김용신 연구실
화학분자공학과
김용신
김용신 연구실은 에너지바이오학과를 기반으로 첨단 환경분석화학 및 센서 기술 개발에 주력하고 있는 연구실입니다. 본 연구실은 수소 에너지의 안전한 활용을 위한 수소 감지 센서, 환경 및 생명 현장에서의 신속 진단을 위한 종이 기반 미세유체 센서, 그리고 나노소재를 활용한 고감도 환경 및 화학 센서 등 다양한 연구 분야에서 국내외적으로 선도적인 성과를 내고 있습니다.
특히, 수소 에너지의 전주기 안전성 확보를 위한 핵심 소재 및 센서 개발에 집중하고 있으며, 팔라듐 산화물-금속유기골격체(MOF) 혼성 안료를 활용한 색변환형 수소 감지 센서, 실리콘 실란트 기반의 이중층 수소 감지 테이프 등 혁신적인 기술을 개발하여 산업 현장 및 다양한 수소 설비에 적용하고 있습니다. 이러한 기술은 저농도 수소의 신속·정확한 감지, 육안 판독 가능성, 높은 내구성과 안정성 등에서 큰 강점을 보이고 있습니다.
또한, 종이 기반의 미세유체 소자 및 환경 분석 센서 분야에서도 활발한 연구를 진행 중입니다. 종이 pH 센서, 암모니아 및 포름알데히드 감지 센서, 자발 구동형 종이 펌프 등은 저비용, 신속성, 현장 적용성에서 탁월한 성능을 보이며, 환경 오염물질의 신속 진단, 식품 신선도 모니터링, 생물학적 시료 분석 등 다양한 응용 분야에 활용되고 있습니다.
나노소재 기반의 환경 및 화학 센서 개발 역시 연구실의 중요한 축입니다. 금속산화물, MOF, 나노클레이, 탄소나노튜브, 그래핀 등 다양한 나노소재를 활용하여 고감도·고선택성 센서를 개발하고 있으며, 중금속 이온 제거, 유해 가스 감지, 바이오센서 등 다양한 환경 및 산업 현장에 적용하고 있습니다. 이러한 연구는 국내외 특허, 논문, 산학협력 프로젝트 등으로 이어지며, 기술의 실용화와 산업적 확산에 크게 기여하고 있습니다.
연구실은 경기도, 안산시 등 지방자치단체 및 다양한 정부 부처와의 협력 프로젝트를 통해 연구 성과를 실제 산업 및 사회 현장에 적용하고 있으며, 다수의 특허 등록, 국내외 학술대회 발표, 우수 논문상 등 다양한 수상 경력을 보유하고 있습니다. 앞으로도 김용신 연구실은 환경 및 에너지 분야의 혁신적인 센서 및 분석 기술 개발을 통해 지속적으로 사회적 가치를 창출할 것입니다.
수소 감지 및 안전 센서 기술
김용신 연구실은 수소 에너지의 안전한 활용을 위한 첨단 수소 감지 센서 개발에 중점을 두고 있습니다. 최근 수소 에너지의 산업적 활용이 확대됨에 따라, 수소 누출로 인한 폭발 및 화재 위험을 사전에 감지하고 예방하는 기술의 중요성이 크게 부각되고 있습니다. 본 연구실은 팔라듐 산화물(PdO) 기반의 금속산화물-금속유기골격체(MOF) 혼성 안료를 활용한 색변환형 수소 감지 센서, 그리고 실리콘 실란트 기반의 이중층 구조를 갖는 수소 감지 테이프 등 다양한 형태의 센서를 개발하고 있습니다.
이러한 센서들은 저농도 수소를 신속하고 선택적으로 감지할 수 있으며, 색상 변화를 통해 육안으로도 쉽게 수소 누출 여부를 확인할 수 있도록 설계되었습니다. 특히, MOF의 미세기공 특성을 이용해 수소 분자만을 선택적으로 감지하고, 전자 에너지 변화를 통한 감지 반응성 향상 및 빠른 흡탈착 속도를 실현하였습니다. 또한, 센서의 외부가 보호되어 피독 현상이 감소하고, 물질의 안정성도 크게 향상되었습니다.
