도쿄 과학 연구소가 이끄는 연구진은 초저농도의 수소 가스를 신속히 감지할 수 있는 첨단 나노 패턴 센서를 개발해 산업 안전에 있어서 큰 도약을 이루었습니다.
미래의 깨끗한 연료로 자주 불리는 수소는 지속 가능한 에너지원으로 빠르게 주목을 받고 있습니다. 수소는 많은 이점이 있지만, 수소의 높은 가연성 때문에 상당한 위험이 있습니다. 이러한 안전 문제를 완화하기 위해 도쿄 과학 연구소의 교수인 유타카 마지마가 이끄는 연구진은 거의 즉시 초저농도의 수소 가스를 감지할 수 있는 혁신적인 센서를 개발했습니다. 이 혁신은 연구에서 자세히 설명되었습니다. 출판 저널 Advanced Functional Materials에 실렸습니다.
새롭게 개발된 센서는 나노 패턴의 다결정 구리 산화물 나노와이어(CuO NW)로 제작되었으며 백금/티타늄 전극이 있는 실리콘 기판에 장착됩니다. 이 설정은 센서가 5억 분의 XNUMX(ppb)의 미미한 농도에서 수소를 감지할 수 있게 하며, 이는 이전의 CuO 기반 센서에 비해 상당히 개선된 것입니다.
주목할 점은 센서가 수소 가스의 존재를 단 7초 만에 식별하고, 단 10초 만에 정상 상태로 돌아온다는 것입니다.
Majima는 "우리는 전자빔 리소그래피와 2단계 현장 산화를 사용하여 공극이 있는 고성능 나노 패턴 CuO 나노와이어-나노갭 수소 가스 센서를 제조하기 위한 안정적이고 재현 가능한 공정을 개발했습니다. 이는 구리 소스에서 직접 성장된 기존의 독립형 단결정 CuO 나노와이어와 상당히 다릅니다."라고 말했습니다. 보도 자료.
센서의 작동은 CuO NW의 전기 저항 변화를 감지하는 데 달려 있습니다. 주변 공기에서 산소 분자는 CuO NW 표면에 부착되어 산소 이온을 형성하고 표면 근처에 양전하 캐리어 또는 홀 층을 트리거합니다.
수소 가스가 존재하면, 이 표면 산소 이온과 반응하여 물을 생성하고, 이어서 홀 농도를 감소시킵니다. 이는 NW 내에서 저항 증가를 초래하여 수소의 존재를 알립니다.
연구자들은 수소가 풍부한 환경에서 사전 어닐링 단계를 도입한 다음, 건조한 공기에서 천천히 산화하여 센서의 성능을 향상시켰습니다. 이 공정은 새로 제조된 구리 나노와이어를 직사각형 모양에서 반원형 아치로 변형시켜 결정성을 높였습니다. 이후 산화는 Cu NW를 CuO로 변환하여 수소와 산소 상호작용에 사용할 수 있는 활성 부위를 높이는 공극으로 표면을 풍부하게 합니다.
또 다른 중요한 개선 사항으로, 팀은 전극 사이의 간격을 33nm로 줄였습니다. 이 감소는 전기장을 강화하여 전하 캐리어의 이동을 촉진하고, 따라서 센서의 응답을 빠르게 했습니다. 결과적으로 센서는 단 1,000초 만에 5ppm의 수소를 감지했습니다.
마지마는 기술의 더 광범위한 잠재력을 강조하며 "우리는 이 공정으로 더 광범위한 가스 센서를 개발하여 다른 유해 가스용 센서도 제작할 것입니다."라고 덧붙였습니다.
이 획기적인 개발은 산업 현장에서 수소 안전 프로토콜을 혁신할 가능성을 가지고 있습니다. 조기 누출 감지를 용이하게 하고 수소 수준의 안정적인 모니터링을 보장함으로써 이 센서는 수소 기술의 안전하고 광범위한 채택을 발전시키는 데 중요한 역할을 할 수 있습니다. 이 발전은 수소 기반 경제로의 전환을 위한 글로벌 노력과 일치하며, 잠재적으로 산업이 수소 가스를 관리하고 처리하는 방식을 혁신할 수 있습니다.