김 현 우 (한양대학교 신소재공학부 교수, hyounwoo@hanyang.ac.kr) 제5절 나노센서소자 17
1 기술 개요
1.1. 기술 정의
● 화학 센서는 외계의 화학량 혹은 화학적 신호를 측정가능한 전기신호로 변환하여 감지하는 기술로 가스센서
,
습도센서 및 이온센서로 분류- 나노환경 센서기술 관점에서 주로 유해가스 감지기술을 중심으로 기술
- 가스센서는 반도체식[전기저항식/비전기저항식], 고체전해질식, 정전위전해식, 비분산 자외선식, 열전방식, 색변화식 등 다양하며 탐지대상 가스와 구체적 응용에 따라 우선적으로 적용하는 방식이 상이
1.2. 핵심 요소 기술 및 내용
● 반도체식 가스센싱 기술
-[전기저항식] 가스도입, 제거 시 산화물반도체 표면에서의 전자수수반응에 의하여 저항이 변화하는 원리를 이용하는 기술
-[비전기저항식] 다이오드나 MOSFET 등 전자소자에서 가스의 도입, 제거에 따라 문턱전압 등 소자 parameter가 변화하는 원리를 이용하는 기술
● 전기화학식 가스센싱 기술
- 전기화학식 가스센서는 전해질의 종류에 따라 고체전해질식과 액상전해질식으로, 작동원리에 따라 amperometric, potentiometric, conductometric으로 구분 가능
- Amperometric 가스센서는 potential을 인가하여 양 전극표면에서 화학반응을 유도하여 전류를 발생 시키는 방식이고 확산제어 mode로 운용하여 한계전류가 감지농도에 비례1)
- Potentiometric gas sensor는 외부전압을 인가하지 않은 상태에서 양 전극간의 potential 차이를 측정하는 방식이며 가스농도가 working electrode의 potential에 의존
● 접촉연소식 가스센싱 기술
- 촉매를 적용하여 가스가 연소반응을 일으키고 이 때 발생하는 열을 측정하여 가연성 가스를 감지하는 방식
● 비분산적외선식 가스센싱 기술
- 가스분자별로 특정 파장의 적외선을 흡수하는 특성을 이용하고 가스농도에 따른 광흡수율을 측정하여 가스를 특정하고 그 농도를 검지하는 기술
● 색변화식 가스센싱 기술
- 화합물(염료)이 특정가스와 화학반응하여 색상이 변하는 것을 육안으로 검지하는 기술
● 기타 기술
- 가스의 열전도도가 가스에 따라 다른 특유의 값을 가짐을 이용하는 [열전도식], 탄성파의 주파수변화를 이용하는 [SAW 방식] 및 [QCM 방식], 광섬유내의 굴절률 등 특성 변화를 이용하는 [광섬유 방식] 등 매우 다양
1.3. 잠재 수요 분야 및 기대효과
● 시장규모
표 1 가스센서 시장규모
(단위 : 억 원)
구 분 시장규모 예상 시장규모
세계 시장규모 10,600 (2017년) 15,800 (2023년) 국내 시장규모 2,310 (2014년) 3,570 (2021년)
산출 근거 Marketsandmarkets, Gas Sensors Market(2017) 센서산업과 주요 유망센서 시장 및 기술동향, ETRI(2015)
● 잠재수요 분야
- 유해가스를 탐지하기 위하여 주택, 사무실에 설치 가능하고 자동차, 항공기, 드론, 로봇에 적용되어 필요한 기능을 수행하고 공장, 농장(스마트팜), 축사에 설치되어 상태를 모니터링
- 식품의 신선도 및 부패여부를 조기 검출할 수 있으며, 재해, 테러와 관련하여 군사 및 안전방재 분야에도 응용 가능
- 질병 모니터링을 위하여 의료산업에 적용되기 시작하였으며, 모바일 기기에의 적용을 위하여 센서 성능 개발 중
1.4. 해결해야 할 기술 이슈
표 2 주요 기술 및 이슈
구 분 상 세 내 용
[전기저항식] 반도체식 가스센싱
가스 선택성 향상 기술 초고감도 센싱 기술 상온 [초저전력] 센싱 기술 습도안정성 향상 기술 Drift 현상 개선 기술
온도변화에 따른 안정성 향상 기술 재현성 향상 기술
[고체전해질] 전기화학식 가스센싱
센서소재기술 및 전해질형 센서 소자제조 공정 기술 센서의 수명 및 신뢰성 향상 기술
발열효율 극대화를 통한 소자 소비전력 최소화 Heater의 초기 구동 시 조속한 온도 안정화 확보 기술 실제 사용 환경에서 다양한 가스종에 의한 방해효과의 억제 기술
[액체전해질] 전기화학식 가스센싱
소자 소형화 기술-전극 표면의 극대화 전해질의 고체화
소형화구조설계
전극 및 전해질형성 자동화
비분산적외선식 가스센싱
광 공동 설계 기술
