%EA%B9%80%EC%9D%BC%EB%91%90
-
김일두 교수, 새집증후군 유발하는 톨루엔 초정밀 감지센서 개발
우리 대학 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 새집증후군, 새차증후군의 대표적 유해 가스인 톨루엔을 극미량의 농도에서도 검출할 수 있는 초고감도 감지소재 센서를 개발했다.
이번 연구 결과는 화학분야 권위 학술지 미국화학회지(JACS : Journal of the American Chemical Society) 10월자 온라인 판에 게재됐다.
톨루엔은 대표적 유독성, 휘발성 유기화합물로 중추신경계와 호흡기관에 이상을 유발한다. 두통을 유발하고 장기간 노출될 경우에는 사망에 이를 수도 있다.
실내 공기질 관련 톨루엔 농도의 정부 권고기준은 약 244ppb(10억분의 1 단위) 이하로 기준 수치를 넘어가면 새집증후군, 새차증후군 등을 유발시킨다.
하지만 공기 중의 톨루엔을 정밀 분석하기 위해서는 고가의 설비를 활용해야 하는 어려움이 있다. 현재까지 개발된 반도체식(저항 변화식) 휴대용 톨루엔 센서들은 톨루엔의 유무만 구분 가능할 뿐 십 억분의 1에서 백만분의 1(ppm) 사이의 극미량의 톨루엔은 검출할 수 없다는 한계가 있다.
연구팀은 기존 센서의 한계를 극복하기 위해 다공성 물질인 금속유기구조체(metal-organic framework)의 내부에 3나노미터 크기의 촉매 입자를 담지하고, 이를 나노섬유 소재에 붙여 최고 수준의 톨루엔 감지 특성을 갖는 센서를 개발했다.
연구팀은 금속유기구조체를 팔라듐 촉매와 결합시켜 복합 촉매로 활용했다. 이 복합 촉매는 다공성 금속산화물 나노섬유에 결착된 구조로 나노섬유 표면에서 형성되는 비균일 접합(heterojunction) 구조와 나노 촉매의 시너지 효과로 인해 초고감도의 톨루엔 감지특성을 보였다.
연구팀이 개발한 센서는 100ppb 수준의 극미량의 톨루엔 가스 노출에도 일반 공기 중의 상태에 비해 4배 이상의 탁월한 감도 변화를 보였다.
금속유기구조체 기반의 이종 촉매가 결합된 나노섬유 감지소재는 실내외 공기 질 측정기, 환경 유해가스 검출기, 호흡기반 질병진단 센서 등 다양한 분야에서 활용 가능하다.
또한 나노입자 촉매 및 금속유기구조체의 종류만 바꿔주면 톨루엔 외의 다른 특정 가스에 선택적으로 반응하는 고성능 소재를 대량으로 합성할 수 있다. 향후 다양한 센서 소재 라이브러리 구축이 가능할 것으로 기대된다.
김 교수는 “다종 감지 소재를 활용해 수많은 유해가스를 보다 정확히 감지할 수 있는 초고성능 감지소재로 적용 가능하다”며 “대기 환경 속의 유해 기체들을 손쉽게 검출해 각종 질환의 예방이 가능하고 지속적인 건강 관리에 큰 도움을 줄 것이다”고 말했다.
신소재공학과 구원태 박사 과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 한국과 미국에 특허 출원됐다. 이번 연구는 미래창조과학부 X-프로젝트와 한국이산화탄소포집 및 처리연구개발센터의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 나노섬유 감지소재가 코팅된 개별 가스센서 및 가스센서가 장착된 스마트 시계
그림2. 저널 JACS에 게재된 논문 대표 이미지
그림3. 나노섬유사진
그림4. 1 ppm의 극미량 톨루엔 가스에 대한 우수한 선택성 및 반응성을 보여주는 표
2016.10.10 조회수 11800 -
김일두 교수, 호흡으로 폐암, 당뇨 조기 진단하는 초소형 센서 개발
혈액 체취나 영상촬영을 하지 않고도 사람의 호흡만으로 폐암, 당뇨 등 각종 질병을 실시간으로 파악할 수 있는 초소형 감지 센서 기술이 개발됐다.
