서울대 여재익 교수팀, 대기 중 바이러스 실시간으로 밝힐 기술 개발

[매뉴팩처링티비] 서울대 공대 기계항공공학부 여재익 교수 연구팀(양준호 박사과정, 정재헌 석사과정)이 전기 유도 분광법을 적용한 실시간 대기 성분 분석 장치를 개발했다고 밝혔다.

NASA 화성표면탐사선에 활용된 기술을 응용해 입자표면의 성분, 농도, 발생원을 실시간으로 확인 가능한 기술로 발전시켰으며, 특히 대기 중 바이러스와 같은 초미세입자의 실시간 농도를 측정할 수 있는 기술로 기대를 모으고 있다.

이 내용은 The Royal Society of Chemistry의 국제 화학분석 저명 학술지인 JAAS(Journal of Atomic Analytical Spectrometry) 6월호에 표지 커버 및 이달의 이슈로 선정됐다.

포스트 코로나(Post Corona) 시대가 열리며 대기 중에서 전파되어 각종 호흡기질환을 일으키는 미세먼지나 세균, 바이러스에 대한 관심이 매우 높아졌다. 특히 COVID-19는 현재 40만 명의 사망자를 냈으며 아직까지 백신이 개발되지 않아 거대한 위협으로 다가온 신종 바이러스다. 

또한 매년 봄-여름에 어김없이 찾아오는 중국발 공장지대의 중금속 및 독성 입자들을 포함한 초미세먼지는 시민들의 건강을 위협하며 범세계적인 골칫거리가 됐다. 이러한 대기 오염과 유해 입자, 초미세먼지를 매개체로 전파되는 바이러스를 실시간으로 검출 및 성분 분석하는 기술이 처음 개발된 것이다.

기존 방식은 시료를 채취해 실험실에서 성분 분석을 거쳐야 하므로 길게는 수 일까지 시간이 소요됐었다. 이번에 개발한 방식은 제작 단가가 10만 원 미만으로, 수억 원에 이르는 고가의 분석장비를 대체할 수 있어 1/100 이상의 가격 절감을 기대할 수도 있다. 앞으로의 연구에 따라 휴대 가능성도 존재한다.

연구팀이 소개한 대기 중 오염된 초미세 입자 검출 방법은 전기 유도 분광법(Spark-induced Plasma Spectroscopy)에 그 기반을 두었다.

전기 유도 분광법은 에너지원인 전기로 입자의 표면에 플라즈마를 일으키고 이때 방출되는 빛을 해석하는 성분 분석 방식이다. 원자에 외부 에너지를 가하여 들뜬 상태에서 바닥 상태로 변이하며 발생되는 방출광을 계측하면 원자 및 분자 성분을 검출할 수 있다. 기존에는 고가의 레이저를 에너지원으로 활용하여 플라즈마를 생성시켰으나, 이번에 발명한 것은 설계가 간단하고 경제적이며 검출 한계가 우수한 전기 유도 방식이다.

연구팀은 일반적인 고가의 분광기를 사용하지 않고 특정 파장만 통과시키는 포토다이오드(Photodiode)로만 구성된 분광기법을 개발했고 정밀 성분 분석을 위한 알고리즘을 별도로 개발하여 성분별 농도 정보를 제공할 수 있었다.

연구팀은 한국형 달 표면탐사 탑재체 연구를 수행하며 NASA의 화성 탐사선에 탑재돼 업무를 수행한 ChemCam기술(화학성분 분석 기술)을 응용해 이번 검출 장치를 개발했다. 대기 성분 분석 장치를 개발하기 전에는 ‘전기 유도 분광법을 적용하여 행성 탐사의 광물 분석 최적화 연구’라는 주제로 전기 유도 분광법의 최적화를 위한 선행 연구를 수행한 바 있다.

본 기술은 초미세먼지 내 독성 물질의 성분 및 농도 연구에 적용해 새로운 미세먼지 내 유해 입자 검출 방법을 제시한 바 있다. 해당 연구 결과는 저명한 화학기상학학술지인 ‘Chemosphere’ 6월호에 온라인 게재됐다.

여재익 교수는 “기존의 대기환경 분석 검출기와 달리 저비용으로 ‘실시간’ 대기 성분 검출이 가능한 방법이 등장했다”며 “본 연구가 코로나바이러스 사태 이후 시민들의 건강한 삶과 개인위생을 보장하고 주거환경의 실시간 오염 정보 및 바이러스 상황 공유가 가능한 통합 모니터링의 서막으로 연결될 것으로 기대된다”고 말했다.