나노소재의 센서 적용
2004-02-03
한치환
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인간을 닮은 로봇을 만드는 것은 인간의 오랜 꿈이었다. 최근 혼다사의 ‘아시모’ 출시 보도로 인해 그 꿈의 현실화가 눈앞에 다가오고 있는 느낌이다. 아시모는 신장 120cm에 52kg으로 사람의 음성이나 몸 동작은 물론 얼굴 인식 기능까지 갖추고 있는 인간 형태의 로봇이다.
아래 그림은 아시모의 얼굴 인식과정과 몸 동작 인식과정이다.
이러한 로봇의 인식 기능은 센서기술의 발달에 의해서 가능하다. 센서라는 말이 처음 사용된 것은 1960년대 초반이며, 현재 우리의 일상생활에서 널리 쓰이고 있지만 학술용어로서는 정확히 정의되어 있지 않다. 백과사전에 의하면, 온도·압력·습도 등 여러 종류의 물리량 및 화학물질을 검지·검출하거나 판별·계측하는 기능을 갖춘 소자라고 요약되어 있다. 다시 말하면, 사람의 눈·코·귀·혀 등과 같은 역할을 하며, 감지한 정보를 인간의 두뇌에 해당하는 정보처리부에 전달, 판단을 내리게 하는 것이 센서이다. 센서의 검지대상이 되는 물리량 및 화학물질은 온도, 습도, 가스성분, 이온, 단백질, 자기, 변위, 진동, 가속도, 회전수, 유속, 유량, 가시광, 적외선, 초음파, 자외선, 마이크로파, 방사선, 엑스선 등 20여 종이 넘으며 쓰이는 재료도 각기 다양하다.
아래에 검지 대상 물리량 및 화학물질 별 센서의 형태를 표로 나타냈다.
센서의 검지대상 및 검지물질은 점점 다양해지고 있는 추세이다. 최근에 나노미터 크기의 물질들이 합성되고 새로운 물리현상과 물질특성을 나타내는 나노물질들에 대한 연구결과가 보고 되면서 나노 과학기술이라는 새로운 영역이 태동하게 되었고 새로운 센서 물질로 등장하게 되었다. 기존의 물질과 나노소재의 가장 큰 차이점은 표면(surface)과 내부(bulk)의 차이점이다.
대부분의 물질들은 표면과 내부에서 물성의 차이를 보이는데, 나노물질들은 그 입자가 너무 작아 (수 ～ 수십 nm: 대게의 원자들이 수 Å크기를 가지므로 원자들이 수십 혹은 수백 개 정도가 모여서 이룰 수 있는 크기) 내부를 형성할 수 없어 표면에 의한 물성이 극대화 된 형태이다.
나노소재의 큰 표면적은 표면반응에 의한 작용을 하는 촉매나 센서검지물질에 있어서 매우 유리하다. 특히 센서 검지물질을 나노소재로 대체하게 되면 고 효율화·초소형화가 가능해 진다. 또한 나노소재의 특성상 매우 적은 에너지를 소비한다는 장점이 있다.
근래에 눈여겨 볼만한 사실은 카본나노튜브의 가스센서에의 응용이다. 한 가닥의 단일벽 카본나노튜브(SWNT)를 사용하여 암모니아(NH3)나 이산화질소(NO2)를 검출하는 고감도 센서에 대한 연구결과가 스탠포드 대학의 H. Dai 교수에 의해서 발표되었다.
H. Dai 교수는 카본나노튜브의 전기 전도성이 노출된 기체에 따라서 크게 달라짐을 알아냈다. 카본나노튜브는 이산화질소에 노출될 경우 전도도가 증가하는 반면 암모니아에 노출되었을 경우에는 전도성이 떨어져 기체의 검지가 가능하다.
아래 그림은 카본나노튜브를 이용한 가스센서의 암모니아, 이산화질소 기체 검지 원리이다.
한 단계 발전한 기술이 랜샐러 폴리테크닉 연구소의 Ashish Modi 등에 의해서 최근 네이춰지에 발표되었다. Ashish Modi 등은 다중벽 탄소나노튜브를 SiO2에 화학물질 증기 증착법 (Chemical vapor deposition:CVD)으로 성장시켜서 검지체를 초소형으로 제작하였다.
