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Research

스스로 열을 내어 미세먼지 집진‧계측하는 초소형 센서 개발

  • 조회. 693
  • 등록일. 2021.12.16
  • 작성자. 대외협력팀

DGIST 김회준 교수팀, 열가소성 플라스틱 폴리머를 활용한 고효율 미세먼지 센서 개발

초소형, 초저가 센서 개발로 다양한 산업 분야 적용 기대돼

 

[DGIST 로봇공학전공 김회준 교수(가운데)와 연구진들]

 

 DGIST(총장 국양) 로봇공학전공 김회준 교수팀과 한국기계연구원 환경기계연구본부 김상복 박사팀이 공동연구를 통해 열가소성 플라스틱 폴리머(Poystyrene)을 활용한 초소형 미세먼지 센서를 개발했다. 새롭게 개발된 센서는 마이크로 히터를 통해 폴리머의 물성 조정을 통한 미세 먼지의 효율적인 포집을 가능할뿐만 아니라, 고습도 환경에서도 안정적인 구동이 가능해, 향후 다양한 활용이 기대된다.

 미세 입자 계측 분야는 대기오염, 반도체 공정, 에어로졸 연구 등 다양한 연구 분야에서 활용이 가능한 만큼 연구자들이 항상 많은 관심을 갖는 분야다. 하지만 기존에 사용되는 석영 공진 센서는 측정이 필요한 입자와 센서 간 완전한 접촉이 어려워 계측이 정확하지 않은 문제가 있어왔으며, 계측 장비가 습도의 영향으로 인한 센서 오류에 따른 신뢰성이 저하되는 등 다양한 문제점이 있어 왔다. 여기에, 관련 장비가 고가인 점 또한 다른 분야 응용에 있어 큰 제약이었다.

 DGIST 로봇공학전공 김회준 교수팀은 열가소성 플라스틱 소재인 폴리스티렌 물질을 활용해 입자와 센서 간의 접촉력을 향상시킨 새로운 센서를 개발했다. 폴리스티렌 물질은 가열 온도에 따라 표면 흡착력을 달리하여 입자 포집 및 센싱에 용이한 소재다.

 이 때 김회준 교수팀은 개발한 센서에 마이크로 히터 시스템을 설치, 외부의 열원이 없더라도 센서가 자체적으로 열 발생을 조절해 폴리스티렌의 흡착력을 제어할 수 있도록 했다. 이 때, 설치된 마이크로 히터는 센서의 흡착력 제어뿐만 아니라 외부 습기의 영향을 받아 미세 입자 표면에 발생하는 수분 응축 현상도 함께 억제시켜, 센서의 측정 신뢰도를 함께 높였다. 이처럼 이번에 개발된 센서는 외부 환경 요인 (온도, 습도)에 크게 구애를 받지 않는 장점을 지녀, 향후 다양한 산업 분야에 활용이 기대된다.

 DGIST 로봇공학전공 김회준 교수는 대기 미세먼지 계측 센서를 연구하여 미세 입자 센서 기술 개발에 관심을 갖게 됐다단순히 대기 미세먼지 센서를 개발하는 것에 멈추자 않고 실제 응용 분야에 맞는 소자 개량을 통해 다양한 환경에서 적용할 수 있는 미세 입자 센서 개발을 목표로 연구를 계속할 것이다고 했다.

 한편, 이번 연구는 그 우수성을 인정받아 환경공학 분야 권위 있는 국제 학술지 중 하나인 ‘Journal of Hazardous materials’1020() 온라인 게재됐다.

 

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연구결과개요

Quartz crystal microbalance with thermally-controlled surface adhesion for an efficient fine dust collection and sensing

(Il Ryu Jang, Soon In Jung, Gunhee Lee, Inyong Park, Sang Bok Kim, Hoe Joon Kim*)

(Journal of Hazardous Materials, on-line published on October 20th, 2021)

 

