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[사이언스] 저온 엑솔루션 현상을 통한 고 안전성 가스 센서 개발

기존 가스 센서 대비 저비용, 높은 안정성으로 다양한 분야에 응용 가능

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특허뉴스 선우정 기자
기사입력 2020/11/24 [14:26]

▲ 저운 엑솔루션 현상을 통해 이리듐 나노입자 촉매가 텅스텐 산화물 표면에서 형성되는 과정  © 특허뉴스

 

금속 및 금속산화물 고용체를 가열해 성분을 분리하고, 이를 통해 실시간으로 금속 나노 입자 촉매를 금속산화물 표면에 균일하면서도 강하게 결착시키는 기법인 엑솔루션(Ex-solution). 이 기법은 특별한 공정 과정 없이 열처리만을 활용하기에 친환경적인 미래 기술로 주목받고 있다.

 

최근 삼성미래기술육성사업이 지원하고 KAISTECH 등 국내 과학기술특성화대학 공동 연구진이 협업해 진행해 온 엑솔루션 연구가 결실을 맺었다.

 

KAIST는 신소재공학과 김일두 교수·정우철 교수 연구팀이 ECH 한정우 교수팀과 GIST 김봉중 교수팀과의 공동연구를 통해 단 한 번의 열처리로 금속산화물 감지 소재 표면에 나노촉매를 자발적으로 형성시켜 황화수소 기체만 선택적으로 감지하는 고 안정성 센서를 개발했다고 24일 밝혔다.

 

나노입자 촉매를 금속산화물에 형성하기 위한 기존 방식들은 진공을 요구하거나 여러 단계의 공정이 필요하기 때문에 시간과 비용이 많이 들뿐더러 촉매가 쉽게 손실되고 열에 불안정하다는 문제가 발생한다.

 

▲ 저온 엑솔루션 공정을 이용해 제조된 센서가 장착된 구취 진단기(4 MEMS 센서 어레이 장착)  © 특허뉴스

 

공동 연구진은 문제해결을 위해 낮은 공정 온도에서도 열적 안정성을 유지하면서 나노입자 촉매들을 금속산화물 지지체에 균일하게 결착시키기 위해 금속산화물의 실시간 상변화를 활용한 저온 엑솔루션 기술을 새롭게 개발했다. 이 기술은 열처리만으로 금속이 도핑된 금속산화물에다양한 상변화를 일으켜, 손쉽게 나노입자 촉매들을 금속산화물 표면에 형성시키는 새로운 기술이다.

 

공동 연구진은 저온 엑솔루션 기술을 기반으로 합성된 재료를 활용해 악취의 근원이 되는 황화수소 기체만 선택적으로 감지할 수 있으면서 기존 가스 센서보다 훨씬 안정성이 향상된 가스 센서를 개발하는 데 성공했다.

 

연구팀이 개발한 저온 엑솔루션 기술은 우리 생활에서 쉽게 접할 수 있는 구취 진단기에 응용이 가능할 뿐만 아니라 산화 촉매, 개질 반응 등 다양한 나노입자 촉매가 활용되는 물리화학 촉매 개발에 쉽게 활용할 수 있다.

 

이번 연구를 주도한 김일두 교수는 새로 개발한 저온 엑솔루션 공정은 고성능·고 안정성 나노촉매 합성을 위한 핵심적 기술로 자리를 잡을 것이라면서 연구에서 발견한 구동력과 응용 방법을 활용하면, 다양한 분야에 폭넓게 활용될 것으로 기대된다고 말했다.

 

이번 연구는 KAIST 김일두·정우철 교수와 ECH 한정우 교수, GIST 김봉중 교수 외에 KAIST 신소재공학과 장지수 박사와 김준규 박사과정 학생이 제1 저자로 참여했다.

 

▲ 재료분야 세계적 국제 학술지 _Advanced Materials_ 2020년도 11월호 속표지 이미지  © 특허뉴스

 

연구 결과는 재료 분야의 권위 학술지인 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’ 10월 온라인판에 실렸고 연구의 우수성을 인정받아 같은 저널 11월호 속표지 논문으로 선정됐다. 또한, 관련 기술은 국내·외에 특허 출원을 신청할 예정이다.

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