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연세대-성균관대 공동 연구팀, 수소 유출 감지하는 ‘고성능 더듬이’ 개발
- 디스플레이 역할 동시에 수행하는 무전원, 비폭발성, 초고감응성 수소 센서 개발, 국제 저명 학술지 ‘Advanced Functional Materials’ 표지 논문 선정
특허뉴스 이성용기자 기사입력  2017/10/07 [12:58]


연세대학교 이태윤 교수와 성균관대학교 방창현 교수 공동 연구팀이 자연계에 존재하는 곤충이 더듬이 구조를 모사하여 전원 없이 동작하는 초고속 수소 센서 개발에 성공했다.
 
높은 수소 검출 성능과 안전성을 동시에 구현한 새로운 센서는 정밀 계측 장비부터 단순 누출 경보에까지 다양하게 적용할 수 있어, 향후 산업 및 가정 전반에 걸쳐서 파급효과가 클 것으로 예상된다.
 
수소는 석유, 화학, 철강 등 산업 전반에 걸쳐 필수적인 원료로 사용되고 있으며 일상생활에서도 그 사용량이 매년 증가하고 있다.

그러나 공기 중 농도 4% 이상만 되어도 쉽게 폭발하는 특성 때문에 수소 누출 검지 시스템의 사용이 필수적이다.

현재까지 상용화된 수소 센서의 경우 전기화학식 센서, 촉매 센서, 음향식 센서, 세라믹 센서 및 반도체 소자식 센서 등이 있는데, 이들 대부분은 디스플레이 및 스피커와 같은 부가적인 장치를 필요로 한다는 단점이 있다.

또한 수소 검지를 위해 전력 공급을 필요로 하는데, 이는 수소가 누출되었을 때 폭발의 위험성을 오히려 증가시킨다.
 
이러한 한계를 극복하기 위해서 전기적인 신호 대신 광학적인 신호를 사용하며, 수소 누출 여부를 육안으로 확인할 수 있는 방식의 센서가 개발되긴 했으나 이들은 대부분 수소와 반응 물질간의 화학 반응 기반이기 때문에 반응 시간이 수분에서 수십 분까지 소요되는 등 응답속도가 느리다. 또한 상온에서 비가역 특성을 나타내기 때문에 실제 상용화의 가능성이 매우 낮았다.
 
연구진은 전력을 필요로 하지 않으면서도 높은 민감도 및 고속의 반응속도를 가지는 수소 센서를 개발하기 위해 곤충의 더듬이 구조를 모사하여 나노섬유배열 구조를 지니고 있는 유연성 폴리머 위에 비대칭적으로 팔라듐을 코팅했다.

수소에 의하여 나노섬유의 형태가 변화하는 수소 감응형 나노엑츄에이터(Nanoactuator)로, 수소에 의한 나노엑츄에이터의 형태 변화에 기인한 소자의 광학적 특성 변화를 극대화하여 부수적인 디스플레이 및 전원 장치 없이 맨눈으로 수소 가스 자극을 확인할 수 있다.
 
이 밖에도 나노엑츄에이터를 활용하여 수소에 의하여 표면 젖음 특성을 조절할 수 있는 스마트 표면, 수소에 의하여 접착력을 조절할 수 있는 수소 감응형 잠금장치 등을 시현하는 등 새로운 형태의 수소 감지 장치들을 개발했다.
 
이번 연구 결과는 기존의 석유, 화학, 철강 등과 같은 산업뿐만 아니라 수소스테이션, 수소 자동차, 연료전지 분산발전시스템과 같은 일상생활 분야까지 광범위하게 적용할 수 있다.

특히 무전원, 비폭발성, 초고감응성 등 기존의 수소 센서와 뚜렷하게 구별되는 장점이 있어, 폭발적으로 성장하고 있는 수소 연료 전지 시장과 맞물려 높은 수요가 예상된다.

맨눈 검지가 가능한 무전력 방식의 수소 검출 센서임에도 불구하고 기존 수소센서들과 비교하여 저렴한 공정 및 원료로 생산된다는 점도 국내외적으로 경쟁력을 갖출 수 있는 요소이다.
 
한편, 이 연구는 미래창조과학부의 중견연구자 도약사업 및 선도연구센터사업의 지원으로 수행되었으며, 재료 분야 국제적 권위의 학술지인 ‘Advanced Functional Materials, Impact Factor = 12.124)’의 온라인판 표지 논문으로 선정되었다.

연세대학교 전기전자공학부 이태윤 교수(교신저자)와 성균관대학교 화학공학과 방창현 교수(교신저자)의 지도하에 한희탁 박사과정 학생(제1저자)이 주도하여 진행되었다.

논문명 : Bioinspired Geometry-Switchable Janus Nanofibers for Eye-Readable H₂Sensors

용어 설명
1. 연료전지(Fuel cell): 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치를 일컫는다. 대표적이 예로 수소연료전지가 있으며, 이 경우 연료는 수소, 산화제로는 산소를 사용한다. 수소연료전지의 경우 기존 화석 연료를 사용하는 장치에 비하여 높은 에너지 변환 효율을 나타내며 부산물로써 물(H2O)만 발생하는 청정 연료이기 때문에 미래 에너지원으로 각광 받고 있다.
 
2. 광학 방식 수소 센서(Optical type hydrogen gas sensor): 기존 전기화학(electrochemical) 반응에 의해 발생하는 전기/열 신호를 이용하는 방식과 달리 수소에 의하여 투과도, 반사도, 굴절률 등 광학적인 특성이 달라지는 물질을 이용하는 센서 방식. 수소를 감지하는 영역에서 점화원으로 작용할 수 있는 전기/열적 신호를 사용하지 않기 때문에 폭발의 위험성이 없어 본질적으로 안전한 수소 감지 방식이다.
 
3. 가스 변색(Gasochromic) 물질: 특정 기체와 화학적으로 반응하여 광학적인 특성이 달라지는 물질로 대표적으로 WO3, CuS, MoO3, Y 등이 있다. 이러한 가스 변색 물질들의 경우 반응 기체와 화학적인 결합을 이루기 때문에 가역 반응을 위해서는 대부분 부가적인 에너지 공급을 필요로 한다.
 
4. 나노엑츄에이터(Nanoactuator): 특정한 자극에 의한 반응으로 동작하는 나노 크기의 장치를 일컫는다. 일반적인 엑츄에이터와 달리 나노 크기의 형태로 인한 독특한 효과로 인하여 센서, 에너지, 바이오 등 다양한 분야에서 널리 연구되고 있다.
 

▲  전원 없이 동작하는 초고속 수소 센서 연구 요약     ©특허뉴스
  
그림설명 : 전원 없이 동작하는 초고속 수소 센서 연구 요약
곤충 더듬이의 경우 무수히 많은 섬유 형태의 감각기관으로 덮여 있기 때문에 주변 환경을 고민감으로 감지할 수 있다. 본 연구진은 이러한 형태를 모사하여 수소에 의해 형태가 변화하는 나노 섬유를 제작하였고 나노 섬유의 배열화를 진행하여 전원이나 디스플레이 등 부가적인 장치 없이 맨눈으로 수소의 검지가 가능한 센서를 구현하였다. 또한 나노 섬유의 수소 반응 특성을 활용하여 표면 젖음성 조절 연구 및 수소 감응형 잠금 장치를 시현하였다.

기사입력: 2017/10/07 [12:58]  최종편집: ⓒ e-patentnews.com
 
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