하태준 교수 연구팀(전자재료공학과),

실온에서 동작 가능한 산화물 반도체 기반의 고성능 수소 가스 센서 개발

- 국제 저명 학술지 ACS Applied Materials & Interfaces (IF : 8.758) 게재 -

(좌측부터) 석박사 통합과정 박상준, 하태준 교수, 석박사 통합과정 전준영

본교 하태준 교수(전자재료공학과)의 논문이 American Chemical Society에서 발행하는 재료/화학 분야 국제 학술지인 ACS Applied Materials & Interfaces에 ‘Functionalization of Zinc Oxide Nanoflowers with Palladium Nanoparticles via Microwave Absorption for Room Temperature Operating Hydrogen Gas Sensors in the ppb-Level’의 제목으로 게재되었다.

(참고: https://doi.org/10.1021/acsami.1c03283)

하태준 교수 연구팀은 나노 플라워(Nanoflower: NF) 구조의 산화아연 (ZnO)과 팔라듐 (Pd) 나노 파티클(Nanoparticle: NP) 의 기능화 공정을 통하여 300 ppb의 낮은 농도에서도 실온에서 안정적으로 수소 가스 검지가 가능한 chemiresistive 방식의 가스 센서를 개발했다.

최근 운송, 항공 우주, 의료용 바이오 마커 등 다양한 응용 분야에서 수소 가스가 활용되고 있는데, 무색, 무취하며 높은 폭발성을 가지고 있기 때문에 실온에서 저농도의 수소 가스를 검지하는 기술이 전 세계적으로 주목받고 있다. 기존의 산화물 반도체 기반 chemiresistive 방식의 가스 센서는 반응성을 높여주기 위하여 높은 동작 온도를 필요로 한다. 이로 인해 히터와 같은 추가적인 장치를 필요로 할 뿐만 아니라, 전력 소모량이 크게 증가하며 폭발 위험이 커지는 단점이 있다.

이에 하태준 교수 연구팀은 ZnO NF를 합성하고 용액 공정 기반 microwave absorption을 통해 Pd NP 기능화를 최적화하여 실온에서도 고감도 검지가 가능한 수소 가스 센서를 개발했다. 3분 이하의 짧은 반응 및 회복 시간에서도 300 ppb 농도의 수소 가스에 대한 높은 반응성 (~20%)을 보였을 뿐만 아니라 이론적으로 10 ppb의 가스농도까지 검출 한계를 낮추었으며, 다른 산화 및 환원 가스에 대한 높은 선택성이 확보되었다.

한편, 이번 연구는 광운대학교 단독 연구로 진행되었으며 미래창조과학부가 주관하는 한국연구재단 중견연구사업 지원으로 수행되었다. 또한, ZnO NF-Pd NP 기능화 및 이를 기반으로 실온에서 동작이 가능한 고감도 수소 가스 센서에 대해 특허 출원을 완료했다.

수열 합성 공정을 통해 제작된 ZnO NF 및 microwave absorption 기반 Pd NP가 기능화된 Pd-decorated ZnO NF의 SEM 이미지

실온에서 측정된 300 ppb 수소 농도에서의 chemiresistive 방식 산화물 반도체 기반 수소 가스 센서의 성능 분석 (반응 시간 : 137 초, 회복 시간 : 165 초)