정확도 99.3%...전력도 100분의 1로 줄여
우리 몸에서 없어서는 안 될 '코'를 LED 화면으로도 만들 수 있다면? 언제 어디서든 배터리만 있으면 동작할 수 있는 '전자 코'가 개발됐다.
KAIST(한국과학기술원)는 14일 '내외방송'에 보낸 자료에서 "박인규, 윤국진 기계공학과 교수와 조용훈 물리학과 교수 공동 연구팀이 초저전력과 상온에서 동작이 가능한 '광원 일체형 마이크로 LED 가스 센서 기반 전자 코 시스템'을 개발했다"고 밝혔다.
연구팀은 마이크로 크기의 초소형 LED가 겹쳐진 광원 일체형 가스 센서를 제작한 후 합성곱 신경망(시각적 영상을 분석하는 인공신경망) 알고리즘을 적용해 5가지 임의의 가스를 실시간으로 판별했다.
그 결과 정확도는 99.3%, 농도 값 예측 오차는 13.8%로 높은 정확도를 보였다. 뿐만 아니라 마이크로 LED를 활용한 감지 기술이기 때문에 기존 방식 대비 소모 전력이 100분의 1 수준으로 절감됐다.
목표 가스의 유무에 따라 금속산화물 가스 감지 소재가 전기전도성이 변화한다는 원리를 이용한 반도체식 가스 센서는 높은 민감도와 빠른 응답 속도, 대량 생산 가능성 등 많은 장점이 있다.
반도체식 가스 센서를 활성화하려면 많은 에너지가 필요한데, 연구팀은 자외선 파장대의 빛을 방출하는 마이크로 LED를 제작한 후 금속산화물인 산화인듐을 집적해 광활성(빛에 의해서 달라지는 현상) 방식의 가스 센서를 개발했다.
광원과 감지 소재 사이의 거리를 최소화한 이 센서는 일체형 구조여서 광 손실을 줄일 수 있기 때문에 초저전력으로도 가스 감지가 가능하다.
센서의 반응을 극대화하기 위해 금속산화물 표면에 금속 나노입자를 코팅해 '국소표면 플라즈몬 공명'으로 생성된 전자들이 금속산화물로 이동해 목표 가스와 산화-환원 반응을 촉진했더니 응답도가 향상됐다.
박인규 교수는 "마이크로 LED 기반 광 활성식 가스 센서는 상온에서 동작이 가능하고, 초저전력 구동이 가능해 다양한 분야에서 응용될 수 있을 것"이라고 말했다.
이기철 기계공학과 박사과정이 제1저자로 참여한 이 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며 나노 과학 분야 국제학술지인 'ACS 나노 (ACS Nano)'에 지난달 10일 게재됐다(논문명: Ultra-Low-Power E-Nose System Based on Multi-Micro-LED-Integrated, Nanostructured Gas Sensors and Deep Learning).
