한국과학기술원(KAIST)은 윤준보 전기 및 전자공학부 교수, 서민호 부산대 의생명융합공학부 조교수(KAIST 졸업)팀이 넓은 범위 수소가스 농도를 무선으로 검출하는 고 민감도 센서 기술을 개발
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.