[정보통신신문=박남수기자] 고려대학교 첨단소재부품개발연구소 정성용 연구교수 연구팀이 새집증후군 등의 각종 질병을 유발할 수 있는 유해가스를 인식하고 구별하는 고성능 가스센서 설계 기술 개발에 성공했다.
해당 연구 결과는 세계적 권위 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 25일 오후 7시(한국시간 기준) 온라인 판에 게재됐다.
최근 산업의 첨단화 및 인체 건강, 환경 오염에 대한 관심이 깊어짐에 따라, 실내외 환경 가스의 보다 정밀한 검지에 활용가능한 고기능 가스센서에 대한 수요가 급격히 증가하고 있다.
특히, 방향족 탄화수소(벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌, 스타이렌)는 노출시 백혈병, 안질환, 편두통, 호흡기/신경계 계통의 다양한 질환을 유발할 수 있어, 인체에 매우 유해한 것으로 알려져 있다. 이런 방향족 탄화수소는 가구, 용매, 페인트 등 다양한 장소와 제품에서 방출되고 있으므로 그 농도를 정확하게 검출하는 것은 매우 중요하다.
벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠 등의 방향족 탄화수소는 실내에 매우 미량의 농도인 ppm(1백만분의 1) 수준으로 저농도로 존재하므로, 아주 적은 양의 방향족 탄화수소를 잡아 낼 수 있는 고감도 센서가 필요하다.
실내 공기에는 방향족 탄화수소 이외에도 여러 방해가스가 동시에 존재하기 때문에, 정확한 분석을 위해서는 방향족 탄화수소에 대한 선택성을 높이는 것이 중요하다.
연구진은 산화물 반도체형 가스센서 감응막에 나노 미터 두께의 산화세륨(CeO2) 촉매층을 코팅해 이중층 구조로 만들면, 낮은 반응성의 방향족 탄화수소는 산화되지 않고 감응막 안쪽으로 투과되지만 고반응성의 방해가스는 이산화탄소(CO2)와 수증기(H2O)로 산화 제거됨으로 방향족 탄화수소만을 고감도/고선택적으로 검출할 수 있음을 확인했다.
연구에서 개발된 센서는 실내에 존재할 수 있는 다른 방해가스 대비 44배 수준의 높은 선택성을 나타냄으로, 가스가 혼재된 상황에서도 주변 환경에 방해받지 않고 실내공기질의 변화를 정확하게 판달 할 수 있는 것이 장점이다.
특히, 방향족 탄화수소 이외의 높은 반응성의 방해가스만을 효과적으로 제거하는 산화세륨막 코팅은 다양한 감응물질(산화주석, 촉매가 첨가된 산화주석, 산화인듐, 촉매가 첨가된 산화인듐, 산화텅스텐, 산화아연)의 센서에 적용 가능하므로 센서 및 센서어레이를 통한 인공후각의 정확성을 근본적으로 향상시키는 범용적인 방법으로 활용 가능하다.
또한 산화세륨 촉매층이 코팅된 이중층 구조는 방향족 탄화수소의 개별 가스에 대해 부분적으로 높은 선택성을 나타내는 동시에 방해가스에 대해서는 낮은 감도를 나타내도록 가스 감응특성의 설계도 가능하다. 따라서 이중층센서로 어레이를 만들면 각각의 방향족 탄화수소에 대해서도 정성적 및 정량적으로 인식하고 분별할 수도 있다.
정성용 연구교수는 “사람들은 하루 중 대부분의 시간을 실내에서 보내기 때문에 실내 공기질 관리는 무엇보다 중요하다. 이번 연구는 새집증후군 원인 물질인 방향족 탄화수소를 고감도로 검지하는 동시에 방해가스에 대한 영향을 최소화 할 수 있는 새로운 센서 설계 기술을 제안했다는 데 큰 의의가 있다”며 “개발된 센서 설계 기술은 다양한 센서에 범용적으로 적용이 가능하므로 추후 공기질 모니터링, 모바일 헬스케어, 식품의 신선도 관리 분야의 다양한 분야에 응용되어 인간의 삶을 더 편리하게 할 것으로 기대한다.”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 세종과학펠로우십과 중견연구의 지원으로 수행됐다.
