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혜은 비
5 years ago
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1 초고감도붙박이형새집증후군가스모니터링센서 IT 융합분과 Ⅰ. 제안기술개요 기술의내용기술의동향기술의제품화및시장전망 - 전기방사기술을이용한 1차원다성 분계금속산화물나노섬유제조및이 를이용한실내유해가스 ( 포름알데히 드, 톨루엔, 자이렌, 스티렌, 에틸벤젠 등) 감지소재개발. - 나노사이즈의다양한촉매 (Pt, Pd, Ag, Ni, Ru 등) 를첨가하여고감도및 선택적타겟가스감지센서개발. - 다종의센서어레이를구축하여, sub-ppm & ppb 레벨의실내유해가 스를정량적으로모니터링할수있는 붙박이형가스센서플랫폼제시. 상용화단계 핵심키워드 [ 국내동향 ] - 실내유해가스측정장비는대부분 수입에의존하고있는실정이며, 일부 국산화된장비도핵심센서를수입하여 단순조립판매하는실정임. - 국내외시장진입을위한노력으로 기업과대학, 연구소등이협력하여센 서개발이이루어지고있음. [ 해외동향 ] 년실내공기질센싱모니터링 기술시장은 77 억달러규모이며, 실내 공기질센서의보편화를위해활발히 기술개발이이루어지고있음. - 간단하며, 신속한측정방식으로실 내공기유해가스인포름알데히드, 톨루 엔등총휘발성유기화합물 (TVOCs) 을 동시에측정할수있는센서를개발하 고자함. 일반 1아이디어 2연구단계 ❸개발단계 4개발완료( 시제품) 5제품화단계 의약바이오 1 라이센싱 2 개발단계 3 제품화단계 한글새집증후군, 환경센서, 금속산화물센서, 휘발성유기화합물등 영문 - 또한저렴한가격으로실내에붙박이 형센서로실장시켜센서의보편화, 일 반화를이루어높은가격의센서시장 에파급효과가클것으로예상됨. Ⅱ. 기술개발자정보 Ⅲ. 기관명한국과학기술원부서신소재공학과 성명김일두직급부교수 전화/ 핸드폰 이메일 idkim@kaist.ac.kr 수행과제정보 지원지관명 연구사업명 연구과제명 주관기관 수행기간 공동연구기관 Ⅳ. 특허정보 특허현황 상세현황 사업화대상기술관련특허총 46 건 구분상태출원 ( 등록 ) 일자특허번호특허명 대상기술 출원 등록 금속촉매나노입자를포함하는가스 센서및이의제조방법

2 관련기술 출원 등록 관련기술 출원 등록 관련기술 출원 등록 금속산화물나노로드와그래핀복합체, 그의제조방법및이를포함하는센서다공성주석산아연나노섬유, 그제조방법및이를이용한가스센서복합계층구조를갖는가스감지막, 이를포함하는가스센서및그제조방법 기술성분석 기술의내용및특징 본연구그룹에서제안하는기술은새집증후군의원인이되는가스의 ( 포름알데히 드, 톨루엔, 자일렌, 스티렌, 에틸벤젠) 검출및모니터링을위한초고감도붙박이형센 서를제조할수있는기술임. 제안하는초고감도붙박이형센서를제작하기위해서금속산화물을이용한저항 변화식가스센서를사용함. 금속산화물을이용한저항변화식가스센서는다른가스센 서방식에비해가격이싸고간편하게결과 ( 신호) 를얻을수있으며, 쉽게소형화가가 능하다는장점이있음. 금속산화물을이용한저항변화식가스센서의경우감지물질표면에서일어나는 반응에의해감도가결정되므로높은비표면적을가진감지물질을제조하는것이감도 측면에서유리함. 때문에금속산화물감지소재합성을위해매우쉽고간단하게 1차원 의나노섬유를얻을수있는방법인전기방사 전기방사기술은시린지펌프 (Electrospinning) 기술을이용함. (syringe pump) 에금속산화물전구체와고분자혼합 용액으로구성된전기방사용액을채우고, 바닥전극 (Collector) 과시린지펌프사이에 적정전압을인가하여, 시린지펌프내의전기방사용액을방사하는것임. 이를통해매 우얇은나노섬유웹을형성할수있게됨. 제작된나노섬유는매우높은표면적을가 질뿐만아니라, 넓은기공분포를나타내어감지하고자하는가스가쉽게침투하여더 넓은면적에서표면반응을일으키게됨. 금속산화물나노섬유의가스에대한감도및선택성, 감지속도의향상을위하여 감지소재표면에다양한종류의촉매를결착함. 대표적으로 Pt, Pd, Ni, Ag, Ru 등과같 은촉매들이일반적으로사용되며, 톨루엔, 자일렌등과같은휘발성유기화합물가스 를선택적으로매우높은감도로감지할수있는특성을향상시킴. 일반적으로촉매가작고고르게금속산화물표면에분포할수록촉매물질끼리응 집되지않고촉매작용면적이극대화됨. 폴리올공정을이용하여 10 nm 이하의나노촉

