KAIST, 전력 소모 100분의 1로 줄인 초저전력 ‘전자 코’ 기술 개발

전력 소모 100분의 1로 줄인 전자 코, 정확도는 99.3%
사물인터넷, 모바일 장치에 활용할 수 있어

한국과학기술원( KAIST ) 연구진이 마이크로  LEDLED와  AI  기술을 활용해 초저전력에서 작동할 수 있는 전자 코를 개발했다.  / KAIST

국내 연구진이 전력 소모를 100분의 1로 줄인 전자 코를 개발했다. 

휴대용 배터리로도 오랜 시간 쓸 수 있어 시간과 장소에 구애받지 않는 휴대용 전자 코 시대를 열 수 있을 것으로 기대를 모은다.

한국과학기술원( KAIST )은 박인규 기계공학과 교수, 윤국진 기계공학과 교수, 조용훈 물리학과 교수 공동 연구진이 초저전력, 상온 동작이 가능한 광원 일체형 마이크로  LED  가스 센서 기반의 전자 코 시스템을 개발했다고 14일 밝혔다.

전자 코는 사람의 코가 냄새를 맡는 원리를 전자 소자로 구현해 대기 중 기체의 종류와 양을 확인하는 기술이다. 

목표한 가스 기체가 금속산화물 가스 감지 소재에 닿으면서 전기전도도가 변하는 원리를 이용한 반도체식 가스 센서가 대표적인데, 민감도가 높고 응답속도가 빠르며 대량 생산도 할 수 있어 최근 활발히 연구되는 주제다.

반도체식 가스 센서는 민감도와 응답속도를 높이기 위해 금속산화물 감지 소재에 외부에서 에너지를 공급해야 한다. 

이때 히터를 이용한 고온 가열 방식인 줄 히팅이 주로 쓰이는데, 전력 소모가 크고 측정하고자 하는 가스뿐 아니라 다른 가스에 영향을 받아 선택성이 낮아진다는 단점이 있다.

KAIST  연구진은 전자 코에 마이크로 발광다이오드( LED )와 인공지능( AI ) 기술을 적용해 이런 단점을 해결했다. 

가스 센서는 자외선을 내는 마이크로  LED  위에 산화인듐( In2O3 ) 금속산화물을 코팅해 광활성 방식을 사용해 전력 소모를 낮췄다. 

또 센서의 반응성을 높이기 위해 금속산화물 표면에 금속 나노입자를 코팅해 ‘국소 표면 플라즈몬 공명( LSPR )’ 현상을 활용했다. 

전자의 반응성을 높이기 위해 공명을 일으켜 큰 에너지를 가진 전자가 가스와 금속산화물의 반응을 쉽게 만드는 방식이다.

낮은 선택성은  AI  기술로 해결했다. 

마이크로  LED 에 들어간 여러 종류의 감지 소재가 측정한 신호를 합성곱 신경망( CNN ) 방식으로 학습시켜 각 기체가 만드는 신호 변화를 구분해 낼 수 있도록 했다.

새롭게 개발한 전자 코의 성능을 실험한 결과, 기존 방식의 소비전력 100분의 1 수준인 0.38mW(밀리와트)로 공기·이산화질소·에탄올·아세톤·메탄올 등 5가지 가스를 99.3%의 정확도로 판별했다. 

농도 오차는 13.8%로 기존 방식이 30% 수준의 오차를 보이는 것과 비교해 높은 농도 정확도도 구현했다.

KAIST  연구진은 이번에 개발된 전자 코 기술을 사물인터넷( IoT ), 모바일에 활용해 장소에 구애받지 않고 유해 가스 측정이나 질병 진단에 활용할 수 있을 것으로 내다봤다.

박인규 교수는 “마이크로  LED  기반의 광 활성식 가스 센서는 기존의 반도체식 가스 센서에 비해 소모전력이 100분의 1 수준으로 초저전력으로 작동할 수 있다”며 “대기오염 관측, 음식물 부패 관리, 헬스케어처럼 다양한 분야에서 응용할 수 있는 기반 기술이 될 것ˮ이라고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘미국화학회 나노( ACS   Nano )에 지난달 10일 소개됐다.