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Research

미세한 틈 '나노갭'으로 수소가스 누출 잡는 센서

  • 조회. 671
  • 등록일. 2022.01.04
  • 작성자. 대외협력팀

DGIST 김정민 박사팀, 팔라듐 나노갭을 이용한 수소센서 개발

수소에너지 활용에 필수인 가스 누출 사고 예방을 위한 저농도 수소 고분해 검지기술 재조명해

 

[(좌측부터)DGIST 나노융합연구부 김정민 선임연구원, 연세대 이우영 교수, 연세대 이현숙 연구교수]

 

 DGIST(총장 국양) 나노융합연구부 김정민 박사팀과 연세대 이우영 교수팀이 팔라듐 금속의 나노갭 기반 저농도 수소 고분해 검지기술의 특성 분석과 더불어 향후 관련 연구 방향을 제시했다. 특히 이번 연구를 통해 규명한 수소가스 감지 기술은 기존 팔라듐 금속 기반 수소 센서와 달리 수소에 노출되는 순간 바로 검지가 이루어질 뿐만 아니라 누출된 수소가스의 농도의 정량 분석도 가능해, 향후 관련된 다양한 기술개발에 활용이 가능할 것으로 보인다.

  최근 수소에너지에 대한 관심이 증가하며 고인화성폭발성 성질을 갖는 수소가스에 대한 불안감도 높아가고 있다. 이에 따라 유출되는 수소가스를 빠르게 감지할 수 있는 센서 개발도 더불어 많은 관심을 받고 있다.

 기본적으로 수소 가스를 감지하는 팔라듐 금속 기반의 센서는 산화팔라듐 입자가 수소와 만나 팔라듐 입자로 환원되며 일어나는 전도성 차이를 통해 수소 누출을 감지한다. 따라서 기존 센서는 전도성의 미세한 변화를 통해 수소의 누출을 감지하므로 정확한 수소 누출 농도 측정에는 한계가 있어왔다.

 이에 반해 김정민 박사팀이 연구를 진행한 팔라듐 금속의 나노갭 기반 저농도 수소 고분해 검지기술은 누출된 수소가스에 의한 팔라듐 금속의 팽창으로 나노갭을 매우고, 이로 인해 전기가 흐르며 누출을 탐지하는 원리로 작동한다. 특히, 누출되는 수소가스의 농도에 비례해 흐르는 전류가 더 많아지는 특성을 활용해 누출되는 수소가스의 정량적인 분석에 매우 용이한 장점을 갖는다.

 이번 연구는 김정민 박사팀이 지난 10여 년간 진행했던 팔라듐 금속의 나노갭 기반 센서에 대한 여러 연구들을 집대성, 관련 센서의 대량 생산을 위한 다양한 해결책을 제시하고 있다. 특히 제작 단가가 높던 기존 센서와 달리, 김정민 박사팀이 제안한 센서는 단가가 낮고 유연한 플레서블 기판(PDMS)에 팔라듐 금속을 입히는 방식으로 제작, 센서 제작 단가와 제작공정을 동시에 획기적으로 개선할 수 있는 돌파구를 보여주었다는데 그 의미가 크다.

 DGIST 나노융합연구부 김정민 박사는 이번 연구는 지난 10여 년간 진행해온 수소 감지 센서와 관련된 연구들을 모두 집대성해 효율적이고도 정확한 신개념 수소감지 센서의 대량생산을 위한 방법을 제시하고 있다기존의 센서보다 더 정확한 감지가 가능한 센서의 대량생산이 가능할 수 있도록 후속 연구를 계속해서 진행할 것이라 말했다.

 한편, 이번 연구 성과는 연세대 신소재공학과 이우영 교수팀과 공동연구를 진행됐다. 연구에는 DGIST 나노융합연구부 김정민 선임연구원과 연세대 신소재공학과 이현숙 연구교수가 제1저자로 참여했다. 아울러 연구 결과는 신소재 과학 분야의 세계적 학술지인 어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’에 지난 1122() 온라인 게재와 더불어 추가표지(Frontispiece) 논문으로 채택됐다.

 

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연구결과개요

Hydrogen Gas Sensors Using Palladium Nanogaps on an Elastomeric Substrate

Hyun-Sook Lee,1 Jeongmin Kim,1 Hongjae Moon, & Wooyoung Lee*

(Advanced Materials, on-line published on November 22nd, 2021)

 