3 매를제조할수있으며, 바이오희생층 (template) 를사용하여 1-2 nm 크기의균일한 촉매의제조가가능함. 이뿐만아니라값비싼귀금속촉매사용을줄이기위하여저렴하 면서유사한촉매특성을나타내는그래핀기반의소재의사용이가능함. 상기언급한다양한크기및종류의촉매와전기방사법으로제조한금속산화물 의복합화를통해특정가스에고감도를나타내는감지소재의제조가가능하고이들의 감지특성라이브러리의구축이가능함. 상기본연구그룹의독자적인나노섬유가스감지소재개발방식을통하여다종 센서어레이구축함으로써, sub-ppm & ppb 레벨측정이가능한실내유해가스 ( 포름 알데히드, 톨루엔, 자일렌, 스티렌, 에틸벤젠) 를정량적으로모니터링할수있는초고감 도붙박이형가스센서를개발하고자함. 그림 1. 본연구그룹에서제시하는독자적인기술개발계획: 전기방사기술을이용한나노섬유감지소재개발및촉매결착기술응용. 센서어레이제작하여붙박이형새집증후군가스모니터링센서제작.

4 2. 기술의수준 본연구그룹에서독자적으로개발한가스센서중톨루엔가스센서소재개발에 관한기술을하나의예로서보여줌으로써본그룹의역량을보여주고자함. 나노섬유센서를이용하여세계최고수준은 확보함 sub-ppm level 감지성능특성을 ü 톨루엔가스에고감도특성을가지는팔라튬촉매가기능화된다공성텅스텐산화 물 (WO 3 ) 나노섬유감지물질제조 금속산화물을이용한저항변화식가스센서에서감도는가스의흡착과탈착에의 해결정됨. 때문에감지물질의표면적이넓을수록가스에대한감도는증가함. 따라서 2차원의필름구조보다는 3차원의복홥화된나노섬유매트릭스구조가 감도측면에서유리함. 전기방사법을이용하면 nm의두께를가지는 1 차원의금속/ 고분자복합나노섬유매트릭스구조를손쉽게제조가능함. 고분자 / 금속염복합나노섬유를열처리하여고분자를제거시키고, 금속염의산화과정을 통해금속산화물나노섬유를손쉽게합성할수있으며, 이때열처리조건의 변화를통해나노섬유내부의기공도를조절할수있음 ( 그림 2). 그림 2. (a) 금속염/ 고분자복합나노섬유및열처리후의 WO 3 나노섬유의주사전자현미경 (SEM) 사진. 각각열처리온도 (b) 600 o C, (c) 650 o C, (d) 700 o C. 그림 2 는열처리온도를변화시켜나노섬유기공을조절한결과로, 본연구그룹 에서나노섬유를구성하는입자들의성장을열처리조건을통해내부까지치밀 한구조및내부와외부에기공을함유하고있는표면적이넓은섬유를제조할 수있음. 제작된다공성 WO 3 나노섬유는손쉽게팔라듐촉매를기능화시킬수있음 ( 그 림 3). 전기방사시전구체염의형태로팔라듐을첨가하여 WO 3 나노섬유내부 에팔라듐을기능화할수있음 ( 그림 3b). 또한후처리로본연구그룹에서폴 리올공정을통해제조한 < 5 nm 의팔라듐나노입자를 WO 3 나노섬유외부에 코팅할수있음 ( 그림 3c). 이두가지촉매코팅방법을복합하여나노섬유내

실내공기중의톨루엔농도는극히저농도이므로수십 ppb 레벨의톨루엔가스 에서감도를가지는센서가필요함. 따라서센서특성평가는 5 ppm, 4 ppm, 3 ppm, 2 ppm, 1 ppm, 0.2 ppm, 0.12 ppm 농도의톨루엔가스에대해서진행하 여선형근사법을통하여감지할수있는최저농도를확인하였음. 그림 4.

