The study of hydrogen sensing characteristics of WO₃/MoO₃ gasochromic sensor and multilayer Pd/Ni nanocatalyst - 박치완 (The Graduate School, Ajou University, 2024)
환경오염과 화석에너지 고갈에 대한 우려로 최근 들어 저공해 대체에너지에 대한 관심이 높아지면서, 수소 에너지에 대한 기대가 커지고 있다. 수소는 친환경 연료로 주목받고 있으며 자동차, 발전소, 수소 연료 전지 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 그러나 수소는 공기 중 4% 이상의 농도에서 폭발할 위험이 있어 수소 기술의 더 안전한 보급을 위해서는 수소 센서 시스템이 필수적이다. 본 논문에서는 수소 흡착에 광 투과도가 변하는 화학 변색 소재인 삼산화 텅스텐(Tungsten trioxide, WO₃)와 삼산화 몰리브덴(Molybdenum trioxide, MoO₃)를 기반으로 가소크로믹 센서를 연구하였다. 또한 팔라듐(Palladium, Pd)과 니켈(Nickel, Ni) 나노 촉매를 기반으로 전기 저항의 변화로 수소 누수를 감지하는 저항식 센서를 패턴 변화를 통해 소자로서 응용 가능성을 보여준다. WO₃ 는 빠른 반응 속도와 가역적 변색 특성을 가지며 수소와 반응 시 기존 녹색에서 푸른색으로 변하는 특성을 가지고 있다. 반면에 MoO₃는 느린 반응 속도와 비가역적 변색 특성을 가지며 수소와 반응 시 회색에서 진한 회색으로 육안으로 쉽게 구별이 불가능하다. 따라서 WO₃ 와 MoO₃를 co-sputtering 공법을 적용, 두 재료의 유리한 특성을 활용하여 반응성과 비가역성을 조절하였다. 먼저, RF-magnetron Sputtering 를 이용해 WO₃ 와 MoO₃ 박막을 co-sputtering 공법을 통해 증착했다. 이후 수소 해리 촉매인 Pd 를 E-beam evaporation 을 통해 nano particle 형성, island 구조로 증착했다. FE-SEM, TEM 분석을 통해 구조적 분석을 진행했으며, 다공성 표면을 갖는 수직 성장 구조를 갖고 있어 수소를 효과적으로 필름 내부까지 빠르게 확산할 수 있는 경로를 제공하며 수소 흡착 및 반응성을 촉진하여 센서의 감도를 향상시키는 것으로 나타났다. 또한, 화학적 분석과 수소 반응성을 XPS, RAMAN, FT-IR, UV-Vis 통해 분석했다. WO₃ 와 MoO₃ 의 최적의 조성을 확보했으며, 기존 WO₃ 단일 막 대비 ΔE 11.26% 향상, MoO₃ 단일 막 대비 T₉₀ 도달 반응속도 100% 향상, 비가역 특성을 확인하였다. 둘째로, Pd 은 상온에서 수소 분자를 직접 수소 원자로 분해할 수 있으며, 수소 분자를 분해하는 과정에서 PdHₓ 를 형성하며 수소 농도에 따라 저항이 변화하게 된다. 이러한 이유로 Pd 은 저항성 수소 센서로 활용이 가능하며, 낮은 농도(<4%)에서도 그 성능이 이미 입증됐다. 그러나 단일 Pd 물질을 이용한 수소 센서는 고농도의 수소 농도에서 β- Pd 를 형성하며 신호값이 포화되거나 Pd 막이 박리되는 등의 문제가 있어 단일 물질로 사용하기에는 문제가 있다. 본 논문에서는 문제점을 개선하기 위해 다층 Pd/Ni 촉매 합금화를 통해 β-Pd 상 형성 억제하여 Pd 의 고농도 수소에서 신호 포화를 방지한다. 저항식 Pd/Ni 센서는 E-beam evaporation 을 사용하여 Pd 와 Ni 의 다층 구조로 순차적으로 적층을 통해 촉매층을 제조했다. 전기적 특성 및 계면 특성 분석하기 위해 Sensor probe station, TEM-EDS 분석을 사용했다. 99-100% 농도에서 0.1%의 분해능 확보했으며 수소 반응 및 회복 속도는 3~10 초 이내를 확인했다. 결론 지으면, 본 연구에서는 수소 변색 센서와 고분해능 전기식 센서 응용 분야에 대한 재료 조합의 강력한 잠재력을 보여주었다. 이 연구를 통해 수소 기술의 더 안전한 사용과 보급을 기대한다.
학위논문(석사)--에너지시스템학과,2024. 2
Keywords: Pd/Ni; WO₃/MoO₃; 수소; 수소 센서