▲사진 왼쪽부터 진강우 석박사통합과정생, 박진희 교수 ⓒ DGIST 제공
우리 주변에서 환경오염을 유발하는 유해 화학 물질을 휴대폰 카메라로 쉽게 찾아내는 새로운 방법을 국내 연구진이 개발했다. 이번에 개발된 센서는 직관적인 색 변화를 통해 분석물질을 검출하고, 휴대전화 카메라를 이용한 색깔 변화 분석을 통해 데이터 해석에 소요되는 시간이 짧으며, 이미지 분석을 기반으로 분석물질의 식별 및 농도와 같은 심층적인 분석 또한 가능하다.
DGIST(대구경북과학기술원, 총장 이건우)은 3일 "화학물리학과 박진희 교수 연구팀이 유해 화학 물질을 쉽게 찾아내는 새로운 방법을 개발했다"면서 "색깔 변화를 이용해 휴대전화 카메라로 유해 물질을 분석할 수 있어 환경오염 감지나 가스 유출 방지 등 여러 분야에 활용될 것으로 기대된다"고 밝혔다.
무엇보다 이번에 개발한 센서는 사람의 코로는 감지하기 어려운 낮은 농도의 유해 화합물도 정성적·정량적으로 정확히 찾아내고 분석해낼 수 있는 기술로써, 향후 환경센서 분야의 원천 기술 확보뿐만 아니라 신사업 창출이 기대된다.
DGIST에 따르면, 우리 주변에는 유해 화학 물질인 '휘발성유기화합물'이 광범위하게 분포해 있다. 특히나 이 유해 물질들은 공장에서 나오는 가스나 실내 공기 등을 통해 유입되며, 환경오염을 일으키고 때로는 병을 유발하기도 한다.
따라서 이런 물질들을 빠르게 찾아내는 것이 중요하다. 하지만 기존의 방법들은 고비용의 장비가 필요하거나 한정된 종류의 화학 물질만 찾아낼 수 있었다.
▲다공성 금속유기구조체 기반 색 센서 어레이를 이용한 휘발성유기화합물 검출용매 전처리를 통해 전처리 패턴을 만들고 휘발성 유기화합물(VOC)에 노출시키면 고유한 패턴이 나타난다. 이 패턴을 참고 패턴과 비교하여 미지시료가 어떤 성분인지 알 수 있다. ⓒ DGIST 제공
이와 같은 문제를 해결하고자 박진희 교수 연구팀은 '금속유기구조체'라는 물질을 이용해 색깔의 변화를 일으키는 센서를 개발했다.
연구팀은 "이 센서는 여섯 가지 용매를 이용해 만들어지며, 이를 통해 14가지의 휘발성 유기 화합물과 물을 구별해낼 수 있다"면서 "특히 대면적 필름을 저렴하고 손쉽게 제작할 수 있는 방법을 개발해 맨눈으로도 색상 변화를 관찰할 수 있게 했다"고 설명했다.
▲다공성 색 변화 센서 필름과 휴대폰 카메라를 이용한 농도 분석입자 형태의 색 센서 물질을 물 위에 띄워 단일층 필름을 형성하는 과정과 형성된 필름을 테트라하이드로퓨란 (tetrahydrofuran, THF) 가스 노출 후, 농도별 색변화를 분석하는 과정에 대한 그림이다. 색 변화 필름은 상온에서 농도별 THF 가스에 노출했을 때 빨간색에서 초록색으로의 색 변화를 보인다. ⓒ DGIST 제공
연구팀은 나아가 '휴대전화'를 이용해 색깔 변화를 분석하면 사람의 코로는 감지하기 어려운 낮은 농도의 유해 화합물도 정성적·정량적으로 정확히 찾아내고 분석해낼 수 있다고 강조했다. 이 센서는 습도가 높은 환경에서도 성능이 잘 유지되어 환경오염 감지나 가스 유출 예방 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
박진희 화학물리학과 교수는 "이번에 개발한 센서는 전력 소모가 없고 저비용으로 구현 가능해 큰 상업적 잠재력을 지니고 있다"면서 "환경오염 감지센서, 테러방지용 센서, 안전사고 예방센서 등 여러 용도의 센서를 개발하기 위한 원천 기술을 확보할 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.
덧붙여 박 교수는 "기존 환경모니터링 기술이 외국장비에 의존하는 경우가 많고, 제작 비용, 전원 공급, 이동성 등의 보완이 필요한 것과는 달리, 별다른 측정 장비 및 전원 공급 장치 없이 색 변화를 통해 감지할 수 있는 기술"이라며 "재사용 가능하여, 환경 오염물질에 대한 즉각적인 대응이 가능하다는 장점이 있다"고 강조했다.
한편, 이번 연구는 진강우 DGIST 화학물리학과 석박사통합과정생이 제1저자로, 박진희 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 재료 분야 최상위 학술지인 <어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials, IF = 29.4)> 2023년 11월자 온라인 판에 게재됐다.
▲연구진이 실험장비를 보며 이야기를 나누고 있다. ⓒ DGIST 제공