5 부와외부에촉매를고르게분포시켜촉매효과를극대화시키는나노섬유가제 작가능함 ( 그림 3d). 각기다른형태로팔라튬촉매를기능화한각각의 WO 3 나노섬유들을제작하여촉매코팅에따른톨루엔가스특성평가가본연구그룹 에서이루어짐. 그림 노섬유 3. 다공성 WO 3 나노섬유및촉매가기능화된 WO 3 나노섬유모식도 (a) 다공성 WO 3 나 (b) 팔라듐촉매가내부에균일하게분포된 WO 3 나노섬유 (c) 팔라듐촉매가외부에 균일하게분포된 WO 3 나노섬유 (d) 팔라듐촉매가내부와외부고르게분포한 WO 3 나노섬유. 제작된 WO 3 나노섬유의톨루엔가스와 H 2 S 가스에대한센서특성을평가함. 실내공기중의톨루엔농도는극히저농도이므로수십 ppb 레벨의톨루엔가스 에서감도를가지는센서가필요함. 따라서센서특성평가는 5 ppm, 4 ppm, 3 ppm, 2 ppm, 1 ppm, 0.2 ppm, 0.12 ppm 농도의톨루엔가스에대해서진행하 여선형근사법을통하여감지할수있는최저농도를확인하였음. 그림 4. 다공성 WO 3 나노섬유와팔라듐촉매가기능화된 WO 3 나노섬유들의가스센서테스트결과 (a) 톨루엔, (b) 톨루엔저농도및선형근사법추정결과, (c) H 2S 그림 4 의센서특성평가결과를보면, 촉매가포함되지않은다공성 WO 3 나노 섬유는 1 ppm 이하의톨루엔가스에서감도를거의나타내지않음을확인함. 팔 라듐촉매가첨가된경우톨루엔에대하여높은수준의감도를나타냄을확인하 였으며팔라듐촉매가 WO 3 나노섬유의내부와외부에모두기능화한경우가장 높은감도향상을나타냄. 선형근사법으로 20 ppb에서 1.32 의반응성 (R air/r gas) 을나타낼수있음을확인함.

6 기본적으로나노섬유형태의 WO 3 는 H 2 S 가스에대해높은반응성을나타내었 으나, 본연구그룹에서진행한팔라듐촉매를기능화시키면 H 2 S 가스에대한 감도가크게낮아짐을확인함. 즉, 톨루엔에관하여선택성을가지는고감도감 지소재임을확인함. 그림 5. 다공성 WO 3 나노섬유와팔라듐촉매가기능화한 WO 3 나노섬유센서의톨루엔과 H 2 S에 대한 (a) 반응시간및 (b) 회복시간측정그래프. 실내공기질을모니터링하기위해서감지물질의반응시간은수초-십여초사이 의값을갖는것이바람직함. 또한빠른반복적측정을위하여회복속도의증가 도중요함. 본연구그룹에서제조한팔라듐촉매를기능화한 WO 3 나노섬유감지 물질은촉매첨가전과비교하여반응속도및회복속도가획기적으로증가하였 으며 10.9 초대의빠른반응시간을가짐 ( 그림 5). 따라서실내공기질을빠르 게모니터링할수있는높은가능성을가진감지물질을개발하였다고할수있 음. 이밖에도본그룹에서는독자적인원천기술들을도입하여전기방사를통해얻 어진나노섬유를이용한가스센서에적용하는연구와촉매개발및촉매결착에관한 기술을독자적으로개발하여사업화대상기술과관련한다수의학술발표 (44 건) 및특 허를출원 (17 건)/ 등록 (29 건) 하고있음. 3. 기술의필요성 2010년에비하여우리나라인구는 2014년 2.1 % 증가한 50,424 천명이며, 그에 따른주택공급으로인하여주택수도꾸준히증가하는추세임. 주택수는 2012년 18,551 천호에비하여 2013년 18,969 천호로 2012년에서 2013년으로새로운주택보급률은 103 % 에달함 ( 그림 6).

그림 6. 연도별주택수와신주택보급률 ( 출처 : 통계청, 2014.04.

는새로운환경문제를유발함. 이러한실내공기오염에관한대표적인환경문제로새집증 후군이있음.

