| 학회 | 한국재료학회 |
| 학술대회 | 2018년 봄 (05/16 ~ 05/18, 삼척 쏠비치 호텔&리조트) |
| 권호 | 24권 1호 |
| 발표분야 | 5. 화학센서용 기능성 소재(Chemical sensors)-오거나이저: 장호원 교수(서울대) |
| 제목 | 무기 나노 하이브리드 소재 기반 전기-화학착색식 다중 모드 수소 센서 |
| 초록 | 수소는 친환경 대체 에너지 연료원으로 자동차, 전기생산 분야 등 산업전반에 활용 영역을 확장하고 있지만 안전성 문제가 항상 제기되어 왔다. 수소는 무색, 무취에다 가벼워 누설의 위험성이 높고 공기 중 농도가 4%만 되어도 점화원만 있으면 폭발할 수 있기 때문이다. 따라서, 수소 누출 시 효과적으로 검지할 수 있는 센서 기술이 국내외적으로 활발히 연구되어 왔다. 이러한 수소 센서는 수소 감지원리에 따라 촉매식(catalytic), 열전도도식(thermal conductivity), 전기화학식(electrochemical), 저항방식(resistance based), 기계식(mechanical), 광학식(optical), 음향방식(acoustic) 방식으로 구분 할 수 있다. 이러한 방식은 대부분 외부 전원이 필요하고 수소 누출 시에 경고음이나 밸브를 닫도록 제어 한다. 위에서 언급한 다양한 수소 검지 방식 중에 최근에 주목을 받는 것은 광학식이고 그 중에도 화학착색식 (chemochromic) 센서이다. 대부분의 수소 검지 센서는 수소 검출 신호를 저항 변화 등의 전기 신호로써 받게 되는데 이 경우에 센서 부에 배선 접촉(contact)이 필요하게 되고 접촉 부에 인가되는 전압에 의한 정전기 등의 발생으로 수소 누설 시에 발화점의 작용을 할 수도 있으며 복잡한 수소 라인의 경우는 배선 등이 용이하지 않을 수 있고 고가의 비용 문제도 있다. 그러나 화학 착색식의 경우에는 수소 누설을 색 변화로 검지하므로 전기 회로의 설치에서 자유롭고 다양한 위치와 환경에 적용이 가능하다. 본 발표에서는 (1) 나노구조 산화물 (WO3, MoO3) 과 황화물 (CuS) 기반 화학착색 활성층과 (2) Pd 나노입자 및 Pd-합금 기반 초격자 구조 나노필름 기반 수소 해리 촉매가 하이브리드화 된 검지 소재를 기반으로 제조된 0.1-100 % 고농도 수소 검지 센서 결과를 보고한다. 수소착색센서는 촉매물질을 이용해 수소분자를 수소원자로 분리하고 이를 나노 기공을 가진 WO3 박막/입자 혹은 MoO3 나노입자에 확산시킨다. 이 과정에서 해리된 수소와 산화물 원자간 결합에 의해 산화물 내 unpaired d-전자가 발생하며 양이온 core와 unpaired d 전자 사이에 형성된 localized polaron에 의해 유발된 국부적 플라즈모닉스 현상과 H-defect 준위 흡수 현상이 혼합된 착색이 발생한다. 수소 노출 시 착색의 정도는 색편차 (△E, color difference)에 의해 정량화 하였으며 이를 통하여 수소 농도 scaling이 하였다. 수소 변색 (coloration), 공기 중 산소에 의한 회복 (bleaching)의 상호 작용은 착색 활성층에 따라 다른 kinetics 를 보이며 가역 모드 (WO3), 비가역 모드 (CuS), 준가역 모드 (MoO3)의 특성을 확인하였다. Pd-WO3의 경우 0.1-100% 사이의 수소 농도 검출, 3초 이내의 색상 변화 (△E＞20), CH4, CO, H2O와 같은 노이즈 가스에 대하여 우수한 선택비를 보이며 특히, 착색과 동시에 저항의 감소가 농도 비례로 발생하기 떄문에 다중 모드(Multi-modal) 검지가 가능함을 확인하였다. 마지막으로 이러한 다중 모드 센싱의 확장이 가능한 응용 방향을 논의한다. |
| 저자 | 서형탁 |
| 소속 | 아주대 |
| 키워드 | <P>착색센서; 수소에너지; 산화물; 황화물; 플라즈몬; 저항식센서</P> |
