바이오인

유럽의 전자코(electronic nose) 기술 동향

1. 개 요

1.1 전자코 기술의 기원과 정의

1982 년 영국의 워릭(Warwick) 대학의 Persaud 와 Dodd[1]가 처음으로 센서 어레이를이용하여 인간의 후각을 모방할 수 있다는 개념을 소개했으며,그 이후 전자코(electronic nose)라는 개념은 1988 년 Gardner 와 Bartlett 에 의해 “냄새를 감지하는 완전한 선택성을가지지 않는 센서어레이와 단일 혹은 복합적인 냄새를 분별할 수 있는 패턴인식 시스템을 가지고있는 어떤 장치”로 정의되었다[2].

또한, 전자코와 기존의 가스분석 기기(Gas chromatography(GC), Mass spectrometer(MS), infrared spectrometers(IRS), ion mobility spectrometers(IMS) 등)와의 가장 큰차이점은 전자코는 하나 또는 다수의 휘발성 화합물로 구성된 어떤 냄새를 하나의 지문과 같은특정 형태로 인식 구분하는 기술이고, 위에서 언급한 GC, MS, IRS, IMS 등은 냄새를 구성하는각각의 특정 가스 분자를 그 고유의 어떤 물리량을 측정하여 인지 분석하는 기술이라고 할 수 있다. 그로 인해 전자코에 사용되는 센서들은 다양한 가스들을 감지하기 위해 상대적으로 낮은 선택도와높은 감도가 요구된다.  

즉, 전자코 기술은 기본적으로 인간의 냄새 인식 과정을 기계 장치 및 인공지능을 통해서 모방재현하는 기술인 것이다. <그림 1>은 인간의 코의 구조와 냄새 인식 과정 그리고 상용전자코(Alpha-MOS, FOX series)의 형태를 보여준다.

인간의 코를 통한 냄새 인식 과정은 다음과 같이 정리할 수 있다. 냄새를 내는 화학 물질이호흡을 통해 코 안 점막에 접촉하면서 용해되면 후각 수용세포가 그 화학 물질을 인식한다. 그후후각 상피 세포가 활성화되어 전기적 신호를 발생하면 후각 신경을 통하여 후각신경구에 도달한다. 그리고 후각신경구는 그 안에 있는 사구체와 승모세포를 통해 전기신호를 번연계의 시상이나측두엽의 후각 중추로 보내 그곳에서 해석하고 기억하는 것이다. 인간 코 점막 안에는 1,000 여종류의 약 5,000 만개의 후각 수용세포가 존재한다고 한다. 각각의 종류의 후각 수용세포는 3-4 개의 분자를 개별적으로 분별할 수 있으며, 이를 통해 1,000 여 종류의 후각 수용세포를 통하여3,000 ~ 10,000 종류의 냄새를 구분 감지한다.

한편, 전자코를 통한 냄새 인식 과정도 인간의 코를 통한 냄새 인식 과정과 유사하다. <그림2>는 그 개념적인 동작 과정을 보여준다. 전자코는 먼저 냄새를 샘플링하는 별도의 기구(센서)를가진다. 일반적으로 전자코는 냄새의 디지털 패턴을 구하기 위하여 2 개 이상의 센서(센서어레이)를 사용하는데, 그곳에서 냄새는 정량적으로 샘플링 되고,그 후 샘플링된 냄새샘플은 센서를 통해 전기적 신호로 변환되고 디지털화되면서 패턴화된다. 그 신호 패턴들은머신러닝(machine learning) 방식을 통해 분별되고 DB 에 기록되는 것이다. 이렇게 정의된전자코를 최근에는 Classical Electronic Nose 라고 명명하기도 한다[3].

1.2 전자코 기술 동향

전자코의 정의는 최근 조금씩 달라지고 있는데, 그 이유는 초기 전자코의 개발 동기는 인간의 후각을 최대한 모방하는 것으로써 그 개념은 Gas analyzer 와는 매우 다르게 출발하였기 때문이다.

최근 들어, 특정 바이오마커(Biomarker)를 감지해야 하는 질병 진단용으로서의 전자코의 활용과대기와 수질의 오염뿐 아니라 각종 전쟁이나 테러에서의 유독 가스 사용 가능성이 증대됨에 따라특정 가스 분자를 초기에 신속히 감지하여 경고할 수 있는 휴대용 Gas analyzer 로서의 전자코활용에 대한 요구가 증가하게 되었다. 따라서 전자코의 초기 목적과는 다르게 현재는 가스분석시스템 개념으로 사용되는 추세에 있다. 이와 더불어, 과거 연구실에서만 활용할 수 있었던 각종 가스분석 기술(Gas chromatography, Mass spectrometer, Ion mobile spectrometer)이 MEMS(Micro Electromechanical System)를 비롯한 각종 기술의 진보로 소형화됨에 따라기존의 전자코(Classical Electronic Nose)에 이러한 gas analyzer 들이 부가적으로 장착되거나독자적으로 시스템화됨으로 인하여 최근 들어서는 기존 전자코와 Gas analyzer 의 장점을 모두가지는 Transformed Electronic Nose 가 전자코의 주요 제품, 즉, Alpha-MOS 의 HERACLES, Airsense analytics 의 GDA-FR, Electronic Sensor Technology 의 z-Nose, FIS 의 Sensor Gas Chromatograph 으로 등장하고 관련 연구 또한 활발히 진행되고 있다.

...................(계속)

☞ 자세한 내용은 내용바로가기 또는 첨부파일을 이용하시기 바랍니다.