연구는 남들이 바라보지 못한 시선에서 새로운 접근이 필요하고, 그 길의 극한에 도전하는 자세가 중요하다고 생각합니다. 문제를 해결하는데 다양한 관점이 존재하는데, 우리 연구실은 다양한 공정 기술들을 활용하여 독창적인 3차원 마이크로-나노 구조체를 제작하고, 그 특이점을 이용하여 새로운 사실을 밝히고 문제를 해결하고자 하고 있습니다. 또한, 어떤 사실을 발견하고 개발하는 데는 끈기와 도전 정신이 요구됩니다. 그래서 우리 연구실은 십수년간 마이크로-나노 세계에서 일어나는 여러 현상의 원리를 심도있게 파악하고 다양한 분야로 적용하여 사회에 이바지할수 있는 연구를 하고 있습니다. 우리 연구실에서는 다음과 같은 주제들을 연구하고 있습니다. - 3차원 마이크로-나노 구조 제작 기술 - 나노 구조를 이용한 휴대용 저전력 유해 가스 센서 - 유연 피지컬 센서 - MEMS/NEMS 스위치

□ 굽힘에 둔감한 상용화 수준의 압력 센서

최근 포스 터치 센서 (force touch sensor)를 모바일 디스플레이부터 인체 압력 센서 등 광범위한 응용 분야에 까지 적용하기 위한 시도가 활발하게 이루어지고 있습니다. 하지만, 기존 포스 터치 센서들은 민감도나 유연성과 같은 한, 두 가지의 성능에 대한 개선만 이루어 냈을 뿐 굽힘 안정성과 제작 재현성과 같은 상용화를 위한 요구사항까지 모두 만족하는 기술은 보고된 바가 없기에 이를 타파할 수 있는 기술이 절실한 상황이었습니다. 이에, 우리 연구실에서는 신뢰적이고 재현적인 센서 제작이라는 연구 방향을 설정하고 이에 따라 포스 터치 센서 연구를 진행하였습니다.

포스 터치 센서의 민감도를 향상시키기 위해 응력이 집중될 수 있는 나노그레이팅 구조와 유전율 변화를 극대화 할 수 있는 금속 나노 입자를 도입하였습니다. 뿐만 아니라 굽힘 상황에서 어떠한 변형도 발생하지 않는 기계적 중립면에 감지 전극을 형성하여 굽힘 안정성을 도모하였습니다. 연구의 결과로 제작된 포스 터치 센서는 2.5 mm라는 극한의 굽힘 상황에서도 감지 성능을 안정적으로 유지하였으며 7인치 센서를 스마트폰에 장착하여 대면적 균일성, 제작 재현성, 장기 사용 신뢰성까지 검증한 바 있습니다.

우리 연구실의 유연 포스 터치 센서는 알츠 하이머의 조기 진단을 위한 족압 센서로 사용되거나 거동이 불편한 환자의 욕창을 방지하기 위한 욕창 베드에 적용될 수 있습니다. 해당 연구는 우수한 성과를 인정 받아 각종 언론에 보도되었으며, IEEE MEMS 2019 국제학회에서 한국 대학 소속 학생 최초로 우수 학생 논문상을 수상하였고, Advanced Functional Materials 에 후면 표지 논문으로 게재되었습니다.

 

□ 나노와이어 히터 기반의 높은 균일도 및 저전력 가스 센서

일산화탄소 및 각종 유해 가스에 대한 인명 피해 기사가 매년 꾸준히 나오고 있습니다. 예상치 못한 상황에서 당한 사고도 다수이고, 가스 감지기가 있음에도 제대로 동작하지 못해 사고를 당한 경우도 있습니다. 이에 우리 연구실에서는 항시 동작 가능한 가스 센서를 통해 가스 사고로 인한 인명 피해를 줄이고자 연구를 하고 있습니다. 기존의 금속산화물 반도체식 가스 센서는 감지 물질을 동작하기 위해 히터가 필요한데, 마이크로 히터의 높은 열 전도성으로 소비전력이 높았습니다. 또한, 감지 물질은 성능을 높이기 위해 나노 소재를 활용하였지만, 감지물질들 끼리 서로 임의적인 네트워크를 형성하는 공정 방식으로 인해 센서별로 균일도가 떨어지는 문제가 있었습니다.

우리 연구실은 요철 구조를 가진 SiO2 나노그레이팅 기판을 이용하여 열 전도성이 낮은 나노와이어 히터와 정렬된 나노와이어 감지 물질을 집적하여 낮은 소비전력과 소자간의 높은 균일도를 보였습니다. 이는 우수한 성과를 인정 받아 각종 언론에 보도되었으며, Advanced Functional Materials 에 표지 논문으로 게재되었습니다.

 

□ 높은 반복 동작 및 낮은 구동 전압의 M/NEMS 스위치

M/NEMS 스위치는 이상적인 스위칭 특성(0에 가까운 누설 전류, 매우 낮은 sub-threshold swing, 가혹 환경에서도 동작 가능)으로 인해 RF 통신, 컴퓨팅, 파워 게이팅, 메모리 등의 분야에 적용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 하지만, 기존의 M/NEMS 스위치는 전극 간 거리로 인해 정전기력 발생을 위한 높은 동작 전압과 스위치 접촉 부분에 변형으로 인한 낮은 반복 동작이라는 한계점이 존재하여 실제 산업 분야에 활용되기에는 어려운 점이 많았습니다.

이에 우리 연구실은 다양한 기계적 설계 방법과 시뮬레이션 프로그램을 활용하여 기존에 보인바 없는 M/NEMS 스위치 구조를 설계 및 제작하였고, 낮은 동작 전압과 높은 반복 동작을 보였습니다. 뿐만 아니라, 나노 입자, 그래핀 등의 신물질을 M/NEMS 스위치에 적용함으로써 높은 성능을 보일 수 있었습니다. 세계 최소 간격(4nm)의 NEMS 스위치를 개발하여 세계 최초로 Sub-1V 구동하는 스위치를 선보여 Nature Nanotechnology 에 게재되었습니다. 또한, 독특한 2 step 스프링 구조를 적용하여 접촉힘을 증가시켰고 이를 통해 107번 이상 신뢰적으로 동작함을 보였습니다

 

                    

         [ 저전력 나노와이어 가스 센서 ]                                    [ 유연 피지컬 센서 ]                                                 [ MEMS 스위치 ]

  

    

   

                                                [  유연 피지컬 센서 ]

        

                                        [ 저전력 나노와이어 가스 센서 ]