[헤럴드경제=이정아 기자] 국내 연구진이 미래 친환경 에너지원이지만 고-위험성 가스로 분류돼 있는 수소를 이용해 고감도 저가형 센서를 개발했습니다. 이 센서는 스마트폰 등 모바일 기기, 미래형 자동차, 우주 탐사복 등에 웨어러블 센서로 적용될 수 있을 것으로 기대됩니다.

미래 에너지원으로 부각되는 수소는 가장 흔한 원소입니다. 연소 시 1g당 28,680cal의 많은 에너지를 방출할 뿐만 아니라 연소되거나 전기로 변환되면서도 환경에 무해한 물을 만들어 내기 때문입니다.

나노갭 수소 센서를 이용해 실제 수소 검출 테스트를 진행하는 모습. 센서에 붙인 전극 양단에 도선을 연결하고, 전압 인가장치를 이용해 센서에 일정한 전류가 흐르도록 한 뒤 일정한 농도의 수소를 유리관 속으로 흘려주면 센서를 통해 전류 크기의 변화를 확인할 수 있다.

하지만 수소는 색깔이 없고 다량으로 인체에 흡입될 경우 순환계에 이상을 일으켜 사망에 이르게 할 수도 있습니다. 밀폐된 공간에 수소가 4% 이상의 부피를 차지하면 매우 폭발성이 높은 고-위험성 가스이기도 하고요. 이로 인해 철저한 수소 모니터링, 누수관리, 제어 시스템이 필요한데요. 이 경우 비용이 많이 든다는 단점이 뒤따르게 됩니다. 

이같은 한계를 극복하기 위해 광주과학기술원 정건영 교수와 박유신 박사과정생은 수소의 나노갭에 주목했습니다. 나노갭은 수~수십 나노미터(10억분의 1ｍ) 크기의 빈 공간을 일컫는데요. 연구진은 금속 전사 공정을 이용해 너비 약 650㎚ 인 팔라듐 리본을 정렬하고 각 팔라듐 리본들 사이에 형성된 나노갭을 열고 닫는 방식으로 동작하는 수소 가스센서를 제작했습니다. 저전력으로 또 적은 면적으로 동작하는 고감도 저가형 수소센서인 것이죠.

세로방향으로 완전하게 분리돼 정렬된 나노갭을 형성하기 위해 굽힘기(bending machine)로 그림과 같이 3mm 이하의 곡률 반경으로 굽힘을 일정 시간 유지시켜주면 플라스틱 기판의 변형으로 인해 아래 그림과 같이 완전하게 분리돼 정렬된 나노갭 어레이를 얻을 수 있다. 수소가 유입되면 나노갭들이 동시에 닫히고, 수소가 차단되면 동시에 열리며 센서가 작동하게 된다.

연구팀이 이번에 개발한 팔라듐 리본 구조물에 수소가 유입되면 팔라듐 나노리본이 팽창하면서 나노갭이 닫히고 수소 감지 후 3~4초만에 전기 신호를 줍니다. 현재까지 보고된 비-팔라듐 기반 센서보다 수천 배 이상의 감도를 지녔고 반복적인 수소 노출 환경에서도 물질 또는 구조의 손상 없이 감지 특성이 일정하게 유지되는 특성을 지녔습니다.

정건영 교수는 “수소 감지 센서의 차세대 물질로 알려진 팔라듐을 쉽고 정밀하게 정렬하는 기술을 개발했다”며 “나노갭을 이용하는 개폐(on-off)식 수소 감지센서는 소형화가 가능하고 고감도 및 저전력으로 구동해 향후 스마트 폰 같은 모바일 디바이스에 쉽게 접목 가능하다”며 연구 의의를 밝혔습니다.

연구 결과는 재료과학 분야의 권위 있는 학술지 ‘Advanced Materials’ 온라인판(6일자)에 게재됐습니다.

dsun@heraldcorp.com