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차세대 뉴로모픽 구현을 앞당길 멤리스터 기반 고신뢰성 인공 뉴런(신경세포) 어레이 개발
우리 대학 전기및전자공학부 최신현 교수 연구팀이 뛰어난 안정성과 집적도가 높은 우리 뇌의 뉴런 세포의 동작을 모사하는 *고신뢰성 차세대 저항 변화 소자(멤리스터) 어레이를 개발했다고 7일 밝혔다.
☞ 멤리스터(Memristor): 입력에 따라 소자의 저항 상태가 바뀌는 소자. 입력 전압의 크기와 길이 등에 따라 소자 내부의 저항 값이 바뀌며 정보를 저장하거나 처리한다.
최 교수 연구팀은 기존 멤리스터의 불안정한 특성을 보이는 필라멘트 기반 방식에서 벗어나, 점진적인 산소 농도를 갖는 금속산화물을 이용해 안정적이고 신뢰성 높은 인공 뉴런 어레이를 발표하였다. 기존의 멤리스터 소자는 안정성이 낮고 응용에 사용하기 위한 어레이 형태로 제작하기 힘든 문제점이 있지만, 최 교수 연구팀이 개발한 소자는 뛰어난 안정성을 갖출 뿐만 아니라, 자가 정류 특성과 높은 수율을 갖춰 대용량 어레이 형태로 집적될 수 있다. 따라서 집적도가 높고 안정적인 뉴로모픽 시스템을 구현할 때 활발히 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
전기및전자공학부 박시온, 정학천 석박사통합과정, 박종용 석사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)' 6월호에 출판됐다. (논문명 : Experimental demonstration of highly reliable dynamic memristor for artificial neuron and neuromorphic computing)
인간의 뉴런은 들어오는 신호의 크기와 주파수에 따라 스파이크를 내보내거나 내보내지 않는 방식으로 정보를 처리한다. 현대의 컴퓨터가 빅데이터를 처리하는데 많은 에너지를 소모하는 것과 다르게, 사람의 뇌는 매우 적은 에너지만으로도 많은 양의 데이터를 빠르게 처리할 수 있다. 이러한 이유로, 신경의 효율적인 신호전달 시스템을 모사하여 컴퓨팅에 사용하는 `뉴로모픽' 하드웨어 기술이 활발히 연구되고 있다. 멤리스터 소자는 고집적, 고효율로 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템을 구현할 수 있는 차세대 소자로 주목받고 있다.
그러나 현존하는 멤리스터로 실용적인 대용량 인공신경망 컴퓨팅(Large-scale Neural Computing) 시스템을 구현하기에는 단위 소자의 신뢰성 및 수율의 문제가 있다. 기존의 멤리스터는 절연체 내부에서 필라멘트가 마치 번개와 같이 무작위적으로 생성되고 사라지며 동작하기 때문에 제어하기가 힘들어 낮은 신뢰성을 보이게 되며, 이로 인해 안정적인 뉴로모픽 시스템을 구현하는 데 한계점으로 지적되어 왔다.
최신현 교수 연구팀은 이러한 무작위적인 필라멘트 문제를 해결하기 위해 필라멘트 기반 저항 변화가 아닌, 산소 이온의 점진적인 이동을 이용해 저항 변화 소자를 구현함으로써 소자의 신뢰성 확보하였다. 또한 단위 소자를 통한 어레이 제작 기술을 확보하여, 400개의 고신뢰성 인공 뉴런 소자를 100% 수율의 크로스바 어레이 형태로 집적하는 데 성공했다.
연구팀은 제작한 고신뢰성 인공 뉴런 어레이 기반 뉴로모픽 시스템을 이용해 항균성 단백질(anti-microbial peptide) 아미노산 서열을 학습하고, 이를 바탕으로 새로운 항균성 단백질을 만들어내는 뉴로모픽 시스템을 구현하였다.
