막을 만드는 스핀코팅 방식으로 상온에서 자외선 감지센서를 제조하는 기술이 소개됐습니다. 가천대학교 박정웅 교수 연구팀이 자가동력 고감도 자외선(UV-C) 감지센서를 개발했다고 밝혔습니다. 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 기대됩니다. 해당 연구는 'Journal of Materials Chemistry A'에 게재됐습니다.

자외선 감지센서

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 필요합니다. 또한 자외선 가운데 주로 강력한 살균 효과 및 세포 파괴에 관여한다고 알려진 UV-C(파장 280–100 nm) 검출센서 연구는 상대적으로 많이 이뤄지지 않았습니다.

고감도 자외선 (UV-C) 구조 및 동작 원리. 출처: 한국연구재단

연구팀은 태양전지에서 빛을 흡수해 에너지로 변환하는데 사용되는 페로브스카이트를 이용했습니다. 자외선을 흡수하면 발생하는 전류를 감지하는 겁니다. 기존 센서의 감도가 낮아 증폭을 위해 외부전원이 필요했다면 연구팀이 만든 센서는 외부전원 없이 자외선을 광원으로 내부 에서 발생된 전류만으로도 구동할 수 있다는 것이 특징입니다.

제작된 자외선 (UV-C) 자외선 센서의 감도, 신뢰성, 안정성 평가 결과. 출처: 한국연구재단

사용된 할라이드 페로브스카이트 용액을 기판 위에 떨어트린 후 회전시켜 원심력으로 액체를 밀려나게 해서 실온에서 표면을 코팅하는 데 성공했습니다. 기존 센서를 제작하는 고진공증착공정이 이뤄지는 반면 대기 중 스핀코팅 후 핫플레이트 위 섭씨 100도씨에서 열처리 하면 간단히 이뤄집니다. 또한 제작 공정조건을 개선하고 휘어지면서도 투명한 플라스틱 기판을 사용하면 웨어러블 디바이스 기술과도 접목이 가능합니다.

Huyen (제1저자), 박정웅 (교신저자), 김상모 (공동저자). 출처: 한국연구재단

만들어진 센서는 기존 산화물 기반의 UV-C 센서 대비 감도가 약 1,000배 이상 향상됐고 100회 이상 연속측정 후에도 감도가 유지되었다는 설명입니다. 최대 200배 빠른 반응속도(광원 On시 46 ms/광원 Off 시47 ms)도 장점입니다. 또한 3주가 지난 후에도 자외선 광 감지 능력의 80% 이상 유지되는 안정성을 보였습니다. 개발된 센서의 단위 셀 면적은 400mm2 (20×20mm)로 연구팀은 향후 대면적 제작과 성능향상을 위한 연구를 지속할 계획입니다.

##참고자료##

Nguyen, Thi My Huyen, Sangmo Kim, and Chung Wung Bark. "Solution-processed and self-powered photodetector in vertical architecture using mixed-halide perovskite for highly sensitive UVC detection." Journal of Materials Chemistry A (2020).

글로벌 가전명가 GE 출신이 창업하고 중국과학원이 지원한 경쟁사가 나타났다.
제품도 자사품 복제 수준. 이대로 중국 고객을 뺏길 줄 알았다.
써본 고객들이 입을 열었다. "신뢰성이 떨어진다."
이론상 가능하지만 실제로 겪어보지 않으면 모를 제품 완성도.
기세 좋게 등장한 중국 업체는 제니컴이 앞서 지나온 발길을 더듬고 있다.

"20년 기술 노하우를 쉽게 따라올 수 있는 건 아니죠." 손정환 제니컴 대표는 사무실에 전시된 샘플들을 정렬하며 말했다. 깨알 같은 센서부터 사과상자 만한 장치까지 모두 제니컴의 제품군이다.

"칩 자체가 자외선 센서인 신제품을 최근 개발했습니다. 이런 작은 부품부터 다양한 환경에서 측정할 수 있는 측정기, 모니터, 휴대용 기기, 옥외용 자외선 시스템까지 제니컴은 자외선 센서 토털 솔루션을 제공하는 기업입니다."

자외선(Uitra Violet∙UV)은 가시광선보다 파장이 짧은 빛의 영역으로, UV A-B-C로 구분하는 파장 강도에 따라 살균과 경화, 감시 등 쓰임이 다양하다. C 파장은 DNA 고리도 끊는다. 이때문에 '자외선 경보'가 있다.

용도별로 자외선을 발산하는 램프는 이를 정확히 제어할 수 있도록 자외선 감지 센서를 동반한다. 센서는 반도체가 자외선에 반응해 광전류를 생성하는 원리다. 자외선 센서 또한 점차 고도화를 요구하는 시장에 맞춰 지속적인 기술개발이 필요한 첨단산업이다.

