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팔라듐 나노와이어를 이용한 고민감도 고신뢰성 무선 수소 가스센서 개발
우리 대학 전기및전자공학부 윤준보 교수와 부산대학교 의생명융합공학부 서민호 조교수(KAIST 박사 졸업) 연구팀이 넓은 범위의 수소가스 농도를 무선으로 검출하는 고 민감도 센서 기술을 개발했다고 28일 밝혔다. (제1 저자: KAIST 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 개발했다.
*상전이(phase transition): 화학, 열역학 및 기타 관련 분야에서 일반적으로 물질의 기본 상태(결정성, 고체, 액체, 기체) 사이의 변화를 뜻한다.
우리 대학 전기및전자공학부 조민승 박사과정이 제1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ACS 나노(ACS nano) 온라인판에 지난달 27일 게재됐으며, 그 우수성을 인정받아 추가 표지 논문으로 선정됐다. (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 수소가 팔라듐 내부 격자 사이에 해리되어 팔라듐 하이드라이드(PdHx)를 형성하면서 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 노출되게 되면, 상 변이가 일어나면서 1) 센서로서의 농도 범위가 제한*되고, 2) 반응 속도가 지연*되며, 3) 내구성이 저해*되는 등 다양한 문제를 발생시켜, 최소 4%까지의 농도를 감지해야 하는 수소가스의 기초 요구 조건을 만족시키지 못하는 실정이다.
*1) 농도 범위 제한: 상 변이와 함께 팔라듐 내부에 수소가 포화되어 저항 변화가 더 이상 일어나지 않고 이로 인해 수소가스 감지 범위 특성이 저해되는 현상
*2) 반응 속도 지연: 상 변이에 의한 시간 소요로 느린 저항 변화를 보임
*3) 내구성 저해: PdHx는 상 변이하면서 10%가 넘는 부피 팽창이 발생하는데, 이때, 기계적인 스트레스로 인해 Pd의 파단이 일어남
이에, 연구팀은 나노미터 두께로 얇고 납작한 3차원 나노구조를 팔라듐에 도입함으로써 4%까지의 수소가스를 정확하게 측정할 수 있는 무선 팔라듐 수소가스 감지 기술을 세계 최초로 개발했다.
팔라듐이 얇고 납작한 3차원 나노구조로 기판에 형성되게 되면, 팔라듐이 수소가스에 노출돼도 쉽게 부피 팽창을 일으킬 수 없게 되고 내부에 높은 응력이 발생하게 된다. 이러한 응력은 팔라듐의 상전이 활성화 에너지를 높이게 되는데, 연구진은 이 현상을 이용해 4% 이상의 높은 수소가스 농도에도 상전이 없이 안정적으로 수소가스를 감지하는 팔라듐 나노구조를 개발할 수 있었다.
실제 연구진은, 15 나노미터 (nm) 두께와 160 나노미터 (nm) 폭으로 팔라듐 나노구조를 설계·제작했고, 이를 기반으로 제작된 센서 소자는 0.1~4%의 수소가스를 98.9%의 선형성(linearity)으로 감지하는 성능을 성공적으로 보였다. 특히, 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 있게 한다.
연구팀 관계자는 "이번 결과는 2% 이상 고농도에서 측정이 어려웠던 기존 팔라듐 기반 수소가스 센서의 문제점을 해결할 수 있는 새로운 기술을 개발했다는 점에서 중요한 의미가 있다ˮ고 말했다. 특히, "이번 센서 기술이 향후 수소가스를 이용한 청정에너지 시대에 안전관리를 위해서 활발히 활용될 수 있을 것ˮ이라고 기대했다.
한편 이번 연구는 2022년도 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 나노및소재기술개발사업, 선도연구센터지원사업과 기본연구지원사업의 지원을 받아 수행됐다.
2022.06.28 조회수 9344 -
Tech Week 2019 개최
우리 대학이 연구자·창업자를 위해 그간 산발적으로 개최해오던 행사를 한데 묶어 11월 첫째 주를 `KAIST Tech Week'로 정하고 5일부터 7일까지 사흘간 대전 본원 학술문화관(E9)에서 첫 행사를 갖는다.
◆ 5일(화) 13:30~17:30 : 2019 과학기술원 기술이전 설명회 (학술문화관(E9) 5층 정근모홀·스카이라운지)
첫날인 5일에는 KAIST를 포함한 GIST·DGIST·UNIST 등 4대 과학기술원이 공동으로 `2019 과학기술원 기술이전 설명회'를 열고 일본 화이트리스트 배제에 대응할 소재·부품·장비 관련 10개의 우수기술을 소개한다.
4대 과학기술원이 공동으로 기술이전을 위한 발표와 상담을 진행하는 것은 이번이 처음이다. 행사 당일에는 연구자들이 직접 나서 15분간 기술을 소개하고 상담 데스크도 운영한다. 발표 기술에 관심 있는 기업은 홈페이지를 통해 사전 상담 예약도 가능하다.( https://forms.gle/22SKRt9YT2C63NV6A )
KAIST가 선보이는 기술은 ① 고품질 흑연 기반 그래핀 소재 및 부품 기술(김상욱 교수·신소재공학과), ② 높은 산소이온 이동성을 가지는 전해질 비스무트 칼슘 철 산화물(양찬호 교수·물리학과), ③ 수소 가스 센서(정희태 교수·생명화학공학과), ④ iCVD 공정을 이용한 다기능성 초고분자 박막 기술(임성갑 교수·생명화학공학과), ⑤ 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치(손훈 교수·건설및환경공학과) 등 모두 5개다.
이 기술들은 디스플레이나 센서 등 전자부품의 소재로 각광을 받거나, 반도체 품질 향상을 꾀할 수 있는 우수기술로 꼽힌다.
