누출된 수소 가스 감지 및 농도 측정까지 가능한 센서 개발

폭발 위험성이 높은 수소 가스

팔라듐의 나노 갭을 활용

누출되는 수소 가스 재빨리 감지해 폭발에 대한 신속한 대처

[위즈덤 아고라 / 김현동 기자 ] 2022년 1월 4일, 김정민 대구경북과학기술원 나노융합연구부 선임연구원과 이우영 연세대 교수 연구팀은 수소 가스가 누출되는 순간 바로 신호를 알리고 누출된 수소 가스의 농도 측정이 가능한 센서를 개발했다고 발표했다. 

환경오염을 줄이고 녹색도시를 만드는 데 있어 화석연료가 아닌 수소를 활용한 자동차는 많은 주목을 받고 있다. 제로 보일 오프 기술, 암모니아를 활용한 수소 운반 등 수소를 안전하게 운반하는 데 있어 연구가 활발히 진행되고 있지만 아직까지는 상용화하는데 더 많은 시간이 필요하다. 

현재 우리나라 수소 충전소는 모두 기체 형태로 공급되는데, 수소 기체는 부피가 커 초고압으로 압축하기 때문에 폭발 위험성이 매우 크다. 수소는 전자가 하나밖에 없어 쉽게 산화가 되기 때문에 반응성이 크며 가연성 역시 높다. 2021년 12월 28일 당진 영덕 고속도로 유성터널 인근에서 수소 운송 트레일러가 폭발하는 사고가 일어나는 등 수소 농도가 4%에서 75% 사이일 경우 폭발하기 때문에 누출된 수소의 농도를 감지하는 센서가 더욱 필요하다.

이번에 개발된 센서는 팔라듐 금속의 나노 갭 기반 저농도 수소 고분해 검지기술을 개발한 것이다. 기존 팔라듐을 사용한 센서는 수소와 산화 팔라듐이 반응할 시, 팔라듐 입자로 환원되고 여기서 발생한 전도성 차이를 통해 수소 누출을 감지하는 것인데 정확한 수소 누출 농도를 측정하는데 어려움이 있었다. 

반면, 이번에 개발한 센서는 팔라듐의 나노 갭을 활용했다. 팔라듐은 수소에 대한 높은 흡수 용량을 가지고 있으며 최대 자체 무게의 900배 이상을 팽창할 수 있다. 수소 센서로 팔라듐을 활용할 때 나노 갭을 형성하면 수소가 침투할 때 팽창한다. 이때 나노 갭끼리 전기적으로 접촉되며 생기는 전류 변화를 분석하여 전기 센서로 사용할 수 있다. 특히, 누출되는 농도에 비례해 전류가 더 커지기 때문에 누출되는 가스의 양을 분석하는데 매우 용이하다.

연구진은 단가가 높던 기존 센서와 달리 비교적 저렴하고 유연한 PDMS (Polydimethylsiloxane) 기판에 팔라듐 금속을 입히는 방식으로 제작해 공정과 단가 부분을 개선했다. 

김정민 박사팀이 “이번 연구는 지난 10여 년간 진행해온 수소 감지 센서와 관련된 연구들을 모두 집대성해 효율적이고도 정확한 신개념 수소 감지 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.