[월간수소경제 편집부] 수소는 발전 과정에서 오염물질 대신 물만을 배출하는 재생가능한 친환경 에너지 캐리어다. 하지만 인화성이 높다는 특성으로 인해 효율적인 수소 센서를 필요로 한다.

FuelCellsWorks의 보도에 따르면 최근 스웨덴 샬머스공과대학(Chalmers Technology University) 연구진은 수소전기차 및 충전 인프라에서 요구하는 성능 목표를 충족하는 수소 센서를 개발해 선보였다. 해당 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’에 게재되었다.

연구진은 광학 나노 센서를 플라스틱 물질로 캡슐처럼 감싸는 방식으로 수소 센서를 개발했다. 해당 센서는 금속 내 자유전자가 집단으로 진동하는 유사입자인 ‘플라스몬(plasmon)’을 이용한다. 금속 나노 입자에서 플라스몬은 가시광선을 흡수해 선명한 색을 띠게 된다. 이번에 개발한 광학 나노 센서에는 스펀지처럼 다량의 수소를 흡수하는 것으로 알려진 팔라듐-금 합금 나노 입자가 수백만 개 가량 들어있다. 따라서 대기 중 수소 양의 변화에 따라 센서의 색이 바뀐다.

작은 센서를 둘러싼 플라스틱 물질은 단순히 센서를 보호하기 위한 것만은 아니다. 플라스틱은 수소 가스 분자가 금속 나노 입자 속으로 흡수되는 속도를 높임으로써 센서의 응답 시간을 줄인다. 이와 동시에 다른 분자가 침입하는 것을 막아 방어막으로서의 역할도 수행한다. 따라서 해당 수소 센서는 매우 효율적이며 자동차 산업의 높은 요구 사항을 만족할 수 있다. 연구진에 따르면 1초 이내에 대기 중 0.1%의 수소를 감지할 수 있다고 한다.

페리 누그로호(Ferry Nugroho) 샬러스공과대학 물리학과 연구원은 “기존 수소 센서와 달리 플라스틱으로 보호되므로 센서의 영점을 재조정할 필요가 없다”라며 “연구진은 나노 입자와 플라스틱 간 최적의 조합을 찾고, 해당 조합이 어떻게 작용하며 구체적으로 어떤 요소가 결과에 영향을 미치는지에 대해 알고 싶었다”라고 밝혔다.

수소 가스 검지는 여러 가지 면에서 도전적인 시도다. 수소 가스는 무색무취이며, 휘발성 및 가연성이 매우 강하다. 공기 중에 오직 4%의 수소만 섞여 있어도 산수소(oxyhydrogen) 가스가 생성될 수 있으며, 이는 작은 스파크로도 점화할 수 있다. 따라서 앞으로 수소전기차 및 관련 인프라가 충분한 안전성을 확보하기 위해서는 대기 중 미량의 수소 가스를 검지할 수 있어야 한다. 수소 센서는 화재가 발생하기 전에 수소 누출을 미리 검지할 수 있을 정도로 그 반응 속도가 빨라야 한다.

크리스토퍼 랑하머(Christoph Langhammer) 샬러스공과대학 물리학과 교수는 “수소전기차의 안전성을 확보하는 데 있어 중요한 돌파구를 발견하게 되어 기쁘게 생각한다”고 밝혔다.

우선적인 목표는 수소를 에너지 캐리어로서 활용하는 것이지만, 이번 수소 센서는 다른 분야에서도 활용될 수 있다. 고효율 수소 센서는 전기 네트워크 산업, 화학 및 원자력 산업은 물론 의학 분야에도 제 역할을 할 수 있다.

랑하머 교수는 “호흡 속에 포함된 수소의 양을 검출함으로써 염증이나 소화 불량 등의 진단을 내리는 것도 가능하다”라며 “우리는 이번 연구 결과가 보다 다양한 분야에서 활용되기를 원한다”라고 밝혔다.

연구진은 장기적인 관점에서 3D 프린터 등의 기술을 이용한 수소 센서의 대량 생산도 고려 중이다.