아주대, 산학연구 통해 수소 농도 감지 센서모듈 국산화 성공

기초 원천기술 대학에서 기업으로 이전·상용화까지

글로벌 수소 전시회 ‘H2 MEET 2023’에서 선보여

수소전기차 보급 확대에 따른 맞춤형 기술 개발

(왼쪽 그림) 아주대 연구팀이 개발한 나노 합금 촉매 구조. Pd 나노 초박형 합금을 전극으로 적용해 ppm-100%까지의 수소 농도 응답성, 99.99% 수소에 대해 3만회 수소 감지 가속 내구 신뢰성 시험을 거쳤다. 이에 광범위 농도의 수소를 우수한 응답성으로 감지하고 내구성이 탁월함을 확인했다. (오른쪽 위 그림) 대현에스티와 공동개발한 광범위 수소 센서 모듈 시스템과 (오른쪽 아래 그림) 아주대-대현에스티가 개발한 수소 변색 필름 기반 광학 감지 센서 모듈ⓒ아주대 제공

아주대학교 연구진이 대현에스티와 산학 공동 연구를 통해 수소 농도를 정밀하게 측정할 수 있는 센서 모듈의 국산화에 성공했다.

11일 아주대에 따르면 서형탁 교수(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀이 중견기업 대현에스티와 공동으로 다층 초박막 합금 촉매-전극을 이용한 고정밀·고신뢰성 수소 농도 센서 모듈 시스템을 개발했다.

공동 연구팀이 구현해 낸 수소 농도 센서는 뛰어난 내구성을 가지고 있을 뿐 아니라 촉매-전극 신소재를 기반으로 오염물의 농도를 나타내는데 쓰이는 ppm(part of million) 단위부터 100%까지의 수소 농도를 탐지할 수 있으며, 단일 센서 소자로 이 농도 범위를 측정하는 기술은 최초로 보고됐다. 단일 센서 소자로 이 농도 범위를 측정하는 기술은 세계 최초다.

수소는 차세대 친환경 에너지 연료원으로 자동차와 전기 생산 분야 등 산업 전반에서 활용 영역을 확장하고 있지만, 수소 연료 자체의 특성으로 인한 안전성 확보 문제가 한계로 지적돼 왔다. 수소는 무색·무취의 특성을 가지고 있는 데다 무게가 가벼워 누설의 위험성이 높기 때문이다. 공기 중의 수소 농도가 4%만 되어도 낮은 에너지의 점화원만 있으면 폭발할 수 있다. 특히 수소 연료는 에너지 밀도(단위부피 당 저장된 에너지) 향상을 위해 수백 기압의 고압을 활용하고, 금속 재질의 수소 용기 소재는 균열 발생 가능성이 높아 수소 누설의 사전 감지가 꼭 필요하다.

아울러 수소연료전지를 포함해 여러 형태로 수소를 활용하기 위해서는 수소의 순도 모니터링과 농도 제어가 필요한데, 이를 위해서는 실시간으로 95-100% 구간의 고농도 수소를 높은 농도 분해능으로 정밀 모니터링하는 센서가 필요하다.

하지만 고순도 수소의 측정이 가능한 수소 센서 구현은 고난이도 기술로, 미국 및 유럽에서 극소수의 고가 제품만이 나와 있는 상황이다. 특히 단일 형태 센서 소자로 ppm부터 100%까지의 광범위 농도 감지를 구현한 바는 현재까지 없었다.

아주대 연구팀은 수소 농도의 정밀 모니터링과 신뢰성 확보를 위해 기존 화학저항식 수소 센서에 널리 활용되는 팔라디움(Pd) 촉매 전극을 탈피, Pd 합금 기반의 초박막 전극에 대한 원천기술을 확보했다. 이 원천기술이 적용된 수소 센서는 약 3만번의 반복적 고순도 수소 농도 감지가 가능할 만큼 내구성도 우수하다. 수소전기차의 수소 센서는 99% 이상 고순도 수소 농도를 수 초 이내에 연속적으로 측정해야 해 내구성은 센서의 상용화를 위해 중요한 요소다.

8명의 아주대 연구진이 7년에 걸쳐 개발한 이 기술은 두 차례에 걸쳐 총 37억원 상당 규모로 중견기업 대현에스티에 기술이전됐고, 연구팀은 국내외 특허도 확보했다. 이후 아주대와 대현에스티는 공동 산학 연구를 통해 양산화 공정, 신뢰성 최적화, 센서 동작 로직 및 신호처리 기술 개발, 모듈화 및 패키징까지의 모듈 제품화 기술을 개발하는 데 성공했다.

서형탁 교수는 “수소 에너지 기술에 대한 전 세계적 주목도가 높아지고 있는 가운데 한국 기업들은 수소 인프라 및 전기차 기술에서 리더십을 키워가고 있다”며 “수소의 정밀 농도 측정 및 안전 확보를 위한 측정 센서의 중요성이 날로 커지고 있으나, 신뢰성 있는 국내 기술의 부재로 고가의 수입 제품에 의존할 수밖에 없었다”라고 설명했다.

이어 “이번에 개발한 광범위 수소 전기식 센서 모듈화 기술은 수소를 활용하는 여러 산업 분야에 폭넓게 적용될 수 있을 것”이라고 말했다.

공동 연구팀은 이번에 개발한 센서 모듈을 국내에서 개최되는 세계 최대 수소 기술 전시회인 ‘H2 MEET 2023’에 출품한다. 이 행사는 오는 13일부터 15일까지 킨텍스(KINTEX)에서 개최된다. 아주대와 대현에스티는 이번 전시회에서 상용화에 성공한 수소 변색 필름을 기반으로 구현해 낸 근적외선·가시광 기반 광학 감지 및 전기식 센서 일체화 광학식 다중모드 센서 기술에 대해서도 발표한다. 아주대는 2021년 수소 변색 필름을 대현에스티에 기술이전했고, 이 기술은 글로벌 시장에서 최고 수준으로 인정받아 수소연료 전기차 업체와 수소 충전소 등 글로벌 기업에 공급되고 있다.

이번 국산화 기술 개발은 산업통상자원부·한국에너기술평가원 주관 에너지기술개발사업, 과학기술정보통신부·과학기술일자리진흥원 주관 중대형성과확산사업, 한국전력공사·전력연구원 주관 기초연구개발사업의 지원으로 수행됐다. 해당 기술은 국내·외 특허 등록이 완료됐다.