▲ 갈바니 대체법으로 만든 금나노입자를 활용한 실리콘의 볼로미터 및 저온센서 특성 향상.

국내 연구진이 기존의 상업 저온센서보다 민감도가 큰 저온 센서 소자 개발에 성공했다. 저렴하며 손쉬운 제작으로 향후 금 나노입자-실리콘 기반의 볼로미터 또는 저온 센서로의 소자 개발이 기대된다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 지난 20일 장재원 부경대 교수 연구팀이 기존에 사용된 실리콘 기반 저온센서보다 극저온(영하 263~243도)에서 효율을 극대화한 저온 센서 소자를 개발했다고 밝혔다.

저온센서는 온도변화를 저항으로 측정하는 소자. 일반적으로 온도에 따라 저항변화율이 큰 실리콘을 재료로 쓰인다. 하지만 실리콘을 기반으로 한 기존의 온도센서는 기존 실리콘기반 볼로미터 또는 저온센서는 제작비용이 비싸고 그 효율은 한계에 도달했다.

이에 연구팀은 기존의 센서 소재인 실리콘에 금나노입자를 입혔다. 온도센서는 온도가 변화할 때 저항값의 변화가 클수록 온도 측정에 유리하다. 연구팀은 실리콘 표면을 기존에 알려진 갈바니 대체법을 사용해 금 나노입자를 형성시켰다.

그리고 금 나노입자의 역할에 따라 실리콘의 전기적·열적 특성이 크게 변화할 수 있음을 확인했다. 연구결과, 기존 센서보다 영하 263~243도의 극저온 구간에서 온도 변화에 따른 저항 변화율은 100%, 저온 민감도는 5000% 이상 향상되었다.

또한 갈바니 대체법으로 만든 금 나노입자가 극저온 구간에서 실리콘에 전기적으로 저항을 증가시키는 불순물 역할을 한다는 것과 열적으로는 열전도를 방해하여 온도변화에 따른 저항 변화율을 극대화하게 작용하는 특성 메커니즘을 밝혔다.

개발된 실리콘 극저온센서에서 금 나노입자를 덮는 최적의 비율을 제시했다. 연구결과, 금 나노입자를 21.9% 덮었을 때 상업적 저온센서(22K에서 22.1 mV/K)보다 2배 이상 저온 민감도가 대폭 향상되었다.

장재원 교수는“이 연구는 실리콘 물질의 전기적·열적 특성을 손쉬운 공정인 갈바니 대체법으로 금 나노입자를 도입하여 크게 향상시키면서 실리콘 물질의 전기적·열적 특성이 향상되는 메커니즘을 밝혔다. 냉각소자, 열전소자 등 실리콘 기반 소자에 적용 가능할 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

한편, 이 연구성과는 미래창조과학부·한국연구재단 기초연구사업(개인연구)지원 등을 받아 수행되었다. 국제적인 학술지 에이씨에스 나노(ACS Nano) 1월 27일자에 게재되었다.