제1 저자인 박시온 석박통합과정 연구원은 "이번에 개발한 고신뢰성 인공 뉴런 소자는 안정적인 특성과 높은 수율을 바탕으로 차세대 멤리스터 기반 뉴로모픽 컴퓨팅 시스템 구현에 기여할 수 있을 것으로 기대되며, 개발된 인공 뉴런 소자를 이용해 촉각 등을 감지하는 로봇의 인공 신경계, 시계열 데이터를 처리하는 축적 컴퓨팅(reservoir computing) 등 다양한 응용을 가능케 하여 미래 전자공학의 기반이 될 것으로 기대한다ˮ라고 말했다.
한편 이번 연구는 삼성미래육성사업의 지원을 받아 수행됐다.
2022.06.07 조회수 8218 -
날숨 속 황화수소 가스 검출을 통한 구취 센서 개발
우리 대학 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 삼성전자 종합기술원과 공동연구를 통해 극소량의 나트륨과 백금 촉매를 금속산화물에 기능화하여 호흡으로 질병을 진단할 수 있는 가스 센서 플랫폼을 개발했다고 28일 밝혔다.
이 가스 센서 플랫폼은 사람의 날숨에 포함된 다양한 질병과 관련된 미량의 생체지표(biomarker) 가스를 선택적으로 감지해 관련된 특정 질병을 실시간 모니터링할 수 있는 기술이다.
혈액 채취나 영상 촬영 없이 내뱉는 숨(호기)만으로 각종 질병 여부를 파악하는 비침습적 호흡 지문 센서 기술은 핵심 미래 기술이다. 호기 속 특정 가스들의 농도변화를 검사해 건강 이상 여부를 판단할 수 있다.
이번 기술은 구취의 생체지표 가스인 황화수소 가스와 높은 반응성을 갖는 나트륨 촉매를 금속산화물 나노섬유 감지 소재 층에 도입해 가스 선택성을 극도로 향상하고, 활성도가 좋은 백금 촉매를 추가로 기능화해 세계 최고 수준의 황화수소 감지 성능을 구현한 기술이다.
호기 가스의 성분에는 수분 외에도 아세톤, 톨루엔, 암모니아, 수소뿐만 아니라 구취의 생체지표 가스인 황화수소(hydrogen sulfide), 메틸머캅탄(methyl mercaptan), 디메틸설파이드(dimethyl sulfide)의 3종 황 화합물이 포함된다. 그중에서 황화수소 가스는 구취 환자에게서 높은 농도로 배출되는 생체지표 가스로서 상기 3종 황화합물 가스 중에서 선택적으로 감지하는 것이 매우 중요하다.
호흡을 이용한 질병 진단은 테들라(Tedlar) 백에 포집된 날숨 가스를 소형 센서 장치로 주입한 후 수분 이내의 빠른 속도로 분석할 수 있는 비침습 진단 방법으로 최근 조명을 받고 있다. 또한, 질병 대사가 일어나는 시점에서 검출할 수 있어 조기 진단이 용이하다.
하지만 생체지표 가스들은 매우 미량의 농도인 10억분의 1(ppb)에서 100만분의 1(ppm) 수준으로 호흡 속에서 배출되기 때문에 정확한 분석을 위해서는 기술의 진보가 필요하다. 호기 속 수백 종 이상의 방해 가스들 속에서 목표 가스만을 선택적으로 분석하는 것은 저항 변화식 센서의 취약점으로 남아있다.
기존 가스 센서는 산화물 감지 소재 표면에 백금, 팔라듐 등 특정 촉매를 결합하거나 n-형 반도체식 금속산화물과 p-형 반도체식 금속산화물의 헤테로 접합 구조를 도입해 감지 특성을 높이려는 등의 시도가 있었으나 여전히 ppb 농도에서 생체지표 가스 감지 특성이 높지 않다는 한계가 있다.