Ashish Modi 등이 제작한 센서는 기체의 흡착에 의한 검지가 아니고 전기장내에서 기체의 이온화 되는 성질을 이용한 이온화센서이기 때문에 매우 빠른 검지 속도를 보이고 원래상태로 돌아오는데 걸리는 시간이 필요 없다.
아래 그림은 Ashish Modi 등이 제작한 탄소나노튜브 센서이다.
Ashish Modi 등이 제작한 탄소나노튜브 센서는 탄소나노튜브 장점인 고 전압 하에서의 안전성, 낮은 전압에서 매우 높은 전기장 형성능력, 기존의 전극에 비해서 몇 배나 낮은 Breakdown 전압특성 등을 잘 살린 가스센서로써, 앞으로 발전 가능성이 매우 높다.
국내에서는 포항공과 대학의 김진곤 교수 연구팀이 특정온도에서만 나노구조를 갖는 새로운 물질에 대한 연구결과를 발표하였다. 김진곤 교수 연구팀은 폴리스티렌-폴리펜틸메타아크릴레이트 고분자 조합체가 140 ～ 200 ℃의 특정온도에서만 나노구조를 나타낸다는 것을 밝혔다.
이 조합체는 특히 나노구조를 나타낼 수 있는 온도의 범위를 분자량에 따라 쉽게 조절할 수 있고 압력이 증가함에 따란 나노구조가 없어지기 때문에 나노물질의 온도나 압력을 측정할 수 있는 센서로 활용이 가능하다. 지금까지 나노연구에 두 가지 고분자 물질이 섞인 고분자 조합체를 이용해 왔지만 온도가 매우 낮거나 매우 높은 영역에서만 나노구조를 이루어 실용화가 어려웠으나 김진곤 교수 연구팀의 물질은 140 ～ 200 ℃에서 나노구조를 이루어 센서물질 응용 가능성이 매우 높다.
나노와이어 형태의 센서에 대한 연구결과도 보고되고 있다. 일본의 Sugiyama 그룹에서는 실리콘 나노 와이어 피에조저항체(Piezoresistor)에 대한 연구결과를 보고하였다. 이들은 전자빔 직접쓰기(electron beam direct writing)방식과 반응성 이온 에칭(Reactive ion etching)방식을 통하여 100 nm 정도 두께의 실리콘 나노 와이어를 제작하였다. 이 실리콘 나노와이어는 힘이 가해지면 저항값이 변하는 성질이 있어 미세압력센서로 작용할 수 있다.
아래그림에 실리콘 나노와이어의 전자현미경 사진을 나타내었다.
이러한 실리콘 나노와이어는 미세한 힘이 가해졌을 때 저항값이 변하기 때문에 분자의 질량에 의한 검지가 가능하여, 정보저장 캔틸레버(cantilever: 한쪽 끝이 고정되고 다른 끝은 받쳐지지 않은 상태로 되어 있는 보), 생화학물질(bio chemicals) 센서 혹은 이온 입자 질량 센서로 쓰일 수 있다.
Cui 등도 실리콘 나노와이어를 이용한 생체물질 센서에 대한 연구결과를 보고하였고, 윤민희 등도 팔라듐 나노 와이어를 이용한 수소 가스 센서에 대한 결과를 보고하였다. 하지만 이러한 와이어 형태의 센서들은 두께가 0.3 ～ 1 μm로 그 크기가 나노보다는 마이크로에 더 가깝기 때문에 새로운 나노소재라기보다는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술의 발달된 한 형태라고 보는 것이 타당할 것이다.
인체는 하나의 거대한 센서의 집합체라 해도 과언이 아닐 정도로 수많은 감각기관을 가지고 있다. 인체가 이 수많은 감각기관을 24시간 가동하면서도 많은 에너지를 소비하지 않고 유지 가능한 이유는 감각기관이 세포단위로 아주 작다는 점에 기인한다. 아주 작기 때문에 에너지 소비가 적고 고집적화가 가능하다.
