폴리머 나노 창살 옆벽에 팔라듐 코팅해
민감성 광 투과도 변화 필름 제작 후 적용
전원 공급 원활하지 않은 원격지 활용성 커


수소 가스는 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있지만, 누출 발생 시 폭발 위험이 커 지속적 모니터링이 필수다. 그러나 기존 수소 감지 장치들은 지속적인 전원 공급이 필요해 다양한 무선환경에서 장시간 사용하는데 제약이 있었다.

한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 박인규 교수, 전기및전자공학부 윤준보 교수, 포항공과대학교(POSTECH) 노준석 교수 공동 연구팀은 18일, 외부 전력 공급 없이 장기간 안정적으로 동작하는 무전원 수소 감지 센서를 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 유연한 폴리머 나노 창살(nano grating)의 한쪽 옆벽에 팔라듐(Pd)을 비대칭적으로 코팅하면, 팔라듐이 수소 분자를 흡수함에 따라 부피가 팽창하면서 폴리머 나노 창살이 기계적으로 굽혀 일종의 ‘커튼’과 같이 광 투과도 변화를 일으킨다는 것을 발견했다.

이러한 현상을 활용하여 태양전지 표면에 감지 막을 부착하면 수소 가스에 노출되었을 때 태양전지에 도달하는 빛을 가리고, 이는 태양전지 출력 변화로 이어져 외부의 전력 공급 없이도 수소 가스의 농도를 정밀하게 포착할 수 있다.

이번에 개발된 무전원 수소 감지 센서는 외부 전원 없이도 수소 가스의 농도를 정밀하게 예측할 수 있어 수소를 활용하는 다양한 무선 원격 환경에서 활용될 것으로 기대된다.

센서의 성능을 극대화하기 위해 수치 시뮬레이션을 통해 팔라듐 코팅 조건(입사각)을 최적화해 0.1%의 저농도 수소 가스에 대해서도 높은 센서 민감도를 달성할 수 있었고, 또한 반복적인 수소 가스 누출 및 습도 변화에도 안정적인 신호를 유지하는 것을 검증했다.

연구팀은 개발한 무전원 수소 센서를 모바일 장치에 탑재해 감지된 수소 농도를 스마트폰에서 원격으로 확인할 수 있는 시제품을 함께 선보여 실제 무선환경에서의 활용성을 높였다.

시제품은 수소 감지에 활용되는 태양전지뿐만 아니라 주변 광 세기 변화를 보상하기 위한 추가적인 태양전지를 탑재해 실시간 보상이 이뤄지며, 블루투스를 통해 스마트폰으로 신호를 전송한다. 스마트폰 앱에서는 수소 가스의 폭발 하한 농도인 4%를 초과했을 때 알람을 울린다.

박인규 교수는 “개발된 시제품은 센서 전원 공급이 원활하지 않은 원격지에서의 활용성을 크게 높여, 차세대 에너지원인 수소의 안전한 사용에 기여할 것으로 기대된다”라고 말했다.

한편, 한국연구재단의 선도연구센터 지원사업, 나노·소재기술 개발사업의 지원을 받아 진행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘ACS Nano’ 2020년 12월 자에 게재됐다.