수소가 석유나 석탄을 대체할 청정에너지원으로 주목받는다. 세계 각국이 수소경제 글로벌 패권 선점을 위해 경쟁하고 있으며, 우리 정부 또한 2019년 수소경제 활성화 로드맵을 발표하며 수소경제로의 전환에 나서고 있다. 이처럼 궁극의 친환경 에너지원으로 주목받는 수소지만, 진정한 수소경제 시대를 열기 위해서는 안전과 산업의 균형발전이 반드시 필요하다. 이를 위해 주목받는 것이 바로 수소센서다. 미세한 수소 농도를 빠르게 감지함으로써 안전을 담보하는 것이다. ㈜이너센서는 세계 최초로 열대류 메커니즘을 적용한 초소형 MEMS 수소가스센서 개발에 성공하며 수소센서의 새로운 장을 열고 있다.

 

자체 특허 기술 활용한 맞춤형 센서 설계·제작하며 산업의 핵심부품 공급

반도체 공정 기반의 센서 설계/제작 전문기업 ㈜이너센서는 2015년 설립 이후 자체 특허 기술을 적용한 특수 산업용 초정밀 센서를 비롯해 자동차, 로봇/가전 제품개발에 필요한 핵심부품을 개발·공급해온 기업이다. 혁신적인 반도체 공정을 기반으로이너센서의 연구, 개발팀이 다양한 산업분야의 독특한 요구에 부응하여 맞춤형 센서를 설계 및 제작하고 있다. 이들이 만드는 센서는 자동차, 산업자동화, 의료, 환경 감지 등 다양한 응용 분야를 자랑한다.

20년 이상 반도체 공정분야에 기반한 3D MEMS(초소형 정밀기계기술) 소자설계 및 아날로그 신호 분석 기술에 특화된 반도체 공정, 측정 장비를 개발하며 쌓은 노하우는 이너센서가 압력센서 양산장비를 자체 개발하는 밑거름이 되었다. 강문식 대표는 저탄소 친환경 재료 및 공정기술 기반의 수소, 압력센서 사업을 통해 지속 가능한 첨단센서 중점기업으로 나아가고 있다고 설명했다.

압력센서는 외부에서 가해지는 압력을 감지하고, 이를 전기적인 신호로 변환하는 장치다. 환경 모니터링, 자동차 제어시스템, 의료기기, 가전제품 등 다양한 분야에서 활용된다. 군수용, 산업용 MEMS 압력센서와 관련해 국내 최고 수준의 기술력을 자랑하는 이너센서는 MEMS 액체렌즈, 미세유체 바이오칩(Microfluidic biochip) 개발 기술을 보유하고 있다. MEMS는 전자회로뿐 아니라 각종 기계부품까지 통합된 칩으로, 다양한 전자기기에 활용된다. 대표적인 압력센서 제품으로 수소탱크 및 중장비 유압제어시스템, 군수용 공압시스템 등에 적용되는 ▲전계효과형 압력센서, 기상관측용 및 군수용 피토 튜브(Pitot tube)로 활용되는 ▲MEMS 정전용량형 절대압센서, 디지털출력형 모듈인 ▲MEMS 저항형 차압센서 등이 있다. 특히 정전용량형 압력센서 분야에서는 국내 최고 수준의 기술력을 자랑하며, 저항형 및 새로운 친환경 압력센서에 관한 구동원천기술을 확보하고 있다.

이외에도 피에조형 반도체 압력 센서, 약액 누설 감지 센서, 온도 센서의 보정 방법, 센서 모듈 및 이의 자동 보정 방법, 가스 센싱 소자, 접촉 연소식 가스 센서용 감지 소자 및 이를 포함하는 접촉 연소식 가스센서 등의 기술로 국내외 9건의 특허를 등록했다.

 

 

 

세계 최초·최고 성능 자랑하는 열전도형 수소가스센서로 친환경 수소센서 시장에 도전장

전 세계 수소센서 시장은 지속적으로 성장 중이다. 2021년부터 매년 3.1%의 성장을 거듭해 2028년 3조 원 규모의 성장이 기대되고 있다. ㈜이너센서는 그간 쌓아온 노하우를 기반으로 친환경 수소센서 시장에 도전장을 내밀었다.

공기 대류 원리를 활용한 고감도 MEMS 가스센서 플랫폼 기반의 광범위(0~100% hydrogen) 사용이 가능한 수소센서는 자동차, 전기차 충전소, R290 냉매감지, 전기차 배터리팩 등 다양한 분야에 응용할 수 있다. 현재 유럽과 미국, 일본이 해당 분야의 기술을 독점하고 있으나 이너센서가 선보인 친환경 수소센서 기술은 이러한 독점 구조에 파장을 일으키고 있다.