연구실은 이러한 기술을 바탕으로 다양한 수소 설비 부품 및 산업 현장에 적용 가능한 실용적 센서 솔루션을 제공하고 있습니다. 실제로 다수의 특허 등록과 경기도, 안산시 등 지방자치단체와의 협력 프로젝트를 통해 수소 에너지 전주기 안전성 확보를 위한 핵심 기술 개발에 앞장서고 있습니다.
종이 기반 미세유체 및 환경 분석 센서
본 연구실은 종이 기반의 미세유체 소자와 환경 분석 센서 개발 분야에서도 국내외적으로 독보적인 연구 역량을 보유하고 있습니다. 종이 기반의 pH 센서, 암모니아 및 포름알데히드 감지 센서, 자발 구동형 종이 펌프 등 다양한 종이 마이크로플루이딕 디바이스를 개발하여 환경 현장검사(POCT), 식품 신선도 모니터링, 수질 및 대기 오염 감지 등 다양한 응용 분야에 적용하고 있습니다.
이러한 종이 기반 센서는 저비용, 간편한 제작, 신속한 분석, 그리고 육안 판독이 가능하다는 장점을 가지고 있습니다. 예를 들어, 비색법을 이용한 종이 pH 센서는 중공-종이 통로 구조를 활용하여 시료의 빠른 이동과 정확한 pH 측정이 가능하며, 색상 변화로 눈금 형태의 결과를 제공하여 사용자의 편의성을 극대화하였습니다. 또한, 종이 기반 암모니아 센서는 Berthelot 반응을 변형하여 선택적이고 민감한 암모니아 검출이 가능하며, 식품 신선도 모니터링을 위한 휘발성 질소화합물 감응형 센서도 개발하였습니다.
이와 같은 연구는 환경 오염물질의 현장 신속 진단, 식품 안전성 평가, 생물학적 시료 분석 등 다양한 사회적 요구에 부응하고 있으며, 관련 특허와 논문, 국내외 학술대회 발표를 통해 그 우수성이 입증되고 있습니다.
나노소재 기반 환경 및 화학 센서
김용신 연구실은 나노소재를 활용한 환경 및 화학 센서 개발에도 활발한 연구를 수행하고 있습니다. 금속산화물, 금속유기골격체(MOF), 나노클레이, 탄소나노튜브, 그래핀 등 다양한 나노소재를 기반으로 한 고감도, 고선택성 센서를 개발하여 수질, 대기, 산업 현장 등에서의 유해 화학물질 감지에 적용하고 있습니다.
예를 들어, Fe3O4@ZIF-8 나노복합체를 이용한 중금속(구리 이온) 제거용 흡착제, PdO/ZnO@ZIF-8 기반의 수소 감지 안료, 그리고 폴리피롤/WO3 나노섬유 기반의 암모니아 센서 등은 모두 나노소재의 고유한 표면적, 선택성, 반응성을 극대화하여 기존 센서 대비 뛰어난 성능을 보이고 있습니다. 또한, 전기화학식 가스 센서, 전기방사법을 이용한 나노섬유 센서, 표면개질 및 복합화 기술을 접목하여 다양한 환경 및 산업용 센서 솔루션을 제시하고 있습니다.
이러한 연구는 환경오염 감시, 산업 안전, 바이오센서 등 다양한 분야에서 실질적인 파급효과를 창출하고 있으며, 국내외 특허, 논문, 산학협력 프로젝트 등을 통해 기술의 실용화와 산업적 확산에 기여하고 있습니다.
1
Highly affordable electrothermal actuators based on an embedded Cu microheater with a high-resolution pattern
김용신
SENSORS AND ACTUATORS A-PHYSICAL, 2024
2
A digital bar pH indicator based on a microfluidic paper-based analytical device
김용신
MICROCHEMICAL JOURNAL, 2024
3
Enhanced colorimetric detection of hydrogen using PdO-decorated ZnO covered with a metal-organic framework membrane
김용신
INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY, 2022
1
(응용4)안전성 확보를 위한 수소 센싱 기술 개발_경기도/대학
2
(응용4)안전성 확보를 위한 수소 센싱 기술 개발_안산시( 보템e)
3
(총괄_공통경비)수소에너지 전주기 핵심소재 연구센터_경기도
