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김일두 교수, 7초 안에 수소가스 탐지 가능한 센서 개발
〈 김일두 교수, 구원태 학생, 페너 교수 〉
우리 대학 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 美 캘리포니아 대학 어바인 캠퍼스 화학과 페너(Reginald M. Penner) 교수와의 공동 연구를 통해 대기 중 1% 수준 농도의 수소가스를 상온에서 7초 이내에 검출할 수 있는 초고속 센서를 개발했다.
이 기술은 금속유기구조체(metal-organic framework)가 코팅된 팔라듐(Pd) 나노와이어 어레이(array) 기반의 초고속 수소가스 감지소재로 향후 수소 자동차 등 다양한 분야에서 활용 가능할 것으로 기대된다.
구원태 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 재료분야의 권위 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 9월호 표지 논문에 선정됐다.
수소가스는 친환경 차세대 에너지원으로 주목받지만 작은 스파크(spark)에도 폭발을 일으킬 수 있는 위험한 가연성 물질이다. 수소가스의 폭발 하한계는 대기 중 4%로 무색, 무취의 수소가스를 빠르게 검출할 수 있는 센서의 중요성이 커지고 있다.
미국 에너지부는 2009년 국가 과제 공고에서 대기 중 1% 수소가스를 60초 이내에 감지할 수 있고 60초 이내에 회복하는 수준이 안전한 수소가스의 검출 기준이라고 제시했다.
1960년대 팔라듐과 수소가스 간 반응시 저항변화가 생기는 현상이 발견된 이후, 팔라듐 기반의 초고감도, 초고속 수소가스 센서 개발을 위한 노력이 계속됐다. 그러나 공기 중 산소를 포함한 방해 가스의 영향으로 상용화 수준의 성능을 갖추지 못했다.
김 교수 및 페너 교수 연구팀은 상온에서 수백 ppm(part per million, 백만분의 1) 수준의 극미량 수소가스를 정밀하고 신속하게 감지할 수 있는 초고감도 감지 소재를 개발했다.
연구팀은 기존 팔라듐 센서의 한계를 극복하기 위해 수소의 선택적 투과가 가능한 금속유기구조체를 팔라듐 나노와이어 어레이 위에 결합했다.
이 금속유기구조체는 각각 0.34 나노미터와 1.16 나노미터의 아주 작은 구멍들로 구성된 표면적이 매우 높은 다공성 물질이다.
수소는 상온에서 0.289 나노미터의 운동지름(kinetic diameter, 다른 분자와 충돌을 일으킬 수 있는 동역학적 지름)을 갖기 때문에 0.34 나노미터의 구멍보다 작아 금속유기구조체 내부를 쉽게 통과할 수 있다. 하지만 0.34 나노미터보다 큰 가스들은 금속유기구조체 내부를 투과하기 어렵다.
이 원리를 통해 수소가스만을 선택적으로 투과하는 데 성공했고, 더불어 팔라듐 나노와이어와 수소가스의 반응을 촉진시켜 초고속으로 수소가스를 감지할 수 있음을 확인했다.
김 교수는 “개발된 초고속 수소가스 센서는 친환경 에너지원인 수소가스의 누출로 인한 사고 예방에 큰 도움을 줄 것이다”며 “금속유기구조체 기반 분자 필터링 기술을 활용해 대기 중 수많은 유해 가스를 초고성능으로 정확히 감지할 수 있는 고속 센서 소재 개발이 가능해 졌다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림1. 2017. ACS Nano, 커버 이미지
그림2. Pd 나노와이어 어레이 이미지 및 금속유기구조체가 코팅된 Pd 나노와이어의 주사전자현미경 이미지, 그리고 개발된 소재의 수소 가스 감지 특성
그림3. 수소가스 탐지 센서 모식도(ACS Nano에 게재된 논문의 대표 이미지)
2017.09.26 조회수 13168 -
KAIST, 대학 캠퍼스 내 실내외 통합 내비게이션 개발
한 동 수 교수
석사과정 면접을 앞둔 김 모 군은 면접 당일 교내에서 곤욕을 치렀다. 캠퍼스가 넓어 길 찾기가 어려웠을 뿐 아니라 실내에 도착한 이후에도 정확한 면접장 위치를 찾지 못해 지각을 겨우 면했기 때문이다.
우리 대학 전산학부 한동수 교수 연구팀은 위와 같은 문제를 해결할 수 있는 실내외 통합 내비게이션 시스템 ‘캠퍼스 아틀라스(가제)’를 개발했다.
이번에 개발된 실내외 통합 내비게이션 시스템은 우리 대학 캠퍼스에 적용돼 방문자의 이름 혹은 목적지의 방 번호를 입력하면 도착할 때까지 실내외가 연결된 길 안내 서비스를 제공한다.
또한 교내에서 열리는 학회나 강연 등을 행사 장소와 함께 등록해 행사명만으로도 목적지를 검색하는 기능을 삽입했다. 이를 통해 방문객들이 어려움 없이 행사 장소를 찾을 수 있게 만들었다.