7 그림 6. 연도별주택수와신주택보급률 ( 출처 : 통계청, ) 이러한인구증가, 주택보급의증가, 그리고건축물의에너지효율극대화로인 하여구조의기밀화와최근재건축, 재개발사업증가로인하여다양한실내공기오염이라 는새로운환경문제를유발함. 이러한실내공기오염에관한대표적인환경문제로새집증 후군이있음. 새집증후군은주택의건축자재로부터발생하는휘발성포름알데히드, 톨루엔등 유해물질의의한건강장해를말함. 주된증상으로는두통, 목과눈의통증, 비염, 구토, 호흡기장애, 현기증, 피부염 ( 특히아토피성피부염), 천식등이있음 ( 그림 7). 그림 7. 새집증후군원인유해가스와 ( 왼쪽) 새집증후군이인체에미치는영향 ( 오른쪽)

이에정부는 2004년 5 월 다중이용시설등의실내공기질관리법 을제정, 공포하였 으며, 2005년 12 월에는신축공동주택의실내공기질권고기준을제시함. 하지만실제신축건축물시공또는개 보수 ( 리모델링) 직후에는포름알데히드, 톨루엔등의유해휘발성유기화합물가스농도가세계보건기구 (WHO) 기준치 ( 포름알 데히드 100 μg/m 증가하는실태임.

8 이에정부는 2004년 5 월 다중이용시설등의실내공기질관리법 을제정, 공포하였 으며, 2005년 12 월에는신축공동주택의실내공기질권고기준을제시함. 하지만실제신축건축물시공또는개 보수 ( 리모델링) 직후에는포름알데히드, 톨루엔등의유해휘발성유기화합물가스농도가세계보건기구 (WHO) 기준치 ( 포름알 데히드 100 μg/m 증가하는실태임. 3, 톨루엔 260 μg/m 3 ) 를초과하여새집증후군으로고통받는환자들이 국립환경과학원에서조사결과, 특히신축아파트의경우입주전보다입주후 2 개월까지유해가스농도가증가하는경향을보임. 1급발암물질인포름알데히드의경우 는입주전에비하여 2개월후 5 배, 톨루엔의경우는 1.4 배, 에틸벤젠 3.3 배, 자일렌 2 배, 스티렌 2.4 배로유해가스농도가매우크게증가함 ( 그림 8). 그림 8. 입주전, 입주 2 개월후유해가스농도변화 ( 출처: 국립환경과학원, 2009) 입주후 7 개월경과후톨루엔, 에틸벤젠등휘발성유기화합물은최고농도의약 50 % 가감소하였으며, 28개월이후부터는약 80 % 이상감소하여안정화됨. 반면포 름알데히드는입주 19개월후에야최고농도의 50 % 이하로감소, 31개월이후에야 WHO 기준치인 100 μg/m 3 이하로감소하는등잔류기간이김 ( 그림 9).

그림 9. 신축아파트의입주후 3 년간유해가스변화추이 ( 출처: 국립환경과학원, 2009) 이처럼신축아파트실내공기오염이장기간지속되나, 거주자들의자각없이유해 가스에노출되어건강을해칠위험이높음. 특히주택내거주시간이길고기존에비염, 천식, 알레르기, 아토피피부염등의보유질병이있는거주자는증상정도가더욱심하게 나타날수있음.

9 그림 9. 신축아파트의입주후 3 년간유해가스변화추이 ( 출처: 국립환경과학원, 2009) 이처럼신축아파트실내공기오염이장기간지속되나, 거주자들의자각없이유해 가스에노출되어건강을해칠위험이높음. 특히주택내거주시간이길고기존에비염, 천식, 알레르기, 아토피피부염등의보유질병이있는거주자는증상정도가더욱심하게 나타날수있음. 하지만현재공정시험법에의한공식측정법은환경부에등록된측정대행업체에 의하여만측정하여야하며, 1회 1 개소측정당비용도비쌈. 측정대행업체는측정장소 를방문하여실내공기를포집한후실험실에서정밀한화학적분석을통해서만측정값 을얻을수있으며결과는며칠뒤통보해주어신속한분석이어려움. 이밖의, 현장측정기에의한예비시험용현장측정기도있으나, 공식적인정확도는 ± 25% 로정의하고공식적인측정을위한보조예비용임. 현장에서측정값을바로알 수있고편리하며, 공식측정기기에비하여가격은저렴하다고하여도수백만원에이르는 고가품으로일상적으로측정하기에는어렵다는단점이있음. 따라서일상생활속에서휘발성유기화합물의농도를간단하게측정할수있는 기기를필요로하며, 실시간으로환기등의조치를즉각취할수있는알람장치가필요 함. 유해가스농도의실시간확인을통해새집증후군증상을예방하고, 쾌적한실내공간 을조성할수있는방안이필요함.