이너센서는 최근 50ppm(0.005%) 수준의 초저농도 수소를 감지하는 새로운 열전도형 수소가스센서를 개발하며 주목받고 있다. 이너센서가 전 세계 최초로 구현해낸 MEMS 센서 소자는 내부에 열대류(Thermal convection) 현상을 일으키는 동작 원리를 적용해 센서 감도를 대폭 향상시킨 결과다. 기존에 활용되던 열전도 방식은 수소가스와 센서감지부의 접촉 범위가 좁고, 접촉 확률이 낮아 매우 미세한 농도의 수소를 감지하는 데에는 한계가 있었다. 반면, 열대류(Thermal convection)형 수소가스센서는 수소가스가 소자 내부에서 흐르듯 MEMS 구조를 만들어 감지하고자 하는 가스와 센서 감지부의 반응 면적/효율을 비약적으로 증가시킨다. 감지부 위아래로 수소가스가 이동하면서 접촉 확률이 크게 증가하고, 이는 감지 성능 향상으로 이어진다. 이너센서의 Thermal convection형 수소가스센서와 일반적인 열전도형 가스센서 원리를 갖는 유럽의 SGX의 감도를 비교 평가한 결과 동일한 구동 조건에서 20mA 구동 시 Thermal convection형 수소가스센서의 센서 감도가 유럽 SGX 대비 약 7배 높은 수준을 나타냈다. 이는 전 세계 최고 수준의 감도를 확보했음을 의미한다. SGX의 노이즈는 열대류형 수소가스센서의 구동방식 대비 1/10배 출력되고 있었다. 강 대표는 센서부와 가스의 반응면적 및 접촉확률을 증가시켜 감도를 비약적으로 향상시킬 수 있었다고 설명했다. 관련 시제품 제작과 특허 등록을 끝마친 상태이며, 하이드로 벌텍스(Hydrovortex)라는 브랜드로 글로벌 시장을 공략한다는 계획이다.

이너센서가 개발한 열대류형 수소가스센서는 수소 사용분야 및 수소를 감지·관리해야하는 모든 분야에 적용될 수 있다. 전기차용 배터리 열화 폭주의 전조증상을 감지하며 사고를 예방하는 효과도 거둘 수 있다. 전기차 배터리는 화재가 발생하기 직전 수소가스가 발생하는데, 이를 신속히 감지하면 초동 조치가 가능하다. 수소센서를 활용해 1% 미만의 수소가스 발생이 감지되는 즉시 전원을 차단하는 것이다. 미국에서는 전기차 배터리에 수소가스 센서 모듈을 적용할 것을 규정화했으며, 국내에서도 머지않아 법제화될 것으로 보인다. 강 대표는 기존에 MEMS 센서를 공급했던 수소차와 더불어 전기차 배터리와 전기차 충전기 시장을 공략할 것이라 전했다. 이와 더불어 0.001% 수소 농도를 감지할 수 있는 초정밀 센서 연구개발도 추진할 계획이다. 기존 센서들이 가진 저농도 수소 감지의 어려움을 극복한 독자기술로 차별화에 나선다는 설명이다.

 

높은 성장 기대되는 센서산업, 독보적 기술력으로 돌파구 찾는다

AI 시대에 센서는 물리/자연적 현실세계와 인공지능 기술을 잇는 가교 역할을 수행한다. 현실세계에 인공지능 기술을 접목하는 데 필요한 정보를 전달하는 매개체로 활용되는 것이다. 실제로 센서가 적용되는 산업군은 제철산업과 항공/우주산업, 자동차 산업부터 정밀 계측, 스마트팜, 배터리 등 점차 확대되는 추세다. 강문식 대표는 센서는 인류가 거주하는 환경 중 편리성을 추구하거나 극한의 환경을 극복하고자 하는 본능적 욕구가 펼쳐지는 모든 분야에 사용될 것이라 내다봤다.

이러한 성장성에도 불구하고 시장에 진입하기가 쉽지만은 않다. 선진국형 산업인 센서산업이 군사적·정치적 기술 종속화 도구로 사용되고 있어서다. 미국 TI사의 일부 센서제품과 회로부품은 군수품으로 지정되어 수입 자체가 불가하다. ㈜이너센서는 독보적 기술력에 기반한 제품의 품질과 성능으로 정면 돌파에 나섰다. 강 대표는 자동차, 군수용의 경우 응답속도가 빠른 열전도, 접촉 연소식을 적용해야 한다며, 열전도식과 접촉 연소식을 결합한 형태의 산업용 제품을 개발한다면 시장 재편이 가능하다고 힘주어 말했다.