제니컴은 창립 2000년부터 자외선 한길만 팠다. 지금은 국내유일한 살균용 자외선 센서 공급 기업이다.

◆ 자외선에 약한 패키지 극복하려 만든 1mm 칩 센서, 획기적 사용 가능

네모난 점이 CSP <사진=윤병철 기자>"보여요? 이 '점'이 UV 칩이자 센서 패키지입니다. 세계최소를 자랑하죠."

손 대표는 콕 찍은듯한 '점'을 센서라고 소개했다. 가로세로 1mm에 두께 0.3mm 크기의 점을 자세히 보니 안에 무엇인가 박혀 있다. 제니컴이 지난 12월 출시한 'CSP(칩 스케일 패키지)' 자외선 센서다.

살균용 자외선램프는 에너지가 강해 플라스틱도 부식시킨다. 그 때문에 내구성이 필요한 UV 센서 패키징은 금속을 써왔다. 금속은 비싸서 생산성이 낮다. 작고 패키징이 필요 없는 CSP가 개발된 이유다.

CSP는 제니컴의 독자적인 '에픽택시(epitaxy)' 기술로 만든다. 경도가 강한 인조 사파이어 기판 위에 센서를 올리고, 사파이어를 결정 성장시켜 센서를 덮는다. 단단한 보석에 센서가 내장된 셈이다. 이로써 작고 공정이 단순하며 경제적인 CSP가 탄생한다.

제니컴의 CSP는 상대적으로 부피가 훨씬 큰 LED 소켓형 센서과 비슷한 220~280나노미터 파장을 읽을 수 있다.

1mm 크기인 CSP는 스마트폰이나 웨어러블 기기에 내장돼 자외선 검출과 감지가 가능하다. 통신으로 받는 광범위한 지역의 자외선 측정값이 아닌, 스마트폰에서 직접 측정한 '지금 이곳'의 자외선 경보가 가능하다. 손 대표는 "필요하다면 더 작게 만들 수 있다"고 말했다.

CSP 시제품 개발은 '대전T2B사업' 지원을 받았다. 손 대표는 "홍보와 마케팅 지원도 뒤따라 시제품 출시에 큰 도움이 됐다"고 밝혔다.

◆ 자외선 센서 제품 석권∙∙∙검사교정 공인기업 도약 목표

제니컴은 자외선 센서부터 완제품에 이르는 생산공정이 가능하다. <사진=윤병철 기자>

손 대표는 구글에서 'UV sensor'를 검색해 세계 UV 시장 평가 사이트를 열어 보였다. 제니컴의 영문명 'GenUV'가 세계 10위 순위권에 있다. 그는 몇 가지 해외 브랜드를 설명하며 "자체 생산기술 보유로 따지면 우리가 세계 자외선 센서기업 5위안에 든다"고 자신했다.

제니컴은 자외선 전 영역에서 웨이퍼 단계부터 기초 센서와 프로브, 모듈, 완제품을 생산한다. 실내∙외, 휴대∙거치, 측정∙감지 등 다양한 제품을 자랑한다. LG, 삼성, 마이크로소프트, 비보 등 거래처도 굵직하다.

1mm CSP에 이어 지난 4월엔 고온환경 센서와 360도 측정기를 개발했다. 지금은 일본산 센서가 독점하고 있는 불꽃감지기 센서의 국산화를 진행 중이다. 불꽃감지기는 화재에 민감한 문화재 필수 장치다.

자외선 센서 분야를 모조리 석권한 것 같지만, 손 대표는 "갈 길이 아직 멀다고" 말한다. 그는 우선 산업응용 분야로 자외선 센서 모듈 제품을 확장하길 바란다.

수준 이상의 기술 고도화는 중소기업 내부 역량으론 한계가 있다. 손 대표는 일찍이 KAIST∙ETRI∙전북대 등 산학연 네트워크와 협력해 온 데다 최근에는 센서의 응용확장을 위해 '대전 IoT 기술협력 포럼'이라는 자발적 연구모임에도 참여해 연구자원을 넓히고 있다.

나아가 제니컴은 'ISO 17025' 인증을 준비한다. 이 인증은 사내 장비로 KOLAS(한국인정기구) 인증을 받아 한국표준과학연구원과 같은 자외선 센서의 검사교정을 할 수 있는 요건이 된다. 이미 제니컴은 여러 공정실을 두고 센서 신뢰성을 자체적으로 측정해 왔다.

손 대표는 "자외선 센서 검사교정 공인기업의 도약을 본격화한다"고 강조하며 "해마다 이어온 가족친화, 매출 1% 사회환원 지킴도 지속할 것"이라고 덧붙였다.