The major challenges restricting the semiconducting metal-oxide gas sensors to be implemented in mobile devices have been the high energy usage of microheaters and low reliability of fabrication that does not meet the industry-level. In this paper, we propose a perfectly-aligned nanowire array as a basic heater element to overcome the prevailing power consumption issue of microheaters, and the developed heater platform was monolithically integrated with gas sensing nanowires to demonstrate its full utility as the gas sensing devices. The proposed structure significantly suppressed heat loss through beam conduction, which enables achieving unprecedented ultra-low power operation surpassing the conventional limits. Prior to employment the nanomaterials, reliable fabrication technologies applicable to the industry-level were developed; the uniformity of thin-film based devices batch-fabricated in a large area was evaluated. By simply replacing the flat substrate to a nanograting substrate, we successfully demonstrated ultra-low power and highly reliable nanoheater integrated gas sensors composed of the perfectly-aligned nanowire array. The heater provided the required temperature to activate the gas sensing mechanism with less than 5 mW, and the sensor was able to detect 1 ppm of low concentration of carbon monoxide gas. The present techniques offer a promising pathway toward realizing always-on gas sensors driven by battery-powered mobile devices, which will ensure a hazardous gas-free safe environment in our daily life.
반도체식 가스 센서를 아직 휴대용 기기에 내장하고 있지 못하는 이유는 동작을 위해 요구되는 마이크로히터의 높은 소비 전력과 산업 수준에 못 미치는 낮은 제작 신뢰성에 있다. 본 연구에서는 종래의 마이크로히터가 갖는 소비 전력 한계를 극복하기 위해 완벽 정렬된 나노와이어를 기본 가열 소재로 활용한 나노히터를 새롭게 고안하였고, 이를 감지 물질 나노와이어와 일체형으로 집적한 가스 센서를 개발하였다. 제안된 구조는 빔 전도에 의한 열 손실을 극도로 억제하여 기존의 물리적 한계를 뛰어넘는 초 저전력을 달성할 수 있다. 나노 소재 도입에 앞서 산업 수준에 적용 가능한 범용적인 가스 센서 공정 방법을 개발하였고, 이를 통해 대면적 일괄 제조된 박막 기반 소자의 균일한 특성을 먼저 확보하였다. 이후 나노 격자 기판을 활용하여 완벽 정렬된 나노와이어를 기본 구조로 하는 초 저전력 고 신뢰성 나노히터와 이를 응용한 가스 센서를 성공적으로 검증하였다. 제작된 가스 센서는 5 mW 이하의 매우 낮은 소비 전력으로 1 ppm 농도 미량의 일산화탄소 가스를 감지하였다. 달성한 소비 전력은 해당 분야에서 가장 낮은 수준이며 배터리로 동작하는 휴대용 기기에 내장하기에도 적합하므로, 인류의 안전한 삶에 크게 기여할 항시 동작 형 가스 센서 개발에 대한 전망을 밝힌다.
