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. 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 기법이다.

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

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

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 밝힌 것"이라며 "냉각소자, 열전소자 등 실리콘 기반 소자에 적용 가능할 것으로 기대된다"고 말했다.

김달호 기자

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