전기 없이 실시간으로 보인다. 고려대, 무전원 수소 누출 감지 센서 개발

정전에도 맨눈으로 확인…수소 닿으면 ‘H₂’ · QR코드 등 숨겨진 문양 나타나

△수소 노출 전에는 숨겨져 있던 문양과 QR코드가 수소 반응 후 색 대비로 나타나는 정보 은닉형 센서.

전기가 끊겨도 수소 누출을 실시간으로 확인할 수 있는 무전원 센서가 개발됐다. 수소가 닿으면 센서의 색이 즉각 변해 별도의 전원이나 측정 장비 없이도 누출 여부를 확인할 수 있다.

고려대학교(총장 김동원) 보건과학대학 바이오의공학부 유용상 교수와 고려대 KU-KIST 융합대학원 김명기 교수 공동연구팀은 포스텍 노준석 교수, 경북대, 서강대 연구진과 함께 이 같은 수소 감지 센서를 개발했다고 8일 밝혔다. 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 《Advanced Materials》(IF=29.1)에 지난 1일 온라인 게재됐다.

*논문명: Morphology-Encoded Colorimetric Hydrogen Sensing Using Embedded Reactive Pd Absorbers in Fabry–Perot Cavities

*DOI: https://doi.org/10.1002/adma.74886

*URL: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.74886

수소는 색과 냄새가 없어 누출을 알아채기 어렵고, 기존 전자식 센서는 정전 시 작동하지 못한다. 연구팀은 팔라듐의 수소 반응과 빛을 가두는 광학 구조를 결합해 미세한 화학 반응을 눈에 보이는 색 변화로 증폭했다.

*팔라듐: 수소 흡수 금속 

그 결과 수소 노출 2초 만에 육안으로 구별 가능한 색 변화를 구현했다. 수소 주입·배출을 30회 이상 반복해도 초기 성능의 90% 이상을 유지했으며, 대기 중 60일간 보관한 뒤에도 초기 성능의 87~94%가 유지됐다.

센서는 얇은 PET 필름으로도 제작할 수 있어 수소 충전소, 수소차, 수소 배관 등에 부착할 수 있다. 특히 팔라듐의 배열을 달리하면 평소에는 보이지 않던 ‘H₂’ 경고문구, QR코드, 특정 문양 등이 수소 누출 때만 나타나도록 설계할 수 있다.

유용상 교수는 “팔라듐의 수소 반응을 단순히 이용한 것이 아니라, 팔라듐의 위치와 나노 형태를 광학 공진기 안에서 설계해 화학 반응을 큰 색 변화로 증폭시킨 것이 핵심”이라고 말했다.

김명기 교수는 “빛의 정상파와 반응성 소재 사이의 공간적 결합을 제어해 특정 화학 반응이 일어날 때만 소재의 변화를 빛으로 확인할 수 있다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.

연구팀은 향후 수소 안전 모니터링뿐 아니라 화학 반응을 시각적으로 보여주는 보안·디스플레이 소자 등으로 기술을 확대할 계획이다. 한편, 이번 연구는 보건복지부 재원의 한국보건산업진흥원(KHIDI) 한국형 ARPA-H 프로젝트와 과학기술정보통신부 재원의 한국연구재단(NRF) 지원으로 수행됐다. 

[첨부] 연구진 사진 

△ (좌측부터) 공동 교신저자 유용상 교수, 공동 교신저자 김명기 교수, 공동 제1저자 우현빈 (박사과정생), 공동 제1저자 김태현 (박사후연구원)

[첨부] 연구 이미지 

[그림1] 팔라듐의 위치와 나노 형태를 조절해 수소 반응을 구조색 변화로 변환하는 반응형 Fabry–Perot 수소 센서의 모식도

[그림 2] Fabry–Perot 공진기 내부의 팔라듐 위치에 따라 특정 파장의 빛 흡수와 반사색이 달라지는 모식도와 제작 방법

[그림 3] 고분자 표면에너지 조절로 형성한 평탄형 및 나노 입자형 팔라듐과 이에 따른 광학 특성 및 색깔 차이

[그림 4] 팔라듐 나노 형태에 따라 수소 반응 유래 계면 물방울의 형상과 구조색 변화