친환경 수소 자동차, 충전소 등의 보급이 증가함에 따라 빠른 수소 누출 감지와 같은 안전과 직결된 센서의 중요성이 높아지는 가운데 국내 연구진이 미국 에너지청 기준 성능을 충족하는 세계 최초의 수소 센서를 개발했다. 한국과학기술원(KAIST)은 전기및전자공학부 조민승 박사가 현대자동차 기초소재연구센터 전자기에너지소재 연구팀, 부산대 서민호 교수와 함께 감지 속도 0.6초 이내의 차세대 수소 센서를 개발했다고 10일 밝혔다 기존 수소 센서들은 수소 센서에 많이 활용되는 팔라듐(palladium, Pd) 소재에 촉매 처리를 하거나 합금을 만드는 등 주로 감지 소재에만 집중, 특정 성능 지표에선 매우 뛰어난 성능을 보이지만 모든 성능 지표를 충족하지 못해 상용화에 한계가 있었다.
공동 연구팀은 순수한 팔라듐 물질 기반으로 독자적인 마이크로·나노 구조 설계 및 공정 기술을 접목해 모든 성능 지표를 만족하는 센서를 개발했다.
양산을 고려해 합성 소재가 아닌 물질적 제약이 적은 순수 금속 소재들을 활용, 반도체 일괄 공정 기반으로 대량 생산이 가능하게 했다. 연구팀은 히터-절연층-감지 물질 수직 적층 구조의 기존 센서가 가지는 불균일한 온도 분포를 극복하기 위해 히터와 감지 물질이 동일 평면상에 나란히 집적된 차별적인 공면(Coplanar) 구조를 적용했다.
감지 물질인 팔라듐 나노 소재를 완전히 공기 중에 노출, 수소와의 반응 면적을 극대화해 빠른 반응 속도를 확보했다.
연구팀은 블루투스 모듈과 패키징해 무선으로 1초 이내에 수소 누출을 감지하는 통합 모듈을 제작해 성능을 검증했다. 기존 고성능 광학식 수소 센서와 달리 휴대성이 높아 수소 에너지가 보급되는 다양한 곳에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
연구팀은 현재 현대자동차와 함께 소자를 웨이퍼 스케일로 제작한 후 차량용 모듈에 탑재해 감지 및 내구 성능을 추가로 검증 중이다.
이번 연구 성과는 국제 학술지 'ACS 나노(Nano)'에 실렸고 미국, 한국 등에 3건의 특허가 출원됐다.