카이스트, “사람 날숨 속 특정 가스 농도변화 검사해 건강 이상 확인한다”
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카이스트, “사람 날숨 속 특정 가스 농도변화 검사해 건강 이상 확인한다”
  • 이기종 기자
  • 승인 2022.04.18 13:00
  • 댓글 0
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세계 최고 수준의 황 기반 가스 감지 성능을 갖춘 미세전자기계시스템(MEMS) 기반 휴대용 가스 센서를 개발한 카이스트 김일두 교수와 최성률 교수팀의 연구는  나노 및 화학 분야의 권위적인 학술지인 켐(Chem) 4월호에 게재됐다.(자료=켐·카이스트 김일두 교수팀)
세계 최고 수준의 황 기반 가스 감지 성능을 갖춘 미세전자기계시스템(MEMS) 기반 휴대용 가스 센서를 개발한 카이스트 김일두 교수와 최성률 교수팀의 연구는 나노 및 화학 분야의 권위적인 학술지인 켐(Chem) 4월호에 게재됐다.(자료=켐·카이스트 김일두 교수팀)

[대전=뉴스프리존] 이기종 기자= 한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 김일두 교수팀과 전기및전자공학부 최성율 교수팀이 세계 최고 수준의 황 기반 가스 감지 성능을 갖춘 미세전자기계시스템(MEMS) 기반 휴대용 가스 센서를 개발했다고 18일 밝혔다.

가스 센서 플랫폼은 사람의 날숨에 포함된 다양한 질병과 관련된 미량의 생체지표 가스를 선택적으로 감지해 관련된 특정 질병을 실시간 관찰할 수 있는 기술이다.

특히 날숨만으로 각종 질병 여부를 파악하는 비침습적 호흡 지문 센서 기술은 핵심 미래 기술이다.

일반적으로 날숨 속 특정 가스들의 농도변화를 검사해 건강 이상 여부를 판단할 수 있고 날숨 가스의 성분에는 수분 외에도 구취의 생체지표 가스인 황화수소(hydrogen sulfide), 메틸머캅탄(methyl mercaptan), 디메틸설파이드(dimethyl sulfide)의 3종 황 화합물이 포함된다.

그중에서 황화수소는 구취, 메틸머캅탄 가스는 잇몸병 환자에게서 높은 농도로 배출되는 생체지표 가스로서 상기 3종 황화합물 가스를 선택적으로 감지하는 것이 매우 중요하다.

이번 연구팀은 이러한 연구 필요성에 따라 각종 질병 여부 파악하는 날숨 속 특정 가스들의 농도변화를 검사하는 세계 최고 수준의 황 가스 감지 성능을 갖춘 초소형 MEMS 휴대용 센서를 개발했다.

연구과정을 보면 이번 연구에서 전자(electron)가 속박 상태에서 자유롭게 벗어나기 위해 필요한 에너지 차를 의미하는 밴드갭(band gap, 물질의 전기적, 광학적 성질을 결정하는 요인)이 커 빛 흡수율이 낮은 백색 산화물 나노소재에서의 광열효과를 극대화하는 전략을 최초로 제시했다.

이어 주석산화물(SnO2)이 10 나노미터 이하의 나노 결정립들로 구성된 나노 시트 형상을 나타낼 때 흡수된 빛에너지가 열에너지로 효과적으로 전환됨을 최초로 관찰했다.

일반적으로 소재의 밴드갭이 커질수록 빛 흡수율이 낮아지며 유리와 같이 밴드 갭이 매우 큰 물질은 빛이 투과되어 투명하게 보이게 된다.

또 높은 기공 구조와 나노 시트 내 다수의 결함을 통해 열 전도도를 인위적으로 낮춰 발생 된 열이 소재 외부로 잘 빠져나가지 않게 했다.

이 과정에서 대면적 제논 램프(Xenon lamp)의 빛이 조사된 부분은 소재의 온도가 1,800도 이상까지 급격하게 상승하는 것을 적외선 센서 시스템을 통해 확인했다.

이를 활용해 금속산화물의 상을 제어함과 동시에 다성분계 금속 나노입자 촉매를 대기 중에서 0.02초 만에 광열 합성하는 데 성공했다.

특히 백금(Pt)과 3성분계 백금-루테늄-이리듐(PtRuIr) 촉매가 각각 결착된 주석산화물의 경우 1ppm(백만분의 일) 수준의 황화수소 (H2S)와 디메틸 설파이드 (C2H6S)가스에 대해 약 3,165배, 6,080배의 세계 최고 수준의 저항 변화비 특성을 나타냈다.

이 연구결과에 의하면 합성한 다성분계 입자 촉매들이 결착된 금속산화물 나노 시트를 센서 소재로 활용해 세계 최고 수준의 황 기반 가스 감지 성능을 구현하고 미세전자기계시스템(MEMS) 기반 휴대용 가스 센서를 개발했다.

이 MEMS 센서는 센서부 크기가 0.1밀리미터 크기로 작아서 1g의 감지 소재로 8천여 개 정도의 센서를 제작할 수 있다.

KAIST 최성율 교수는 “강한 빛을 1초도 안 되는 짧은 시간 동안 간편하게 조사하는 방식과 소재의 광열효과를 극대화하는 합성기법은 금속산화물의 상(phase) 조절과 촉매 기능화를 초고속, 대면적으로 가능하게 하는 새로운 공정 플랫폼이 될 것”이라고 설명했다.

이어 김일두 교수는 “램프 조사 횟수에 따라 단일원자 촉매의 대기 중 합성도 성공해 세계 최고 수준의 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 것이다”고 말했다.

공동 제1저자인 김동하 박사(KAIST 신소재, 현 MIT 박사후 연구원)와 차준회 박사(KAIST 전기및전자공학부)가 참여한 연구는 나노 및 화학 분야의 권위적인 학술지인 켐(Chem) 4월호에 게재됐다.

이 연구는 한국연구재단 중견연구자지원 사업, 과학기술정보통신부와 산업통상자원부 사업, 한국연구재단 미래소재디스커버리 사업의 지원을 받아 수행됐다.

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