미국 MIT 소속의 화학자들은 수많은 사람들이 가지고 다니며 읽을 수 있는 스마트폰을 이용한 저렴한 화학 센서(chemical sensor)를 개발했다. 이 센서는 폭발물질, 오염물질 및 상한 식품 등을 감지하는데 사용될 수 있다.
화학물질을 감지하는 것은 인간 건강, 안전 및 보안 등에 중요하지만, 기존 센서가 종종 숙련된 인력을 필요로 하고 고가이며 부피가 큰 장치일 뿐 아니라 큰 동력 요건을 요구하기 때문에, 아직까지 광범위하게 수행되지 못하고 있다.
새로운 연구는 무선으로 식별할 수 있으며, 휴대할 수 있는 저렴한 검출과 ppt 또는 ppm 농도에서 암모니아, 과산화수소, 시클로헥사논(cyclohexanone) 및 물 등과 같은 기체 상태 화학물질의 식별을 달성하기 위하여, 화학물질에 반응하는 나노재료(chemiresponsive nanomaterials)를 상업용 근거리 자기장 통신(NFC; near-field communication) 태그의 회로에 통합하여 배치하는 스마트폰 기반의 검출 전략의 개발을 보고했다.
Timothy M. Swager 교수와 석사 과정 학생인 Joseph M. Azzarelli 등을 주축으로 하는 연구진은 선택적인 기체 검출을 위하여 화학 센서로 플라스틱 기질 위에 단순한 반도체 집적 회로(integrated circuits)인 근거리 자기장 통신(NFC; near-field communication) 태그를 채용했다. 연구진이 개발한 탄소 나노튜브 기반의 센서(carbon nanotube based sensor)는 매우 적은 동력만을 필요로 하고, 배터리가 없는 NFC 태그가 무선 주파수 펄스를 통하여 휴대 전화에 의해 공급되어 통신할 수 있게 해준다.
센서를 만들기 위하여, 연구진은 NFC 태그의 회로의 전도체 알루미늄에 구멍을 뚫어 태그를 읽을 수 없게 만들었다. 이후 연구진은 특정 기체 분자에 반응하도록 고안하기 위하여 탄소 나노튜브를 기반으로 하는 재료로 회로를 다시 완성했다. 이러한 분자의 존재에서, 나노튜브는 태그의 공명 주파수(resonant frequency)와 회로의 저항(resistance)을 변화시켜, 태그가 휴대 전하와 통신할 수 있는 능력에 영향을 끼쳤다. 이러한 모든 과정은 휴대 전화를 이용하여 공명 주파수의 드나듦을 전환하여 구현했다고 Swager는 밝혔다.
연구팀은 특정 기체가 존재할 때 각 센서가 켜지고 꺼지도록 고안했다. 예를 들면, 한 개의 센서는 암모니아가 35ppm 존재할 때 휴대 전화와 통신을 중단한다. 다른 센서는 과산화수소(hydrogen peroxide)가 225ppm 존재할 때 켜진다.
휴대 전화를 이용하는 유용한 점 중 하나는 당신이 빅 데이터(big data)에 접근할 수 있다는 점이라고 Swager는 밝혔다. 판독은 GPS와 모두 연결된 웹에 수많은 판독이 전송되어 당신이 접근할 때 개별적인 정보를 확인할 수 있다.
센서로 NFC 태그의 사용은 이러한 태그가 이미 시장에 대량으로 시판되고 있기 때문에 경제적인 아이디어라고 무선 센서를 개발하고 있는 토론토 대학(University of Toronto) 소속의 연구원인 Lindsey Fiddes는 밝혔다. 이러한 검출 태그는 판독에 송수신자간에 교신 가능할 것을 요구하지 않는다. 따라서 태그는 쉽게 포장재에 통합될 수 있다. Fiddes는 소비자뿐 아니라 상업적인 스마트 포장 제조사들도 이러한 아이디어를 적용할 수 있게 되길 기대한다고 밝혔다.
이 논문은 휴대용의 무선 비가시성 기체 상태 화학물질 감지에 10억에 이르는 현대적인 스마트폰과 2014년 설치된 휴대용 장치에 NFC 기술을 채용한 첫 번째 사례를 기술하고 있다. 연구진은 저렴한 상용 NFC 태그를 ppt와 ppm 농도에서 분석물질을 구분하고 검출하는 화학적 센서로 전환시키는 능력을 증명했다.
이러한 노력은 NFC 태그의 국부적인 환경에 대하여 화학물질 정보를 얻는 새로운 방법을 보급하기 위하여 휴대용이며 광범위하게 보급된 NFC 기술을 이용하여 선택적인 화학물질 감지를 위하여 전도성 나노구조 재료의 합리적인 디자인을 결합하는 것이다. 이 논문은 NFC 기술을 이용할 수 있는 스마트폰, 태블릿 및 다른 스마트 기기 등을 가지고 다니는 인구의 수가 증가함에 따라 화학물질 감지를 보급하는 개념을 도입했다.
출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』