연구팀은 미량의 염화 나트륨(NaCl)과 백금 촉매를 전기방사를 통해 넓은 비표면적과 다공성 구조를 갖는 금속산화물 나노섬유에 결착시켜 특정 생체지표 가스에 선택적으로 반응하는 감지 소재를 개발했다. 나트륨과 백금의 복합촉매가 결착된 나노섬유 센서는 백금 촉매만 결착되거나 촉매가 결착되지 않은 센서 대비 각각 10배 및 200배 이상 감지 특성이 향상됨을 확인했다.
특히 1 ppm의 황화수소 가스에 대해 감도가 780배 수준으로 바뀌는 세계 최고 수준의 감도 특성을 확인했고, 호기 속 방해 가스 중 반응성이 좋다고 알려진 에탄올 가스 대비 약 277배 수준의 선택도가 관찰됐다.
연구팀은 기존에도 호흡으로 질병을 진단하는 센서를 개발했으나 이번 기술은 가스 감지 성능 및 정확도와 신뢰도가 큰 폭으로 향상됐다는 특징이 있다. 또한, 연구팀은 이번에 개발한 초고성능의 가스 센서를 상용화된 압력센서, 온도센서, 습도센서와 결합해 간단하게 날숨을 불어넣는 것(호기 가스 직접 측정)만으로도 개개인의 호흡을 분석해 일반인도 쉽게 건강 이상을 판별할 수 있는 휴대용 복합센서 디바이스 플랫폼을 개발했다.
연구팀은 가스 크로마토그래피-질량분석법 기반 상용 구취 진단기를 활용한 호기 가스의 정성적 정량적 비교분석을 바탕으로 80건의 날숨 분석을 진행한 결과, 이번 복합센서 플랫폼이 86.3%의 정확도로 구취 유무를 판별할 수 있음을 확인했다. 이번 기술은 구취 유무를 지속적으로 모니터링하는 헬스케어 기기에 손쉽게 적용할 수 있다.
김일두 교수는 "기존 센서에 사용되지 않은 알칼리 금속 기반 촉매를 잘 알려진 백금 촉매와 함께 도입함으로써, 질병과 연관된 생체지표 가스에 초고감도 및 고 선택성으로 반응하는 센서 소재를 구현할 수 있었다ˮ며 "감지 소재 개발에 머물지 않고 실제 센서 디바이스 구현 및 호기 가스 임상시험을 통해 높은 정확도로 구취 유무를 판별할 수 있다는 측면에서 매우 의미가 있는 연구 결과다. 누구나 손쉽게 스스로 진단할 수 있는 자가 진단 기기의 진보는 의료비 지출 상승을 막고 지속적인 건강관리에 큰 도움이 될 것이다ˮ고 밝혔다.
이번 연구는 공동 제1 저자인 신하민, 김동하 박사과정(KAIST 신소재)과 정원종 전문연구원(삼성전자 종합기술원)의 주도하에 진행됐으며, 남궁각 전문연구원(삼성전자 종합기술원)과 김일두 교수(KAIST 신소재)가 교신저자로 참여했다.
연구 결과는 나노과학 분야의 권위적인 학술지 `에이씨에스 나노(ACS Nano)' 8월호 표지 논문으로 발행될 예정이며, `미국화학학회(ACS) 위클리 프레스팩(Weekly PressPac)'에 7월 21일 자로 소개되어 전 세계 수천 명의 기자단에게 홍보됐다. 또한, 관련 기술은 국내를 포함해 유럽, 미국, 중국에 특허로 출원됐다.
2021.07.29 조회수 11324 -
저온 엑솔루션 현상을 통한 나노촉매-금속산화물 기반 황화수소 가스 센서 개발
삼성미래기술육성사업이 지원하고 우리 대학이 POSTECH, GIST 등 국내 과학기술특성화대학 공동 연구진과 협업해 온 *엑솔루션 연구가 결실을 맺었다.
