실시간 극미량 수소가스 누출 검출 가능한 신개념 테라헤르츠파 광센서 개발

[이뉴스투데이 수도권취재본부 권오경 기자] 전 세계적으로 온실가스의 배출을 줄이자는 패러다임에 맞춰 수소 에너지는 미래 친환경 에너지원으로 각광 받고 있으며, 지구 기온 이상 현상에 대한 대비로 전 세계적으로 신산업분야로 여겨지고 있다.

미래 에너지 산업의 대표주자로 급격하게 성장하면서, 수소 가스의 생산 및 저장과 운송 등의 기술 개발이 활발하게 이뤄지고 있지만, 생산·보관·운송의 안정성을 더해주어 미래 에너지로서의 주 에너지원이 되기 위해서는 폭발·누출 등으로 인해 발생 가능한 재난으로부터 안전한 검지 기술이 필연적이다.

수소 가스는 무색무취에 알려진 모든 분자중 가장 작고 가벼워 누출이 쉽다. 밀폐된 공간에서는 4% 이상 농축되면 발화 또는 폭발의 위험을 가지는 특징으로 말미암아 수소 산업의 성장과 함께, 수소 가스의 누출 위험성을 인지하고 경고를 줄 수 있는 센서의 개발이 반드시 필요한 상황이다.

고려대학교(총장 김동원) 보건과학대학 바이오의공학부 유용상 교수는 한국과학기술연구원(KSIT) 서민아 박사(센서시스템연구센터, 고려대 KU-KIST 융합대학원)팀과 공동연구를 통해 실생활에 적용가능한 측정조건인 상온, 상압 실제 환경에서 수소 가스가 0.25% 수준인 극미량에서도 누출을 확인할 수 있는 신개념 테라헤르츠 광센서를 개발했다.

테라헤르츠 전자기파는 주파수 대역이 매우 넓어 가스 분자의 고유 진동에 민감한 분광법에 활용할 경우 다양한 가스, DNA, 아미노산 등 분자들의 미세한 고유 정보 및 차이점까지 해석이 가능한 특성을 갖는다.

그러나 테라헤르츠파는 극미량 존재하는 가스와의 낮은 상호작용 확률, 신호 증폭 기술의 부재 등의 측정 환경적 어려움으로 인하여 극미량의 가스를 직접적으로 검출하기에 많은 어려움이 있었다.

연구진은 이를 극복하기 위해 전자기파의 특정 대역 신호를 증폭시키는 메타물질을 이용해 극미량의 가스에 의한 테라헤르츠 광신호의 변화를 민감하게 측정할 수 있는 가스 검출 센싱 플랫폼을 개발했다.

우선 가스에 민감한 테라헤르츠 대역에서 신호를 증폭할 테라헤르츠 메타물질을 개발했다. 그리고 이 메타물질에 금속수소화물(격자 내 빈공간으로 수소를 흡수하는 금속, 팔라듐)을 균일하게 도포해 극도로 좁은 갭(14 나노미터 수준)을 형성해 테라헤르츠 신호의 민감도를 극대화시켰다.

또한 금속에서 금속수소화물의 상변이 과정에서의 비가역성을 특수 처리와 기술을 통해 샘플의 재사용성을 확보했다. 수소 및 산소 가스 등을 일정량 주입해 광학 신호값을 분석함으로써 수 분 이내로 가스 검출 및, 가스의 촉매 반응을 실시간 관찰할 수 있었다.

또한 나노미터 스케일에서 수소와 산소에 의해 물이 형성되는 과정과, 금속에서 수소가 탈착되는 메카니즘을 최초로 규명했다.

교신저자인 유용상 고려대 교수는 “수소검지 과정에서 우연히 발견된 나노물층의 정성적 데이터를 확인해서 궁금하던 차에, 정량적으로 분석까지 가능한 테라파 측정기술과 시너지를 통해, 금속 표면에서 일어나는 다양한 기체 흡착 및 탈착 과정과 분자 단위의 화학반응 메커니즘을 시각적으로 확인할 수 있는 가능성을 열었다”라고 평가했다.

교신저자인 KIST 서민아 박사는 “이번 연구 결과는 수소 가스 누출을 실시간 정량적으로 검출할 수 있는 기술의 검출 한계를 극도로 끌어올리면서도 기존의 접촉식 센서의 어려움을 극복하는 신개념 비접촉식 광센서 기술을 비파괴 전자기파 대역에서 확보했다는 데 의미가 있으며, 더 높은 민감도와 상용화 수준의 광센서를 개발하기 위해 후속 연구 중”이라고 밝혔다.

이번 연구는 고려대 교내 주요사업 및 과학기술정보통신부 (장관 이종호)의 한국연구재단 중견연구자지원사업 (No. 2021R1A2C2009236) 및 정보통신산업진흥원 과제의 지원을 받아 진행됐다.

연구결과는 재료분야 최상위 세계적 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈 (Advanced Materials)’ (IF 29.4, JCR 2.2%)에 11월 23일 온라인 게재됐다.

* 논문명 Advancements in intense terahertz field focusing over metallic nanoarchitectures for monitoring hidden interatomic gas-matter interactions

- (제 1저자) 한국과학기술연구원(KIST) 이진우 석사

- (제 1저자) 한국과학기술연구원(KIST) 이종수 박사

- (제 1저자) 한국과학기술연구원(KIST) 이 건 박사과정생

- (교신저자) 고려대학교 유용상 교수

- (교신저자) 한국과학기술연구원(KIST) 서민아 책임연구원