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3줄 요약🔔

  • 수소, 저렴한 에너지원이지만 누출되면 큰 사고로 이어져
  • 고감도 고신뢰성 광대역 수소감지용 복합소재 미 모듈화 기술 개발
  • 국가적으로 중요한 소재, 아직 상용화 되지 않아 훨씬 더 큰 의미

《편집자 주》 디일렉은 과학기술정보통신부가 추진하는 ‘나노 및 소재기술개발사업’의 주요 개발 과제 책임자와 릴레이 인터뷰를 기획했습니다. 과기정통부는 이 사업을 나노 기술과 소재·부품·장비 분야에서 세계 수준의 원천 기술을 확보하기 위한 대표적인 연구·개발(R&D) 활동이라고 소개하고 있습니다. 디일렉은 연구 책임자 인터뷰를 통해 해당 기술이 왜 필요하지, 왜 개발하기 어려운지, 그리고 개발이 성공적으로 이뤄졌을 때 세상에 어떤 변화를 가져올지 집중적으로 알아보겠습니다.

전기차 시대에 수소차가 웬말이냐는 말이 있다. 현 상태에선 부품 공급망도 제대로 갖춰지지 않은 상태다. 현대차가 얼마 안되는 수소차를 억지로 출시한 게 전부다. 그러나 수소가 워낙 저렴한 에너지원이다보니 이에 대한 개발은 계속적으로 이뤄져야 한다는 목소리가 있다.

이우영 연세대 신소재공학과 교수는 전기차에 들어가는 수소 감지 센서를 개발 중이다. 수소가 누출되면 큰 사고로 이어질 수 있기 때문이다. 기존 수소 감지 센서의 안정성은 크게 떨어진다는 것이 이 교수의 설명이다. 국가 과제로 연구가 이뤄지는 이유이기도 하다.


-이번에 맡은 연구과제가 <고감도 고신뢰성 광대역 수소감지용 복합소재 및 모듈화 기술개발>이다. 어떤 것인가?

“이번에 국가핵심소재 연구단이 총 6개가 발족했고, 그중 한 가지가 수소 센서다. 우리가 수소 경제화를 얘기한 것이 1970년대부터인데 아직도 사실 수소가 우리 경제에 미치는 영향은 미미하다. 가장 쉬운 잣대가 자동차다. 지금 현대가 자동차를 800만 대 만들고 있고 그 가운데 전기차가 10만 대, 20만 대 될 텐데 수소차는 지난 20년 동안 1만2000대밖에 못 만들었다.”

-주변 인프라도 없는 상황이지 않았나?

“20년 동안 1만2000대를 만들었는데 그게 세계 1등이다. 세계 시장점유율 50%를 차지하고 있다. 만약 수소차가 전기차만큼 늘어나고, 가솔린차를 대체할 수 있는 때가 오면 수소의 시대에 살고 있구나 하고 얘기할 수 있을 것 같다. 사실 20년 전에 현대자동차에서 연구 의뢰를 처음 받았다. 수소차에는 센서가 네 군데나 들어간다. 일단 수소차의 원리를 얘기하면, 수소연료전지에서 전기가 만들어지고 그 전기로 차가 움직이는 거다. 때문에 수소가 차 안에 실려 있어야 하는데 만약 그 수소가 누출되면 수소 폭발이 일어나게 된다. 4% 정도의 농도만 공기 중에 노출돼도 산소와 반응해서 터지는 것이다. 그래서 수소 센서가 수소차에서 아주 중요한 요소다. 그런데 그 당시에 개당 100만 원씩 네 개를 일본에서 사다가 썼다. 하나에 1만원 미만이어야 할 것을 100만 원씩 주고 수입해야 하는 상황이다 보니 국산화하자고 해서 20년 전부터 수소 센서를 계속 연구해왔다. 최근의 상황을 보면 현대차 1차 벤더에서 개발한 수소 센서를 썼는데 1만2000대 전부 다 리콜을 했다.”

-왜 그렇게 된건가?

