- 김일두 교수, 최성율 교수 연구팀, 강한 빛(400 나노미터-900 나노미터 파장)을 조사하여 빛을 열에너지로 잘 변환하는 나노소재의 온도가 1,800oC까지 상승하는 급속 광열효과 전략을 최초로 제시
- 나노소재 표면에 다성분계 금속 나노입자 촉매 0.02초 만에 제조 성공하여 극미 량의 황 기반 생체지표 가스 감지 가능한 가스 센서 플랫폼 구축
- 각종 질병 여부 파악하는 날숨 속 특정 가스들의 농도변화를 검사하여, 세계 최 고 수준의 황 가스 감지 성능 구현 및 초소형 MEMS 휴대용 센서 개발
- 매일 호흡 가스 분석하여 질병을 조기 모니터링 가능한 자가 진단 호흡 센서기기 상용화에 활용 기대
KAIST(총장 이광형)는 신소재공학과 김일두 교수 연구팀과 전기및전자공학부 최성율 교수 연구팀이 공동연구를 통해 강한 빛(400 나노미터~900 나노미터 파장)을 금속산화물 나노 시트에 짧게 조사해, 0.02초 만에 다성분계 금속 합금 나노입자 촉매를 합성하고, 이를 극미량의 황 기반 생체지표(biomarker) 가스를 감지할 수 있는 가스 센서 플랫폼에 성공적으로 적용했다고 18일 밝혔다.
이 가스 센서 플랫폼은 사람의 날숨에 포함된 다양한 질병과 관련된 미량의 생체지표 가스를 선택적으로 감지해 관련된 특정 질병을 실시간 모니터링할 수 있는 기술이다. 날숨만으로 각종 질병 여부를 파악하는 비침습적 호흡 지문 센서 기술은 핵심 미래 기술이다. 날숨 속 특정 가스들의 농도변화를 검사해 건강 이상 여부를 판단할 수 있다.
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.
공동연구팀은 이번 연구에서 전자(electron)가 속박 상태에서 자유롭게 벗어나기 위해 필요한 에너지 차를 의미하는 밴드 갭(band gap, 물질의 전기적, 광학적 성질을 결정하는 요인)이 커 빛 흡수율이 낮은 백색 산화물 나노소재에서의 광열효과를 극대화하는 전략을 최초로 제시했다. 일반적으로 소재의 밴드갭이 커질수록 빛 흡수율이 낮아지며, 유리와 같이 밴드 갭이 매우 큰 물질은, 빛이 투과되어 투명하게 보이게 된다. 연구팀은 주석산화물(SnO2)이 10 나노미터 이하의 나노 결정립들로 구성된 나노 시트 형상을 나타낼 때, 흡수된 빛에너지가 열에너지로 효과적으로 전환됨을 최초로 관찰하였다. 또한, 높은 기공 구조와 나노 시트 내 다수의 결함을 통해 열 전도도를 인위적으로 낮춰 발생 된 열이 소재 외부로 잘 빠져나가지 않게 했다. 대면적 제논 램프(Xenon lamp)의 빛이 조사된 부분은 소재의 온도가 1,800oC 이상까지 급격하게 상승하는 것을 적외선 센서 시스템을 통해 확인했다.
공동연구팀은 이를 활용해 금속산화물의 상을 제어함과 동시에 다성분계 금속 나노입자 촉매를 대기 중에서 0.02초 만에 광열 합성하는 데 성공했다. 합성한 다성분계 입자 촉매들이 결착된 금속산화물 나노 시트를 센서 소재로 활용해 세계 최고 수준의 황 기반 가스 감지 성능을 구현했다. 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 나타냄을 확인했다.
추가로, 연구팀은 미세전자기계시스템(MEMS) 기반 휴대용 가스 센서를 개발했다. MEMS 센서는 센서부 크기가 0.1밀리미터 크기로 작아서, 1g의 감지 소재로 8천여 개 정도의 센서를 제작할 수 있다. 연구팀은 MEMS 가스 센서 어레이화와 모바일 기기와의 연동을 통해 초저전력(< 10 mW), 초소형 생체지표 검출 가스 센서 플랫폼을 개발했다.
