수소는 매우 유망한 에너지원이지만 또한 위험하다. 폭발 잠재력이 있지만 탐지가 어렵다. 때문에 매우 적은 양의 수소가 누출되어도 이를 감지할 수 있는 수소 감지 센서가 절실히 필요하다. 네덜랜드 과학자들과 영국 과학자들은 공동으로 금속 하프늄(hafnium)이 이런 일에 적합하다는 것을 발견했다고 보고했다. 관련 연구는 Nature Communication에 게재되었다 (DOI: 10.1038/ncomms15718).

수소는 화석 연료를 대체할 수 있는 미래의 에너지원이다. 수소는 깨끗하고 연소되었을 때 수증기와 열이 유일한 부산물이기 때문이다. 또한 무엇보다도 태양 에너지 같은 에너지원과 물만 있으면 얼마든지 많이 만들어낼 수 있다. 하지만, 수소와 관련된 인프라구조가 갖추어지기 위해서는 제거해야 할 장애물이 있다. 그중 하나가 수소 기체를 탐지할 수 있는 믿을만한 방법을 찾는 것이다. 수소는 산소와 반응을 하는데, 잠재적으로 폭발할 수 있다. 또한 가능한 적은 양의 수소도 대기 중에 노출이 되는지 확인하는 것이 중요하다.

수소를 탐지하는 것은 어려운 일이지만, 불가능하지는 않다. 광학 센서가 존재하기 때문이다. 이들 수소 원자를 흡수하고, 센서의 반사율을 바꾸게 된다. 반사율의 변화는 측정될 수 있으며, 특정한 위치에서 수소의 양에 대한 정보를 제공해 준다. 이번 연구를 주도한 Bernard Dam 교수는 “지금까지는 순수한 팔라듐이 광학 수소 센서로 주로 사용되었다”라고 설명한다. “지난 수 년 동안, 금-팔라듐 합성이 훨씬 더 좋은 센서로 알려져 있었지만, 낮은 수소 압력은 탐지할 수 없다는 단점이 있다”라고 연구팀은 말한다.

네덜랜드 과학자들은 하프늄(hafnium)이 수소에 매우 민감하다며, 광학적으로는 압력에서 최소 6배까지 측정이 된다고 말했다. 가장 낮은 압력은 10-7 일 경우였다. 따라서 압력의 3배보다 낮을 때 하프늄으로 측정할 수 있었지만, 이것을 확신하기 위한 보완 실험이 필요했다고 연구팀은 말했다. 하프늄의 또 다른 장점은 광학 특성이 압력과 재료의 온도에 따라 선형으로 변한다는 점이다. 이것이 하프늄 센서 보정이 매우 쉬운 이유라고 연구팀은 설명했다.

그렇다면 하프늄은 팔라늄-금 센서보다 모든 면에서 좋은 수소 센서일까? 대답은 아니다 이다. 연구팀이 하프님이 개발한 재료는 약 120도 근처의 온도에서 최적화되었다. 연구팀은 이 문제는 워밍업 LED와 섬유를 가열하기 전에 광학 섬유 위에 하프늄 박막을 입혀 해결할 수 있다고 생각하고 있다고 밝혔다.