[Scientist] 가천대 박정웅 교수, 자가동력 고감도 자외선 감지센서 개발

가천대학교 IT융합대학 전기공학과 박정웅 교수팀이 기존 산화물 기반의 UV-C 센서 대비 감도가 약 1,000배 이상 높고 100회 이상 연속측정 후에도 감도가 유지되는 자가동력 고감도 자외선 감지센서를 개발했다. 이를 통해 자외선을 실시간으로 모니터링하고 보다 안전한 야외활동은 물론 식물 생장 및 건물 수명과의 상관관계를 밝힐 데이터를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 박정웅 교수를 통해 관련 연구에 대해 보다 자세히 들어본다.

(박정웅 교수는) 복합산화물 기반 에너지 소재 합성 및 특성 분석, 방사광 X선 기반 결정 구조 및 화학 조성 분석이 전문 분야로 알고 있는데 왜 이 연구를 시작하게 됐나?

대학교 전기공학과에서 학생들에게 센서공학을 강의하면서 이 분야에 대한 연구와 필요성을 절실하게 체감하게 됐다. 자외선은 매우 위험하지만 주변에서 쉽게 발생하지 않기 때문에 우리는 간과하고 넘어가곤 한다. 이런 점이 매우 안타깝다고 생각했다.

또한 전기공학측면에서는 각종 전기기 사용의 급증으로 15.4K 이상의 고압선로 설치가 급증하고 있다. 이때 배전설비 내에서 고압 이상 전력설비의 아크방전, 단락, 지락 등의 사고는 항복전압에 도달한 절연상태가 붕괴돼 발생하게 된다.

갑작스런 기계적 물리적 원인에 의한 사고 이외에도 제품 결함 및 시공 불량, 환경조건 등의 영향에 의한 점진적인 절연 파괴는 공기 중의 임계전압이 초과하는 시점의 부분 방전현상이 발생시 사고 예방 및 점검의 어려움을 극복하고자 연구를 시작하게 됐다.

연구 과정을 좀 더 구체적으로 소개해 달라.

연구팀은 그동안 다양한 복합산화물질들을 합성하고, 이를 활용해 에너지 밴드갭을 제어해 광흡수능력 개선을 통해서 광에너지 변환 기술 관련 연구를 꾸준히 진행해 왔다.

연구 과정 중 기판의 표면 처리를 위해 사용한 오존램프(UV-C)에 실수로 유리 기판과 페로브스카이트가 코팅된 샘플을 동시에 넣었다. 그런데 처리 후 샘플을 꺼내서 확인한 결과, 기판에 코팅된 페로브스카이트가 그래도 남아있음을 확인했다.

일반적으로 UV-C에 의해서 유기물은 분해되어 사라지는데, 연구팀이 제작한 페로브스카이트는 원상태로 남아있었다. 그 이유를 조사하는 과정에서 센서의 적용 가능성을 확인하는 계기가 됐다.

연구하면서 어려웠던 점은 없었는지 궁금하다.

고효율 페로브스카이트 태양전지 개발 경험과 노하우를 가지고 있었지만 용액 공정 기반의 자외선 센서 개발은 처음이라서 공정을 안정화 시키고 구현하는데 많은 실패를 반복했다.

또한 인위적 자외선 발생은 매우 제한적이고 센서 규격이 명확하게 정해져 있지 않아서 이를 해결하고 검증을 받는데 오랜 시간이 걸렸다.

하지만 개발팀은 국내외 전문 회사 및 우수 연구팀을 벤치마킹하고 검증 자료를 수집을 통해 자외선 감지 센서를 개발하는데 성공했다.

연구에 대한 이야기를 들어보았는데 기존의 감지 센서와 개발된 센서의 차별점은 무엇인가?

연구팀이 개발한 광센서는 스핀코팅이라는 용액공정을 이용해 빠르고 쉽게 자외선 센서를 제작할 수 있다. 또한 태양광 발전 원리를 이용하기 때문에 자외선 감지 후 별도의 증폭 작용 없이도 자체적으로 감지가 가능하며 구조도 매우 간단하다. 특히 기존에 보고된 광센서보다 1,000배 높은 감지 능력 및 200배 빠른 반응속도와 안정성을 가지고 있다는 점이 가장 큰 차이점이다.

개발된 센서를 어떻게 활용할 수 있을 것으로 보는가?

연구팀이 개발한 자외선 센서는 용액공정을 기반으로 제작되기 때문에 웨어러블 기술과 접목해 입는 옷, 자동차, 건물외벽 등 장소에 제한받지 않고 설치가 가능하다. 또한 태양광을 이용하기 때문에 별도의 전원이 필요 없고 자체 발전이 가능하기 때문에 반영구적으로 사용이 가능해 다양한 응용 가능할 것으로 본다.

후속 연구 계획이 궁금하다.

현재 용액공정 기반의 제작공정은 균일한 코팅을 통한 대면적화가 어려운 것으로 알려져 있다. 따라서 이후 연구는 공정 개선과 다양한 방법을 개발해 대면적화를 구현하고, 현재 연구팀이 개발한 센서의 기존 감도 성능을 높이고 안정성을 높여서 영구적으로 사용할 수 있는 센서를 개발할 계획이다.

또한 선택적인 광흡수 능력을 높여서 기존의 UV-C 이에도 다양한 영역대의 태양광을 감지할 수 있는 능력을 가지는 광센서를 개발할 계획도 가지고 있다.