[논문]나노 재료를 이용한 최신 센서 기술 동향-리뷰

박준식; 박광범; 김성동; 박효덕

doi:10.5369/jsst.2009.18.5.327

[국내논문] 나노 재료를 이용한 최신 센서 기술 동향-리뷰
Trends in recent sensor technology using nano materials-Review 원문보기

센서학회지 = Journal of the Korean Sensors Society, v.18 no.5, 2009년, pp.327 - 336

박준식 (전자부품연구원 융합센서소자 연구센터) , 박광범 (전자부품연구원 융합센서소자연구센터) , 김성동 (전자부품연구원 메카트로닉스 연구 본부) , 박효덕 (전자부품연구원 에너지IT 연구본부)

초록
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최근 인류의 삶의 질 향상에 따라 건강하고, 쾌적하고, 편안한 삶을 살기 위한 많은 노력이 진행되고 있다. 센서는 이러한 삶의 질 향상을 위해서 필수불가결한 요소 중 하나이며, 고성능의 지능화된 센서가 요구되고 있어, 앞으로 이에 대한 수요는 더욱 증대될 것으로 생각된다. 최근의 센서 연구 개발 방향은 센서에 기능을 부여하는 기능성 재료가 중요한 요소로 더욱 부각되고 있으며, 특히, 다양한 성분과 형태로 존재하는 나노 기능 재료는 기존의 벌크 재료와는 차별화된 독특한 물리, 화학, 기계, 광학적 특성을 갖고 있어 더욱 주목받고 있다. 최근 기존의 나노 입자 연구에서 더욱 발전하여 서로 적용하기 위한 나노선이나 CNT를 포함한 나노튜브, 나노 복합재료 등의 연구가 매우 활발하다. 본 논문에서는 이러한 나노 재료를 이용한 가스 센서, 수질 센서, 바이오 센서, 광 센서 그리고 물리 센서 등 최신 나노 센서 연구개발 동향을 살펴보았으며, 미래 센서기술 발전방향 중 하나로서 나노 재료에 의한 센서의 고기능화 및 극소형화가 매우 중요한 부분으로 활용될 것으로 예측되었다.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

최근 다양한 나노재료를 이용한 센서 연구 개발 기술 동향에 대하여 조사하였다. 비록 전 세계적으로 이루어지는 방대한 연구 결과 보고에 비해 매우 일부 연구 사례만을 다루어 아쉬운 감이 없지 않으나 나노 재료는 나노 입자, 나노선, 나노튜브, 나노 복합재료 등의 형태로 다양한 방법으로 개발되고 있으며, 이를 이용한 가스 센서, 수질 센서, 바이오 센서, 광 센서, 물리 센서 등 매우 다양한 응용 분야로의 확대와 함께 고성능화 되고 있다는 것을 확인할 수 있었다.

가설 설정

(a) The schematic illustration of ZnO-nanowire air bridges over the SiO2/Si substrate. (b) Side- and (d) top-view SEM images clearly show selective growth of ZnO nanowires on Ti/Pt electrode. (c) The junction between ZnO nanowires grown on both electrodes^{[9, reprinted with permission]}.

제안 방법

10(a)). 기지전극의 제조를 위해 폴리에스테르 필름위에 스크린 프린팅법을 이용하여 카본전극이 형성되었으며, 작동전극의 제조를 위해 10 % 나피온 용액에 Bi 나노입자를 분산시킨 후 마이크로 피펫을 이용하여 카본전극 위에 Bi나노입자를 코팅하였다. Fig.
금속 나노 클러스터를 이용한 bottom-up 방식으로 성장시킨 직경 50 nm의 p형 실리콘 나노선과 직경 80~150 nm의 n형 CdS 나노선을 미소유체 직접 조립 공정(microfluidic directed assembly)을 이용하여 수직으로 정렬시켜 p-n구조의 APD(avalanched photodiode)를 형성시켰으며, 이를 이용하여 100개의 광자(photon) 이하까지도 감지할 수 있는 초감도 광센서를 제작하였다. 또한 어레이간 간섭이 없는 광센서 어레이 구조를 제안함으로서 초고감도의 이미지 센서가 연구 보고되었다^[19].
서로 다른 두 가지 파장을 빛을 방출할 수 있는 CdS/CdSe core/shell 구조의 나노선 발광 소자를 bot-tom-up 방식을 이용하여 성장시키고 또한 PMMA/Si₃N₄/SiO₂/Si 구조 기판을 전자빔 리소그래픽 공정과 RIE 식각 공정을 이용한 top-down 방식으로 서로 다른 두 개의 파장을 갖는 빛을 서로 반대 방향으로 전파시킬 수 있는 구조의 광필터 역할을 하는 함께할 수 있는 광결정(phonic crystal) 광도파로 구조를 제조하여 하이브리드 결함함으로써 서로 다른 두 파장 빛을 동시에 방출할 수 있는 광소자를 제조하고 향후 저장장치, 디스플레이 그리고 바이오 등의 분야에 적용될 수 있는 초소형 고밀도의 나노 광소자를 발표하였다^[20].
마이크로 히터와 증폭회로가 내장 집적된 MEMSoC플랫폼에 습도 변화에 따른 저항 변화를 갖는 WO₃ 나노선을 졸젤 공정으로 표면적이 큰 감지 필름 막을 형성함으로써 센서 감도를 높을 수 있도록 하였으며, 또한 온도 변화에 민감한 습도센서를 보상하기 위해 MEMSoC플랫폼에 형성된 마이크로 히터를 이용하여 주변 온도 변화에 따른 나노선 감지 센서의 출력 신호 변동을 최소화할 수 있게 하였다^[21].
. 실리콘 웨이퍼 위에 노광공정을 이용하여 40~50 nm의 폭을 갖는 고집적된 실리콘 나노선이 제조되었으며, 납과 구리의 선택적 검출을 위해 실리콘 나노선의 표면을 Pb²⁺-selective oligopeptide와 Cu²⁺-selective oligopeptide로 각각 개질시켰다(Fig. 11).