우리 대학 신소재공학과 김일두 교수신소재공학과 연구팀은 사람의 호흡 내에 질병과 관련된 극미량의 특정 가스의 농도를 실시간으로 정확하게 분석할 수 있는 세계 최고 수준의 고감도·초소형 센서를 개발하였다고 밝혔다.
이를 통해, 현재 병원에서 혈액 체취나 조직 검사, MRI 등을 통해 고비용으로 진단하고 있는 폐암이나 당뇨 등의 질병을 개인 스마트폰이나 웨어러블 장치를 통해 수시로 저렴하게 진단할 수 있는 길을 열었다.
사람이 숨을 쉬면서 내뱉는 호흡 속 가스 성분 중에는 다양한 휘발성 유기화합물 가스들이 포함되어 있으며, 이중 일부 가스는 질병과 밀접한 연관이 있는 것으로 알려져 있다.
대표적으로 아세톤, 톨루엔, 황화수소 가스는 각각 당뇨병, 폐암, 구취 환자에서 더 높은 농도로 배출되며, 이러한 호흡 속 특정 가스의 농도를 정확하게 분석할 수 있다면 여러 질병들을 간편한 방법으로 조기에 진단할 수 있다.
그러나, 입안에는 수분을 포함하여 수백 종의 가스들이 존재하기 때문에, 그간 개발된 센서는 사람 호흡 속에 포함되어 있는 극미량(10 – 2,000ppb)의 특정 가스를 선택적으로 검출하는데 한계가 있었다.
연구팀은 수백 종의 가스 중 질병과 관련된 특정 가스만 선택적으로 탁월하게 검출할 수 있는 고성능 촉매를 개발하였으며, 이를 나노 섬유 형상의 센서 소재에 적용하여 개인 스마트폰과 연동이 가능한 초소형·고감도 질병 진단 센서를 구현하는데 성공하였다.
김일두 교수는 “질병 진단 센서는 차량이나 모바일 기기 등에 활용하여 개인 질병을 지속적으로 모니터링 할 수 있을 뿐만 아니라, 향후 대기 오염 분석, 실내 공기질 분석 등 가스 센서와 관련된 산업분야에서 사물인터넷(IoT) 제품과 융합되어 새로운 시장을 창출할 것으로 기대된다.”라고 연구의의를 밝혔다.
이번 연구는 김일두 교수 외 최선진·김상준 연구원이 주도하였고, 미래창조과학부 글로벌프런티어사업(스마트 IT 융합시스템 연구단)의 지원으로 수행되었다.
연구 결과는 재료과학분야 세계적 국제학술지인 ‘스몰(small)’ 표지논문에 2월 17일(수) 게제 되었으며, 관련 특허는 국내기업에 기술이전 되어 향후 조기 상용화가 이뤄질 것으로 기대된다.
□ 그림 설명
그림1. 스마트폰과 연결된 호기가스 분석 센서 및 호흡지문 패턴 인식을 통한 질병 진단
그림2. 동글 타입(Dongle-type), 패치 타입(Patch-type), 및 시계 타입(Watch-type) 센서 모듈을 이용한 휴대형, 실시간 호기가스 분석 센서
그림3. 'small' 표지에 게재된 논문
2016.03.07 조회수 17848 -
전기자동차용 차세대 전지의 성능 극대화
〈 김 일 두 교수〉
우리 대학 신소재공학과 김일두 연구팀이 리튬-공기전지의 핵심 구성요소인 촉매를 대량생산할 수 있는 기술을 개발했다.
리튬-공기전지는 전기자동차에 쓰이는 리튬-이온전지를 대체할 차세대 전지로 주목받고 있으며, 이번에 연구팀이 개발한 원천기술을 통해 리튬-공기전지의 상용화에 한 발짝 다가갈 것으로 기대된다.
연구팀은 촉매활성이 뛰어난 두 소재인 루테늄산화물(RuO2)과 망간산화물(Mn2O3)이 균일하게 분포된 이중 나노튜브 구조를 손쉽게 대량 제조하는 원천기술을 확보했고, 이를 리튬-공기전지에 적용하는데 성공했다.
