KAIST-현대차, 0.6초내 수소감지센서 개발

세계 첫 美에너지청 기준 성능 충족
고속 동작·내구성·신뢰성 확보
자동차·수소충전소 등 활용 기대

최근 친환경 수소 자동차 보급이 늘어나면서 안전과 직결된 필수 요소인 수소 센서의 중요성이 더욱 높아지고 있다. 특히 빠른 수소 누출 감지를 위한 핵심 성능 지표인 센서 감지 속도의 경우 1초 이내로 감지하는 기술이 도전적인 과제로 남아있다.

KAIST(KAIST)는 조민승 박사(윤준보 전기및전자공학부 교수팀)가 현대자동차 기초소재연구센터 전자기에너지소재 연구팀, 서민호 부산대 의생명융합공학부 교수와 협업을 통해 미국 에너지청 기준 성능을 충족하면서도 감지 속도 0.6초 이내로 기존보다 빠른 수소 센서를 세계 최초로 개발했다고 10일 밝혔다,

기존 수소 센서 연구는 수소 센서에 많이 활용되는 팔라듐(Pd) 소재에 촉매 처리를 하거나 합금을 만드는 등 주로 감지 소재에만 집중 연구됐다. 이 같은 연구는 특정 성능 지표에선 매우 뛰어난 성능을 보이지만 모든 성능 지표를 충족하지는 못했으며, 일괄 공정이 어려워 상용화에 한계가 있었다. 이를 극복하기 위해 해당 연구진은 순수한 팔라듐 물질 기반으로 독자적인 마이크로·나노 구조 설계·공정 기술을 접목해 모든 성능 지표를 만족하는 센서를 개발했다. 또 향후 양산을 고려해 합성 소재가 아닌 물질적 제약이 적은 순수 금속 소재를 활용했으며, 반도체 일괄 공정 기반으로 대량 생산이 가능한 차세대 수소 센서를 개발했다.

무선 통신 집적·패키징된 수소 센서와 휴대전화 애플리케이션을 통한 실시간 수소 감지 확인 결과(왼쪽). 수소 농도 수준에 따라 LED 깜빡임 주기 조절 기능(가운데). 실시간 수소 유출 데모에도 1초 이내로 감지하는 성능 확인 결과(오른쪽) [KAIST 제공]

개발한 소자는 기존 가스 센서가 가지는 불균일한 온도 분포를 극복하기 위해 히터와 감지물질이 동일 평면상에 나란히 집적되어 있는 차별적인 공면 구조가 적용됐다. 감지 물질인 팔라듐 나노 소재는 완전히 공중 부유 된 구조로 하단부까지 공기 중에 노출돼 있으며, 가스와의 반응 면적을 극대화해 빠른 반응 속도를 확보했다.

연구팀은 제작된 소자를 블루투스 모듈과 패키징 하여 무선으로 1초 이내로 수소 누출을 감지하는 통합 모 듈을 제작한 후 성능을 검증했다. 기존 고성능 광학식 수소 센서와 달리 휴대성이 높아 수소 에너지가 보급되는 다양한 곳에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

조민승 박사는 “이번 연구 결과는 기존 수소 센서 성능 한계를 뛰어넘어 고속 동작할 뿐만 아니라 실사용에 필요한 신뢰성, 안정성까지 확보했기에 중요한 가치를 가진다. 자동차, 수소 충전소, 가정 등 다양한 곳에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다. 또 “이번 수소 센서 기술의 상용화를 통해 안전한 친환경 수소 에너지 세상을 앞당기는 데 기여하고 싶다”고 덧붙였다.

국내 연구진이 수소 자동차에서 0.6초 이내에 수소 누출을 감지하는 센서를 개발했다. 현대자동차의 ‘엑시언트 수소전기트럭 트랙터’. [현대자동차 제공]

연구팀은 개발된 소자를 현재 현대차와 함께 소자를 웨이퍼 스케일로 제작한 후 차량용 모듈에 탑재해 감지 및 내구 성능을 추가로 검증하는 중이다. 이번 연구는 미국, 한국 등에 3건의 특허가 출원돼 있으며, 국제 학술지 ‘ACS 나노’ 최근 호에 실렸다.

구본혁 기자

nbgkoo@heraldcorp.com