Special 질병 진단용 소재 및 센서 기술 개발 동향

헬스케어용 고성능 고신뢰성 산화물반도체형 호기센서 개발 기술 동향

정성용_ 고려대학교 첨단소재부품개발연구소 연구교수
문영국_ 한국재료연구원 기능세라믹연구실 선임연구원

1. 서론

오늘날 삶의 질 향상에 대한 사람들의 관심이 급격하게 증가하고 있고, 이에 개인건강 관리와 질병예방에 대한 관심이 함께 커지고 있다. 특히, 최근 전세계적인 전염병인 코로나바이러스 감염증(코로나 19)으로 인해 사람 간 접촉을 최소화하는 비대면 개인보건 서비스에 대한 논의가 활발이 진행되면서, 사람의 날숨을 이용한 질병 자가진단과 같은 ICT 기반의 개인형 스마트 헬스케어 서비스 산업화가 가속화될 것으로 예상된다. 기존의 질병진단 방식은 조직검사나 채혈과 같은 침습적인 방법을 사용하므로 환자의 거부감을 유발할 수 있으며, 그 결과를 확인하기까지 수시간~수일에 걸치는 장시간이 소요되고, 고가의 의학장비가 필수적이라는 문제점이 있다. 이를 대체하는 방법으로 사람의 호기에 존재하는 특정 질병에 대한 생체지표 가스 검지를 통한 질병진단은 저비용?비침습적 방식으로 환자의 부담감을 덜어줄 수 있을 뿐 아니라, 즉각적인 인체 상태분석이 가능해 운동상태 및 신진대사 활동과 같은 신체적, 생리적 활동을 실시간으로 모니터링 할 수 있어 많은 연구가 진행되어 왔다. 그러나 호기센서 개발에 대한 연구는 다양한 기술적인 한계로 인해 초기단계에 머물고 있다.1)
　사람 호기의 주성분은 질소(75%), 산소(13%), 수증기(6%), 이산화탄소(5%)이지만 이 밖에도 수많은 종류의 가스들이 존재하기 때문에 이들 중 생체지표가스를 정확히 분석하기 위한 장비로는 GC-MS(Gas Chromatography-Mass Spectroscopy)가 주로 활용되어왔다.2) 이밖에도 GC의 단점을 보완한 PTR(Proton Transfer Reaction)-MS, SIFT (Selected Ion Flow Tube)-MS 등이 임상에 활용되고 있다.3) 위와 같은 장비들은 호기속에 존재하는 다양한 가스에 대한 정밀한 분석이 가능하지만, 매우 큰 부피와 값비싼 가격으로 개인 헬스케어용으로 사용하기에는 많은 제약이 따른다.4) 이에 소형, 높은 가스 감도, 빠른 반응속도, 경제적인 가격을 가지는 산화물 반도체형 가스센서를 활용한 호기센서에 대한 연구가 진행되었다.5-6) 현재까지 질병 진단 분야의 가스센서는 천식측정기(NO, 미국 NIOX)), 구취측정기(H2S, 미국 Halimeter), 흡연측정기(CO, 영국 smokerlyzer) 및 최근에 체지방 분해 측정용으로 휴대용 아세톤 측정기(한국 ketoscan) 시장이 형성되고 있으나, 아직 산화물 반도체형 가스센서를 활용하여 호기속에 존재하는 다양한 종류의 생체지표가스를 검지하여 개인의 헬스케어용으로 사용하기에는 매우 낮은 생체지표가스의 검지 요구 농도(ppb-ppm), 다양한 방해가스들(예: 수소, 에탄올)의 존재, 호기속 매우 높은 농도의 습도(80-95%)와 같은 해결해야 할 기술적 한계가 존재한다.7)
　　본 고에서는 산화물반도체형 가스센서를 통해 호기 속 특정 생체 지표 가스에 고감도, 고선택성을 나타내는 감응소재 설계 동향에 대해 소개하고, 향후 감응소재의 성능을 향상시킬 수 있는 전략에 대해 토의한다. 뿐만 아니라, 매우 높은 농도의 호기속 습기에 대한 센서의 안정성을 확보하는 전략들에 대해 소개하여, 향후 생체지표가스에 대한 고감도, 고선택성, 고안정성을 가지는 가스 감응소재개발의 중요성을 강조하고, 고성능 가스감응소재를 통한 호기센서 개발 전망에 대한 토의를 진행하고자 한다.

