KAIST 김두일 교수팀 센서 개발

수소가스 탐지 센서 모식도. 사진=KAIST 제공
수소가스 탐지 센서 모식도. 사진=KAIST 제공
KAIST 김일두 교수 연구팀이 미국 캘리포니아대학 어바인캠퍼스 화학과 페너 교수와의 공동연구를 통해 대기중 1% 수준 농도의 수소가스를 상온에서 7초 이내에 검출할 수 있는 초고속 센서를 개발했다.

26일 연구진에 따르면 이 기술은 금속유기구조체가 코팅된 팔라듐(Pd) 나노와이어 어레이 기반의 초고속 수소가스 감지소재로, 수소 자동차 등 다양한 분야에서 활용 가능할 것으로 기대된다.

수소가스는 친환경 차세대 에너지원으로 주목받지만, 작은 불꽃에도 폭발을 일으킬 수 있는 위험한 가연성 물질이다. 수소가스의 폭발 하한계는 대기중 4%로, 무색·무취의 수소가스를 빠르게 검출할 수 있는 센서의 중요성이 커지고 있다.

미국 에너지부는 2009년 국가 과제 공고에서 대기중 1% 수소가스를 60초 이내에 감지할 수 있고 60초 이내에 회복하는 수준이 안전한 수소가스의 검출 기준이라고 제시했다.

1960년대 팔라듐과 수소가스 간 반응시 저항변화가 생기는 현상이 발견된 이후, 팔라듐 기반의 초고감도·초고속 수소가스 센서 개발을 위한 노력이 계속됐다. 그러나 공기중 산소를 포함한 방해 가스의 영향으로 상용화 수준의 성능을 갖추지 못했다.

김 교수 및 페너 교수 연구팀은 상온에서 수백ppm(part per million·100만분의 1) 수준의 극미량 수소가스를 정밀하고 신속하게 감지할 수 있는 초고감도 감지 소재를 개발했다. 연구팀은 기존 팔라듐 센서의 한계를 극복하기 위해 수소의 선택적 투과가 가능한 금속유기구조체를 팔라듐 나노와이어 어레이 위에 결합했다.

이 금속유기구조체는 각각 0.34㎚와 1.16㎚의 아주 작은 구멍들로 구성된 표면적이 매우 높은 다공성 물질이다. 수소는 상온에서 0.289㎚의 운동지름(kinetic diameter·다른 분자와 충돌을 일으킬 수 있는 동역학적 지름)을 갖기 때문에 0.34㎚의 구멍보다 작아 금속유기구조체 내부를 쉽게 통과할 수 있다. 하지만 0.34㎚보다 큰 가스들은 금속유기구조체 내부를 투과하기 어렵다.

이 원리를 통해 수소가스만을 선택적으로 투과하는데 성공했고, 더불어 팔라듐 나노와이어와 수소가스의 반응을 촉진시켜 초고속으로 수소가스를 감지할 수 있음을 확인했다.

김 교수는 "개발된 초고속 수소가스 센서는 친환경 에너지원인 수소가스의 누출로 인한 사고 예방에 큰 도움을 줄 것"이라며 "금속유기구조체 기반 분자 필터링 기술을 활용해 대기 중 수많은 유해 가스를 초고성능으로 정확히 감지할 수 있는 고속 센서 소재 개발이 가능해졌다"고 말했다.

한편, 구원태 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 재료 분야의 권위 있는 학술지 `에이씨에스 나노(ACS Nano)` 9월호 표지 논문으로 선정됐다. 김달호 기자

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ACS Nano 2017년도 9월호 표지 이미지
ACS Nano 2017년도 9월호 표지 이미지
팔라듐(Pd) 나노와이어 어레이 이미지 및 금속유기구조체가 코팅된 팔라듐 나노와이어의 주사 전자 현미경 이미지. 그리고 개발된 소재의 수소 가스 감지. 사진=KAIST 제공
팔라듐(Pd) 나노와이어 어레이 이미지 및 금속유기구조체가 코팅된 팔라듐 나노와이어의 주사 전자 현미경 이미지. 그리고 개발된 소재의 수소 가스 감지. 사진=KAIST 제공

김달호
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