“작동이 안 된 거다. 10대 중 7대가 안 됐다고 들었다. 만약에 1만2000대가 아니고 120만 대였으면 사고가 날 수 있었던 것이다. 수소차 사고는 아주 큰 사고로 이어질 수 있기 때문에 아주 중요하다. 그래서 자동차용 수소 센서를 계속 개발해왔지만, 시장이 본격적으로 열리지 않아서 사실은 적극적으로 작업하지 못한 면이 있다. 하지만 최근에 현대차 정의선 회장이 2030년까지 수소차를 50만 대 만들겠다고 선언하면서 상황이 달라졌다.”

-적지 않은 숫자다.

“불과 10년 안에 50배 이상으로 키우겠다는 계획을 세웠고, 전 정부에서 수소 경제에 대해서 많이 강조했기 때문에 점점 빨라지는 상황이다. 문제는 전기차하고 경쟁해야 하는데 현재 전기차가 수소차보다 훨씬 싸다는 것이다.”

-수소를 만드는 데 드는 비용이 많이 든다고 들었다.

“그렇다. 그 다음으로는 연료전지 스택을 만드는 데 여전히 돈이 많이 든다. 이 장치가 너무 비싸서 현대차로서는 차를 팔아도 남지 않는 상황이다. 그래도 시장을 선도하고 있는 입장에서 시장이 아예 없어지면 안 되는 거다. 당분간 생산 대수를 많이 늘리지는 못하겠지만, 시장은 계속 만들어가야 하는 상황이다. 지금 예상하기로 2035년이나 혹 더 늦게는 2040년쯤 돼야 대등한 경쟁을 할 수 있을 것 같다고 한다. 그러기 위해서 가장 중요한 부품 중 하나가 수소를 감지하는 수소 센서다. 여기서 제일 중요한 키워드는 광대역이다. 그동안에는 500ppm에서 1% 정도만 감지할 수 있으면 된다고 생각했는데 최근 콘셉트가 바뀌었다. 예컨대 수소 탱크에서는 농도가 100%니까 고농도에서도 읽을 수 있는 센서가 필요하다고 해서 광대역으로 바뀌었다. 그래서 이번 RFP에서는 0.01%에서 99%까지 읽는 센서를 개발해보라는 과제가 나온 것이다.”

※ 연료전지 스택 : 수소와 공기 중 산소를 결합하는 전기 화학반응을 통해 직류 전기를 만드는 자동차의 엔진과 같은 장치.

-0.01%에서 99%라면 대기 중에 노출된 양인가?

“대기 중에 노출됐을 때 0.01%니까 100ppm이 되고, 99%는 거의 100%에 가까운 수소다. 그런데 4% 이상이면 터지는 위험이 있다.”

-4% 이상이라는 게 어떤 공간에 대한 걸 의미하나?

“그렇다. 공간 안에 농도가 어느 정도 있을 때를 잡아서 하고 있다. 그런데 지금까지 누구도 4%까지 감지할 수 있는 센서를 만들어 본 사람이 없다. 나 같은 경우에는 2%까지 읽는 완벽한 수소센서를 개발한 바 있다. 20년 동안 열 몇 가지를 개발했다. 그중 아주 재미있는 것은 실리콘 기판이 아니라 고무 기판에 팔라듐이라고 하는 수소를 잘 먹는 금속을 올리면 아주 값싸게 수소 센서를 만들 수 있다는 것이다. 현재 전국에 수소충전소가 30개밖에 없다는데 300개, 3000개로 늘면 충전소 안에도 센서가 필요하게 된다. 그래서 값싼 센서를 만들기 위한 특허도 열 몇 개 보유하고 있다.”

-수소를 감지하는 방법에는 어떤 것들이 있는가?