농도-온도 교정 [calibration] 기술 회로 설계 [저잡음, 신뢰성] 기술
색변화식 가스센싱
저농도 가스의 정밀 센싱 기술
다종가스 혼합 환경에서 선택적 센싱 기술 색변화 센서 array 기술
접촉연소식 가스센싱 촉매담체의 기계적 강도 강화 / 촉매 열화 방지 기술 습도 영향 완화 기술
2 기술 동향
2.1. 국내 동향
표 3 국내 가스센서 기술 개발 동향
[학, 연 : 성명 가나다순]
구 분 세 부 내 용
KIST 강종윤 박사팀 [연] 후각정보인식을 위한 나노구조체 기반 초감도 가스센서 연구개발 인하대학교 김상섭 박사팀 [학] [저항식] 나노-쉘 구조 센서 개발, 자가발열 센싱 구현
KAIST 김일두 박사팀 [학] MOF 구조를 이용한 센싱 및 흡착기술 개발/호흡으로 질병을 진단하는 센서 개발 한양대학교 김종만 박사팀 [학] [색변화식] 특정용매에서만 색이 변하는 보호막을 이용한 센서시스템 개발 KAIST 박인규 박사팀 [학] 플렉시블/웨어러블 기반, 자가발열형 나노가스센서 개발
KAIST 박종욱 박사팀 [학] [전기화학식] 이종접합 고체 전기화학식 수소센서 개발 전자부품연구원 박준식 박사팀 [연] MEMS 적용 마이크로 가스센서 개발
KIST 변영태 박사팀 [연] 천식 진단용 호기가스 특정 시스템 개발
강원대학교 변형기 박사팀 [학] 당뇨병 등 질병 진단이 가능한 호기가스 sensor array를 개발 아주대학교 서형탁 박사팀 [학] [색변화식] 수소/불소가스 누출 육안 확인 착색센서 개발
UNIST 신흥주 박사팀 [학] 웨이퍼 단일 일괄공정으로 생산되는 공중부유형 산화물 나노와이어 기반 가스센서 개발 ETRI 이대식 박사팀 [연] [저항식] ppb 수준의 폼알데히드 감지를 위한 p형 나노금속산화물 가스센서 개발 한국교통대학교 이승환박사팀 [학] [비분산적외선식] 가스센서의 광공동구조의 최적화 및 온･습도영향 연구 연세대학교 이우영 교수팀2) [학] 나노갭 팔라듐 수소센서 개발
UNIST 이윤식 박사팀 [학] [저항식] 다종 나노소자 기반 초소형 유해가스 센서 시스템 개발
서울대학교 이종호 박사팀 [학] [비전기저항형 반도체식] 수평 floating gate를 갖는 FET 가스센서 플랫폼 개발 고려대학교 이종흔 박사팀 [학] [저항식/전기화학식] 산화물 반도체의 습도 영향성 완화 기술 개발3)
서울대학교 장호원 박사팀 [학] [저항식] 그래핀 등 신소재 센서 개발, 자가발열 센싱 구현 센텍코리아 [산] [저항식] 가스센서, 음주측정기 및 가스경보기 제품 개발 생산 센코 [산] [전기화학식] 가스센서, 휴대형 및 고정식 가스검지기 개발 생산 유민에쓰티 [산] 필름형 누액/유해가스 감지센서 개발4)
세종공업 [산] 수소연료전지차용 수소센서 현재자동차에 독점공급/고체전해질 기반 수소누설 센서 개발5) 이엘티센서 [산] [비분산적외선식] NDIR방식 국내매출 1위로 CO2, CH4 센서 생산
신우전자 [산] [접촉연소식] 접촉연소식 가수센서를 적용한 경보기 및 소화기 생산/초소형 전기화학식 가스센서 개발
삼영 S&C [산] 시스템온칩 기반 온･습도, 대기압, 가스센서를 통합한 복합센서 칩개발 엔아이디에스 [산] [비분산적외선식] CO2, TVOC 센서 개발 생산
와이즈센싱 [산] 접촉연소식/전기화학식 적용 현장설치형 가스누설 경보기 생산6)
2) J. Lee, W. Shim, E. Lee, J.-S. Noh, W. Lee, Angew. Chem. Int. Ed. 50, 5301-5305 (2011)
2.2. 해외 동향
표 4 해외 가스센서 기술 개발 동향7)
구 분 세 부 내 용
큐슈대학교 K. Simanoe / K. Suematsu 박사팀 [일본 : 학] [저항식] SnO₂센서의 산소 흡착종에 관한 규명/Pulsed heating에 의한 ppt level 가스센싱
나가사키대학교 Y. Shimizu [일본 : 학] [전기화학식] Potentiometric gas sensor 연구
Sberveglieri / E. Comini 박사팀 [이탈리아 : 학/산] [저항식] Nanowire, nanotube 등 나노물질 가스센서 연구/제품화 2016 Nano sensor systems 창업
길림대학교 Geyu Lu 박사팀 [중국 : 학] [저항식/전기화학식] 다양한 소재 기반 2018~2019 Sens. Actuators B 81편 출판
