수소 가스 폭발 위험, 색 변화로 사전에 감지

KIST 연구진

가스 감응형 변색 기술을 활용한 시험용 장치가 상온, 상압, 고습 환경에서 수소 가스 누출을 감지하고 있다. 한국과학기술연구원 제공

국내 연구진이 수소 가스가 누출된 지점을 색깔로 표시하는 변색 기술을 개발했다. 수소 가스는 산소와 만나면 폭발할 위험이 크다. 이번에 개발된 기술은 가스가 누출된 지점을 빠르게 확인할 수 있어 친환경 에너지원으로 주목받는 수소 가스의 안전성을 제고할 것으로 기대된다.

한국과학기술연구원(KIST)은 상온‧상압‧고습의 실제 환경에서 수소 가스가 누출된 지점을 색상 변화를 통해 쉽고 빠르게, 육안으로 확인할 수 있는 가스 감응형 변색 기술을 개발했다고 3일 밝혔다. 박유신 KIST 센서시스템연구센터 선임연구원팀과 유용상 고려대 바이오의공학과 교수팀이 수행한 연구다.  

팔라듐은 수소 흡수 특성이 우수해 수소 감지 센서 소재로 이용된다. 기존 센서는 수소를 흡수한 팔라듐의 전기적, 화학적 특성 변화를 정량적으로 검지하는 방식이다.

연구팀은 대기 중에 항상 존재하는 산소와 누출된 수소의 자발적인 촉매 반응과 이에 수반되는 물 생성 현상을 이용했다. 이를 위해 팔라듐 표면에 흡착된 수소와 산소의 촉매 반응으로 생성된 물 분자는 바로 증발하기 때문에 육안으로 관측하기 어렵다는 문제를 해결했다.

연구팀은 수소와 산소만 선택적으로 투과할 수 있는 고분자 박막의 위아래를 팔라듐 박막으로 감싸는 금속-고분자-금속 적층형 센서 구조를 개발해 박막 위에 나노미터 두께의 물 층이 형성되도록 했다. 이렇게 형성된 물 층은 센서의 빛 공명과 반사에 영향을 주어 육안으로 관찰되는 색상의 변화를 유도한다. 반대로 수소 가스 누출이 없다면 물이 서서히 증발해 처음 색상으로 돌아온다.

연구팀은 이와 같은 과정을 통해 염료 없이도 나노구조의 규격을 조절해 원하는 색상을 쉽고 저렴하게 구현할 수 있었다. 이 기술은 유리, 플라스틱 등 투명 기판에도 적용할 수 있을 뿐 아니라 소모 전력 없이 작은 크기로 제작할 수 있어 수소 플랜트, 자동차 연료전지 시스템 등 좁고 복잡한 수소 배관이 지나가는 곳 어디든지 쉽게 부착해 적용할 수 있다. 또 수소 가스를 선택적으로 흡수하고 배출하는 고분자 박막을 활용했기 때문에 온도와 습도 등 주변 환경의 변화에 영향을 받지 않고 동작할 수 있어 상용화 가능성이 높다.

유용상 교수는 “가시화 센서가 보급되면 수소 폭발 사고를 예방할 수 있어 수소 플랜트나 연료전지 가스 연결부를 제작하는 기업의 수요가 있을 것으로 기대한다”고 말했다. 박유신 선임연구원은 “이번 연구성과는 기존 저항식 및 전기화학식 수소 센서 기술의 난제인 수소 흡수에 의한 선명한 색상 변화를 구현할 수 있는 새로운 기술”이라며 “후속 연구에서는 더 낮은 수소 농도에서도 빠르게 동작하는 고성능 변색 센서 기술을 확보하는 것이 목표”라고 밝혔다. 연구결과는  광학분야 최상위 국제학술지 ‘포토닉스'에 6월 26일 온라인 게재됐다.

[박정연 기자 hesse@donga.com]