“저농도의 경우에는 산화물 반도체를 이용하는데 수소가 들어와서 나노 물질에 접촉되면 전기 저항이 증가하고 이를 통해 감지할 수 있다. 고농도의 경우에는 아주 얇은 재료를 판으로 만들어서 전기전도를 측정하는데 수소가 있으면 전기전도가 바뀐다. 다시 설명하면, 저농도는 산화물 반도체가 가스를 감지해서 전기 저항이 바뀌는 것을 읽는 방식이고, 고농도는 MEMS가 수소 분위기에서 열전도도의 변화로 수소 농도를 재는 방식이다. 이 두 방식을 하이브리드 하는 게 우리의 계획이다.”

※ MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems) : 기계 및 전자기기의 소형화 요구에 따라 정밀가공용 첨단장비와 새로운 가공 공정기술을 이용해 광학부품, 통신부품, 마이크로 금형 등 초소형기기나 부품을 개발할 수 있도록 지원하는 기술 및 시스템.

-그럼 감도나 신뢰성을 높이거나 광대역을 하기 위해서는 어떤 작업이 필요한가?

“저농도에서는 1%, 2%가 되면 포화하니까 4%까지 읽어줘야 하는데 못 읽는 한계가 있는데 이를 어떻게 극복할 것인지가 첫 번째 문제다. 그다음에 열전도 방식으로 MEMS를 통해서 측정하는 방식은 고농도는 잘 읽히는데 4%쯤 대역에 내려오면 다른 신호들하고 섞여서 정확히 못 읽는 한계가 있다. 그래서 이 두 가지 방식을 오버랩하는 것을 가장 핵심 기술로 생각하고 있다. 아래쪽에서 4%까지 끌어올리는 기술은 재료 쪽으로 접근한다. 재료를 여러 가지 방법으로 튜닝하게 되면 1%, 2%, 3%까지 올릴 수 있다. 그다음에 MEMS 기술의 경우, 위에서 내려와서 4%까지 커버할 수 있으면 가장 좋겠지만, 고농도에 관해서는 국내에서 아무런 히스토리가 없다. 처음으로 하는 것이다.”

-저농도에서는 개발 이력이 좀 있나?

“현대차 1차 벤더 회사가 만들어서 팔고 있다.”

-센싱이 잘 안 된다 하지 않았나?

“안 될 거란 생각을 하지 못했던 것 같다. 처음엔 안정성에서 다 통과했고 별문제 없었다. 그런데 차가 움직이고 여러 가지 어려운 조건에 놓이니까 갑자기 이 센서들이 열화가 되고 더 이상 센싱을 못 하는 상황이 된 것이다. 시간이 지나서 에이징 효과가 나타나는 것처럼 말이다. 그래서 그런 재료의 열화 특성을 어떻게 없앨 수 있는가가 이번 과제 중 가장 핵심 이슈가 되지 않을까 생각하고 있다.”

-오랫동안 연구해서 특허도 많을 것 같다?

“수소 관련 특허만 등록된 게 30~40개 있다. 사실 이 과제의 경우, 우리가 정부에서 70억 원을 받으면 반을 아모센스라고 하는 센서 기업에 연구비로 주게 된다. 그런데 전제조건으로 내가 갖고 있는 기술을 7억 원에 기술 이전하기로 협약돼 있다. 회사의 입장에서 보면 7억 원의 기술이전비 부담은 있지만, 정부로부터 35억 원을 받아서 앞으로 현대차에 들어갈 센서를 개발하는 것이기 때문에 메리트가 있다고 생각한다.”

-어떤 회사인가?

“아모그룹의 센서 전문 회사인데 상장은 하지 않았고 1년 매출액은 500억 원쯤 되는 것으로 알고 있다. 그동안 현대차에 압력센서 같은 부품을 공급해 왔는데 이번에 열전도 방식의 수소센서 개발을 요청 받은 것 같다. 그런데 이번 과제가 나오면서 우리가 현대차와 협력기관 협약을 맺었다. 우리가 개발하는 센서를 과제 중간중간 실전 테스트를 해주고 5년 안에 정상적으로 잘 만들어지면 구매하겠다는 의향서도 같이 받았다. 이번 과제에 선정된 주요한 이유 중 하나가 현대차라는 수요처와의 협력관계 덕분이 아닌가 싶다.”

