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조민승 박사과정 '상전이 억제된 팔라듐 나노와이어를 이용한 고민감도, 고신뢰성 무선 수소 가스센서' 개발 및 추가 표지 논문 선정

작성자
최고관리자
작성일
22-07-01 17:51
조회수
87

우리 연구실 조민승 박사과정과 부산대학교 의생명융합공학부 서민호 조교수(KAIST 박사 졸업) 연구팀이 넓은 범위의 수소가스 농도를 무선으로 검출하는 고 민감도 센서 기술을 개발하였습니다. (2022년 ACS Nano 게재, 제1 저자: 조민승 박사과정) 연구팀은 팔라듐 금속을 3차원 나노구조로 설계함으로써 나타날 수 있는 `팔라듐 상전이(phase-transition)* 억제 효과'를 통해 0~4% 농도의 수소가스를 높은 선형성으로 감지하는 무선 가스 센서 기술을 개발하였습니다. 

 *상전이(phase transition): 화학, 열역학 및 기타 관련 분야에서 일반적으로 물질의 기본 상태(결정성, 고체, 액체, 기체) 사이의 변화를 뜻한다. 

 

​​우리 연구실 조민승 박사과정이 제 1저자로 참여한 이번 연구는 저명 국제 학술지 ‘ACS Nano’ 2022년 5월 온라인판에 출판됐으며, 추가 표지 논문(Supplementary Cover)으로 선정되었습니다.

(논문명 : Wireless and Linear Hydrogen Detection up to 4% with High Sensitivity through Phase-Transition-Inhibited Pd Nanowires).

 

 

수소가스는 에너지 효율성이 높고 연소 시 물을 생성하는 친환경적인 이점으로 차세대 에너지원으로 주목받고 있습니다. 하지만, 무색, 무취의 수소가스는 4% 이상의 농도에서 낮은 발화에너지로 폭발하는 위험성이 크기 때문에 주의 깊은 사용과 관리가 필요합니다.

 

다양한 방식의 수소가스 감지 기술 중, 팔라듐(palladium, Pd) 금속 소재 기반의 기술은 수소와 반응하여 저항이 바뀌는 간단한 원리로 동작할 뿐만 아니라, 상온에서도 수소가스를 선택적으로 감지할 수 있고, 반응 시 부산물이 없어 습도 안정성도 매우 우수하다는 장점이 있습니다. 하지만, 팔라듐은 상온에서 2% 이상의 수소가스에 노출되면, 상 변이(Phase transition)가 일어나면서 1) 센서로서의 농도 범위가 제한*되고, 2) 반응 속도가 지연되며, 3) 내구성이 저해되는 등 다양한 문제를 발생시켜, 최소 4%까지의 농도를 감지해야 하는 수소가스의 기초 요구 조건을 만족시키지 못하고 있습니다.

 

연구진은, 스트레스에 의해 화학 퍼텐셜 (Chemical potential)이 감소하고 이로 인해 상전이가 되는 자유에너지를 낮출 수 있음을 처음으로 제안하고, 이를 기반으로 팔라듐 나노구조를 설계·제작하였습니다. 제작된 센서 소자는 0.1~4%의 수소가스를 98.9%의 선형성(linearity)으로 감지하는 성능을 성공적으로 보였습니다. 연구팀은 개발한 소자에 BLE(Bluetooth low energy) 기술과 3D 프린팅 기술, 안드로이드 앱 개발을 통해 무선으로 수소가스를 감지하는 센서 시스템 기술도 시연했는데, 이 기술은 센서와 20 미터(m) 떨어진 상황에서도 스마트폰이나 PC로 수소가스 누출을 안정적으로 감지할 수 있습니다. 이번 결과는 2% 이상 고농도에서 측정이 어려웠던 기존 팔라듐 기반 수소가스 센서의 문제점을 해결할 수 있는 새로운 기술을 개발했다는 점에서 중요한 의미가 있습니다. 특히, 이번 센서 기술은 향후 수소가스를 이용한 청정에너지 시대에 안전관리를 위해서 활발히 활용될 수 있을 것이라고 기대됩니다.

 

관련 내용은 28일 헤럴드경제, 뉴스1, 전자신문 등 다수의 언론을 통해서도 보도되었습니다.


<기사> 


 언론사

 Link

 헤럴드경제

 http://news.heraldcorp.com/view.php?ud=20220628000559​​

 뉴스1

 https://www.news1.kr/articles/?4725281

 전자신문

 https://www.etnews.com/20220628000128

 베리타스알파

 http://www.veritas-a.com/news/articleView.html?idxno=420083

 워크투데이

 http://www.worktoday.co.kr/news/articleView.html?idxno=26299

충청뉴스

 http://www.ccnnews.co.kr/news/articleView.html?idxno=261354

기타 (8곳) 

대전시티저널, 테크월드, 워크투데이, 충청투데이, EBN, 헬로디디, 에너지경제, 한국강사신문

 

 

 

​Our research team(KAIST’s School of Electrical Engineering Professor Jun-Bo Yoon) and Busan National University’s Professor Min-Ho Seo (KAIST Ph.D graduate) has developed a method for wireless and linear Hydrogen detection with high sensitivity, and the paper was accepted to ACS Nano 2022 (Min-Seung Jo as the first author). The research team successfully built a sensor that exhibits high sensing linearity and stable sensitivity over Hydrogen gas concentrations of 0~4% using 3-dimensional Pd nanowire structures that exhibit Pd phase-transition-inhibitions. 

*Phase-transition: physical processes of transition between a state of a medium (such as solid, liquid, and gas phase) used in chemistry and thermodynamics

 

The research, led by a Ph.D candidate student Min-Seung Jo as the first author, has been published in a well-known international journal ACS Nano on May 2022. (Paper: Wireless and Linear Hydrogen Detection up to 4% with High Sensitivity through Phase-Transition-Inhibited Pd Nanowires) (https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c01783).

 

Hydrogen gas has gaining attention as the next generation environmentally friendly energy carrier due to its high combustion energy and the generation of water as the sole byproduct. However, the use of Hydrogen gas requires strict supervision as the gas is flammable and explosive at concentrations above 4% in air.

 

Among various Hydrogen gas sensing materials, palladium (Pd) is known to be very appealing not only for its simple mechanism of change in electrical resistance by reacting with the Hydrogen gas, but also very stable as there are no byproducts during the reaction. However, when Pd is exposed to over over 2% H2 concentration, phase transition occurs which results in limitations of concentration range for detection, delay in reaction time, and impairment of durability, and does not meet the basic requirements of being able to detect H2 concentrations of up to 4%.

 

To solve this issue, the research team designed and manufactured a new Pd nanostructure in which the chemical potential can be reduced that leads to a lower free energy of phase transition. The new sensor was successfully able to detect H2 concentrations of 0.1~4% with 98.9% linearity. The team also demonstrated a sensor system that wirelessly detects H2 through by incorporating the sensor with BLE (Bluetooth low energy), 3D printing, and an Android application, and it was able to reliably detect H2 leakage with a smartphone or a PC even when located 20 meters away from the sensor. This research is significant in that it was a successful attempt at building a reliable Pd-based H2 sensor that can detect H2 concentrations of over 2%, which was previously difficult to produce. In particular, it is expected that this sensor will be used for safety management in the future where Hydrogen-based clean energy is prevalent. ​