따라서 고성능 저 에너지 소비의 센서를 개발하기 위해서는 센서 자체의 크기가 작아져야 한다. 최근의 나노기술의 발달은 MEMS 기술의 발달과 더불어 센서 기술 분야의 혁명을 예고하고 있는 듯하다. 나노 크기의 검지물질의 이용과 서브마이크론 단위의 MEMS 기술은 인체의 신경세포크기의 센서의 개발이 눈앞에 와 있음을 암시하고 있으며, 특히 가까운 장래에 인간과 같은 인지능력을 가지는 인간형태의 로봇의 개발이 기대된다.
이러한 로봇의 인식 기능은 센서기술의 발달에 의해서 가능하다. 센서라는 말이 처음 사용된 것은 1960년대 초반이며, 현재 우리의 일상생활에서 널리 쓰이고 있지만 학술용어로서는 정확히 정의되어 있지 않다. 백과사전에 의하면, 온도·압력·습도 등 여러 종류의 물리량 및 화학물질을 검지·검출하거나 판별·계측하는 기능을 갖춘 소자라고 요약되어 있다. 다시 말하면, 사람의 눈·코·귀·혀 등과 같은 역할을 하며, 감지한 정보를 인간의 두뇌에 해당하는 정보처리부에 전달, 판단을 내리게 하는 것이 센서이다. 센서의 검지대상이 되는 물리량 및 화학물질은 온도, 습도, 가스성분, 이온, 단백질, 자기, 변위, 진동, 가속도, 회전수, 유속, 유량, 가시광, 적외선, 초음파, 자외선, 마이크로파, 방사선, 엑스선 등 20여 종이 넘으며 쓰이는 재료도 각기 다양하다.
아래에 검지 대상 물리량 및 화학물질 별 센서의 형태를 표로 나타냈다.
| 물리량 | 계측량 | 센서 소자의 예 | 응용 |
| 빛 | 밝기 | 포토 Tr, Diode, CdS | 물체 검출, 근접 센서 |
| 색 | 컬러 센서, 컬러 TV 카메라 | 색의 판별 | |
| 선 패턴 | 라인 이미지 센서, Photo Diode | 위치 결정, 폭의 제어 | |
| 면 패턴 | 에어리어 이미지 센서 | 패턴 인식, 물체 계측 | |
| 기계량 | 접촉 | 마이크로 스위치 | 물체 검출, 위치 결정 |
| 변위 | 차동 변압기, 공기 마이크로미터 | 위치 결정 | |
| 회전변위 | 포텐쇼키터, 인코더, 리졸버 | 각도 결정 | |
| 속도 | 타코미터 | 속도제어, 특성보상 | |
| 가속도 | 가속도계, 진동 센서 | 가속도제어, 전동계측 | |
| 압력, 스트레인 | 피에조 소자, 로드셀, 스트레인 게이지 | 압력계측, 역제어 | |
| 음 | 음성 | 마이크로 폰 | 음성인식 |
| 초음파 | 초음파 트랜스미터, 리시버 | 거리계측, 장애물 발견 | |
| 온도 습도 | 온도 | 서미스터, 열전대, 감온자성체 | 온도제어 |
| 온도패턴 | 서모 카메라 | 열의 분포계측 | |
| 습도 | 감습 세라믹스 | 습도제어 | |
| 화학 | 기체조성 | 가스 센서, 광 센서 | 분석, 경보기 |
| 액체조성 | pH계, 농도계 | 정량분석 | |
| 단백질 | 바이오센서 | 정성분석 | |
| 전자기 | 자속, 자계 | 홀소자, 전기저항소자 | 자기계측, 기계량계측 |
| 전류, 전압 | (직접 이용할 수 있다.) | 전기계측, 기계량계측 | |
| 인덕턴스, 정전용량 | (전압, 전류 검출기) | 자기계측, 기계량계측 | |
한 단계 발전한 기술이 랜샐러 폴리테크닉 연구소의 Ashish Modi 등에 의해서 최근 네이춰지에 발표되었다. Ashish Modi 등은 다중벽 탄소나노튜브를 SiO2에 화학물질 증기 증착법 (Chemical vapor deposition:CVD)으로 성장시켜서 검지체를 초소형으로 제작하였다.
Ashish Modi 등이 제작한 센서는 기체의 흡착에 의한 검지가 아니고 전기장내에서 기체의 이온화 되는 성질을 이용한 이온화센서이기 때문에 매우 빠른 검지 속도를 보이고 원래상태로 돌아오는데 걸리는 시간이 필요 없다.
