한국과학기술원(KAIST)은 윤준보 전기 및 전자공학부 교수, 서민호 부산대 의생명융합공학부 조교수(KAIST 졸업)팀이 넓은 범위 수소가스 농도를 무선으로 검출하는 고민감도 센서 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

연구팀은 팔라듐 금속을 3차원 나노구조로 설계해 나타나는 '팔라듐 상전이 억제 효과'를 통해 0~4% 농도 수소가스를 높은 선형성으로 감지하는 무선 가스 센서 기술을 개발했다. 상전이는 물질 기본 상태(결정성·고체·액체·기체) 사이 변화를 뜻한다.

수소가스는 에너지 효율성이 높고 연소 시 물을 생성하는 친환경적 이점 덕에 차세대 에너지원으로 주목받는다. 하지만 무색·무취 수소가스는 4% 이상 농도에서 쉽게 폭발하는 위험성이 있다.

다양한 방식의 수소가스 감지 기술이 있는데, 팔라듐 소재 기반 기술은 간단한 원리로 동작할 뿐만 아니라 상온에서도 수소가스를 선택적으로 감지할 수 있고, 반응 시 부산물이 없어 습도 안정성도 매우 우수하다.

하지만 팔라듐은 상온에서 2% 이상 수소가스에 노출되면 상 변이가 일어나면서 센서로서의 농도 범위가 제한되고 반응 속도가 지연되며, 내구성이 저해된다. 최소 4%까지 농도를 감지해야 하는 기초 요구 조건을 만족시키지 못한다.

연구팀은 얇고 납작한 3차원 나노구조를 팔라듐에 도입, 4%까지 수소가스를 정확하게 측정할 수 있는 무선 팔라듐 수소가스 감지 기술을 세계 최초로 개발했다.

팔라듐을 3차원 나노구조로 기판에 형성하면 수소가스 노출시에도 부피 팽창을 일으키지 않는다. 실제 연구진은 15나노미터(㎚) 두께, 160㎚ 폭으로 팔라듐 나노구조를 설계·제작했다. 이 센서 소자는 0.1~4% 수소가스를 98.9% 선형적으로 감지했다.

연구팀은 개발 소자에 BLE(Bluetooth low energy) 기술과 3D 프린팅 기술, 안드로이드 애플리케이션(앱)을 적용해 무선 수소가스 감지하는 센서 시스템도 시연했다. 센서와 20m 떨어져도 스마트폰이나 PC로 수소가스 누출을 감지할 수 있게 한다.

한편 이번 연구는 2022년도 과학기술정보통신부 재원으로 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업, 선도연구센터지원사업과 기본연구지원사업 지원을 받아 수행됐다.