☞ 엑솔루션(Ex-solution): 금속 및 금속산화물 고용체를 가열해 성분을 분리하고, 이를 통해 실시간으로 금속 나노 입자 촉매를 금속산화물 표면에 균일하면서도 강하게 결착시키는 기법이다. 특별한 공정 과정 없이 열처리만을 활용하기에 친환경적인 미래 기술로 주목받고 있다.
우리 대학 신소재공학과 김일두 교수·정우철 교수 연구팀이 POSTECH 한정우 교수팀과 GIST 김봉중 교수팀과의 공동연구를 통해 단 한 번의 열처리로 금속산화물 감지 소재 표면에 나노촉매를 자발적으로 형성시켜 황화수소 기체만 선택적으로 감지하는 고 안정성 센서를 개발했다고 24일 밝혔다.
나노입자 촉매를 금속산화물에 형성하기 위한 기존 방식들은 진공을 요구하거나 여러 단계의 공정이 필요하기 때문에 시간과 비용이 많이 들뿐더러 촉매가 쉽게 손실되고 열에 불안정하다는 문제가 발생한다.
공동 연구진은 문제해결을 위해 낮은 공정 온도에서도 열적 안정성을 유지하면서 나노입자 촉매들을 금속산화물 지지체에 균일하게 결착시키기 위해 금속산화물의 실시간 상변화를 활용한 저온 엑솔루션 기술을 새롭게 개발했다. 이 기술은 열처리만으로 금속이 도핑된 금속산화물에다양한 상변화를 일으켜, 손쉽게 나노입자 촉매들을 금속산화물 표면에 형성시키는 새로운 기술이다.
공동 연구진은 저온 엑솔루션 기술을 기반으로 합성된 재료를 활용해 악취의 근원이 되는 황화수소 기체만 선택적으로 감지할 수 있으면서 기존 가스 센서보다 훨씬 안정성이 향상된 가스 센서를 개발하는 데 성공했다.
연구팀이 개발한 저온 엑솔루션 기술은 우리 생활에서 쉽게 접할 수 있는 구취 진단기에 응용이 가능할 뿐만 아니라 산화 촉매, *개질 반응 등 다양한 나노입자 촉매가 활용되는 물리화학 촉매 개발에 쉽게 활용할 수 있다.
☞ 개질(Reforming): 열이나 촉매의 작용으로 탄화수소의 구조를 변화시켜 가술린의 품질을 높이는 조작을 말한다.
이번 연구를 주도한 김일두 교수는 "새로 개발한 저온 엑솔루션 공정은 고성능·고 안정성 나노촉매 합성을 위한 핵심적 기술로 자리를 잡을 것ˮ이라면서 "연구에서 발견한 구동력과 응용 방법을 활용하면, 다양한 분야에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다ˮ 고 말했다.
이번 연구는 KAIST 김일두·정우철 교수와 POSTECH 한정우 교수, GIST 김봉중 교수 외에 KAIST 신소재공학과 장지수 박사와 김준규 박사과정 학생이 제1 저자로 참여했다. 연구 결과는 재료 분야의 권위 학술지인 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)' 10월 온라인판에 실렸고 연구의 우수성을 인정받아 같은 저널 11월호 속표지 논문으로 선정됐다. 또한, 관련 기술은 국내·외에 특허 출원을 신청할 예정이다.
2020.11.24 조회수 36249 -
양민양 교수, 고성능 필름형 차세대 전지 개발
〈 이 재 학 박사과정, 양 민 양 교수 〉
우리 대학 기계공학과 양민양 교수 연구팀이 고성능의 필름형 차세대 전지(슈퍼커패시터)를 저렴하고 간단한 방법으로 제작하는 데 성공했다.
연구팀은 기존의 복잡한 제작과정과 낮은 성능 등의 단점을 갖는 필름형 슈퍼커패시터를 대체할 수 있는 기술을 개발했다. 이는 새로운 고성능 소자구조를 단일공정으로 제작할 수 있는 핵심 재료 및 소자 제조 원천기술이다.
