[더테크=조재호 기자] 카이스트와 현대자동차가 2년여의 개발 기간을 들여 차세대 수소센서 기술 개발에 성공했다.

카이스트는 모든 성능 지표가 세계적인 공인 기준을 충족하면서 감지 속도 0.6초 이내의 수소센서를 세계 최초로 개발했다고 10일 밝혔다.

이번 개발에는 윤준보 카이스트 전기및전자공학부 교수 연구팀의 조민승 박사와 현대자동차 기초소재연구센터 전자기에너지소재 연구팀, 서민호 부산대 교수와의 협업을 통해 진행됐다.

이번 수소센서는 기존 기기보다 빠르고 안정적인 수소 감지 기술 확보를 위해 카이스트와 현대차가 2021년부터 차세대 수소센서 프로젝트를 진행해왔으며 2년여의 개발 끝에 성공했다.

기존 수소센서 연구들은 팔라듐(palladium, Pd) 소재에 촉매 처리를 하거나 합금을 만드는 등 감지 소재에만 집중해 특정 성능 지표에서 뛰어난 성능을 보였지만 종합적인 지표를 충족하지 못했고 일괄 공정이 어려워 상용화에 한계가 있었다.

연구진은 이러한 한계를 극복하기 위해 순수한 팔라듐 물질을 기반으로 독자적인 마이크로·나노 구조 설계 및 공정 기술을 접목해 모든 성능 지표를 만족하는 센서를 개발했다. 양산을 고려해 합성 소재가 아닌 순수 금속 소재를 활용했으며 반도체 일괄 공정을 기반으로 대량 생산도 가능하다.

차세대 수소센서 소자는 히터-절연층-감지물질이 수직으로 적층된 구조의 한계를 극복하기 위해 히터와 감지물질이 동일 평면상에 집적된 공면(Coplanar) 구조를 적용했다. 감지물질인 팔라듐 나노 소재는 완전히 부유하는 구조로 가스와의 반응 면적을 극대화에 빠른 반응 속도를 확보했다.

아울러 전 영역이 균일한 온도로 동작해 △빠른 동작 속도 △폭넓은 감지 농도 △온도 및 습도 둔감성을 확보했다.

연구팀은 제작된 소자를 블루투스 모듈과 패키징해 무선으로 1초 이내로 수소 누출을 감지하는 통합 모듈을 제작한 후 성능을 검증했다. 차세대 수소센서는 기존 광학신 수소센서와 달리 휴대성도 높아 수소 에너지를 활용하는 다양한 곳에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구를 주도한 조민승 박사는 “기존 수소 센서의 성능 한계를 뛰어넘을 뿐만 아니라 실사용에 필요한 신뢰성과 안정성까지 확보했다”며 “자동차, 충전소, 가정 등 다양한 곳에 활용될 수 있어 안전한 친환경 수소 에너지 세상을 앞당기는데 기여하고 싶다”고 밝혔다.

연구팀은 개발된 소자를 현대차와 함께 웨이퍼 스케일로 제작한 후 차량용 모듈에 탑재해 감지 및 내구성을 추가로 검증하고 있다.

이번 연구는 미국, 한국 등 3건의 특허 출원과 함께 국제 학술지 ‘ASC 나노’에 출판됐다.