[투데이에너지 이상석 기자] 영국 맨체스터대학 연구진이 청정수소에너지로의 전환을 가속화할 수 있는 혁신적인 수소 센서를 개발했다.
에너지 전환의 핵심 원소임에도 투명하고 무취이며 매우 인화성이 강한 특성으로 인해 수소는 인간의 감각으로 탐지하기 어려워 안전한 활용에 있어 과제로 남아 있었다.
맨체스터 대학교의 연구진이 개발한 이 센서는 몇 초 만에 극미량의 수소를 높은 신뢰도로 탐지할 수 있어 저렴하며 크기가 작고 에너지 효율적이면서 현존하는 휴대용 상업용 수소 감지기보다 뛰어난 성능을 보인다고 주장했다.
이번 연구는 사우디아라비아의 킹 압둘라 과학기술대학교(KAUST)와 협력해 진행됐으며 7일(현지시간) 네이쳐 일렉트로닉스 저널에 발표됐다.
이 수소 센서는 'P-도핑'이라는 과정을 활용해 작동하며 산소 분자가 센서의 유기 반도체 물질 내 양전하 농도를 증가시키는 방식이다. 수소가 유기 반도체를 관통하며 백금 전극에서 분리돼 산소와 반응해 물을 생성하며 이로 인해 산소 도핑이 제거된다. 이어 센서 전류가 급격히 감소하고 수소 노출이 끝나면서 다시 산소가 도핑을 시작하면 전류가 복구된다.
이 메커니즘은 밀도 함수 이론(DFT)을 통해 검증됐으며 백금 전극이 촉매 역할을 수행함으로써 센서의 높은 성능을 가능케 한다. 이러한 변화는 상온과 120°C 사이의 온도에서 빠르게 발생하며 되돌릴 수 있어 안정적이고 효율적인 수소 감지가 가능하다.
센서는 다양한 실제 상황에서 테스트 됐으며 파이프 누출 감지, 갑작스러운 방출 후 밀폐된 공간 내 수소 확산 모니터링, 드론 장착 후 공중 누출 감지 등의 실험에서 우수한 성능을 발휘했다. 모든 경우에서 이 센서는 휴대용 상업용 감지기보다 빠른 반응 속도를 보여주며 가정, 산업 및 교통 네트워크에서 광범위하게 활용될 가능성을 입증했다.
특히 기존 센서 대비 탁월한 반응성을 보인 높은 민감도와 1초 미만의 빠른 응답 속도, 2 µW 이하의 저전력 소비, 192ppb(ppb=10억분의 1)에 달하는 낮은 검출 한계, 상온에서 646일 이상 연속 작동 가능한 장기 안정성 등을 과시한다고 주장했다.
또한 이 센서는 초박형으로 유연하게 제작 가능하며 스마트 기기에 통합돼 실시간으로 수소 시스템을 지속적으로 분산 모니터링할 수도 있다.
이 센서는 습도가 높아질수록 수소 감지 능력이 약간 감소했으나 안정적인 작동을 유지했으며 에탄올, 메탄올 등 다른 가연성 가스와 비교해 수소에 대해 4배 높은 민감도를 보였고 산화성 가스(NO₂)에 대해서는 느린 회복 속도를 보였으나 수소에 대한 감지 능력에는 영향을 주지 않았다.
이 연구는 유기 반도체를 활용한 새로운 수소 감지 기술의 가능성을 제시하면서 비용 효율적이며 안전한 수소 사용을 위한 조기 경고 네트워크 구축에 적합해 향후 수소 경제에서 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.
수소 센서 개발진인 토마스 안토풀로스 교수는 "이 센서는 수소 안전 기술에서 획기적인 발전을 가져올 수 있다"며 "수소를 다루는 방식을 혁신적으로 바꿀 잠재력을 가진 이번 유기 센서가 새로운 수소 기술에 대한 신뢰를 구축하고 이를 보다 접근 가능하고 안전하게 만드는 데 기여하기를 바란다"고 밝혔다.