이재학 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료, 화학분야의 국제 학술지 영국왕립화학회의 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)’ 12월 21일자 표지논문에 선정됐다.
슈퍼커패시터는 기존의 리튬이온배터리와 비교해 월등하게 빠른 충전 속도와 반영구적 수명을 가져 차세대 에너지 저장소자로 각광받고 있다.
무엇보다 유연한 기판에 제조되는 필름형 슈퍼커패시터는 웨어러블 및 유연 전자소자의 회로에 직접 연결돼 전원 역할을 할 수 있기 때문에 차세대 유연 전자소자의 핵심 전력소자이다.
기존에는 유연한 필름 위에 높은 표면적의 금속 전극을 형성하기 위해 포토리소그래피, 진공증착 등의 반도체 공정을 이용했다. 또한 금속전극의 표면적 향상을 위해 추가적으로 고가의 설비와 2단계의 유독한 화학 공정이 필요했다.
연구팀은 보다 빠르고 저렴하며 간단한 방법인 레이저 성장 소결 공정 기술을 개발했다. 이는 나노미터 단위의 기공을 갖는 초다공성 은(銀) 전극을 제조하는 기술로 슈퍼커패시터의 전극으로 적용하는 데 성공했다.
레이저만을 이용해 은 미세 패턴을 형성하는 동시에 내부에 다공성 나노구조를 생성해 10단계 이상 소요되던 세부 제조 과정을 1단계로 간소화했다.
연구팀은 기존 금속 나노 용액과 비교해 매우 저렴한 무입자 유기금속이온 화합물 용액을 사용해 핵생성, 열성장, 다결정 금속 막 형성으로 이어지는 특수한 성장 소결 원리를 규명했다.
연구팀은 일반적인 단일물질 대칭구조의 슈퍼커패시터 전극과 달리 이종(異種)의 금속산화물(이산화망간과 산화철)을 각각 양극과 음극으로 비대칭 적용해 구동 전압을 크게 향상시켰다.
이를 통해 전력 보유량을 극대화해 고용량 에너지 저장소자를 개발했고, 4초 내 초고속 충전이 가능하고 5천 번 이상의 내구성 테스트에서 안정적으로 작동하는 것을 확인했다.
양 교수는 “이번 연구 결과는 향후 웨어러블 및 유연 전자기기 기판에 포함돼 전력을 공급할 수 있는 에너지 저장소자로 사용 가능하다”며 “전원까지 포함하는 진정한 의미의 완전한 유연 전자기기의 현실화에 더 가까워졌다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 논문 표지 이미지
그림2. 제조된 필름형 슈퍼커패시터와 그 성능
그림3. 레이저 성장 소결 메카니즘
그림4. 레이저 조사조건에 따른 은 전극 형상 변화
2018.01.11 조회수 14953 -
송현준 교수, 이산화탄소를 99% 순수연료로 바꾸는 광촉매 개발
〈 송현준 교수, 김진모 박사과정, 임찬규 박사과정 〉
우리 대학 화학과 송현준 교수 연구팀이 탄산수에 포함된 이산화탄소를 99% 순수한 메탄 연료로 바꿔주는 금속산화물 혼성 광나노촉매를 개발했다.
태양광을 이용해 메탄으로 직접 변환하는 기술은 태양전지를 이용해 전기를 생산 후 이를 전지에 저장하는 방식보다 저장 가능한 에너지의 양 측면에서 매우 효율적이다. 이번 연구는 값싼 촉매 물질을 이용해 반응 효율과 선택성을 크게 높인 화학에너지 저장방법을 구현했다는 의의를 갖는다.
목포대 남기민 교수와 공동으로 연구하고 배경렬 박사, 김진모 박사과정이 공동 1저자로, 임찬규 박사과정이 3저자로 함께 참여한 이번 연구는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 7일자 온라인 판에 게재됐다.