팔라듐 (Pd) 나노갭 (nanogap)은 플랙서블 기판 (PDMS) 위에 Pd를 스퍼터링 (sputtering)을 통하여 증착시키고, 인장 후 두 물질간의 탄성계수의 차이로 생긴 Pd 크랙에 수소를 노출시켰다 회복시키면서 형성된다 (400 nm). Pd 나노갭의 수소센싱은 Pd가 수소에 노출되었을 때 PdPdHx의 변화에 따른 부피팽창에 의해 갭이 닫히게 되면서 전류가 흐르게 되는 원리를 이용한다. 나노갭 폭이 작을수록 감지할 수 있는 수소농도가 낮아지게 되는데, 이를 위한 갭폭 제어 방법이 다양하게 시도되어왔다. 나노갭 폭 제어를 위한 방법에은 (1) Pd-Ni 합금법, (2) 액체질소 동결법, (3) 초기노출 수소농도 제어법, (4) 인장률 및 인장 속도 제어법 등이 있으며, 갭 폭은 초기노출 수소농도 제어를 통해 최소 8 nm까지 줄일 수 있었고 질소가스 기반의 수소를 10 ppm 까지 감지할 수 있었다. 공기 중 수소는 인장률 제어를 통하여 50 ppm 까지 검지할 수 있었다. 본 리뷰에서는 다양한 갭 제조 및 제어를 위한 다양한 전략과 최저감지 농도, 선택성, 수분안정성 등 센서로서의 특성을 종합하여 분석하고 향후 연구 방향을 제시한다.

 

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

기존의 Pd 금속 기반 수소센싱의 경우 PdPdHx 변화에 의한 전도성 차이를 기반으로 수소의 존재 여부와 농도를 감지한다. 기존의 기술에서는 수소의 유무와 상관없이 전도가 이루어지며 단지 전도성(저항)만이 변화 하기 때문에 지속적인 전류 시그널 감지가 필요하며 기본 저항에 대한 변화를 기반으로 농도를 분석하기 때문에 분해능의 한계를 가진다.

본 논문에서 다루는 Pd 나노갭 센서의 경우 수소 노출에 의하여 통전이 되지 않던 나노갭이 닫혀 통전이 이루어지므로 수소 노출과 동시에 검지가 이루어지며 농도

Q. 어디에 쓸 수 있나?

연료전지를 활용하는 수소차를 비롯한 수소 가스를 활용하는 모든 기술에는 고인화성, 폭발성의 수소 누출을 감지하는 고감도 센서가 필요하다. 따라서 본 수소센서는 수소가스를 사용하는 모든 응용처에 활용될 수 있다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

현재 질소중 10 ppm / 공기중 50 ppm을 감지할 수 있는 Pd 나노갭 수소센서 개발이 완료되었기 때문에 수소 누출에 의한 사고 방지를 위한 고감도 센서로서 양산이 가능한 단계이다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

Pd 나노갭 수소센서를 최초로 개발한 연구자에 따르면 플렉서블 일렉트로닉스의 대두와 함께 유연성 기판을 이용한 나노갭 제조가 가능함을 인지하였으며 이를 Pd의 수소팽창 현상과 융합하여 고성능 센싱 메커니즘이 가능할 것으로 예측되었다고 한다. 본 리뷰는 이러한 2010년 최초의 연구로부터 현재까지의 발전과 방향을 종합하여 향후 전략을 도모하기 위하여 기획되었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

기존의 촉매형 또는 저항변화 기반의 센서는 벌크체 Pd를 기반으로 하기 때문에 고가의 센서 단가를 낮추는 것에 한계를 가진다. 그러나 본 기술의 경우 연속공정이 가능한 유연성 기판을 기반으로 하며 10 nm 내외의 Pd 박막이 사용되기 때문에 공정 개선이 이루어진다면 매우 저렴한 센서를 대량 확보할 수 있다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

본 기술에 관한 논문을 계기로 보다 많은 기관과 연구원의 연구가 활성화 되고 아울러 나노갭 사이즈 제어기술의 발달 및 합금법 등을 통한 개질을 통하여 최저 감지 농도와 분해능을 향상시키는 연구가 지속되길 바란다.

 

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그림설명

[그림 1] 팔라듐 나노갭 수소센서 메커니즘

 


왼쪽: Adv. Mater. 47/2021 추가표지 (Frontispiece) 이미지
오른쪽: 플렉서블 기판 기반 팔라듐 나노갭 수소센서 제조 및 구동 메커니즘
① PDMS 기판위에 약 10 nm의 Pd 박막을 스퍼터링을 통하여 증착함.
② Pd가 증착된 PDMS를 일축 인장하여 박막의 크랙을 유발함.
③ 일축 인장을 제거하면 크랙이 닫히면서 박막이 접촉되고 통전됨.   
④ 수소 노출/제거를 통해 박막을 팽창/수축시켜 크랙을 나노갭으로 전환함.
이후 수소에 노출되면 갭이 닫히면서 전류 시그널을 읽을 수 있음.
 

[그림 2] 나노갭 제어와 최저 수소감지 농도 (detection limit)

 


나노갭 형성법 개선/개발을 통한 나노갭 사이즈 감소 연구 결과와 그에 따른 최저 수소감지 농도 (detection limit)의 감소
 
 
 

 
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