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잉크젯 프린팅 공정으로 맥신/탄소나노튜브가 코팅된 종이 기반의 고감도 이산화질소 센서 개발
김진경(J. G. Kim),강윤성(Y. S. Kang),김종백(J. B. Kim) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
본 연구에서는 맥신(MXene)-탄소나노튜브(Carbon Nanotubes) 복합재를 감지소재로 활용하여 NO₂ 에 대한 상온 감지 특성을 파악하였다. 감지 물질인 맥신-탄소나노튜브 복합재와 전극 역할의 은(Ag) 나노입자(Nanoparticle)을 잉크젯 프린팅 공정을 통해 종이 기판 위에 코팅하여 고민감도 대기오염 진단 센서를 손쉽게 구현하였다. 사물인터넷과 웨어러블 디바이스 등이 보편화되는 추세에 따라 웨어러블 센서를 사용한 실시간 환경 모니터링 기술 개발의 중요해지고 있다. 가스 센서로 가장 흔히 사용되는 금속산화물 가스 센서는 높은 감도, 소형화 등의 장점에도 불구하고 200℃ 이상의 고온 작동으로 인한 높은 소비전력, 짧은 센서 수명 등의 문제로 웨어러블 센서에 적용하기에 한계가 있다. 본 연구진은 매우 저렴하고 굽힘이 가능한 종이를 기판으로 활용하며, 잉크젯 프린팅이라는 대량 생산 공정을 통해 일회용으로 활용 가능한 가스 센서를 제작하였다. 또한 제작된 센서는 상온에서 기체 감지가 가능하여 별도의 에너지원이 필요하지 않아 소모 전력이 매우 낮다. 추가적으로 본 연구에서는 나노 복합재료의 이종접합(Heterojuction)에 의한 상온 감지 성능 향상 메커니즘을 제시하고, 다양한 농도에 따른 NO₂ 감지 특성을 분석한다. 본 연구에서 개발한 센서는 우수한 상온 감지 특성을 지니고 있을 뿐만 아니라 간단한 잉크젯 프린팅 공정으로 저비용, 대량 생산이 가능하여 향후 웨어러블 센서의 보급과 상용화에 기여할 것으로 기대된다.
극한의 고온 작동을 위한 탄소나노튜브 기반의 마이크로 기계식 스위치 및 상보적 논리 게이트 개발
조은환(E. Jo),강윤성(Y. Kang),심상준(S. Sim),이호준(H. Lee),김종백(J. Kim) Korean Society for Precision Engineering 2021 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2021 No.11월
전도성 물질의 접촉과 분리로 회로의 단락을 결정 짓는 마이크로 기계식 스위치는 0 에 가까운 누설전류와 이론적으로 무한한 On/Off 비와 같은 이상적인 스위칭 성능으로 많은 주목을 받고 있다. 또한, 높은 내열성을 가진 도체를 이용할 경우, CMOS Transistor 의 구동이 어려운 150℃ 이상의 온도에서도 작동 가능함을 보이며, 고온에서 구동 가능한 집적회로용 차세대 소자로 고려되어 현재까지 많은 연구들이 진행되어 왔다. 그러나 고온에서 발생하는 도체 표면의 연화 현상은 접촉 시 계면에서 영구적인 점착을 발생시키며, 이는 마이크로 기계식 스위치의 작동 온도 제한하고 낮은 접촉수명을 가져온다. 본 연구에서는 극한의 고온환경에서도 높은 접촉 신뢰성을 가지는 탄소나노튜브 다발 기반의 마이크로 기계식 스위치와 이를 이용한 Logic Gate 를 구현하였다. 1 차원 튜브 형상의 탄소 동소체인 탄소나노튜브는 우수한 기계적 강도 및 높은 전기 전도도 뿐만 아니라, 상압에서 용융점을 가지지 않아서 표면연화가 발생하지 않는 우수한 내열성을 가진다. 본 연구진은 탄소나노튜브 다발이 통합된 마이크로 기계식 스위치를 개발하였고, 이를 통해 현재까지 스위치로 구현된 바 없는 550℃의 고온환경에서 스위치가 안정적으로 작동 가능함을 확인하였다. 또한 탄소나노튜브 다발 간 접촉 계면 및 간격 형성을 통해 Transistor 의 P-type 과 N-type Switching 기능을 모사하였고, 이를 통해 고온에서 작동하는 Complementary Inverter (NOT), NAND 및 NOR 과 같은 다양한 기계식 Logic Gate를 구현하였다.