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수소센서 산업 동향 및 기술 현황

수소센서 산업 동향 및 기술 현황

수소센서 관련 산업 동향

국내의 수소산업은 자동차 분야에서 가장 활발하게 개발이 진행되고 있다. 1990년 후반부터 수소 전기차 개발을 시작하여, 2013년 세계 최초로 수소전기차(투싼ix FCEV)를 양산하였고, 2세대 수소전기차 ‘Nexo’를 2018년 출시하였다. 이에 따라 수소 연료전지시스템의 주요 핵심부품은 대부분 국산화가 진행되었고, 기존 전량 수입품에 의존했던 수소누설 검지센서도 세종공업을 통해 국산화를 하였다.

수소센서는 수소전기차 뿐만아니라 수소의 생산/이송/활용의 전 영역에서 소요되는 안전관리를 위한 필수 부품이다. 울산 수소실증화단지에서는 울산산업단지에서 발생되는 부생수소를 에너지원으로한 실증단지를 구축 및 운영 중이며, 수소가스가 공급되는 수소 저장소, 공급가스 분석을 위한 분석실, 연료전지시스템이 운영되는 연료전지플랫폼에는 수소안전을 대비한 수소누설검지센서 및 수소모니터링시스템이 설치되어 운영되고 있다.

KIST에서는 Pd가 코팅된 CNT와 Pd와 Pt가 분산된 TiO2 nanotube를 이용한 접촉연소식 수소센서에 관한 연구를 진행하였다. 표면적이 넓은 TiO2 nanotube에 고가의 백금족 촉매를 분산하여 백금족 촉매의 성능 향상을 통한 우수한 가연성 가스(수소, 메탄, 프로판, 부탄 등)의 검지 성능을 나타내는 접촉연소식 센서에 관하여 연구개발을 수행하였다. 한국에너지 기술연구원은 나노스케일 MEMS 공정을 적용한 접촉연소식 수소센서를, 경북대는FET형 수소센서를 연구하였고, 그리고 서강대는 비교적 가격이 낮고 가스채색 특성을 갖는 물질을 응용하여 광학적 특성의 변화를 검지함으로써 수소의 존재를 검출하기 위해 여러가지 센서물질 및 내구성과 검지도 면에서 가장 우수한 물질을 찾는 연구를 진행하였다. 또한 연세대학교에서는 TiO2를 나노촉매로 이용한 접촉연소식 수소센서를 연구했으며, UV-LED를 광촉매로 이용하여 수소와의 반응을 향상시켰고, TiO2의 광조사에 의한 가스센서 연구를 진행하였다.

해외의 경우, 수소연료전지 산업의 지속적인 성장과 함께 나노구조 기반 수소센서 기술도 학계에서 활발히 이루어지고 있으며, 각국의 센서 전문 업체에서도 제품 개발에 매진하고 있는 상황이다. 수소누설 검지센서의 경우 축척된 나노구조 촉매 선진 기술을 앞세운 일본의 가스센서 전문업체에서 기술을 선도하고 있으며, 최근 국내를 포함한 타 국가의 후발 업체들의 시장 진입으로 인해 시장 경쟁체제를 구축하고 있다. 하지만 수소 농도를 측정하는 농도센서의 경우 산업의 니즈에도 불구하고 현재 상용화된 제품 및 기술은 보고되고 있지 않은 상황이다.

전 세계적으로 가스센서의 중요성 인지하고 나노기술을 적용하고자 하는 여러가지 정책과 지원을 진행 중에 있다.

