KIST·고려대, 수소가스 누출 감지 비접촉식 광센서 개발

최근 국내 연구진이 청정에너지로 떠오르는 수소가스의 누출을 감지하는 초정밀 비접촉식 광센서를 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST)과 고려대의 공동 연구팀은 전자기파의 특정 신호를 증폭시키는 메타물질과 특정 가스와 반응하는 금속을 이용해 극미량의 가스 누출에 의한 금속 광신호 변화를 측정하는 센서를 개발했다고 20일 밝혔다.

수소는 연료로 사용 시 이산화탄소를 전혀 배출하지 않고 물로 변하기에 청정 에너지로 꼽힌다.

그러나 반응성이 높고 산소 없이도 발화가 가능해 밀폐된 공간에서 4% 이상 농축될 경우 폭발 위험이 있어 관리에 주의가 필요하다.

그러나 기존에 사용하던 농도 센서는 전기식으로 작동하기에 스파크를 통한 수소 폭발을 방지하기 위해서는 접촉하지 않고도 농도를 측정하는 기술이 필요했다.

이에 공동 연구팀은 공기 중의 수소가스를 0.25% 수준의 극미량까지 감지할 수 있는 ‘비접촉식 광센서’를 개발했다.

KIST와 고려대학교의 연구팀이 개발한 비접촉식 광센서 모식도 [KIST 제공]

연구팀은 먼저 가스에 민감하고 테라헤르츠파 대역 신호를 증폭할 수 있는 메타물질을 개발했으며, 이 메타물질 표면에 수소와 민감하게 반응해 물 분자를 형성하는 팔라듐 수소화물을 덧씌워 신호 민감도를 극대화했다.

공기 중의 수소가 팔라듐에 흡착되면 수소와 산소가 반응하며, 이때 생성되는 물 분자로 인한 테라헤르츠 전자기파 변화를 분석하면 0.25% 농도의 수소도 검출할 수 있다는 원리다.

테라헤르츠 전자기파는 주파수 대역이 매우 넓어 가스 분자의 고유 진동에 민감한 분광법에 활용하며, 다양한 가스나 DNA·아미노산 등 분자들의 미세한 정보 차이까지 확인할 수 있다.

한편 연구팀은 해당 비접촉식 테라헤르츠 센서의 팔라듐 수소화물을 다른 가스나 물질과 반응하는 금속으로 바꾸면 다양한 독성·위험 가스 누출 감지에도 활용 가능하다고 전했다.

또 원래 팔라듐 같은 금속수소화물은 사용 후 복구가 어려워 일회성으로 사용되고 버려지지만, 이번 연구를 통해 팔라듐을 재사용하는 특수 처리기술도 개발했다고 밝혔다.

고려대학교 유용상 교수는 “이번 연구는 단순히 테라헤르츠파 측정을 넘어 금속 표면에서 일어나는 다양한 기체 흡착 및 탈착 과정을 시각적으로 확인했다는 점에서 그 의미가 크다”라고 말했다.