광운대 이기원 교수（화학공학과）는 미국 노스캐롤라이나 주립대 Qingshan Wei교수, Yong Zhu교수와의 공동연구를 통하여 식물이 살아가면서 변화하는 표면온도/습도 및 식물의 기공에서 발생하는 휘발성유기물등 식물이 생명을 유지하는데 활용되는 다양한 물리적/화학적 신호를 동시에 정밀하게 감지하고, 실시간으로 모니터링 할 수 있는 고성능 유연 다기능 센서 패치를 개발했다. 또한, 센서패치에 포함된 서로 다른 7개의 센서에서 발생하는 신호들 간의 혼선 (crosstalk)을 최소화하기 위하여 소자의 구조를 최적화하였다. 본 연구진이 개발한 다기능 식물센서는 차세대 스마트팜기술에 적용되어 미래의 농업 및 산림 산업에 크게 활용될 것으로 기대된다.

식물은 기체교환을 통해 건강에 필요한 물질 등을 흡수하고 방출한다. 특히 식물은 다양한 종류의 휘발성 유기물 (Volatile organic compounds, VOCs)들을 방출하면서 생명을 유지해 나가고 주변환경과 의사소통한다. 또한 식물은 광합성/호흡을 하면서 산소, 이산화탄소, 수분 등을 흡수/방출하고, 이에 따라 식물 자신의 온도를 조절한다. 뿐만 아니라 식물이 외부에서 생물학적/비생물학적 (biotic/abiotic) 스트레스를 받아서 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 유기물, 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. 

본 연구에서는 식물에서 발생하는 다양한 종류의 자극 (VOCs, 습도, 온도) 들을 높은 민감도 및 선택도를 가지고 측정할 수 있는 활성층(active layer) 및 전극을 유연기판에 도입하여 실시간으로 식물의 건강을 모니터링하고 건강상태의 변화를 추적할 수 있는 웨어러블 센서 패치를 개발하는데 성공하였다. 이 센서 패치는 4개의 VOC센서, 온도센서, 2개의 습도센서로 구성되어 있다. 이 패치는 수백 마이크론 두께의 얇은 고분자 탄성체 기판(Polydimethylsiloxanem, PDMS)을 사용하고 은나노와이어(Silver nanowire)를 기본 전극 및 인터컨넥트 전극으로 적용하였다. 여기에 금으로 코팅된 은나노와이어 표면에 활성 리간드(surface functional ligand)를 부착시키고, 탄소나노튜브를 도입하여 높은 민감도로 VOC를 측정할 수 있는 센싱물질을 개발하였다. 여기에 얇은 발수층(hydrophobic layer)을 추가하여 수분에 따른 센서의 성능 저하 가능성을 제거하였다. 온도센서는 금으로 코팅된 은나노와이어를 센싱물질로 적용하여서 온도가 아닌 습도와 VOC에는 반응하지 않도록 하여 온도에 따른 민감도만 유지하도록 하였다. 습도센싱물질은 나피온(Nafion)이라는 유기고분자막을 활용하여 수분에만 선택적으로 반응하도록 하였다. 이렇게 개발된 센서 패치는 다양한 종류의 외부 자극(온도, 습도, VOC)들이 동시에 가해져도 원하는 자극만 선택적으로 측정할 수 있어서 서로 다른 단위센서들 간의 혼선(crosstalk)을 최소화할 수 있어서 실제 사용에 큰 장점이 된다. 

연구진은 개발한 웨어러블 센서패치를 식물에 직접 부착하여서 건강한 식물의 생체신호 변화를 측정하였을 뿐 만 아니라, 가뭄, 홍수, 염분, 어둠 등 다양한 종류의 비생물학적 스트레스를 식물에 가해서 변화하는 식물의 생체신호를 모니터링하면서 식물의 건강상태를 확인하였다. 또한 식물에 병원균 및 바이러스를 이용해 감염을 시킨 후 변화하는 식물의 신호를 실시간으로 측정하고 건강상태가 변화하는 것을 센서 신호로 분석하였다. 그리고 서로 다른 센서에서 발생하는 전기신호들을 머신러닝(Machine learning)을 이용하여 분석하고, 식물의 건강상태의 변화를 정량적으로 측정하고 예측하였다. 따라서 이와 같은 실용적 응용을 바탕으로 본 연구에서 개발된 센서기술이 차세대 스마트팜 기술과 접목되어, 농업 및 산림업 등 다양한 분야로 크게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.  

이번 연구는 미국농무부(USDA) （2019-6730-29311, 3.0096） 및 미국립연구재단(NSF) （1728370, 2134664）의 지원을 받아 수행되었고， 연구 결과는 세계 최고의 과학 전문 저널인 AAAS 출판의 Science Advances （IF:14.98)에 게재되었다． 
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade2232 

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