“수소가스를 검출하는 여러 방법 중 응답 속도가 빠르면서도 긴 라이프 타임을 자랑하는 열대류형 열전도 방식 수소센서에 집중하고 있습니다. 현재 열전도 방식의 수소센서를 생산하는 업체는 전 세계에서 스위스와 미국, 일본이 유일하죠. 열대류형 열전도 방식 가스센서를 시제품 형태로 만든 것은 이너센서가 최초입니다. 특히 유럽의 제품보다 뛰어난 성능이 확인된 만큼 제품의 우수성을 앞세워 시장을 개척해나가고자 합니다.”

현재 국내에서는 경상북도 포항시 수소도시 사업이 선정 및 추진되고 있으며, 자동차용 MEMS 수소센서용 chip 공급 매출실적을 확보한 것은 이너센서가 국내 유일하다. 이너센서는 지난해 10월 경북도가 수소경제 활성화를 목표로 개최한 ‘수소전문기업 육성사업 간담회’에 참여해 수소전문기업 육성·지원 방안 및 핵심부품 국산화 개발 등을 위해 머리를 맞대기도 했다. 포항시는 지역 중소기업의 기술개발·판로개척·컨설팅 지원을 통해 전략적으로 수소전문기업을 육성하고 있다. 이너센서는 지난 2022년 포항시 유망강소기업으로 선정되기도 했다. 또한, 포항공과대학교(포스텍, Postech)에 위치한 세계 최초의 애플 제조업 R&D 지원센터의 장비를 이용해 단면 구조 분석을 수행하는 등 기존에는 파악하기 어려웠던 분석이나 세밀한 분석 결과를 확인하며 R&D의 속도를 높였다. 실제 장비를 갖추지 못한 중소기업이 외부 분석기관에 의뢰할 경우 시간당 60~70만 원대의 비용을 지불해야 하지만, 애플 R&D센터에서는 장비를 무상으로 활용할 수 있다.

현대자동차의 3차 벤더사인 이너센서는 지난 2021년부터 NEXO 수소전기차량용 수소가스센서를 양산 공급하며 국내 수소센서 시장의 선두주자로 우뚝 섰다. 매출 실적 또한 꾸준한 성장을 보이고 있다. 2019년 약 3억 원 수준이던 매출은 2022년 약 15억 원을 기록했다. 2028년까지 매출 1000억 원, 영업이익 500억 원을 달성하는 것이 목표다. 수소 MEMS Chip이 전체 매출의 약 80%를 차지하며, 센서 분석 서비스, MEMS 차압센서, 수소가스 평가장비 등의 제품을 보유하고 있다. 최근에는 수소가스센서용 MEMS chip 분야에서는 국내 유일하게 현대자동차의 1차 벤더사인 세종공업에 MEMS Chip 양산공급을 추진 중이다. LG전자와 POSCO와도 파트너십을 맺고 있으며, 2017년 POSCO 글로벌스타벤처에 선정된 바 있다.

"현대자동차의 3차 벤더로 NEXO 수소전기차량용 수소가스센서를 양산 공급하며 수소가스 센서 분야에 관심을 갖게 되었습니다. 이후 수소가스센서에 관한 전문적인 기술력을 확보하기 위한 연구를 이어왔죠. 이는 세계 최고 성능의 감도를 자랑하는 센서 기술력 개발로 이어졌습니다. 이를 토대로 새로운 도약을 이룰 수 있으리라 확신합니다.“

강 대표는 올해 30억 원 수준의 시리즈 A 투자를 유치하는 것을 시작으로 전체 양산공장 구축자금의 50~70% 투자를 유치해 수소가스센서, 2세대 수소가스센서 모듈, FEP 압력센서 생산라인을 구축한다는 청사진을 그렸다. 현재 포항 융합산업기술지구 내 펜타시티 산업용지 909평 부지를 확보한 상태다. 향후 수소센서 산업용 모듈 개발을 시작으로 BMS용 초소형모듈 및 복합센서용 전용 ASIC 개발, 센서모듈 생산시스템 자동화, 센서 고장모드 유지관리사업 추진 등 로드맵을 토대로 2028년 수소센서 시장의 전 세계 10% 점유율을 확보하며 IPO를 준비한다는 구상이다. 강 대표는 융합, 열정, 신념이라는 가치 아래 첨단센서 기술을 선도하는 기술의 나침반을 향해 나아가겠다는 포부를 전했다. 궁극적으로는 군수용 체계개발업체 및 공장자동화 센서 솔루션 공급업체로의 도약한다는 청사진이다.

