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KAIST, 7초 내 대기 중 수소가스 탐지 센서 개발

김일두 교수 연구팀, 美 교수진과 공동연구 1%수준 수소가스 검출 가능
수소 자동차 등 다양한 분야 활용 기대
수소가스 탐지 센서 모식도(ACS Nano에 게재된 논문의 대표 이미지).<사진=KAIST>수소가스 탐지 센서 모식도(ACS Nano에 게재된 논문의 대표 이미지).<사진=KAIST>

대기 중 수소가스를 7초 내에 검출할 수 있는 초고속 센서가 개발됐다.

KAIST(총장 신성철)는 김일두 교수 연구팀이 미 캘리포니아 대학 어바인 캠퍼스의 레지날드 페너(Reginald M. Penner) 화학과 교수와 공동연구를 통해 대기 중 1% 수준 농도의 수소가스를 상온에서 7초 이내에 검출 할 수 있는 초고속 센서를 개발했다고 26일 밝혔다.

수소가스는 친환경 차세대 에너지원으로 주목받는다. 하지만 작은 스파크(spark)에도 폭발을 일으킬 수 있는 위험한 가연성 물질이다. 수소가스 폭발 하한계는 대기 중 4%로 무색, 무취의 수소가스를 빠르게 검출할 수 있는 센서의 중요성이 커지는 추세다.

미국 에너지부는 2009년 국가 과제 공고에서 대기 중 1% 수소가스를 60초 이내에 감지할 수 있고 60초 이내에 회복하는 수준이 안전한 수소가스 검출 기준이라고 제시한 바 있다.

1960년대 팔라듐과 수소가스 간 반응 시 저항변화가 생기는 현상이 발견된 후 팔라듐 기반의 초고감도, 초고속 수소가스 센서 개발을 위한 노력이 계속됐다. 하지만 공기 중 산소를 포함한 방해 가스의 영향으로 상용화 수준의 성능이 갖춰지지 못했다.

연구팀은 기존 팔라듐 센서의 한계를 극복하기 위해 수소의 선택적 투과가 가능한 금속유기구조체를 팔라듐 나노와이어 어레이 위에 결합했다.

금속유기구조체는 각각 0.34나노미터와 1.16나노미터의 아주 작은 구멍들로 상온에서 0.289나노미터의 운동지름을 갖는 수소가스만을 선택적으로 투과시킬 수 있었다.

연구팀은 이를 기반으로 상온에서 수백 ppm(백만분의 1) 수준의 극미량 수소가스를 정밀하고 신속하게 감지할 수 있는 초고감도 감지 소재를 개발했다. 이 기술은 향후 수소 자동차 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다.

구원태 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 재료분야 학술지 '에이씨에스 나노(ACS Nano)' 9월호 표지 논문에 선정됐다.

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 가능해 졌다"고 연구 의의를 설명했다.

◆용어설명
▲금속유기구조체 (metal-organic framework)는 금속 이온과 유기물 리간드가 배위결합을 통해 형성된 다공성 물질로, 표면적이 넓은 나노구조체다.
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