현대를 살아가는 우리 사회는 눈부신 화학산업의 발전과 더불어 잠재적인 화학 물질에 의한 위협을 받고 있다. 그 예로, 기존의 산업 발전과 새로운 산업의 개발로 인해 산업 유해 물질의 종류가 다양해짐에 따라 이들은 작업자의 안전을 위협하고 환경을 파괴하는 등 산업 유해 물질에 의한 피해는 점차 증가하는 추세이다. 그뿐만 아니라, 화학무기는 1997 년 화학무기 금지 기구에 의해 합성 및 사용, 보관 등이 금지되었음에도 제 2 차 세계 대전 이후 현재까지 전쟁과 테러에 사용되고 있으며 수많은 목숨을 앗아갔다. 이러한 유해 화학 물질들에 의한 치명적 피해 최소화하기 위해 신속하고 정확한 가스 탐지 기술에 대한 연구의 중요성이 대두되고 있다.
본 논문에서는 유해 가스 탐지를 위하여 표면 탄성파(Surface acoustic wave, SAW) 기반의 접촉형 화학 센서와 중적외선 분광기 기반의 비접촉식 양자 폭포 레이저 (Quantum cascade laser, QCL)를 설계하고, 신경작용제와 산업 유해물질에 대한 검출 성능을 평가하였다. SAW 센서는 ST-Quartz 기판, 알루미늄 미세전극으로 구성되어 있으며, 250MHz 의 중심주파수를 가진다. 가스의 정량 및 정성분석을 위한 수용체로는 폴리헤드랄 올리고메릭 실세스퀴옥산 (Polyhedral oligomeric silsesquioxane, POSS)과 싸이오요소(Thiourea) 기반의 중합체 3 개가 사용되었다. 서로 다른 수용체를 가진 SAW 센서들의 신경작용제 검출 능을 실시간으로 평가하기 위해 4 개 채널로 구성된 SAW 배열 장치를 이용하였다. 그 결과, 모든 SAW 센서는 수용체의 신경작용제 흡착에 의한 주파수 변화를 나타내었으며, 그중 POSS 를 수용체로 가지는 SAW 센서는 치사 농도 이하의 사린을 검출하여 실제 전투에 사용될 수 있는 가능성을 보여주었다. 원거리 가스 탐지를 위해 양자 폭포 레이저 기반 가스 탐지기를 제작하였으며 이는 QCL, 중적외선 광 검출기 및 구동 시스템으로 구성되었다. 원거리 가스 탐지기의 성능을 평가하기 위해 유사작용제 3 종과 산업 유해물질 3 종, 신경작용제 3 종, 수포작용제 1 종이 사용되었다. 탐지기는 실험에 이용된 화학물질 중 메탄올 가스에 대해 가장 높은 민감도를 보였으며, 실작용제 검출 성능 평가에서는 수포작용제를 제외한 모든 작용제에 대해 300 mg/m³ 농도에서 가스 검출이 가능함을 보여주었다.
본 연구를 기반으로 가스탐지기의 조기 탐지와 민감도 향상을 위한 추가 연구가 지속될 것이며, 이러한 화학탐지기술에 대한 연구는 대형 화학 사고를 예방함으로써 독성 화학물질 방호에 이바지할 것이라 기대된다.