대상 데이터

. Bi-CNT 전극은 스크린 인쇄된 CNT전극 상에 Bi를 in-situ 도금하여 제조되었다. 이와 같은 수질 센서의 검출 한계는 납에 대해서는 1.

성능/효과

검출 한계는 납에 대해서는 0.07 μg/L, 카드뮴에 대해서는 0.15 μg/L를 나타냈으며, 반복측정 시 매우 뛰어난 재현성을 보였는데 20번의 연속측정 시 납에 대해서는 4.7%, 카드뮴에 대해서는 1.3%의 상대표준편차를 보였다.
실리콘 나노선 센서는 훌륭한 선택성과 함께 뛰어난 민감도를 보였는데 납에 대해서 1 nM (~0.2 μg/L), 구리에 대해서 10 nM(~0.6 μg/L)를 검출한계를 나타내었다.
이들 중에서 Bi-CNT 전극이 가장 큰 peak 전류를 나타내는 것을 확인할 수 있어, 다른 Bi-glassy carbon, Biactivated carbon 그리고 Bi-graphite에 비해 우수한 특성을 나타내었다. Bi-CNT전극을 이용하여 국내 하천에서 샘플링된 물에 대한 중금속 오염원 검지 실험 결과 납과 카드늄에 대하여 정량적으로 ICP-MS에서 분석된 결과와 거의 일치하는 결과를 얻었다.
12는 용액 내 납과 구리의 첨가에 따른 수질센서의 전도도 변화를 나타내는 그래프로서 센서의 전도도는 수질 내 이온의 농도와 선형적 관계를 나타내었다. 서로 다른 종류의 oligopeptide를 사용할 시 측정값의 간섭현상은 나타나지 않았으며, 이는 납과 구리의 선택적 측정이 가능함을 보여준다. 실리콘 나노선 센서는 훌륭한 선택성과 함께 뛰어난 민감도를 보였는데 납에 대해서 1 nM (~0.
최근 다양한 나노재료를 이용한 센서 연구 개발 기술 동향에 대하여 조사하였다. 비록 전 세계적으로 이루어지는 방대한 연구 결과 보고에 비해 매우 일부 연구 사례만을 다루어 아쉬운 감이 없지 않으나 나노 재료는 나노 입자, 나노선, 나노튜브, 나노 복합재료 등의 형태로 다양한 방법으로 개발되고 있으며, 이를 이용한 가스 센서, 수질 센서, 바이오 센서, 광 센서, 물리 센서 등 매우 다양한 응용 분야로의 확대와 함께 고성능화 되고 있다는 것을 확인할 수 있었다. 이로 부터, 더 나아가 미래의 최첨단 센서 기술은 나노 재료의 고기능화와 극소형화가 더욱 필수 불가결한 요소로 작용될 것으로 예측할 수 있다.
5)에서의 stripping voltammograms 결과이다. 이들 중에서 Bi-CNT 전극이 가장 큰 peak 전류를 나타내는 것을 확인할 수 있어, 다른 Bi-glassy carbon, Biactivated carbon 그리고 Bi-graphite에 비해 우수한 특성을 나타내었다. Bi-CNT전극을 이용하여 국내 하천에서 샘플링된 물에 대한 중금속 오염원 검지 실험 결과 납과 카드늄에 대하여 정량적으로 ICP-MS에서 분석된 결과와 거의 일치하는 결과를 얻었다.