미국은 현재 나노기술의 종주국 지위를 누리고 있다. 1999년부터 ‘국가나노기술전략 : National Nanotechnology Initiative (NNI)’이라는 정부 주도 나노기술 육성계획을 세워 20년째 지원하고 있다. 미국 에너지부(DOE)의 핵심 프로그램인 HFCIT(Hydrogen, Fuel Cells and Infrastructure Technologies Program)에서 수소관련 연구 분야를 9개로 나누어 구체적인 수소 에너지의 이용에 관한 연구를 진행하고 안전한 수소에너지의 이용을 위해서 수소 검지를 위한 연구를 수행하였다. 미국 항공우주국(NASA)의 Lewis Research Center, ORNR(Oak Ridge National Lab), NREL(National Renewable Energy Laboratory), SNL(Sandia National Lab.) 등에서 광섬유형 수소센서, Pd 합금과 열판 결합형 MEMS 수소센서, Pd/Ag 합금 고체상 수소센서, 접촉연소식 MEMS 수소센서 그리고 Pd 게이트 FET 수소센서 등의 연구를 진행하였다.




수소 누설 검지 센서(FIS사)


휴대용 수소 누설 검지기(New Cosmos사)


<그림 1> 해외사 수소센서 및 수소 누설 검지기

일본은 신에너지 산업기술 종합개발 기구 NEDO(New Energy and Industrial Technology Development Organization)의 지원 하에 “수소 안전이용 등 기반기술 개발사업”을 실시하여 수소 기초물성, 수소용 재료 기초물성 연구, 수소용 알루미늄재료 기초연구 및 열전대식 수소센서 연구개발 등 분야별로 기업과 연구조합 등에서 위탁연구로 수행하였다. 학계에서는 Kyushu 대학교, Tokyo 대학교, Osaka 공업시험소, New Cosmos 사 등의 연구기관에서 반도체 및 고체 전해질형 수소센서 등의 연구와 액화수소의 누출, 확산, 폭발 현상의 시험분석 및 시뮬레이션에 대한 연구를 수행하고 있다. 산업에서는 Toyota의 Mirai 수소전기차 양산으로 인해 현재 FIS社에서 연수소전기차용 수소센서를 양산 중이며, Honda의 Clarity 수소전기차도 유럽의 Applied sensor社의 수소센서 제품을 채용하고 있는 것으로 알려지고 있다.

<그림 2>는 글로벌 국가별 수소산업 로드맵을 기반으로 수소센서의 시장 규모를 예측한 자료이다. 수소 산업의 태동기로 볼 수 있는 현재는 200억원 이하의 미미한 시장 규모이나, 수소산업의 본격적인 상용화가 될 경우, 수 조윈 규모의 시장이 열릴 것으로 전망되고 있다.




<그림 2> 글로벌 수소센서 시장 규모(주요 국가별 수소산업 로드맵 기준 산정)

수소센서 기술

수소의 특성은 공기 중에서 수소가스의 농도가 4~75% 혼합되어진 상태에서 20μJ 이상의 스파크나 표면온도가 135℃ 이상인 물체를 만나면 발화되어 폭발하는 것으로 알려져 있다. 수소는 가연성 및 재료 취성의 특징이 있어 수소생산 및 저장, 이송과 활용 등에 있어서 안전에 대한 반드시 고려하여야 하는 취급상의 어려움이 있다. 수소 및 연료전지 관련한 전후방 산업 생태계에서도 이러한 안전장치를 고려하여야 하는데, 수소안전을 고려하기 위한 가장 직접적인 방법은 수소안전센서의 적용을 통한 수소누설 모니터링이라 할 수 있겠다. 수소누설감지 시스템은 일반적인 가연성 가스 감지센서에 비해 보다 정밀하고 엄격한 센서 특성과 기능이 요구되며, 수소를 연료로 사용하는 수소전기차 및 수소연료전지 발전시스템의 경우, 필수적용 안전장치 품목으로 되어있다.

수소센서는 수소가스의 누설을 감지하는 수소가스 누설검지 센서와 수소 농도를 관리하는 수소농도센서로 나누어지며, 수소가스 누설검지 센서는 수소전기차에서 수소 저장용기부근, 수소 이송 배관계의 이음매 부근, 스택주변, 그리고 차량 실내 등에 적용되고 있으며, 수소 농도센서는 스택 출구 부근 또는 수소희석 및 배기장치 부근에 적용되어 지고 있다. 수소센서에 의해 감지된 수소농도는 차량 제어계통에 신호를 송신하여 즉각적으로 차량 안전을 확보하는 조치를 하도록 상시 모니터링 되고 있다.


