제5류 위험물 화재현장 감식을 위한 TiO2 나노튜브 기반 전기화학 소자 개발

Development of TiO2 Nanotube Arrays Electrode for Electrochemical Detecting Hazard Class 1 Explosives in Fire Scene

제5류 위험물은 자기반응성 물질로서 연소속도가 빨라 폭발성이 강한 물질이다. 이 때문에 화재에 따른 피해 정도는 다른 위험물에 비해 매우 높게 나타난다. 제5류 위험물의 화재는 초기에 대량의 주소소화를 이용하여 진압할 수 있다. 하지만 이는 이론적으로만 가능할 뿐 실제 화재현장에서는 빠른 연소속도 때문에 화재 진압이 거의 불가능하다. 이 때문에 제5류 위험물은 화재 진압보다 화재 방지가 더 우선시 되어야 한다. 제5류 위험물의 화재 방지를 위해서는 화재 발생 전 위험물의 누설 여부, 화재 종료 후 제5류 위험물의 발화 여부 확인 등이 중요하다. 이를 위해 일반적으로는 고감도의 성능을 가진 고성능기체크로마토그래피나 질량분석법과 같은 방식을 통해 제5류 위험물을 식별했었다. 하지만 이러한 방법들은 복잡한 절차 및 장기간에 걸쳐 제5류 위험물 여부를 판단한다. 현재까지 실용화된 감지 소자들은 우수한 성능을 가지고 있으나, 부담스러운 비용 및 누구나 휴대하기 힘들다는 단점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 경제적이면서 폭발성 물질 감지 성능이 우수한 센서 개발 연구가 전세계적으로 진행되고 있다. 제5류 위험물로는 대표적으로 TNT, PETN, NG, NC 등이 있으나, 본 연구에서는 국방 산업에 널리 이용되고 있는 제5류 위험물인 TNT(군용 표준폭약)를 전기화학적으로 감지하는 것을 목표로 하였다. 또한, 일차원 구조로 형성된 TiO2 나노튜브의 수직 배열된 구조로 인해 향상된 전자 전도성, 넓은 비표면적과 같은 독특한 기하학적 특성의 이점을 활용하여 TNT를 감지하는 전극으로 이용하였다. 순환 전압 전류법을 통하여 -0.50 V와 -0.90 V 사이에서 세 개의 뚜렷한 환원 전위를 관찰하였고, 각각의 환원 전위는 TNT 분자에 결합되어 있는 나이트로 그룹에 대응한다. 더 나아가, 본 연구에서는 양극산화 처리 조건(전해질 종류, 물의 함유량, 인가한 전압, 전류 및 시간 등)을 달리하여 다양한 TiO2 나노튜브 구조적 모양에 따른 TNT 검출 성능을 평가하는 연구를 진행하였다. TiO2 내경이 작아질수록, 또는 나노튜브의 길이가 길어질수록 비표면적이 넓어져 TNT 검출 성능이 향상되었고, 검출 한계가 6.49 ppm으로 측정되었다.