4. 기술의차별성 간단한실내유해가스검출방법을선정하기위해기존에상용화된다양한실 내가스현장분석기기를검토함 ( 표 1). 표 1. 여러종류의실내유해가스현장측정기기. 기존에알려진대표적인새집증후군가스분석기기로는미국 RAE system MiniRAE 3000, 미국 Interscan 사의 4000 series, 일본의야나기사와센서등이있음.

10 4. 기술의차별성 간단한실내유해가스검출방법을선정하기위해기존에상용화된다양한실 내가스현장분석기기를검토함 ( 표 1). 표 1. 여러종류의실내유해가스현장측정기기. 기존에알려진대표적인새집증후군가스분석기기로는미국 RAE system MiniRAE 3000, 미국 Interscan 사의 4000 series, 일본의야나기사와센서등이있음. 이러한기기들은정밀도가매우높지만수백만원에이르는고가품임. 사의 국내 KINSCO 사의 Airwell plus III 와미국 Interscan 사의 4000 series 제품은 전기화학식방법을이용한것으로정밀도는매우높다는장점을지니고있음. 하지만크 기와무게가비교적꽤큰편으로별도의공간을따로필요로하며, Interscan 사의 4000 series 의경우는포름알데히드한종류만측정가능하여다른종류의휘발성유 기화합물은동시에검출불가능함. 제품의가격도수백만원에달하는단점이있어일반 적으로구매하기어려움. 국내 E&INSTRUMENT 사의미국 HFX205 와 RAE system 제품은비교적크기 가작고무게가가볍다는장점이있음. 하지만 HFX205 제품은포름알데히드한종류의 가스만측정가능하며, MiniRAE 3000 은타제품에비하여최고높은가격으로, 일반적 으로소유하며실내공기질을측정하기에는적합하지않음. 일본 Cony 사의야나기사와센서는타측정장비에비하여크기도매우작고, 효

11 소를이용한포름알데히드와의반응에의한색깔변화로부터포름알데히드의농도를직 접판단할수있음. 하지만측정오차는 % 로알려져있으나, 측정하는사람의 색조판별력에따라판단의오차가발생할수있으므로측정오차는이보다더클수있 음. 색깔변화보다정확한농도분석을위하여서는디지털판독기를필요로하는데이판 독기또한수백만원의고가품이며센서또한 1 회성임. 측정방식은실내대기질을측정 하는방법이아닌, 측정하고자하는대상가구로부터나오는포름알데히드농도만측정 가능하며최소 30 분의측정시간을요하므로, 일반적인실내공기측적용으로수시로 측정하기에는많은어려움이있음. 이에반하여본연구그룹이제시하는금속산화물반도체식가스센서의경우분석 비용이다른기체분석기기에비하여매우저렴하며, 가스에노출됨과동시에분석이 이루어져실시간감지가가능하다는장점이있음. 금속산화물을이용한반도체식가스 센서는감지소재에가스가흡착될시변화하는전기저항을측정하여감도를나타내는 것이기때문에원리가매우간단함. 따라서전문가가작동하거나분석하지않아도누구 나손쉽게분석결과를모니터링할수있으며, 분석기기의크기도매우작게구현할 수있어별도의공간을차지하지않는붙박이형식으로건물내에실장시켜가스농도를 측정할수있음. 특히다양한촉매를첨가하여가스센서의감도및선택성을증가시키 기용이하며, 나노섬유센서가높은비표면적특성을가진다는장점을살려정확성이낮 다는단점을극복할수있음. 이러한센서를어레이화하여여러종류의유해휘발성유 기화합물 ( 포름알데히드, 톨루엔, 자이렌, 스티렌, 에틸벤젠) 농도를동시에측정할수 있음. 따라서저렴한가격으로붙박이형실내유해가스모니터링센서를보편화시키기 에적합함.

