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김일두 교수, 7초 안에 수소가스 탐지 가능한 센서 개발
〈 김일두 교수, 구원태 학생, 페너 교수 〉
우리 대학 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 美 캘리포니아 대학 어바인 캠퍼스 화학과 페너(Reginald M. Penner) 교수와의 공동 연구를 통해 대기 중 1% 수준 농도의 수소가스를 상온에서 7초 이내에 검출할 수 있는 초고속 센서를 개발했다.
이 기술은 금속유기구조체(metal-organic framework)가 코팅된 팔라듐(Pd) 나노와이어 어레이(array) 기반의 초고속 수소가스 감지소재로 향후 수소 자동차 등 다양한 분야에서 활용 가능할 것으로 기대된다.
구원태 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 재료분야의 권위 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 9월호 표지 논문에 선정됐다.
수소가스는 친환경 차세대 에너지원으로 주목받지만 작은 스파크(spark)에도 폭발을 일으킬 수 있는 위험한 가연성 물질이다. 수소가스의 폭발 하한계는 대기 중 4%로 무색, 무취의 수소가스를 빠르게 검출할 수 있는 센서의 중요성이 커지고 있다.
미국 에너지부는 2009년 국가 과제 공고에서 대기 중 1% 수소가스를 60초 이내에 감지할 수 있고 60초 이내에 회복하는 수준이 안전한 수소가스의 검출 기준이라고 제시했다.
1960년대 팔라듐과 수소가스 간 반응시 저항변화가 생기는 현상이 발견된 이후, 팔라듐 기반의 초고감도, 초고속 수소가스 센서 개발을 위한 노력이 계속됐다. 그러나 공기 중 산소를 포함한 방해 가스의 영향으로 상용화 수준의 성능을 갖추지 못했다.
김 교수 및 페너 교수 연구팀은 상온에서 수백 ppm(part per million, 백만분의 1) 수준의 극미량 수소가스를 정밀하고 신속하게 감지할 수 있는 초고감도 감지 소재를 개발했다.
연구팀은 기존 팔라듐 센서의 한계를 극복하기 위해 수소의 선택적 투과가 가능한 금속유기구조체를 팔라듐 나노와이어 어레이 위에 결합했다.
이 금속유기구조체는 각각 0.34 나노미터와 1.16 나노미터의 아주 작은 구멍들로 구성된 표면적이 매우 높은 다공성 물질이다.
수소는 상온에서 0.289 나노미터의 운동지름(kinetic diameter, 다른 분자와 충돌을 일으킬 수 있는 동역학적 지름)을 갖기 때문에 0.34 나노미터의 구멍보다 작아 금속유기구조체 내부를 쉽게 통과할 수 있다. 하지만 0.34 나노미터보다 큰 가스들은 금속유기구조체 내부를 투과하기 어렵다.
이 원리를 통해 수소가스만을 선택적으로 투과하는 데 성공했고, 더불어 팔라듐 나노와이어와 수소가스의 반응을 촉진시켜 초고속으로 수소가스를 감지할 수 있음을 확인했다.
김 교수는 “개발된 초고속 수소가스 센서는 친환경 에너지원인 수소가스의 누출로 인한 사고 예방에 큰 도움을 줄 것이다”며 “금속유기구조체 기반 분자 필터링 기술을 활용해 대기 중 수많은 유해 가스를 초고성능으로 정확히 감지할 수 있는 고속 센서 소재 개발이 가능해 졌다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 2017. ACS Nano, 커버 이미지
그림2. Pd 나노와이어 어레이 이미지 및 금속유기구조체가 코팅된 Pd 나노와이어의 주사전자현미경 이미지, 그리고 개발된 소재의 수소 가스 감지 특성
그림3. 수소가스 탐지 센서 모식도(ACS Nano에 게재된 논문의 대표 이미지)
2017.09.26 조회수 11343 -
KAIST, 미국 캘리포니아주립대학교(어바인 소재)와 협력 협정 체결
KAIST는 4월 6일(토) 미국 캘리포니아주립대학교 어바인 캠퍼스(University of California, Irvine)와 학생 및 교원 교류를 위한 협정 양해각서를 체결했다.
양해각서를 통해 향후 양 대학은 교직원 및 학생 교류와 공동연구를 추진하게 됐다. 어바인 캠퍼스는 로스엔젤레스 캠퍼스(UCLA)에 이어 KAIST와 교류 협정을 맺는 두 번째 캘리포니아주립대학교다.
캘리포니아주립대학교 어바인 캠퍼스는 1965년에 설립되었으며 술대학, 생물과학대학, 공과대학, 인문대학 등 모두 13개 단과대학으로 구성되어있는 명문 공립대학이다.
이날 약정식에는 강성모 총장 외 마이클 드레이크(Michael V. Drake) 캘리포니아주립대학교 어바인 캠퍼스 총장 및 재미교포 정치인인 강석희 전 어바인(Irvine)시장이 참석했다. 끝.
강성모 총장(좌)과 마이클 드레이크(우) 캘리포니아주립대학교 어바인 캠퍼스 총장이 약정서를 들어보이며 서로 악수하고 있다.
2013.04.11 조회수 7954 -
KAIST, 미국 캘리포니아주립대학교(어바인 소재)와 협력 협정 체결
강성모 총장(좌)과 마이클 드레이크(우) 캘리포니아주립대학교 어바인 캠퍼스 총장이 협정서를 들어보이며 서로 악수하고 있다.
KAIST는 4월 6일(토) 미국 캘리포니아주립대학교 어바인 캠퍼스(University of California, Irvine)와 학생 및 교원 교류를 위한 협력 양해각서를 체결했다.
양해각서를 통해 양 대학은 향후 교직원 및 학생 교류와 공동연구를 추진하게 됐다. 어바인 캠퍼스는 로스엔젤레스 캠퍼스(UCLA)에 이어 KAIST와 교류 협정을 맺은 두 번째 캘리포니아주립대학교가 됐다.
캘리포니아주립대학교 어바인 캠퍼스는 1965년에 설립되었으며 예술대학, 생물과학대학, 공과대학, 인문대학 등 모두 13개 단과대학으로 구성되어있는 명문 공립대학이다.
이날 협정식에는 강성모 총장 외 마이클 드레이크(Michael V. Drake) 캘리포니아주립대학교 어바인 캠퍼스 총장 및 재미교포 정치인 강석희 전 어바인(Irvine)시장이 참석했다.
2013.04.11 조회수 9601