인간의 낮은 후각 능력을 보완하기 위해 개발된 지능형 후각센서의 원리, 기술적 발전 및 질병 진단 등 다양한 활용 가능성 doc_id PCY_202003131024548771_1

인간에게나 동물에게나 냄새를 맡는 후각 감각은 매우 중요하다. 인간의 후각 능력은 환경오염 물질, 매연, 독성 물질에 대한 경계를 잘 수행하도록 도와주기도 하며, 좋은 와인이나 맛있는 음식을 즐기고 달콤한 냄새를 음미하도록 할 뿐만 아니라 기억에도 영향을 미친다. 생리학적으로 냄새를 맡는다는 것은 가스 형태로 들어오는 입자가 코 속의 후각 수용체를 화학적으로 자극하고, 후각신경을 흥분시켜 뇌의 측두엽 안쪽에 위치한 후각 중추에 신호를 전달하는 행위이다. 결과적으로 보면, 코 속으로 들어오는 냄새 입자를 식별한다는 것을 의미한다. 감지 입자는 원래 물질의 성질을 포함하기 때문에 원래 물질이 무엇인지를 구별하여 찾아내는 단서가 된다. 따라서 이러한 가스 중에 포함된 입자를 감지하는 능력인 냄새를 맡는다는 것이 인간의 삶에 매우 유용하며 많은 영향을 끼친다. 하지만, 인간의 후각 능력은 대부분의 포유류나 파충류에 비해 매우 떨어진다. 개의 후각은 비상해서 사람의 후각보다 최대 10만 배나 예민한데, 이는 일정 부분 ‘olfactory recess, 후각 함요(嗅覺 陷凹)’라는 구조에 기인한다. 종잇장처럼 얇은 뼈들이 미로처럼 얽혀 있는 이 후각 함요에는 수백만 개의 후각 수용체가 있는데, 이 수용체들이 냄새를 분석하는 뇌까지 신경세포로 연결되어 있다. 군견들은 폭탄의 위치를 정확히 찾아낼 수 있고, 잘 훈련된 개를 이용하여 암과 같은 특정 질병을 가진 사람을 찾아낼 수 있다. 이러한 인간의 낮은 후각 능력을 ICT 기술 기반으로 보완할 수 있다면 더할 나위가 없을 것이다. 이러한 상황에서 개발되기 시작된 것이 지능형 후각센서이다. 지능형 후각센서는 미세 전류가 흐르는 센서에 공기 중에 떠다니는 냄새 분자가 닿을 때 전기적 특성이 변화하는 성질을 이용한다. 또 냄새 분자와 결합하면 색이 변하는 물질을 이용하기도 한다. 반면 사람이나 동물의 코에 있는 냄새 수용체는 하나의 냄새 분자에만 결합하는 것이 아니다. 냄새 수용체는 수많은 물질과 각각 다르게 결합하는데, 뇌는 이러한 결합 패턴을 총체적으로 분석하여 하나의 냄새를 파악해낸다. 개의 후각능력을 이용하여 질병은 찾아내는 것과 같이 지능형 후각센서가 질병 진단에도 쓰일 수 있을 것으로 기대된다. 지능형 후각지능은 인간의 후각 기능을 모방하여 제작되는 전자적 장치로서, 냄새 구별을 위한 지능형 화학센서 어레이 시스템이다. 1983년 영국 Warwick 대학교에 퍼사우드 등에 의해 센서어레이와 신호처리 기술을 이용하는 전자 후각의 개념이 소개되면서, 냄새 인식 기능의 실현을 위한 연구가 유럽, 미국 등의 선진국을 중심으로 활발히 진행되고 있다. 기존의 분석시스템보다 저렴하면서도 빠르고 정확하게 냄새를 인식할 수 있는 장점이 있다. 기존에는 음식 관리, 주류 관리 등에서 최근에는 보안 및 질병 관리 분야를 위한 고성능 지능형 후각센서의 수요가 증가되고 있다. 국내에서는 1990년대 초반부터 경북대와 LG 전자기술원에서 전자코에 대한 연구가 진행되어왔고, 최근에는 ETRI, KAIST, 서울대, 고려대 등 여러 기관이 후각센서 및 후각 지능에 관한 연구를 진행 중이다. 후각센서는 정확성, 정밀성, 신뢰성과 선택성 측면에서 몇 가지 개선되어야 할 요소들이 있다. 이는 적절한 센서 어레이와 적절한 인공지능의 조합을 활용하여 극복할 수 있다. 지능형 후각센서의 가스 식별 알고리즘은 전처리 모듈 및 분류 절차를 포함할 수 있다. 