이번 연구는 나노재료 분야의 국제 학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 3일자 온라인 판에 게재됐다. (논문명: One-Dimensional RuO2/Mn2O3 Hollow Architectures as Efficient Bifunctional Catalysts for Lithium-Oxygen Batteries)
리튬-공기전지는 리튬-이온전지에 비해 용량이 10배 이상 높고 대기 중의 산소를 연료로 활용하기 때문에 전기자동차를 위한 에너지 저장장치로 큰 주목을 받고 있다.
그러나 방전 시 생성되는 고체 리튬산화물(Li2O2)이 충전 과정에서 원활히 분해되지 않아 전지의 효율 및 수명특성이 저하돼 상용화에 어려움을 겪었다. 따라서 탄소재 양극 내의 리튬산화물의 형성 및 분해를 안정적으로 도와주는 촉매 개발이 필수적으로 요구됐다.
리튬-공기전지용 촉매는 가벼우면서 내구성이 우수하고 촉매의 표면적을 최대한 넓히는 것이 중요하다. 현재 상용화 수준으로 대량생산이 가능하고 우수한 촉매 활성을 갖는 소재는 아직 개발되지 않았었다.
연구팀은 위의 문제 해결을 위해 루테늄과 망간 전구체가 녹아 있는 고분자 용액을 전기 방사했다. 이는 누에가 실을 뽑듯이 고분자 용액을 재료로 삼은 실을 뽑아내 루테늄-망간 전구체를 기반으로 한 고분자 복합 섬유를 합성해내는 기술이다.
이후 이 섬유를 고온 열처리하면 거푸집 역할을 하는 고분자 템플릿(Template)이 타서 없어지고, 루테늄산화물 및 망간산화물의 이종 물질이 함께 복합체를 이루는 이중튜브 구조의 촉매가 완성된다.
연구팀이 개발한 이중 튜브는 직경 220 나노미터의 외부튜브와 80 나노미터의 내부튜브로 이뤄져 안쪽 및 바깥쪽 벽이 동시에 촉매 반응에 참여 가능하고, 비어있는 공간이 많아 가볍다는 장점을 갖는다.
연구팀은 초기 충전, 방전 시의 과전압 차이가 약 0.8V 이내로 감소하는 효과를 얻었다. 기존 탄소재 사용시 과전압은 약 2.0V 이상이다. 또한 용량제한 1000 mAh/g 하에서 100사이클 이상의 안정적인 리튬-공기전지 특성을 확인했다.
위의 기술 향상이 가능한 이유는 리튬산화물의 생성반응(산소환원 반응)을 도와주는 망간산화물 촉매와 분해반응(산소발생 반응)을 돕는 루테늄산화물 촉매가 내, 외부 튜브에서 나노단위로 균일하게 존재하기 때문이다.
김 교수 연구팀의 핵심 기술인 전기방사 기술은 고분자, 금속 전구체가 포함된 용액을 전기적 인력으로 연신시켜 수십에서 수백 나노 직경의 나노섬유를 얻을 수 있는 기술이다.
이 기술은 쉽게 기능성 나노섬유를 대량생산할 수 있어 수처리용 필터, 황사 마스크, 마스크팩 소재, 바이오 필터 등에 활발히 사용되고 있다.
연구팀은 “휘발점이 다른 두 용매의 온도 상승 속도를 조절하는 간단한 공정을 통해 리튬-공기전지의 충전 및 방전에 이상적인 촉매구조 디자인에 성공했다”고 밝혔다.
김 교수는 “생산 공정이 매우 손쉽고 대량생산이 가능한 기술이다”며 “촉매의 성능이 우수해 차세대 전지로 각광받는 리튬-공기전지의 상용화를 앞당기는 데 기여할 것이다”고 말했다.
신소재공학과 김상욱 교수와 공동 연구로 진행된 이번 연구는 윤기로 박사과정이 제1저자로 참여했고, ‘한국 이산화탄소 포집 및 처리 연구개발센터(Korea CCS R&D Center)’ 및 현대자동차의 지원을 받아 수행됐다.
