향후 웨어러블 기기 활용 기대
[기계신문] 고려대학교 공과대학 신소재공학부 이종흔 교수 연구팀이 상온에서 산화물의 광활성화 및 분자체거름막 적용을 통하여 1군 발암물질인 포름알데히드를 고감도·고선택적으로 검지하는 가스센서를 개발했다.
포름알데히드는 세계보건기구(WHO) 산하 국제암연구기관(IARC)에서 분류한 1군 발암물질이며, 새집증후군의 주요 원인 물질 중 하나로 인체에 유해하여 이를 고감도·고선택적으로 검지하는 것이 필수적이다.
한국에서 포름알데히드는 다중 이용시설의 실내 공기질 유지 기준치가 0.08 ppm 정도로 매우 낮은 농도의 기준치를 가지고 있어 저농도의 포름알데히드를 검지해낼 수 있는 고감도의 센서가 필요하다.
실내 공기에는 포름알데히드 이외에도 여러 방해가스가 존재하기 때문에 포름알데히드를 정확하게 검지하기 위해서 고선택성을 확보하는 기술이 필요하다.
연구팀은 산화물 반도체의 광활성화를 이용하여 포름알데히드 가스에 대한 감도를 비약적으로 상승시켰으며 다른 방해가스의 감도를 미미한 수준으로 감소시켰다.
또한, 포름알데히드의 선택성을 더 향상시키기 위해 분자의 크기가 작은 포름알데히드만을 투과시키고, 분자의 크기가 큰 방해가스를 걸러내는 분자체거름막을 설계하여 센서에 적용했다.
분자체거름에 적절한 기공크기를 가지는 금속유기골격체 중 하나인 ZIF-7과 고분자(PEBA)를 혼합하여 혼합기질막 형태로 감응물질 위에 균일하게 도포함으로써 방해가스를 효과적으로 제거하고 포름알데히드만을 막 안쪽으로 투과시켜 포름알데히드에 대한 선택성을 상승시킬 수 있음을 규명했다.
이때, 금속유기골격체(Metal-organic framework, MOF)는 금속 이온과 유기분자가 연결되어 형성된 골격 구조의 다공성 물질을 의미하고, PEBA(Poly(ether-block-amide)는 열가소성 탄성중합체로써 카르복실산 폴리아미드와 알코올 말단 폴리에테르를 축합하여 얻어지는 블록 공중합체이다.
고분자가 포함된 혼합기질막, 산화물 반도체, 유연기판을 이용하여 센서를 만들 경우, 새집증후군의 주요 원인 가스인 포름알데히드를 측정하는 웨어러블 기기 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
이종흔 교수는 “이번 연구에서 제안한 포름알데히드 가스센서를 공기청정기, 스마트폰 등에 적용한다면 사용자가 실내 공기에 포함되어있는 유해물질을 실시간으로 모니터링할 수 있어, 환경오염의 파악 및 오염원 제거 등이 신속하게 이루어질 수 있다”며 “지속적으로 변화하는 습도에 대한 센서 안정성을 향상시키는 것이 실용화를 위한 과제”라고 언급했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자 지원사업으로 수행됐으며, 연구 결과는 국제 저널 ‘네이쳐 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 8월 16일 오후 6시(한국시간 기준) 온라인 판에 게재됐다.
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