화학물질 검출을 위한 CNT Film 기반 전기화학센서 응용에 관한 연구

Abstract

위험유해물질(HNS, hazardous and noxious substances)은 기름을 제외한 물질로써 해양자원이나 생명체에 심각한 위해를 미치거나 중대한 장애를 일으키는 유해 액체 물질 및 화재, 폭발 등의 위험이 있는 물질을 말한다. HNS는 독성, 인화성, 화학 반응성 등과 같은 다양한 위험 특성을 가지며, 대략 6,000여 종에 달하는 것으로 알려져 있다. HNS가 해상에 유출될 경우 화재·폭발의 위험과 독성 등으로 인한 인체 및 해양 생태계에 치명적인 피해가 우려된다. 최근 국내 HNS 물동량이 증가하면서 해상 HNS 유출 사고의 위험성이 크게 증가하였다. 하지만, 우리나라의 해양오염사고 대응체계는 기름유출 사고 위주이며 HNS에 대한 체계적인 관리나 유출 사고 시 신속하고 효과적인 대응은 미흡한 실정이다. 종래의 유해물질 검출 센서의 경우 고감도를 위한 히터 작용이 필수적이며, 해수에 노출될 경우 물성이 변화하는 문제점이 있다. 또한, 검출대상이 기체상 HNS로 국한되어 있으며 액체상 HNS 검출 센서의 연구는 아직 시작 단계에 있다. 종래의 액체상 HNS 검출 센서로는 인듐-틴-옥사이드 (ITO, Indium Tin Oxide) 기반 HNS 검출 센서가 있다. ITO Film HNS 센서의 경우 기계적 특성의 안정성과 센서 검출특성의 응답, 선형성, 최소검출농도 (LOD, Limit of Detection) 등 보완해야 할 부분이 있다. 따라서 해상에 유출된 HNS의 종류 및 농도에 대한 정보를 신속하고 정량적으로 확보하기 위해서는 높은 기계적 강도와 HNS에 대해 우수한 응답특성을 보이는 새로운 형태의 센서 제작이 필요하다. 본 연구에서는 물리적, 화학적 내구성이 우수하며 면적 대비 큰 부피를 갖는 탄소나노튜브 (CNT, Carbon Nanotubes)를 HNS 감지 물질로 선정하였다. 또한, 센서 구조를 최적화한 CNT 기반 전기화학센서를 제작하여 기존의 ITO Film HNS 센서와 검출 특성을 비교하였다. 총 12종의 부유성 HNS를 선정하여 검출 특성을 파악하였고 센서의 온도의존특성을 분석하여 변온환경에서의 센서 응답의 오차를 분석하였다. 최종적으로 해상에 유출된 HNS를 검출하기 위해 센서 특성을 종합적으로 평가하고 보고하였다. 제 1장에서는 HNS의 위험 특성에 대해 언급하고 종래의 유해물질 검출 센서의 특성에 대한 내용을 설명하였다. 그리고 액체상 HNS 검출 센서의 필요성과 새로운 형태의 유해물질 검출 센서 도입의 필요성에 대해 설명하였다. 제 2장에서는 선택한 CNT 나노 파우더를 이용하여 CNT Film의 제작 공정에 대해 서술하였다. 그리고 제작한 CNT Film의 HNS 검출센서로 응용하기 적합한지 판단하기 위해 표면, 구조적, 전기적, 기계적 특성을 분석하였다. 제 3장에서는 서로 다른 두 가지 구조의 센서의 이론적 응답 메커니즘을 분석하였다. 표면저항형 (Resistive-type, R-type)과 전기전도형 (Conductive-type, C-type) 구조의 Film을 각각 제작하고 센서 특성을 비교하였다. 센서 특성이 우수한 구조를 선택하여 HNS 검출 센서의 구조를 최적화하였다. 제 4장에서는 CNT Film을 HNS 검출 센서로 활용하기 적합한지 판단하기 위해 연구를 진행하였다. 검출 대상 HNS를 선정하고 CNT Film HNS 센서를 통해 총 12종의 부유성 HNS에 대한 검출 특성을 파악하였다. 센서 특성으로는 센서응답, 상승시간, 감도, 선형성, LOD 등을 종합적으로 평가하였다. CNT Film HNS 센서의 변온환경에서의 작동 오차를 분석하기 위해 온도의존특성을 파악하였다. 실험 온도의 신뢰성을 파악하고 Film의 온도저항계수를 계산하였다. 다양한 온도의 염수를 투여하여 얻은 센서 응답을 통해 작동 온도가 변화할 때 센서응답의 오차를 분석하였다. CNT Film HNS 센서의 동작 메커니즘을 분석하기 위해 이론적 메커니즘과 실제 HNS 농도에 따른 전하량 측정 결과를 비교하였다. HNS 농도 및 종류에 따른 전하이동 과정을 서술하고 동작 메커니즘을 분석하였다. 마지막으로 제 5장에서는 본 연구에서 확보한 결과의 요약 및 결론에 대해 서술하였다. 본 연구에서는 목적한 액체상의 유해물질을 검출 가능할 수 있는 센서를 구현하였으며 해상 HNS 유출 사고에 적용 가능한 유용하며 경제적인 전기화학 센서를 제작할 수 있다는 점을 보였다.