표면 탄성파 센서와 응용

표면탄성파(SAW, Surface Acoustic Wave) 기반 센서는 높은 감도와 빠른 반응성을 장점으로 차세대 센서 기술로 각광받고 있다. 특히 환경의 변화가 큰 실외 환경이나 액상 내부와 같은 가혹한 환경에서도 사용이 가능하여 다양한 연구개발이 진행 중이다. 이 글에서는 표면탄성파 기반 센서를 활용한 광 센서, 습도 센서, 바이오 센서 등 에 대한 전반적인 기술동향을 살펴보고 향후 발전 방향에 대해서 기술 하고자 한다.



글/ 주병권 (고려대학교 전기전자공학부 교수)
전민지 (한국전자기술연구원 스마트센서연구센터, 고려대학교 전기전자공학부 석박통합 과정)
최수민 (한국전자통신연구원 지능형센서연구실, 고려대학교 전기전자공학부 석사 과정)
전호정 (한국전자기술연구원 스마트센서연구센터, 고려대학교 전기전자공학부 석사 과정)


1. 서론

표면탄성파 기반 센서는 센서 표면을 따라 전달되는 음향파가 표면의 상태(온도, 밀도, 점탄성 등)에 따라 영향을 받아 속도, 진폭과 같은 특성 변화를 일으키며 이를 전기 신호로 변환할 수 있는 센서를 이야기한다. 과거 표면탄성파 장치는 무선통신의 발달과 함께 필터로서 큰 발전을 이루었다. 짧은 파장으로 휴대용 통신기기 내부에 사용 가능한 소형화된 필터를 제작하는 것에 기여한 것이다.

하지만 최근에는 4G나 5G 등 통신 기술이 더욱 발달하면서 신호의 주파수가 높아져 오히려 짧은 파장은 전극간 선폭이 1μm 이하로 대폭 줄어들게 되면서 필터 제조가 어렵게 되었다.

그러나 표면탄성파 장치는 필터로서 역할만이 아닌 그림1에서 보이는 것과 같이 다양한 검출용 센서, 미세유체흐름 제어(Micro fluidic control)용 액추에이터와 무선인식기술 (RFID, Radio-Frequency Identification) 태그 등 다양한 영역에서 응용될 수 있음이 검증되면서 새로운 국면을 맞게 되었다. 특히 센서 특유의 단순한 구조와 질량, 밀도, 전도도, 온도 변화 등 다양한 요소에 의한 높은 감도. 빠른 반응 속도와 같은 장점은 센서로서 두각을 나타내는 데에 충분한 요건이 되었다.
 
최근에는 자동차 타이어 압력 모니터링을 위한 TPMS, 폭발물과 마약을 검출하는 화학센서 등 다양한 영역에서 상용화되고 있다. 이 글에서는 표면탄성파 센서의 동작 원리와 구조, 감지 방식 그리고 이를 응용한 연구 개발 사례에 대해서 기술하고자 한다.

2. 표면탄성파란

표면탄성파는 1855년 존 윌리엄 스트룻 레일리에 의해 정의되었다.^[3] 마치 잔잔한 호수에 돌이 던져지면 물결이 발생하는 것처럼 고체 물질에 외부의 힘이 가해질 때 탄성파가 발생 한다. 이 때 고체 내부를 통과하며 전달되는 탄성파를 체적 탄성파(BAW, Bulk Acoustic Wave), 표면을 따라 전파되는 탄성파를 표면탄성파(SAW, Surface Acoustic Wave)라고 한다. 이러한 표면탄성파는 한 파장 깊이에 에너지가 집중되어 외부 자극에 민감한 특성을 가진다. 이렇게 지각 변동과 지진파 연구 과정에서 정의된 표면탄성파는 현재에는 MEMS 기술과 결합하여 다양한 전자 부품으로 사용되고 있는 것이다.
 
