스마트 폰에 탑재 가능한 고감도 수소 감지 센서 개발

- 팔라듐 구조물의 나노갭 팽창-수축 이용…Advanced Materials지 발표

 

 

(그림1) 금속 전사공정 후, 플라스틱 소재 위에 팔라듐 나노리본 어레이가 프린팅 된 수소 감지 센서의 실제 이미지

 

 

□ 국내 연구진이 미래 친환경 에너지원으로서 고-위험성 가스로 분류돼 있는 수소를 나노갭*의 팽창-수축을 이용해 감지할 수 있는 고감도 저가형 센서를 개발했다. 이 센서는 스마트폰 등 모바일 기기나 미래형 자동차에 탑재되거나, 웨어러블 센서로서 실험복이나 우주 탐사복 등에 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 

 

* 나노갭(nanogap) : 1/1,000,000,000(10억분의 1)미터를 나노미터(nm) 라고 하며, 일반적으로 연속적인 박막위에 존재하는 수~수십 나노미터 크기의 빈 공간 또는 구멍을 나노갭으로 정의함

 

□ 광주과학기술원 정건영 교수(47세)와 박유신 박사과정생(32세, 제1저자)이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부의 첨단융합기술개발사업(미래유망융합기술 파이오니어사업)과 한국연구재단 일반연구자지원사업의 지원으로 수행되었고, 재료과학 분야의 권위 있는 학술지인 Advanced Materials에 10월 6일자 온라인판에 게재되었다. (논문명: Palladium nanoribbon array for fast hydrogen gas sensing with ultrahigh sensitivity)

 

□ 정건영 교수 연구팀은 금속 전사(transfer) 공정을 이용해 너비 약 650 nm 인 팔라듐 리본*을 정렬하고, 각 팔라듐 리본들 사이에 형성된 나노갭(nanogap)을 열고 닫는 방식으로 동작하는 수소 가스센서를 제작했다.

 

 * 팔라듐 나노리본(Palladium nanoribbon) : 아주 얇은 팔라듐 박막을 정교하게 쪼개서 (patterning) 만든, 상대적으로 세로로 매우 긴 리본 모양의 나노구조물

 

 

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

1. 연구의 필요성

 

 • 현재 상업화된 수소 감지 센서들은 설계가 복잡하기 때문에 단가가 높고 제작이 어렵다. 또 상온에서는 수소 감지가 어려워 이를 보완하기 위해 별도의 가열장치(heater)를 부착하게 되는데, 이로 인해 수소 감지 센서의 크기와 구동전력이 커질 수밖에 없어 제품 소형화는 물론 스마트 폰과 같은 유비쿼터스 제품에 적용하는 데 근본적인 한계가 있었다.

 

 • 차세대 수소 감지 센서를 연구하는 전 세계 연구자들은 상온에서 수소를 흡착하는 팔라듐 금속의 특성을 활용해 상온 구동 및 소형화가 가능한 수소 감지센서를 제작 및 연구해왔다. 하지만 지금까지 팔라듐 기반 센서는 기존의 비-팔라듐 기반 수소 감지센서의 성능을 넘어서지 못했다.

 

2. 연구의 성과

 

 • 정건영 교수 연구팀은 팔라듐 기반 수소 감지 센서의 기본 성능(감도 및 감지 속도 등)을 높이기 위해 기존 연구에서 구현한 적이 없는 ‘주기적으로 정렬된 팔라듐 나노리본 구조물’ 형성 기술을 개발했고, 이를 바탕으로 수소 감지 센서를 제작했다.

 

 

(그림 3) 세로방향으로 완전하게 분리되어 정렬된 나노갭을 형성하기 위해, 굽힘기(bending machine)로 위 그림과 같이 3mm 이하의 곡률 반경으로 굽힘을 일정 시간 유지시켜주면, 플라스틱 기판의 변형으로 인해 아래 그림과 같이 완전하게 분리되어 정렬된 나노갭 어레이를 얻을 수 있다. 수소가 유입되면 나노갭들이 동시에 닫히고, 수소가 차단되면 동시에 열리며 센서가 작동하게 된다. 

 

 

 

 

(그림2) 나노갭 수소 센서를 이용해 실제 수소 검출 테스트를 진행하는 모습. 센서에 붙인 전극 양단에 도선을 연결하고, 전압 인가장치를 이용해 센서에 일정한 전류가 흐르도록 한 뒤 일정한 농도의 수소를 유리관 속으로 흘려주면 센서를 통해 전류 크기의 변화를 확인(수소 감지)할 수 있다.

 

 

 • 연구팀이 개발한 ‘팔라듐 나노리본 구조물’에는 40nm(나노미터) 이하의 나노갭(nanogap)이 주기적으로 존재하며, 수소가 유입되면 팔라듐 나노리본이 팽창하면서 나노갭이 닫히고 수소 감지 후  3~4초만에 전기 신호를 주게 된다.

 

 • 이번에 개발된 수소 감지 센서는 현재까지 보고된 비-팔라듐 기반 센서보다 수천 배 이상의 감도를 지녔으며, 반복특성(repeatability)과 수명(lifespan)이 크게 향상되었다.

 *  반복특성: 반복적인 수소 노출 환경(On-Off)에서도 물질 또는 구조의 손상 없이 감지 특성이 일정하게 유지되는 특성

 

 

          

 

□ 정건영 교수는 “이번 연구는 수소 감지 센서의 차세대 물질로 알려진 팔라듐을 쉽고 정밀하게 정렬하는 기술개발을 했을 뿐 아니라, 형성된 나노갭을 이용하는 개폐(on-off)식 수소 감지센서는 소형화가 가능하고 고감도 및 저전력으로 구동하여 향후 스마트 폰 같은 모바일 디바이스에 쉽게 접목 가능하다”며 연구 의의를 밝혔다.     <끝>

 

 

 

대외협력팀