극미량의 '황 기반 생체지표 가스' 감지 가능
'초소형 휴대용 센서' 개발...'자가 진단 호흡 센서기기' 상용화 기대
(내외방송=정지원 기자) 앞으로 '호흡할 때 나오는 가스'들의 농도 변화를 검사해 '건강 이상 여부'를 판단할 수 있을 전망이다.
KAIST는 18일 김일두 신소재공학과 교수 연구팀과 최성율 전기및전자공학부 교수 연구팀이 공동연구를 통해 강한 빛(400~900 나노미터 파장)을 '금속산화물 나노 시트'에 짧게 조사해 연구를 진행한 후 결과를 발표했다.
연구팀은 이 시트에 0.02호만에 '다성분계 금속 합금 나노입자 촉매'를 합성하고, 아주 적은 양의 '황 기반 생체지표 가스'를 감지할 수 있는 '가스 센서 플랫폼'에 성공적으로 적용했다.
'가스 센서 플랫폼'은 사람의 '날숨'에 포함된 다양한 질병과 관련돼있는 아주 적은 양의 '생체지표 가스'를 선택적으로 감지해 특정한 질병을 실시간으로 모니터링할 수 있는 기술이다.
이렇게 '날숨'만으로 각종 질병 여부를 파악하는 '비침습적(세균이 체내로 들어감) 호흡 지문 센서 기술'은 미래의 핵심 기술이다.
날숨 속 특정 가스들의 '농도 변화'를 검사해 건강 이상 여부를 판단할 수 있게 되는 것이다.
'날숨 속 가스'의 성분은 수분 외에도 구취의 생체지표 가스인 ▲황화수소 ▲메틸머캅탄 ▲디메틸설파이드인 '3종 황 화합물'이 포함된다.
'황화수소'는 구취를, '메틸머캅탄 가스'는 잇몸병 환자에게 높은 농도로 배출되는 생체지표 가스다.
이에 연구팀은 물질의 전기적, 광학적 성질을 결정하는 요인인 '밴드 갭(전자가 속박 상태에서 자유롭게 벗어나기 위해 필요한 에너지 차이)'가 커 빛의 흡수율이 낮은 '백색 산화물 나노소재'에서 '광열효과(흡수된 빛에너지가 열로 변환)'를 극대화하는 전략을 최초로 제시했다.
'밴드 갭'이 커질수록 빛 흡수율이 낮아지며 유리처럼 밴드 갭이 매우 큰 물질은 빛이 투과돼 투명하게 보인다.
연구팀은 '주석산화물(SnO2)'이 10 나노미터 이하의 '나노 결정립(결정들의 집합체)'들로 구성된 나노 시트 형상을 나타낼 때 흡수된 빛에너지가 열에너지로 효과적으로 전환된다는 것을 최초로 관찰했다.
또 높은 '기공(고체 재료 속 기포로 인해 생긴 구멍) 구조'와 나노 시트 내 '다수의 결함'을 통해 열전도도를 인위적으로 낮춰 발생된 열이 외부로 잘 빠져나가지 않는다는 것도 발견했다.
'제논 램프'에서 빛이 조사된 부분은 온도가 1800℃ 이상 급격하게 상승하는 것을 연구팀은 '적외선 센서 시스템'을 통해 확인했다.
연구팀은 이를 활용해 '금속산화물의 상'을 제어함과 동시에 '다성분계 금속 나노입자 촉매'를 공기 중에서 '0.02초'만에 '광열 합성'하는 데 성공했다.
합성한 '다성분계 입자 촉매'들이 결합된 금속산화물 나노 시트를 센서 소재로 활용해 세계 최고 수준의 '황 기반 가스 감지 성능'을 구현해 낸 것이다.
특히 '백금(Pt')과 '3성분계 백금-루테늄-이리듐(PtRuIr) 촉매'가 각각 결합된 주석산화물의 경우 1ppm(백만분의 일) 수준의 황화수소와 디메틸 설파이드 가스에 대해 각각 3165배, 6080배의 저항 변화비 특성을 나타낸다는 것이 확인됐다.
연구팀은 추가로 '미세전자기계시스템(MEMS)'을 기반으로 한 '휴대용 가스 센서'를 개발했다.
이 센서는 센서부 크기가 0.1mm로 작아서 1g의 감지 소재로 8000여개 정도의 센서를 제작할 수 있다.
이어 연구팀은 MEMS 가스 센서 어레이화(배열)와 모바일 기기와의 연동을 통해 '초저전력', '초소형 생체지표 검출 가스 센서 플랫폼'을 개발했다.
최 교수와 김 교수는 "강한 빛을 1초도 안 되는 짧은 시간 동안 간편하게 조사하는 방식과 소재의 광열효과를 극대화하는 합성기법은 금속산화물의 상 조절과 촉매 기능화를 초고속으로 가능하게 하는 '새로운 공정 플랫폼'이 될 것으로 기대한다"고 밝혔다.
특히 "램프 조사 횟수에 따라 단일원자 촉매의 대기 중 합성도 성공해 세계 최고 수준의 가스 감지 성능 경과를 유도했다는 측면에서 매우 의미가 있다"며 '자가진단 호흡 센서기기'의 상용화를 기대했다.
이 연구는 공동 제1저자인 김동하 박사(KAIST 신소재, 現 MIT 박사후연구원)와 차준회 박사(KAIST 전기및전자공학부)의 주도하에 진행됐으며 최 교수와 김 교수가 교신저자로 참여했다.
이번 연구 결과는 나노 및 화학 분야 학술지인 Cell지의 자매지인 '켐(Chem)' 4월호 표지 논문으로 선정됐으며 '광열램핑 합성'으로 '켐 프리뷰(Chem Preview)'로도 소개됐다.
