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'폭발 위험' 1% 농도 수소가스 7초 안에 탐지한다

한미 연구팀 '1%의 수소 탐지 센서' 개발

(대전=연합뉴스) 박주영 기자 = 한국과학기술원(KAIST) 김일두 교수와 미국 캘리포니아대학 어바인캠퍼스 레지날드 페너 교수 공동 연구팀은 대기 중 1% 농도의 수소가스를 7초 이내에 탐지할 수 있는 센서를 개발했다고 26일 밝혔다.

수소가스 탐지 센서 모식도 [KAIST 제공=연합뉴스]
수소가스 탐지 센서 모식도 [KAIST 제공=연합뉴스]

무색·무취의 수소가스는 작은 스파크에도 불이 날 수 있는 가연성 물질이다.

대기 중 4% 이상이 되면 폭발을 일으킬 수 있어 빠르게 검출하는 것이 무엇보다 중요하다.

미국 에너지부 기준으로 대기 중 1%의 수소가스를 60초 이내에 감지할 수 있어야 수소가스 센서 기준을 충족하는 것으로 본다.

1960년대 금속 '팔라듐'(Pd)이 수소와 반응하면 저항 변화가 생긴다는 사실이 알려지면서 팔라듐 기반 센서 개발이 추진됐지만, 산소 등 대기 중 다른 가스의 영향 때문에 상용화에 어려움이 있었다.

연구팀은 다공성 구조의 '금속유기구조체'(metal-organic framework)를 팔라듐 기반 센서에 적용, 수소만 선택적으로 투과시키는 데 성공했다.

이 금속유기구조체는 지름 0.34나노미터(㎚·10억분의 1m)와 1.16나노미터의 매우 미세한 구멍들로 이뤄져 있어 표면적이 매우 높다.

수소는 상온에서 0.28나노미터의 운동지름을 갖고 있어 0.34나노미터 구멍보다 작기 때문에 금속유기구조체 내부를 쉽게 투과할 수 있다.

수소가스 감지 센서의 성능 [KAIST 제공=연합뉴스]
수소가스 감지 센서의 성능 [KAIST 제공=연합뉴스]

반면 다른 가스들은 금속유기구조체를 통과하지 못하기 때문에 필라듐 나노와이어와 수소가스의 반응을 촉진시킴으로써 센서의 성능을 높일 수 있다.

이번에 개발한 수소가스 센서는 상온에서 1만 ppm(1%, ppm은 100만분의 1 분자 단위)에서 최대 수백 ppm 수준의 극미량 수소가스를 7초 이내에 정밀하고 신속하게 탐지할 수 있다.

김 교수는 "친환경 에너지원인 수소가스의 누출로 인한 사고 예방에 기여할 수 있을 것"이라며 "금속유기구조체 기반 분자 필터링 기술을 이용해 다른 유해 가스 센서도 개발할 수 있다"고 말했다.

구원태 박사과정이 제1저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 '에이씨에스 나노'(ACS Nano) 이달 호 표지 논문으로 선정됐다.

왼쪽부터 김일두 교수·구원태 학생·페너 교수 [KAIST 제공=연합뉴스]
왼쪽부터 김일두 교수·구원태 학생·페너 교수 [KAIST 제공=연합뉴스]

jyoung@yna.co.kr

<저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지> 2017/09/26 14:20 송고

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