세계 최초 수소 누출 초고속 감시센서 개발

KAIST-현대차 공동연구, 0.6초 이내 수소 누출 감지

KAIST가 현대자동차와 손잡고 세계에서 가장 빠른 수소감지센서를 개발했다.

가장 가벼운 원소인 수소는 산소와 결합해 물이 될 때 전기를 발생시킨다. 이런 특성을 이용해 최근 수소자동차 등 친환경에너지로 수소 사용이 증가하고 있다.

하지만 이를 위해 수소를 저장하려면 700bar 수준의 초고압 용기가 필요하다. 때문에 만약 저장탱크에서 수소가 누출될 경우 최대한 빨리 감지하는 것이 중요하다.

세계 최초 미 에너지청 기준 충족

KAIST 전기및전자공학부 조민승 박사는 현대자동차 연구팀, 부산대 서민호 교수 등과 공동연구로 0.6초 이내에 수소 누출을 감지하는 센서를 개발했다.

이는 세계 최초로 미국 에너지청 기준을 충족하는 성과다.

공동연구팀은 팔라듐 물질에 기반을 둔 독자적 마이크로-나노구조 설계와 공정을 접목해 기존 센서의 단점을 극복했다.

공동연구팀이 개발한 수소센서 구조. KAIST

이를 위해 공동연구팀은 히터, 절연층, 감지물질이 수직 적층된 기존 센서의 불균일한 온도 분포를 극복하기 위해 히터와 감지물질을 동일 평면에 나란히 집적한 공면구조를 적용했다.

감지 물질인 팔라듐 나노 소재는 완전히 공중부유 된 구조로, 하단부까지 공기 중에 노출되어 있으면서 가스와의 반응면적을 극대화해 빠른 반응 속도를 확보했다.

공동연구팀이 개발한 수소센서 전자현미경 사진. KAIST

또 팔라듐 감지물질이 모든 영역에서 균일한 온도로 동작, 이를 통해 온도에 민감한 감지성능을 정확히 조절함으로써 빠른 속도로 폭넓은 감지능력을 구현했다.

공동연구팀은 제작한 소자를 블루투스 모듈과 패키징, 1초 이내에 수소 누출을 감지하는 통합 모듈을 제작해 성능을 검증했다. 

스마트폰 앱으로 실시간 수소 감지 및 성능 확인 결과. KAIST

이는 기존 광학식 수소 센서보다 휴대성이 높아 다양한 곳에 적용할 수 있을 전망이다.

또 향후 양산을 고려해 물질적 제약이 적은 순수 금속소재를 적용, 반도체 일괄공정 기반으로 대량 생산이 가능한 것도 장점이다.

조 박사는 “이번 연구결과는 기존 수소센서의 성능 한계를 넘어 고속 동작하는 동시에 신뢰성과 안정성까지 확보한 것”이라며 “수소차와 충전소는 물론 가정 등 다양한 곳에서 폭넓게 활용할 수 있다”고 밝혔다.

공동연구팀은 이번에 개발한 소자를 웨이퍼 스케일로 제작, 차량용 모듈에 탑재해 감지 및 내구 성능을 검증할 계획이다.

대덕특구=이재형 기자 jh@kukinews.com