[논문]전기화학적 방법을 통한 폭발물 검출 연구동향

이원주; 이기영

doi:10.14478/ace.2019.1051

초록
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국내외 테러에 대한 공포와 안보 환경에서 폭발물을 검출 기술 개발은 매우 중요한 문제이다. 특히, 최근 항공보안성능 인증제 실시에 따른 폭발물 탐지 기술의 국산화 기술에 있어서 관련 연구가 요구된다. 폭발물 검출 및 탐지 기술은 전통적인 화학분석법을 통하여 이루어지고 있으나 높은 민감도, 빠른 분석, 소형화, 휴대성 등을 위해서는 전기화학적 방법이 적합하다고 여겨진다. 전기화학적 폭발물 탐지 기술의 대부분은 미국, 중국, 이스라엘 등에서 주로 연구가 되고 있지만 국내에서는 아직 관련 연구가 미비한 실정이다. 본 총설에서는 해외에서 수행되고 있는 전기화학적 폭발물 탐지 기술의 원리와 연구 동향을 보고하고 앞으로 우리가 탐구해야 할 연구 방향을 제시하고자 한다.

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The development of explosive detection technology in a security environment and fear of terrorism at homeland and abroad has been one of the most important issues. Moreover, research works on the explosive detection are highly required to achieve domestic production technology due to the implementat...

The development of explosive detection technology in a security environment and fear of terrorism at homeland and abroad has been one of the most important issues. Moreover, research works on the explosive detection are highly required to achieve domestic production technology due to the implementation of aviation security performance certification system. Traditionally, explosives are detected by using classical chemical analyses. However, in the view of high sensitivity, rapid analysis, miniaturization and portability electrochemical methods are considered as promising. Most of electrochemical explosive detection technologies are developed in USA, China, Israel, etc. This review highlights the principle and research trend of electrochemical explosive detection technologies carried out overseas in addition to the research direction for future exploration.

주제어

표/그림 (7)

그림 Figure 1. Schematic diagram of (a) potential change with time and (b) potential-current curve for cyclic voltammetry.
그림 Figure 2. Schematic diagram of (a) potential change with time and (b) potential-current curve for square wave voltammetry.
그림 Figure 3. (a) Cyclic voltammogram and (b) differential pulse vol- tammogram of TNT on different electrode materials. The voltammograms were carried out in 20 mM borate buffer, pH 9.3 with scan rate of 100 mVs^-1. The concentration of TNT is 20 ppm. Reproduced with permission from [8] Copyright 2013 The Royal Society of Chemistry.
그림 Figure 4. (a) General mechanism for the electrochemical reduction TNT in an aqueous media, (b) general view of step wise electro-catalytic reduction of each nitro-group of TNT using Pd NCs/GCE. Reproduced with permission from [9] and [10] Copyright 2012 American Chemical Society and copyright 2016 The Royal Society of Chemistry.
표 Table 1. Survey of Literature for the Electrochemical Detection of Explosives in Aqueous Solutions
표 Table 1. Continued
표 Table 2. Survey of Literature for the Electrochemical Detection of Explosives in Organic Solvents

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문제 정의

이에 본 총설에서는 전기화학적 방법을 통한 폭발물 검출법의 원리 및 해외 연구 동향에 대해 다루고자 한다. 특히, 여러 폭발물 중에서도 가장 널리 알려져 있을 뿐 아니라 합성법 역시 단순한 트리니트로톨루엔(2,4,6-trinitrotoluene, TNT)의 전기화학적 검출법에 대해 주로 다루게 될 것이다.

제안 방법

탄소 나노 튜브를 활용한 폭발물 검출은 2006년 Luong 그룹에서 처음으로 보고되었다[23]. 이 연구에서는 Pt, Au, Cu와 같은 금속 나노 분말을 다중벽 탄소 나노 튜브(multi-walled carbon nanotube, MWCNT)와 단일벽 탄소 나노 튜브(single-walled carbon nanotube, SWCNT)에 초음파 분산을 시켜 전기화학적 트리니트로톨루엔 검출을 시도하였다[23]. 이 결과에서 금속의 높은 전도성과 탄소 나노 튜브의 흡착성에 의하여 전기화학적 활성점이 증가함을 보였다.

성능/효과

두 종류의 탄소 복합체의 높은 전기 전도도와 검출 민감도로부터 0.019 µmolL-1의 한계 검출 농도를 보였으며 이 결과는 두 탄소 물질을 독립적으로 활용했을 때보다 높은 검출 성능을 보인 것이다.
2016년Ibupoto 그룹에서는 Pd 나노큐브(Pd nanocube PdNC), Pd 나노 구체(Pd hollow nanosphere), Pd-Pt 합금을 전극으로 이용한 트리니트로톨루엔 검출을 비교하였다[10]. 이 결과에 따르면 PdNC의 (111) 결정구조면이 트리니트로톨루엔 환원 반응에 매우 효율적이며 이는 구형이나 합금을 활용한 검출보다 높은 것으로 나타났다[10]. Zhang 그룹에서는 그래핀 나노리본에 PtPd 나노결정체를 입힌 PtPd-rGONR 물질을 합성하여 전도도를 향상시킬 뿐 아니라 검출 민감도도 향상시킬 수 있음을 보고하였다[22].
이 연구에서는 Pt, Au, Cu와 같은 금속 나노 분말을 다중벽 탄소 나노 튜브(multi-walled carbon nanotube, MWCNT)와 단일벽 탄소 나노 튜브(single-walled carbon nanotube, SWCNT)에 초음파 분산을 시켜 전기화학적 트리니트로톨루엔 검출을 시도하였다[23]. 이 결과에서 금속의 높은 전도성과 탄소 나노 튜브의 흡착성에 의하여 전기화학적 활성점이 증가함을 보였다. Munoz 그룹에서는 환원된 그래핀 산화물(reduced graphene oxide)과 다중벽 탄소 나노 튜브 박막을 전극으로 활용하였다[24].
비슷한 연구로 Apak 연구팀이 수행한 연구 결과를 보면, Au 나노 분말과 poly(o-phenylenediamine aniline)을 개질한 유리 탄소 전극을 이용하여 트리니트로톨루엔, 디나이트로톨루엔(2,4-dinitrotoluene, DNT), 트리메틸렌트리니트로아민, 고용해폭발물을 아세토나이트릴과 물의 혼합용매 내 40 mM NaCl 전해질에서 순환 전압전류법을 통하여 검출하였다[21].이 연구 결과에서는 트리니트로톨루엔의 경우 2.1 ppm, 디나이트로톨루엔의 경우 1.28 ppm의 검출 한계 농도로 검출하였다
Wang 연구팀은 바다 속에서의 트리니트로톨루엔 검출에 관한 연구를 보고했다[31]. 이 연구에서는 탄소 섬유 마이크로 전극(carbon fiber microelectrode)과 실제 바닷물을 전해질로 하여 사각파 전압전류법을 통하여 0.4 ppm의 농도까지 검출할 수 있음을 보였다[31]. Markowitz 연구팀은 유리 탄소 전극과 0.

