나노센서 - 개요

필자는 현재 나노센서라는 분야에서 일을 하고 있다.

사실, 필자 역시 조금 생소했던 분야라서 처음에 시도하기가 약간 두려웠으나 공부를 하면 할수록 이 분야에 매료되기 시작했으나 아직 대중에게는 그다지 알려지지 않은 것이 조금 아쉬웠다. 혼자 공부할 때도 교재의 부족 뿐 아니라 출판된 교재의 전문성 역시 조금 부족한 감이 있어서, 차후에 기회가 되면 직접 교재를 써 보고 싶기도 하다.

우선, 여기는 개인 블로그니까, 간단하게 몇 차례에 나누어 나노센서에 대한 개요만 짚고 넘어가자. 짧고 간단하게...

센서: sensor, 감지기

주위에서 센서는 너무나 흔히 접하고 있으나 대부분 깨닫지 못하고 넘어간다. 사방에 숨겨진 센서의 종류와 갯수만 살펴봐도, 놀라우리만큼 센서와 생활은 연결되어 있다.

예를 들면 엘리베이터 문이 닫힐 때 손이나 발을 문틈으로 넣으면 열리는 동작감지센서. 실내 온도가 어느 온도 이하로 떨어지면 히터가 돌아가는 온도센서, CCTV 등 보안에 사용되는 장치에 쓰이는 적외선 감지 센서 (열감지 혹은 동작감지), 건물마다 엄청나게 설치되어 있는 화재경보기 (가스센서), 집에서 당뇨병 검사를 할 수 있는 혈액센서, 맨날 쓰는 카드키 등, 무지하게 많다. 그런데 잘 모를뿐이다. 

필자는 현재 폭발물을 감지할 수 있는 폭발물가스센서와, 질병을 감지할 수 있는 호기가스센서 (정식한국이름이 없어서 임시로 붙였다), 그리고 혈액이나 침 등에서 질병을 검출할 수 있는 면역센서(immunosensor) 를 연구하고 있다. 이것들에 대한 세부적 내용은 아직 밝힐만큼 훌륭한 단계가 아니라서 간단하게 설명하려 한다.

센서가 작동하려면

센서가 어떤 변화를 탐지했을 때는 분자 수준의 변화가 일어난다. 무슨말이냐 하면, 폭발물 센서를 예를 들어보자... 폭발물은 화학물질이다. 특정 화학물질은 비록 그것이 고체형태일지라도 공기중으로 증발하는 현상을 나타낸다. 나프탈렌이 시간이 지날수록 작아져서 결국 사라지고 마는 것과 같은 원리이다. 이 과정에서 눈에 보이지 않는 화학물질이 공기중에 퍼지는데 (sublimation, 기화) 그 화학물질이 센서의 표면에 닿아 전기적인 변화를 일으키는 것을 가리켜 'sensing, 탐지 등등' 이라고 부른다. 센서는 이런 비슷한 원리로 목표물질을 탐지하여 display 하여 사용자에게 알려주는것이다. 

필자의 연구는 이런 전류차이를 보는 것이다. 만약 A라는 물질이 B라는 센서에 닿았다면, 그 물질과 센서금속 사이에 미세한 전류차이가 생기게 된다. 비록 '미세한'이라고 말은 했으나, target molecule 물질의 양에 따라 전류차이는 커질수도 있다. 어느 정도 이상의 전류차이가 생기면 센서는 특정 방법으로 신호를 보낸다 (소리, 영상, 진동 등등). 

아래 그림에서 보듯이, 일정한 전압 하에서 전류량의 변화를 시험한 결과, 그 차이가 보인다. y축이 전류량의 변화이며 x축이 시간(초)이다. 실험 조건에 따라 전류량의 변화가 몇 피코암페어 (pA, 10의 -12승) 에서 밀리암페어 (mA, 10의 -3승)까지 변할 수 있다.  

센서를 구성하는 재료

센서를 만들기 위해서는 다양한 재료가 사용된다. (반도체 등)

1. 전기적 변화를 보기 때문에 전도성이 좋은 재료여야 한다. 주로 금속재료가 사용된다.

2. 목적에 따라 거기에 걸맞는 재료를 선택한다. 예를 들면 신체 내에 적용되는 바이오센서일 경우, 독성이 강한 금속을 쓰면 안된다.

3. 내구성과 친환경성을 고려해 봐야 한다.

4. 재료의 가격이 경제성이 있어야 한다.

5. 기타 등등...

다음 포스팅에는 나노센서에 대한 간단한 설명을 해 보겠다.