  • 센서는 대기오염, 반도체 공정, 에어로졸 연구 분야에서 그 필요성이 대두되고 있으며, 최근 다양한 플랫폼을 활용한 센서 관련 연구가 활발히 진행되고 있음.
  • 미세먼지 계측 기술은 장비가 고가이며 수분 영향으로 인한 입자 크기의 조대화 수분 입자로 인한 계측의 신뢰성 저하와 같은 문제점을 갖고 있음.
  • 공진 센서는 초소형, 초저가 플랫폼을 바탕으로 여러 센서 분야에서 활용되어오고 있음.
  • , 석영 공진 센서는 입자 센서 응용 분야에서는 미세 입자와 센서간의 낮은 흡착력을 가지므로, 석영 공진 센서의 진동 과정에서 입자와 센서의 계면에서 진동 에너지 소산, 상대적인 움직임으로 인한 센서의 안정성, 신뢰성이 저하한다는 문제점이 있음.
  • 연구에서는 이를 개선하기 위하여 열가소성 물질인 폴리스티렌을 활용하였음. 폴리스티렌은 온도 변화에 따라 표면 흡착력을 달리하여 기존의 한계점인 흡착력 문제를 해결할 뿐만 아니라 입자 포집 효율을 높인다는 장점이 있음.
  • , 외부 열원 없이 폴리스티렌 가열을 통해 흡착력을 제어하기위해 마이크로 히터를 석영 공진 센서에 설계 및 통합하였음.
  • 마이크로 히터는 센서의 흡착력 제어에 용이할 뿐만 아니라 기존의 문제점인 습도 영향으로 인한 미세 입자 표면 부의 수분 응축 현상을 개선하여 센서의 외부 환경 요인 (온도, 습도)으로 인한 센서의 신뢰성 저하 문제를 해결하였음.
  • 연구는 그 우수성을 인정받아 해당 분야 최상위 저널인 Journal of Hazardous Materials에 개제되었으며, 한국기계연구원 환경기계연구실 김상복 박사 연구진과 공동 연구로 진행되었음.

 

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

  • 미세 입자 계측 장치의 단점인 고가이며 시스템이 크다는 단점을 극복한 신개념 압전 센서를 개발하여 다양한 분야에 응용이 가능함.
  • 석영 공진 센서와의 차별 점은 마이크로 히터와 폴리스티렌 흡착 물질을 탑재하여 센서의 신뢰성 및 수명 측면에서 획기적으로 개선하였음

Q. 어디에 쓸 수 있나?

  • 센서로 대기 미세 입자 센서에 적용이 가능할 서이라 기대하며, 초소형 기기라는 장점을 바탕으로 휴대용 미세먼지 센서 적용에도 가능할 것이라 기대됨.
  • 환경 요인 (, 습도)에 구애 받지 않는 신뢰성 있는 센서이므로 공장 굴뚝, 자동차 배기구, 반도체 공정 설비에서 발생하는 오염 입자 계측과 같은 다양한 응용 분야에도 적용 가능할 것이라 기대함.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

  • 기술은 간단한 반도체 공정 기술만으로 쉽게 제작이 가능하기에 발 빠른 상용화가 가능할 것으로 기대함.
  • , 센서의 구동 시간을 늘리기 위한 미세 입자 포집률 조정 및 센서 재활용을 위한 포집 입자 제거 기술 개발이 필요하다는 과제가 존재함.

Q. 연구를 시작한 계기는?

  • 미세먼지 계측 센서를 연구하던 중 입자와 센서 간의 낮은 흡착력으로 인한 신뢰성이 저하한다는 문제점에 직면하였음. 보다 높은 흡착력을 위해 압전 공진 센서와 결합이 가능한 물질을 탐색하던 중 열가소성 플라스틱인 폴리스티렌 물질을 적용하게 되었음.

Q. 어떤 의미가 있는가?

  • 입자 계측 기술은 대기 오염, 반도체 공정, 에어로졸 연구 등 다양한 산업 분야에 걸쳐 그 파급력이 나날이 커지고 있음
  • 연구는 압전 소재를 활용하여 수십 mm 수준의 초소형 소자 제작이 가능하다는 장점이 있으며, 응용 분야에 따라 최적화된 센서를 저렴한 가격으로 제작이 가능하다는 의미가 있음.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

  • 미세먼지 측정뿐만 아니라, 고온, 저압 상황과 같은 극한 상황에서도 적용 가능성을 검증하여 개발 센서의 응용 범위를 넓히는 것을 목표로 함.
  • , 제작 센서의 기술을 활용한 차세대 웨어러블 입자 계측 시스템을 개발하여 새로운 입자 센서 플랫폼을 개발하고자함

 

 

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그림설명

[그림 1] 석영 공진 센서 기반 미세 먼지 계측 센서

(좌측) 폴리스티렌과 마이크로 히터가 결합된 미세먼지 센서 조감도
(우측상단) 입자 집진 모드 및 입자 포집된 현미경 사진
(우측하단) 입자 센싱 모드 및 입자 계측 데이터

 

 

 

 

콘텐츠 담당 담당부서  :   대외협력팀 ㅣ 053-785-1135