인간은 시각, 청각, 후각, 미각, 촉각의 오감을 지니고 있다. 시각, 청각, 촉각과 같은 물리량의 감지 및 분석이 현재 거의 완성되었다. 하지만 냄새 및 맛에 해당하는 후각과 미각은 아직 구현하지 못하고 있다. 반도체 가스센서는 일본의 큐슈 대학교 대학원생 세이야마(T. Seiyama)와 일반인 발명가 타쿠치(N. Taguchi)가 1962년에 각자 독자적으로 탄생시킨 기술이다. 전자는 산화촉매작용의 반도체 이론에 기초하여 기체분자가 촉매와 산화물 반도체와의 사이에서 일어난 전자 수수로 인해 산화물의 전기전도도가 변화하는 현상에 착안된 것이다. 결국 ZnO 박막센서로 알코올 가스감지 기술 개발을 성공하여 그 연구결과를 발표하였다. 한편, 후자는 대기업 제조라인에서 근무하던 대졸의 젊은 기술자가 당시 가스 누설 폭발사고에 관련된 신문기사를 보았다. 인체에서 유래하는 유기 화합물은 인간의 질병을 진단하는 데 도움을 주는 지표가 된다. 그리고 체취, 객담(Sputum), 소변, 땀, 날숨(Breath) 등은 이러한 유기 화합물을 분석하는 데 필요한 냄새(Odor)의 근원이다. 서로 다른 물리-화학적인 특성을 갖는 전도성 고분자 화합물을 이용하여 기체분자의 종류와 농도에 따라 변화하는 전기전도도의 채널별 패턴을 분석하거나 직접 후각 수용체를 각 채널에 고정화하여 기체분자에 대한 특이성을 부여하는 등의 다양한 방법을 이용한다. 이러한 후각센서는 확보된 반도체 및 미세전자기계시스템공학(MEMS)의 공정 방법을 이용하므로 소형화, 집적화가 가능하며, 생산 단가도 낮출 수 있는 장점이 있다. 또한, 딥러닝(Deep learning)과 같은 고도의 인공지능 분석 방법은 앞으로 다채널 센서의 신호분석과 결과 예측의 정확도를 더욱더 향상시킬 수 있는 좋은 도구로서 주목받고 있다. 가장 흔하게 사용되는 가스감지 물질은 전도성 폴리머 및 복합체와 같은 가스 흡탈착성이 있는 것이다. 가스 흡착할 때 폴리머가 부풀어 오름으로써 전도성 폴리머의 전기적 특성이 바뀌거나 폴리머가 코팅된 캔틸레버소자의 공진주파수가 바뀌게 된다. 전도도 및 공진주파수는 주요 파라미터로 사용될 수 있다. 가스감지의 원리는 가스에 대한 고유한 친화력을 가진 폴리머와 전도성 물질의 혼합으로 구성된 복합체에 분석물의 흡착에 의해 전기전도도가 변하는 특성을 이용하는 것이다. 다양한 폴리머, 특히 폴리피롤과 같은 폴리헤테로사이클 계통이 휘발성 가스에 대한 흡착 능력이 있어 많이 이용되고 있다. 전도도 변화로 나타나는 감도를 가지하는 감지센서에 절대적 선택성은 없다. 감지 물질의 응답 특성은 폴리머의 분자량, 폴리머 체인의 종류, 수소 결합 등에 따라서 달라진다. 상대적으로 감응시간도 매우 길다. 반도체산화물은 CO와 같은 가스의 감지 및 모니터링에 많이 사용되는 저렴한 감지물질이다. 분석 대상 가스에 대해 빠른 응답특성, 고감도, 그리고 장기안정성을 갖고 있다. 반응 원리는 반도체 특성을 가진 금속산화물의 전기전도도가 산화물 표면에서 가스의 산화/환원 반응에 의해 변화되는 것을 이용한다. 이러한 반응은 사용된 산화물의 전자적 구조, 화학적 조성, 결정 구조, 결정 방향, 입자 크기, 가스에 노출되는 산화물의 표면특성 등의 조절에 의해 특성 설계가 가능하다. 산화물의 다결정상 중에서 특정 결정상에 따라서 특정 가스에 대한 선택성을 갖게 할 수 있다. 예를 들면, 다결정성을 가진 SnO2와 TiO2의 Rutile 구조에서는 CO와 탄화수소계 가스를 잘 감지하며, Perovskite 구조를 가진 산화물은 산화성 가스에 대해 고감도 특성을 가진다. 신뢰성 있는 감응특성을 얻으려면 산화물의 결정구조가 결정 안정성을 가지는 구간 내에 있어야 한다.