KAIST, 현대차와 0.6초 이내 수소 누출 감지 센서 개발

고속 동작하고, 내구성과 신뢰성 갖춰

[이데일리 강민구 기자] 친환경 수소 자동차 보급이 늘어나는 가운데 국내 연구진이 수소 누출 감지를 1초이내로 할 수 있는 기술을 개발했다.

윤준보 KAIST 전기전자공학부 교수.(사진=KAIST)

한국과학기술원(KAIST)은 윤준보 전기전자공학부 교수팀이 현대자동차 기초소재연구센터 전자기에너지소재 연구팀, 서민호 부산대 교수 연구팀과 모든 성능 지표가 세계 공인 기준을 충족하면서 감지 속도가 0.6초 이내인 수소 센서를 개발했다고 10일 밝혔다.

KAIST는 현대차(005380)와 지난 2021년부터 차세대 수소 센서 개발을 해왔다. 기존 수소 센서 연구들은 수소 센서에 많이 쓰는 팔라듐 소재에 촉매 처리를 하거나 합금을 만드는 감지 소재 연구에 집중됐다. 이러한 연구는 일괄 공정이 어려워 상용화에 한계가 있었다.

연구팀은 순수한 팔라듐 물질 기반으로 마이크로·나노 구조 설계·공정 기술을 접목해 모든 성능 지표를 만족하는 센서를 개발했다. 향후 양산을 고려해 합성 소재가 아닌 물질적 제약이 적은 순수 금속 소재들을 활용한 결과, 반도체 일괄 공정 기반 대량 생산이 가능한 차세대 수소 센서를 개발했다.

특히 개발한 소자는 기존 가스 센서가 지닌 균일하지 않은 온도 분포를 극복하기 위해 차별적인 공면 구조를 적용했다.

수소 센서와 스마트폰 앱을 통한 실시간 수소 감지·성능 확인 결과.(자료=KAIST)

감지 물질인 팔라듐 나노 소재는 완전히 공중 부유된 구조로 하단부까지 공기 중에 노출돼 있다. 가스와의 반응 면적을 극대화해 빠른 반응 속도를 확보했다. 또한 팔라듐 감지 물질은 전 영역이 균일한 온도로 동작하며, 온도에 민감한 감지 성능들을 조절해 빠른 동작 속도, 폭넓은 감지 농도, 온도·습도 둔감성을 확보했다.

연구팀은 제작된 소자를 블루투스 모듈과 패키징 하여 무선으로 1초 이내로 수소 누출을 감지하는 통합 모듈을 제작한뒤 성능을 검증했다. 이는 기존 고성능 광학식 수소 센서와 달리 휴대성이 높아 수소 에너지가 보급되는 다양한 곳에 쓸 수 있다.

연구팀은 개발한 소자를 현대자동차와 함께 소자를 웨이퍼 스케일로 제작한 후 차량용 모듈에 탑재해 감지·내구 성능을 추가로 검증하고 있다.

연구를 주도한 조민승 KAIST 박사는 “기존 수소 센서 성능 한계를 뛰어넘어 고속 동작하고, 실사용에 필요한 신뢰성, 안정성까지 확보했다”며 “자동차, 수소 충전소, 가정 등 다양한 곳에 활용될 수 있다”고 말했다.

연구결과는 국제 학술지 ‘ACS 나노(Nano)’ 출판됐다.

강민구 (science1@edaily.co.kr)