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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
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ACS Nano 편집장 등 국제학술지 에디터 9명 KAIST에 온다
미국화학회 나노학술지 (ACS Nano) 편집장 등 국제 학술지 에디터 9명이 KAIST에 온다.
우리대학은 다음달 2일(화) 본교 KI빌딩 퓨전홀에서 신소재 분야 전문가 500여 명이 참석한 가운데 ‘KAIST 국제 신소재 공학 워크숍’을 연다.
‘유망 신소재 분야의 빅 아이디어들’을 주제로 열리는 이번 워크숍에는 재료공학·화학·응용물리·화학공학 분야의 국제 학술지 에디터와 국가과학자인 KAIST 유룡 교수가 강연자로 참여해 발표와 토론을 진행한다.
[주요연사]
해외 전문가로는 국제 학술지의 편집장 3명과 부편집장(급) 5명이 참여한다.
미국화학회가 발행하는 나노학술지(ACS Nano)에서는 편집장 폴 웨이즈(Paul S. Weiss) UCLA 교수, 부편집장 알리 자베이(Ali Javey) UC Berkeley 교수, 부편집장 레지날드 페너(Reginald M. Penner) UC Irvine 교수 등 3명의 에디터가 참여한다.
나노분야 대표적 학술지인 나노 레터스(Nano Letters)에서는 부편집장 줄리아 그리어(Julia R. Greer) 칼텍(Caltech) 교수와 부편집장 유난 시아(Younan Xia) 조지아 공대 교수 등 2명이 참여한다.
이밖에 재료화학 학회지(Chemistry of Materials) 편집장 질리안 뷰리악((Jillian M. Buriak) 알버타대학교 교수, 신생저널인 미국 화학회 광학회지(ACS Photonics)의 편집장 해리 애트워터(Harry A. Atwater) 칼텍(Caltech) 교수, 동 킨(Dong Qin) 조지아 공대 교수도 함께 한다.
국내 전문가로는 미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)의 부편집장이자 기초과학연구원 ‘나노입자연구단’단장을 맡고 있는 서울대학교 현택환 교수와 대한민국 국가과학자이며 기초과학연구원‘나노물질 및 화학반응 연구단’단장을 맡고 있는 KAIST 유룡 교수가 참여한다.
워크숍은 △ 차세대 광전자 디바이스 및 3차원 나노구조 소재 △ 의학 및 산업용 나노 소재 △ 센서 및 촉매 소재 분야 등 3개 세션으로 나눠 진행된다.
주요 주제는 △ 태양광 에너지 소재 △ 미래 전자기기 및 센서를 위한 소재 △ 실리콘 표면의 나노패턴 형성 △ 3차원 나노구조의 메타 소재 디자인 △의료기술 및 에너지 저장을 위한 나노 소재 △ 금속 콜로이드 나노결정 △ 3차원 다공성 탄소 소재 △ 나노와이어를 이용한 고감도 수소가스 감지 소재 △ 나노결정 합금 소재 연구 등이다.
KAIST는 이번 워크숍을 계기로 국내외 저명한 석학들과 정보교류를 강화하고 공동 연구를 실시해 세계 최고의 소재기술을 개발하는 기회로 활용할 계획이다.
이번 워크숍을 총괄하는 김일두 신소재공학과 교수는 “이번 워크숍은 재료공학 분야 저명한 석학들이 한자리에 모이는 국제학술 교류의 장”이라며 “전 세계 나노 신소재 분야의 미래 기술을 알 수 있는 소중한 기회가 될 것”이라고 말했다.
한편, KAIST 신소재공학과는 ‘2016 QS 세계대학평가 학과별 순위’에서 전 세계 대학 중 18위(국내 1위)를 차지한 바 있다. 끝.
2016.07.28
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