그림 2에 소개된 것 과 같이 흔히 사용되는 체적탄성파 센서인 QCM 센서의 경우 10~50MHz의 저주파를 사용하는 반면 표면탄성파 센서의 경우에는 100MHz 이상 최근에는 수 GHz에 달하는 고주파를 사용한다. 높은 주파수 대역을 이용할수록 센서는 고감도를 가지게 되며 분해능과 감지한계를 감소하는 등 센서 성능 향상에 기여한다.
 
또한 표면탄성파에는 다양한 종류가 있다. 그림 3과 같이 레일리파는 횡파와 종파의 특성을 모두 가진 파동으로 전파 과정에서 입자의 이동 방향이 x축과 y축, z축을 모두 포함하기 때문에 외부 자극에 더 민감하고 고감도 측정에 응용 가능하다. 러브파의 경우 일종의 전단파로 기판에 수평 방향으로만 진동이 발생한다. 이러한 입자의 움직임은 액상과 같은 환경에서 손실이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

3. 표면탄성파 센서 기본 원리

일반적으로 탄성파 센서는 압전효과(piezoelectric effect)를 이용하여 만들어진다. 이에 대해서는 그림 4에서 자세히 볼 수 있는데 압전 물질(piezoelectric materials)은 외부 힘에 의해 고체 내부에 변형(Strain)이 일어나면 분자의 격자 구조가 왜곡되며 전기적 극성(polarization) 띄게 되어 전압을 생성하는 데 이를 압전 효과라 한다.
 
반대로 전기적인 영향이 발생되어도 기계적 파동이 만들어지게 된다. 이 현상은 전자 기계 결합 계수(K2, electromechanical coupling coefficient)로 표현할 수 있으며 탄성파를 효율적으로 만들어 낼 수 있는 압전 물질을 결정하는 지표가 된다.^[7] LiNbO3(Lithium Niobate)는 대표적으로 사용되는 압전 물질이며 LiTaO(Lithium tantalate), Quartz 등 다양한 물질이 용도에 따라 사용된다.

표면탄성파 센서를 제작하기 위해서는 압전물질 위로 RF 신호를 탄성파로 변형하는 입력 전극과 이를 다시 전기적 신호로 읽을 수 있는 출력 전극을 증착하는 공정 과정을 거친다. 그림 4에서 보이는 바와 같이 표면탄성파 센서의 전극은 빗(Comb)의 형태로 설계되는데 이를 IDT(Interdigital Transducer)라고 부른다.
 
IDT의 선폭은 파동의 속력(v=fλ)에 대한 원리에 의하여 센서의 사용 주파수 대역을 결정한다. 두 IDT 사이의 공간은 지연선(Delay line)이라고 하며 지연선을 통과하는 동안 특정 조건에 따라 타겟 물질의 결합, 전자의 발현 등 화학적 물리적 변화에 따라 부가질량효과(mass loading effect)와 음향전기효과(acoustoelectric effect)의 영향으로 탄성파의 속도, 진폭 등 변화를 유도하여 표면탄성파 소자를 센서로서 동작하도록 한다. 따라서 감지막(Sensing layer)은 지연선 위에 증착하는 것이 보편적이다. 이후에는 다양한 감지막을 이용하여 개발되고 있는 최신 SAW 센서의 응용 사례와 동작 매커니즘에 대해 기술하고자 한다.

4. 표면탄성파 센서 응용 기술

4-1. 광 센서(optical sensor)

광센서는 그림 6에서 처럼 빛의 파장 대역에 따라 가시광선(λ=0.4~0.7μm) 센서, 적외선(λ＞0.7μm) 센서, 자외선(λ＜0.4μm) 센서 등 빛을 검출하는 센서를 의미한다. 매개물을 필요로 하지 않는 빛을 특성상 비접촉 계측이 가능한 특징과 응답 속도가 빠르고 안정적이라는 점에서 일반 산업 및 의료 산업 등 다양한 영역에서 사용되고 있다.
 