KAIST 최성율 교수와 김일두 교수는 "강한 빛을 1초도 안되는 짧은 시간동안 간편하게 조사하는 방식과 소재의 광열효과를 극대화하는 합성기법은 금속산화물의 상(phase) 조절과 촉매 기능화를 초고속, 대면적으로 가능하게 하는 새로운 공정 플랫폼이 될 것으로 기대된다ˮ고 밝혔다. 특히, "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 것이다ˮ고 밝혔다.
이번 연구는 공동 제1 저자인 김동하 박사(KAIST 신소재, 현 MIT 박사후 연구원)와 차준회 박사(KAIST 전기및전자공학부)의 주도하에 진행됐으며, 최성율 교수(KAIST 전기및전자공학부)와 김일두 교수(KAIST 신소재)가 교신저자로 참여했다.
이번 연구 결과는 나노 및 화학 분야의 권위적인 학술지이자 Cell지의 자매지인 `켐(Chem)' 4월호에 표지 논문으로 선정됐으며, ‘광열램핑(Flash-Thermal Lamping) 합성’으로 켐 프리뷰(Chem Preview)로도 소개되었다. 본 연구는 한국연구재단 중견연구자지원 사업, 과학기술정보통신부와 산업통상자원부 사업, 한국연구재단 미래소재디스커버리 사업의 지원을 받아 수행됐다.
<용어 설명>
1. 생체지표 : 단백질이나 DNA, 대사물질, 유기체 등을 이용해 몸 안의 변화를 알아낼 수 있는 지표를 의미함. 생체지표 가스는 몸 안의 대사과정 중에 발생하는 가스가 날숨을 통해 배출되고 이를 역으로 감지함으로써 몸의 건강 상태를 진단할 수 있음.
2. 금속산화물 반도체식 센서 : 감지소재의 표면에 가스가 흡착될 때 발생하는 저항변화 신호를 인식하는 센서. 현재 금속산화물 반도체 기반 감지소재를 활용하여 유해환경 인자 검출 센서로 상용화되어 있음.
3. 광열효과 : 빛이 물질에 흡수되었을 때 나타나는 현상으로, 빛에너지가 물질내의 전자와의 상호작용으로 열에너지로 변환되는 현상. 일반적으로 밴드갭이 클수록 빛의 흡수가 아닌 투과가 일어나기 때문에 광열효율이 낮음. 때문에, 밴드갭이 작은 물질은 대부분의 빛을 흡수하여 검정색을 나타냄. 반면, 밴드갭이 큰 백색 산화물은 대부분의 빛을 투과하여 광열효율이 낮음.
4. 제논 램프 : 제논 기체가 특정 압력으로 채워진 램프로 가스 방점 램프의 한 종류. 이온화된 제논 가스에 전기를 통과시키면 다양한 파장대의 빛을 가진 백색광을 방출하게 됨.
그림 1. Chem 4월호 표지 이미지.
그림 2. 그래핀 산화물 템플레이팅 기법을 통해 합성한 금속산화물 나노쉬트 및 플래쉬 램프 조사를 통한 금속산화물의 표면 활성 제어 모식도.
그림 3. (A) 플래쉬 램프 조사에 따른 다성분계 금속 나노입자 촉매가 결착된 금속산화물 합성 모식도. (B) 플래쉬 램프 조사 시 온도-시간 그래프.
그림 4 (A) PtRu, (B) PtIr, (C) PtRuIr 금속 나노입자 촉매가 결착된 주석산화물의 주사투과전자현미경 및 에너지 분산 분광 이미지.
그림 5. 플래쉬 램프 공정의 roll-to-roll 대량 합성 모식도.
그림 6. (A) MEMS 센서 제작 이미지 및 (B) 4종 MEMS 센서 어레이가 장착된 휴대용 센서 디바이스 사진 (11 cm X 5 cm 크기).
