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Nikkei X-TECH_2023.6.26

첨단기술 뉴스 플러스
도시바, 세계 첫 소형 센서 개발
3종 이상의 혼합가스 농도를 순식간에 측정

도시바는 2023년 6월 26일, 이산화탄소(CO2)와 수소(H2), 일산화탄소(CO) 등의 가스를 3종류 이상 포함하는 혼합가스 농도를 실제 환경에서 실시간으로 측정할 수 있는 소형 센싱 기술을 세계 최초로 개발했다고 발표했다.

지금까지 혼합가스의 농도 측정에 이용한 가스 크로마토그래피와 비교해, 1/200 이하의 장치 사이즈와 150배 이상의 측정 속도를 실현했다고 한다. 실제로 시제기를 이용해 공장 등 실제 환경에서 CO2, H2, CO를 포함한 혼합가스에 대한 기술의 유효성을 실증하고 있다.

탄소중립 사회의 실현을 위해 CO2를 가치 있는 가스 자원으로 변환하는 ‘CO2 자원화 기술’의 개발이 활발해지고 있다. CO2 자원화 기술에는 CO2에서 CO 등을 생성하는 ‘Power to Chemicals(P2C)’나, CO2와 H2로부터 메탄(CH4)을 생성하는 ‘메타네이션’이 있다.

어느 경우나 생성 가스에는 자원가스 외에 미반응 CO2나 H2, 수증기 등의 가스가 포함된다. 탄소중립을 실현하기 위해서는 이러한 혼합가스의 각 농도를 실시간으로 측정하여 반응을 개선할 필요가 있다.

그런데 가스 크로마토그래피는 실시간 모니터링이 원리상 어려운 데다 장치가 대형이어서 라인에 도입하면 시스템이 복잡해지는 과제가 있었다.

가스 크로마토그래피는 캐리어 가스(혼합가스)를 컬럼이라고 불리는 긴 관에 넣으면, 분자량의 차이를 바탕으로 각 성분별로 분리하는 것을 이용해 가스를 차례로 검출한다. 이런 원리 때문에 측정에는 몇 분 정도의 시간이 걸리게 된다.

-- MEMS 기술로 가스 센서 --
그래서 측정의 고속화/소형화를 실현하는, 다른 측정 원리에 근거한 가스 센서의 개발이 세계적으로 진행되고 있다. 주된 것으로 '산화물반도체형' '접촉연소형' '열전도형'의 3종류가 있다.

도시바는 이번에 열전도형을 선택했다. CO2 자원화 기술에서는 생성 가스에 CO 등 피독성이 높은 가스가 포함되는 경우가 많은데, 산화물반도체형이나 접촉연소형은 이러한 가스로 인해 검출 대상의 가스가 부착하는 반응막이 변해버리는 과제가 있기 때문이다.

한편, 열전도형은 가스의 종류에 따라 열의 탈취 용이성(열전도성)이 다른 점을 이용해 가스의 농도를 측정한다. 가스 반응막을 사용하지 않기 때문에 피독성이 높은 가스에 대해 내성이 있다.

구체적으로는 자체 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems, 미세전자기계시스템) 기술로 소형 칩 위에 열전도형 가스센서를 형성했다. 이 센서 위에는 멤브레인(막)이 있고, 그 막을 마이크로 히터로 국소 가열하고 있다.

가스는 그 종류에 따라 열전도율이 다르다. 예를 들면, 열전도율이 낮은 CO2가 오면 방열하기 어려워져 막의 온도가 올라가고, 열전도율이 높은 H2가 오면 온도가 내려간다. 이처럼 막의 온도 변화를 살핌으로써 가스의 종류와 농도를 센싱한다.

그러나 이 방식에도 과제가 있었다. 2종류의 가스라면 센서 출력에서 가스 농도를 산출할 수 있지만 3종류 이상의 가스가 섞이면 출력과 농도의 조합이 무수하게 많아지기 때문에 각각의 가스 농도를 구할 수 없게 된다.

-- 2개의 센서를 칩에 형성 --
그래서 도시바는 서로 다른 감도를 갖는 2개의 열전도형 가스센서를 이용해, 이들 센서의 출력에서 알고리즘에 따라 각각의 가스 농도를 판정하는 기술을 개발했다.

구체적으로는 MEMS 기술을 통해 감도가 다른 2개의 열전도형 가스센서를 일괄 형성한 수 mm 오더의 초소형 칩을 개발. 이 센서와 가스 도입용 노즐 및 전용 회로를 구현한 센서 모듈의 시제기를 제작했다.

이 모듈의 사이즈는 약 106㎤로, 평균적인 가스 크로마토그래피와 비교해 1/200 이하라고 한다.

게다가 도시바는 이 모듈을 이용해 실제 환경에서 실증을 실시했다. CO2를 전기 분해하는 셀에 이 모듈을 부착, 가습 상태인 CO2, H2, CO의 3종류 혼합가스에서 각각의 가스 농도를 동시에 측정했다. 그 결과 측정 시간은 1.7초로, 가스 크로마토그래피의 5분과 비교해 150배 이상 고속화를 실현했다.

도시바는 앞으로 센서의 구조나 알고리즘의 최적화를 진행해 26년의 실용화를 목표로 한다. 그리고 가격은 현시점에서는 미정이라고 한다.

 -- 끝 --

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