숭실대학교(총장 장범식)가 전자정보공학부 이원우 박사과정생, 박희주 석사과정생(이호진 지도교수)과 한양대 김도환교수 연구팀이 함께 연구한 논문<에너지 수확 메타물질을 기반으로 한 무선 전력 휘발성 유기 화합물 가스 감지 센서>가 전자공학 분야 국제학술지 「Advanced Electronic Materials(어드밴스트 일렉트로닉 머티리얼스, 피인용지수 6.593)」 3월호에 게재됐다고 23일 밝혔다.

몸에 두르면 ‘투명인간’을 만드는 투명망토, 고해상도 홀로그램, 고성능 렌즈, 효율적인 소형 안테나, 초민감 감지기 같은 새로운 분야에 적용할 수 있는 메타물질은 현재 연구가 활발히 이뤄지고 있는 실정이다.
이 중에서도 메타 물질을 이용한 화학 가스 센서 관련 연구는 높은 민감도와 빠른 응답 속도, 실시간 감지 특성을 기반으로 각광받고 있다. 하지만 현재까지 개발된 기술은 무겁고 복잡한 측정 장비가 필요해 공간이 제한되어 실시간 감지에 한계가 있었다.
공동 연구팀은 이 한계를 뛰어넘기 위해 무선 와이파이 신호로 RF 전력을 수확하고 센서가 휘발성 유기화합물 가스와 접촉 시 나타나는 에너지 수확량 차이를 나타내 가스의 종류를 식별할 수 있는 센서 기술을 개발했다.

공동연구팀은 가스 노출 시에 나타나는 공진주파수의 이동 및 진폭 변화를 확인하기 위해 투과 스펙트럼을 직접 측정해야한다는 기존의 문제점을 보완하기 위해 2.4 GHz WiFi 신호를 전력원으로 활용하여 센서를 무선으로 수확할 수 있도록 했다. 뿐만 아니라, 노출되는 휘발성 유기화합물 가스에 따라 나타나는 상이한 출력 전압 차이를 통해 가스 종류를 식별할 수 있는 시스템을 고안하였다. 여기에 이온성 고분자 전해질을 이용해 넓은 농도 범위 내에서 휘발성 유기화합물을 안정적으로 감지할 수 있도록 구현하였다.

이렇게 개발된 무선 가스 센서는 일반 휴대폰의 모바일 핫스팟도 전력원으로 사용할 수 있기 때문에 ‘음주 측정기’로 활용할 수 있다는 것을 실험적으로 보여줬다. 센서에 숨을 불게 되면 센서에 연결된 발광다이오드(전류를 빛으로 변환시키는 반도체소자)의 밝기 변화를 관찰함으로써 언제 어디서든 음주 여부를 간단하게 확인할 수 있는 것이다.

제 1저자인 이원우 박사과정생과, 박희주 석사과정생은 “에너지 수확 메타물질 기반의 가스 센서 기술은 감지 안정성과 내구성이 높기 때문에 화학 산업, 식품 가공, 자동차, 환경 감지 등 유해 가스 감지가 필수적인 산업체 전반에 광범위하게 응용될 것”이라며 “앞으로 남은 연구 기간 동안 메타물질 기술과 관련된 보다 다양하고 깊이 있는 연구를 수행할 계획”이라고 전했다.

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