이우영 교수팀, 신개념 금속 수소화물 성능 평가 시스템 개발

친환경 박막형 수소 저장 기술의 새로운 가능성 제시

세계적인 재료과학 분야 권위지 ‘Advanced Materials’ 게재

[사진. (왼쪽부터) 이우영 교수(교신저자), 캘리포니아공과대(Caltech) 김광묵 박사(제1저자), 이수민 석사과정 학생(제1저자), 이상길 석사과정 학생(제1저자)]

공과대학 신소재공학과 이우영 교수 연구팀은 기계적 응력의 영향에 대한 금속 수소화물 박막 시스템의 열역학적 특성을 전기 용량(Capacitance)을 이용해 효과적으로 분석하는 시스템을 세계 최초로 구현했다.

수소는 우수한 화석 연료 대체 물질이다. 고체 내부에 수소 원자를 저장하는 금속 수소화물 기반 수소 저장 시스템은 수소를 가장 안전하게 저장하는 방법이지만, 수소화 과정 중 체적 확장에 의한 기계적 응력이 금속 수소화물에 미치는 영향을 정확히 규명하는 것은 어려운 일이었다. 기판으로 인한 외부 제약의 환경에서 기계적 응력의 영향을 분석하기 위해서는 수소 분압을 실시간으로 변화시키며 측정하는 특수한 현미경 기술을 도입해야 하는데, 이는 국소적인 변화에만 중점을 두기 때문에 금속 박막의 전체적인 치수 변화와 소성 변형을 추정하지 못하기 때문이다.

이에 이우영 교수 연구팀은 이를 전기 용량의 변화로 분석해 냈다. 연구팀은 도핑된 실리콘(Si) 기판 위에 실리콘 탄성체(PDMS)와 금속 박막 및 패턴을 증착한 시스템을 구현해 금속과 기판 사이의 전기 용량을 측정했다. 금속 레이어의 수소화 및 탈수소화 과정 중 발생하는 면적 변화를 고해상도로 모니터링하고 정밀하게 분석하는 혁신적인 기술을 제안했다.

연구팀은 간단한 형태의 팔라듐(Pd)/실리콘 탄성체(PDMS)/실리카(SiO2) 시스템을 제작하고 수소 분압에 따른 전기 용량을 다양한 조건에서 측정해 기판 제약의 효과가 팔라듐 수소화물의 열역학적 특성에 미치는 영향을 조사했다. 수소 환경에서 팽창·수축하는 금속 박막의 미세한 면적 변화를 읽어 기판 제약의 강도가 수소화 과정에 미치는 영향과 소성 변형 양상을 분석했다.

연구 결과, 기판의 제약 응력이 다르더라도 탄성 변형 에너지와 팔라듐 수소화물의 상전이 분압이 일정하게 나타남을 밝혔다. 즉, 기계적 제약이 소성 변형을 통해 해소될 수 있는 시스템에서는 상전이 분압에 대한 기판 제약 강도의 영향이 미미함을 입증했다. 정밀한 측정을 통해 기계적 응력에 대한 금속 수소화물의 열역학적 행동을 효과적으로 규명한 것이다.

이우영 교수는 “이번에 개발한 전기 용량 기반 금속 수소화물 분석 시스템은 기계적-열역학적 관계를 탐구하기 위한 혁신적인 방법”이라며 “연구 결과는 박막형 금속 수소화물을 활용한 새로운 수소 저장 시스템 개발에 기여할 것”이라고 말했다.

본 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단 국가핵심소재연구단 및 혁신성장 선도 고급연구인재 육성 사업(KIURI) 등의 지원을 받아 이뤄졌으며, 김광묵 박사, 이수민 석사과정 학생, 이상길 석사과정 학생이 공동 제1저자로 연구를 수행했다. 연구 결과는 세계적인 재료과학 분야 권위지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 1월 5일 온라인 게재됐다.

논문정보

● 논문제목: Revealing the Substrate Constraint Effect on the Thermodynamic Behaviour of the Pd–H through Capacitive-Based Hydrogen-Sorption Measurement

● 논문주소: https://doi.org/10.1002/adma.202310333