KAIST 김일두 교수 연구팀이 미국 캘리포니아 대학 어바인 캠퍼스 화학과 페너(Reginald M. Penner) 교수와의 공동 연구를 통해 대기 중 1% 수준 농도의 수소가스를 7초 이내에 검출할 수 있는 초고속 센서를 개발했다.

이 기술은 금속유기구조체(metal-organic framework)가 코팅된 팔라듐(Pd) 나노와이어 어레이(array) 기반의 초고속 수소가스 감지소재로 향후 수소 자동차 등 다양한 분야에서 활용 가능할 것으로 기대된다.

수소가스는 친환경 차세대 에너지원으로 주목받지만 작은 스파크에도 폭발을 일으킬 수 있는 위험한 가연성 물질이다.

수소가스의 폭발 하한계는 대기 중 4%로 무색, 무취의 수소가스를 빠르게 검출할 수 있는 센서의 중요성이 커지고 있다.

미국 에너지부는 대기 중 1% 수소가스를 60초 이내에 감지하는 반응 속도 및 60초 이내의 회복 속도가 안전한 수소가스의 검출 기준이라고 제시했다.

1960년대 팔라듐(Pd)과 수소가스 간 반응을 통한 저항변화가 알려진 이후 팔라듐 기반의 초고감도, 초고속 수소가스 센서 개발을 위한 노력이 계속됐다.

그러나 공기 중 산소를 포함한 방해 가스의 영향으로 상용화 수준의 성능을 갖추지 못했다.

김 교수 및 페너 교수 연구팀은 상온에서 수백 ppm 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 0.34 나노미터, 1.16 나노미터(?)의 아주 작은 구멍들로 구성된 다공성 물질이다. 수소는 상온에서 0.289 나노미터의 운동지름(kinetic diameter)(용어설명)을 갖기 때문에 금속유기구조체 내부를 쉽게 통과할 수 있지만 0.34 나노미터보다 큰 가스는 구조체 내부를 투과하기 어렵다.

이 원리를 통해 수소가스만을 선택적으로 투과하는 데 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 소재로 적용 가능하다”고 말했다.

구원태 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 재료분야의 권위 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 9월호 표지 논문에 선정됐다.