벤자민 티 연구팀, 초고속·신축성·자가 회복 및 재활용 가능한 감지장치 ‘ReSURF’ 센서 연구 개발
‘ReSURF’ 센서, 6밀리초(1천분의 1초) 이내에 현장서 수질을 실시간 감시 가능
강·호수·저수지 오염물질 조기 감시 및 수질오염 비상 상황에서 신속 대응할 수 있어
과학저널 『네이쳐 커뮤니케이션즈(Nature Communications)』 7월 1일자에 발표
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깨끗하고 안전한 물은 인간의 건강과 웰빙(well-being)에도 중요하다. 또한 식량 안보에 중요한 역할을 하며, 첨단 산업을 지원하고, 지속 가능한 도시화를 가능하게 한다. 그러나 오염을 빠르고 정확하게 감지하는 것은 세계 여러 지역에서 여전히 중요한 과제로 남아 있다.
싱가포르 국립대학교(National University of Singapore, NUS) 연구진이 개발한 획기적인 새 장치는 수질 모니터링 및 관리를 크게 발전시킬 잠재력을 가지고 있다.
싱가포르 국립대학교(NUS) 디자인 & 공학대학 재료과학공학과의 벤자민 티(Benjamin Tee) 부교수가 이끄는 연구팀은 인간 피부의 유성 보호막의 생물학적 기능에서 영감을 얻어, 이 개념을 ‘ReSURF’라는 다재 다능한 소재로 구현했다. 이 소재는 자발적으로 발수성 계면을 형성할 수 있다.
빠른 미세상 분리 기법(Micro-phase separation approach)을 통해 제조할 수 있는 이 새로운 소재는 자율적으로 자가 치유되며 재활용이 가능하다. 연구진은 이 소재를 마찰전기 나노발전기(Triboelectric Nanogenerato, TENG)라는 장치에 통합했다. 이 장치는 물방울의 움직임에서 발생하는 에너지를 이용하여 전하를 생성한다. 이렇게 생성된 장치(‘ReSURF’ 센서)는 수질 모니터링 장치로 활용될 수 있다.
벤자민 티 부교수는 “‘ReSURF’ 센서는 기름이나 불소화합물(Fluorinated compounds)과 같이 기존 센서로는 감지하기 어려운 다양한 오염물질을 감지할 수 있다”라면서 “이러한 기능은 자가 구동, 자가 치유, 재사용 및 재활용 가능성과 같은 고유한 특징과 함께 ‘ReSURF’를 실시간, 현장 및 지속 가능한 수질 모니터링을 위한 지속 가능한 솔루션으로 자리매김하게 한다”고 말했다.
연구팀의 ‘ReSURF’ 소재 설계와 새로운 수질 센서의 성능은 세계적인 과학저널인 『네이쳐커뮤니케이션즈(Nature Communications)』 7월 1일자에 ‘밀리초 수질 감지를 위한 재활용 가능한 자체 분비 자율 치유 유전체(Recyclable self-secreting autonomous healing dielectrics for millisecond water quality sensing)’라는 제목으로 게재되었다.
빠르고 지속 가능한 수질 감지
전기화학 센서, 광학 검출 시스템, 바이오센서와 같은 기존의 수질 모니터링 기술은 중금속, 인(P), 미생물 오염 감지와 같은 특정 응용 분야에서 효과적이다. 그러나 이러한 기술은 △느린 반응 속도 △높은 비용 △외부 시약이나 전원 의존성 △제한된 재사용성 △부피가 큰 실험실 장비 또는 특수 계측기 필요성 등 한계에 직면하는 경우가 많다.
NUS 연구팀이 개발한 ‘ReSURF’ 센서는 특히 현장 실시간 수질감지 분야에서 이러한 과제를 효과적으로 극복한다. 자가 구동 방식의 이 장치는 약 6밀리초(ms, 1천분의 1초, 눈 깜짝할 새에 감지하는 속도보다 약 40배 빠름) 안에 수질 오염물질을 감지할 수 있는 능력을 보여주었다.
또한, ‘ReSURF’ 센서는 자가 치유 및 재활용이 가능하도록 설계되어 지속 가능하고 유지 보수가 간편한 솔루션이다. 신축성과 투명성을 갖춘 이 소재는 소프트 로봇(Soft Robotics) 및 웨어러블 전자 장치(Wearable Electronic)와 같은 유연한 플랫폼에 쉽게 통합될 수 있어 기존 감지 소재와 차별화된다.
더 나아가, 센서로 적용된 ‘ReSURF’ 소재는 용매에 잘 용해되어 쉽게 재활용할 수 있어 환경 친화적인 솔루션을 제공하며, 성능 저하 없이 새로운 장치에 재사용할 수 있다.
‘ReSURF’ 센서의 작동 원리
‘ReSURF’ 센서는 물방울 속의 염분, 기름, 오염물질과 같은 분석물질이 표면에 닿을 때 생성되는 전기 신호를 분석하여 수질을 모니터링한다. 분석물질이 포함된 물방울이 센서의 발수 표면에 닿으면 빠르게 퍼져 미끄러져 나가면서 밀리초(ms) 이내에 전하를 생성한다.
생성되는 신호의 크기와 특성은 존재하는 분석 물질의 구성 및 농도에 따라 달라진다. ‘ReSURF’ 센서는 이러한 신호를 실시간으로 모니터링함으로써 외부 전원 없이도 수질을 빠르고 정확하게 평가할 수 있다.
연구진은 ‘ReSURF’ 센서의 성능을 입증하기 위해 복어와 유사한 소프트 로봇에 ‘ReSURF’ 센서를 장착하여 수중 기름과 수원에서 흔히 발견되는 오염물질인 과불화옥탄산(Perfluorooctanoic Acid, PFOA)을 감지하는 테스트를 진행했다.
이 테스트는 두 오염물질이 서로 다른 전압 신호를 생성하는 유망한 결과를 도출하여 ‘ReSURF’ 센서가 잠재적 오염의 조기 감시에 사용될 수 있음을 증명했다.
수질보호
‘ReSURF’ 센서는 광범위한 적용 가능성을 제공한다. 강, 호수, 저수지에 배치하여 오염물질을 조기에 감시하고 수질오염 비상 상황에 신속하게 대응할 수 있다.
농업 분야에서는 논과 같은 지역의 수질 안전을 모니터링할 수 있다. 산업시설 및 하수처리장에서 ‘ReSURF’ 센서는 URF 센서는 폐수 관리에 귀중한 통찰력을 제공할 수 있다.
다음 단계
연구진은 오염물질 감지의 특이성을 높이고, 무선 데이터 전송 기능을 통합하며, 장기 또는 대규모 환경 모니터링을 위해 시스템을 확장하여 ‘ReSURF’ 센서를 최적화하고자 한다. 또한, 연구진은 지속가능성을 높이고 변화하는 환경 규제에 부합하기 위해 더욱 친환경적인 소재 대안을 모색할 계획이다.
벤자민 티 부교수는 “향후 개발 단계에서는 추가적인 감지 방식이나 머신러닝(Machine Learning) 기반 신호 분석을 통합하여 오염물질을 더욱 정확하게 식별하고 분류할 수 있을 것”이라면서 “이 플랫폼이 더욱 지능적이고 대응력이 뛰어난 수질 모니터링 시스템 개발의 기반이 될 것으로 예상한다”고 말했다.
