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2017/04/02 한양뉴스 > 학술 헤드라인

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[이달의 연구자] 김현우 교수(신소재공학부)

획기적인 벤젠 가스 감지 센서를 개발하다

김상연

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http://www.hanyang.ac.kr/surl/lO2I

내용
다음 상황에서 김한양 씨가 처한 위험은 무엇일까. 자동차 공장에 다니는 김한양 씨는 평소에 동료들과 함께 담배 한 대 태운 후 퇴근길에 오른다. 최근 신축 아파트에 새집을 마련한 김 씨는 즐겁게 집으로 향하다가 기름이 부족한 걸 보고 주유소에 들른다. 열린 창문 사이로 주유소 냄새가 들어왔지만, 김 씨는 개의치 않는다.
 
앞선 설명에서 등장한 ‘공장, 담배, 주유소, 새집’은 모두 위험 요인이다. 4가지의 공통점은 모두 유독성 벤젠 가스가 발생하는 물질이나 장소라는 것이다. 이때 필요한 것은 올바르게 벤젠 가스를 감지해낼 수 있는 센서. 김현우 교수(신소재공학부)가 이에 대한 연구를 진행했다. 


 
▲김현우 교수(신소재공학부)와 지난 3월 31일 연구실에서 만나 인터뷰를 진행했다.
 
벤젠, 얼마나 위험할까
 
방향족 탄화수소 물질의 일종인 ‘벤젠’은 약품, 플라스틱, 인조 고무, 염료의 제조에 중요한 역할을 하므로 생산적 사용 빈도가 높다. 여러 화학 공정에서 중요한 용매로 사용됨에도 불구하고 상당히 위독한 발암성 물질이다. 벤젠이 발암성 물질인 만큼 벤젠 가스도 인체에 유해한 유독성 가스로 분류된다. 김현우 교수는 “벤젠 가스는 유독성 및 마취성을 가지기 때문에 다량으로 흡입할 경우 발열과 두통, 호흡곤란 증세를 동반한 벤젠 중독이 나타난다”며 “지속해서 노출 될 시에는 백혈병 발병이나 사망에 이를 정도로 인체에 해로운 영향을 미친다”고 말했다. 
 
벤젠의 위험성은 벤젠을 다루는 산업체나 공장뿐만 아니라 우리 실생활에도 다양하게 자리잡고 있다. 벤젠 가스는 새로 지은 건물 안에서 발생하는 ‘새집 증후군’의 가장 큰 원인이 되는 성분으로 알려져 있다. 계속 살펴보면, 주유소나 지하주차장, 혹은 담배 연기와 자동차 배기가스에도 벤젠 가스가 포함돼 있다. 김현우 교수는 연구를 통해 벤젠 가스를 효과적으로 감지해낼 수 있는 센서를 개발했다.

 
벤젠 가스 감지 센서의 새로운 길 열다
 
“이번에 개발한 센서가 벤젠 가스를 검출해내는 원리는 간단합니다.” 김 교수는 벤젠 가스 센서에 대한 설명을 시작했다. “기본적으로 산화주석(SnO2-Core)으로 이뤄진 나노선(Nanowire)을 사용합니다. 여기에 산화아연(ZnO-Shell)을 씌우는데요. 이 형태는 수십 나노미터 이하 크기의 매우 얇은 형태로 제작됩니다. 가스 감지 특성이 매우 우수한 형태죠." 김 교수는"쉽게 말해 바닷물에 물을 부었을 때와 세숫대야에 물을 부었을 때의 민감도 차이를 생각하면 된다"고 덧붙였다.
▲산화주석(SnO2-Core)에 산화아연(ZnO-Shell)과 팔라듐 나노입자(Pd nanoparticle)를 입히는 과정. 초고감도 벤젠 가스 나노 센서의 기본을 이룬다. (출처: 김현우 교수)
 
다음 단계는 팔라듐 나노입자(Pd nano particle)를 붙이는 과정이다. "팔라듐 나노입자는 벤젠에 대해서 초고감도 특성을 가지는 물질이라고 할 수 있어요. 전자 구조상 벤젠은 팔라듐에 흡착이 잘 이뤄지죠.” 김현우 교수는 팔라듐 나노입자의 ‘스필오버(spillover) 효과’도 함께 언급했다. “스필오버(spillover) 효과 란 팔라듐 나노입자에 벤젠 가스가 흡착됐을 때 팔라듐이 가진 성질이 벤젠 가스를 옆으로 흩어지게 하는 현상을 일컫는 말이에요. 팔라듐이 벤젠 가스를 옆으로 전달하면 나노 쉘이 가스를 검출해내는 원리라고 할 수 있습니다.”

김 교수는 건강한 인류를 위해 인체에 해로운 유해가스를 탐지하는 센서를 연구해보자는 목표로 연구를 진행했고 이번 연구를 통해 벤젠 가스의 정밀한 감지가 가능해졌다. “활용 범위는 좀 더 생각해볼 문제지만, 어떤 방식으로든 적용해도 무방합니다. 공장이나 사무실에서도 사용할 수 있고 휴대용으로도 활용 가능할 것으로 생각해요. 이제는 실내와 실외, 혹은 장소에 따라 가장 효율적인 감지 방식을 찾아 구체적인 응용에 있어 최적화된 활용 방법에 대해 연구할 예정입니다.”
 
앞으로도 센서 연구에 힘쓸 것
 
김현우 교수는 자신의 연구에서 중요한 것은 ‘선택성’이라고 밝혔다. “제가 연구하고 있는 센서의 종류를 ‘저항식 가스 센서’라고 해요. 여기서 중요한 것은 해당 가스를 집중적으로 구별할 수 있는 선택성에 있죠.” 이와 관련해 김 교수는 벤젠뿐만 아니라 다른 가스에 대해서도 다양한 연구를 진행하고 있다. “벤젠과 비슷한 유해 물질로 톨루엔이 있는데요. 벤젠 가스가 팔라듐에 반응하듯 톨루엔은 백금에 반응하죠. 마찬가지로 일산화탄소는 금과 연결되고요. 이런 상관관계를 연구에 적용하는 거죠. 새로운 접근법을 기초로 한 효과적인 나노 센서를 개발하기 위해 노력하고 있습니다.”
 
마지막으로 김 교수는 4차산업 혁명에서 센서 분야의 중요성을 강조했다. “인공 지능이 정보를 주고받기 위해서는 정교화된 수많은 센서가 올바르게 작동해야 하죠. 4차 산업이 도래하면서 센서의 수요는 많아질 겁니다. 우리나라에도 이 분야에 유명 석학이 많이 계시는데 산업적으로는 아직 영세한 편이에요. 앞으론 산업과 학문의 협력이 잘 이뤄져서 세계적인 경쟁력을 갖추면 좋겠고, 그 안에서 저도 일조하고 싶네요.”
▲"새로운 방식의 연구 방법이 떠오르지 않아 걱정"이라고 밝힌 김현우 교수. 그에게서 고뇌하는 연구자의 면모를 엿볼 수 있었다.


글/ 김상연 기자            ksy1442@hanyang.ac.kr
사진/ 최민주 기자     lovelymin@hanyang.ac.kr
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기사댓글 3

  • 우와2017/04/07

    교수님 멋져요

    오뉴2017/04/08

    앞으로도 훌륭한 연구 기대합니다

    이자연2017/04/20

    교수님 너무 멋지십니다! ^^