□ 특히, 방향족 탄화수소(벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌, 스타이렌)는 노출시 백혈병, 안질환, 편두통, 호흡기/신경계 계통의 다양한 질환을 유발할 수 있어, 인체에 매우 유해한 것으로 알려져 있다. 이런 방향족 탄화수소는 가구, 용매, 페인트 등 다양한 장소와 제품에서 방출되고 있으므로 그 농도를 정확하게 검출하는 것은 매우 중요하다.
○ 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠 등의 방향족 탄화수소는 실내에 매우 미량의 농도인 ppm (1백만분의 1) 수준으로 저농도로 존재하므로, 아주 적은 양의 방향족 탄화수소를 잡아 낼 수 있는 고감도 센서가 필요하다.
○ 실내 공기에는 방향족 탄화수소 이외에도 여러 방해가스가 동시에 존재하기 때문에, 정확한 분석을 위해서는 방향족 탄화수소에 대한 선택성을 높이는 것이 중요하다.
□ 연구진은 산화물 반도체형 가스센서 감응막에 나노 미터 두께의 산화세륨(CeO2) 촉매층을 코팅해 이중층 구조로 만들면, 낮은 반응성의 방향족 탄화수소는 산화되지 않고 감응막 안쪽으로 투과되지만 고반응성의 방해가스는 이산화탄소(CO2)와 수증기(H2O)로 산화 제거됨으로 방향족 탄화수소만을 고감도/고선택적으로 검출할 수 있음을 확인했다.
* 산화물 반도체형 가스센서(Oxide semiconductor gas sensors) : 산화물 기반의 반도체(SnO2, ZnO, In2O3, Co3O4 등)가 환원성 및 산화성 가스와 반응하여 저항의 변화를 나타내는 소자. 감도가 우수하고 소형화에 유리하여 사물인터넷과 결합하여 센서네트워크를 형성하거나, 센서 배열을 통해 소형 인공후각을 구현하는 데 효과적임.
□ 연구에서 개발된 센서는 실내에 존재할 수 있는 다른 방해가스 대비 44배 수준의 높은 선택성을 나타냄으로, 가스가 혼재된 상황에서도 주변 환경에 방해받지 않고 실내공기질의 변화를 정확하게 판달 할 수 있는 것이 장점이다.
□ 특히, 방향족 탄화수소 이외의 높은 반응성의 방해가스만을 효과적으로 제거하는 산화세륨막 코팅은 다양한 감응물질(산화주석, 촉매가 첨가된 산화주석, 산화인듐, 촉매가 첨가된 산화인듐, 산화텅스텐, 산화아연)의 센서에 적용 가능하므로 센서 및 센서어레이를 통한 인공후각의 정확성을 근본적으로 향상시키는 범용적인 방법으로 활용 가능하다.
□ 또한 산화세륨 촉매층이 코팅된 이중층 구조는 방향족 탄화수소의 개별 가스에 대해 부분적으로 높은 선택성을 나타내는 동시에 방해가스에 대해서는 낮은 감도를 나타내도록 가스 감응특성의 설계도 가능하다. 따라서 이중층센서로 어레이를 만들면 각각의 방향족 탄화수소에 대해서도 정성적 및 정량적으로 인식하고 분별할 수도 있다.
□ 정성용 연구교수는 “사람들은 하루 중 대부분의 시간을 실내에서 보내기 때문에 실내 공기질 관리는 무엇보다 중요하다. 이번 연구는 새집증후군 원인 물질인 방향족 탄화수소를 고감도로 검지하는 동시에 방해가스에 대한 영향을 최소화 할 수 있는 새로운 센서 설계 기술을 제안했다는 데 큰 의의가 있다”며 “개발된 센서 설계 기술은 다양한 센서에 범용적으로 적용이 가능하므로 추후 공기질 모니터링, 모바일 헬스케어, 식품의 신선도 관리 분야의 다양한 분야에 응용되어 인간의 삶을 더 편리하게 할 것으로 기대한다.”고 말했다.
□ 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 세종과학펠로우십과 중견연구의 지원으로 수행됐다.