12 2. 특허성분석 1. 국내외특허동향 1990 년부터유해가스검출센서에대한국내외특허의수는증가해왔으며, 총수는 2,596건으로 ElectroChemical (EC) 센서가 1,190 건, 반도체식 (Semiconductor) 센서가 1,406 건임. 그 그림 14. 유해가스검출센서특허동향및주요출원인. ( 출처 : 한국화학연구원 화학정보센터 ) 유해가스검출센서는미국, 일본독일국적의출원인중심으로연구개발이이루

13 어지고있음. EC센서의경우한국국적의출원인이 6번째로특허를보유한것으로보고 됨. Bosch 사는 EC센서기술의최다출원인으로현재까지활발한기술개발을통해다 수의특허를보유함. 반도체식센서의경우한국국적의출원인이상위 3 위를차지함. 반도체식센서의경우일본기업들이주요출원인으로일본을중심으로기술개발이이 루어지고있는것으로판단됨. 2. 선행특허분석 특허번호 일본공개특허 WO 일본공개특허 한국공개특허 한국공개특허 특허명출원인 가스센서용금속산화물반도체재료의제조방법 HOKURIKU ELECTRIC IND CO LTD 반도체식박막가스센서및그제조방법 TOYOTA CENTRAL R&D LABS INC 표면에이종금속나노입자를포함하는금속산화물나노와이어및이의제조방법 인하대학교 산학협력단 3차원구조의금속또는금속산화물 / 그래핀나노복합체및이의제조방법 연세대학교 산학협력단 기술요약 금속산화물전구체와귀금속콜로이드를이용한가스센서용금속산화물반도체재료의제조방법을제공함. 산화물전구체가분산한전구체용액합성공정과 ph 조정, 전구체 -콜로이드분산액조제공정, 세정공정, 동결건조공정을통해가스센서용금속산화물반도체물질을제조함. 반도체식가스센서에있어서실리콘기판중앙부에열절연된박막구조체와히터, 산화방지보호막, 박막히터전극의배치와중간삽입층을이용해가스검지의성능을충분히나타내는센서제조방법임. 이종금속나노입자가형성되어포함된것을특징으로하는산화주석나노와이어제조방법을제공함. 금속산화물나노와이어를성장시키는단계 ; 1종의금속나노입자를형성하는단계및상기단계에서사용하지않은금속나노입자를형성하는단계를포함하는표면에이종금속나노입자가포함된금속산화물나노와이어의제조방법을제공함. 3차원구조의금속또는금속산화물 / 그래핀나노복합체및이의제조방법에관한것으로, 균일한크기의나노입자인금속또는금속산화물을그래핀표면에균일하게결합시킴으로써, 그래핀의재적층및응집을효과적으로제어하고, 추가적인후처리없이한반응용기에서최종산물인 3차원구조의금속또는금속산화물 / 그래핀나노복합체를합성할수있는제조방법임. 관련도 분석 조사결과 Y A Y Y * 관련도 : X - 관련높음, Y - 관련있음, A - 관련은없으나참고할자료 * X, Y - 주요참증에해당, A - 참고참증에해당본연구그룹의제안기술은 1차원구조를가지는금속산화물나노섬유에다양한촉매를결착시켜특정가스에대한감도및선택성을높이고, 이를어레이화하여최종적으로새집증후군과관련된휘발성유기화합물을검출하는붙박이형가스센서를제조하는기술임. 이와관련해본연구그룹이소유하고있지않은선행특허문헌조사결과, 감지소재에대한관련특허로는일본공개특허 WO , 한국공개특허 , 한국공개특허 가선행특허문헌으로조사되었으며, 가스센서제작과관련한선행특허문헌으로는일본공개특허 가조사됨. 본연구그룹에서수행되는나노섬유기반가스센서응용기술은기술의진보성과신규성이높다고판단되며, 44 건의특허등록/ 출원을통해기술의원천성을기확보하였다고판단됨.

3. 사업성및시장성분석 1. 사업화제품화 본연구그룹이제안하는사업화제품은새집증후군을유발시키는실내유해가스 농도를측정할수있는저비용, 초고감도의붙박이형센서를개발하는것임. 본연구그 룹에서보유및선점하고있는센서용나노섬유기반소재개발기술을바탕으로포름알 데히드, 톨루엔등의총휘발성유기화합물 (TVOCs) 가스를정량적으로검출할수있 는실내모니터링센서개발을목적으로함.

