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선임연구원이 분석 시스템에 넣을 날숨을
채취하는 장면

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호기 가스 분석 시스템을 점검하고 있는 모습

후각 센서가 응용되는 분야는 크게 3가지로 나뉜다. 첫 번째는 의료진단 분야다. 인체를 통해 나오는 유기화합물은 인간의 질병을 진단하는 데 도움을 주는 지표가 된다. 체취, 객담(Sputum), 소변, 땀, 날숨(Breath) 등을 말한다. 서로 다른 특성을 갖는 전도성 고분자 화합물을 이용하여 기체분자의 종류와 농도에 따라 변화하는 전기전도도의 채널별 패턴을 분석하거나 직접 후각 수용체를 각 채널에 고정하여 기체분자 특이성을 부여하는 등 다양한 방법이 활용된다.

이러한 후각 센서는 확보된 반도체 및 미세전자기계시스템공학(MEMS)의 공정 방법을 이용하므로 소형화, 집적화가 가능하며, 생산 단가도 낮출 수 있는 장점이 있다. 또한, 딥러닝(Deep learning)과 같은 고도의 인공지능 분석 방법을 통해 다채널 센서의 신호분석과 결과예측 정확도를 더욱더 향상시킬 수 있을 것으로 전망된다.

두 번째는 환경 분야다. 화학 오염물질 등 유기, 무기 기체물질을 활용해 감지하는 비용은 비교적 저렴한 편이다. 이를 활용한 후각 센서는 소형화 및 경량화, 낮은 제조단가, 센서 네트워킹이 가능하고 휴대성이 가능하다는 장점이 있다. 이에 실시간 연속 측정 및 센서 네트워크 시스템이 필요한 대기, 해수, 하수 오염, 공항과 항만 등 화학적 오염, 화재, 산업시설의 독성 물질 누출, 배기가스, 광산, 실내 공기질 감시 등 다양한 환경 분야에 적용이 시도되고 있다.

마지막으로 세 번째는 사회안전 분야다. 특히 공공장소에서 불특정 다수에게 가해지는 화학제를 이용한 공격이나 드론을 이용한 폭발물 투척, 공항, 항만을 통한 점증하는 마약류의 유입과 같이 공공의 안녕과 질서를 위협하는 반사회적 시도가 증가하면서 폭발물이나 위험물에 대한 신속한 탐지와 방어가 매우 중요한 사회적·범국가적 과제가 되었다.

그러나 이에 대한 인공 후각 센서의 응용은 아직 미미한 편이다. 대부분 화학전작용제에 대한 특이성, 재현성, 안정성이 부족하여 개별 시료에 국한된 형태로 연구가 이뤄지고 있기 때문이다. 다만 근래 들어 테라헤르츠 분광법(THz spectroscopy)이 특정 주파수 대역(0.1~2.8THz)에서 폭발물에 대해 특이한 흡수도를 갖는 것이 알려지면서 이 분석법에 기초한 센서 시스템을 소형화, 다채널화하려는 연구가 진행되고 있다.

지능형 후각 센서는 독립적인 채널로 이루어진 다수의 가스 센서 어레이와 인공지능을 융합한 기술로 냄새를 감지하고 그 종류와 농도를 정량적으로 측정할 수 있는 일명 전자코(e-nose) 시스템이다. 쉽게 말해 인간의 후각 기능을 모방하여 냄새를 구별하기 위한 전자적 장치다.

1983년 영국 워릭(Warwick) 대학교 퍼사우드 교수에 의해 센서 어레이와 신호처리 기술을 이용하는 전자 후각의 개념이 소개되면서, 냄새 인식 기능의 실현을 위한 연구가 유럽, 미국 등의 선진국을 중심으로 활발히 진행되고 있다. 기존 분석시스템보다 저렴하면서도 빠르고 정확하게 냄새를 인식할 수 있는 장점이 있다. 주로 음식 관리, 주류 관리 분야에서 많은 활용이 이뤄지다가 최근에는 보안 및 질병 관리 분야를 위한 고성능 지능형 후각 센서의 수요가 증가하고 있다.

국내에서는 1990년대 초반부터 경북대와 LG전자 기술원에서 전자코에 대한 연구가 진행되어왔다. 최근에는 ETRI, KAIST, 서울대, 고려대 등 여러 기관이 후각 센서 및 후각 지능에 관한 연구를 진행 중이다.

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호기 가스 분석 시스템에 들어가는
칩과 분석 결과 그래프 모습