-아모센서는 넥쏘에 공급했던 회사와는 다른 곳인가?

“다른 회사이고 방식도 완전히 다르다. 아모센서는 MEMS 방식으로 열전도를 통해 수소를 읽는 방식을 쓴다. 기존에 있었던 회사는 열 접촉식이라고 수소가 들어오면 촉매 위에서 읽는  방식인데 촉매가 시간이 지나서 열화되는 것이 문제가 되지 않았나 생각한다.”

-리콜해서 새 부품으로 교체했다 하더라도 시간이 지나면 또 열화될 수 있는 것 아닌가?

“그렇다. 그러니까 현대차로서는 굉장히 고민이 클 것이다. 아직 시장이 크게 열리지 않았으니 그 고민이 심각하지 않은데 12,000대가 아니라 50만 대가 되면 큰 문제다.”

-그중 하나라도 터지면 큰일이다.

“가끔 우리나라에서도 수소 탱크가 터졌다는 뉴스가 나오는데 조금만 관리를 못 하면 아주 대형 사고로 터지기 때문에 큰 문제다. 그런데 개인적으로는 이 과제를 하면서 수소차에 응용하는 기술을 20년 만에 다시 하는 셈이다. 불과 4, 5년 전만 해도 변압기용 수소 센서를 개발하는 연구를 했었다. 수소 센서가 산업적으로 응용되는 아주 중요한 분야가 변압기다. 변압기 사고 관련 뉴스를 접한 적이 있을 것이다. 2019년 고성에서 아주 큰 산불이 났었는데 그 원인이 변압기였다. 변압기에는 절연유가 들어있는데 시간이 지나면 열화되면서 수소가 나오게 된다. 유증 안에서 수소가 나오는데 어느 정도까지는 괜찮은데 그 이상이 지나면 터져버린다. 변압기의 종류를 보면 주상변압기 아주 싼 것은 100만 원부터 50억 원짜리 변압기까지 있다. 이 변압기들에서 다 수소가 나오니까 한때 정부 과제로 100만 원짜리에는 아주 싼 센서를 붙이고 10억 원 이상 하는 것에는 훨씬 더 다양한 가스를 읽어서 동시에 통합 관리하는 프로젝트를 했었다. 수소 외에 그다음에 중요한 것은 아세틸렌이다. 아세틸렌은 변압기에서 아크가 일어나면 생기는 특별한 가스인데 수소보다 더 위험한 가스다. 이 두 가지 가스만 잘 읽으면 변압기에 활용 가능해서 적당한 기업에 기술 이전할 준비를 하고 있다.”

-이번에 기술이전 하는 아모센스와의 거래 내용은 배타적 거래인가?

“아직 협의 중이긴 하지만, 수소차에 한정하는 것으로 생각하고 있다. 그런데 아모센스라는 회사가 변압기용 센서 개발에 관한 제안을 받았다고 해서 범위를 조금 넓히려고 한다. 가스 열까지 읽어야 하고 대형도 개발해야 한다. 열까지 읽는 제품의 경우 수입하는 것들이 1억 원에서 5,000만 원 정도 하는데 국산화 기술로 1,000~2,000만원대 제품을 개발하면 상당히 의미가 있다고 생각한다. 상당 부분 확보된 기술도 있다. 관련해서 아세틸렌도 읽고 메탄이나 다른 여러 가지 가스도 읽을 수 있는 기술을 논의 중이다.”

-현대차가 수소차 점유율 1등이라 했는데 일본에서도 하고 있지 않은가? 그럼 일본 자동차 업체는 어떻게 하고 있나?

“일본은 센서로 전 세계에서 1등 하는 기업이 워낙 많은 나라이고, 그래서 자동차 업체에서 접근하는 방법도 새로 기술 개발에 뛰어들기보다 기존에 있는 제품을 사다 쓰는 거 같다. 현재 3만5000원 수준인데 앞으로 더 싸질 것이다. 옛날에 100만원 하던 것에 비하면 이미 엄청나게 낮아졌다. 일본에 피가로라고 하는 대표적인 센서 기업이 있는데 도요타 같은 회사에 공급하고 있는 것으로 알고 있다.”

