▲ (左부터) 정건영 광주과학기술원 신소재공학부 교수, 박유신 광주과학기술원 신소재공학부 박사과정생 , 금속 전사공정 후, 플라스틱 소재 위에 팔라듐 나노리본 어레이가 프린팅 된 수소 감지 센서의 실제 이미지.

국내 연구진이 미래 친환경 에너지원으로서 고-위험성 가스로 분류돼 있는 수소를 나노갭의 팽창-수축을 이용해 감지할 수 있는 고감도 저가형 센서를 개발했다.

향후 이 센서는 스마트폰 등 모바일 기기나 미래형 자동차에 탑재되거나, 웨어러블 센서로서 실험복이나 우주 탐사복 등에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

광주과학기술원 정건영 교수와 박유신 박사과정생이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부의 첨단융합기술개발사업(미래유망융합기술 파이오니어사업)과 한국연구재단 일반연구자지원사업의 지원으로 수행됐다.

현재 상업화된 수소감지 센서들은 설계가 복잡해 단가가 높고 제작이 어려웠다. 또한 상온에서는 수소 감지가 어려워 이를 보안하기 위한 가열장치를 부착해 제품의 소형화는 물론 스마트 폰 같은 유비쿼터스 제품 적용에 한계가 있었다.

이에 전세계 연구자들은 상온에서 수소를 흡착하는 기능이 있는 팔라듐을 활용해 상온 구동 및 소형화가 가능한 수소 감지센서를 제작 및 연구해왔지만 기존의 비-팔라듐 기반 수소 감지센서의 성능을 넘어서지 못했다.

이에 정건영 교수 연구팀은 팔라듐 기반 수소 감지 센서의 기본 성능(감도 및 감지 속도 등)을 높이기 위해 기존 연구에서 구현한 적이 없는 ‘주기적으로 정렬된 팔라듐 나노리본 구조물’ 형성 기술을 개발했고, 이를 바탕으로 수소 감지 센서를 제작했다.

연구팀이 개발한 ‘팔라듐 나노리본 구조물’에는 40nm(나노미터) 이하의 나노갭(nanogap)이 주기적으로 존재하며, 수소가 유입되면 팔라듐 나노리본이 팽창하면서 나노갭이 닫히고 수소 감지 후 3~4초만에 전기 신호를 주게 된다.

이번에 개발된 수소 감지 센서는 현재까지 보고된 비-팔라듐 기반 센서보다 수천 배 이상의 감도를 지녔으며, 반복특성(repeatability)과 수명(lifespan)이 크게 향상되었다.

정건영 교수는 “이번 연구는 수소 감지 센서의 차세대 물질로 알려진 팔라듐을 쉽고 정밀하게 정렬하는 기술개발을 했을 뿐 아니라, 형성된 나노갭을 이용하는 개폐(on-off)식 수소 감지센서는 소형화가 가능하고 고감도 및 저전력으로 구동하여 향후 스마트 폰 같은 모바일 디바이스에 쉽게 접목 가능하다”며 연구 의의를 밝혔다.

정교수는 실용화 까지는 빠르면 3년이내 가능할 것이라고 밝혔으며 향후에는 “수소센서 뿐 아니라, 이슈가 되는 이산화탄소를 포함한 다양한 가스를 감지할 수 있는 부착형 또는 IC칩 내재형 등의 상업화 수준의 부합하는 가스 센서를 제작하고 싶다”고 이야기 했다.


한편, 재료과학 분야의 권위 있는 학술지인 Advanced Materials에 10월 6일자 온라인판에 게재되었다. (논문명: Palladium nanoribbon array for fast hydrogen gas sensing with ultrahigh sensitivity)