태양광은 차세대 에너지원으로 주목받고 있지만 해가 떠있는 동안에만 이용하고 발전량이 날씨에 따라 일정하지 않다는 단점이 있다. 태양광 에너지를 연료 등의 화학에너지로 직접 변환할 수 있다면 에너지 저장 및 이용에서의 문제점을 해결할 수 있다.
특히 온난화의 주범으로 지목되는 이산화탄소를 태양광을 이용해 변환하는 기술이 에너지와 환경 문제를 함께 해결할 수 있어 주목받고 있다. 하지만 이산화탄소는 매우 안정적인 물질이기 때문에 다른 분자로의 변환이 어려워, 이를 극복하기 위해 효율과 선택성이 좋은 촉매를 개발해야 한다.
송 교수 연구팀은 선크림에 주로 사용되는 아연산화물 나노입자를 합성한 뒤 표면에 구리산화물을 단결정으로 성장시켜 콜로이드 형태의 아연-구리산화물 혼성 나노구조체를 제작했다.
구리산화물은 빛을 받으면 높은 에너지를 가진 전자를 생성하며 이는 탄산수에 녹아있는 이산화탄소를 메탄으로 바꿔주는 역할을 한다. 또한 아연산화물도 빛을 받아 전자를 생성한 뒤 구리산화물로 전달해 주기 때문에 마치 나뭇잎에서 일어나는 광합성 현상과 유사한 원리를 통해 오랜시간 반응 시간을 유지했다.
그 결과 수용액에서 반응 실험을 실시했음에도 불구하고 이산화탄소에서 99%의 순수한 메탄을 얻을 수 있었다.
기존의 불균일 광촉매는 고체의 분말 형태이기 때문에 구조가 균일하지 않고 물에 분산되기 어려웠다. 송 교수 연구팀은 나노화학 합성 방법을 이용해 촉매 입자의 구조를 일정하게 조절하고 높은 표면적을 유지시켰다. 이를 통해 기존 촉매보다 수용액에서의 이산화탄소 변환 활성을 수백 배 증가시켰다.
송현준 교수는 “태양광을 이용한 이산화탄소의 직접 변환 반응의 상용화에는 많은 시간이 필요하다. 그러나 이번 연구처럼 나노 수준에서의 촉매 구조의 정밀한 조절은 광촉매 반응의 효율 향상 및 원리 연구에 큰 도움을 줄 것이다”며 “이를 다양한 광촉매에 접목시키면 촉매 특성의 최대화가 가능할 것이다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 광나노촉매를 이용한 수용액에서의 이산화탄소 변환 반응 개념도
그림2. 아연-구리산화물 나노촉매의 구조와 이를 이용한 광촉매 CO2 변환 반응 및 안정성 테스트 결과
2017.11.09 조회수 18013 -
김일두 교수, 동물 단백질 촉매로 활용한 질병진단센서 개발
〈 김 일 두 교수 〉
우리 대학 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 동물의 단백질을 촉매로 활용해 호흡으로 질병을 진단할 수 있는 센서를 개발했다.
이는 사람의 날숨에 포함된 다양한 질병과 관련된 바이오마커 가스들에 대한 패턴 인식을 통해 질병을 조기 모니터링 할 수 있는 기술이다.
이번 기술은 다양한 단일 금속입자 뿐만 아니라 어떠한 조합의 이종입자도 2 nm 크기로 합성할 수 있는 장점을 갖는다. 연구팀은 기존에도 호흡으로 질병을 진단하는 센서를 개발했으나 이번 기술은 더욱 정확하고 높은 감도를 갖는다는 특징이 있다.
김상준, 최선진 박사가 1저자로 참여한 이번 연구 결과는 미국 화학회의 화학분야 국제 학술지 ‘어카운트 오브 케미칼 리서치(Accounts of Chemical Research)’ 7월호 표지논문으로 선정됐고, 독일 와일리 국제 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에도 게재가 확정됐다.