<그림 3> 수소전기차용 수소센서 형태


수소센서의 구조 및 패키징 형태는 <그림 3>와 같이 차량에 취부할 수 있는 마운팅 구조를 가진 열경화수지의 하우징과 타 가스 및 오염을 방지할 수 있는 필터로 외형이 구성되고 내부는 수소검지 센서모듈과 신호처리부가 하우징에 결합되어 있는 형태이다.

수소센서의 검지 원리들 중에서 상용화 수준에 있는 대표적인 방식으로는 기체열전도식, 열선형 반도체식, 접촉연소식 등이 있으며, 연구개발 단계에 있는 방식으로는 광학식 및 수소 FET(Field Effect Transistor)식, 복합재 투과 필름박막 방식 등이 있으며, 이들 방식들 이외에도 적용환경 및 감지소자, 수소가스의 특성을 고려한 여러 가지 방식의 검지원리가 다양하게 연구되고 있다.


<그림 4> 기체열전도식 수소센서


기체열전도식은 <그림 4>과 같이 공기가 들어있는 완전밀폐형의 백금피막저항체를 가진 온도보상 소자와 검지가스가 유입될 수 있는 개방형 백금피막저항체의 검지소자로 구성되어 있으며, 산소가 없는 환경에서도 측정이 가능한 특징이 있으며, 고농도 수소센서에 적합한 방식이다.



<그림 5> 열선형 반도체식 수소센서


열선형 반도체식은 <그림 5>와 같이 수소가스에 반응하는 금속산화물 반도체 결정체를 백금와이어에 부착한 것으로, 특정가스에 선택적으로 반응할 수 있도록 설계할 수 있는 장점과 출력값이 곡선형태로 나타나는 특징이 있으며, 장기 안정성 및 내구성이 우수한 것으로 알려져 있다.



<그림 6> 접촉연소식 수소센서


접촉연소식은 수소가스가 검자소자의 촉매와 접촉하면서 산소와 산화반응을 할 때 발생하는 열을 이용하여 히터의 저항을 측정하는 방식이며, <그림 6>는 접촉연소식 수소센서의 반응도이다. 2 개의 수소분자와 한 개의 산소분자가 결합하여 2개의 물 분자와 열에너지를 생성하게 된다. 이 때 원활한 반응을 위해서는 백금과 같은 귀금속 촉매가 사용되며 수백도 이상의 고온 분위기를 유지하기 위해 센서 내에는 히터가 내장된다. <그림 5>



<그림 7> 백금와이어형 접촉연소식 수소센서


<그림 7>은 백금와이어를 사용하는 접촉연소식 수소센서의 구조도로써, 알루미나와 백금와이어로 구성된 온도보상 소자와 귀금속 촉매가 포함된 알루미나 결정체와 백금와이어로 결합된 검지소자로 구성되어 있다. 접촉연소식 수소센서는 대부분의 완성차 업체 및 연료전지 발전 업체에서 수소가스 누설검지용으로 사용되어 지고 있으며, 가스 선택성 및 장기 내구성 개발 등의 기술적인 어려움이 있지만, 빠른 반응시간, 높은 반응 감도, 출력값의 선형적이고 재현성이 우수하며 주변온도 및 습도의 영향을 받는 특징이 있다.

수소센서가 실용적으로 보급되고 이용되려면, 수소에 대한 고감도 검지 성능을 가지고 수소 이외의 가스, 수증기, 온도 등에 영향을 받지 않아야 하며, 5년 이상의 장수명, 높은 정확성, 대량생산, 작은 크기, 낮은 소모전력, 저렴한 가격 등이 요구된다. 최근 마이크로 및 나노미터 크기의 계층적 구조를 갖는 센서 소재에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 구조물들은 비표면적이 넓고, 표면과 부피의 비율이 크며 다공성 구조를 가지고 있어서 빠른 기체 확산과 전해질이 쉽게 침투할 수 있는 특성으로 인해 가스센서 및 전기화학셀(수퍼커패시터 및 이차전지) 등 다양한 분야에 응용되고 있다.