□ 그림 설명
그림1. 루테늄산화물-망간산화물 코어-쉘 나노튜브 및 이중 나노튜브 미세구조 사진
그림2. 나노튜브 촉매가 사용된 리튬-공기전지의 구성
그림3. 리튬-공기전지의 구동 원리
그림4. 루테늄산화물-망간산화물 코어-쉘 나노튜브 및 이중 나노튜브 형성원리
2016.02.16 조회수 16037 -
리튬공기 이차전지 핵심기술 개발
- KAIST-경기대 공동연구팀, 나노섬유·그래핀 복합촉매 개발 -- 리튬이온 이차전지보다 5배 용량 향상, 최대 800km 주행가능 -
서울-부산을 전기차로 왕복할 수 있는 시대가 열릴까? 차세대 초고용량 전지로 주목받고 있는 리튬공기 이차전지의 핵심기술이 개발됐다.
우리 학교 신소재공학과 김일두·전석우 교수와 경기대학교 신소재공학과 박용준 교수 공동연구팀은 나노섬유·그래핀 복합촉매를 개발하고 리튬공기 이차전지에 적용해 리튬이온 이차전지 보다 용량이 5배 높은 ‘리튬공기 이차전지’를 만드는 데 성공했다.
연구 결과는 나노 분야 권위 있는 학술지 ‘나노레터스(Nano Letters)’ 8월 8일자 온라인판에 게재됐다.
‘리튬이온 이차전지’의 음극과 양극에는 각각 흑연, 리튬전이금속산화물로 구성돼 있다. 이 전지는 핸드폰, 노트북 등에 널리 사용되고 있는데 전기차에 적용할 경우 한 번 충전에 약 160km 정도만 주행할 수 있어 아직은 전기차용으로는 용량이 충분하지 않다는 것이 일반적인 평가다.
연구팀이 이번에 개발한 ‘리튬공기 이차전지’는 음극은 리튬, 양극은 산소를 사용한다. 무게가 가벼우면서도 실제 얻을 수 있는 에너지밀도가 리튬이온 이차전지보다 훨씬 높아 차세대 이차전지 중 가장 큰 각광을 받고 있다.
그러나 방전 시 리튬과 산소가 서로 만나 리튬산화물(Li2O2)이 형성되고 충전 시 다시 분해되는데 이 과정이 원활하게 일어나지 않는 문제점으로 인해 높은 저항이 발생하며, 수명이 짧아 상용화에 어려움이 있었다. 따라서 리튬산화물의 형성 및 분해반응을 보다 수월하게 해주는 고효율 촉매 개발이 필수적이었다.
연구팀은 전기방사 방법으로 대량생산이 가능한 코발트산화물 나노섬유와 그래핀을 섞어 나노 복합촉매를 개발했다.
촉매활성이 매우 높은 ‘코발트산화물 나노섬유’에 큰 비표면적과 높은 전기전도도를 가지고 있는 ‘비산화그래핀’을 결착시킴으로써 리튬공기 이차전지의 성능을 극대화 시킬 수 있었다고 연구팀은 전했다.
개발된 나노 복합촉매를 리튬공기 이차전지의 양극에 적용하면 리튬이온 이차전지 용량의 5배에 달하는 1000mAh/g 이상의 고용량에서도 80회 이상의 충·방전이 가능한 우수한 수명특성을 보였다.
연구팀이 이번에 확보한 충·방전 특성은 현재까지 보고된 성능 중 가장 높은 수준이며, 금속 산화물과 그래핀을 소재로 활용했기 때문에 저렴하게 만들 수 있다. 상용화에 성공해 전기차에 적용하면 한 번 충전에 800Km이상 주행할 수 있어 서울-부산을 왕복 가능해질 것으로 기대된다.
김일두 교수는 “안정성 등 상용화까지는 해결할 과제들이 많이 있지만 본격적인 전기차 시대를 위해 여러 기관들과 협력해 연구할 것”이라며 “우리나라에서 리튬공기 이차전지 분야의 핵심 소재 중에 하나인 나노촉매 합성 기술 개발을 주도해 차세대 리튬공기 이차전지 분야의 활성화에 기여하고 싶다”고 말했다.
한편, 이번 연구에는 KAIST 신소재공학과 류원희 박사, 송성호 박사과정 학생, 경기대학교 윤택한 석사과정 학생이 참여했다.
