KIST, 수소가스 극미량도 실시간 검출하는 '테라헤르츠파' 광센서 개발

한국과학기술연구원(KIST·원장 윤석진)은 상온·상압 환경에서 0.25% 수준 극미량의 수소 가스 누출까지 확인할 수 있는 비접촉식 테라헤르츠 광센서를 개발했다고 20일 밝혔다.

센서시스템연구센터 & KU-KIST 융합대학원의 서민아 박사팀이 유용상 고려대 보건과학대 바이오의공학부 교수팀과 이룬 성과다.

수소 가스는 누출이 쉽고, 밀폐 공간에서 4% 이상 농축되면 발화나 폭발 위험을 가진다. 생산·보관·운송 과정에서 안정성을 보장하기 위한 검지 기술이 필수다.

그러나 기존 전기식 센서는 전기 스파크가 발생하기 쉬워 수소 가스 폭발을 유발하는 위험성을 지니고 있다. 또 주류를 이루는 전극 기반 접촉식 센서들은 접촉 상태에 따라 신호 안정성에 영향이 있어 비접촉식 광센서의 필요성이 대두됐다.

테라헤르츠 전자기파는 주파수 대역이 매우 넓어, 가스 분자 고유 진동에 민감한 분광법에 적용하면 다양한 가스, DNA, 아미노산 등 분자들의 미세 고유 정보 및 차이점까지 해석 가능하다.

그러나 극미량 수소 가스와의 상호작용 확률이 낮고, 테라헤르츠파의 신호를 증폭하는 기술이 없어 실제로 활용되기 어려웠다.

팔라듐 촉매반응을 통해 변화하는 메타구조와 광학상수 및 생성되는 물 층 두께, 이에 따른 테라헤르츠 신호 변화 그래프.

연구진은 전자기파의 특정 대역 신호를 증폭시키는 메타물질을 이용해 극미량 가스에 의한 테라헤르츠 광신호 변화를 민감하게 측정할 수 있는 센싱 플랫폼을 개발했다.

메타물질에 팔라듐을 균일하게 도포해 14나노미터(㎚)의 좁은 공간을 형성함으로써 테라헤르츠 신호 민감도를 극대화시켰다.

팔라듐은 흡착 수소·산소 촉매 반응에 의해 표면에 물 분자를 생성하는 역할을 한다. 이후 수소 및 산소 가스 등을 개발한 센싱 플랫폼에 주입해 광학 신호 값을 분석한 결과, 수 분 이내로 가스 검출 여부를 탐지할 수 있었다.

팔라듐과 같은 금속수소화물은 상변이 후 다시 원래 상태로 돌아올 수 없는 비가역성을 가져 재사용이 어려운데, 연구팀은 특수 처리 기술로 샘플 재사용성을 확보했다. 또 나노미터 스케일에서 수소가 탈착되는 메커니즘을 광신호를 통해 비접촉식으로 실시간 추적하는 기술개발에 성공했다.

서민아 박사는 “기존 광 센서는 상온, 상압, 상습 환경에서의 신뢰도 측정이 매우 제한적이었는데, 민감도를 획기적으로 증대시켜 가스 뿐 만 아니라 다양한 생화학 물질을 극미량에서 검출하고 선별할 수 있는 유망 기술”이라면서, “이동식, 현장·현시 검사를 통해 각종 유해인자나 가스, 질병에 대해 즉각적으로 대처할 수 있는 시스템을 개발하는데 활용이 기대된다”고 밝혔다.

유용상 교수는 “테라파 측정기술뿐 아니라, 금속 표면에서 일어나는 다양한 기체 흡착 및 탈착 과정과 분자 단위의 화학반응 메커니즘을 시각적으로 확인할 수 있는 가능성까지 열었다”고 밝혔다.

연구결과는 재료분야 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈에 11월 23일 온라인 게재됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com