고감도 자외선 (UV-C) 구조 및 동작 원리

한국연구재단은 가천대학교 박정웅 교수 연구팀이 자가동력 고감도 자외선(UV-C) 감지센서를 개발했다고 밝혔다. 회전판 중심에 놓인 물방울을 바깥으로 흩어지게 하는 원심력을 이용해 얇은 박막을 만드는 스핀코팅 방식으로 상온에서 자외선 감지센서를 제조하는 기술이다. 이 기술은 피부암이나 백내장을 유발할 수 있는 자외선을 실시간으로 모니터링함으로써 안정적인 야외활동과 자외선에 의한 식물생장 및 건물수명과의 상관관계를 밝힐 데이터를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

기술개요

산화물세라믹이나 실리콘 등을 소재로 한 기존 자외선 센서는 고온에서 진공증착 공정을 통해 얇은 박막을 코팅해야 한다. 또 대기 중 노출시 산화 및 열적 파괴에 따른 보호막이 필요하다. 또한 자외선 가운데 주로 강력한 살균 효과 및 세포 파괴에 관여한다고 알려진 UV-C(파장 280~100㎚) 검출센서 연구는 상대적으로 많이 이뤄지지 않았다.

이에 가천대학교 박정웅 교수 연구팀은 태양전지에서 빛을 흡수해 에너지로 변환하는데 사용되는 페로브스카이트를 이용했다. 자외선을 흡수하면 발생하는 전류를 감지하는 것이다. 기존 센서의 감도가 낮아 증폭을 위해 외부전원이 필요했다면 연구팀이 만든 센서는 외부전원 없이 자외선을 광원으로 내부 에서 발생된 전류만으로도 구동할 수 있다.

연구 내용

금속 할라이드 페로브스카이트가 광에너지를 흡수, 전류를 흘려보내는 원리를 이용해 자외선을 흡수하고 전류와 전압이 발생하면 빛을 감지하는 고감도 자외선 감지센서를 개발했다.

이를 위해 널리 쓰이는 투명전극, ITO 전극이 코팅된 쿼츠 기판 위에 2단계(2-step) 스핀 코팅법을 이용해 페로브스카이트 박막을 제작했다.

이 센서의 광흡수층으로 사용된 페로브스카이트 물질은 에너지 밴드갭을 2.3~1.1eV로 제어가 가능하며 고효율 에너지 변환이 가능하다.

기술개발 현황

사용된 할라이드 페로브스카이트 용액을 기판 위에 떨어트린 후 회전시켜 원심력으로 액체를 밀려나게 해서 실온에서 표면을 코팅하는 데 성공했다.

기존 센서를 제작하는 고진공증착공정이 이뤄지는 반면 대기 중 스핀코팅 후 핫플레이트 위 섭씨 100℃에서 열처리 하면 간단히 이뤄진다. 또한 제작 공정조건을 개선하고 휘어지면서도 투명한 플라스틱 기판을 사용하면 웨어러블 디바이스 기술과도 접목이 가능하다.

기대성과

자가동력 고감도 자외선(UV-C) 감지센서는 기존 산화물 기반의 UV-C 센서 대비 감도가 약 1,000배 이상 향상됐고 100회 이상 연속측정 후에도 감도가 유지됐으며 최대 200배 빠른 반응속도도 장점이다. 또한 3주가 지난 후에도 자외선 광 감지능력의 80% 이상 유지되는 안정성을 보였다.

특히 상온에서 용액 공정만으로 제작할 수 있다는 것도 장점이다. 비교적 낮은 온도에서 제작하기에 유연기판을 사용하는 웨어러블 디바이스에 적용할 수 있고, 태양광을 이용하기 때문에 자체 전력 생산 및 센서 기능을 동시에 수행할 수 있는 복합 에너지변환 소자로 응용이 가능할 것으로 기대된다.