수소누출 감지 '단 0.6초'…KAIST-현대차가 만든 마법

美 에너지부 성능 기준 충족, 세계 최고수준 성능
"수소차, 수소충전소 등 다양한 곳에서 활용 가능"

KAIST와 현대자동차 연구진이 수소차와 수소충전소 등에서 활용할 수 있는 수소 누출 센서를 개발했다. 사진은 현대자동차가 지난해 4월 출시한 '유니버스 수소전기버스'. / 사진=뉴스1

국내 연구진이 0.6초 안에 수소 누출을 감지할 수 있는 '특급 센서'를 개발했다. 이 센서는 친환경 수소차와 수소충전소 보급과 안전성 확보 등에 기여할 전망이다.

KAIST(한국과학기술원)는 현대차 기초소재연구센터 연구팀과 미국 에너지부(DOE) 기준 성능을 충족하는 센서를 개발했다고 10일 밝혔다. 윤준보 KAIST 전기및전자공학부 교수 연구팀이 2021년부터 현대차와 차세대 수소 센서 개발에 나선 지 2년여 만이다. 수소 누출 감지 시간은 세계에서 가장 빠른 0.6초 수준이다.

기존 수소 센서는 팔라듐 소재에 촉매 처리를 하거나 합금을 만드는 방식이었다. 특정 감지 소재 성능만 개선하는 방식으로, 모든 성능 지표를 충족하기엔 한계가 있었다.

무선 통신 집적 기능이 탑재된 수소 센서와 휴대폰 어플리케이션(왼쪽). 수소 농도 수준에 따라 LED 깜빡임 주기 조절 기능(가운데). 실시간 수소 유출에도 1초 이내로 감지하는 성능 확인 결과(오른쪽). / 사진=KAIST(한국과학기술원)

이에 연구팀은 순수한 팔라듐 물질 기반으로 독자적 마이크로·나노 구조를 설계했다. 이를 통해 모든 성능 지표를 만족하는 센서를 개발했다. 특히 생산 과정을 고려해 합성 소재가 아닌 물질적 제약이 적은 순수 금속 소재들을 활용했다. 결과적으로 대량 생산할 수 있는 수소 센서를 만들었다.

팔라듐 나노 소재는 기존 소재와 차별화된 구조로 설계돼 수소 가스와 반응 면적을 극대화했다. 이를 통해 빠른 반응 속도와 폭넓은 감지 농도 범위 등을 확보했다. 또 팔라듐 감지 물질은 전 영역이 균일한 온도로 동작해 온도에 민감한 감지 성능을 정확히 조절했다.

연구팀은 센서를 블루투스 모듈과 합쳐 1초 이내로 무선 감지 가능하도록 했다. 이는 기존 고성능 광학식 수소 센서와 달리 휴대성이 높아 수소차, 수소충전소 등 수소 에너지가 보급되는 다양한 곳에 적용될 수 있다.

조민승 KAIST 박사는 "이번 연구 결과는 기존 수소 센서 성능 한계를 뛰어넘어 고속 동작할 뿐만 아니라 실사용에 필요한 신뢰성, 안전성까지 확보했다"며 "센서가 향후 상용화되면 자동차, 수소충전소, 가정 등 다양한 곳에 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

KAIST-현대차 연구팀은 현재 센서를 웨이퍼 스케일로 제작한 후 차량용 모듈에 탑재하는 후속 연구를 수행 중이다. 탑재된 센서가 원하는 감지 능력과 내구성 등을 나타내는지 검증할 예정이다. 현재 관련 기술 특허는 미국, 한국 등에 3건 출원돼 있다. 이번 연구는 지난달 국제학술지 'ACS 나노'에 게재됐다.

김인한 기자 science.inhan@mt.co.kr