헬스케어용 고성능 산화물 반도체형 호기센서 개발 동향(2025년 4월호)

윤성영, 서정후, 정성용* | 국립공주대학교, 신소재공학부 조교수, syjeong@kongju.ac.kr

서론

최근 개인 건강관리와 질병 예방에 대한 관심이 급증하면 서비침습적이고 실시간으로 신체 상태를 모니터링할 수 있 는 기술의 필요성이 강조되고 있다. 특히, 코로나19 대유행 이 후 비대면 헬스케어 기술이 주목받으며, 사람의 날숨에 포함 된 생체지표가스를 분석하여 질병을 진단하는 ICT 기반의 스마트 헬스케어 서비스가 중요한 연구 주제로 떠오르고 있다.

기존 질병 진단 방식은 침습적인 방법(조직검사, 채혈 등)과 고가의 장비를 필요로 해 환자들에게 불편함을 초래했다. 반면, 날숨(호기)에 포함된 생체지표가스를분석하는 방법은 인체의 질병을 진단하는 수단으로 환자의 거부감과 치료 비용을 낮추고 질병의 조기 진단을 가능하게 하는 미래 의료의 핵심 기술이다. 산화물 반도체형 가스센서는 간단한 구조, 높은감도, 그리고 소형화 가능성으로 인해 날 숨을 이용한 질병 진단 기술의 핵심 구성 요소로 자리잡고 있다.[참고문헌 1,2]

본 총설에서는 산화물반도체형 가스센서의 원리, 주요 생체지표가스 검출 기술, 그리고 기술적 한계를 극복하기 위한 최신 연구 동향을 소개한다.

본론

1.  산화물 반도체 가스 센서의 검지 원리

산화물 반도체형 가스센서는 감응소재와 가스와의 상호 작용에 의해 전기적 특성이 변하는 원리를 활용한다. 이는 주 전하 이동자의 종류에 따라 n형과 p형으로 나뉘며, 각 각 다른 감응 원리를 가진다[그림 1]. n형 산화물(SnO2, ZnO, WO3 등)은 전자를 주 전하 이동자로 가지며, 공기 중 산소가 표면에 흡착되면서 전자를 빼앗아 음전하를 띤 산소 이온(O −, O−, O2−)을 형성한다. 이 과정에서 센서 표면에는 전자공핍층(electron depletion layer)이 형성되며, 내부에는 전도성이 높은 반도성 코어가 남아 전기적 코어-쉘 구조(core-shell structure)가 형성된다[그림 1a 왼쪽]. 환원성 가스(예: CO, H2, Ethanol, NH3 등)가 유입되면 표면의 산소 이온과 반응하여 산화되면서 전자가 반도체 내부로 다시 주입된다. 이에 따라 전자공핍층이 얇아지고 센서의 저항이 감소하는 원리로 가스를 감지할 수 있다[그림 1a 오른쪽, 1b 왼쪽]. 반대로, p형 산화물(Co3O4, CuO, NiO, Cr2O3 등)은 정공(hole)을 주 전하 이동자로 가지며, 공기 중 산소가 표면에 흡착되면서 정공 축적층 (hole accumulation layer)이 형성된다[그림 1c 왼쪽]. p 형 산화물 가스센서는 환원성 가스가 유입되면 표면의 산소 이온과 반응하면서 전자가 생성되고, 이 전자가 정공과 재결합(electron-hole recombination)하여 정공 농도가 감소한다. 이 과정에서 정공 축적층이 얇아지고 센서의 저항이 증가하게 된다[그림 1c 오른쪽, 1d 오른쪽]. 반면, 산화성 가스(NO2 등)가 유입되면 표면에서 더 많은 전자를 빼앗아 n형 산화물 반도체는 전자공핍층이 더 확장되고, p 형 산화물 반도체는 정공 농도가 증가하므로 가스와 반응으로 저항이 증가하거나 감소하는 방식으로 동작한다[그림 1b,d 오른쪽]. 이와 같은 감응 원리는 반도체 표면에서 가스의 흡착과 반응을 통해 저항이 변하는 원리를 기반으로 하며, 온도, 나노구조, 도핑 기술 등을 활용하여 감도를 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 귀금속 촉매(Au, Pt, Pd 등)를 도입하면 표면 반응성을 증가시켜 낮은 농도의 가스를 검 출할 수 있으며, 나노와이어, 다공성 구조 등을 이용하면 표면적을 증가시켜 가스와의 반응성을 극대화할 수 있다. 이러한 기술적 개선을 통해 n형 및 p형 산화물 반도체 가스센서는 날숨을 이용한 질병 진단에서 높은 감도와 선택 성을 제공하며, 이외에도 실내 공기질 모니터링, 질병 진단, 산업용 가스 검출 등 다양한 환경에서 활용되고 있다.[참고문헌 3]

