연세대 이우영 교수님이 연구책임자로서 이끄는 연구팀이 (주)아모센스, (주)멤스 기업 2곳과 함께 과학기술정보통신부에서 지원하는 2022년도 나노 및 소재기술개발사업[플랫폼형] – 국가핵심소재연구단에 선정되었습니다. 본 연구팀은 주관기관 연세대에서 개발한 저농도용 산화물 반도체 기반 수소센서, 공동기관(1) MEMS에서 개발한 고농도용 TC 기반 수소센서, 공동기관(2) AMOSENSE에서 개발한 듀얼 수소 센서 통합 모듈화 기술을 이용하여 '고감도, 고신뢰성, 광대역 수소 감지용 복합소재 및 모듈화 기술개발' 신규 과제를 진행할 계획입니다. 본 선정과제는 2022년 4월부터 2026년 12월까지 총 약 5년의 연구 기간동안 수행될 예정이며, 총사업비는 약 80억입니다. 또한, 국내에서 수소에너지 관련 산업을 주도하고 있는 현대자동차가 개발협력기관으로 참여할 예정입니다.
세계적으로 탄소중립을 위한 정치적∙사회적∙학문적 큰 패러다임의 변화 속에서, 수소에너지는 미래 대체에너지로 각광을 받고 있습니다. 특히 수소는 공기 중 4% 이상 포함될 경우 폭발 위험성을 가지고 있으므로 저농도누출 수소의 신속하고 정밀한 감지가 필수적으로 요구됩니다. 또한, 고순도 수소를 분석하거나 수소차 내부 등 폐쇄된 공간에서 고압 수소가 누출될 경우 수 십% 이상 고농도 수소의 감지 또한 필요합니다.
수소감지기술은 약 2-4%의 농도를 기준으로 저농도 수소 감지를 위해감지 물질과 수소 간 전기화학적 반응에 의한 물질의 다양한 특성 변화를 이용하는 방법과 고농도 수소 감지를 위해 주변 대기 중 다른 가스에 비해 비교적 높은 열전도도를 가진 수소의 조성비를 이용하는 방법이 존재합니다.
본 과제에서는, 각 수소감지기술이 가지는 한계점을 극복하여 PPM 단위부터 100%까지 전 농도 범위의 수소를 정확하고 신속하게 감지할 수 있도록 농도 구간별 수소 감지에 적합한 복합소재를 개발하며, 각 센서 소자 기술부터 통합 모듈화, 신호처리, 시스템화 기술개발을 포함합니다.
이러한 혁신적인 광대역 수소센서 개발을 통해 수소차, 수소스테이션, 수소드론, 수소생산 및 공급라인 등 미래 수소모빌리티 환경의 안전 확보를 기대하며, 부가적으로 산화물 반도체의 나노 구조화를 통해 호기수소 분석 등 극저농도 수소분석에 대한 정밀한 감지의 가능성도 기대됩니다.
특히, 연세대학교에서 개발한 저농도용 산화물 반도체 기반 수소 센서는 우수한 반응/회복성(반응 후 기저 저항 유지), 우수한 반응 안정성(열적, 화학적, 기계적)을 가져 정확한 수소 감지에 유리합니다. 전도성 재료를 사용하여 전도 채널을 형성하고 감지 물질과 병렬 저항 회로를 구성함으로써 수소 반응 전/후 안정적인 베이스 저항 유지를 확보하여 나노물질 기반 수소센서 상용화의 핵심인 신호 안정성 해결하였습니다. 또한, 상용화 요구 수준의 반응 안전성(반복 안정성, 빠른 반응, 습도안정성) 및 선택성(수소와 친화성이 높은 팔라듐)을 확보하였고, 모빌리티 실사용 환경 온도 전 범위 에서 기저 저항값의 안정적 변화로 인해 수소 누출이 없을 경우 센서 고장 자가 진단의 가능성으로 더욱 경쟁력 높은 센서로 판단됩니다.
이우영 교수님은 지난 20년 동안 수소센서 관련 연구팀을 계속해서 지도해 온 만큼 이번 과제를 통해 여러 농도 범위 사용 분야에 적합한 감지 센서를 개발하여 미래 수소에너지 시대의 안정성을 확보하고 진일보를 선도할수 있기를 기대해봅니다.
