초고감도 분자 검출 기판 제조기술 개발
인체와 환경에 치명적일 수 있는 각종 유해 물질을 조기에 검출하여 먹거리 안전 확보, 재난 방지, 방역 관리 등을 효과적으로 할 수 있도록 도와주는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
재료연구소(소장 김해두)가 식품이나 의약품, 자연 환경 속에 포함된 항생제나 독소, 농약 등 극미량의 유해물질을
현장에서 실시간 검출할 수 있는 기판을 개발했다.
재료연구소 표면기술연구본부의 박성규·김동호 박사 등 분자감지소재 연구팀은 식품이나 인체, 자연 환경 속에 포함된 독소, 농약 등 극미량의 유해물질을 현장에서 실시간으로 확인할 수 있게 하는 기판을 개발했다.
이번 연구결과는 재료분야 세계적 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)의 표지논문으로 게재됐다.
지금은 현장에서 시료를 채취한 뒤 실험실에서 고성능 질량분석기 등을 이용해 검사하는 방식인데 이는 시간과 비용이 많이 들고 전문 인력도 필수적이다.
연구팀이 개발한 기술을 적용하면 현장에서 누구나 손쉽게 검사할 수 있다.
재료연구소 표면기술연구본부의 박성규·김동호 박사 등 분자감지소재 연구팀은 식품이나 인체, 자연 환경 속에 포함된 독소, 농약 등 극미량의 유해물질을 현장에서 실시간으로 확인할 수 있게 하는 기판을 개발했다.
이번 연구결과는 재료분야 세계적 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)의 표지논문으로 게재됐다.
지금은 현장에서 시료를 채취한 뒤 실험실에서 고성능 질량분석기 등을 이용해 검사하는 방식인데 이는 시간과 비용이 많이 들고 전문 인력도 필수적이다. 연구팀이 개발한 기술을 적용하면 현장에서 누구나 손쉽게 검사할 수 있다.
연구팀은 은 나노 와이어 잉크를 유리 섬유 필터에 걸러내는 간단한 방식으로 은 나노 와이어가 고밀도로 집적화 된 금속나노 구조체를 제조했다.
이는 고가의 반도체 나노 공정을 사용하지 않아 쉽고 저렴하게 기판을 제조할 수 있어 경제성과 실용성을 모두 갖췄다.
실용화를 점쳐볼 수 있는 라만 증강 지수도 기준인 백만 배를 넘었다.
개발된 기판은 휴대형 라만 분석기에 접목할 수 있다. 라만 분석은 빛을 이용한 물질검출법 중 하나로 분자 각각의 고유신호를 확인할 수 있어 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다.
특히 최근 먹거리 안전, 환경 문제 등이 대두되면서 아주 적은 양의 유해물질까지 확인할 수 있는 기술에 대한 요구가 크다. 이에 따라 라만검출기 등이 출시되어 하드웨어는 어느 정도 갖춰졌으나 이를 뒷받침할 기판 소재는 아직 부족한 실정이다.
연구팀은 이에 착안해 은 나노 와이어를 활용한 기판 제조 기술을 개발했다. 라만 신호의 세기가 약해 미량의 시료를 분석하기 위해서는 이를 증폭시킬 수 있는 기판 소재가 꼭 필요하기 때문이다.
연구팀이 개발한 기판은 기존의 라만 신호를 증폭시키기 위한 기판 제조 방식이 갖고 있던 재현성, 양산성, 경제성 등의 한계를 극복했다.
이에 따라 농·수산물에 포함되어 있는 농약이나 강물 속 독소, 산업 현장의 유해 물질, 혈액 속의 발암물질 등을 10억분의 1(ppb)의 분자 하나까지도 현장에서 바로 확인할 수 있게 됐다.
연구를 주도한 김동호 박사는“현재 시장은 프린터는 있는데 종이 값이 너무 비싸서 아무도 쓸 엄두를 못 내고 있는 상황과 마찬가지”라며“이번에 개발한 기판 소재는 충분한 성능과 가격 경쟁력이 뒷받침됨에 따라 환경이나 식품 안전 분야 등 에서 활용되고 있는 라만 기반의 초고감도 분자검출기를 실질적으로 활용할 수 있는 길을 열었다는 점에서 의미가 있다”고
말했다. 연구팀은 현재 관련 특허 출원을 완료하고 실용화를 위한 후속연구를 펼치고 있다.
연구팀(가운데 왼쪽 김동호, 오른쪽 박성규)이 개발된 기판 소재를 들어 보이고 있다.
아래는 본 기술개발의 상세화된 내용이다.
○ 기술개발 배경
재료연구소 분자감지소재 연구팀은 2014년부터 분자감지용 라만증강기판소재(SERS)를 개발하는 연구 과제를 수행중이다.
관련 소재에 대한 기존 연구는 고가의 반도체 나노공정기술을 이용하거나 나노입자기반의 이미징 기술로 크게 나누어질 수 있다.
재료연구소는 분자검출성능뿐만 아니라 신뢰성·양산성·경제성을 만족하는 SERS기판소재를 개발하고 있다.
금번에 학술지를 통해 보고된 은 나노 와이어 분자검출기판 역시 재료연구소가 개발하고 있는 분자검출기판소재 중의 하나로 제조방식이 단순할 뿐만 아니라 용액에 포함된 유해물질을 ppb(10억분의 수준의 극미량까지 검출할 수 있는 성능을 지니고 있다.
○ 국내·외 환경
최근 녹조 등이 심각한 환경문제로 대두된 가운데 극미량의 노출만으로도 인체와 환경에 치명적일 수 있는 유해물질인 수질 내 환경호르몬, 잔류농약, 녹조 독소를 실시간으로 정밀 측정할 수 있는 기술 개발 요구가 크다.
또 거의 매년 반복되는 바나나 등 수입 농산물의 먹거리 안전성에 대한 국민의 관심이 높아지고 친환경 유기농산물 시장규모가 커지면서 식품 내유해물질에 대한 현장 검출 방안 마련도 시급한 실정이다.
산업현장에서도 유해물질 배출에 따른 환경오염 문제와 직업병 문제는 매우 심각한 수준으로 작업 환경 개선이 절실히 요구되고 있다.
따라서 실시간으로 산업 현장의 유해물질을 모니터링할 수 있는 방법에 대한 대책 마련과 현장 적용이 매우 시급한 실정이다.
○ 시장 규모
2013년 환경 모니터링 센서 시장 규모는 약 12억 달러이며, 연평균 5.9%씩 성장하여 2020년에는 약 19억 달러에 이를 것으로 전망된다. (출처: Environmental Sensing and Monitoring Technologies: Global Markets , BCC Research, 2014.4)
바이오 환경 센서 시장은 2013년 12억 달러에서 2020년 약 23억 달러로 연평균 9.6%의 성장률을 보일 것으로 예상된다.
전체 환경 센서는 2010년 198.7억 달러에서 연평균 3.5%씩 성장하여 2017년에는 220억 달러에 이를 것으로 전망된다. (출처 : Sensors : Technology and Global Market, BCC Research, 2010)
식품 안전, 바이오 의학, 환경 분야, 화학전(chemical war) 등 다양한 적용 분야를 확보해 신 시장 창출도 매우 유망한 것으로 전망된다.