2. 산화물 반도체를 이용한 호기센서

사람의 내쉬는 호흡에는 다양한 생체지표 가스(아세톤, 산화질소, 수소, 이소프렌, 메탄, 포름알데히드, 톨루엔 등)

들이 포함되어 있으며, 특정 가스의 농도를 정확하게 알 수 있다면 인체의 질병들을 병원에 가지 않고도 조기에 간단 히 알아낼 수 있다. 이에 본 글에서는 다양한 생체지표 가스에 대한 산화물 반도체형 가스센서의 설계 방법에 대한 연구 사례를 소개하고자 한다.

2.1.  아세톤(당뇨병, 케토제닉 다이어트)

아세톤은 체내 대사 과정에서 생성되는 주요 휘발성 유기 화합물 중 하나이며, 특히 지방 대사의 부산물로 형성된다. 당뇨병 환자의 경우 인슐린 부족으로 인해 체내에서 포 도당 대신 지방이 주요 에너지원으로 사용되면서 케톤체(아세톤, β-하이드록시부티레이트 등)의 농도가 증가한다. 따라서 호기 중 아세톤 농도는 당뇨병 진단과 케토제닉 다이어트 모니터링을 위한 중요한 바이오마커로 활용될 수 있다.

다양한 산화물 반도체형 가스센서 중 아세톤의 선택적 검지를 위해서는 강유전성(ferroelectricity)의 ε-WO3를 감응소재를 활용하는 것이 유리하다. 특히, 대부분의 산화 물 반도체 가스센서는 아세톤과 에탄올에 대해서 비교하기 어려울 정도로 유사한 가스 감도를 나타내므로, 아세톤에 대해서만 높은 선택성을 갖는 가스센서를 설계하는 것은 매우 중요하다.

최근 Choi 등9은 WO3는 상온에서 안정상인 모노클리닉 (monoclinic) 구조의 γ-WO3를 나타내지만, Nb를 치환형 도핑재(substitutional dopant)로 활용하면 ε-WO3를 합성할 수 있다는 것과 합성된 Nb-첨가 WO3가 다양한 방해가스(에탄올, 일산화탄소, 암모니아, 수소, 톨루엔) 대비 아세톤에 높은 선택성을 나타낸다는 연구 결과를 보고했다. 추가적으로 Cr[참고문헌 10], Si[참고문헌 5], Fe[[참고문헌 11] 등의 도핑을 통해 ε-WO3 를 제작해 아세톤에 대한 선택성을 높이는 연구가 활발히 진행되었으며, 해당 연구 결과들은 강유전성을 갖는 ε- WO3는 당뇨 환자 진단 및 케토제닉 다이어트용 아세톤 센서 개발에 매우 효과적임을 잘 보여준다. 이외에도 Pt[참고문헌 12] 등 과 같은 귀금속을 촉매로 첨가해 감응소재를 제작할 경우 아세톤에 대한 감응 특성을 더 향상시킬 수 있다는 연구결 과들이 있으므로, 향후 관련 연구를 통해 다양한 성능의 아세톤 센서가 개발 될 수 있을 것으로 기대된다.

2.2.  이소프렌(심혈관계 질환)

이소프렌은 콜레스테롤 대사의 부산물로 생성되는 생체지표 가스로, 혈중 콜레스테롤 농도 및 심혈관계 건강 상태 를 반영하는 중요한 역할을 한다. 이소프렌은 인체 내 콜레스테롤 대사 과정에서 생성되며, 혈중 콜레스테롤 수치와 연관이 깊은 것으로 알려져 있다. 또한, 이소프렌은 근육 조직에 저장되었다가 신체 활동 중 호기를 통해 방출되며, 수면 직후에는 높은 농도로 배출되다가 rapid eye move- ment(REM) 수면 단계에 접어들면서 그 농도가 감소하는 특징을 가진 바이오마커 가스이다. 정상인의 호기 중 이소프렌 농도는 약 172 ppb 수준이며, 심혈관 질환을 앓고 있는 환자의 경우 이 농도가 증가할 수 있다. 그러나 이소프렌 가스는 반응성이 우수한 생체지표 가스에 비해 구조가 화학적으로 더 안정하기 때문에 일반적인 n 형 산화물 반도 체형 가스센서를 활용한 선택적 검출이 매우 어렵다. 이소프렌 가스의 경우 화학구조가 상대적으로 안정하기 때문에 부분적으로 산화를 시켜 반응성이 우수한 가스 종으로 개 질(가스 리포밍; gas reforming)하는 방법이 높은 감도를 얻기 위해서는 유리한 방법이 될 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 상기 가스 개질은 가스가 나노구조 내부에 체류 하면서 감응소재 및 촉매와 반응하며 부분 산화가 지속적으로 발생하는데, 이러한 개질의 결과로 생성된 가스 중 반응성이 우수한 가스가 가스센서의 높은 감도에 결정적인 영향을 미치게 된다. 이와 대조적으로, 반응성이 높은 방해 가스(예: 에탄올)의 경우 대부분은 감응막 하단의 전극까지 확산되기 이전에 대부분 반응성이 없거나 낮은 가스로 완전 산화될 수 있다. 따라서, 가스센서의 감도가 작게 나타난다.

