[논문]스마트 호기 센서 응용 금속 산화물 반도체 나노입자 연구 동향

유란; 이우영

doi:10.31613/ceramist.2018.21.2.04

스마트 호기 센서 응용 금속 산화물 반도체 나노입자 연구 동향
The Research Trend of Nanoparticles based on Semi-conducting Metal Oxide for Smart Breath Sensor 원문보기

세라미스트 = Ceramist, v.21 no.2, 2018년, pp.150 - 160

유란 (연세대학교 신소재공학과) , 이우영 (연세대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper reports a comprehensive review of the state-of-the-art in research on the enhancement of sensing properties for the detection of gases in exhaled breath. Daily health monitoring and early diagnosis of specific diseases via the analysis of exhaled breath is possible. Because biomarkers in exhaled breath are emitted in a very small amount, it is necessary to develop highly sensitive gas sensors. In recent years, a number of researches have been carried out using various strategies for the enhancement of sensing properties such as doping, catalyst, hollow sphere, heterojunction, size effect. We introduced each strategy and summarized recent progress on sensing properties for detection of biomarkers in exhaled breath.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

나노구조 산화물 반도체 물질의 물리적/전기적 특성을 변화시켜 피검가스에 대한 검지 특성을 향상시키고자 하는 다양한 전략이 연구되었다(Table 2). 그 중에서도 최근 활발히 연구되고 있는 도핑, 촉매, 중공구조, 이종접합, 크기조절 방법에 따른 호기 센서 감지소재 및 그 결과에 대해 살펴보고자 한다.
본 고에서는 나노구조 산화물 반도체 기반 가스센서의 성능향상을 위한 다양한 전략들에 대해 고찰하고 그 결과를 비교·분석하고자 한다.

제안 방법

나노구조를 기반으로 한 반도체형 가스센서의 동작원리, 연구동향을 분석하고 도핑, 촉매, 중공구조, 이종접합, 크기조절 등의 성능향상 전략에 따른 호기 배출 가스 검지 특성을 비교 분석했다. 미량 배출되는 호기 바이오 마커의 특성상 매우 낮은 농도에서도 민감하게 검지할 수있는 고성능 가스센서를 필요로 한다.

성능/효과

은 ZnO-CuO 나노구조를 MEMS 기반 센서 플랫폼에 적용하여 실제 응용에 가깝게 실험을 진행 하였다. 10 ppm의 아세톤에 대해 110의 감도를 확인할수 있었으며 n-형인 ZnO에는 전자 공핍층이, p-형인 CuO에는 정공응축 영역이 발생함으로써 피검가스에 대한 반응성이 향상되었음을 설명하였다.
중공구조 입자를 합성하였다. 구형의 금속입자가 산화물 층을 통해 외부로 확산되는 속도가 빨라 내부에 기공이 생기는 Kirkendall effect를 이용하여 중공구조를 제조하였으며 5 ppm의 에탄올에 대하여 감도 1400, 반응시간 2초의 매우 높은 반응을 보였다.
-ZnO(n형-n형) 나노입자를 기반으로 한 이종 구조 나노선을 제조하였다. 그 결과, 100 ppm의 에탄올에 대해 80의 감도를 확보하였으며 이는 단일 ZnO나 SnO₂ 에 비해 2배 이상 향상된 결과이다. 접합 계면에서의 밴드구조 변형이 발생하면서 계면의 에너지 배리어가 발생하고 SnO₂ 에서 ZnO로 전자가 이동함으로써 전자 공핍층이 형성되어 피검가스 검지에 유리하다.
ZnO에 Zn ²⁺와 원자가가 다른 Al³⁺ 를 도핑하였을 경우, 산소 공공의 농도가 증가하며³⁵⁾ 전자 전도에 기여할 뿐만 아니라 산소나 피검가스의 흡착 사이트로 작용할 수 있다. 또한 Al 도핑 후 ZnO의 UV-Vis 영역 흡광결과의 변화를 통해 광학적 밴드갭이 증가함으로써 전자 농도가 증가함을 확인 하였다. 마지막으로 도핑 후, 비표면적이 증가함을 확인 하였는데 이는 모체와 도판트 경계에서의 상호작용으로 인해 모체의 결정화가 제한되어 크기가 감소한다는 기존 문헌의 설명과 일치한다³⁵⁾ .
2). 위 결과는 호기와 유사한 상대 습도 하에서 매우 낮은 검지한계를 보였다는 것뿐만 아니라 도판트와 모물질에 따라 호기 가스에 대한 선택도가 달라짐을 확인했다는 점에서 의미를 가진다.
위의 결과들은 다양한 방법으로 제조된 산화물 반도체 중공구조가 나노입자의 응집체에 비해 높은 가스감도와 빠른 감응속도를 나타냄을 잘 보여 준다. 치밀한 나노입자의 응집체의 경우 피검가스가 이차입자의 내부로 확산 되기 어렵고, 확산이 된다고 하더라도 장시간이 소요된다.
위의 결과들은 이종접합 구조를 이용하여 단일 구조체에 비해 향상된 센서 성능을 보여준다. 접합 계면에서 발생하는 밴드 구조 변형으로 인한 캐리어의 이동으로 센서 감도를 결정하는 전자공핍층이나 정공응축영역을 조절 함으로써 피검가스 노출 시 저항변화를 증가시킨다.
교반과 동시에 촉매의 증착이 진행되면서 금속 촉매의 응집 현상이 방지되어 촉매의 효과를 극대화하 였다. 이 방법은 기존의 습식법이나 기능성 물질의 적용 없이 간단한 방법으로 스퍼터링의 단점인 단면 증착을 극복한 것으로 10 ppm의 아세톤에 대해 425의 감도와 2초의 매우 빠른 반응 속도를 확보할 수 있었다.
전기방사를 통해 금속 촉매를 포함하는 아포페리틴 입자들로 기능화된 나노입자 기반 SnO₂ 튜브를 합성한다. 이 방법을 통해 5 nm 이하의 매우 작은 금속 나노입자 촉매가 응집 없이 고르게 SnO₂ 튜브 표면에 분산되어 촉매의 효과를 향상 시킴으로써 Pt를 포함하는 SnO₂ 는 5 ppm의 아세톤에 대해 92의 감도를 나타내었으며 Au를 포함하는 SnO₂는 5 ppm의 황화수소에 대해 12의 감도를 나타내었다. 위 연구는 바이오 구조체를 활용하여 모체의 표면에 대한 촉매의 분산성을 향상시키는 새로운 방법의 촉매 적용법을 고안하였다는 점과 촉매의 종류에 따라 에서 의의를 가진다.
이는 기존에 연구된약 30 nm 크기의 ZnO (감도: 56)에 비해 약 27배 향상된 것으로 사이즈 감소에 따른 ‘나노효과’를 증명하는 결과이다. 특히 In을 도핑할 경우, 같은 조건에서 ~4,200 의 감도와 반응속도 8초를 보임으로써 수 nm 크기의 나노입자에서도 금속 도핑을 통한 성능 향상 효과를 확인할수 있었다.

