작지만 강한 기술, 수소 누출 잡는 MEMS 센서

작지만 강한 기술, 수소 누출 잡는 MEMS 센서

대학생신재생에너지기자단 27기 천혜원

 

수소 경제 시대 속 과제, 안전성

청정 에너지원으로 다양한 분야에서 주목받고 있으며 각종 제도와 기술 개발로 차세대 에너지원으로 떠오르는 수소는 폭발 범위가 넓고, 화염 전파속도가 빠른 가연성가스로서 수소의 생산 과정과 저장에서 화재 위험성을 지니고 있다. 특히 수소 설비는 특성상 고압으로 운영이 되는 경우가 많아 누출 위험이 크다. 또한, 다른 화학 물질과의 반응성이 뛰어나고 최소 점화에너지가 0.018mJ로 매우 작아, 정전기 등에 의해서도 쉽게 발화된다. 수소의 연소 하한계는 4vol%이고 연소 상한계는 75vol%로, 연소한계 범위가 71vol%이다. 이 연소한계 범위 수치는 일산화탄소 61.6vol%, 메탄 10vol%, 암모니아 13vol%인 것에 비해 넓은 편으로 화재 또는 폭발이 일어나기 쉬우며 위험성이 크다는 것을 의미한다.

지난 2019년 5월 23일, 강릉시에 위치한 모 수소 생산공장에서 수소탱크가 폭발하는 사고가 일어났다. 이로 인하여 해당 공장은 완파됐고, 2명이 숨지고 6명이 중경상을 입는 인명 피해가 발생했다. 잠정피해액은 무려 340억원이었다. 상세 설계 단계에서 초기 설계 도면에 포함됐던 ‘생산된 수소가스로부터 산소 제거 기능을 하는 정제기’가 충분한 공정안전 검토 없이 임의로 제거됐으며, 버퍼탱크 내에 산소농도 측정기를 설치하지 않아 누출을 감지할 수 없었다.

이처럼 밀폐된 공간에서의 수소 누출은 걷잡을 수 없이 빠르고 큰 피해를 야기하기 때문에, 수소 누출 감지 센서의 중요성이 더욱 대두되고 있다.

 

MEMS 센서란?

수소 감지 센서에서 중요한 점은 빠른 감응 속도와 소형화다. 이러한 점을 충족시킬 수 있는 기술이 바로 ‘산업의 콩’이라고도 불리는 MEMS(micro-electromechanical systems)이다. 

MEMS센서는 전기적, 기계적 특성을 모두 가진 전자식 센서이다. MEMS 기술을 이용한 센서는 최소 마이크로미터부터 최대 밀리미터 정도의 초소형 크기로, 반도체 미세가공 기술을 사용하여 만들어진다. 하나의 부품을 만드는 것과 같은 수고와 시간을 들여 여러 가지 구조를 동시에 만들 수 있어, 기존보다 낮은 비용으로 대량 생산이 가능하므로 산업적 확장성이 뛰어나다. 또한 MEMS는 하나의 기판에 센서와 신호회로, 액추에이터 등이 탑재된 3차원 구조체이며, 입출력이 전기신호 이외에 에너지나 기계 변위, 물리량 등 다양하다는 것도 큰 특징이다. 따라서 감도, 선택성, 반응 속도 등 모든 면에서 고성능을 갖춘다. 

[자료 1.  MEMS 3D 모식도]

출처 : IRS 글로벌

 
수소 감지에 적용되는 원리

① 정전용량식 방식

대표적으로 무라타전자에서 채택하는 기술이다. 정전용량 C는 C=εA/d라는 식으로 표현되는데 여기서 d는 전극 간 거리를 의미한다. 정전용량식 센서에서 수소가 감지되면, 실리콘으로 만들어진 전극이 움직이게 된다. 이것이 팽창하거나 수축하면서 전극 간 거리(d)가 변하게 되고 센서의 정전용량이 변한다. 이 변화를 ASIC가 읽어 들여 가속도와 자이로 값을 계산하는 원리이다. 

정전용량식은 미세한 물리적 변화도 정전용 값으로 표현할 수 있기 때문에 다른 방식에 비해 정밀하게 감응할 수 있으며 노이즈가 적어 안정적이라는 이점이 있다. 

[자료 2. 정전용량식 MEMS 센서 원리]

출처 : 한국무라타전자

② 열대류 방식

[자료 3. 열대류 방식 MEMS 센서]

출처 : 전자신문

현대자동차 수소차에 센서를 공급하던 MEMS 업체 중 한 곳인 이너센스가 최근 0.005% 수준의 초저농도 수소를 감지하는 센서를 개발했다. 새로 개발한 센서는 업계 최초로 MEMS 소자 내부에 열대류 현상을 발생하는 구조로 설계했다. 지금까지는 열전도 방식이 우세했는데, 수소 가스와 센서 감지부의 접촉 범위가 좁고 접촉 확률이 낮아 매우 미세한 농도의 수소를 감지하는데 한계가 있었다.