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반드시 가야만 할 길 수소경제, 안전과 산업의 동반성장 이끄는 수소센서로 수소시대 앞당긴다

한국과학기술연구원(KIST) 석사과정에서 공정과 원천소재 개발에 관한 연구를 수행한 강문식 대표는 자신의 연구를 사업화하는데 가장 적합한 분야가 센서라는 판단에서 사업에 뛰어들었다고 말했다. ㈜이너센서를 창립하던 당시는 국내에서 필요로 하는 센서의 전량을 수입에 의존하고 있어 국내 기반 기술이 미비하던 시기였다. 그는 유럽과 비교할 때 15년 이상 기술이 뒤처진 때였다며, 누군가는 센서의 국산화를 이루었으면 좋겠다는 생각이 들 즈음 관련 분야를 오랫동안 연구한 만큼 가시적인 결과를 만들어내는 역할을 수행해보고자 창업을 결심했다고 설명했다. 그런 강 대표에게 최근 유럽의 SGX 센서의 성능을 뛰어넘었다는 점은 상당히 고무적인 결과라 할 수 있다.

기술력을 입증했음에도 아직까지 가야할 길이 멀다. 이미 관련 인프라와 안정적인 기술력을 확보한 유럽과 미국, 일본과 경쟁하기 위해서는 독보적인 차별화를 이루어내야 하는 까닭이다. 강 대표는 50ppm(0.005%) 수준의 초저농도 수소를 감지하는 MEMS 센서가 킬러 아이템으로서의 역할을 톡톡히 수행할 것이라는 기대를 전했다. 현재는 보다 객관적인 평가를 위한 샘플링 과정을 진행 중이다.

“친환경 에너지 산업인 수소산업은 앞으로 반드시 가야 할 길입니다. 미국이나 유럽은 이미 60조 이상을 투자하며 관련 산업을 키우고 있죠. 국내에 수소 충전소 인프라가 구축되고, NEXO가 본 궤도에 오른다면 국내에서도 빠른 속도로 산업이 성장할 것으로 보입니다.”

강 대표는 탄소중립을 위해서는 반드시 수소 에너지를 활용해야 함을 강조했다. 산업통상자원부 또한 소부장 핵심전략기술에 수소 분야를 신설하며 수소산업 발전에 무게를 실었다. 수소 생산부터 운송·저장·충전, 활용에 이르기까지 수소산업 전주기에 걸친 핵심 소부장 18개 기술을 지정한 것이다. 수소에너지의 보급을 위해서는 수소의 안전성을 높이는 것이 무엇보다 중요하다. 이번 소부장 핵심전략기술 확대개편안에도 수전해 시스템용 방폭 센서 등 수소의 안전성을 담보하기 위한 내용이 담기며 눈길을 끌었다. 강 대표는 수소 에너지의 안전한 활용에 방점을 찍고 사업을 확대해갈 것이라 전했다.

“수소 인프라 확충을 위해서는 생산부터 운송·저장·충전, 활용에 이르는 각 단계별 안전 관리 시스템이 반드시 필요합니다. 수소 시대를 위한 단계별 프로세스에 이너센서의 제품을 적용하는 것이 저희의 목표죠. 이를 위해 수소 인프라에 직접 적용될 수 있는 센서와 모듈을 개발하고 있습니다. 수소센서의 국산화를 이끌어내며 수소시대를 앞당기는데 기여하겠습니다.”

이너센서는 고객의 요구를 충족시키기 위해 최첨단 기술과 창의적인 엔지니어링을 결합하여 미래지향적이고 신뢰성 있는 센서 솔루션을 제공한다. 국내를 넘어 글로벌 기업으로의 성장을 목표로 기반 기술 확보와 시대의 흐름에 걸맞은 시장 적응형 기술개발을 병행하며 기술 사업화 선도기업으로 나아간다는 청사진이다. 강문식 대표는 새로운 재료 기반의 반도체 공정개발 및 특수 센서개발, 정밀센서 생산에 필요한 보정 기술 확보 및 Stimulus 기반기술을 통해 팹리스 디자인 하우스로서의 장점을 극대화하고 있다고 설명했다. 나아가 기반기술과 핵심역량을 발휘하여 지역경제와 공동체 발전, 국가기술 역량의 중심축으로써 인간과 자연을 존중하는 첨단 센서기업으로 성장한다는 포부다.

“20년간의 연구가 결실을 맺는다는 점에서 기대가 큽니다. 특허가 등록될 때는 사뭇 들뜨기도 했죠. 상업화에 이르는 지난한 과정을 거치며 현실화하는 단계마다 여러 난관을 마주하겠지만, 수소센서의 국산화라는 사명과 책임감으로 차근차근 성장해가겠습니다.”