안전한 식수를 위한 신뢰할 수 있는 1달러 센서를 엔지니어링하는 방법

세계보건기구(WHO)에 따르면 매년 수십만 명의 사람들이 안전하지 않은 물을 마셔 사망하고 있습니다. 예를 들어, 박테리아 오염으로 인해 전염되는 설사로 인해 매년 500,000명 이상이 사망하는 것으로 추산됩니다. 비소, 납, 수은 등 식수에 함유된 독성 중금속도 건강에 큰 위험을 초래합니다. 그리고 WHO에 따르면 기후 변화는 수인성 질병의 위험을 더욱 악화시킬 뿐입니다.

이러한 오염물질을 정확하고 신속하게 감지할 수 있는 센서는 많은 수인성 질병과 사망을 예방할 수 있습니다. 이제 엔지니어들은 흐르는 수돗물에서 중금속과 박테리아를 감지할 수 있는 고성능 그래핀 센서를 대량 생산할 수 있는 경로를 개발했습니다. Nature Communications에 보고된 이러한 발전으로 이러한 센서의 비용을 개당 1달러로 낮출 수 있어 사람들이 집에서 식수에 대한 독소를 테스트할 수 있게 되었습니다.

센서는 해를 끼칠 수 있는 미세한 농도의 독소를 포착하기 위해 매우 민감해야 합니다. 예를 들어, 미국 식품의약국(FDA)에서는 생수에 포함된 납 농도가 5ppb를 넘지 않아야 한다고 명시하고 있습니다.

오늘날 중금속, 박테리아 및 기타 독소의 10억분의 1 또는 1조분의 1 농도를 탐지하는 것은 실험실에서 물 샘플을 분석해야만 가능하다고 시카고 대학 분자공학 교수 Junhong Chen은 말합니다. Argonne National Laboratory의 수석 물 전략가입니다. 그러나 그의 연구팀은 몇 초 내에 낮은 수준의 독소를 감지할 수 있는 그래핀 전계 효과 트랜지스터(FET)를 갖춘 센서를 개발했습니다.

센서는 FET의 소스 전극과 드레인 전극 사이의 채널 역할을 하는 나노미터 두께의 반도체 산화 그래핀 시트를 기반으로 합니다. 게이트 전극은 채널을 통해 전류를 제어합니다. 그래핀 시트를 실리콘 웨이퍼 위에 증착한 후 시트 위에 금 전극을 인쇄한 다음 나노미터 두께의 산화알루미늄 절연층을 인쇄하여 반도체 채널에서 게이트 전극을 분리합니다.

연구진은 원하는 표적(이 경우 대장균 박테리아와 중금속 납 및 수은)과 결합할 그래핀 표면에 화학적 및 생물학적 분자를 부착합니다. 극소량의 오염물질이라도 그래핀에 부착되면 전도도가 변하며, 변화의 크기는 독소 농도에 따라 달라집니다.

이 장치는 흐르는 물의 1조분의 1 농도를 측정하기 위해 각 오염물질에 하나씩 세 가지 서로 다른 센서가 있는 어레이를 사용합니다. 기계 학습 알고리즘은 오염 물질을 구별하는 데 도움이 된다고 Chen은 말합니다. “다른 FET와 마찬가지로 응답이 매우 빠르기 때문에 결과를 바로 확인할 수 있습니다. 또한 FET는 컴퓨터, 노트북, 휴대폰에 [이미 사용되고 있는] 비용 효율적이고 확장 가능한 기술이기 때문에 잠재적으로 비용이 저렴합니다.”

안정적이고 일관된 성능을 갖춘 센서를 제조하는 것이 주요 과제였다고 그는 말했습니다. 이는 절연 산화알루미늄층에 전하를 가두어 성능을 저하시키는 결함이 있을 수 있기 때문입니다.

그래서 Chen과 그의 동료들은 비침해적 프로세스를 사용하여 결함이 있는 장치를 감지하는 방법을 생각해 냈습니다. 센서가 물에 잠겨 있는 동안 임피던스 분광법(수 헤르츠에서 수만 헤르츠 범위의 주파수에서 AC 전압을 적용하는 기술)을 사용하여 테스트하고 장치를 통해 전류를 측정합니다. 이를 통해 산화알루미늄의 구조적 결함을 감지할 수 있습니다.

Chen은 “각 웨이퍼에는 수백 개의 센서 칩이 있을 것입니다.”라고 말했습니다. "향후 제조에서는 불량 장치를 걸러내고 좋은 품질의 장치를 골라내기 위해 이 품질 관리 단계를 도입할 수 있습니다."

연구팀은 현재 Nanoaffix Science라는 스타트업을 통해 이 기술을 상용화하려고 노력하고 있습니다. Chen은 “우리가 소개하고 싶은 첫 번째 제품은 사람들이 수도꼭지에서 직접 식수 품질을 테스트할 수 있는 휴대용 장치입니다.”라고 말했습니다.