휘발성 유기화합물 감지? '이지컷' 기술로 공략
휘발성 유기화합물 감지? '이지컷' 기술로 공략
  • 한다희
  • 승인 2018.04.13 16:02
  • 조회수 3995
  • 댓글 0
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세탁소나 주유소, 인쇄소 혹은 자동차 도로 주변은 특유의 냄새로 가득합니다. 몸에 좋은 냄새는 아님이 분명하지만 일상에 스며든 냄새입니다.

 

그런데 환경부 고시에 이런 냄새가 규제대상물질로 관리되고 있다는 사실 알고 계신가요? 냄새의 주범이 바로 휘발성 유기화합물(Volatile organic compounds, VOCs)이기 때문입니다. 휘발성 유기화합물은 피부나 호흡기를 통해 체내 흡수돼 신경계 장애를 일으키는 발암물질로 알려져 있습니다. 오랜 시간 노출되면 미량이라도 건강에 심각한 위협이 될 수 있기 때문에 조기 검출할 수 있는 센서에 대한 수요가 증가하고 있습니다.

 

기존의 센서로는 기체크로마토그래피 질량 분석기나 광이온화검출기 등과 같은 장비를 꼽는데요. 전원이 필요하고 휴대성이 좋지 않아 실시간으로 환경 유해 물질을 검출하는 데 한계점을 노출했습니다.

 

해결의 열쇠, '광결정의 원리'?!

 

쉽고 직관적으로 사용할 수 있는 저가의 VOCs 검출 센서 개발이 필요하게 됐는데요. 많은 연구팀들은 '광결정의 원리'에 주목하고 있습니다. 광결정은 특정 파장의 빛만을 반사해 고유의 광채를 갖게 되는데, 이를 구조색이라 합니다. 구조색은 격자 구조의 간격에 따라 달라집니다.

 

입자 배열이 다르면 색도 달라져요
입자 배열이 다르면 색도 달라져요! 출처: LG 디스플레이

구조색 변화를 센서로 활용하기 위한 시도가 이어지고 있습니다. 광결정 기반의 센서를 상용화하기 위해서는 재현성을 높이기가 제1 과제입니다. 대면적으로 제작된 경우 시편, 즉 '시험 분석에 쓰기 위해 골라낸 광석이나 광물 조각'마다 성능의 편차가 크고 심지어 같은 시편 내에서 서로 다른 색 변화를 나타내기도 하기 때문입니다. 뿐만 아니라 반응 속도가 느리고 감도가 낮다는 점도 극복해야할 한계로 지적되고 있습니다.

 

휘발성 유기화합물 고속 검출!

 

이런 가운데 박정열 서강대 교수, 김태성 울산과학기술원 교수 공동 연구팀은 VOCs를 '고속'으로 검출할 수 있는 '무전원' 센서 개발에 성공하였습니다. 연구팀은 전원 없이 색변화를 유도하기 위하여 PDMS(polydimethylsiloxane)라는 실리콘의 성질에 주목했는데요. 응답 성능을 개선하기 위해 일회용 커피 포장의 이지-컷(Easy cut) 기술에 주목하였습니다.

 

쉽게 쫙~ 뜯낍니다.

PDMS는 VOCs에 노출될 경우 팽윤, 즉 고분자 화합물이 용매를 흡수해 부피가 늘어나 광결정 구조의 간격에 변화를 유도합니다. 센서의 색을 변하게 하죠.

 

한편 센서의 반응을 저해하는 잔류물질은 나노 규모에서의 이지-컷 공정(Nanoscale easy tear process, NET)으로 깔끔하게 떨어뜨려, 광결정-실리콘 구조가 외부공기 및 수중에 직접적으로 노출될 수 있도록 했습니다.

 

일회용 커피봉지 봉제선의 구조와 유사한 NET 개념도
일회용 커피봉지 봉제선과 NET는 닮았어요! 출처: Scientific reports

박정열 교수는 "색 변화로 수초 이내에 기체 상태의 유해물질을 감지할 수 있어 누구나 쉽게 육안으로 환경을 모니터링할 수 있을 것"이라며 "나아가 광결정 기반의 복합형 센서를 개발해 여러 환경오염원의 동시 검출이 가능하다"고 연구의 의의를 설명했습니다.

 

이어 "광결정 센서는 원하는 화학물질만을 선택적으로 검지하기 어렵다는 단점을 가지고 있다"며 "패터닝 및 집적화 기술을 적용해 화학물질에 대한 선택성 문제를 해결하겠다"며 후속 연구계획을 밝혔습니다.

 

한편, 이번 연구 성과는 국제학술지 사이언티픽 리포트(Scientific reports) 3월 28일 논문으로 게재되었습니다.


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