튀빙겐대학교 U. Weimar / N. Barsan 박사팀 [독일 : 학] [저항식] 나노물질을 이용한 ppb level 가스센싱 기술 개발
U Rovira Virgili E. Llobet 박사팀 [스페인 : 학] [저항식] 플렉시블 가스센서-strain의 영향 연구/Diamondoid sp3 carbon 가스센서 개발
U Barcelona J. D. Prades 박사팀 [스페인 : 학] Self heating 의한 low power 가스센서 개발 (P10μW)
University of Bayreuth R. Moos 박사팀 [독일 : 학] [전기화학식] 배기가스 NOx탐지 고체전해질 mixed potential sensor 연구 Ohio State U S. A. Akbar 박사팀 [미국 : 학] [저항식] 나노, 금속산화물 반도체 가스센싱 연구
Moscow State U Gaskov / Rumyantseva / Krivetskiy
박사팀 [러시아 : 학] [저항식] 가시광선 활성화 기술/ 금속, 금속산화물 cluster의 활성화 site 연구 U Illinois K. S. Suslick 박사팀 [미국 : 학] [색변화식] 각종 Colorimetric sensor array 개발
Technion H. Haick 박사팀 [이스라엘 : 학] 폐암, 유방암, 대장암, 전립선암을 호기센서 array로 진단하는 기술 개발 London 대학 M. E. Nasir 박사팀 [영국 : 학] 코어-쉘 plasmonic nanorod 메타물질에 의한 광학식 수소센서 개발 Emerson Electric [미국 : 산] 가스분석기, 산업용 안전 모니터링 제품 생산
Figaro Engineering [일본 : 산] 저항식 가스센서 기술의 원조/ 사업, 건물시장에 주력 New Cosmos Electric [일본 : 산] 주택용 화재경보기, 냄새 센서, 보안안전 분야, 환경 조성 Nemoto Sensors [일본 : 산] [접촉연소식/전기화학식] 주거용/산업용 가스센서 개발
Honeywell [미국 : 산] 세계 휴대용 가스검출기 시장의 매출액 1위 업체(30%)
Edinburgh Sensors [영국 : 산] [비분산적외선식] CO₂, CH₄, CO 센서 개발 생산 City Technology [영국 : 산] [비분산 적외선식/전기화학식] 영국 최대의 가스센서 업체
Alphasense [영국 : 산] 다양한 방식에 의한 산소와 유해가스 센서 생산
Bosch Sensortec [독일 : 산] 자동차 산소센서 원조업체/가스, 압력, 습도, 온도 통합센서 개발
Sensirion [스위스 : 산] 세계최고의 온습도센서 업체이나 최근 CO₂, VOC 등 환경센서 시장 개척
DD Scientific [영국 : 산] [전기화학식] CO, H₂S, O₂, NH₃, Cl₂ 센서 개발 생산 EE Elektronik [오스트리아 : 산] 상대습도, 오일내 분, CO₂ 센서와 휴대용계측기 생산
AMS [오스트리아 : 산] 다양한 분야에 공기질 모니터링을 위한 가스센서 솔루션 공급
Siemens [독일 : 산] 유독성 폭발성 가스 센싱 시스템 개발 생산
SGX Sensortech 산업안전, 환경모니터링을 위한 센서 및 감지기 연구 및 제작
4) 소방방재신문 http://fpn119.co.kr/sub_read.html?uid=104550§ion=sc81 5) 매일경제 https://www.mk.co.kr/news/stock/view/2017/11/768216/
6) 가스신문 http://www.gasnews.com/news/articleView.html?idxno=88016 7) S&T Market Report, Vol.42 (2016.11)
3 시사점(기술수준)
● 가스센서 기술의 국내 기술수준은 약
90%
수준으로 평가- 반도체 저항식 가스센서 관련, 최고 기술을 보유한 기업은 Figaro Engineering으로서 가스센서 소자 제품을연 1,000만 개 이상 생산하고 있으며, Honeywell은 휴대용 가스검출기 시장의 30%를 점유 - 국내는 ㈜센텍코리아에서 수출하고 있으나 다른 회사는 대부분 소규모이며, 국내 기술력은 해외에 크게
뒤떨어지지 않으나 회사 규모에서 크게 열세