-농도 범위나 그런 것은 어떤가?

“일본의 경우, 농도 범위도 좀 다양하게 만들고 있다. 신뢰성에 관해서는 센서 업체들이 보통 수명을 5년 내지는 10년까지 보고 있는데 자동차용은 더 높은 신뢰성을 추구하지 않을까 생각한다.”

-현대차로서는 일본 제품 사 오는 것보다는 국내에서 되는 게 훨씬 더 좋지 않겠나?

“제일 중요한 것은 만약에 센서 회사가 갑자기 납품을 못 하게 한다거나 하는 상황이 생길 수 있다는 점이다. 반도체 하나 때문에 차 전체가 못 움직이는 거랑 똑같다. 부품 하나 하나가 중요하다. 소부장 측면에서 나노 및 소재 기술 사업이 대형 프로젝트로 나온 이유가 대외 의존도가 높은 소재를 국산화하고 선진화 수준의 제품을 만들어보자는 것이 아니겠나.”

-환경 이데올로기라고 해서 수소 시대는 안 올 거라고 얘기하는 사람들도 있다. 거기에 대한 개인적인 견해는 어떤가?

“요즘 가장 중요한 키워드 중 하나가 탄소중립이다. 탄소중립의 핵심은 탄소를 넘어서 그다음에 어디로 것인지인데 현재 우리가 가진 지식 범위 내에서는 그래도 수소가 가장 안전하고, 효율적이고, 무한히 많다는 점 때문에 대세가 바뀌기는 쉽지 않을 것 같다.”

-언제 될지 모르겠지만, 이 길로 갈 수밖에 없다?

“현재로서는 그렇다. 수소 경제화 시대라는 말이 나온 게 70년대 미국에서였다. 그때부터 결국 석탄이나 석유 등 탄소를 계속 써왔던 것에서 벗어나는 시대가 온다고 예상했던 게 아닌가 생각한다.”

-이번에 진행하는 나노 및 소재 기술개발 사업을 보면 도전적인 과제들이 많다. 이 과제는 어떤가?

“국가핵심소재 연구단이 6개고, 미래소재 연구단이 총 20개를 만들었다. 여기 20개는 완전히 새로운 기술로 하이리스크 하이리턴 과제이다. 그런데 우리 6개 과제는 기술 이전을 베이스로 하기 때문에 기존에 기술이 어느 정도 있다는 얘기다. 현재 가지고 있는 기술의 수준이 기술성숙도(TRL) 측면에서 6단계라면 이것을 7, 8, 9단계로 끌어올리는 데에는 어마어마한 자금이 드는데 기업이 감당할 수가 없다. 그리고 이 과제는 산업 후 과제의 주관도 대학에 있다는 점이 특이하다.”

-과기정통부 과제가 그런 것 같다.

“그리고 기술이전을 바탕으로 이 사업을 하려는 취지를 살펴보면 이인삼각 하고 같다. 기술이전료로 기업과 대학 양쪽의 발을 묶어서 같이 보조를 맞춰 가라는 것이다. 만약에 이게 없으면 각자 연구하고 끝나고 마는 것이다. 기술이전료를 이번에 7억 원으로 책정한 것은 기업 입장에서 굉장히 큰 투자다. 정부에서 받는 돈을 생각하면 크지 않을 수 있지만, 기업 입장에서 7억 원을 낸다는 건 굉장히 큰 의미다.”

-적지 않은 돈이다.

“또 이 과제는 하이리스크 하이리턴도 아니라고 생각한다. 국가적으로 중요한 소재이고, 아직 상용화되지 않아서 상용화 시기에 따라 훨씬 더 큰 의미가 있다고 본다.”

글_한주엽 디일렉 기자 powerusr@thelec.kr

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