SAITN 전일 교수와 전일 교수 연구실 소속 김시혁 박사는 폴리이미드 (polyimide, 이하 PI)에 탄소나노튜브(carbon nanotube, 이하 CNT)를 내재화(임베딩)하여, 장기간의 오일 환경에서도 박리 없이 안정적으로 작동하는 고감도 아세틸렌(Acetylene, C2H2) 가스 센서를 개발했다고 밝혔다.

일반 대기와 달리, 오일에는 산소 함량이 2% 미만으로 극미량만 존재하므로, 전통적으로 탄화수소계 가스 검지에 활용되던 금속 산화물(metal-oxide) 기반 센서는 이 같은 저산소 환경에서 사용하기 어렵다. 또한 해당 센서들은 구동 온도가 약 300℃ 이상으로 높아야 하며, 분자 크기가 유사한 탄화수소 가스들을 구분해 감지하기 어렵다는 제한점을 지닌다.

이에 비해 CNT 기반 센서는 넓은 표면적과 약한 π-π 결합을 특징으로 하여 산화·환원 반응에 전적으로 의존하지 않고, 반데르발스 힘에 의한 물리적 흡착 원리를 통해 오일 내 가스를 감지한다. 이는 산소가 결핍된 유체 환경에서도 동작할 수 있음을 의미하며, 특히 트랜스포머 오일의 평균 작동 온도인 90℃에서도 우수한 감지 성능을 보인다.

그러나 기존 CNT 기반 센서는 주변 진동이나 오일의 대류 등 장기간의 환경 변동에 노출될 경우, CNT가 센서 표면에서 박리되어 실질적인 적용성이 떨어진다는 문제가 있었다. 더불어, 일반적인 CNT는 계면활성제 잔류물이나 나노튜브 간 번들링(bundling) 현상으로 감지층의 유효 표면적이 감소하여, 센서 감도와 반응·회복 속도 모두 저하되는 한계를 보인다.

전일 교수 연구팀은 국내 유일하며 세계적으로도 최고 수준의 FCCVD(Floating Catalyst Chemical Vapour Deposition) 기반 CNT 나노박막 필름 기술을 보유하고 있으며, 지난 10년간 이를 꾸준히 연구해 왔다. 전일 교수는 고품질의 CNT 필름을 PI 박막에 임베딩하여, 오일 환경에서 장기간 노출되어도 박리되지 않는 센서를 구현하는 데 성공하였다. 또한, 6개월 전에는 PI를 활용한 세계 최고 수준의 유연 CNT 센서를 재료 분야의 권위지인 Advanced Materials (IF: 29.4, https://doi.org/10.1002/adma.202313830)에 보고한 바 있다.

그림 1. (a)　PI에 임베딩된 Au-CNT C2H2 가스센서 제작 과정　(b) 제작된 센서 사진

또한, 센서의 특성을 더욱 향상시키기 위해 센서 층 하단부에 히터 층을 멀티레이어로 형성하여, 센서 표면의 온도를 최적 온도인 90도로 효율적으로 유지하였다. 상단부의 센서 부에는 투과율이 높은 얇은 CNT를 사용해 감도를 극대화하였으며, 하단부의 히터 부에는 투과율이 낮은 두꺼운 CNT를 사용해 히터 특성을 극대화하였다. 데모된 센서는 30 ppm의 농도에 노출되었을 때 약 10.4%의 우수한 반응성이 관측되었으며, 유중에서도 각각 444초와 670초의 빠른 반응/회복 속도가 관측되었다.  

그림 2. (a)　온도에 따른 센서 반응 특성　(b) 온도에 따른 반응/회복 속도 (c) 5-100 ppm에서의 감도 및 선형성 비교 (d) 90 oC에서의 반복성 (e) 히스테리시스 특성

본 연구팀은 ‘FCCVD CNT를 PI 박막이 임베딩해 센서로 응용한 기술이 유중에서도 CNT가 박리되는 것을 막아장기 안정성을 확보하는데 기여함을 확인하였으며, 향후 CNT 합성 최적화 및 AI 연계를 통해 더욱 향상된 성능의 화합물 센서를 개발 할 수 있다’고 밝혔다.

이번 연구 성과는 재료 분야 세계적 권위지인 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials, IF: 29.4; https://doi.org/10.1002/adma.202410179)에 지난 11월 28일에 발표되었으며, 지난 4월에 이어 6개월만에 2연속 게재에 성공하는 성과를 이루었다.

본 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단 과제 및 전일 교수의 창업기업인 ㈜제이랩엔티의 지원으로 수행되었다.

※ 논문제목: Highly Sensitive and Stable In Situ Acetylene Detection in Transformer Oil Using Polyimide-Embedded Carbon Nanotubes

※ 논문 원본파일:

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202410179