후속연구

또한, 최근 상온 이온성 액체(room temperature ionic liquid, RTIL)가 폭발물 검출을 위한 전해질로서 많이 연구되고 있다[14-20]. 유기용매와 상온 이온성 액체를 활용한 트리니트로톨루엔의 전기화학적 메커니즘은 아직 정확하게 밝혀진 바가 없지만 검출 장치의 소형화, 감도 향상, 선택도 등의 관점에서 향후 연구가 더욱 많이 이루어질 것이라 여겨진다.
또한, 다양한 나노 소재들이 개발되어 있음에도 이런 소재들이 폭발물 검출에 적극 활용되고 있지 못하다고 있다. 이 역시 향후 폭발물 검출의 전극 개발 분야로 연구해야 할 부분일 것이다
5 mM 인산완충식염수 용액에서 트리니트로톨루엔, 펜타에리트리톨 테트라니트레이트(pentaerythritol tetranitrate, PETN), 사이클로메틸렌트리니트로아민(cyclothylenetrinitramine, RDX), 고용해폭발물(high melting explosive, 1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetrazocane, HMX), 테트릴(tetryl)을 순환 전압전류법을 통하여 동시에 검출할 수 있음을 보고하였다[54]. 이 연구에서는 각 폭발물에 대한 한계 검출 농도를 밝혀 내지 못했다는 한계점을 가지고 있다. 비슷한 연구로 Apak 연구팀이 수행한 연구 결과를 보면, Au 나노 분말과 poly(o-phenylenediamine aniline)을 개질한 유리 탄소 전극을 이용하여 트리니트로톨루엔, 디나이트로톨루엔(2,4-dinitrotoluene, DNT), 트리메틸렌트리니트로아민, 고용해폭발물을 아세토나이트릴과 물의 혼합용매 내 40 mM NaCl 전해질에서 순환 전압전류법을 통하여 검출하였다[21].
이는 전기화학적 방법을 통한 폭발물 검출이 저가, 휴대성, 빠른 분석 속도 등의 장점을 가지고 있어 실제 폭발물 센서 개발에 매우 유용할 것으로 여겨지기 때문이다. 하지만 전기화학적 폭발물 검출의 메커니즘에 대한 이해는 수용액 전해질 상에서의 니트로 기반의 폭발물의 환원 반응에 국한되어 있다는 점은 아직 관련 분야에 대한 연구가 더욱 요구된다고 할 수 있다. 특히, 최근 들어서 페록사이드계의 폭발물이 많이 사용되고 있다는 점과 다양한 형태의 폭발물이 개발되고 있다는 점, 빠르고 저렴한 검출이 요구된다는 점 등에서 연구영역은 무한히 넓어지고 있다.
한편, 단일 폭발물이 아니라 여러 종류의 폭발물을 동시에 검출하게 되면 효율성이나 경제성 면에서 무척이나 유용할 것이다. 하지만 복합 폭발물 측정에는 오염물 또는 부산물에 의한 검출 민감도가 떨어질 수 있다는 문제를 가지고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기화학적 검출법의 장점은 무엇인가?	최근 들어 많이 연구되고 있는 전기화학적 검출법은 기기를 가볍게 구성할 수 있어 소형화에 유리할 뿐 아니라 검출한계도 낮고, 검출 감도와 재현성이 높으며, 검출 반응 속도가 빠르다는 장점을 가지고 있다[2,7]. 또한, 기기 구성을 위한 가격이 저렴할 뿐 아니라 이용자가 손쉽게 이용할 수 있어 기기 운영, 유지비용이 저렴하다는 장점을 가지고 있어 기술개발이 활발하게 이루어지고 있다[2,7].
	전통적인 폭발물 탐색의 한계는 무엇인가?	전통적인 폭발물 탐색은 X선 촬영을 통한 수화물 내의 내용물을 육안으로 검색해내는 방법이다. 하지만 이런 방법은 금속 물질의 폭발물을 탐색에는 매우 유리하나 테러 기술이 고도화됨에 따라 비금속 물질의 폭발물을 탐색하는 데는 한계가 있다[2]. 이런 결과로 면봉을 통해 채집한 시료의 이온 이동성 분광측정법(ion mobility spectroscopy)을 통하여 휘발성 폭발 물질을 탐색하기도 한다[3].
	화학적 특성을 이용하여 전통적 화학 분석법의 종류는 어떠한 것들이 있는가?	그 밖의 방법으로는 폭발물이 가지고 있는 화학적 특성을 이용하여 전통적 화학 분석법에 기반으로 한 라만 분광법(Raman spectroscopy) [4], 광발광법(photoluminescence)[5], 기체 크로마토그래피 질량 분석법(gas chromatography - mass spectrometer)[6] 등이 활용되고 있다. 하지만, 이런 기기 장치들은 소형화가 어렵고, 작동법이 복잡하며, 다른 물질들에 의한 간섭 현상이 심하고 구매 및 운용비용이 비싸다는 단점을 가지고 있다[7].

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