혈액 체취나 영상 촬영 없이 내뱉는 숨(호기)만으로 각종 질병 여부를 파악하는 호흡 지문 센서 기술은 핵심 미래 기술이다. 호기 속 특정 가스들의 농도변화를 체크해 건강 이상 여부를 판단할 수 있다.
호기가스 성분에는 수분 외에도 수소, 아세톤, 톨루엔, 암모니아, 황화수소, 일산화질소 등이 포함된다. 이 가스들은 천식, 폐암, 1형 당뇨병, 구취 등 특정 질병 환자에게서 높은 농도로 배출되는 바이오마커 가스이다.
호흡을 이용한 질병 진단은 마치 음주측정기처럼 테들라(Tedlar) 백에 포집된 날숨 가스를 소형 센서 장치로 주입한 후 빠른 속도로 분석되기 때문에 쉽고 간편하게 질병을 진단할 수 있다. 또한 질병 대사가 일어나는 시점에서 검출이 가능해 조기 진단이 가능하다.
하지만 매우 경미한 수준인 10억분의 1(ppb)에서 100만분의 1(ppm) 수준으로 발생하는 가스를 호흡 속에서 정확히 분석하기 위해서는 기술의 진보가 필요하다. 특히 수분을 포함한 수백 종의 방해 가스는 특정 질병 관련 바이오마커 가스를 선택적으로 분석하는 저항 변화식 센서의 취약점으로 남아 있다.
기존의 가스 센서는 백금, 팔라듐 등 특정 촉매를 결합해 감지 특성을 높이려고 시도했으나 ppb 농도에서는 생체지표 가스 감지 특성이 높지 않다는 한계가 있었다.
연구팀은 기존 센서의 한계 극복을 위해 동물의 조직에 존재하는 나노크기의 단백질을 희생층으로 이용해 속이 비어있는 단백질 껍질 안에 석출된 이종촉매(Heterogeneous catalyst) 입자를 합성하는데 성공했다.
이번 연구에 사용된 나노크기의 단백질은 주기율표에 존재하는 원소물질을 조합해 어떠한 형태의 이종촉매도 다양하게 구현할 수 있다는 큰 장점을 갖는다.
특히 이종 원소간 조성비를 쉽게 조절할 수 있고 금속간화합물도 제조할 수 있어 신조성을 갖는 촉매 합성 측면에서 매우 획기적인 방법이다.
예를 들어 백금이 기준 촉매일 때 백금팔라듐(PtPd), 백금니켈(PtNi), 백금루테늄(PdRu), 백금이트륨(PtY3) 등 다양한 이종 합금촉매로 확장할 수 있다.
연구팀은 개발된 이종촉매 입자를 넓은 비표면적과 다공성 구조를 갖는 금속산화물 나노섬유에 결착시켜 특정 생체지표 기체에만 선택적으로 반응하는 감지소재를 개발했다. 이종촉매가 결착된 나노섬유 센서는 기존에 촉매 활성이 가장 뛰어나다고 알려진 백금이나 팔라듐 촉매보다 약 3~4배 이상 감지 특성이 향상됨을 확인했다.
특히 아세톤이나 황화수소 가스는 1ppm에서 감도가 100배 수준으로 바뀌는 최고 수준의 감도 특성이 관찰됐다.
연구팀은 다양한 종류의 감지 소재가 적용된 복합 센서 배치(sensor array) 시스템을 이용해 사람의 지문을 인식하듯 개개인의 호흡을 패턴 인식해 일반인도 쉽게 건강 이상을 판별할 수 있는 질병진단 플랫폼을 개발했다.
16종의 다른 선택성을 갖는 센서를 어레이화하는데 성공했으며, 환자의 건강상태에 따라 날숨 농도변화가 다르게 나타나기 때문에 날숨 속 가스 정보를 지문처럼 패턴화하여 개인의 건강 변화를 지속적으로 모니터링 하는 헬스케어 기기에 적용할 수 있다.
