전북대학교 김기현 교수와 김현규 박사과정생이 실리콘 반도체 공정기술을 활용해 저가로 대량생산이 가능한 고민감도 암모니아 가스센서 원천기술을 개발했다. 이번 연구 성과를 담은 논문은 계기&계측(Instruments&Instrumentation) 분야 상위 1% 저널인 『Sensors and Actuators B-Chemical』에 게재됐다.

암모니아(NH3) 가스는 휘발성 유기화합물의 한 종류로서 특정 농도 이상을 장시간 흡입할 경우 두통, 구토, 기침, 호흡곤란을 일으키는 등 인체 위험성이 매우 높은 유해 물질이다. 우리나라의 경우 연간 29만 7167톤의 암모니아가 발생하는 데, 그 중 농축산 분야에서 약 80%에 해당하는 23만 1263톤이 배출되고 있다. 암모니아 가스로 인한 축산악취 민원은 매년 증가하고 있는 추세이며 최근 암모니아가 초미세먼지의 원인 물질로 밝혀지며 이로 인한 환경오염, 지구온난화 등의 막대한 사회·경제적 피해가 우려되고 있다.

이에 암모니아 가스를 실시간으로 모니터링할 수 있는 센서 기술에 대한 수요가 증가하고 있다. 그러나 기존에 널리 활용되고 있는 전기화학식 센서는 생산 비용이 비싸고 높은 전력을 소모하며, 큰 부피로 인해 다양한 장소에서 모니터링용으로 활용하기가 어렵다.

연구팀은 기존 센서의 문제점 해결을 위해 실리콘 반도체 기반 고민감도 암모니아 센서 기술을 개발했다. 그러나 실리콘 반도체 기반 저항 변화식 가스 센서 역시 경제성은 우수하지만 상대적으로 낮은 검출 민감도와 검출 선택성의 한계가 상용화의 걸림돌로 지적되어 왔다.

이를 극복하기 위해 연구팀은 반도체 산업에서 널리 활용되고 있는 pn접합 다이오드 구조에 마이크로 필라 어레이 구조를 접목하고, 카르복실화된 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT-COOH)를 융합하여 암모니아 검출 민감도와 검출 선택성을 획기적으로 향상시키고 습도 변화에도 안정적인 출력을 보이는 센서를 개발하는데 성공했다.

이 기술은 실리콘 반도체 공정 기술을 활용하여 대량 생산이 쉽고, 소형화 및 저전력 구동이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 이러한 특성 덕분에 소형 센서로 개발할 수 있으며 암모니아를 1분 이내에 감지할 수 있어서 농축산 현장에서 검출 센서로 바로 활용할 수 있을 전망이다.

연구를 주도한 김기현 교수는 “개발된 센서 기술은 실리콘 반도체 기술을 활용해 제작할 수 있어 상용화 가능성이 매우 높은 기술”이라며 “농축산 분야뿐만 아니라 환경 모니터링과 산업 안전 분야에서도 활용가치가 매우 클 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 우수신진연구사업 및 기초연구실사업, 4단계 BK21 JIANT-IT 인력양성사업단의 지원을 받아 수행되었다.