KAIST·미 캘리포니아대 연구진
초고속 수소가스 감지 기술 개발
초고속 수소가스 감지 기술 개발
한·미 공동 연구진이 대기 중 1% 수준 농도의 수소가스를 상온에서 7초 이내에 검출할 수 있는 초고속 센서를 개발했다.
KAIST(총장 신성철)는 김일두 신소재공학과 교수팀이 미국 캘리포니아대학 레지널드 패너(Reginald M. Penner) 교수와 공동 연구를 통해 금속유기구조체가 코팅된 팔라듐 나노와이어 어레이 기반의 초고속 수소가스 감지소재 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.
수소가스는 친환경 차세대 에너지원으로 주목을 받고 있지만 작은 불씨에도 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.
연구팀은 상온에서 수백 ppm(100만분의 1) 수준인 극미량의 수소가스를 정밀하고 신속하게 감지할 수 있는 초고감도 감지 소재를 개발했다. 기존 팔라듐 센서의 한계를 극복하기 위해 수소를 선택적으로 투과하는 금속유기구조체를 팔라듐 나노와이어 어레이 위에 결합했다. 이 금속유기구조체는 각각 0.34㎚(나노미터·10억분의 1m)와 1.16㎚ 크기의 아주 작은 구멍들로 구성된 다공성 물질이다.
수소는 상온에서 0.289㎚의 운동지름(다른 분자와 충돌을 일으킬 수 있는 동역학적 지름)을 갖기 때문에 0.34㎚의 구멍보다 작아 금속유기구조체 내부를 쉽게 통과할 수 있다. 하지만 이보다 큰 가스들은 금속유기구조체 내부를 투과하기 어렵다. 연구팀은 이 원리를 통해 수소가스만을 선택적으로 투과하는 데 성공했고, 팔라듐 나노와이어와 수소가스 반응을 촉진시켜 초고속으로 수소가스를 감지할 수 있음을 확인했다.
김일두 교수는 "초고속 수소가스 센서는 친환경 에너지원인 수소가스 누출로 인한 사고 예방에 큰 도움을 줄 것"이라며 "금속유기구조체 기반 분자 필터링 기술을 활용해 대기 중 수많은 유해 가스를 정확히 감지할 수 있는 고속 센서 소재 개발이 가능해졌다"고 말했다.
이번 연구결과는 재료분야 국제 학술지 'ACS 나노'에 게재됐다.
남도영기자 namdo0@dt.co.kr
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