김 교수는 “기존에 센서에 사용된 적이 없는 2 nm 크기의 이종촉매를 단백질을 이용하여 적용함으로써, 질병과 연관된 생체지표 가스에 고감도 및 고 선택성으로 반응하는 센서소재 라이브러리를 구현할 수 있다”며 “앞으로 다양한 촉매 군을 확보하면 수많은 질병을 진단할 수 있는 센서를 개발할 수 있다”고 말했다.
또한 “호흡으로 질병을 진단하는 센서는 누구나 손쉽게 스스로 진단할 수 있는 자가 진단 기기의 시작으로 의료비 지출 상승을 막고 지속적 건강관리에 큰 도움이 될 것이다”고 말했다.
이번 기술과 관련된 특허들은 지난 3월과 6월 각각 벤처기업과 중소기업에 기술이전 됐다.
본 연구는 미래창조 과학부 웨어러블 플랫폼소재 기술센터 과제와 바이오의료기술개발사업 과제의 지원으로 이루어졌다.
□ 그림 설명
그림1. 어카운트 오브 케미칼 리서치 표지 이미지
그림2. 다종 입자 촉매
그림3. 함금촉매 합성
그림4. 다종센서 어레이_날숨 분석 센서
2017.07.18 조회수 29119 -
박인규 교수, 공기오염 측정 센서 원천기술 개발
<박인규 교수>
우리 대학 기계공학과 박인규(38) 교수팀이 스마트폰 등 모바일 기기에 탑재 가능한 초소형, 초절전 공기오염 측정 센서의 원천기술 개발에 성공했다고 밝혔다.
연구 결과는 네이처(Nature)의 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 1월 30일 자 온라인 판에 게재됐다.
각종 공기오염 물질이 증가하고 사람들의 건강관리에 대한 관심이 높아지면서 개인의 주변 공기오염도에 대한 측정 기술의 필요성이 커지고 있다.
하지만 기존의 공기오염 측정 센서는 소모 전력과 부피가 크고, 여러 유해가스를 동시에 측정할 때의 정확도가 낮았다. 이는 기존에 개발된 반도체 제작공정을 사용해도 해결이 쉽지 않았다.
박인규 교수팀은 수백 마이크로미터 폭의 미세유동과 초소형 가열장치로 수 마이크로미터만을 국소적으로 가열하는 극소영역 온도장 제어기술을 이용해 여러 종류의 기능성 나노소재를 하나의 전자칩에 쉽고 빠르게 집적하는 기술을 개발했다.
대표적으로 공기오염 측정에 사용되는 센서 소재인 반도체성 금속산화물 나노소재 기반의 전자칩을 제작하였다.
박 교수팀의 기술은 다종의 센서용 나노소재를 적은 양으로도 동시제작 할 수 있어 모바일 기기에 탑재할 초소형, 초절전 가스 센서를 만들 수 있다.
이 기술은 고밀도 전자회로, 바이오센서, 에너지 발전소자 등 다양한 분야에 응용이 가능하고, 특히 소형화 및 소비전력 감소에 어려움을 겪는 휴대용 가스센서 분야에 혁신을 가져올 것으로 예상된다.
박 교수는 “모바일 기기용 공기오염 센서 뿐 아니라 바이오센서, 전자소자, 디스플레이 등의 다양한 융합기술 발전에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 교육부의 글로벌프론티어 사업, 미래창조과학부의 나노소재 기술개발사업, BK21 사업의 지원을 받아 수행됐다.
이번 연구에는 박인규 교수를 비롯해 기계공학과 양대종 박사후 연구원, 강경남 박사과정 연구원, 한국전력공사 김동환 연구원, 미국 휴렛 팩커드(Hewlett Packard) 사의 지용 리 (Zhiyong Li) 박사가 참여했다.
□ 그림설명
그림1. 다종 나노소재 제작 원리 및 미세 유동 컴퓨터 시뮬레이션 결과
그림2. 초미세 영역에서 동시에 제작된 다종의 나노소재
2015.02.24 조회수 15615 -
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 20663