고농도 수소 정확하게 검출하는 무선 센서...KAIST "세계 최초"

(내외방송=정지원 기자) 수소가스를 4%까지 정확하게 측정할 수 있는 '무선 팔라듐 수소가스 감지 기술'이 세계 최초로 개발됐다.

KAIST는 28일 "윤준보 전기및전자공학부 교수와 서민호 부산대학교 의생명융합공학부 조교수 연구팀이 넓은 범위의 수소가스 농도를 무선으로 검출하는 고 민감도 센서 기술을 개발했다"고 밝혔다.

팔라듐 금속을 3차원 나노구조로 설계하면서 나타날 수 있는 팔라듐 상전이 억제 효과를 통해 0~4% 농도의 수소가스를 높은 선형성으로 감지하는 무선 가스 센서 기술이다.

상전이란 화학과 열역학 및 기타 관련 분야에서 일반적으로 물질의 기본 상태(고체, 액체, 기체) 사이의 변화를 말한다.

수소가스는 에너지 효율성이 높고 연소 시 물을 생성한다는 친환경적인 장점으로 차세대 에너지원으로 주목 받고 있다.

하지만, 색이 없고 냄새가 나지 않는 수소가스는 4% 이상의 농도에서는 발화에너지가 낮아져 폭발 위험성이 크기 때문에 주의 깊게 사용하고 관리해야 한다.

수소가스 감지 기술은 다양한 방식이 있지만, 팔라듐 금속 소재를 기반으로 한 기술은 수소가 팔라듐 내부 격자 사이에 해리돼(분자 등으로 분해돼 원래의 분자로 되돌아와서 얻을 수 있는 반응) 팔라듐 하이드라이드를 형성하면서 저항이 바뀌는 간단한 원리로 동작한다.

뿐만 아니라 상온에서도 수소가스를 선택적으로 감지할 수 있고, 반응 시 부산물이 없어 습도 안정성도 매우 우수하다는 장점이 있다.

단점도 있다.

팔라듐은 상온에서 2% 이상의 수소가스에 노출되면 상 변이가 일어나면서 문제를 일으킨다.

▲센서 노동 범위 제한 ▲반응 속도 지연 ▲내구성 저해 등으로 최소 4%까지 농도를 감지해야 하는 수소가스의 기초 요구 조건을 만족시키지 못한다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 나노미터 두께로 얇고 납작한 3차원 나노구조를 팔라듐에 도입해 4%까지의 수소가스를 정확하게 측정할 수 있는 무선 팔라듐 수소가스 감지 기술을 세계 최초로 개발했다.

팔라듐이 얇고 납작한 3차원 나노구조로 기판(전기회로 판)에 형성되면 팔라듐이 수소가스에 노출돼도 쉽게 부피 팽창을 일으킬 수 없게 되고, 내부에 높은 응력(저항력)이 발생한다.

이 응력은 팔라듐의 상전이 활성화 활성화 에너지를 높이는데, 연구팀은 이 현상을 이용해 4% 이상의 높은 수소가스 농도에도 상전이 없이 안정적으로 수소가스를 감지하는 팔라듐 나노구조를 개발할 수 있었다.

연구팀 관계자는 "이번 결과는 2% 이상 고농도에서 측정이 어려웠던 기존 팔라듐 기반 수소가스 센서의 문제점을 해결할 수 있는 새로운 기술을 개발했다는 점에서 중요한 의미가 있다"고 말했다.

특히 "이번 센서 기술이 향후 수소가스를 이용한 청정에너지 시대에 안전관리를 위해서 활발히 활용될 수 있을 것"이라고 기대했다.

이 연구는 올해 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 나노및소재기술개살바업과 선도연구센터지원사업, 기본연구지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

조민승 KAIST 전기및전자공학부 박사과정이 제1저자로 참여한 이 연구 결과는 국제 학술지 'ACS 나노(ACS nano)'에 지난달 27일 온라인에 게재됐으며 그 우수성을 인정 받아 추가 표지 논문으로 선정됐다(논문명: Wireless and Linear Hydrogen Detection up to 4% with High Sensitivity through Phase-Transition-Inhibited Pd Nanowires).