숨 한 번에 건강 읽는다···한국기술교육대, 80배 민감한 초고성능 가스센서 개발

나노나선 구조 적용해 조 단위 농도 수준 감지
호흡 기반 건강 모니터링 활용 기대

한국기술교육대 에너지신소재화학공학부 정재한 석사과정생(왼쪽)과 심영석 교수. 한국기술교육대 제공

한국기술교육대 에너지신소재화학공학부 심영석 교수 연구팀이 사람의 ‘숨’ 속에 들어 있는 아주 미세한 성분까지 정밀하게 찾아낼 수 있는 고성능 가스센서를 개발했다.

4일 한국기술교육대에 따르면 이번 연구는 석사과정 정재한씨가 제1저자로 참여했으며 연구 결과는 국제 학술지 Chemical Engineering Journal 온라인판에 게재됐고 오는 15일 발간호에도 실릴 예정이다.

사람의 호흡에는 아세톤 같은 휘발성 물질이 아주 소량 포함돼 있다. 이런 물질은 몸속 대사 상태와 관련이 있어 정확히 측정하면 건강 상태를 파악하는 데 활용할 수 있다. 하지만 숨에는 수분이 많고 여러 물질이 함께 섞여 있어 특정 성분만 정확히 찾아내는 데 어려움이 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 ‘나노나선(nanohelices)’ 구조의 센서를 설계했다. 머리카락보다 훨씬 작은 나선형 구조를 여러 겹 쌓아 가스 분자가 센서 표면에 더 많이 닿도록 만든 것이다. 그 결과 기존의 평평한 구조 센서보다 약 80배 이상 민감하게 반응하는 성능을 보였다.

또 센서 표면에 촉매 물질인 Co₃O₄(산화코발트)를 매우 얇게 입혀 감지 능력을 더욱 높였다. 이를 통해 ‘ppt(조 단위 농도)’ 수준의 극미량 가스까지 구분할 수 있는 것으로 확인됐다.

특히 습도가 높은 환경에서도 성능이 크게 떨어지지 않았으며 약 8개월간 진행한 장기 시험에서도 초기 성능을 대부분 유지했다.

이번 연구는 앞으로 호흡 분석을 통한 건강 모니터링 기술은 물론, 대기 중 유해가스 감지 등 환경 감시 분야로도 활용 범위가 넓어질 것으로 기대된다.

심영석 교수는 “이번 연구는 숨 속의 미세 성분을 정밀하게 측정할 수 있는 기술적 기반을 마련했다는 점에서 의미가 있다”고 말했다.

정재한씨는 “나노 구조를 정밀하게 제어하는 과정이 가장 어려웠지만, 세계적 수준의 성능을 확인해 보람을 느낀다”고 했다.

한편 이번 연구에는 한국화학연구원과 홍익대, 한국생산기술연구원이 공동 연구기관으로 참여했다.

강정의 기자 justice@kyunghyang.com