• ‘수소경제’라는 말을 처음 들었을 때 아마 모두 같은 생각을 했을 겁니다.
  “검증된 것 맞아?” 하지만 최근 정부가 수소경 활성화 로드맵까지 발표하면서,
  ‘수소사회’의 퍼즐조각들이 눈에 띄게 맞춰지고 있을 만큼 떠들썩한 요즘입니다.
  익숙함을 버리고 새로운 걸 받아들이는 것만큼 어려운 게 또 없죠.
  그래도 이제는 사고를 바꾸어야 살아남는 때가 왔나 봅니다.
• 우주를 구성하는 물질의 75%를 차지할 정도로 무궁무진한 수소. 연소할 때 공해 물질이 발생하지 않아 차세대 에너지원으로 각광 받은 지 오래인데요. 그래도 여전히 숙제는 남아있습니다. 현재 방식으로는 많은 에너지와 비용이 필요하고, 지구온난화의 주범인 이산화탄소가 발생하기 때문. 물을 분해해서 수소를 만들 때는 수소의 순도가 낮으면 산소와 반응해 폭발 위험이 따른다는 점도 무시할 수 없답니다. 이처럼 수소를 안정적으로 공급하기 위해선 다양한 생산법과 고순도 정제법이 필요합니다.

안정적인 수소 생산과 활용을 위한 고민

그래서 인류는 아주 오래 전부터 고민해왔습니다. “어떻게 하면 수소를 안정적으로 생산하고 활용할 수 있을까?” 이렇게 전 세계에서 수소를 미래 핵심 성장 동력으로 손꼽기 훨씬 전부터 말이죠. 수전해기술, 메탄 수증기 변환기술, 분리막 등 국내에서도 관련 연구가 활발하게 이뤄지고 있는데요. 아쉽게도 기존 방식들에는 몇 가지 한계점이 존재합니다.

석유화학 부산물에서 수소를 추출하는 방법이 가장 싸게 수소를 만드는 방법이지만 원료가 한정되고, 지역별 편차가 심합니다. 현재 석유화학 부산물 추출방법 다음으로 저렴하게 수소를 만드는 방법이 바로 천연가스(메탄) 수증기 변환기술인데요. 세계 수소시장의 48%를 담당하고 있는 천연가스(메탄) 수증기 변환기술의 경우, 700~900℃ 고온을 유지해야 하는 건 물론 분리·정제 공정을 따로 운영해야 하기 때문에 생산 비용이 만만치 않다는 단점이 있죠. 그리고 수소를 생산하는 과정 중에 이산화탄소까지 대량 방출해, ‘친환경’이라는 타이틀과는 어울리지 않는 상황을 만들기도 합니다.

천연가스(메탄) 수증기 변환기술 단점 해결

이때 많은 연구진들의 마음을 사로잡은 것이 바로 ‘팔라듐 분리막’입니다. 최근 에너지와 환경 촉매로써 그 가치가 높아져 백금보다 비싸졌을 정도로 ‘대세’인 귀금속인데요. 팔라듐은 수소를 흡수하고 방출하는 능력이 워낙 탁월해, 일찍이 1860년대부터 ‘일당백’으로 통할만큼 유명한 소재입니다.

• 일당백, 팔라듐
  
• 팔라듐 활용 분야
  

천연가스(메탄) 수증기 변환방식의 수소 생산 공정에 팔라듐계 분리막을 사용할 경우, 500~550℃의 낮은 온도만 유지해도 돼 이산화탄소 배출을 줄일 수 있고, 자연스레 고온에서 발생하는 질소산화물도 억제할 수 있죠. 또 반응과 동시에 수소정제가 가능하기 때문에, 정제 공정이 따로 필요하지 않아 소규모 시스템과 효율적인 비용으로 충분히 고순도 수소를 얻을 수 있답니다.

팔라듐, 더 얇게 더 균일하게 코팅하는 것이 핵심

한국에너지기술연구원 에너지소재연구실 이신근 연구원은 2013년부터 이 팔라듐 분리막 연구를 꾸준히 진행해왔습니다. 시작은 포일형태의 분리막이었는데, 10~20㎛ 이하의 두께로 제작할 수가 없어 높은 단가와 낮은 수소투과도라는 단점을 해결하지 못했습니다. 그리고 2015년, 그는 새로운 도전을 시작합니다. 표면적이 넓은 튜브형 지지체 위에 아주 얇게 팔라듐을 코팅하는, 이른바 ‘복합막 기술’에 눈을 뜬 거죠. 복합막은 두께의 한계를 충분히 뛰어넘을 수 있고, 기존 공정에 적용하는 것도 어렵지 않아 이미 전 세계적으로 활발하게 연구 중인 분야거든요.

그런데 지난 8월, 우리가 해냈습니다. 에너지소재연구실 이신근 연구원 팀이 팔라듐 분리막 코팅 공정의 핵심인 ‘무전해도금법’을 독자적으로 개발해낸 겁니다. 실제로 네덜란드 ECN, 중국 대련과학물리연구소, 미국 Colorado School of Mine 등에서 국내보다 훨씬 먼저 복합막 분리막 기술을 다루기 시작했는데요. 중요한 건 아직 상용화에 성공한 연구기관이 없다는 겁니다. 이렇게 통괘한 역전의 명수가 또 어디 있을까요? 그만큼 미세구멍 없이 얇고 균일하게 팔라듐을 코팅한다는 게 얼마나 어렵고 중요한 핵심기술인지 느껴집니다.

필라듐 분리막의 구조

수소경제 앞당길 수 있는 고순도 수소

기존 무전해도금방식으로는 팔라듐 사용율이 80%를 넘지 못해 아깝게 버려진 팔라듐을 다시 회수해야 한다는 번거로움이 있었는데요. 이젠 99.5% 이상의 팔라듐을 한번에 사용할 수 있어 수고와 비용을 한층 아낄 수 있게 됐고요. 기존 포일형태의 분리막보다 무려 3~5배나 얇은 5㎛ 이하의 두께로 팔라듐을 코팅해도 고순도 수소 정제가 가능해졌답니다.

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  팔라듐 코팅을 입히는 과정
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  세라믹과 팔라듐 코팅을 입힌 원통형 금속체

또 금속지지체를 사용하는 복합막 핵심기술 중 하나가 바로 세라믹을 매우 얇게 코팅하는 건데요. ‘블로윙코팅기술’이라는 원통형 금속 표면에 세라믹을 얇게 코팅할 수 있는 신기술을 개발해 국내 특허등록까지 마쳤습니다. 원통형 금속 표면에 머리카락 1/1000 두께보다 얇은 세라믹 막을 깔끔하게 코팅해내는 이 기술 덕분에 안정성과 경제성 두 마리 토끼를 모두 잡은 셈이죠.