[월간인물 유지연 기자] 최근 한국재료연구원 그린수소재료연구실에서 고성능 비귀금속 촉매·전극 소재를 개발하고, 이를 폐알칼리 수전해 시스템에 적용해 비귀금속 기반의 폐알칼리 음이온 교환막 수전해 기술을 국내 최초로 개발하는 데 성공했다. 폐알칼리용 고성능 비귀금속 촉매/전극 소재를 개발하고 이를 폐알칼리 수전해 시스템에 적용함으로써, 비귀금속 기반의 폐알칼리 음이온교환막 수전해 기술을 개발하는 데 성공한 것이다.

 

 

안녕하세요. 한국재료연구원 그린수소재료연구실을 이끄는 실장님의 소개와 함께 인사 말씀 부탁드리겠습니다.

네 안녕하세요. 한국재료연구원 그린수소재료연구실(이하 수소연구실) 실장 최승목 입니다. 저는 학부 때 무기재료공학을 전공했고, 석/박사 학위과정 중에 수소를 활용하는 연료전지 분야의 핵심 소재인 귀금속 백금 촉매의 사용량을 저감하고 동시에 활성과 내구성 향상을 위한 기초 소재 연구를 수행했었고, 한국재료연구원 입원 이후 현재 그린수소 생산 분야에서 가장 주목받고 있는 음이온교환막 수전해(AEMWE, Anion Exchange Membrane Water Electrolyzer) 전주기 기술과 확장 분야에 대한 기술을 개발하고 있습니다.

 

그린수소재료연구실의 역할 및 주요 기능은 무엇인가요?

수소연구실은 2020년 한국재료연구원이 독립법인이 되면서 2021년 12월 조직개편으로 새로 만들어진 부서입니다. 연구실 이름에서도 알 수 있듯이 그린수소 생산 관련 소재 및 응용연구를 수행하고 있습니다. 현재 연구실은 석·박사과정 학생, 박사후 연수과정 연구인력, 석·박사 연구인력 등 24명으로 구성되어 있습니다. 수소연구실의 비전은 “탄소중립을 선도하는 그린수소생산소재의 산실” 이고 그린수소생산관련 글로벌 소재 기술 선도 그룹을 지향하고 있습니다. 저희는 다양한 수전해 기술 중 비귀금속 소재를 사용하여 수소생산단가가 가장 저렴하고 고압, 고순도의 수소를 생산할 수 있으며 재생에너지 연계 시 부하변동 대응이 가능한 AEMWE 원천기술 개발에 집중하고 있습니다. 특히, 소재뿐만 아니라 핵심 부품인 전극, 막전극접합체 및 자동차로 예를 들면 엔진에 해당하는 스택에 대한 전주기적인 연구를 수행하고 있습니다. 더불어, AEMWE는 타 수전해 대비 순수하지 않은 물을 전해액으로 활용할 수 있어서 버려지는 폐양액, 폐알칼리와 지구상에 가장 풍부한 해수를 직접 활용하는 차세대 수전해 연구도 진행하고 있습니다. 또한, 이와 같은 연구로 확보한 데이터를 축적하고 이를 활용하여 물성과 성능을 예측하는 AI 기반 성능 예측 플랫폼을 구축하는 사업도 수행하고 있습니다.

 

그린수소재료연구실에서는 수소 경제를 위해 어떤 노력을 하고 있는지 궁금합니다.

수소연구실은 소재-부품-시스템 전주기 원천 연구를 통해서 학계와 산업계를 건설적이고 효율적으로 연계하는 역할을 담당하여 가능한 빠른 시간안에 원천 소재 기술이 시스템 까지 적용 될 수 있도록 노력하고 있습니다. 이러한 노력의 일환으로 최근 수소연구실에서 형상/구조 및 전자구조가 제어된 고활성의 비귀금속 촉매를 개발하였고 이를 전극, 막전극접합체로 제작하여 AEM 수전해 스택에 적용하였습니다. 대면적 스택에서 수소발생효율 약 80%(LHV), 열화율 2mV/kh 으로 상용 수준의 우수한 성능과 내구성을 확보 하였습니다. AEMWE의 중요한 소재 중 하나인 음이온교환소재는 한국화학연구원, 한국에너지기술연구원, 상명대 등과 협력연구를 진행하였고 상용 시스템 적용 가능성은 아크로랩스 등 관련 기업들과 협업했습니다. 이를 기반으로 Adv. Mater. 2022, 2203285ACS Energy Lett. 2022, 7, 2576−2583, Applied Catalysis B: Environmental 292 (2021) 120170 등 많은 논문을 게재하였고 다수의 출원/등록된 특허를 기반으로 기술이전 3건, 수차례 언론홍보를 진행하였고 NST 이사장 상을 포함하여 많은 수상을 하였고 매년 각종 전시회를 통해 연구 성과를 홍보하고 있습니다.