14 3. 사업성및시장성분석 1. 사업화제품화 본연구그룹이제안하는사업화제품은새집증후군을유발시키는실내유해가스 농도를측정할수있는저비용, 초고감도의붙박이형센서를개발하는것임. 본연구그 룹에서보유및선점하고있는센서용나노섬유기반소재개발기술을바탕으로포름알 데히드, 톨루엔등의총휘발성유기화합물 (TVOCs) 가스를정량적으로검출할수있 는실내모니터링센서개발을목적으로함. 금속산화물반도체식가스센서의경우분석비용이다른기체분석기기에비하여 저렴하며, 가스주입과동시에분석이이루어져실시간감지가가능하다는장점이있음. 또한분석기기의크기를매우작게구현할수있어별도의공간을필요치않는붙박이 형으로개발하여대중적으로보급이가능한실내공기질모니터링센서를개발하는것임. 2. 사업화방법및성공요인 ( 가) 전기방사기술을이용한본연구그룹의독자적인감지소재개발기술 본연구그룹에서제안하는새집증후군총휘발성유기화합물센서의가장큰경쟁 요소는감지소재개발기술임. 본연구그룹은지난 10여년간의나노섬유센서개발을통 하여여러가스에대한고감도, 고선택성금속산화물센서를구현하여다양한학술지에 보고한바있음 ( 그림 10). 특히새집증후군의직접적인원인중하나인톨루엔가스에 대한선택성과고감도감지특성을지닌나노섬유소재들을개발해왔음.

그림 10. 본 연구그룹에서 개발된 다양한 VOCs 가스 분석 센서에 대한 학술지 발표내용. 나노구조를 형성함으로써 표면적을 넓히고, 다공성 구조를 제작함으로써 감지하고 자 하는 가스가 쉽게 침투하여 더 넓은 면적에서 표면 반응을 일으키게 됨. 따라서 우수 한 감도와 빠른 반응속도 특성을 나타낼 수 있음.

15 그림 10. 본 연구그룹에서 개발된 다양한 VOCs 가스 분석 센서에 대한 학술지 발표내용. 나노구조를 형성함으로써 표면적을 넓히고, 다공성 구조를 제작함으로써 감지하고 자 하는 가스가 쉽게 침투하여 더 넓은 면적에서 표면 반응을 일으키게 됨. 따라서 우수 한 감도와 빠른 반응속도 특성을 나타낼 수 있음. 본 연구그룹이 보유하고 있는 소재 개발 기술 및 노하우를 이용한 새집증후군 센 서 개발 연구는 타 연구그룹에 비해 휘발성 유기화합물가스들에 대해서 더 낮은 농도에 서 보다 높은 감도를 나타냄. 또한 감지 나노구조의 다양한 형상 제어 및 금속 촉매의 결착 기술을 이용하여 뛰어난 감도와 선택성 결과를 다수 학술지에 보고함. 특히 센서의 가장 중요한 요소라 할 수 있는 반응속도 및 회복속도 또한 실제 적용 가능한 (< 15 sec) 수준의 결과를 보유함. 본 그룹은 나노섬유를 손쉽게 대량으로 제작할 수 있는 전기방사 기술에 있어 다

16 양한경험과노하우를보유하고있음. 본연구는하기 4가지방법을기반으로한나노 섬유미세구조형상제어기술을바탕으로휘발성유기화합물가스의 sub-ppm & ppb 레벨측정이가능한새집증후군가스감지센서를구현하는것을목표로함 ( 표 2). 1. 미세나노입자로구성된다성분계의다결정금속산화물나노섬유제조및기공구조제어 ( 기공도, 나노섬유직경, 표면적제어) Nano Particles < 100 nm Surface depletion zone Nanowire Depletion Zone Conductive Zone Conductive Zone 다결정나노섬유 2. 템플레이트기법을이용한중공튜브의제조및촉매/N P/N P N 접합계면제어 (1 차원나노섬유를템플레이트로이용한중공튜브제조및중공튜브의겉면과안쪽면의이종삼종 / 접합물성제어, 촉매반응기구 제어 ) 3. 촉매및그래핀- 금속산화물복합나노섬유제조및황화합물과아세톤가스반응성/ 속도특성 Map 구축 4. 계층 (Hierarchical,1D-1D) 구조를갖는나노섬유 ( 코어- 가지) 구조제어 표 2. 본연구그룹에서제시하는 4 가지핵심경쟁전략.

