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핵심기술 표면증강라만산란(SERS) 기술, SERS기판에 1-propanethiol 유기물을 코팅하여 신호 정량화 하는 기술(특허출원) 최종목표 도장 및 코팅 공정등과 같은 곳에서 발생되는 오염물질(VOCs, 톨루엔, formaldehyde, ammonia,등)을 고감도 라만분광기법과 기타 광학적 방법들을 이용하여 ~ 0.1 ppm수준이하로 검출해 내는 실시간 모니터링이 가능한 통합 광학 가스 센서 시스템 개발 개발내용 및 결과 ◦ 본 과제에서 제안하는 기술은 SERS에 사용가능한 표면증강 기판을 개발하는 것이며, 소형화 및 이동형 라만 분광을 가능하게 하는 기술 중 핵심 적인 부품의 개발을 포함. ◦ 표면 플라즈몬 현상을 크게 증강시키는데 금속 나노입자를 사용하면 효율적이라는 것이 최근 연구결과에 의해 많이 알려져 있으며, 많이 사용되는 물질은 Ag임. ◦ Ag 나노입자는 가시광~적외선 영역에서 SERS효과가 잘 나타나며 이러한 나노입자에 다시 1-propanethiol 하는 소수성 치환기를 결합시켜 나노입자의 표면을 친수성에서 소수성으로 개질한 후 유해기체를 흡착시키고 기체의 표면증강 라만신호를 측정할 경우 그 효율이 크게 증가할 것으로 사료됨. ◦ Ag 나노입자 기판위에 다시 1-propanethiol을 개질하는 이유는 Ag가 공기중에서 쉽게 산화되어 재현성 있는 측정이 어려워지기 때문임. 따라서 Ag 나노입자가 포함된 기판을 개질할 경우 산화를 막을 뿐만 아니라 톨루엔, 벤젠과 같은 유해가스를 흡착시키는데 매우 용이하며, 라만 신호를 측정 시 1-propanethiol의 라만신호와 유해가스의 라만 신호 상호 비교를 통해 유해가스의 농도를 정량적으로 분석할 수 있는 장점이 있음. ◦ 고감도 라만 분광법을 이용하기 위해, Au 또는 Ag 나노입자 및 기판을 제작하고 기체가 흡착될 수 있도록 나노입자의 표면을 유기물질로 개질한 후, SERS 효과에 의해 10만 배 이상 증강된 가스의 표면 증강라만산란신호를 측정하여 각 기체의 농도를 ppm 이하에서 검출할 수 있게 됨. 기술개발 배경 ◦ 대기 환경오염 문제가 전 지구적 관심사가 되면서 환경오염원 저감이 에너지 산업을 포함한 연관 산업의 기본 방향이 되고 있음 ◦ WTO 뉴라운드 출범(2001년) 이후, 무역-환경 연계가 가시화 되는 등 지구환경 보호를 위한 국제적 압력과 국가별 환경 규제가 크게 강화되고 있음. 대중의 환경의식, 기업 사회적 책임의식 또한 성장하여 친환경적인 사업 구조로 전환하는 것이 가속화되는 추세임 ◦ 특히, 미국은 2004 ~ 2007년 기간 중 자동차 배출가스의 규제를 강화 하였으며, EU는 2006년도부터 전자제품에 카드뮴, 납 등 특정유해 물질을 제한(RoHS)을 시행해오고 있음. 이러한 추세에 힘입어전 세계적으로 환경과 지속가능성을 고려한 '로하스 소비자(LOHAS; Life-style Of Health And Sustainability)'가 확대되고 있음 ◦ 우리 생활환경속에는 많은 종류의 위험한 가스가 상존하고 있으며, 최근 일반가정, 업소, 공사장에서의 가스사고, 석유콤비나트, 탄광, 화학플랜트 등에서의 폭발사고 및 오염 공해 등이 잇따르고 있음 ◦ 인간감각으로는 생활에 상존하고 있는 위험 가스의 농도를 정량화 되게 감지하거나, 종류를 거의 판별할 수 없기 때문에, 이에 대응하기 위해 일반적인 물질의 물리적, 화학적 성질을 이용한 가스 센서가 