WO3-Pd 기반 다중 모드 수소 감지가 가능한 가스 센서 패키지 모듈 최적화 연구 : 넓은 수소 농도 범위에서 작동하는 Pd-Ni 촉매 기반 방폭 패키지 가스 센서 개발 연구
Optimization study of a WO3-Pd based multi- mode hydrogen detection gas sensor package module
- 주제(키워드) Hydrogen sensor , Chemochromic , Multi-Mode hydrogen sensor
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 서형탁
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000034711
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
수소는 청정 에너지원으로 주목받으며 다양한 산업 분야에서 사용량이 급격히 증가하고 있다. 하지만 수소는 가볍고 누출되기 쉬우며, 공기와 반응 시 폭발의 위험이 있어 안전한 사용을 위한 철저한 모니터링이 필수적이다. 이에 따라 수소 누출을 신속하고 정확하게 감지할 수 있는 수소 센서 시스템의 필요성이 대두되고 있다. 기존의 수소 센서 기술은 감지 한계, 반응 속도, 내구성 등의 측면에서 한계가 있어 이를 개선하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, 다양한 환경 조건에서도 신뢰성 있게 작동하는 고성능 수소 센서 개발이 중요한 과제로 떠오르고 있다. 본 연구에서는 수소 센서 모듈의 구조적 개선과 감지 성능 최적화를 통해 안전하고 효율적인 수소 에너지 사용을 지원하는 기술을 제안했다. WO₃(삼산화 텅스텐)는 수소와 반응하면 독특한 변색 특성을 나타낸다. WO₃는 원래 투명하거나 옅은 노란색을 띠지만, 수소 분위기에서 환원 반응이 일어나면서 WO₃의 결정 구조 내에 수소 이온(H⁺)이 삽입된다. 이로 인해 WO₃는 전자전도성을 갖게 되며 색상이 청색 또는 짙은 푸른색으로 변하게 된다. 이러한 변색은 수소 농도에 따라 다르게 나타나며, 수소와의 반응 속도 및 색상의 변화 정도를 통해 수소 감지의 정량적 분석이 가능하다. 따라서 WO₃의 변색 특성은 수소 센서의 색 변화 감지 메커니즘에 활용되어 시각적으로 수소 누출을 확인할 수 있는 중요한 기능을 제공한다. WO3의 두께와 수소 해리 촉매인 Pd의 두께를 조절하여 최적의 전기신호식 및 변색 기능이 탑재된 다중 모드 수소 센서를 개발했다. 우선 RF-magnetron Sputtering을 사용해 WO3를 증착하였다. 이후 수소 해리 촉매인 Pd을 E-beam Evaporator를 통해 증착하였다. 이후 TEM, FE-SEM 및 AFM 분석 장비를 통해 구조적 분석을 진행하였으며, RF-magnetron Sputtering으로 증착한 WO3가 원기둥 형태의 다공성 수직 nano columnar의 구조로 성장한다는 것을 확인했다. 이는 Pd이 해리한 수소를 WO3 막 내부까지 빠르게 확산시킬 수 있는 이동 경로를 제공하여 수소 반응성을 촉진한다는 것이 나타났다. 또한 센서의 수소 반응성을 각각 MFC sensor probe station을 통해 전기식 신호를, UV-Vis를 통해 센서의 변색 신호를 분석했다. WO3와 Pd은 최적의 두께를 달성하였고, 전기식 신호에서 ppm level~10% H2농도에서 5초 이내 검지가 가능한 resolution을 확보하였다. 또한 변색 신호에서 색차값 변화량(dE) 53.64, 투과도 변화량(ΔT) 34%의 수소 검지 색 변화 특성을 확인하였다. 마지막으로 개발한 센서를 모듈화하여 알람 기능 및 가스 흡입 기능이 탑재된 다중 모드 수소 감지 센서 시스템을 개발하였다.
more목차
제 1장 서론 1
1. 연구의 배경 및 동기 1
2. 이론적 배경 5
가. Tungsten trioxide(WO3) 5
나. Palladium(Pd) 7
다. 케모크로믹(Chemochromic) 9
라. Nickel(Ni) 11
제 2 장. Sputtering 및 E-beam 방식으로 제조된 WO3-Pd 다중 모드 센서 특성 분석 12
1. 서론 12
2. 실험 방법 14
가. RF-magnetron sputter 14
나. E-beam evaporator 15
3. 실험 결과 및 고찰 18
가. WO3 18
나. Pd 23
다. 전기 신호 측정 27
라. 변색 신호 측정 31
마. 모듈 패키지 34
4. 결론 36
제 3 장. 넓은 수소 농도 범위에서 작동하는 Pd-Ni 촉매 기반 방폭 패키지 가스 센서 개발 연구 38
1. 서론 38
2. 실험 방법 41
가. Fabrication of Pd-Ni 41
3. 실험 결과 및 고찰 43
가. TEM-EDS 43
나. 전기 신호 측정 45
다. 알칼라인 수전해 시스템 방폭 센서 패키지 제작 52
라. 알칼라인 수전해 장치 방폭 센서 설치 및 실증 55
4. 결론 58
제 4 장. 결론 59
참고문헌 61
