대학원 소식
문영국 박사과정, 정성용 교수팀, 실내공기 오염물질 골라잡는 `유해가스 인식 전자코` 개발
2023.01.26 Views 320
실내공기 오염물질인 방향족 탄화수소 골라 잡는다
'유해가스 인식 전자코' 개발
정성용 교수팀, 인공후각용 고감도·고선택성 가스센서 설계 기술 개발
차세대 인공후각 설계 및 고도화에 기여할 것 기대
연구 결과, ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 게재돼
▲ 교신저자/공동 제1저자 정성용 연구교수(왼쪽), 공동 제1저자 문영국 박사과정(오른쪽)
'유해가스 인식 전자코' 개발
정성용 교수팀, 인공후각용 고감도·고선택성 가스센서 설계 기술 개발
차세대 인공후각 설계 및 고도화에 기여할 것 기대
연구 결과, ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 게재돼
▲ 교신저자/공동 제1저자 정성용 연구교수(왼쪽), 공동 제1저자 문영국 박사과정(오른쪽)
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 1월 25일 오후 7시(한국시간 기준) 온라인 판에 게재됐다.
* 논문명: Exclusive detection of volatile aromatic hydrocarbons using bilayer oxide chemiresistors with catalytic overlayers
* 저널명: Nature Communications
* 저자정보: 정성용(교신저자/공동 제1저자, 고려대_첨단소재부품개발연구소_연구교수, University of California, San Diego_Department of Nanoengineering_방문학자), 문영국(공동 제1저자, 고려대_신소재공학부_박사과정), Joseph Wang(공동저자, University of California, San Diego_Department of Nanoengineering_교수), 故이종흔(공동저자, 고려대_신소재공학부_교수).
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.
* 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.
[ 그 림 설 명 ]
(그림1) 가스 감응 원리를 보여주는 대표 그림
(상단 그림) 산화세륨 (CeO2) 촉매층이 코팅된 Rh–SnO2 이중층 센서의 가스감도
(하단 그림) 산화세륨 촉매층이 코팅된 이중층 센서 어레이 모식도; 좌측의 방향족 탄화수소는 감응막 상단의 산화세륨 촉매층을 통과하지만 우측의 방해가스는 산화세륨 촉매층에서 산화 제거 된다.
(그림2) 산화세륨 촉매층이 코팅된 Rh–SnO2 이중층 센서의 성능 비교 그림
상기의 산화세륨이 코팅된 이중층 센서는 산화세륨의 코팅 두께에 상관없이 기타 학술지에 보고된 다른 산화물 반도체의 가스감도와 선택성(회색 영역)에 비해 매우 큰 수치를 나타낸다.
(그림3) 산화세륨 촉매층이 코팅된 이중층 센서의 가스 감응 패턴
(상단 그림) 산화세륨이 코팅되지 않은 단일층의 산화주석, 백금 첨가 산화주석, 금 첨가 산화주석, 산화인듐, 로듐 첨가 산화인듐, 금 첨가 산화인듐, 산화텅스텐, 산화아연 센서는 모든 가스에 비슷한 감도를 나타내 선택성이 부족하지만, (하단 그림) 산화세륨이 코팅된 이중층 센서는 감응막의 종류에 상관없이 방향족 탄화수소의 감도는 유지하는 동시에 방해가스의 감도를 미미한 수준으로 낮춘다.
(그림4) 산화세륨 촉매층이 코팅된 이중층 센서를 이용한 주성분 분석(PCA) 결과
산화세륨이 코팅된 이중층 센서를 이용해 어레이화하면, 각각의 방향족 탄화수소(벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌, 스타이렌)에 대해서 정성적 및 정량적으로 인식하고 분별 할 수 있다.
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