한 교수의 지능형 서비스 연구실은 평균 4~5층으로 구성된 40여 개 건물이 있는 우리 대학 캠퍼스를 대상으로 기술을 구현했다.
200여 개의 실내 지도, 4천 여 개의 관심지점(POI: Point Of Interest) 정보, 7천 여 개의 노드로 구성된 실내외 경로, 약 40여 개의 건물별 무선랜 신호지도 구축 작업을 수행했다.
이렇게 수집된 정보는 작년 3월 연구팀이 개발한 글로벌 실내 위치인식 시스템인 KAILOS(KAIST Indoor Locating System)에 적용해 일반에 공개하고 있다.
KAILOS는 사용자 참여 방식(크라우드 소싱)으로 전 세계 실내지도와 신호지도를 모아 실내 내비게이션 서비스를 제공하는 실내 GPS 시스템이다. 실내지도 등록, 무선신호 수집 툴, 실내 경로 설계 툴 등을 갖추고 있다.
그 외에도 위치인식 정확도 가시화 툴, 실내외 통합 위치인식 시스템 등을 추가할 예정이다.
연구팀은 대학 뿐 아니라 지하철 및 버스 환승 구역, 실내 외 쇼핑몰이 공존하는 지역 등 통합 내비게이션 서비스가 요구되는 지역을 대상으로 적용 영역을 넓힐 예정이다. 궁극적으로는 상용 실외 내비게이션 시스템과 연계시키는 것을 목표로 한다고 밝혔다.
한 교수는 “길 안내 서비스에 머무르지 않고 캠퍼스 라이프 로깅, 출결 체크 자동화 등으로 발전시킬 것이다”며 “새로운 교육 및 연구 환경을 제공하는 위치 기반 스마트 캠퍼스로 발전시킬 계획이다”고 말했다.
□ 그림 설명
그림 1. Campus Atlas 앱 주요 화면
그림 2. KAIST 캠퍼스 외부 경로 설계가 완성된 모습
2015.09.02 조회수 10450 -
온라인 전기자동차 개발에 민간기업 큰 관심
- 관련 기술개발에 16개 기업에서 적극적인 참여의사 밝혀
우리대학 온라인 전기자동차 사업이 민간기업의 큰 관심을 사고 있다. 온라인전기자동차 사업단(단장 조동호 교수)은 지난 9월 1일 국내 기업 20개 업체가 참여한 가운데 관련사업 컨소시엄 구성을 위한 사업설명회를 문지캠퍼스에서 가졌다.
그 결과로 16개 업체가 컨소시엄 참여의향서를 접수했다. 대표적 기업은 전장품 분야의 현대중공업과 LS산전, 전선분야의 LS전선, 버스분야의 대우버스(주), (주)한국화이바, 운행 및 운영분야의 KT 등이다.
민간기업의 적극적인 관심표명에 따라, KAIST는 온라인전기자동차 개발에 필요한 산학협력 체제를 구축하고, 관련기업의 기술 및 자본과의 적극적인 상호교류와 투자를 통해 국책사업인 온라인전기자동차의 원천기술개발이 탄력을 받게 됐다.
배터리 및 충전문제를 비롯한 전기자동차가 가지는 문제를 해결함과 동시에 대한민국의 융합신산업을 창출하고 세계 자동차 산업의 미래를 선도할 온라인전기자동차(OLEV)를 개발하고 있다.
미국에서는 부시행정부 시절의 수소관련연구에서, 오바마 행정부로 바뀌면서 전기차 분야와 배터리 연구로 과학기술 분야의 연구기조가 바뀌었다. 일본에서도 전기차 연구에 대대적으로 투자하고 있다.
이러한 국제적인 연구환경 속에서 대한민국의 온라인전기자동차 개발이 성공적으로 수행되어 본격적으로 상용화될 경우, 우리나라가 급집전 플랫폼/ 동력관리 플랫폼 분야에서 국제표준을 주도하고 미래 세계 자동차시장에서 선도적인 역할을 수행할 수 있을 것으로 기대된다.
온라인전기자동차(OLEV)는 정차 및 주행 중에 도로에 매설된 전력선으로부터 무선으로 전력을 전송받아 구동에너지로 사용하거나 배터리를 충전하는 신개념의 전기자동차로써 전기자동차의 상용화를 크게 앞당길 수 있는 기술이다.
온라인전기자동차(OLEV) 연구팀은 도로 표면과의 충분한 이격거리에서 실용화수준의 효율성 확보, 전자파 안전성 보장, 운행 중 좌우 위치 오차 극복 등 상용화에 필요한 핵심원천기술을 확보하여 국제적으로 가장 앞서고 있다는 평가를 받고 있다.
또한 정부와 지방자치단체의 지원으로 이미 2009년에 서울시와 제주도에서 온라인전기버스 시험사업을 진행할 예정이고 2010년에는 서울시의 특정버스 노선에 온라인 전기버스를 시범 투입하기로 결정하여 본격적인 온라인 전기버스의 대중교통 시대를 맞이하게 되었다.
2009.10.12 조회수 13668