초음파 처리 기반 간단 공정만으로 초고감도·고안정성 상온 수소 센서 구현, 상용화 가능성 입증
재료공학 분야의 권위 있는 학술지 'Advanced Functional Materials' 게재
신소재공학과 이우영 교수 연구팀이 세계 최초로 ‘초음파 유도 균열’ 공정을 제안해 팔라듐(Pd) 박막 내 균일한 나노갭을 형성하고, 이를 커패시터(capacitor) 구조와 결합해 세계 최고 수준의 검출 한계(3ppm)와 뛰어난 안정성, 공정 용이성을 동시에 갖춘 상온 수소 센서를 개발했다.
연구팀은 Pd/PDMS/Doped-Si 구조에 초음파 처리를 해 Pd 박막 표면에 균일한 씨드 균열(seed crack)을 생성했으며, 이후 Pd 격자의 수소화 과정에서 기판의 제한 응력으로 발생하는 소성 변형을 이용해 폭이 20nm 이하인 균일한 나노갭 네트워크를 구현했다. 또한, 전기용량 측정 방식을 활용해 이 미세 나노갭의 개폐 동작을 실시간으로 안정적으로 감지하는 데 성공했다.
이번에 개발된 센서는 기존의 복잡한 수소 센서들과 달리 단순한 구조와 공정만으로 초고감도, 고신뢰성, 재현성, 저전력, 상온 검지 특성을 모두 달성했다는 점에서 큰 의의를 갖는다. 과거 저항 변화 기반 나노갭 센서의 안정성 문제를 해결하기 위해 최초로 전기용량식 매커니즘을 도입했으며, 초음파 처리를 통해 반복 인장 방식에 의존하던 기존의 갭 생성 기술의 재현성 및 생산성 한계를 극복했다. 특히 초음파 처리 시간에 따라 균열 밀도를 조절해 갭의 폭과 감지 범위를 맞춤 설정할 수 있는 점도 큰 강점으로 평가된다.
연구 결과, 3ppm의 초저농도 수소 검출 한계와 더불어 300ppm 조건에서 50회 반복 측정 시에도 신호 안정성이 완벽하게 유지되는 높은 내구성이 확인됐다. 팔라듐의 우수한 수소 선택성과 더불어 고습도 환경과 넓은 온도 범위(0~80°C)에서도 안정적으로 작동해 실제 산업·안전 모니터링 현장에 적용될 가능성이 입증됐다.
특히, 금속 박막/폴리머 이종 구조에 균일한 균열을 매우 간단히 유도할 수 있는 초음파 공정의 새로운 발견은 재료과학 분야에서 다양한 응용 가능성을 지닌 범용 기술로 평가된다. 이우영 교수 연구팀은 해당 기술로 해외특허 발명평가에서 S등급을 받아 미국과 독일에 특허를 출원 중이며, 연구의 우수성과 실용성을 인정받아 ‘딥사이언스 창업활성화 지원사업’ 국가 과제에도 선정됐다. 본 기술을 최초로 제안하고 연구 전반을 주도한 이상길 석사과정 학생은 MIT 재료공학과 박사과정 진학을 앞두고 있다.
한편, 연구는 한국연구재단, 산업통상자원부, 행정안전부, 과학기술사업화진흥원의 지원으로 수행됐으며, 연구 성과는 재료공학 분야의 권위 있는 학술지 Advanced Functional Materials (IF=19)에 7월 1일 온라인으로 게재됐다.
출처
연세소식/ 연세대학교 홍보팀
논문정보
- 논문제목: Sonication-Assisted Palladium Nanogaps in a Capacitive Structure: A Tunable and Reliable Solution for Sensitive Hydrogen Monitoring
- 논문주소: https://doi.org/10.1002/adfm.202506017