GIST는 신소재공학부 윤명한 교수가 2건의 기술을 발표한다. ⑥ 금속산화물 박막 재료의 심자외선 저온 광결정화 공정과 ⑦ 전도성 고분자 섬유의 습식 방사 기술이다. 이들 기술도 디스플레이나 전자·에너지·센서 분야에서 중요한 기술로 평가된다. DGIST에서는 ⑧ 소형 하이-토크(High-Torque)의 모터 어셈블리(이승열-장성우 박사·지능형로봇연구부)를 소개한다. 이 기술은 소형이지만 회전력이 강한 모터가 필요한 산업체에 도움을 줄 전망이다.
이밖에 UNIST에서는 ⑨ 이산화탄소 제거 및 수소와 전기 동시 생산 시스템(김건태 교수·에너지 및 화학공학부)과 ⑩ 폴더블 디바이스 전력량 밸런싱 방법(정지훈 교수·전기전자컴퓨터공학부)을 마련했다. 두 기술은 기후변화나 전력 소비 등에 대응할 유망기술이라는 점에서 눈길을 끈다.
◆ 6일(수) 10:30: 오픈 벤처 랩(Open Venture Lab) 성과발표회 (학술문화관(E9) 5층 스카이라운지)
KAIST 오픈벤처랩(Open Venture Lab) 성과발표회는 6일 오전 10시 30분부터 학술문화관 5층 스카이라운지에서 열린다. KAIST 산학협력단 창업보육센터는 아이디어단계의 예비 창업팀 14개를 대상으로 창업기초 과정인 Pre-OVL 과정을 지난 4월부터 약 한 달간 운영해왔다.
이후, 전환평가를 통해 최종 선발된 8개의 예비 창업팀을 대상으로 본격적인 창업과정인 OVL 과정을 지난 7월부터 10월 말까지 진행하고 있다.
8개의 예비 창업팀은 비즈니스 모델 분석 및 개선을 위해 KAIST 산학협력 교수 멘토링과 KAIST 동문 스타트업 및 액셀러레이터의 전담 코칭을 받았다. 또한, 아이디어를 구현한 시제품 제작, 펀딩을 위한 시장분석 및 기업설명 영상제작, 투자유치 지원, 창업보육센터 입주 지원 등 KAIST가 보유한 다양한 창업지원 인프라를 활용해 짧은 기간 안에 아이디어 수준에서 기술 창업화 단계까지 완성시켰다.
이번 오픈벤처랩 성과발표회는 지난해 예비 창업팀 2개를 포함한 레드윗·락키·리드온·영윈스 등 10개 스타트업이 그동안의 성과를 발표하는 피칭세션과 창업지원금을 통해 제작한 시제품을 전시하는 부스 세션으로 나뉘어 진행될 예정이다.
◆ 7일(수) 10:30~18:30: 2019 KAIST Tech Day (학술문화관(E9) 5층 정근모홀 · 스카이라운지)
2019 KAIST Tech Day 행사는 스타트업 분야 전문가를 초청, 관련 핵심이슈와 최신 트렌드를 논의하는 `Institute for Startup KAIST 포럼(이하 ISK 포럼)'과 미래 핵심기술을 기반으로 창업한 KAIST 스타트업 8개 팀의 기술발표 행사인 `테크 데모' 피칭으로 구성된다.
1부 행사인 ISK 포럼에서는 2014년 SC제일은행 CISO(최고정보보호책임자)로 임명돼 정보보안 정책과 실행을 맡고 있는 1세대 정보보안 벤처기업 시큐어소프트 창업자 김홍선 부행장이 `스타트업이 기업으로 성장해가는 과정에서 발생하는 내외적 도전과제를 어떻게 극복하는 가'를 주제로 이야기를 풀어나간다. 이어 알리 이자디 나자파바(Ali Izadi-Najafabadi) 블룸버그 신에너지금융 지능형 차량연구실장이 모빌리티 이노베이션의 미래에 대해 설명하고 청중들과 의견을 교환한다.
2부 행사인 테크 데모에서는 8개의 KAIST 학생 창업팀이 사업 아이템과 관련 기술을 공개하고 부스 전시와 기업 네트워킹을 갖는 행사를 동시에 진행한다. 데모데이에 참가하는 8개 학생 창업팀은 블록체인·사물인터넷( IoT)·신재생에너지·온라인 플랫폼 등 미래 핵심기술을 기반으로 하는 신생 스타트업이다.
▲더카본스튜디오(전기자동차를 위한 차세대 에너지 저장 장치용 핵심소재), ▲셀렉트스타(인공지능을 위한 모바일 크라우드소싱 플랫폼), ▲클린에어스(다중이용시설에서 사용할 수 있는 공기정화장치), ▲브이플러스랩(AI를 활용한, 저비용 고효율 SW 자동 테스팅), ▲티이이웨어(TEE 보안기술 기반의 블록체인 및 클라우드), ▲클라썸(교사와 학생을 이어주는 실시간 소통 플랫폼), ▲디보션푸드(식물성 원재료 대체육 개발), ▲룩시드랩스(VR 환경에서 획득한 생체정보를 통해 사용자의 감정을 분석하는 머신러닝 모델)가 테크 데모 행사에서 창업 우수사례를 소개하는 주인공 자리를 차지했다.
KAIST Tech Week 행사를 총괄 기획한 박현욱 연구부총장은 "이제 대학의 역할은 우수한 교육과 경쟁력 있는 연구뿐 아니라 연구결과의 사업화까지 확장되고 있다ˮ며 "이런 문화를 확산하는 데 KAIST가 앞장설 것ˮ이라고 강조했다.
2019.10.31 조회수 19327