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송기우

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고려대, 새집증후군 원인 물질(1군 발암물질) 검지 센서 개발

에너지경제신문   | 입력 2021.08.17 17:46

이종흔 교수팀, 포름알데히드 고감응/고선택적 검지센서 개발

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▲ 고려대 신소재공학부 이종흔 교수(교신저자, 왼쪽), 제1저자 조용건 박사과정 (사진=고려대)

[에너지경제신문 송기우 에디터] 고려대학교(총장 정진택) 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 포름알데히드 만을 투과시키고, 분자의 크기가 큰 방해가스를 걸러내는 분자체거름막을 설계하여 센서에 적용했다.

분자체거름에 적절한 기공크기를 가지는 금속유기골격체 중 하나인 ZIF-7과 고분자(PEBA)를 혼합하여 혼합기질막형태로 감응물질위에 균일하게 도포함으로써 방해가스를 효과적으로 제거하고 포름알데히드만을 막 안쪽으로 투과시켜 포름알데히드에 대한 선택성을 상승시킬 수 있음을 규명했다. 고분자가 포함된 혼합기질막, 산화물 반도체, 유연기판을 이용하여 센서를 만들 경우 새집증후군의 주요 원인 가스인 포름알데히드를 측정하는 웨어러블 기기 등에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자 지원사업으로 수행됐으며, 연구 결과는 유명 저널 ‘네이쳐 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 8월 16일 오후 6시(한국시간 기준) 온라인 판에 게재됐다.

※ 논문정보
- 논문명 : Exclusive and Ultrasensitive Detection of Formaldehyde at Room Temperature using a Flexible and Monolithic Chemiresistive sensor
- 저널명 : Nature communications
- 저 자 : 조용건 석박통합과정 (고려대, 제1저자), 정성용 박사 (고려대, 공동저자), 문영국 석박통합과정 (고려대, 공동저자), 조영무 석박통합과정 (고려대, 공동저자), 윤지욱 교수 (전북대, 공동저자), 이종흔 교수 (고려대, 교신저자)

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▲ 포름알데히드 센서 제작 과정 및 구조 모식도 (왼쪽 그림) SiO2/Si 기판에 TiO2 분말을 스크린프린팅하여 균일한 두께의 감응 막을 제작하고 위에 분자체거름막으로 금속유기골격체(ZIF-7)와 고분자(PEBA)가 혼합된 혼합기질막을 스핀코팅으로 균일하게 도포하여 센서를 제작한다. (오른쪽 그림) 제작된 센서의 단면 SEM 사진으로 감응물질인 TiO2층이 약 2μm정도의 두께를 가지고 있어 막의 하단부 까지 빛의 투과가 용이하다. 분자체거름막은 약 200 nm의 얇은 두께로 포름알데히드의 출입을 방해하지 않으면서 방해가스의 출입을 막는다.


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▲ 광활성화 및 분자체거름막 적용 후 센서의 측정 결과 (왼쪽 그림) TiO2 가스센서를 고온에서 동작시킬 경우, 일산화탄소, 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 에탄올 등의 다양한 가스에 감도를 나타내 선택적 가스 감지가 불가능하다 (위), 이 센서를 상온에서 광활성화할 경우 포름알데히드와 에탄올의 감도는 증가하지만, 다른 가스의 감도는 거의 나타나지 않아 두 가스의 선택적 검지가 가능하다 (중간) 광활성화된 TiO2 감응막에 ZIF-7/PEBA로 구성된 혼합기질막을 적용시켜 주요 방해가스인 에탄올에 대한 감도를 매우 낮은 수준으로 줄여 포름알데히드에 대한 고선택성을 확보하였다 (아래). (중간 및 오른쪽 그림) 광활성화와 분자체거름을 동시에 적용한 선택적 포름알데히드 센서는 실내공기 모니터링, 화학공정, 의료분야의 오염원 모니터링 등에 널리 활용될 것으로 기대된다.

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