우리 연구진이 날숨만으로 각종 지령 여부를 파악하는 센서 기술을 구현했다. 황 기반 생체지표 가스를 극미량도 감지할 수 있게 했다.
한국과학기술원(KAIST)은 김일두 신소재공학과 교수팀, 최성율 전기 및 전자공학부 교수팀이 공동연구로 이 같은 성과를 냈다고 18일 밝혔다.
400~900나노미터(㎚) 파장을 가진 강한 빛을 금속산화물 나노 시트에 쪼여 0.02초 만에 다성분계 금속 합금 나노입자 촉매를 합성하고, 이를 가스 센서 플랫폼에 성공적으로 적용했다.
이 센서 플랫폼은 날숨에 포함된 생체지표 가스를 선택적으로 감지해 질병을 실시간 관찰할 수 있다. 날숨 가스 성분에는 구취 생체지표 가스이자 황화합물인 황화수소, 메틸머캅탄, 디메틸설파이드가 포함된다.
이중 황화수소는 구취, 메틸머캅탄 가스는 잇몸병 환자에게서 높은 농도로 배출된다.
연구팀은 이번 연구에서 백색 산화물 나노소재는 '밴드 갭'이 커 빛 흡수율이 낮은 백색 산화물 나노소재 광열효과를 극대화하는 전략을 최초로 제시했다. 밴드 갭은 전자가 속박 상태에서 자유롭게 벗어나기 위해 필요한 에너지 차를 의미한다. 보통 소재 밴드갭이 커질수록 빛 흡수율이 낮아진다.
연구팀은 주석산화물(SnO₂)이 10㎚ 이하 나노 결정립(결정 집합체)으로 이뤄진 나노 시트 형상일 때, 빛에너지가 열에너지로 효과적으로 전환됨을 최초로 관찰했다.
연구팀은 또 나노 시트 내 다수 결함을 이용하고, 기공 구조를 구현해 열이 소재 외부로 잘 빠져나가지 않게 했다. 강력한 빛이 조사된 부분 소재 온도가 1800도 이상 급격하게 상승하는 것을 확인했다. 이를 활용해 다성분계 금속 나노입자 촉매를 대기 중에서 0.02초 만에 광열 합성하는데 성공했다.
촉매가 만들어진 금속산화물 나노 시트를 센서 소재로 활용, 세계 최고 수준 황 기반 가스 감지 성능을 구현했다. 특히 백금(Pt), 백금-루테늄-이리듐(PtRuIr) 촉매가 각각 생긴 주석산화물은 1ppm(백만분의 일) 수준 황화수소와 디메틸 설파이드가스에 대해 약 3165배, 6080배 저항 변화비 특성을 나타냈다. 이는 세계 최고 수준이다.
연구팀은 추가로 미세전자기계시스템(MEMS) 기반 휴대용 가스 센서를 개발했다. MEMS 센서는 센서부 크기가 0.1밀리미터(㎜) 크기로 작아, 1그램(g) 감지 소재로 8000여개 센서를 제작할 수 있다. 연구팀은 센서 어레이화, 모바일 기기 연동으로 10밀리와트(㎽) 이하 초저전력, 초소형 생체지표 검출 가스 센서 플랫폼을 개발했다.
최성율·김일두 교수는 “강한 빛을 1초도 안되는 짧은 시간동안 간편하게 조사하는 방식과 소재 광열효과를 극대화하는 합성기법은 금속산화물 상(phase) 조절과 촉매 기능화를 초고속, 대면적으로 가능케 하는 새로운 공정 플랫폼이 될 것으로 기대된다”고 말했다. 그러면서 “조사 횟수에 따라 단일원자 촉매 대기 중 합성도 성공해, 세계 최고 수준 가스 감지 성능 결과를 유도했다는 측면에서 매우 의미가 있는 연구 결과이며, 매일같이 호흡 가스를 분석해 질병을 조기 모니터링하는 자가 진단 호흡 센서기기의 상용화에 효과적으로 적용될 수 있는 기술이 될 것”이라고 말했다.
이번 연구는 공동 제1 저자인 김동하 박사(현 MIT 박사후 연구원)와 차준회 박사(KAIST 전기 및 전자공학부) 주도로 진행됐다.
이번 연구 결과는 나노 및 화학 분야의 권위적인 학술지이자 셀(Cell) 자매지인 '켐(Chem)' 4월호에 표지 논문으로 선정됐다. 켐 프리뷰(Chem Preview)로도 소개됐다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