Park 등[참고문헌 13]은 Au가 첨가된 WO3 매크로 다공성 구조 미분 말(Au-loaded WO3 macroporous spheres)를 활용하면 날숨에 존재하는 이소프렌을 고감도 고선택적으로 검지할 수 있음을 보고했다. 해당 논문에서는 Au가 첨가된 WO3 매크로 다공성 구조는 구조체 내부의 Au 첨가와 매크로 기 공들이 낮은 반응성의 이소프렌을 반응성이 높은 아세트알데히드 등의 가스로 개질시키는 마이크로리액터 역할을 할 수 있으므로, 상대적으로 반응성이 낮은 이소프렌이 상대 적으로 반응성이 높은 가스들로 개질되어 이소프렌을 고감도, 고선택적으로 검지할 수 있음을 잘 보여준다.

2.3.  암모니아(신장질환)

만성 신장병(Kidney Disease)은 3개월 이상 신장 기능이 지속적으로 저하되거나 신장이 손상된 상태를 의미한다. 신장 기능이 저하되면 단백질 대사 과정에서 생성된 암모니아(NH3)가 정상적으로 소변을 통해 배출되지 못하고 체내에 축적되고, 이에 따라 만성 신장병 환자의 경우 암모니아가 혈류를 통해 폐로 이동한 후 호기를 통해 배출되면서, 정상인에 비해 현저히 높은 암모니아 농도를 나타낸다. 연구에 따르면, 만성 신장병 5기 환자의 호기 내 암모니아 농도는 820–14,700 ppb 수준으로 측정되며, 정상인의 범위 (425–1,800 ppb)에 비해 상당히 높게 나타난다고 알려지 고 있다.[참고문헌 14] 이렇듯 암모니아는 호기 중 비교적 높은 농도로 존재함에도 불구하고, 대부분의 산화물 반도체형 가스센서에서는 암모니아에 대한 감응 신호가 미약하여 정확한 분석이 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 감응소재의 반응성을 향상시켜 암모니아에 대한 선택성을 확보하는 것이 필수적이다.

암모니아는 비공유 전자쌍을 갖는 염기성 가스로, 산성 물질과의 반응성이 높다는 점이 특징이다. 따라서, 산성 산화물 반도체인 텅스텐 산화물(WO3)은 암모니아 감지용 소재로 적합하며, 높은 감도와 선택성을 제공할 수 있다. 연구에 따르면, 초음파 분무 열분해법으로 합성된 WO3 중공구조는 450°C에서 에탄올 대비 암모니아에 대한 뛰어난 선택성을 보이며, 이는 WO3의 산성 특성과 암모니아의 염기성이 반응하여 가스 감응이 촉진되기 때문인 것으로 해석 된다.[참고문헌 15]

또한 Li 등[참고문헌 16]은 CuBr 박막을 감응소재로 활용하여 암모 니아를 선택적으로 검출할 수 있음을 보고했다. 해당 연구 결과에 따르면 CuBr이 이온 전도체로서 암모니아에 노출 되었을 때, 표면에 존재하는 높은 이동성을 가진 Cu+ 이온이 암모니아 분자와 결합하여 상대적으로전하 이동성이 낮은 Cu(NH ) + 착물(complex)을 형성하게 된다. 이 과정 에서 이온의 이동도가 감소하면서 전체적인 전기 전도도가 저하된다. 반면, 암모니아가 제거되면 Cu(NH ) + 착물은 해리되어 Cu+ 이온이 원래 상태로 회복하며, 이에 따라 전도도가 다시 증가하게 된다. 이러한 원리를 기반으로 CuBr 은 암모니아 가스를 실시간으로 검출할 수 있으며, 다른 가스와의 간섭 없이 선택적으로 반응한다. CuBr의 이러한 특성은 만성 신장병 환자의 호기 내 암모니아 농도를 정밀하게 측정할 수 있는 센서 설계에 적용될 수 있음을 보여준다.

