[논문]병원균 및 생물독소 탐지시스템을 위한 원자외선 LED 기술동향

정유진; 정영수; 최기봉

doi:10.4313/jkem.2015.28.5.277

병원균 및 생물독소 탐지시스템을 위한 원자외선 LED 기술동향
Trends of Deep UV-LED Technology for the Pathogen and Biotoxin Aerosol Detection System 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.28 no.5, 2015년, pp.277 - 284

정유진 (국방과학연구소 화생방부) , 정영수 (국방과학연구소 화생방부) , 최기봉 (국방과학연구소 화생방부)

Abstract ▼ AI-Helper

The humans are under attack involving the hazardous environment and pathogen/biotoxin aerosol that is realistic concerned. A portable, fast, reliable, and cheap Pathogen and Biotoxin Aerosol threat Detection(PBAD) trigger is an important technology for detect-to-protect and detect-to-treat system because the man-made biological terror is a fast and lethal infection. The ultraviolet C(UVC) wavelengths light source is key issue for PBAD that is sensitive because of strong fluorescence cross section from fluorescent amino acids in proteins such as tryptophan and tyrosine. The UVC-light emitting diode(LED) is emerging light source technology as alternative to laser or lamps as they offer several advantages. This paper discussed about the design consideration of UVC-LED for the PBAD system. The UVC-LED and PBAD technology, currently available or in development, are also discussed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

SUVOS 프로그램의 주요 목적은 III-V 반도체 소재인 GaN (gallium nitride), AlN (aluminum nitride), 그리고 InN (indium nitride)를 적용한 280 nm∼340 nm 영역의 LED를 개발하는 것이다.

제안 방법

그림 3은 자외선 유도 형광을 이용한 실시간 생물입자 감시 기술의 원리를 보여준다. 공기 중에 부유하는 입자를 흡입하여 노즐에 통과시키고 입자가 지나가는 노즐 끝에 자외선 광원을 조사한다. 일반 입자는 조사된 빛에 의해 산란을 일으키며 이 산란광의 크기는 구형(circle) 입자 기준으로 입자의 지름에 비례한다 [16].

이론/모형

병원균과 독성 생물에어로졸 입자의 공격을 감시하는 자외선 레이져 형광 기반 센서(UV-LIF)의 핵심 기술인 고출력, 짧은 파장대의 자외선 광원 개발을 위해 semiconductor ultraviolet optical sources (SUVOS, 2000년) 프로젝트를 시행하였다. SUVOS 프로그램의 주요 목적은 III-V 반도체 소재인 GaN (gallium nitride), AlN (aluminum nitride), 그리고 InN (indium nitride)를 적용한 280 nm∼340 nm 영역의 LED를 개발하는 것이다.

성능/효과

표 3을 참고하면, 280 nm 기준의 자외선영역에서 형광을 발생하는 Tyrosine과 Tryptophan의 형광양자 효율이 NADH 보다 약 8배 정도 감도가 높은 것을 확인할 수 있다. 더 나아가 표 4에 정리한 것처럼 위험 요소가 되는 독소나 세균의 경우 여기광원 350 nm에서 형광을 내는 NADH와 리보플라빈 보다 단백질 특히, 트립토판과 타이로신의 비율이 세균의 경우 약 100배, 포자의 경우 2,000배 이상 높으며, 독소의 경우는 100% 단백질 성분으로만 구성되어 있다.

후속연구

생물독소 감시기는 독특한 구조의 광집광 설계와 빔덤터 기술들을 적용하여, 오경보율이 매우 작으며 초당 측정 가능 입자수도 13만 개로 세계 최고 수준이다 [22]. 나아가, 국과연은 생물독소감시기에 경량화, 소형화 및 저가격의 개량형 모델 개발을 위해 UVC-LED를 광원으로 적용한 프로젝트를 진행 중이다.
지금까지 개발된 기술보다 향후 개발될 기술이 더 기대되는 UVC-LED 분야에서, 현재의 기존 광원 시장을 대체하는 수준에서 더 나아가, 새로운 시장을 개척할 수 있는 수준의 고품질의 UVC-LED가 지속적으로 개발되어 시장에 선보이길 기대해 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	타이로신과 같은 생체분자 물질은 중자외선 파장의 광을 흡수하면 어떠한 현상을 일으키는가?	이 중에서도 중자외선 영역(200∼300 nm)의 자외선은 유해 생물 입자와 병원균의 탐지(detection), 식별(identification), 그리고 제독(decontamination) 기술에 적용이 가능하여 국방 기술 분야 및 이와 관련한 민수 분야에서의 기술적 관심이 높아지고 있다. 생물입자에 극미량으로 존재하는 타이로신, 트립 토판 같은 아미노산과 NADH (nicotinamide adenine dinucleotide)나 리보플라빈 등의 생체분자 물질은 중자외선 파장의 광에서 흡수가 일어나, 근자외선 영역 (300∼400 nm) 과 가시광선 영역에서 각각의 물질의 고유한 형광 양자효율 (fluorescence quantum efficiency, φF) 특성에 따라 고유의 형광을 발생하므로 에어로졸, 액상 혹은 파우더 상태에서도 탐지가 가능한 특성을 갖고 있다.
	UV-LED의 파장에 따른 활용 분야는 무엇인가?	10∼300 nm : 휴대용 비가시선 통신 230∼400 nm : 광학 센서 200∼280 nm : 오존 모니터링, ID인식기술, 바코드, 표면 살균, 공기 및 물 살균 250∼405 nm : 법의학 및 체액의 감지 및 분석 260∼300 nm : DNA/RNA/protein 및 약물 분석 300∼320 nm : 의학적 광선 치료 365∼400 nm : 폴리머와 잉크 프린터 375∼395 nm : 위조지폐 감별 390∼410 nm : 외상과 미용상의 살균
	레이져 및 할로겐 램프가 광원으로서 자외선 영역에서 사용이 제한된 이유는 무엇인가?	기존에는 주로 가시광선 영역(400∼780 nm)의 조명기술을 대체하기 위한 백색광원 개발이 주를 이루었지만, 최근에는 반도체 소자의 밴드갭 특성에 따른 고유한 파장 발생 특성으로 소형의 반도체 칩만으로도 선택적 파장 사용이 가능한 LED 기술이 크게 발전하였다 [1]. 종전에 광원으로 많이 사용하였던 레이져 및 할로겐 램프 등은 특정 파장을 이용하기 위해 광필터 및 복잡한 시스템이 필요하고 소형화가 불가능하며, 비싸기 때문에 자외선 영역에서 사용이 제한되었으나, 기술발전으로 자외선 LED는 대체광원으로 부각되고 있다 [2,3].

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