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[대학저널 온종림 기자] 광운대학교 화학공학과 이기원(사진) 교수가 미국 노스캐롤라이나주립대 칭산 웨이·용 쥬교수와 공동연구를 통해 식물이 살아가면서 변화하는 표면온도·습도 및 식물의 기공식물이 생명을 유지하는데 활용되는 다양한 물리적·화학적 신호를 동시에 정밀하게 감지하고, 실시간으로 모니터링할 수 있는 고성능 유연 다기능 센서 패치를 개발했다.
식물은 기체교환을 통해 건강에 필요한 물질 등을 흡수하고 방출한다. 특히 다양한 종류의 휘발성 유기물 (VOCs)들을 방출하면서 생명을 유지해 나가고 주변환경과 의사소통한다. 또한 식물은 외부에서 생물학적·비생물학적 스트레스를 받아 건강하지 않는 상태가 되면 상황에 따라 각각 다른 종류의 휘발성 유기물을 방출하고, 잎의 표면 온도가 증가하거나 잎에서 발생하는 수분의 양이 불규칙하게 변화하게 된다.
따라서 이와 같이 휘발성 유기물과 식물 잎의 표면 온도·습도를 높은 민감도를 가지고 선택적으로 측정하게 된다면 식물의 건강상태를 정확하게 추적하고 예측할 수 있다.
하지만 기존에 개발된 식물센서는 상대적으로 낮은 민감도·선택도 및 공간해상도를 가지고 있으며, 기계적 성장 혹은 식물의 주변환경의 기후만을 측정하는데 그치고 있다.
이 교수는 식물에서 발생하는 다양한 종류의 자극 (VOCs, 습도, 온도) 들을 높은 민감도와 선택도를 가지고 측정할 수 있는 활성층과 전극을 유연기판에 도입해 실시간으로 식물의 건강을 모니터링하고 건강상태의 변화를 추적할 수 있는 웨어러블 센서 패치를 개발하는데 성공했다.
4개의 VOC센서, 온도센서, 2개의 습도센서로 구성된 이 센서 패치는 수백 마이크론 두께의 얇은 고분자 탄성체 기판(PDMS)을 사용하고 은나노와이어를 기본 전극과 인터컨넥트 전극으로 적용했다. 여기에 금으로 코팅된 은나노와이어 표면에 활성 리간드를 부착시키고, 탄소나노튜브를 도입하여 높은 민감도로 VOC를 측정할 수 있는 센싱물질을 개발했다.
연구진은 개발한 웨어러블 센서패치를 식물에 직접 부착해 건강한 식물의 생체신호 변화를 측정했을 뿐만 아니라, 가뭄과 홍수, 염분, 어둠 등 다양한 종류의 비생물학적 스트레스를 식물에 가해서 변화하는 식물의 생체신호를 모니터링하면서 식물의 건강상태를 확인했다. 또한 식물에 병원균과 바이러스를 이용해 감염을 시킨 후 변화하는 식물의 신호를 실시간으로 측정하고 건강상태가 변화하는 것을 센서 신호로 분석했다.
이번 연구 개발된 센서기술는 차세대 스마트팜 기술과 접목되어, 농업 및 산림업 등 다양한 분야로 크게 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
이번 연구 결과는 세계 최고의 과학 전문 저널인 AAAS 출판의 사이언스 어드밴스에 게재됐다．
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