표면탄성파 광 센서는 파가 전파되는 지연선에 광 검출에 용이한 재료인 CdS(Cadmium Sulfide), ZnO(Zinc Oxide) 등 물질을 감지막으로 사용하여 제작된다. 그림 7에 자세히 표현된 것과 같이 이러한 물질들은 대개 특정 파장의 빛에 노출되었을 때, 전자-정공쌍(electron-hole pair)이 발생하게 되는 데 음향전기효과에 의해 이 전하들은 표면탄성파의 운동량을 빼앗아 속도를 느리게 만든다.^[11] 이는 공진 주파수 값의 감소로 이어지고 이를 출력 신호로 검출할 수 있다.
 
그림 8에서는 ZnO와 표면탄성파 센서를 이용하여 유연한 자외선 감지 센서를 확인할 수 있다. 이 센서는 0.1mW/cm² 강도의 약한 자외선도 감지 할 수 있으며 곡률반경은 18.5mm이다. 이는 표면탄성파 광 센서가 웨어러블 기기에 안정적으로 응용 될 수 있음을 의미한다.

4-2. 가스 센서(gas sensor)

가스 센서는 기체 상태의 화학물질을 감지하는 센서의 하나로 의료분야, 실내 및 실외 공기 품질 모니터링, 환경 과학, 자동차 산업 등 다양한 영역에서 주목받고 있다.

표면탄성파 가스 센서는 분석물에 노출되었을 때 표면에 증착된 감지막이 분석물을 흡수 하면서 표면의 질량이 변화하여 부가질량효과에 의해서 전파 속도가 감소한다.^[14]
 
그림 9에서는 산화 그래핀(GO, Graphene oxide)를 이용하여 습도(H₂O) 센서를 확인할 수 있다. 이들은 산화 그래핀막의 점탄성과 전도도 변화 등 다른 요소에 대해서도 영향 분석을 위해 이론적 분석과 실험 테스트를 수행하였으며 결론적으로는 부가질량효과에 의해서 습도 검출이 이루지고 있음을 확인하였다. 절대 감도는 25.3 kHz/%RH이며 상대 감도는 111.7 ppm./%RH으로 높은 감도를 나타낸다.

이 밖에도 수소와 이산화탄소 등 기체 분자를 검출하는 센서들이 연구 개발되고 있으며 수소차 충전소의 수소 유출, 차량 실내 공기 모니터링, 스마트 팩토리 등 다양한 산업 영역에서 필요로 하는 센서 개발에 기여 가능성을 확인할 수 있다.^[16]

4-3. 바이오센서(biosensor)

바이오센서는 세포, 효소나 항체와 같이 생물이 가지고 있는 생체 단백질을 이용하여 바이러스. 독성 물질 등을 검출할 수 있어 식품 산업, 체외 진단 키트와 오염 관리 검사와 같이 다양한 분야에 응용할 수 있는 센서를 이야기한다. 특히 항체와 같은 물질은 특이 결합으로 특정한 물질에 대해서만 반응하는 것을 이용하여 분별력 있는 분석 장치를 만들 수 있다.

표면탄성파 기반의 바이오센서는 특정 물질 검출에 용이한 감지막 재료인 cell, 항체, DNA의 흡착이 중심 주파수의 변화로 검출되며 액상 상태에서도 응용이 가능하기 때문에 일반적으로 액상상태에서 정상적으로 동작하는 바이오물질을 사용하는 것에 있어서 유리하다.
 
그림 10에서는 분자각인폴리머(MIP, Molecular imprinted polymer)를 이용하여 라벨 없이 IgG(Immunoglobulin G) 감지가 가능한 센서를 확인할 수 있다. 이러한 센서는 일반적인 공유 결합 혹은 항원-항체 결합과 같은 방식의 감지 방식이 가진 강한 결합의 한계를 개선하여 4회의 재사용 가능성을 보였다.

