미세 트랜스듀서 연구실(지도교수: 박인규)과 우리대학 전기 및 전자공학부 윤준보 교수, POSTECH 노준석 교수 공동 연구팀은 외부 전력 공급 없이도 장기간 안정적으로 동작할 수 있는 무전원 수소 감지 센서를 개발하였습니다. 연구팀은 유연한 폴리머 나노 창살(nanograting)의 한쪽 측벽에 팔라듐(Pd)을 비대칭적으로 코팅하면, 팔라듐(Pd)이 수소 분자를 흡수함에 따라 부피가 팽창하면서 폴리머 나노 창살이 기계적으로 굽혀 일종의 ‘커튼’과 같이 광투과도 변화를 일으킨다는 것을 발견하였습니다. 이러한 현상을 활용하여 태양전지 표면에 감지막을 부착하면 수소 가스에 노출되었을 때 태양전지에 도달하는 빛을 가리고, 이는 태양전지 출력 변화로 이어져 외부의 전력 공급 없이도 수소 가스의 농도를 정밀하게 포착하게 됩니다.
연구팀은 센서의 성능을 극대화하기 위해 수치 시뮬레이션을 통해 팔라듐 코팅 조건(입사각)을 최적화하여 0.1%의 저농도 수소 가스에 대해서도 높은 센서 민감도를 달성할 수 있었고, 또한 120회 이상의 반복적인 수소 가스 노출에도 안정적인 신호를 유지하는 것을 검증하였습니다.
수소 가스는 석유화학, 반도체, 제약 등 다양한 산업에서 널리 활용되고 있으며 차세대 친환경 에너지원으로도 주목받고 있지만, 누출 발생 시 폭발의 위험이 큰 만큼, 안전한 사용을 위하여 지속적인 모니터링이 필수적입니다. 연구팀에서 개발한 무전원 수소 감지 센서는 수소 가스를 활용하는 다양한 무선환경에서 널리 활용될 것으로 기대됩니다.
한국연구재단의 선도연구센터지원사업, 나노·소재기술개발사업의 지원을 받아 진행된 이 연구의 성과는 국제학술지 ACS Nano (impact factor: 14.588)에 게재되었습니다.

* 논문링크 : https://doi.org/10.1021/acsnano.0c05476