다아라 매거진 _ 2017.03

기술뉴스

[Technical News]효율 높인 극저온센서 소자 개발

기존 소재에 금나노 입자 입혀서 민감도 향상 시켜

[Technical News]효율 높인 극저온센서 소자 개발 - 다아라매거진 기술뉴스
갈바니 대체법으로 만든 금나노입자를 활용한 실리콘의 볼로미터 및 저온센서 특성 향상

한국연구재단(이사장 조무제)은 장재원 교수(부경대) 연구팀이 기존에 사용된 실리콘 기반 저온센서보다 극저온(영하 263~243도)에서 효율을 극대화한 저온 센서 소자를 개발했다고 밝혔다.

연구팀이 개발한 저온센서는 기존의 센서 소재인 실리콘에 금나노입자를 입혔다. 온도센서는 온도가 변화할 때 저항값의 변화가 클수록 온도 측정에 유리하다. 실리콘을 기반으로 한 기존의 온도센서는 영하 263도에서 온도 1도당 20% 미만의 저항 변화율을 보이는 한계를 가지고 있었다.

연구팀은 실리콘 표면을 기존에 알려진 갈바니 대체법을 사용해 금 나노입자를 형성시켰다. 그리고 금 나노입자의 역할에 따라 실리콘의 전기적·열적 특성이 크게 변화할 수 있음을 확인했다.

연구결과, 기존 센서보다 영하 263~243도의 극저온 구간에서 온도 변화에 따른 저항 변화율은 100%, 저온 민감도는 5000% 이상 향상됐다.

갈바니 대체법은 전기적인 신호를 가하지 않고 시료를 특정 금속 이온 용액에 노출 시켰을 때 시료의 표면 에너지 상태에 따라 용액상의 금속 이온이 환원돼 시료 표면에 금속이 형성되게 하는 기법을 말한다.

또한 갈바니 대체법으로 만든 금 나노입자가 극저온 구간에서 실리콘에 전기적으로 저항을 증가시키는 불순물 역할을 한다는 것과 열적으로는 열전도를 방해해 온도변화에 따른 저항 변화율을 극대화하게 작용하는 특성 메커니즘을 밝혔다.

개발된 실리콘 극저온센서에서 금 나노입자를 덮는 최적의 비율을 제시했다. 연구결과, 금 나노입자를 21.9% 덮었을 때 상업적 저온센서(22K에서 22.1 mV/K)보다 2배 이상 저온 민감도가 대폭 향상됐다.

장재원 교수는 “이 연구는 실리콘 물질의 전기적·열적 특성을 손쉬운 공정인 갈바니 대체법으로 금 나노입자를 도입해 크게 향상시키면서 실리콘 물질의 전기적·열적 특성이 향상되는 메커니즘을 밝혔다. 냉각소자, 열전소자 등 실리콘 기반 소자에 적용 가능할 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

장 교수는 “갈바니 대체법으로 만든 금 나노입자-실리콘 기반 저온 센서의 상업용 소자 개발이 실현 될 것으로 예상된다. 그리고 갈바니 대체법으로 만든 금 나노입자가 실리콘에 미치는 영향에 관한 연구가 더욱 활발히 진행될 것으로 기대한다”고 말했다.

이 연구에서 보고하는 금속 나노입자의 반도체표면에 도입돼 반도체의 열-전기 특성을 변화하는 방식을 활용한 고효율 열-전기 특성 소재의 개발이 가속화될 것으로 예상된다.

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