[연구팀사진, KAIST 조민승 박사과정, 윤준보 교수, 부산대 서민호 교수(KAIST 박사졸업), 왼쪽부터]
윤준보 교수와 부산대학교 의생명융합공학부 서민호 조교수(KAIST 박사 졸업) 연구팀이 넓은 범위의 수소가스 농도를 무선으로 검출하는 고 민감도 센서 기술을 개발하였다. (2022년 ACS Nano 게재, 제1 저자: 조민승 박사과정) 연구팀은 팔라듐 금속을 3차원 나노구조로 설계함으로써 나타날 수 있는 `팔라듐 상전이(phase-transition)* 억제 효과’를 통해 0~4% 농도의 수소가스를 높은 선형성으로 감지하는 무선 가스 센서 기술을 개발하였다.
*상전이(phase transition): 화학, 열역학 및 기타 관련 분야에서 일반적으로 물질의 기본 상태(결정성, 고체, 액체, 기체) 사이의 변화를 뜻한다.
우리학부 조민승 박사과정이 제 1저자로 참여한 이번 연구는 저명 국제 학술지 ‘ACS Nano’ 2022년 5월 온라인판에 출판됐으며, 추가 표지 논문(Supplementary Cover)으로 선정되었다.
(논문명 : Wireless and Linear Hydrogen Detection up to 4% with High Sensitivity through Phase-Transition-Inhibited Pd Nanowires) (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c01783).
수소가스는 에너지 효율성이 높고 연소 시 물을 생성하는 친환경적인 이점으로 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. 하지만, 무색, 무취의 수소가스는 4% 이상의 농도에서 낮은 발화에너지로 폭발하는 위험성이 크기 때문에 주의 깊은 사용과 관리가 필요하다.
다양한 방식의 수소가스 감지 기술 중, 팔라듐(palladium, Pd) 금속 소재 기반의 기술은 수소와 반응하여 저항이 바뀌는 간단한 원리로 동작할 뿐만 아니라, 상온에서도 수소가스를 선택적으로 감지할 수 있고, 반응 시 부산물이 없어 습도 안정성도 매우 우수하다는 장점이 있다. 하지만, 팔라듐은 상온에서 2% 이상의 수소가스에 노출되면, 상 변이(Phase transition)가 일어나면서 1) 센서로서의 농도 범위가 제한*되고, 2) 반응 속도가 지연되며, 3) 내구성이 저해되는 등 다양한 문제를 발생시켜, 최소 4%까지의 농도를 감지해야 하는 수소가스의 기초 요구 조건을 만족시키지 못하고 있다.
연구진은, 스트레스에 의해 화학 퍼텐셜 (Chemical potential)이 감소하고 이로 인해 상전이가 되는 자유에너지를 낮출 수 있음을 처음으로 제안하고, 이를 기반으로 팔라듐 나노구조를 설계·제작하였다. 제작된 센서 소자는 0.1~4%의 수소가스를 98.9%의 선형성(linearity)으로 감지하는 성능을 성공적으로 보였다. 연구팀은 개발한 소자에 BLE(Bluetooth low energy) 기술과 3D 프린팅 기술, 안드로이드 앱 개발을 통해 무선으로 수소가스를 감지하는 센서 시스템 기술도 시연했는데, 이 기술은 센서와 20 미터(m) 떨어진 상황에서도 스마트폰이나 PC로 수소가스 누출을 안정적으로 감지할 수 있다. 이번 결과는 2% 이상 고농도에서 측정이 어려웠던 기존 팔라듐 기반 수소가스 센서의 문제점을 해결할 수 있는 새로운 기술을 개발했다는 점에서 중요한 의미가 있다. 특히, 이번 센서 기술은 향후 수소가스를 이용한 청정에너지 시대에 안전관리를 위해서 활발히 활용될 수 있을 것이라고 기대된다.
관련 내용은 28일 전자신문, 뉴스1, 에너지 경제 등 다수의 언론을 통해서도 보도되었다.
[보도 link]
[연구성과도 : 개발한 팔라듐(palladium, Pd) 나노구조 기반 수소 센서 모식도와 무선 수소 감지 시스템 데모]
