서형탁 교수팀, 'Sensors and Actuators B' 관련 논문 게재
18일 아주대학교는 서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과)가 다층 초박막 합금 촉매-전극을 이용한 고정밀·고신뢰성 수소 농도 센서를 개발했다고 밝혔다.
촉매-전극 신소재를 기반으로 ppm 단위부터 100%까지의 수소 농도를 탐지할 수 있는 고정밀 센서다.
관련 내용은 ‘수소 검지 범위 향상을 위한 다층 Pd-Ni 나노 촉매의 국소적 계면 합금화(Confined interfacial alloying of multilayered Pd-Ni nanocatalyst for widening hydrogen detection capacity)’라는 논문으로 센서 분야 국제 학술지 '센서 앤 액츄에티터 B (Sensors & Actuators B: Chemical)' 1월1일 온라인판에 게재됐다.
아주대 이영안 박사와 Le Thai Duy 박사가 제1저자로 참여했고, 충남대 김현유 교수와 구미전자정보기술원 박주철 박사 연구팀이 함께 참여했다.
수소는 차세대 친환경 에너지 연료원으로 자동차, 전기 생산 분야 등 산업 전반에서 활용 영역을 확장하고 있다.
특히 수소전기차의 보급이 늘면서 친환경 수송 분야에서 수소의 중요성이 증대되고 있다.
그러나 수소 연료 자체의 특성으로 인한 안전성 확보 문제가 한계로 지적되어 왔다.
수소는 무색·무취의 특성을 가지고 있는 데다 무게가 가벼워 누설의 위험성이 높아 사전 감지는 꼭 필요하다.
이를 위해 실시간으로 95-100% 구간의 고농도 수소를 높은 농도 분해능으로 정밀 모니터링하는 센서가 필요하다.
하지만 고농도 수소 센서는 고난이도의 기술이 필요해 전 세계적으로 극소수 고가 제품만이 나와 있다.
특히 단일 형태 센서 소자로 ppm부터 100% 까지의 광범위 농도 감지를 구현한 바는 현재까지 없었다.
아주대 연구팀은 수소 농도의 정밀 모니터링과 신뢰성 확보를 위해 기존 화학저항식 수소 센서에 널리 활용되는 팔라디움(Pd) 촉매 전극을 탈피해, Pd(팔라디움), Ni(니켈)의 초박막(각층의 두께: 수 nm)을 교차로 반복 적층한 새로운 전극을 개발해냈다.
연구팀이 개발한 방식은 Pd-Ni 초박막의 반복 적층 구조로 인해 고감도·고정밀로 수소 센싱이 가능하며, 전 농도 범위에서 최고 수준의 성능을 달성했다(선형성 95-99%. 응답 속도 1-3초 이내, 신호편차 1% 이하).
특히 수소연료전지 부품을 양산할 때 적용되는 반복 내구성 가속 테스트(4만회 반복 수소 감지)에서도 안정적인 동작을 구현했다.
연구팀은 이러한 특성이 2-3nm 두께 수준 Pd-Ni 나노 계면 합금의 구조적 안정성과 수소 탈착 에너지 감소를 통한 것임을 원자 수준 이론 계산과 초고분해능 투과전자현미경 분석을 통해 입증했다.
서형탁 교수팀은 이번에 개발한 센서 기술을 전 세계 첨단 기술이 한자리에 모이는 ‘CES(Consumer Electronics Show) 2021’에서 선보였다.
서형탁 교수는 “이번에 개발한 수소 센서를 수소 모니터링 시스템 기술로 확대해 상용화하기 위해 추가로 기술을 개발하고 있다”며 “수소 에너지 인프라와 반도체, 석유화학 등 수소를 활용하는 산업 분야에 폭넓게 적용될 수 있을 것”이라고 덧붙였다.
이번 연구는 산업통상자원부·한국에너기술평가원 주관 에너지기술개발사업과 과학기술정보통신부·한국연구재단 주관 해외우수신진인력지원사업, 기초연구지원사업, BK21 Four사업의 지원으로 수행돼 국내 특허 등록을 완료했으며, 해외 특허 출원이 진행 중이다.
jjang@fnnews.com 장충식 기자
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