수소센서 관련 산업 동향

세종공업은 소수전기차 부품 중 기술의 집약체라고 할 수 있는 센서 부문에서 다양한 부품을 보유하고 있다. 수소센서(Hydrogen Sensor), 압력센서(Pressure Sensor), 수위센서(Water Level Sensor) 등 센서 부품을 개발했다. 이 외에도 워터트랩(Water Trap), 연료전지 배기시스템(Exhaust System for FCEV) 등 수소 전기차 부품 기술을 보유하고 있다. 또 2020년 생산을 목표로 개발 중인 금속분리판 (Metal Bipolar Plate)도 기술이 집약된 부품 중 하나다. 세종공업은 10년 전부터 변화하는 자동차 업계의 패러다임에 대응하기 위해 관련 제품 개발을 추진해왔다. 내연기관보다 친환경차 연구의 중요성을 인식하고 이에 대응하기 위한 선제적 전략으로 기술 장벽이 높은 수소차 부품 업계에서 입지를 확보해가고 있다. 세종공업의 수소전기차 부품 기술의 핵심은 센서로 대표적인 제품은 수소센서다. 연료전지 차량의 연료인 수소의 누설을 모니터링 하는 장치로 수소 연료전지 자동차 차량 안전을 위한 핵심부품이다. 수소 누설 시, 경보 작동과 차량 운전 정지를 위한 신호를 발생시킨다. 세종공업은 지속적인 연구개발을 통해 수소센서 국산화에 성공했고 제품가를 기존보다 10분의 1 가격 수준으로 낮출 수 있었다. 특히 수소센서칩 원천기술을 가지고 있으며, 구조에 대한 특허, 공정을 보유하고 있는 강점이 있다.




<그림 8> 세종공업 수소 에너지 관련 생산 제품


세종공업의 수소센서는 현대자동차 투싼 모델에 도입되며 세계 최초로 양산됐다. 그 결과 수많은 필드 테스트를 통해 각종 환경에 노출되며 제품력을 검증받았다. 세종공업의 수소센서 기술은 기술 수준이 비슷한 일본 회사보다 양산과 필드 프루빙에서 강점을 보유하고 있으며 중국보다는 5년 이상 앞선 기술력을 확보하고 있다고 할 수 있다. 세종공업의 수소센서는 현대차뿐만 아니라 해외의 많은 기업들에게 주목받고 있다. 대표적으로 중국의 리파이어에 공급되고 있다. 중국은 에너지 자립을 해나가는 한 축인 수소굴기 정책에 따라 화석연료 기반에서 에너지 환경에서 수소경제로 전환되며 그 규모가 증가할 것으로 기대되고 있다. 한편 중국 이외에도 유럽 등 글로벌 기업들이 수소센서에 관심을 가지고 지속적인 접촉을 이어나가고 있다.




<그림9> 세종공업 수소센서 제품


수소자동차에 투입되는 부품 외에도 수소 누설 안전 관련 제품도 보유하고 있다. 휴대용 수소 누설 검지기와 수소 누설 모니터링 시스템으로 각각 휴대가 가능한 제품, 수소 인프라 전반을 모니터링 할 수 있는 시스템이다. 수소 누설 모니터링 시스템은 현재 울산 테크노파크 수소 타운에 실제로 도입돼 활용되고 있다. 수소시장이 커지게 되면 안전을 위해 수소 누설 모니터링 시스템은 필수적으로 요구될 것으로 예상하고 있다. 이에 각종 생산 작업장, 연구실 등에서 그 필요성이 높아질 전망이다. 세종공업은 향후에도 지속적인 개발과 투자를 통해 기술 중심의 기업으로서 기술이 기반 제품의 영역을 확장해 나갈 방침이다.