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전자기기 도움 없이 실시간 체온 모니터링 가능한 초고감도 센서 개발
우리 대학 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 온도에 감응하는 색 변화 염료를 전기방사 기술을 통해 나노섬유 멤브레인(얇은 막)에 적용해 인간의 체온(31.6~42.7℃)을 색 변화를 통해 육안으로 손쉽게 감지할 수 있는 초고감도 센서 플랫폼을 개발했다.
색 변화식 센서는 오직 육안으로 센서의 물리화학적 변화(온도, pH 등)를 감지할 수 있어 사용이 편리한 장점이 있다. 하지만, 기존의 상용화된 필름(film) 타입의 온도 감응 색 변화 센서는 염료의 색상이 필름 내부에 갇혀 외부로 효과적으로 전달되지 않아 색 변화 감도가 낮다는 단점이 있다.
이러한 한계를 극복하고자 본 연구팀은 넓은 비표면적과 높은 기공도를 나타내는 나노섬유 멤브레인에 온도 감응 색염료를 효과적으로 결착해 기존의 필름 타입의 색 변화 멤브레인 대비 인간의 체온 범위의 온도에서 색 변화 민감도를 최대 5배 이상 높일 수 있는 기술을 개발했다.
이 기술로 개발된 센서는 특히 휴대가 가능한 개인 헬스케어 진단기기로 별도의 전자기기의 도움 없이 실시간 체온 모니터링이 가능한 센서다.
전기방사 기술을 이용해 합성된 다공성 나노섬유 멤브레인은 필름 타입의 센서 대비 매우 높은 기공도(~95%)와 10배 이상 높은 빛 투과율을 나타내기 때문에 나노섬유 멤브레인에 결착된 염료의 색을 효과적으로 외부로 전달할 수 있어, 연구팀은 색 변화 센서 감도를 극대화할 수 있음을 확인했다.
연구팀은 이번 연구에서 기존에 주로 보고됐던 무정렬(random) 나노섬유 멤브레인 뿐만 아니라 전기장을 조절해 정렬(aligned)된 나노섬유 멤브레인 및 개별 섬유 가닥들이 초고밀도로 나선상으로 꿰어진 나노섬유 얀(yarn) 구조의 온도 감응형 색 센서를 제조하는 데 성공했다. 연구팀은 나노섬유의 밀도와 기공 구조를 더욱 세밀하게 조절해 색 변화 강도를 한층 더 높일 수 있다.
연구를 주도한 김일두 교수는 "기존에 활용되는 필름 타입의 멤브레인이 아닌 진보된 전기방사 기법을 도입함으로써, 나노섬유 멤브레인의 밀도와 정렬 방향을 조절해 온도 감응 색 변화 센서의 반응성을 극대화할 수 있었다ˮ며 "정렬된 나노섬유 및 얀 타입의 나노섬유 멤브레인을 활용해 마스크, 팔찌, 또는 몸에 붙이는 패치(patch) 타입의 웨어러블 온도 감응 색 변화 센서로 활용 가능성을 제시했다는 측면에서 매우 의미가 있는 연구 결과ˮ라고 말했다.
그리고 "저비용, 대량생산이 가능한 전기방사 기법을 활용했기 때문에 상용화 가능성이 큰 기술이며, 누구나 손쉽게 스스로 체온을 육안으로 진단할 수 있는 자가 진단 기기의 진보는 개인의 지속적인 건강관리에 큰 도움이 될 것이다ˮ고 밝혔다.
이번 연구는 공동 제1 저자인 우리 대학 신소재공학과 김동하 박사(現 MIT 박사후 연구원)와 배재형 박사(우리 대학 신소재, 現 하버드 대학 박사후 연구원)의 주도하에 진행됐으며, 우리 대학 신소재공학과 김일두 교수가 교신저자로 참여했다.
이번 연구 결과는 나노 분야의 권위적인 학술지 `어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)' 6월호에 앞 표지 논문으로 선정됐다.
2022.06.30 조회수 12399 -
김일두 교수, 젊은 세라미스트 상 수상
〈김일두 교수 포함 한국세라믹학회 수상자 사진〉
우리 대학 신소재공학과 김일두 교수가 11월 23일부터 3일간 코엑스에서 열린 2016년도 한국세라믹학회 추계학술대회에서 젊은세라미스트 상을 수상했다.
2014년 처음 제정된 젊은세라미스트 상은 세라믹 연구 분야에서 탁월한 연구 성과를 보여준 45세 이하 연구자에게 주어진다.
김일두 교수는 전기방사 방법으로 제조된 나노섬유 멤브레인을 활용한 응용 연구에서 우수한 연구 성과를 보여주고 있다. 2년마다 열리는 국제 전기방사 학회에서 키노트 강연과 두 차례의 기조강연을 했고, 2012년도 2회 국제전기방사 학회를 제주도에 유치한 경험도 있다.
전기방사 기술로 제조된 나노섬유는 평균 직경이 200~300 나노미터로 비표면적이 넓고 열린 기공 구조를 갖고 있어 황사 마스크용 필터, 항균 필터, 화장품용 마스크팩, 유해가스 검출 센서, 리튬-공기 전지용 촉매 소재 등 광범위한 분야에 응용 가능하다.
김 교수는 금속산화물 반도체 나노섬유를 초고감도 가스센서 소재로 활용해 유해환경 검출 및 날숨 가스를 분석하는 센서로 응용하고 있다. 또한 고분자 나노섬유 멤브레인을 활용해 가스 흡착에 따른 색 변화 센서, 2차 전지용 분리막, 화장품용 마스크팩 응용을 위한 연구 개발을 진행 중이다.
다공성 촉매 섬유를 활용한 리튬-공기 전지 연구도 활발히 수행 중이다.
김 교수는 지금까지 4건의 기술이전, 최근 5년간 상위 10% 논문 54편을 포함한 167편의 SCI 저널과 170여 건의 국내외 특허 등록 및 출원 실적을 보유했다.
이번 세라믹학회에서는 김 교수 외에도 신소재공학과 소속 학생 8명이 참여해 PACRIM11 우수논문상(장지수 박사과정), 양송포스터상 우수 논문(정준영 박사과정, 김동하, 김민혁 석사과정), 양송세라모그라피 장려 작품상(김남훈 박사과정, 김동하 석사과정) 등 6건의 상을 수상했다.
2016.12.01 조회수 25626