2.4.  황화수소(구취)

황화수소(H2S)는 입안의 박테리아 활동으로 인해 생성되며, 구취(Halitosis)의 주요 원인 물질 중 하나이다. 정상인 의 호기 중 황화수소 농도는 1 ppb 미만이지만, 심각한 구취 환자의 경우 100 ppb 이상으로 증가할 수 있다. 황화수소의 생성과 관련된 명확한 병리학적 기전은 아직 완전히 규명되지 않았으나, 연구 결과에 따르면 호기 내 황화수소 농도가 약 1 ppm 수준일 때 타인에게 불쾌감을 줄 수 있는 것으로 알려져 있다. 따라서, 호기 중 황화수소 농도를 측정함으로써 구취를 조기에 감지하고 효과적으로 관리하는 예방적 접근이 가능하다.

구취 진단을 위한 황화수소 센서로는 CuO 기반 산화물 반도체가 가장 많이 연구되고 있다. CuO는 황화수소와 강한 화학적 친화력을 가지며, CuS와 같은 반응 부산물을 형성(CuO + H2S → CuS +H2O)하면서 저항 변화를 유발하기 때문에 황화수소 가스를 선택적으로 검지하기에 유리하 다. Lim 등[참고문헌 17]은 Cu를 기반 프리커서를 활용하여 근접장 전 기방사 방식(Near-field electrospinning)을 통해 CuO- CuFe2O4 나노 섬유(fiber)를 합성했다. 해당 결과에서는 CuO-CuFe2O4 나노 섬유가 200 °C에서 H2S에 대해서 다른 방해가스보다 매우 높은 감도와 선택성을 보이는 것을 확인했다. 이는 p형 산화물 반도체인 CuO와 n형 산화물 반도체인 CuFe2O4 사이에 형성된 높은 저항의 p-n 접합이 CuS로 상변이가 일어나면서 급격하게 저저항으로 변하기 때문으로 설명된다. 이러한 기술은 구취 진단뿐만 아니라 다양한 대사성 질환의 초기 징후를 감지하는 데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

결론

산화물반도체형 가스센서는 당뇨병, 심혈관계질환, 신장 질환, 구취와 같은 질병을 비침습적으로 진단할 수 있는 혁신적인 기술로 주목받고 있다. 고감도와 고선택성을 확보 하기 위한 감응소재의 나노구조 제작 및 촉매 설계 기술은 호기센서의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다. 또한, 새롭게 설계된 고성능 센서는 다양한 조합으로 어레이화 되어 호흡 진단의 정확도를 높일 수 있으며, 향후 이러한 기술들이 더욱 발전하여 질병 예방 및 관리를 위한 핵심 도구로 자리 잡을 것으로 기대된다. 이러한 혁신은 개인 건강 관리의 패러다임을 변화시키고, 삶의 질을 향상시키는 데 기여 할 것이다.

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윤성영 Seong young Yoon

•  국립공주대학교, 신소재공학부, 학사(2018.3 – 2025.2)

•  국립공주대학교, 신소재공학과, 석사과정(2025.3 – 현재, 지도교수 : 정성용)

서정후 Jung Hoo Seo

•  국립공주대학교, 신소재공학부, 학사(2019.3–2025.2)

•  국립공주대학교, 신소재공학과, 석사과정(2025.3 – 현재, 지도교수 : 정성용)

정성용 Seong-Yong Jeong

•  전북대학교, 신소재공학부, 학사(2009.3 – 2015.2)

•  고려대학교, 신소재공학과, 박사(2015.3 – 2021.2, 지도교수: 故 이종흔)

•  고려대학교, 신소재공학과, 박사후연구원(2021.3 – 2023.2, 지도교수: 故 이종흔)

•  캘리포니아대학교(UC San Dieg), 나노공학과, 박사후연구원(2021.3 – 2023.2, 지도교수: J seph Wang)

•  미시간대학교(University  f Michigan), 바이오공학과, 박사후연구원(2023.3 – 2023.8, 지도교수: Xud ng Fan

•  국립공주대학교, 신소재공학부, 조교수(2023.9 – 현재)