특허 개요
본 특허는 이차전지에서 누출되는 전해질 증기를 조기에 감지하는 나노구조체 산화물 가스 센서입니다. 배열된 고종횡비 나노구조체 표면에 n형 WO3와 p형 Cr2O3 등의 센싱물질을 형성하고, p-n 이종접합에서의 산소 흡착 및 전자 공핍층 변화를 이용해 DEC 등 전해질 증기에 따른 저항 변화를 증폭합니다. 프리패턴 측면 재증착과 제거를 활용하는 이차 스퍼터링 리소그래피로 라인형 나노구조체를 형성하는 제조방식도 포함합니다.
- 핵심 기능
공기 중에서 산소가 흡착된 WO3-Cr2O3 나노구조체에 전해질 증기가 접촉하면 이종접합의 전하 분포와 저항이 변화하며, 이를 전극을 통해 측정해 가스 존재를 판별합니다. 고종횡비 배열 구조가 가스 반응면적을 넓히고, 이차 스퍼터링 리소그래피는 프리패턴 측면에 센싱물질을 재증착한 뒤 패턴을 제거해 나노구조체를 형성합니다.
- 차별 강점
고가의 GC·MS·핵자기공명 장비는 소형화와 현장 설치에 제약이 있고, 기존 대체 센서는 저농도 전해질 누출의 신속한 감지와 성능 확보에 한계가 있었습니다. 본 특허는 WO3-Cr2O3 이종접합과 고종횡비 나노패턴을 결합해 반응면적 및 공핍층 제어를 함께 적용하고, 연속 제조를 지향하는 하향식 공정을 제시한 점에서 차별화됩니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 리튬이온전지 전해질 증기 감지, 나노구조체 산화물 센서, 배터리 열폭주 조기경보 및 가스 선택성 연구에 활용 가능하며, 전기차·ESS 배터리 팩 환경의 안전 모니터링으로 확장할 수 있습니다. 사업 측면에서는 배터리 제조·보관·운송 안전관리, 배터리관리시스템 연계 경보 모듈, 전기차 및 ESS용 화재 예방 센서 제품군으로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
WO3-Cr2O3 및 WO3-NiO 라인형 나노구조체 센서를 대상으로 공기 분위기에서 저항 변화를 측정하고, WO3 계열 나노구조체·박막 센서 및 종래기술과 비교했습니다. DEC 15ppb～5ppm 범위와 여러 비교 가스 조건에서 감지 특성을 확인했으나, 실제 배터리 팩의 복합 환경과 장기 사용 조건은 구체적으로 검증되지 않았습니다.
- 시험 시료: WO3-Cr2O3 및 WO3-NiO 라인형 나노구조체 센서
- 비교 대상: WO3, WO3-Pd, WO3-Pt 나노구조체와 WO3-Cr2O3 박막 센서 및 종래기술
- 측정 조건: 공기 하 Au/Ti 4-프로브 전극에 일정 바이어스를 인가하고 다중채널 시스템으로 저항변화 측정
- 가스 조건: DEC 15ppb～5ppm, 선택성 평가용 EMC·DMC·에탄올·아세톤·DEC·CO 각 5ppm
현재 성과
WO3-Cr2O3 나노구조체 센서는 15ppb DEC에서 응답 진폭(Rair/Rgas) 24.1을 나타냈습니다. 15ppb～5ppm의 시험 농도 범위에서 나노구조체 센서의 응답은 WO3-Cr2O3 박막 센서보다 크게 나타났습니다.
공기 분위기에서 Au/Ti 4-프로브 전극과 다중채널 측정 시스템을 사용해 센서 저항변화를 평가했습니다. DEC 농도 15ppb～5ppm과 여러 선택성 평가 가스 조건에서 측정했으며, DEC 검출한계는 2.359ppb로 제시되었습니다.
기존의 고가 분석장비 또는 일반 박막 센서와 달리, n형 WO3와 p형 Cr2O3의 이종접합을 고종횡비 나노구조체에 적용했습니다. 이차 스퍼터링 리소그래피로 프리패턴 측면 재증착을 유도해 나노패턴을 형성하고, 넓은 반응면적과 공핍층 제어를 함께 구현한 점이 차별점입니다.
상용화까지 남은 부분
실제 배터리 팩 환경에서 복합 전해질 성분, 습도 및 온도 변화에 따른 감지 선택성과 안정성 검증
장기 구동 수명, 반복 노출·회복 특성 및 센서 패키징을 포함한 신뢰성 평가
대면적 소자 제조 재현성 및 롤투롤 연속공정 기반의 제조 실증
배터리관리시스템과 연계한 경보 기준 및 실제 운용 환경의 성능 평가
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
나노구조체를 포함하는 이온전지의 전해질 가스 감지 센서 및 이의 제조방법
10-2024-0198318 (2024.12.27)
1020260087413 (2026.06.11)
미등록 (심사 중)
정희태 (한국과학기술원), 손승욱 (한국과학기술원), 강호형 (한국과학기술원)
한국과학기술원