그림1. 나노복합촉매로 구성된 리튬공기 이차전지 개념도
그림2. 코발트산화물 나노섬유/그래핀 나노 복합촉매 이미지
그림3. 리튬공기 이차전지용 코발트산화물 나노섬유/그래핀 나노 복합촉매 제조과정 이미지
2013.09.05 조회수 18302 -
호흡 분석해 질병 진단한다!
- 나노섬유 형상 120ppb급 당뇨병 진단센서 개발 -- 음주 측정하듯 후~ 불면 질병 진단할 수 있어 -
우리 학교 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 인간이 호흡하면서 배출하는 아세톤 가스를 분석해 당뇨병 여부를 파악할 수 있는 날숨진단센서를 개발했다.
연구 결과는 신소재 응용분야 세계적 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’ 5월 20일자 표지논문으로 게재됐다.
인간이 숨을 쉬면서 내뿜는 아세톤, 톨루엔, 일산화질소 및 암모니아와 같은 휘발성 유기화합물 가스는 각각 당뇨병, 폐암, 천식 및 신장병의 생체표식인자(바이오마커)로 알려져 있다.
당뇨병의 경우 일반적으로 정상인은 900ppb(parts per billion), 당뇨환자는 1800ppb의 아세톤 가스를 날숨으로 내뿜는다. 따라서 날숨 속 아세톤 가스의 농도 차이를 정밀하게 분석하면 당뇨병을 조기에 진단할 수 있고 발병 후 관리를 쉽게 할 수 있다.
연구팀은 얇은 껍질이 겹겹이 둘러싸인 다공성 산화주석(SnO2) 센서소재에 백금 나노입자 촉매가 균일하게 도포된 1차원 나노섬유를 대량 제조하는 기술을 개발했다. 이 소재의 표면에 아세톤 가스가 흡착될 때 전기저항 값이 변화하는 120ppb급 아세톤 농도 검출용 센서에 적용해 날숨진단센서를 개발했다. 개발한 나노섬유 센서는 1000ppb급 아세톤 농도에서 소재의 저항 값이 최대 6배 증가해 당뇨병을 진단할 수 있음이 입증됐다.
이와 함께 7.6초의 매우 빠른 아세톤 센서 반응속도를 나타내 실시간 모니터링이 가능해져 상용화에 대한 기대를 높였으며, 전기방사 기술로 제조해 나노섬유형상을 쉽게 빠르게 대량생산할 수 있는 게 큰 장점이다.
연구팀이 개발한 날숨진단센서는 사람의 호흡가스 속에 포함된 다양한 휘발성 유기화합물의 농도를 정밀하게 분석할 수 있다. 따라서 당뇨병은 물론 향후 폐암, 신장병 등의 질병을 조기에 진단하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
김일두 교수는 이번 연구에 대해 “ppb급 농도의 날숨 휘발성 유기화합물 가스를 실시간으로 정밀하게 진단하는 나노섬유 센서를 당뇨병 또는 폐암 진단용 감지소재로 이용하면 다양한 질병을 조기에 검출하고 관리하는 일이 가능해질 것”이라고 말했다.
김 교수는 향후 다양한 촉매와 금속산화물 나노섬유의 조합을 통해 많은 종류의 날숨가스를 동시에 정확하게 진단하는 센서 어레이(array)를 개발해 상용화를 앞당길 계획이다.
미래창조과학부 글로벌프린티어사업 스마트 IT 융합시스템 연구단의 지원을 받은 이번 연구는 KAIST 신소재공학과 신정우 학부생(2월 졸업), 최선진 박사과정 학생, 박종욱 교수, 고려대학교 신소재공학과 이종흔 교수가 참여했다.
그림1. 날숨진단센서 어레이(우측)와 날숨진단센서 크기 비교(좌측 상단)
그림2. 나노섬유 센서들이 어레이로 구성된 당뇨진단 센서 이미지
그림3. 날숨 가스들을 분석하는 질병진단 분석기의 소형화 및 실시간 분석
그림4. 주석산화물 나노섬유를 이용한 당뇨진단 센서 이미지
2013.05.30 조회수 20627