 

최근 그린수소재료연구실에서 고성능 비귀금속 촉매·전극 소재를 개발하고, 이를 폐알칼리 수전해 시스템에 적용해 비귀금속 기반의 폐알칼리 음이온 교환막 수전해 기술을 국내 최초로 개발하는 데 성공했다고 들었습니다. 연구 내용에 대한 자세한 소개 부탁드립니다.

네. 기본적으로 수전해로 생산되는 수소의 원료는 전기와 물입니다. 기존 수전해는 원료인 물로 반드시 정제수를 사용해야만 하는데 정제수 1톤을 얻기 위해 2톤의 물이 필요하며 정제하기 위해서 많은 에너지가 필요하게 됩니다. 또한, 폐알칼리는 pH 12.5 이상의 강알칼리성 폐기물로 정의되며, 최근 반도체 수요의 폭증과 전자산업의 발전 등으로 배출량이 매년 빠르게 증가하고 있으며 폐알칼리 처리 비용 또한 많은 부담으로 작용하고 있습니다. 수소연구실에서는 수소를 생산하기 위해 정제수가 아닌 폐기물인 폐알칼리를 전해액으로 사용함으로써 정제수 사용 문제와 폐알칼리 처리 문제를 동시에 해결할 수 있는 신기술을 개발했습니다. 개발된 전극은 기존 전극 대비 2.8 배 우수한 활성과 높은 고내구성을 나타내었고 폐알칼리 전해질 기반 수전해 단위셀에 적용해서 1.42 A/cm2 (비귀금속 촉매 소재 적용)의 높은 전류밀도를 달성하였으며 수소를 원활히 생산할 수 있는 전류밀도에서도 향상된 내구성을 확보했습니다. 본 연구성과는 산업통상자원부 소재부품기술개발사업(과제명: 수소생산을 위한 2.5 kW급 폐알칼리 AEM 수전해용 고성능 촉매 전극 및 부품화 기술 개발) 및 한국재료연구원 주요사업(과제명: 그린수소 생산을 위한 AEM 수전해용 고내구 전극 및 평가 기술 개발)의 지원을 받아 수행되고 있습니다.

 

그린수소재료연구실에 관해 알려지지 않아 아쉽거나 소개하고 싶은 연구 및 사업이 있다면 어떤 부분이 있을까요?

우리 연구실은 폐수를 직접 활용하는 폐알칼리 수전해 기술 개발뿐만 아니라 스마트팜에서 발생되는 폐양액을 직접 활용하는 폐양액 수전해 관련 연구도 수행하고 있습니다.

 

좀 더 자세히 들어보고 싶은데요.

전 세계적으로 농업 생산 방식의 패러다임이 기존의 노동집약적인 노지 농업에서 온실재배 방식으로 변경되고 있고 특히 근래에 기후 변화, 물 부족, 급속한 도시화로 인한 경작지 감소, 농가 인구 감소 등으로 스마트팜 및 수경재배 첨단온실의 비중이 급격하게 상승하고 있습니다. 그에 따라 주입되는 양액의 양이 급격하게 증가하게 되었고 이에 비례해서 배출되는 폐양액의 양도 증가하고 있으며 부영양화, 하천 생태계 파괴 등 많은 환경적인 문제를 야기하고 있죠. 따라서, 본 연구를 통해서 폐양액의 유용성분을 회수하여 재활용하고 유용성분이 제거된 폐양액은 수전해의 전해액으로 활용하여 수소를 생산하고 전력이 부족하거나 정전 시 수소연료전지를 통해서 비상전력을 공급하는 자원재활용 에너지자립 시스템 구현을 위한 연구를 수행하고 있습니다. 연구를 통해서 폐양액 처리와 수소 생산을 동시에 할 수 있으며 이는 농촌진흥청의 농업과학기술 연구개발사업(재생에너지 연계 폐양액 이용 수전해 수소 생산 기술 연구)으로 수행하고 있습니다. 농도가 낮지만, 알칼리 용액 사용으로 인한 소재 부식과 성능 열화 문제가 있습니다. 그래서 중성 전해액을 사용하는 AEMWE 기술을 확보하기 위해 중성에서 우수한 성능을 갖는 비귀금속 촉매 소재를 개발하기 위한 ‘초임계 환경 전기화학적 물산화 촉매 및 전극 개발 연구’를 과기부 산하 국가과학기술연구회의 산업기술연구회사업의 지원을 받아 수행하고 있습니다.