이너센서는 수소 가스가 소자 내부에서 흐르듯 MEMS 구조를 만들어 센서 감지부의 반응 면적을 비약적으로 넓혔다고 설명했다. 감지부 위아래로 수소 가스가 이동하면서 접촉 확률도 크게 증가해 감지 성능을 향상했다. 회사는 이 같은 열대류 현상을 기반으로 기존 센서 대비 적게는 10배 이상 높은 센서 감도를 구현했다고 부연했다.

[자료 4. 열대류 방식의 원리]

출처 : 전자신문

구체적인 원리는 이렇다. 박스 모양의 케이스 상단에 기공 2개를 내고 한쪽에는 열선을 심는다. 한쪽 구멍에 전기를 흘려 열을 발생시키면 공기는 온도가 오르고 상승 기류를 일으킨다. 다른 쪽 구멍으로는 찬 공기가 들어오며 대류 현상이 일어난다. 이때, 볼텍스 플로우(Vortex flow)가 일어나며 센서와 기체의 접촉 면적이 늘어 감도가 향상된다. 열대류 현상을 활용한 열전도도 수소가스센서에는 ‘하이드로볼텍스’라는 이름이 붙었다. 하이드로볼텍스는 최대 해상도가 0.001%(10ppm)에 달할 정도로 감도가 뛰어나기에 기존의 고농도 측정 위주 제품 시장에 혁신을 주었다. 또한, 소형화가 가능해 공정을 줄일 수 있으며 장기 신뢰성이 가장 높은 방식이다. 

[자료 5. 하이드로볼텍스(HydroVortex)의 구동 원리를 담은 개념도]

출처 : 월간수소경제

③ 접촉연소식(촉매연소형) 방식

현대차 넥쏘(NEXO)에는 MEMS 기반의 접촉연소식(촉매연소형) 센서가 들어간다. 백금(Pt) 촉매를 가열하여 수소와 산소가 결합하는 발열반응으로 일어나는 온도 변화를 MEMS로 감지하게 된다. 응답속도가 2초 이내로 빠르고 제품의 내구성은 5년 정도이다.

별도의 세라믹 촉매 공정이 필요없이, 내구 신뢰성을 획기적으로 개선할 수 있다. 또한, 가스에 대한 선택성이 뛰어나며 장기간 사용이 가능하다는 장점이 있다.

[자료 6. 접촉연소식 MEMS 센서]

출처 : 월간수소경제

 
향후 MEMS 기반 수소 감지 센서의 전망

전 세계적으로 차세대 친환경 연료인 수소에 기반한 수소경제로의 전환에 맞추어 수소 생산 및 저장, 수소연료전지 등 다양한 분야에서 기술개발 및 산업화가 가속화되고 있는데, 수소센서는 이러한 수소밸류체인의 모든 부문에 필수적으로 적용되는 제품이다.

현재 국내에서는 전기화학식과 접촉연소식 수소센서가 상용화되고 있으나, 낮은 검출범위 또는 열화로 인한 수명 단축의 문제로 인해 아직은 대부분 수입에 의존하고 있다.

하지만 24년 5월, 한국생산기술연구원 서남실용화본부 나노기술직접센터에서 "MEMS기반 고부가 광반도체 상용화 인프라구축" 사업을 성공적으로 완료하고 본격적인 가동에 들어갔다고 밝힌 만큼, 앞으로 MEMS 기술 개발과 이를 활용한 수소 감지 센서의 상용화에 큰 기대를 걸어볼 만하다. 

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수소 경제에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "수소경제활성화로드맵부터 청정수소 발전시장까지", 23기 김경훈, 24기 이지혜, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/4697

수소경제활성화로드맵부터 청정수소 발전시장까지

2. "수소 경제 활성화를 위한 LCOH 최적화", 23기 김태현, 26기 김예은, 김계환, 이희원, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/4735

수소 경제 활성화를 위한 LCOH 최적화

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참고문헌

[수소 경제 시대 속 과제, 안정성]

1) 류정현, "액화수소 플랜트의 위험성 평가 및 실제 적용", 가스신문, 2023.07.20, https://www.gasnews.com/news/articleView.html?idxno=111209

[MEMS 센서란?]

1) IRS 글로벌, "MEMS 최신 동향", 2019.10.23,  https://www.irsglobal.com/bbs/rwdboard/14346

[수소 감지에 적용되는 원리]

1) 권동준, “이너센서, 저농도 수소 감지 MEMS 센서 개발”, 전자신문, 2024.04.07, https://www.etnews.com/20240405000043

2) 성재경, “수소경제 주목되는 기술·제품 64. 이너센서의 ‘열전도도 방식 MEMS 수소센서’”, 월간수소경제, 2024.05.14, https://www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=12414

3) 성재경, "100곳 선정 앞둔 수소전문기업, 예비기업 지원도 활발", 월간수소경제, 2024.06.13, https://www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=12542

[향후 MEMS 기반 수소 감지 센서의 전망]

1) 조준성, “한국생산기술연구원, 호남지역 유일 MEMS기반 고부가 광반도체 상용화 인프라 가동”, 뉴스워커, 2024.05.16, https://www.newsworker.co.kr/news/articleView.html?idxno=331571