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NEW 심태섭 교수팀, 광유체소자 이용 인체유해 휘발성 유기용매 식별기술 개발
- 2025-01-24
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우리 학교 심태섭 교수팀이 산업현장에서 사용되는 휘발성 유기용매의 유해성을 낮은 비용으로 손쉽게 식별할 수 있는 새로운 방법을 개발했다.
화학공학과 심태섭 교수는 종이기반의 광유체소자(Optofluidic device)를 활용해 휘발성 유기용매(VOCs) 식별소자를 개발했다고 밝혔다.
해당 연구는 ‘디지털 컬러 코딩을 이용한 유기물질 구별 감지 광유체 종이 기반 분석장치(Optofluidic paper-based analytical device for discriminative detection of organic substances via digital color coding)’라는 제목으로 네이쳐 퍼블리싱 그룹(Nature publishing group)이 펴내는 국제 학술지 <마이크로시스템즈 & 나노엔지니어링(Microsystems & Nanoengineering)> 1월호에 게재됐다.
아주대 심태섭 교수(화학공학과)와 전남대 정헌호 교수(화공생명공학과)가 공동 교신저자로 참여했고, 아주대 오치영 박사과정생(에너지시스템학과)과 전남대 최진솔 석사(화공생명공학과)가 공동 1저자로 함께 했다.
산업 현장에서 사용되는 벤젠, 포름알데히드, 에틸렌 같은 휘발성 유기용매(Volatile Organic Compounds, VOCs)는 유해성이 높다. 유기용제 사용 시설이나, 도장 시설, 세탁소와 주유소, 각종 운송수단의 배기가스 등에서 배출되는데 끓는 점이 낮아 대기 중으로 쉽게 증발하고, 광화학스모그를 유발하거나 발암성 물질이로 인체에 해를 입힌다. 때문에 관련 산업 종사자∙뿐 아니라 일반인 누구나 쉽게 이를 식별할 수 있는 기술에 대한 요구가 높다.
기존의 방식은 가스 및 액체 크로마토그래피 같은 기술로, 굉장히 민감하고 정밀하지만 식별에 걸리는 시간이 길고, 넓은 공간과 고도의 숙련된 기술을 요구해 높은 비용이 수반된다. 또다른 방식인 염료 기반 센서의 경우, 손쉽게 활용이 가능하며 비용 역시 낮지만 타깃 별 설계가 필요하며 장기 안정성 문제가 남아있다.
이에 아주대·전남대 연구팀은 휘발성 유기용매를 경제적이면서도 효율적으로 검출할 수 있는 종이기반 광유체소자를 제작했다. 인간의 후각은 다양하고 복잡한 냄새 물질들을 수많은 후각수용체의 신호를 패턴화해 구별하는데, 이를 모방한 인공 후각 시스템 구축을 위해 연구팀은 고분자 기반 흐름제어 관문(macromolecule-driven flow gate, MDF gate)과 광결정 필름(Photonic crystal film)을 결합하는 방식으로 접근했다.
아주대-전남대 공동 연구팀이 개발한 종이기반 광유체소자 분석 플랫폼
고분자 기반 흐름제어 관문(MDF gate)은 종이와 다양한 고분자 소재가 공존하는 구조로 만들어졌다. 이러한 구조는 개별 휘발성 유기용매 마다 고분자와의 친화성이나 용해도 등이 달라 유기용매를 1차적으로 식별하는 관문으로 활용됐다. 이후 관문을 지난 용매는 또다른 고분자 소재 기반의 광결정 필름에 도달하게 된다. 광결정 필름은 내부의 규칙적인 배열에 의한 구조색이 나타나는데, 용매와 맞닿은 광결정 필름 또한 고분자로 이뤄져 있기 때문에 게이트와 마찬가지로 특정한 용매만이 광결정 필름을 팽윤시킨다. 이 때 용매과 광결정 필름 간의 상호작용에 따라 광결정 필름의 광학특성 변화의 차이가 발생하여 2차적으로 용매를 식별할 수 있다. 결과적으로 연구팀은, 사용자는 다양한 고분자 기반 흐름제어 관문(MDF gate)과 연결된 광결정 필름의 색 변화를 통해 특정 유기용매의 존재를 육안으로 식별할 수 있음을 확인했다.
심태섭 교수는 “이 기술은 구조적으로 차이가 적은 유기용매의 식별을 위해 종이기반 소자를 통해 육안으로 식별할 수 있도록 구현한 기술”이라며 “비전문가도 쉽게 활용할 수 있는 저렴한 플랫폼이라는 점에서, 산업 현장과 사회의 안전에 중요한 의미를 가진다”고 말했다.
해당 연구는 한국연구재단(NRF)의 기본연구와 우수신진연구과제의 지원을 받아 수행됐다.