0.6초 내 수소 감지 `초고속 센서` 나왔다…수소차, 수소충전소 등 활용

KAIST, 1000회 이상 반복 시 성능 유지
팔라듐 금속 소재 활용..대량 생산 가능

아이클릭아트 제공

KAIST는 0.6초 이내로 수소를 감지할 수 있는 팔라듐 나노 소재 기반의 수소센서를 개발했다. KAIST 제공

수소 누출을 0.6초 이내 감지할 수 있는 세계 최고 성능의 수소센서가 나왔다. 1만회 이상 반복 동작해도 세계 최고 성능을 보여 자동차, 수소충전소 등 다양한 곳에 활용될 전망이다.

KAIST는 윤준보 전기전자공학부 교수 연구팀이 현대자동차 기초소재연구센터, 서민호 부산대 교수 연구팀과 공동으로 0.6초 속도로 수소를 감지하는 센서 기술을 개발했다고 10일 밝혔다.

최근 친환경 수소자동차 보급이 늘면서 안전과 직결된 수소센서의 중요성이 커지고 있다. 이를 위해 수소 누출 시 이를 최대한 빨리 감지하는 센서 개발이 중요하다.

기존 수소 센서 연구는 팔라듐 소재에 촉매 처리를 하거나 합금을 만드는 등 주로 감지 소재에 집중해 왔다. 이는 특정 성능 지표에서는 매우 뛰어난 성능을 보이지만, 모든 성능 지표를 충족하지는 못해 일괄 공정에 어려움이 있다.

연구팀은 순수한 팔라듐 물질을 기반으로 독자적인 마이크로·나노구조 설계와 공정기술을 접목해 모든 성능 지표를 만족하는 센서를 개발했다. 이 센서의 소자는 히터와 절연층, 감지물질이 수직으로 적층돼 있는 기존 가스 센서 구조와 달리 히터와 감지물질이 평면에 나란히 집적해 균일한 온도 분포를 구현했다. 감지물질인 팔라듐 나노 소재는 공기 중에 노출돼 있고, 가스와 반응 면적을 극대화해 빠른 반응 속도를 보인다. 특히 10∼80도 동작 온도 범위 내에서 1000회 이상 반복 동작해도 성능을 유지하고, 향후 양산을 고려해 합성 소재가 아닌 물질적 제약이 적은 순수 금속 소재를 활용해 반도체 일괄 공정을 기반으로 대량 생산이 가능하다.

연구팀은 제작된 소자를 블루투스 모듈과 패키징해 무선으로 1초 이내 수소 누출을 감지하는 통합 모듈을 제작한 후 성능을 검증했다. 현재는 현대자동차와 소자를 웨이퍼 수준으로 제작해 차량용 모듈에 탑재해 감지 및 내구 성능을 추가 검증하고 있다.

조민승 KAIST 박사는 "기존 수소 센서 성능을 한 단계 뛰어 넘어 고속 동작과 신뢰성, 안정성까지 확보한 것으로, 수소자동차나 수소충전소 등에 활용될 수 있을 것"이라며 "수소 센서 기술의 상용화를 통해 안전한 친환경 수소에너지 세상을 앞당기는 데 기여하겠다"고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 'ACS 나노'에 실렸으며, KAIST는 현대자동차와 2021년부터 차세대 수소 센서 개발에 착수한 이후 2년 만에 결실을 맺었다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr