KAIST-포스텍-GIST, 저온 엑솔루션 기법으로 고선택성·고안정성 획득[아이뉴스24 최상국 기자] 악취를 동반한 유독가스인 황화수소만을 민감하게 감지할 수 있는 새로운 나노센서가 개발됐다.
KAIST 신소재공학과 김일두 교수·정우철 교수 연구팀은 포스텍 한정우 교수, GIST 김봉중 교수팀과의 공동연구를 통해 기존 센서에 비해 저렴하고 안정적인 황화수소 가스센서를 개발해 국내외 특허를 출원했다고 24일 밝혔다.
연구팀이 개발한 새로운 황화수소 가스센서는 단 한 번의 열처리로 금속산화물 표면에 나노촉매를 자발적으로 형성시키는 새로운 방법으로 개발됐다.
나노입자 촉매를 금속산화물에 형성하기 위한 기존 방식들은 진공을 요구하거나 여러 단계의 공정이 필요하기 때문에 시간과 비용이 많이 들며 촉매가 쉽게 손실되고 열에 불안정하다는 문제가 발생한다.
저온 엑솔루션 현상을 통해 이리듐 나노입자 촉매가 텅스텐 산화물 표면에서 형성되는 과정 [KAIST]
연구진은 문제해결을 위해 '저온 엑솔루션(Ex-solution)' 기술을 개발했다. 엑솔루션은 금속산화물을 가열해 성분을 분리하고, 이를 통해 금속 나노 입자 촉매를 금속산화물 표면에 균일하면서도 강하게 결착시키는 기법이다. 특별한 공정 과정 없이 열처리만으로 가능하기 때문에 친환경적인 미래 기술로 주목받고 있다.
연구진은 특히 기존의 엑솔루션 기술이 500~700도의 고온 공정을 필요로 하는 데 비해 300~400도의 비교적 낮은 온도에서 엑솔루션 현상을 일으키는 방법을 찾아냈다. 낮은 공정 온도에서도 열적 안정성을 유지하면서 나노입자 촉매들을 금속산화물 지지체에 균일하게 결착시키는 데 성공한 것이다.
이러한 기법으로 개발한 황화수소 감지 센서는 기존 가스 센서에 비해 뛰어난 선택성과 안정성을 보였다.
(가) 엑솔루션 전 상태의 가스민감도 특성, (나) 엑솔루션 후 나노입자 촉매가 형성된 센서의 가스민감도 특성 [KAIST]
연구팀은 이번에 개발한 저온 엑솔루션 기술이 우리 생활에서 쉽게 접할 수 있는 구취 진단기에 적용은 물론 산화 촉매, 개질 반응 등 다양한 나노입자 촉매에 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
이번 연구를 주도한 김일두 교수는 "새로 개발한 저온 엑솔루션 공정은 고성능·고 안정성 나노촉매 합성을 위한 핵심적 기술로 자리를 잡을 것"이라면서 "연구에서 발견한 구동력과 응용 방법을 활용하면, 다양한 분야에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다"고 말했다.
(왼쪽부터) KAIST 신소재공학과 김준규 박사과정, 김일두 교수, 정우철 교수. [KAIST]
이번 연구는 삼성미래기술육성사업의 지원으로 KAIST와 포스텍, GIST 등 과학기술특성화대학이 공동으로 진행했다. KAIST 신소재공학과 장지수 박사와 김준규 박사과정 학생이 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 재료 분야의 권위 학술지인 '어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)' 10월 온라인에 게재된 데 이어 11월호 속표지 논문으로 선정됐다.
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