자동차 수소센서

수소 센서

  앞으로 수소의 중요한 사용처가 될 것으로 보이는 수소연료전지차량의 안전시스템은 고압가스로 저장되는 수소의 누출을 감지하는 센서, 온도와 압력을 감지하는 센서 외에 수소저장탱크의 주 밸브를 자동차단하는 장치를 장착하여 후방충돌 등 위험 상황이 발생할 때에 차량 운전자와 승객을 보호할 수 있도록 하고 있다. 특히, 수소 연료 자동차의 상용화 연구가 고압으로 압축된 수소를 자동차에 적재하는 방향으로 추진되고 있기에 수소 누출을 검지할 수 있는 수소센서의 역할은 그 중요성이 더욱 커지고 있다고 할 것이다. 즉, 수소 저장용기를 높은 내구성과 내충격성을 가지도록 안전설계를 한다고 하더라도, 저장용기와 연료전지 본체 사이와 같이 수소가 지나가는 연결부위는 취약할 수밖에 없어서 수소 누출의 우려가 있는 각 부분에 센서를 장착하여 수소 농도를 모니터하는 시스템을 갖출 필요가 있는 것이다. 

 

 수소센서에 대한 미 에너지부의 기술적인 목표는, 농도 범위 0.1~10%에서 작동, 작동온도 -30~80℃, 응답시간 1초 이내, 정확도 5%, 수명 10년, 수소 이외의 가스, 수증기, 온도 등에 영향을 받지 말아야 한다. 이외에, 대량생산, 작은 크기, 낮은 소모전력, 저렴한 가격 조건 등을 고루 갖출 것을 요구하고 있다. 

1) 수소센서의 종류와 특징 

 수소의 사용 환경 즉, 수소의 생산 방법 및 공정, 저장 방법, 수송수단, 이용 방법에 따라 적합한 규격이 정해진다. 현재 많이 연구 개발되고 있는 수소센서는, 반도체식, 접촉연소식, FET(field effect transistor) 방식, 전해질식(전기화학식), 광섬유식, 압전식, 열전식 등이 있다. 이러한 센서의 측정 농도범위, 사용온도 범위, 압력범위, 불순물에 의한 간섭 효과에 따른 선택성, 고 정밀도의 민감성, 짧은 응답시간, 재현성, 장기 안정성, 수명, 가역성, 크기, 및 사용 환경에 따른 적절한 가격 등을 고려하여 새로운 센서가 개발되고 있다. 

 미 에너지부(DOE)의 지원을 받아 안전용 및 공정제어용 등으로 개발되고 있는 수소센서의 사양은 아래 표와 같다. 

 

 

 

 반도체식은 고농도의 수소기체 상태에서 포화하여 짙은 농도의 수소기체를 검지하는 것이 불가능하며, FET 타입과 광섬유식, 압전식은 공통으로 수소기체를 잘 흡착하는 팔라듐을 사용하는데, 고농도의 수소기체에 반복해서 노출될 경우 성능저하 등의 단점을 가지고 있다.

 

2) 기술개발 및 주요업체 동향 

 수소에 대하여 고감도의 검지 성능을 유지하기 위해서는 일반적으로 수소센서용 검지 물질의 나노크기 합성 및 전도도 조절이 매우 중요하다. 현재 검지 물질의 나노입자 합성에 대해서 많은 연구가 이루어지고 있지만 넓은 범위의 수소농도를 검지하고, 작은 크기, 낮은 전력소모, 저렴한 가격 등을 고루 갖추기 위해서는 MEMS 기술을 이용한 센서 구조체(structure)의 제작이 요구된다. 

 수소 흡착에 따라 광 투과도가 변화하는 가스채색 물질을 사용한 광센서는 센서에 직접 전기가 흐를 필요가 없기 때문에 전기방전에 의한 수소 폭발의 위험이 없다. 또한, 센서 물질과 센서회로 사이에 빛이 통하기만 하면 되기 때문에 원격적인 수소검출이 가능하고, 또한, 센서 물질과 센서회로를 광섬유로 연결할 경우 센서 부의 크기를 광섬유의 직경 정도인 수 mm 이하로 소형화할 수 있다는 장점이 있다. 대표적인 가스채색 물질인 산화 텅스텐, 산화 바나듐, 산회 루테늄이 수소 광센서로 연구 대상이 되고 있는데, WO3는 음극 채색물질이고, V2O5나 RuO2는 양극채색물질이다. 

 

 

 수소 센서 연구는 선진국인 미국, 일본, 독일 등의 국가에 의해서 주도적으로 연구되고 있다. 미국은 에너지부(DOE)의 지원 하에 NASA의 Lewis Research Center, Oak Ridge National Lab. (ORNL), National Renewable Laboratory (NREL), Sandia National Lab. 등의 연구 기관에서 광섬유형 수소센서, MEMS에 기초한 팔라듐 합금과 열판 결합형 수소센서, 수소를 연료로 사용하는 자동차의 연료 라인에 이용 가능한 Pd/Ag 합금 고체상 수소센서, MEMS에 기초한 접촉연소식 수소센서, Pd 게이트 FET 수소센서 등의 연구가 수행됐다. 

 일본의 경우 신에너지 산업기술 종합개발 기구(NEDO)의 지원 하에 ‘수소 안전 이용 등 기반기술 개발사업’을 실시하여 Kyushu대학교, Tokyo대학교, Osaka 공업시험소, New Cosmos사 등의 연구기관에서 반도체 및 고체 전해질 형 수소센서 등의 연구와 액화 수소의 누출, 확산, 폭발 현상의 시험분석 및 시뮬레이션에 관한 연구가 수행됐다. 

 일본의 New Cosmos사에서는 반도체식의 센서를 생산하고 있으며, 수소에 대한 선택도를 높이기 위해 가스와 접촉하는 외부는 선택적 분리막으로 코팅되어 있다. 

 독일의 SWB, 프랑스의 CNRS 등도 수소 검지에 관한 연구를 진행하고 있다.

 

 국내에서는 1985년부터 1990년까지 전 과학기술부 지원으로 한국과학기술원에서 Pd/LaF3 고체 전해질 게이트 FET를 이용한 수소기체 검지 센서 개발에 관한 연구와 1996년에 전력연구원의 지원으로 경북대 센서기술연구소에서 Pd/Pt 게이트 MISFET 혹은 Pd/NiCr 게이트 MISFET를 이용한 수소센서를 변압기의 유중가스 검지용으로 개발한 연구가 보고됐다. 국내의 수소 검지 연구는 이처럼 Pd/Pt 게이트 FET 형뿐만 아니라 수소에너지사업단의 과제로, 더 넓은 수소기체농도를 검지할 수 있는 MEMS 접촉연소식 수소센서, 광센서 등 다양한 분야에 폭넓은 적용이 가능한 센서가 개발되었다.