후속연구

첫 번째 부분은 나노입자와 나노선과 같은 나노 구조 재료의 제조 방법에 대한 내용이며, 두 번째 부분은 나노 재료를 이용한 최신 나노 센서 기술 동향에 대한 내용이다. 실제로 나노 재료를 이용한 나노 센서 연구 결과들이 많이 발표되고 있어 본 논문에서 다루는 내용은 그 중에 일부가 될 것으로 생각되며, 관련 연구 개발을 수행하려고 하는 연구자나 개발자들에게 참고 자료 중 하나로 활용될 수 있을 것으로 생각된다.
이상과 같이 bottom-up 방식의 경우 top-down 방식에 비해서 매우 다양한 조성과 구조의 나노선을 제조할 수 있는 장점이 있으나 top-down 방식에 서와 같이 나노선을 2차원적으로 용이하게 조립 정렬하는 기술에 있어서는 연구가 좀더 필요한 상황이다.
4는 동일한 온도에서 단일 SnO₂ 나노선 센서를 이용하여, 각각 200 ppm CO, 50 % 습도, 그리고, 200 ppm CO와 50 % 습도가 동시에 존재하는 환경에서의 감도를 측정한 결과이다. 이 결과에 의하면 습도의 영향도 상당히 크고 CO와 습도가 존재할 경우 산술적으로 각각의 감도의 합과 같지 않게 되는 것에 대해서는 추가적인 연구가 필요함을 알 수 있다. 발표된 논문에서는 습도의 영향으로 CO와 반응하는 SnO₂ 나노선 표면의 유효한 O⁻ 존재가 변화하기 때문으로 고찰하고 있다 ^[7].
이상과 같이 특정 바이오 물질을 검출하기 위한 receptor를 나노선 표면에 형성된 FET를 제조한 후, 특성 바이오 물질이 receptor에 결합되었을 때 나노선의 source와 drain 사이에서 변화되는 전도도 변화를 측정하는 원리를 이용하며, 측정물질이 언급된 단백질, DNA 이외에도 다양한 질병인자 등도 검출하는 바이오 의료 센서로 활용이 가능하다.
Bottom-up에 의해 성장한 나노재료를 이용한 센서 응용에 있어서 정렬을 정확하게 수행할 수 있는 방안이 모색되어야 하는 단점을 갖고 있으나 top-down 방식을 이용한 실리콘 나노선의 경우 보다 손쉽게 센서 적용이 가능할 것으로 여겨지고 있다. 실리콘 나노선을 이용한 CMOS 구현은 바이오, 화학센서, 온도센서 등의 연구에 사용되고 있고 앞으로도 지속적으로 확장될 것이다. 실리콘 나노선의 온도는 저항 변화 방식과 다이오드 방식의 구현되고 있다.
그러나 나노선을 이용한 센서의 경우 top-down 방식에 비해 매우 다양한 조성과 구조의 나노선을 제조할 수 있는 장점이 있으나 topdown 방식에서와 같이 나노선을 2차원적으로 용이하게 조립 정렬하는 기술에 있어서는 연구가 좀더 필요한 상황이라고 할 수 있다. 또한, 여러 나라의 선진 연구 기관에서 이미 연구 진행 되고 있지만 극미세 나노 재료의 인체 및 환경에 미치는 독성 등 그 안정성에 대한 연구도 함께 병행되어야 지속가능한 연구개발 및 산업화가 될 수 있는 기술로 발전될 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SFLS 메커니즘을 이용한 나노선 제조방법을 이용하면 어떠한 장점을 가지는가?	액상법에 의한 bottom-up 방식중 하나인 supercritical fluid–liquid–solid(SFLS) mechanism을 이용한 나노선 제조방법은 다양한 나노결정을 이용하여 bulk 공정 반응 온도보다 낮은 온도에서 Si과 Ge 나노선을 합성할수 있다[6]. 이와 같은 방법을 이용하면 기존의 Au seed를 사용하면서 발생될 수 있는 Si과 Ge 나노선에서 holes과 electrons을 trap하는 문제를 배제할 수 있으며, 기상법에 비해서 상대적으로 매우 많은 양의 나노선을 제조할 수 있다는 장점이 있다.
	나노입자란?	나노입자란 일반적으로 직경이 100 nm 이하의 크기를 갖는 입자들을 일컫는다. 일찍부터 나노입자는 주로 서브나 마이크론 또는 극미세라는 용어로 사용되어 왔다.
	나노와이어 제조방법에는 어떠한 방식들이 있는가?	1D 나노소재들 중에 carbon nanotube, silicon nanowire 그리고 ZnO nanowire 에 대해서 많은 연구가 이루어졌다[3]. 나노와이어 제조방법에는 크게 top-down 방식과 bottom-up 방식의 제조 방식이 있다. Top-down 방식은 큰 구조물을 식각하여 작은 구조물로 만들어가는 방식이며, 반대로 bottom-up 방식은 아래에서 위로 점진적으로 쌓아 나아가는 방식이라고 설명 할 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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