수소연료전지차 등 수소경제가 급성장하는 가운데 대구경북과학기술원(DGIST, 디지스트) 연구팀이 수소농도를 보다 정밀하고 신속하게 분석할 수 있는 기술을 개발했다.
디지스트는 나노융합연구부 김정민 박사팀이 연세대 이우영 교수팀과 팔라듐 금속의 나노갭 에 기반한 수소센서를 개발하는데 성공했다고 4일 밝혔다. 팔라듐은 원자번호 46번의 백금족 원소로, 수소를 잘 흡수하고 방출해 수소 정제나 수소센서, 자동차배기가스 촉매 등으로 많이 쓰이는 금속이다. 기존에도 팔라듐에 기반한 수소센서가 있지만, 이번에 개발한 기술은 수소에 노출 즉시 검지할 수 있고 농도를 정량적으로 분석할 수 있는 장점이 있다.
수소산업에 확대하면서 수소에 대한 불안감도 높다. 수소는 산소와 결합해 물을 만들기 때문에 저공해 에너지원이지만, 인화성과 폭발성이 높기 때문이다. 이에 따라 유출되는 수소가스를 빠르게 감지할 수 있는 센서 개발의 중요성도 높아지고 있다.
김정민 박사팀 등에 따르면 기존의 팔라듐 기반 수소센서는 산화팔라듐 입자가 수소와 만나면 산소와 수소가 결합하면서 산화팔라듐이 팔라듐으로 환원되고, 이때 일어나는 전기전도성의 차이를 통해 수소누출을 감지한다. 기존 센서는 전도성의 미세한 변화를 통해 수소의 누출을 감지하므로 정확한 수소 누출 농도 측정에는 한계가 있어왔다.
반면 이번에 개발한 ‘팔라듐 금속의 나노갭 기반 저농도 수소 고분해 검지기술’은 누출된 수소가스에 의한 팔라듐 금속의 팽창으로 나노갭을 매우고, 이로 인해 전기가 흐르면 누출을 탐지할 수 있는 원리다. 누출되는 수소가스의 농도에 비례해 흐르는 전류가 더 많아지는 특성을 활용해 누출되는 수소가스의 정량적인 분석에 매우 용이한 장점을 갖는다.
김정민 박사는 “이번 연구는 지난 10여 년간 진행해온 수소 감지 센서와 관련된 연구들을 모두 집대성해 효율적이고도 정확한 신개념 수소감지 센서의 대량생산을 위한 방법을 제시하고 있다”며 “기존의 센서보다 더 정확한 감지가 가능한 센서의 대량생산이 가능할 수 있도록 후속 연구를 계속해서 진행할 것”이라 말했다.
이번 연구 성과는 연세대 신소재공학과 이우영 교수팀과 공동연구를 진행됐다. 연구에는 디지스트 나노융합연구부 김정민 선임연구원과 연세대 신소재공학과 이현숙 연구교수가 제1저자로 참여했다. 아울러 연구 결과는 신소재 과학 분야의 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 지난해 11월 22일온라인 게재와 더불어 추가표지(Frontispiece) 논문으로 채택됐다.