'극미량 수소가스 감지' 비접촉식 테라헤르츠 광센서 개발

KIST·고려대 연구팀 "폭발 위험 없이 0.25% 수소가스 실시간 검출"

(서울=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 밀폐된 공간에서 4% 이상 농축되면 발화·폭발 위험이 있는 수소 가스를 0.25% 수준의 극미량까지 감지할 수 있는 비접촉식 광센서를 개발했다.

비접촉식 테라헤르츠 가스 광센서 구조와 수소 감지 실험 그래프 수소와 산소 농도 비율에 따라 팔라듐 촉매반응을 통해 변화하는 메타구조와 광학상수 및 생성되는 물 층(lay.er)의 두께, 그리고 이에 따른 테라헤르츠 신호 변화 관찰 [한국과학기술연구원 제공. 재판매 및 DB 금지]

한국과학기술연구원(KIST) 센서시스템연구센터 서민아 박사와 고려대 보건과학대 유용상 교수팀은 20일 전자기파의 특정 대역 신호를 증폭시키는 메타물질과 특정 가스와 반응하는 금속을 이용, 극미량의 가스에 의한 테라헤르츠파 광신호 변화를 측정할 수 있는 비접촉식 테라헤르츠 센서 플랫폼을 개발했다고 밝혔다.

수소는 미래 청정 에너지원으로 주목받고 있지만 모든 분자 중 가장 작고 가벼우면서 무색·무취의 성질을 가지고 있어 누출이 쉽고 밀폐 공간에서 4% 이상 농축되면 발화·폭발 위험이 있다.

이 때문에 수소 가스의 생산·보관·운송 과정에서 안전을 보장하려면 극미량 누출까지 감지할 수 있는 기술이 필요하다. 하지만 기존 전기식 센서는 전기 스파크 발생으로 수소 가스 폭발을 유발할 위험성이 있어 비접촉식 광센서 필요성이 대두했다.

연구팀은 가스에 민감한 테라헤르츠파 대역 신호를 증폭할 수 있는 메타물질을 개발하고, 메타물질 표면에 수소와 민감하게 반응해 물 분자를 형성하는 팔라듐 수소화물을 30㎚(나노미터=10억분의 1ｍ) 두께로 증착시키고 폭 14㎚의 좁은 공간을 형성, 테라헤르츠 신호 민감도를 극대화했다.

공기 중의 수소가 14㎚ 폭의 좁은 공간에 들어가면 팔라듐에 흡착되면서 수소와 산소 촉매 반응으로 표면에 물 분자가 생성되는데, 이때 테라헤르츠파 신호 값 변화를 분석하면 수분 이내로 0.25% 농도의 수소 가스까지 검출할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

테라헤르츠 전자기파는 주파수 대역이 매우 넓어 가스 분자의 고유 진동에 민감한 분광법에 활용하면 다양한 가스, DNA, 아미노산 등 분자들의 미세한 고유 정보 및 차이점까지 해석할 수 있다.

연구팀은 이번에 개발한 비접촉식 테라헤르츠 센서 플랫폼의 팔라듐 수소화물을 다른 가스나 물질과 반응하는 금속으로 바꾸면 다양한 독성·위험 가스 누출도 감지할 수 있다고 설명했다.

또 팔라듐 같은 금속수소화물은 상변이 반응 후 원래 상태로 돌아오지 않는 비가역성이 있어 재사용이 어렵지만, 이 연구에서 샘플을 재사용할 수 있는 특수 처리기술도 확보했다고 밝혔다.

유용상 교수는 "이 연구를 통해 테라헤르츠파 측정 기술뿐 아니라 금속 표면에서 일어나는 다양한 기체 흡착 및 탈착 과정과 분자 단위 화학반응 메커니즘을 시각적으로 확인할 수 있는 가능성을 열었다"고 말했다.

서민아 박사는 "이번에 개발한 광센서는 상온, 상압, 상습 환경에서 민감도를 획기적으로 높이고 다양한 생화학 물질을 극미량에서 검출, 선별할 수 있는 유망 기술"이라며 "앞으로 센서 민감도 향상과 산업화 추진을 위한 후속 연구를 진행할 계획"이라고 밝혔다.

이 연구 결과는 재료 분야 국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'(Advanced Materials. 11월 23일 자 온라인)에 게재됐다.

scitech@yna.co.kr

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