17 ( 나) 가격경쟁력 일반적으로금속산화물가스센서에사용되는감지소재물질들과이들소재에첨 가되는촉매들은가격이고가인물질들이많으나, 센서기판의초소형화를통하여감지소 재사용량을최소화함으로써저렴한가격으로센서제작이가능함. 이와더불어저가의 촉매재료를사용함과동시에동일한촉매효과를발휘할수있는촉매재료를개발함으로 써원가를절감할수있음. 또한, 본연구그룹에서나노구조의감지소재를위해사용하 는전기방사기술은비교적저렴한방법으로나노섬유소재를대량으로제조할수있어, 다른나노소재합성기법과타가스측정장비에비해가격적경쟁력을가질수있음. ( 나) 초소형화된붙박이형새집증후군가스모니터링센서 금속산화물을이용한가스센서감지소재를새집증후군가스센서에적용할때, 가장큰이점은초소형화가가능하여집안이나실내에간편하게별도의공간차지없이 붙박이형으로부착이가능하다는것임. 또한, 금속산화물가스센서는표면에서기체흡 착/ 탈착시발생하는소재의전기저항변화를이용하는것으로시각적으로쉽게데이터 를표현하여별도의교육없이쉽게결과인지가가능함. 더불어가스의흡착/ 탈착반응 의반복이가능하므로장수명안정성을가짐(> 6 개월). 따라서고감도새집증후군가스센서를저렴한가격으로붙박이형으로제공하여 간단하고신속한측정방식으로개인의능동적인실내공기질모니터링등을통하여새집 증후군사전예방과삶의질향상을도모함. 3. 1) 국내외시장전망 국내외시장규모및동향 대기모니터링센서시장은 2012년 120억 3,500 만달러의규모를나타내었으며, 연평균성장률 6.1 % 의성장세를나타내며 2015년까지약 140억달러의시장을형성 할것으로예상됨. ( 출처: BCC research, 2011) 그중, 실내공기질센싱및모니터링기술개발은환경산업발전의새로운원동 력으로자리매김하고있으며이와관련된기술및제품( 측정장비, 측정서비스, 등) 시 장은 2013년 77 억달러의규모를나타내었으며, 2014년은 81 억달러로추정되며, 향후 5년간연평균성장률 7 % 의성장세를나타내며, 2019년 114억달러달러의시장으로 성장할것으로예상됨. ( 출처: BCC research, 2014) 삶의질에대한관심이높아지면서, 실내환경모니터링의기술의중요성이증대되 어, 실내공기질센서기술은필수요소로서, 관련원천기술개발을통해큰부가가치창

18 출이가능할것으로판단되는분야임. 2) 시장의구조, 경쟁강도및진입장벽 시장구조및경쟁강도 센서시장은현재미국의 RAE 사, Interscan 사등의업체들이세계시장을장악 하고있으며, 국내에서도점유율이높은독과점식사업운영임. 하지만시장측면 에서보편화된센서제품은시장진입초기단계이며, 사물인터넷(IoT) 의보급에 따라센서의활용성이더욱중요해지고있음. 높은성장성이전망되는제품임. 실내환경에대한관심이증대됨에따라국내대학들과기업들에서도센서연구 개발이활발히일어나고있음. 시장진입장벽 최근실내환경유해물질의오염도에대한국민의정보요구수준이증가함에따 라센서의일반화, 보편화의필요성이점점커짐. 하지만현재환경센서는장치 위주의기술로서주로해외수입에의존하고있음. 가공하여제품화하는것에그침. 원천기술이없으며단순히 국내원천기술의개발이필요함. 하지만센서의일반화를위해서는, 측정방법의 신속성과편리성, 정확성을요구함. 또한센서자체의저가, 소형화, 에너지저소 비의까다로운요구조건을만족시켜야함. 따라서벽걸이형새집증후군가스모니터링센서는위의조건을만족시키며, 상 업화를통해기존센서시장에새로운강자로대두될수있을것으로예상됨. 4. 1) 는업체 사업화성공가이드 사업화후보기업요건 센서기술에대한전문성을갖추기업내지는나노섬유제조기술을기확보하고있 초고감도센서개발을통해사물인터넷의핵심산업으로자리매김할수있는환경 센서분야를적극적으로리드 2) 사업화투자비용 (leading) 할수있는역량을갖춘기업 나노섬유제조설비구축, 가스센서계측시스템구축, 신뢰성평가시스템구축에 대한투자비용발생 3) 법적검토사항 해당사항없음 4) 희망파트너쉽

19 1 기술이전 ( ) 2 라이센싱 ( ) 3 공동연구 ( ) 4 기술출자 ( ) 5 기타 ( )

XXXXXX XXXXXX

KEI 2004 RE-13 연구보고서 실내공기질 관리제도 발전방안에 관한 연구 공성용 이희선 XXXXXX XXXXXX 제1장 서 론 1 2 실내공기질 관리제도 발전방안에 관한 연구 제2장 실내공기질과 건강 3 4 실내공기질 관리제도 발전방안에 관한 연구 제2장 실내공기질과 건강 5 6 실내공기질 관리제도 발전방안에 관한 연구 제2장 실내공기질과