아래 그림은 Ashish Modi 등이 제작한 탄소나노튜브 센서이다.
Ashish Modi 등이 제작한 탄소나노튜브 센서는 탄소나노튜브 장점인 고 전압 하에서의 안전성, 낮은 전압에서 매우 높은 전기장 형성능력, 기존의 전극에 비해서 몇 배나 낮은 Breakdown 전압특성 등을 잘 살린 가스센서로써, 앞으로 발전 가능성이 매우 높다.
국내에서는 포항공과 대학의 김진곤 교수 연구팀이 특정온도에서만 나노구조를 갖는 새로운 물질에 대한 연구결과를 발표하였다. 김진곤 교수 연구팀은 폴리스티렌-폴리펜틸메타아크릴레이트 고분자 조합체가 140 ～ 200 ℃의 특정온도에서만 나노구조를 나타낸다는 것을 밝혔다.
이 조합체는 특히 나노구조를 나타낼 수 있는 온도의 범위를 분자량에 따라 쉽게 조절할 수 있고 압력이 증가함에 따란 나노구조가 없어지기 때문에 나노물질의 온도나 압력을 측정할 수 있는 센서로 활용이 가능하다. 지금까지 나노연구에 두 가지 고분자 물질이 섞인 고분자 조합체를 이용해 왔지만 온도가 매우 낮거나 매우 높은 영역에서만 나노구조를 이루어 실용화가 어려웠으나 김진곤 교수 연구팀의 물질은 140 ～ 200 ℃에서 나노구조를 이루어 센서물질 응용 가능성이 매우 높다.
나노와이어 형태의 센서에 대한 연구결과도 보고되고 있다. 일본의 Sugiyama 그룹에서는 실리콘 나노 와이어 피에조저항체(Piezoresistor)에 대한 연구결과를 보고하였다. 이들은 전자빔 직접쓰기(electron beam direct writing)방식과 반응성 이온 에칭(Reactive ion etching)방식을 통하여 100 nm 정도 두께의 실리콘 나노 와이어를 제작하였다. 이 실리콘 나노와이어는 힘이 가해지면 저항값이 변하는 성질이 있어 미세압력센서로 작용할 수 있다.
아래그림에 실리콘 나노와이어의 전자현미경 사진을 나타내었다.
이러한 실리콘 나노와이어는 미세한 힘이 가해졌을 때 저항값이 변하기 때문에 분자의 질량에 의한 검지가 가능하여, 정보저장 캔틸레버(cantilever: 한쪽 끝이 고정되고 다른 끝은 받쳐지지 않은 상태로 되어 있는 보), 생화학물질(bio chemicals) 센서 혹은 이온 입자 질량 센서로 쓰일 수 있다.
Cui 등도 실리콘 나노와이어를 이용한 생체물질 센서에 대한 연구결과를 보고하였고, 윤민희 등도 팔라듐 나노 와이어를 이용한 수소 가스 센서에 대한 결과를 보고하였다. 하지만 이러한 와이어 형태의 센서들은 두께가 0.3 ～ 1 μm로 그 크기가 나노보다는 마이크로에 더 가깝기 때문에 새로운 나노소재라기보다는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술의 발달된 한 형태라고 보는 것이 타당할 것이다.
인체는 하나의 거대한 센서의 집합체라 해도 과언이 아닐 정도로 수많은 감각기관을 가지고 있다. 인체가 이 수많은 감각기관을 24시간 가동하면서도 많은 에너지를 소비하지 않고 유지 가능한 이유는 감각기관이 세포단위로 아주 작다는 점에 기인한다. 아주 작기 때문에 에너지 소비가 적고 고집적화가 가능하다.
따라서 고성능 저 에너지 소비의 센서를 개발하기 위해서는 센서 자체의 크기가 작아져야 한다. 최근의 나노기술의 발달은 MEMS 기술의 발달과 더불어 센서 기술 분야의 혁명을 예고하고 있는 듯하다. 나노 크기의 검지물질의 이용과 서브마이크론 단위의 MEMS 기술은 인체의 신경세포크기의 센서의 개발이 눈앞에 와 있음을 암시하고 있으며, 특히 가까운 장래에 인간과 같은 인지능력을 가지는 인간형태의 로봇의 개발이 기대된다.