[가스신문=남영태 기자] 한국과학기술원 신소재공학과 김일두 교수 연구팀이 미국 캘리포니아대학 어바인 캠퍼스 화학과 패너 교수와의 공동 연구를 통해, 대기중 1% 수준 농도의 수소를 상온에서 7초 이내로 검출할 수 있는 초고속 센서 개발에 성공, 향후 수소차 등 다양한 산업에서 활용될 것으로 기대된다.

최근 전세계적으로 수소가 친환경 차세대 에너지원으로 주모받고 있는 상황에서, 무색·무취의 수소가 대기 중으로 누출 시 빠르게 검출할 수 있는 센서의 중요성은 지속적으로 거론됐다.

특히 미국 에너지부는 지난 2009년 국가 과제 공고를 통해 대기 중 1% 수소를 60초 이내에 감지할 수 있고 60초 이내에 회복하는 수준이 ‘안전한 수소 검출 기준’이라고 제시한 바 있다.

이에 한-미 공동연구팀은 상온에서 수백㏙ 수준의 극미량 수소를 정밀하고 신속하게 감지할 수 있도록 초고감도 감지 소재를 개발, 기존 팔라듐 센서의 한계를 극복하기 위해 수소의 선택적 투과가 가능한 금속유기구조체를 팔라듐 나노와이어 어레이(array) 위에 결합했다.

연구팀 관계자는 “이 금속유기구조체는 각각 0.34㎚와 1.16㎚의 아주 작은 구멍들로 구성된 표면적이 매우 높은 다공성 물질”이라고 설명했다.

연구팀에 따르면 수소는 상온에서 0.289㎚의 운동지름을 갖기 때문에 0.34㎚의 구멍보다 작아 금속유기구조체 내부를 쉽게 통과할 수 있다. 그러나 0.34㎚보다 큰 가스들은 금속유기구조체 내부를 투과하기는 어렵다.

연구팀은 이 원리를 활용해 수소가스만을 선택적으로 투과하는 데 성공했고, 더불어 팔라듐 나노와이어와 수소의 반응을 촉진시켜 초고속으로 수소를 감지할 수 있음을 확인했다고 밝혔다.

KAIST 김일두 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.

이에 연구팀은 개발된 금속유기구조체는 각각 0.34㎚와 1.16㎚의 아주 작은 구멍들로 구성된 표면적이 매우 높은 다공성 물질이라고 설명했다.

한편, 이번 연구는 재료분야의 권위 학술지 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano)’ 9월호 표지 논문에 선정됐다.