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아주대 서형탁 교수 연구팀이 수소 농도를 정밀하게 측정할 수 있는 수소 센서를 개발하는 데 성공했다. 차세대 친환경 에너지로 주목받고 있는 수소 에너지 기술의 핵심인 안전성 확보에 기여함으로써 수소의 생산과 활용 기술에 널리 적용될 수 있을 것으로 기대된다.서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진)팀이 개발한 수소 농도 센서는 다층 초박막 합금 촉매-전극 신소재를 기반으로 ppm(백만분의 1) 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 게재되었다. 아주대 이영안 박사와 Le Thai Duy 박사가 제1저자로 참여하였고 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 높다. 공기 중의 수소 농도가 4%만 되어도 낮은 에너지의 점화원만 있으면 폭발할 수 있는 것. 특히 수소 연료는 에너지 밀도(단위부피 당 저장된 에너지) 향상을 위해 수백 기압의 고압을 활용하므로, 수소 누설의 사전 감지는 꼭 필요하다.또한, 수소연료전지를 포함해 여러 형태로 수소를 활용하기 위해서는 수소의 순도 모니터링과 농도 제어가 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 탈피하여, Pd(팔라디움), Ni(니켈)의 초박막(각층의 두께: 수 nm)을 교차로 반복 적층한 새로운 전극을 개발해냈다. 기존에 Pd 박막이나 Pd 나노구조를 이용한 많은 수소 센서들은 제한된 저농도 영역에서는 신호를 감지할 수 있으나 50% 이상의 고농도 수소 검지에서는 심각한 한계를 보여왔다. Pd에 의하여 수소 분자로부터 해리된 수소 원자가 Pd 격자 내에서 탈착되지 못하고 영구 결합을 형성, 농도를 감지하지 못하는 신호 포화 현상과 반복 수소 감지 중 Pd 수소화에 의한 촉매 파괴 현상을 보였기 때문이다.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. CES는 세계 최대 정보기술·가전 박람회로 올해 11일부터 14일까지 온라인 개최됐다. 서형탁 교수는 “수소 에너지 기술에 대한 주목도가 높아지고 있는 가운데 한국 기업들은 수소 전기차 기술에서 리더십을 키워가고 있다”며 “그러나 수소 안전 확보에 꼭 필요한 센서의 경우, 고가의 수입 제품에 의존할 수밖에 없었다”라고 진단했다.서 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 수행되었다. 해당 기술은 국내 특허 등록을 완료하였으며, 해외 특허 출원이 진행 중이다. "><CES 2021에서 선보인 서형탁 교수 연구팀의 수소 감지 센서 이미지>
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아주대학교와 건국대학교 공동 연구팀이 분자 도핑에 영향을 미치는 동역학 및 열역학 인자 규명을 통해 새로운 고분자 도핑 전략을 개발하는 데 성공했다.아주대 김종현 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과, 사진 왼쪽)와 서형탁 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진 오른쪽) 그리고 김봉기 건국대 교수(화학공학부) 팀이 함께 한 이번 연구 내용이 담긴 논문은 재료과학 분야 저명 학술지인 <어드밴스드 머터리얼즈(Advaned Materials, Impact Factor:27.398)>의 12월 10일자 표지 논문(front cover page)으로 선정됐다. 김종현 교수, 서형탁 교수와 김봉기 교수가 교신저자로 참여했고, 아주대학교 대학원 분자과학기술학과에 재학 중인 윤상은 학생(석박사 통합과정)이 제1저자로 참여 했다.논문 제목은 ‘분자 도판트 기반 캐스캐이드 도핑을 통한 공액고분자의 전기전도도 향상( Improvement of Electrical Conductivity in Conjugated Polymers through Cascade Doping with Small-Molecular Dopants)’ 이다.유기반도체인 공액고분자에 대한 그동안의 활발한 연구는 전하 이동도의 비약적인 개선을 확보할 수 있었지만, 전기 전도도에 동등하게 영향을 미치는 도핑에 의한 전하 생성 부족으로 인해 우수한 전기 전도도 달성에는 한계가 있었다. 분자도핑의 효율은 전자를 제공하는 공액고분자의 HOMO(highest occupied molecular orbital)준위와 전자를 받는 도판트의 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital)간의 에너지 오프셋(energy off-set, HOMO-LUMO) 정도에 비례하는 것으로 알려져 있다. 이번 연구에서는 LUMO 준위가 서로 다른 도판트들을 연속적으로 사용하였을 때 도핑 효율이 더욱 증가하는 것을 확인하였으며, 이러한 전략을 통해 600 S/cm 이상의 분자 도핑 기준 세계 최고 수준 전기 전도도를 확보할 수 있었다.특히 공액고분자와 에너지 오프셋이 큰 도판트를 사용한 경우 도핑 효율이 낮은 원인이 동역학적 원인에 기인하는 것을 규명했다. 이러한 경우 공액고분자와 에너지 오프셋이 낮지만 동역학적으로 도핑 효과가 우수한 분자도판트를 통해 1차 도핑을 진행한 후 에너지 오프셋이 높은 2차 도판트를 활용하는 경우 도핑 효과가 급격히 증가할 수 있음을 밝혔고, 이러한 원인은 분자 도핑과 관련된 활성화 에너지 감소에 기인하는 것으로 확인되었다. 김종현 교수는 “이번 연구는 다양한 분자형 도판트들의 에너지 준위, 동역학·열역학적 평형상태 및 최종 도핑된 고분자의 전기전도도에 대한 심층적 고찰과 효과적인 분자도핑 전략을 제공하고 있다”며 “유사한 전략을 활용한다면 답보 상태에 있는 유기 전도체의 전기전도도 추가 향상을 기대할 수 있다”고 설명했다.또한 개발된 순차적 연속도핑 전략 및 신규 소재 개발이 병행된다면 기존의 금속 및 산화막 형태의 무기물 전도체를 대체할 수 있는 수준의 유기물 기반 고유연·고신축 전도체 개발도 가능할 전망이라고 연구팀은 전망했다.
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