후속연구

기존의 센서가 발현 하지 못하는 감도, 가스 선택도 등을 나노구조의 설계 단계에서 디자인하여 최적의 센서를 개발하는 것이 관건이 다. 또한 센서의 안정성, 재현성 확보에 대한 지속적인 연구를 기반으로 가스 검지 특성을 체계적으로 연구하고 발전시킬 경우, 전자코 및 IoT 센서가 실현되는 등 파급효 과가 클 것으로 예상된다.
또한 호기의 환경과 비슷한 고습도 조건에서의 연구 역시 필수적이다.이러한 고성능 센서 개발을 위해 피검 가스 검지 성능에 영향을 미치는 다양한 가스감응 기구의 기여도를 규명하는 것이 도움이 될 것으로 판단된다. 기존의 센서가 발현 하지 못하는 감도, 가스 선택도 등을 나노구조의 설계 단계에서 디자인하여 최적의 센서를 개발하는 것이 관건이 다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	GC란 어떠한 분석법인가?	호기 분석방법으로는 GC-MS (Gas Chromatography -Mass Spectroscopy)3) 를 이용한 분석이 주로 진행되었다. GC는 운반기체에 실린 시료가 컬럼을 지나면서 혼합 성분을 각각의 단일 성분으로 분리하는 분석법이다.뿐만 아니라 최근에는 PTR (Proton Transfer Reaction) -MS4) , SIFT (Selected Ion Flow Tube)-MS5) 등의 장비가 개발되어 임상에 응용되고 있다.
	호기 분석을 이용한 질병 진단의 장점은?	현재는 폐암, 폐결핵, 천식 등 주로 호흡기 관련 질병에 대한 분석법이 주를 이루고 있지만, 그 외 질병과 호기 성분의 연관성에 대한 연구가 진행됨에 따라 호기 분석에 근거한 질병 진단은 미래 진단법으로 등장할 것으로 예상된다. 호기 분석을 이용한 질병 진단은 기존의 고가의 장비나 혈액 채취를 통한 방법과 비교할 때 통증이 없고 간편한 방법으로 진행 할 수있는 장점이 있다.
	환자의 입 냄새로 질병을 구분하는 것은 어떠한 근거라 할 수 있나?	환자의 입 냄새로 질병을 구분했다는 기록은 고대 동서양의 역사에서 많이 찾아 볼 수 있으며, 최근 훈련된 개가 냄새로 암환자와 정상인을 구분했다는 뉴스가 보도 되었을 만큼 호기를 통한 질병의 분석은 지속적으로 연구되어 왔다. 인체의 호기에는 대사의 결과물로 다양한 가스들이 존재하며 이는 인체에서 발생하는 신진대사를 그대로 반영함으로써 생리학적/병리학적 근거라 할 수 있다. 인체의 호기에 포함된 가스는 Table 1과 같다1) .

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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