[한국대학신문 이정환 기자] 연세대학교 신소재공학과 이우영 교수 연구팀이 세계 최초로 ‘초음파 유도 균열’ 공정을 제안해 팔라듐(Pd) 박막 내에 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.
수소는 화석연료를 대체할 차세대 친환경 에너지원이자 전기차 등 이차전지의 열폭주 과정에서도 배출되는 가연성 가스다. 그러나 누출 시 폭발 위험이 크며, 기존의 수소 센서들은 낮은 감도, 불안정한 성능, 복잡한 공정 등으로 산업 현장에서 실질적인 활용이 제한돼 왔다. 특히 기존 Pd 나노갭 기반 저항식 센서는 갭 제어와 반복성이 취약하고, 고무 기판과 복잡한 기계적 인장 공정에 의존하는 문제가 있었다.
연구팀은 Pd/PDMS/Doped-Si 구조에 초음파 처리를 가해 Pd 박막 표면에 균일한 씨드 균열을 유도하는 새로운 접근법을 제시했다. 이후 수소가 흡착되면 Pd 결정 격자가 팽창해 나노갭이 폐쇄되고, 이를 전기용량 변화로 실시간 감지하는 방식을 적용했다. 이 방법은 기존 공정보다 간단하고 재현성이 높으며, 갭 폭을 20nm 이하로 균일하게 유지할 수 있다는 점이 특징이다.
이번에 개발된 센서는 3ppm의 초저농도 수소도 상온에서 검출하며, 300ppm 조건에서 50회 반복 측정 시에도 신호 안정성이 유지돼 높은 내구성을 입증했다. 또한 팔라듐의 우수한 수소 선택성으로 고습도·넓은 온도 범위(0~80℃)에서도 안정적으로 동작해 실제 수소 저장 설비, 연료전지, 이차전지 열폭주 모니터링 등 다양한 분야에 응용 가능성이 크다.
b) Pd 나노갭 센서의 작동 원리를 나타낸 모식도. 10 nm 두께의 Pd 박막이 PDMS 위에 수소 감지용으로 증착되었고, 50 nm 두께의 Ag 박막이 일부 Pd 층 위에 중첩되어 센서의 기준 신호(C₀)를 정의한다.
c) 수소 농도에 따른 정전용량 변화 메커니즘을 나타낸 모식도와 그에 대응되는 실시간 광학현미경(OM) 이미지. 수소가 없을 때는 Pd 나노갭으로 인해 Ag층(흰색)이 Pd 박막(노란색)과 전기적으로 분리되어 기준 정전용량(C₀)이 측정된다(좌측 이미지). 수소 농도가 증가함에 따라, 미세한 Pd 균열들이 접촉하면서 Ag 전극과 전기적으로 연결된 면적(빨간색 테두리)이 증가한다(중간 이미지). 높은 수소 농도에서는 박막 전역의 나노갭이 완전히 접촉하여 정전용량이 크게 증가한다(우측 이미지).
이우영 연세대 교수는 “이 연구는 복잡한 나노갭 형성과 저항식 센서의 안정성 한계를 극복하면서, 간단한 공정으로 초고감도, 고신뢰성, 저전력 동작을 모두 구현했다는 데 큰 의미가 있다”며 “초음파 처리 시간만으로 갭 크기와 민감도를 맞춤형으로 조절할 수 있어, 수소에너지 인프라와 배터리 안전 모니터링 등 다양한 산업 분야로의 확산이 기대된다”고 말했다.
이번 연구 성과는 해외특허 발명평가에서 S등급을 받아 미국과 독일에 특허 출원을 진행 중이며, 연구의 우수성과 실용성을 인정받아 과학기술정보통신부 주관 ‘딥사이언스 창업 활성화 지원사업’에 선정됐다. 연구 전반을 주도하고 본 기술을 최초로 제안한 이상길 석사과정 학생은 MIT 재료공학과 박사과정 진학을 앞두고 있다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단, 산업통상자원부, 행정안전부, 과학기술사업화진흥원의 지원으로 수행됐으며, 연구 성과는 재료공학 분야의 권위 있는 학술지 〈Advanced Functional Materials〉(IF=19) 에 논문명 ‘Sonication‑Assisted Palladium Nanogaps in a Capacitive Structure: A Tunable and Reliable Solution for Sensitive Hydrogen Monitoring’ 으로 7월 1일 온라인 게재됐다.
☞ https://doi.org/10.1002/adfm.202506017
Copyright ⓒ 한국대학신문 무단 전재 및 재배포 금지
본 콘텐츠는 뉴스픽 파트너스에서 공유된 콘텐츠입니다.
