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'영하 250도 극저온 측정 효율 향상' 저온센서 소자 개발

부경대 장재원 교수 "실리콘 기반 소자 특성 개선 등에 적용"

(대전=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 영하 263∼243도(10∼30K)의 극저온 상태를 측정할 때 기존 실리콘 기반 저온센서보다 효율을 극대화할 수 있는 새로운 저온센서 소자를 개발했다.

부경대 물리학과 장재원 교수팀은 기존 저온센서 소재로 사용돼 온 실리콘 표면에 금(Au) 나노입자를 형성시켜 실리콘의 전기적·열적 특성을 바꾸는 방법으로 영하 263∼243도 극저온 구간에서 저항 변화율을 기존 센서보다 100% 이상 높이는 데 성공했다고 19일 밝혔다.

저온센서는 저항 변화를 이용해 온도 변화를 측정하는 소자로, 일반적으로 온도에 따라 저항 변화율이 높은 실리콘이 재료로 쓰인다.

이런 저온센서는 온도가 낮은 우주공간에서 활동하는 우주탐사나 극저온 실험이 필요한 물리·생명과학 분야에서 꼭 필요한 소자다.

실리콘은 영하 173도 이하에서 온도에 따라 저항 또는 전압이 급격히 변하는 성질이 있어 저온센서로 활용된다.

하지만 실리콘 기반 저온센서는 제작비가 비싸고 영하 263도에서 1도당 저항 변화율이 20% 미만을 보이는 한계를 지닌다.

연구팀은 실리콘 표면에 금 나노입자를 입혀 실리콘의 전기적·열적 특성을 크게 변화시키는 방법으로 이 한계를 극복했다.

실리콘 표면에 금 나노입자를 입히는 데 전기적 신호를 가하지 않고 시료를 특정 금속이온 용액에 노출, 금속이온이 시료 표면에 형성되게 하는 '갈바니대체법'을 사용했다.

그 결과 실리콘 표면의 21.9%가 금 나노입자로 덮었을 때 저온센서의 저온민감도(22K에서 47.9mV/K)가 기존 상업용 저온센서(22K에서 22.1mV/K)보다 배 이상 커지는 것으로 나타났다.

연구팀은 "금 크기가 작아져 나노입자(100㎚ 이하)가 되면 열전도도가 실리콘보다 작아진다"며 "이는 금 나노입자가 불순물과 열 저장체 역할을 해 저온센서로서의 성능이 향상되는 것"이라고 설명했다.

장 교수는 "이 연구에서 손쉬운 공정인 갈바니대체법으로 실리콘에 금 나노입자를 도입, 실리콘 물질의 전기적·열적 특성을 크게 높이는 기술을 개발하고 그 메커니즘을 밝혔다"며 "이 기술은 냉각소자, 열전소자 등 실리콘 기반 소자의 특성 개선 등에 적용할 수 있을 것"이라고 말했다.

한국연구재단 기초연구사업 지원 등으로 수행된 이 연구 결과는 국제학술지 'ACS s나노'(ACS Nano, 1월 27일자)에 게재됐다.

장재원 부경대 물리학과 교수
장재원 부경대 물리학과 교수[한국연구재단 제공=연합뉴스]

scitech@yna.co.kr

<저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지> 2017/02/19 09:00 송고

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