개발되어 가스의 누설감지나, 농도 측정 및 기록, 경보 등에 사용되고 있음 ◦ 그러나 현재 상용화된 가스 센서는 특정 가스만을 구별할 수 있는 선택성이 부족하고, 여러 문제에 의해서 정량적 분석결과의 정확성이 현저하게 떨어지며, 아직 소규모의 공장 등 영세한 기업에서는 구매설치하기에는 비용적 부담이 되고 있음 ◦ 당사는 이러한 문제점을 해결하기 위해 기체 센서는 라만 또는 표면증강라만측정 이론을 적용하여 기체 분자를 탐지해 내는 센서를 개발하고자 함 ◦ 개발예정센서는 기존의 상용화된 센서와 비교하면 가격은 1/2수준이면서, 기체센서감지성능은 기존 상용화된 센서보다 탁월하며, 일생생활, 기업현장 등 다양하게 활용할 수 있는 제품적 특성을 가지고 있음 ◦ 개발예정인 제품의 세부적용분야는 ①도장 및 코팅 공정등에서 발생되는 오염물질(VOCs, 톨루엔, formaldehyde, ammonia, 미세먼지 등)을 고감도 라만분광기법과 기타 광학적 방법들을 이용하여 검출해 내는 실시간 모니터링이 가능한 통합 광학 가스센서 시스템을 개발 및 상용 ② 의약사용분야에서는 의약사전진단목적 ③ 국방의 화생방전 대비를 위한 화학가스, 위험물질 등에서 적용이 가능 ◦ 따라서, 위 목표가 달성 될 경우 같은 원리를 이용, 휴대 및 극소장소에 설치가 가능한 소형 센서개발을 오염물질들을 상시적인 모니터링에 적극 활용하고자 함 핵심개발 기술의 의의 ◦라만 분광법은 고체물리학에서 매우 중요한 분석 기법으로써 입사 레이저의 산란광을 이용하여 결정결합 상태, 결합 상태 등을 정밀하게 측정할 수 있음. ◦그 원리는 입사되는 빛의 에너지가 변하는 비탄성 산란으로 빛을 특정 분자체에 가하면 분자체 고유의 진동전이에 의해 조사된 빛과는 파장이 변하는 현상이 발생하는 것을 이용하여 분광시킴. ◦하지만, 레이저 입사 시 라만 산란 신호는 그 광도가 매우 약해서 고감도의 검출기 성능을 요구해, 일반적으로 고가의 분석시스템으로 인식되어 왔음. ◦이러한 라만 분광법의 난점을 극복하기 위해 표면 플라즈몬에 의한 라만신호 강도의 비약적인 증강을 거둘 수 있는 기술들이 개발되어 왔으며, 금속 팁을 이용한 표면 산란 증강(Tip Enhanced Raman-Spectroscopy, TERS), 금속 기판을 이용한 표면 산란증강(Surface-plasmon Enhanced Raman-Spectroscopy, SERS) 등이 대표적인 기술로 각광받고 있음. ◦라만 방출이 가장 효과적으로 향상되기 위해서는 금속과 입사 레이저 사이에서 금속 표면의 자유 전자들이 집단적으로 진동하는 현상이 동반되어야 하는데, 이를 전자기적 증강 효과의 기초가 되는 표면 플라즈몬이라고 함. 표면 플라즈몬 공명현상은 금속 나노입자의 종류, 크기, 형태, 분산되어 있는 용매, 레이저의 종류 등에 따라 달라질 수 있음. ◦ 앞선 트레이드-오프 관계, 즉 라만 분광법의 중요성으로 인한 수요와 낮은 라만 산란 신호 강도를 극복할 수 있는 TERS나 SERS 분광법이 가능하다면 기존에 이용하고 있는 검출법을 라만 분광법으로 대체할 수 있는 획기적인 기회를 제공할 수 있음. 적용 분야 ◦ 도장 공장 내 유해가스 실시간 모니터링 ◦ 다수의 톨게이트를 동시에 통과하는 자동차의 아황산가스 실시간 모니터링 ◦ 유해공단지에서 인접한 도심으로 NOx, SOx, HCHO 유해물질의 유입감시 ◦ 반도체 공장에서 사용된 독성물질의 배출 시스템 ◦ 대량의 제약샘플의 물성 검사 ◦ 공항에서 독극물등 실시간 모니터링 (출처 : 초록 4p) |
