KISTI의 과학향기

독일 킬 대학(Kiel University)과 몰도바 국립공과대학(Technical University of Moldova)의 연구진은 3차원 프린팅을 사용하여 매우 민감하고 에너지 효율적인 센서를 만드는데 성공했다. 이 센서는 나노크기의 특수 구조를 사용하여 아세톤 가스의 농도를 정확하게 측정할 수 있었다. 호흡 시에 배출되는 아세톤 농도는 혈당 수치와 관련이 있기 때문에, 이번에 개발된 센서는 숨을 내쉬는 간단한 방식으로 혈당을 측정할 수 있을 것이다.

 

고감도 센서의 제조 공정은 복잡하다. 먼지가 거의 없는 특별한 클린 룸에서 많은 단계를 거쳐야 한다. 그러나 이번에 개발된 방법은 간단하면서 비용 효율적이고 대량 생산도 가능하다.

 

개발된 센서의 표면은 직경이 약 20 나노미터의 나노와이어로 구성되어 있고, 아세톤과 같은 가스 분자를 쉽게 포집할 수 있다. 또한 나노와이어는 센서의 표면 크기를 증가시켜서 높은 수준의 감도를 가능하게 한다. 금속 입자들은 3차원 프린터로 원하는 표면 위에 정밀하게 도포되고 이것을 가열함으로써 나노와이어/나노스파이크(nanospike)가 형성되어진다.

 

이러한 3차원 프린팅 프로세스는 대기 중에서 수행될 수 있다. 이러한 방식은 몇 분 동안에 다중 센서를 동시에 만들 수 있다. 시작 물질을 변경하면 크기 및 구조가 변화되어서 특정 가스의 검출이 가능하게 된다. 이러한 원리는 폭발성 수소 또는 유해 가스용 센서를 개발하는데 사용될 수 있을 것이다.

 

시작 물질인 금속 입자는 나노와이어와 나노스파이크를 형성하기 위해서 특정 크기를 가져야 한다. 표면과 부피 간의 정확한 비율도 중요하다. 분무 또는 진공 증발 시스템과 같은 기존 기술을 사용해서 작은 입자들을 표면에 도포할 수 있지만, 가열 시에 너무 크게 성장했기 때문에 적용할 수 없었다. 그래서 3차원 프린터로 미세 입자를 표면에 도포하는 방식을 선택하게 되었다.

 

센서 표면의 수많은 나노와이어들은 유기 분자와 서로 강하게 반응한다. 따라서 센서의 저항이 변화되고 이것을 측정함으로써 어떤 유기 분자가 얼마 정도 존재하는지를 알 수 있다. 이 센서는 에너지를 거의 사용하지 않는다. 따라서 작은 휴대용 측정 장치로 적용할 수 있을 것이고, 측정치는 스마트폰을 통해서 직접 알 수 있을 것이다.

 

개발된 센서는 1 ppm 미만의 아세톤 값을 측정할 수 있다. 당뇨병 유형 I과 II를 가진 사람들은 호흡 시에 2 ppm 이상의 아세톤 가스를 방출하기 때문에 정확한 측정이 가능하다.

 

이 연구는 당뇨병 환자를 위한 휴대용 검사기를 개발하는데 매우 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 당뇨병 환자는 하루에 몇 번씩 손가락을 찌름으로 혈당 수치를 확인하는데, 이번 방식은 단시 음주 측정과 같이 숨을 몇 번 내쉼으로써 혈당 수치를 정확하게 확인할 수 있을 것이다.