2. 본론

2.1. 질병진단용 산화물 반도체형 가스센서

산화물반도체형 가스센서의 경우 주 전하이동자의 종류에 따라 n형(주 전하이동자: 전자)과 p형(주 전하이동자: 정공)의 두가지 유형으로 나눠지게 된다. 100─450 °C의 온도범위에서 공기중의 산소는 산화물반도체의 표면에 음전하(O2-, O-, O2-)를 띄며 흡착하게 되고, 산화물 반도체는 코어-쉘 구성이 형성되게 된다. 즉 n형 반도체의 경우 표면에는 전자공핍층(electron depletion layer)이(그림 1a), p형 반도체의 경우 표면에는 정공축적층(hole accumulation layer)이 형성된다(그림 1b). 이러한 산화물 반도체형 가스센서에 에탄올, 포름알데히드 등의 환원성 가스가 유입되게 되면 산화물 반도체 표면에 흡착된 산소는 환원성 가스와 반응하여 산화물 표면에서 떨어져 나가게 되고 전자가 다시 산화물반도체 표면의 전자공핍층 또는 정공축적층으로 돌아가게 되어 센서의 저항이 신호가 감소하거나(n형), 증가하게 된다(p형).8) 대표적인 n형 반도체에는 SnO2, ZnO, In2O3, WO3 가 있으며, p형반도체에는 Co3O4, Cr2O3, CuO, NiO가 있다. 이처럼 산화물 반도체형 가스센서는 단순한 가스 감응기구로 인해 유입된 가스를 높은 감도와 빠른 반응속도로 검지할 수 있어 음주운전자 단속용 에탄올 검출기 등 음주자의 호기에 존재하는 에탄올의 농도를 검지하는데 많이 활용되어왔다.
　최근 질병을 가진 환자의 호기에서 발생하는 다양한 생체지표가스의 종류 및 질병과의 상관관계에 대한 연구가 진행되고 있고, 이러한 생체지표가스를 산화물반도체형 가스센서를 통해 검지하기 위한 개발이 많은 연구자들을 통해 진행되고 있다. 다음은 사람의 호기에서 발생할 수 있는 대표적인 생체지표가스의 종류와 질병과의 상관관계에 대해 정리한 표이다(표1).
　

그림 1. 산화물반도체형 가스센서의 가스 감응기구; (a) n형 산화물반도체, (b) p형 산화물 반도체.8)

　그러나 사람의 호기에는 매우 높은 농도의 습기(상대습도: 80~90%)가 함유되어 있고, 다양한 방해가스들(예: 수소, 에탄올)이 포함되어 있으며, 생체지표가스의 검지요구농도는 ppm수준으로 매우 미량이기 때문에 호기분석을 통한 질병진단을 하기 위해서는 센서의 감도 및 선택성이 매우 높고, 습기에 대한 안정성 역시 확보되어야 한다.

A. 생체지표가스에 대한 고감도, 고선택성 가스 감응소재 개발
호기속에 존재하는 대표적인 6종의 생체지표가스는 각기 서로 다른 질병 혹은 생리상태를 나타내고 실제 상용화를 위한 측정요구 농도 역시 상이한 것을 확인할 수 있다. 앞서 언급한 생체지표가스 중 아세톤(당뇨병), 황화수소(구취), 일산화질소(천식), 암모니아(신부전증)에 대한 고성능 산화물 반도체형 가스센서 개발전략은 Yoon등에15) 의해 정리되어 있어 본 고에서는 다른 생체지표가스-아세톤(케토제닉 다이어트 모니터링), 이소프렌(콜레스테롤 모니터링), 수소(과민성장증후군)-에 대한 고성능 산화물 반도체형 가스센서 설계 전략에 대해 논의하고자 한다.

 
표 1. 사람의 호기에서 발생할 수 있는 생체 지표가스의 종류와 검출 요구농도

-----이하 생략

<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2023년 2월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>