기계공학전공 박인규 교수팀이 초소형 공기 오염 측정 센서를 개발했다. 이번에 개발된 공기 오염 측정 센서는 크기가 크고 전력소모가 많던 기존의 측정 센서와 비교하면 휴대 가능할 정도로 작고 소비전력도 적다. 이 연구 결과는 지난 1월 <사이언티픽 리포트(Scientific Reports)>에 게재됐다.

광학 이용한 공기 오염 측정 센서
도로에 비치된 일반적인 공기 오염 측정 센서는 엑스레이를 이용한 광학적 방법으로 공기 내 오염물질을 측정한다. 이 방법을 이용한 측정 센서는 정확하게 공기 오염도를 측정할 수 있지만 크기가 크고 고가이므로 개인이 소지할 수 없다. 또한, 크기가 커서 전력을 많이 소비한다. 

금속산화물로 작은 센서를 만들어
금속산화물을 이용하면 수 ㎜에서 수 ㎝ 크기의 센서를 만들 수 있다. 이 방법은 금속산화물의 전기저항이 산화성, 환원성 기체를 만나면 변화한다는 점을 이용한다. 대표적인 공기 오염 물질은 CO와 NO₂로, 환원성 기체인 CO는 금속산화물의 전기저항을 감소시키고 산화성 기체인 NO₂는 금속산화물의 전기저항을 증가시킨다. 공기 오염 물질의 농도가 높으면 전기저항의 변화도 커지므로 전기저항의 변화를 측정해 공기 오염 물질의 양을 알 수 있다.

정확도 위해 여러 금속산화물 이용
한 가지 금속산화물로 구성된 센서로는 다양한 오염물질 검출이 어려우며, 검출한 오염물질이 무엇인지 구분하기 어렵다. 따라서 최근에는 금속산화물마다 오염물질을 접했을 때 전기저항 변화가 다르다는 것을 이용해 작은 영역에 여러 종류의 센서를 집적하는 연구가 이루어지고 있다. 오염물질에 따른 다양한 금속산화물의 전기저항 변화를 분석해 구성을 알 수 없는 기체를 측정했을 때도 오염물질의 종류와 양을 알 수 있게 하려는 것이다.

나노와이어로 초소형 센서 제작해
박 교수팀은 금속산화물 나노와이어를 만들어 센서를 제작했다. 기존에 사용되던 필름 형태 금속산화물 센서에 비해 나노와이어는 부피 대비 표면적이 커 감도가 높다. 다양한 금속산화물 나노와이어를 가진 공기 오염 측정 센서를 만들기 위해 기존에는 금속산화물 종류별로 각각의 판에 나노와이어를 만들어 붙이는 방법을 이용했다. 하지만 각각의 나노와이어가 갖는 크기가 수백 ㎛이므로 이 방법으로는 원하는 만큼 작은 센서를 만들기 어렵고, 공정이 복잡하다.

초소형 가열장치로 기존 한계 극복
박 교수팀은 마이크로 유동(Mi -croflow)과 극소영역 온도장 제어기술로 여러 종류의 나노와이어를 동시에 원하는 영역에 생성하는 것에 성공했다. 마이크로 유동이란 아주 적은 양의 유체가 흐르는 것을 말한다. 작은 관을 통해 여러 종류의 금속산화물 제작을 위한 용액을 느리게 흘려보내면 하나의 관에서도 용액이 섞이지 않고 층을 형성해 흐른다. 이를 이용해 한 번에 여러 종류의 금속산화물을 원하는 장소로 보낼 수 있다.
극소영역 온도장 제어기술이란 초소형 가열장치로 수 ㎛ 크기의 특정 영역만 가열하는 기술이다. 금속산화물 제작을 위한 용액이 미세한 관을 따라 가열 영역 위를 지나면 가열 영역에서 나노와이어가 자란다. 각기 다른 용액은 층을 형성해 흐르므로 다른 위치의 가열 영역 위를 지난다. 따라서 한 번에 여러 종류의 나노와이어를 만들 수 있다. 박 교수팀은 이 방법으로 하나의 판 위에 ZnO, CuO, TiO₂의 세 가지 금속산화물 센서가 집적된 공기 오염 측정 센서를 만들었다. 이번에 개발한 기술을 이용하면 세 개의 금속산화물로 500㎛×500㎛ 크기의 공기 오염 측정 센서를 만들 수 있다.

최근 환경 오염이 중요한 문제로 대두되며 공기 오염에 대한 관심도 커지고 있다. 논문 공동저자인 강경남 학우는 “이번 연구의 목적은 개인이 공기 오 염 측정 센서를 사용할 수 있게 하는 것이다”라며 연구의 목적과 의의를 밝혔다.