이러한 바이오센서 기술을 발달은 최근 발생한 COVID19를 비롯하여 인류의 위협이 될 수 있는 바이러스를 대응하는 것에 도움을 제공할 수 있다. 또한 바이오 마커에 대한 분석을 통해서 암, 돌연변이 DNA 등 질병을 조기 진단하기 위한 체외 진단 기기의 기술 발전에도 기여할 수 있다.

5. 향후 발전 방향

표면탄성파 기반 센서는 앞서 언급된 바와 같이 고속 응답속도와 높은 민감도를 가지면서 IDT 구조를 이용하며 교류 전압을 인가하여 센서를 사용하기 때문에 RF(Radio Frequency) 수동 소자로서도 응용이 가능하다. 이는 RFID(Radio Frequency Identification) 방식으로 무선, 무전원이라는 이점을 가진다는 점에서 사용자의 편의를 개선하여 미래 산업에서 주로 응용 될 수 있을 것으로 전망된다.
 
RFID(Radio Frequency Identification)는 사람, 물품 등의 정보를 저장하고 있는 태그(Tag)부분과 무선으로 인식할 수 있도록 리더(Reader) 부분으로 구성된 시스템으로써 과거에는 버스와 같은 태그 시스템으로 주로 사용되었지만, 최근에는 선박, 차량의 위치를 파악하고 자동차 분야에서 사용 되고 있는 타이어 공기압 감지 시스템(TPMS, Tire Pressure Monitoring System)은 등으로 응용되고 있다^[19]. 특히 TPMS의 경우 타이어의 낮아진 압력을 확인하여 운전자에게 알림을 주는 것으로 기존의 센서를 작동하기 위해서는 배터리가 필요하여 사용 수명에 제한이 있고, 무게에 의한 타이어 변형이 발생한다. 그러나 배터리가 필요 없는 RFID를 이용하면 이러한 문제를 해결할 수 있다.

이 밖에도 별도의 전원 없이 온도, 변형, 회전력 등과 같은 물리량을 무선으로 검출할 수 있는 표면탄성파 기반의 무전원, 무선 센서가 활발히 개발되고 있다.

^{그림 13}에서는 소화관을 통해서 섭취되어 신체 내부의 체온 감지가 가능한 캡슐형 감지기를 보여준다. 이러한 무선, 무전원 센서 기술을 발달은 의료 산업에서 환자의 상태를 실시간으로 확인하는 것에 기여하여 인력이 부족한 의료진들의 상황을 개선할 수 있을 것이다.

이 외에도 바이오 생성물 감지, 바이오 resonator, 미세유동장치, 박스골판지 태그, 플러그센서, 피부 상처 치료, 향기 센서, 겔 상태측정, 의료 센서, 유리 용해로 측정, 합성기판, 필름 센서 소자 등이 있으며, 바이오 및 의료 분야의 실용적 특허가 다양하다.

향후 표면탄성파 기반 센서 연구 개발은 새로운 표면탄성파 센서 소자 및 소재 개발에서부터 센서 모니터링분석 프로그램으로서의 특성 개선, 신호처리 기술, 신호의 분석-합성기술, 복합 센서에 의한 다기능화 기술, 센서 시스템의 지능화 기술, 네트워크 기술, 생산기술에 이르기까지 복합적인 기술 발전을 통해서 실생활에 응용될 수 있음을 시사한다.

6. 결론

표면탄성파 센서는 높은 감도와 고속의 반응속도, 기상과 액상 등 다양한 환경에서 사용할 수 있다는 점에서 다양한 기술 분야에 적용될 수 있는 여러 성과를 보이고 있다. 이 글에서는 광센서, 가스센서, 바이오센서 등 뿐 만이 아니라 온도 센서, 무선 감지 센서 등 다양한 분야에서 응용되고 있는 표면탄성파 센서를 소개 하였다. 이러한 센서 플랫폼의 앞으로도 이러한 표면탄성파 센서의 다양한 분야로의 응용이 일상 생활 속에서 편의를 위해 기여하기를 기대해 본다.


7. 참고문헌

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