 

수소경제 시대, 그린수소재료연구실의 탄소중립에 대한 계획과 활동 방향에 대해 들어보고 싶습니다.

수소경제를 빠르게 정착시키기 위해서는 수소경제활성화 로드맵에 나와 있는 것과 같이 수소생산단가를 화석연료 기반의 개질 수소와 대비해서 낮추는 것이 반드시 필요합니다. 미국과 EU의 경우 2030년까지 수소생산단가를 1달러/kg, 1유로/kg 수준으로 우리나라는 2040년 3,000원/kg을 목표로 하고 있는데 선진국 대비 약 2배 정도 단가가 높습니다. 이를 해소하기 위해 고성능, 고내구의 수전해 시스템이 반드시 필요하고 이를 위해서 핵심이 되는 스택 관련 기술의 확보가 필요합니다. 수소연구실에서는 이를 위해서 기 보유 기술을 고도화(실증이 가능한 상용 수준의 비귀금속 기반 촉매, R2R 이 가능한 고균일 대면적 전극 및 막전극접합체 공정 기술, 장수명 스택 운전기술)하는 연구를 규모 있게 수행하고 있으며 나아가서 기존 기술의 한계를 돌파할 수 있는 차세대 수전해 및 연료전지 기술을 개발하고자 합니다.

 

지금의 자리에 이르기까지 원동력이 무엇인가요?

저는 학위과정을 포함하면 약 20년 가까이 수소 관련 연구를 수행해오고 있습니다. 제가 관련 분야를 오랫동안 연구를 할 수 있었던 이유는 무엇보다 수소 연구가 너무 재미있습니다. 더불어, 인류의 지속가능한 생존을 위해서는 반드시 온실가스 배출이 없고 밀도가 높은 친환경 수소 에너지가 필요하고 소재부터 시스템까지 실증화 연구가 필수적이라고 생각했습니다. 운이 좋게도 한국재료연구원에 입원하면서 계속해서 수소 연구를 할 수 있게 되었습니다. 재료연에서 AEMWE 기술 개발 연구를 하면서 많은 어려움이 있었지만 처음 관련 연구의 길을 열어주신 선배 박사님들과 수전해 연구팀에서 무에서 유를 창조한 많은 석사 및 박사 과정 학생들, 박사 후 연수 과정 연구 인력들과 연구실원들의 헌신적인 노력으로 기술이전을 포함하여 논문, 특허, 언론홍보 등 많은 연구성과를 낼 수 있었습니다. 이 자리를 빌어 감사하다는 말씀을 꼭 드리고 싶습니다. 더불어, 수소연구실에 도움을 주신 많은 국내외 산학연 협업 기관들의 전문가분들과 수소연구실에 물심양면으로 도움을 주신 모든 분들이 연구 원동력이라고 생각합니다.

 

마지막으로 관련 분야 종사자들과 관계자 및 단체, 월간인물 독자들에게 전하고자 하시는 말씀, 응원이나 격려의 좋은 말씀을 부탁드립니다.

지금은 화석연료기반 경제에서 수소경제로 패러다임이 변화되는 가장 중요한 시기로 생각됩니다. 연구지원, 전문가 배출 여건, 시장 상황 등 많은 부분에서 미흡할 수 있지만, 꾸준히 하다 보면 원하는 모든 일을 반드시 이룰 수 있을 것으로 믿습니다. 더불어, 수소연구실도 도움이 될 수 있도록 많은 노력 하겠습니다. 감사합니다.