재료硏, 안전성·비용 효율 높인 고체 수소 저장 소재 기술 개발

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진) 경량재료연구본부 김영민, 서병찬 박사 연구팀이 고압 용기나 극저온 설비 없이 수소를 안전하게 저장하고 운송할 수 있는 고체 수소 저장 소재를 세계 최초로 개발했다. 연구팀이 개발한 마그네슘-니켈-주석(Mg-20Ni-Sn) 합금은 수소를 금속 속에 안전하게 고정해 폭발 위험을 없애고, 제조 비용과 에너지 소모를 획기적으로 낮춘 점이 특징이다.

일반적인 수소 저장 방식은 고압(350~700bar) 기체 압축 용기를 활용하거나 극저온(영하 253℃) 액화 방식이었다. 그러나 이러한 방식은 높은 폭발 위험과 과도한 에너지 소모, 자연 증발 등의 문제가 있었다.

이를 해결하는 방법이 고체 수소 저장 기술이다. 수소와 금속을 화학적으로 결합한 후 필요한 시점에 다시 분리해 사용하는 방식으로, 폭발 위험 없이 장기간 저장과 운송이 가능하다. 그러나 기존에 활용되는 고체 수소 저장 소재는 저장밀도가 낮고, 흡·방출 속도가 느리며 제조 비용도 많이 들어 상용화에 한계가 있었다.

연구팀은 한계를 극복하기 위해 마그네슘-니켈-주석 합금을 개발했다. 이 합금은 저장밀도가 높은 마그네슘(Mg) 상과 흡·방출 속도가 빠른 마그네슘-니켈(Mg2Ni) 상을 층상 구조로 결합했다. 여기에 주석(Sn)을 소량 첨가해 결정립을 미세화함으로써 반응성을 높였다. 그 결과 기존 소재 대비 수소 저장 성능이 약 세 배 이상 높아졌다.

본 기술은 기존 고압 가스 상태로 40피트(ft) 트레일러에 탑재하던 수소량을 5톤(40피트의 절반 수준) 트럭 한 대로도 충분히 운송할 수 있어, 운송비를 대폭 절감하는 효과가 있다. 특히 수소가 저장된 금속수소화물 상태에서는 산화 저항성도 우수해 장시간 공기에 노출되어도 성능 저하가 일어나지 않기 때문에 별도의 고압 탱크 없이도 대기압(일반인이 평소 느끼는 공기의 압력) 상태에서 수소를 일반 화물처럼 안전하게 운송할 수 있다.

제조 공정도 한층 간단해졌다. 기존에는 고가의 분말 공정이 필요했지만, 연구팀은 일반 주조 공정으로 만든 덩어리 형태의 소재를 50마이크로미터(머리카락 절반 두께) 수준의 얇은 금속 칩(chip) 형태로 깎아내는 공정을 개발했다. 그 결과, 미세하게 얇은 금속 칩에 수소가 빠르게 침투해 고효율로 반응을 이끌었다. 또한, 대량 생산할 수 있어서 제조 비용이 기존 대비 10분의 1 수준으로 대폭 줄었다.

또한, 연구팀은 기업 및 타 출연연과 협력해 유도가열형 저장 용기와 실시간 모니터링 시스템을 개발해 연구 성과를 확장했다. 유도가열은 금속 용기 내부에 저장된 수소저장합금을 빠르게 가열해 수소를 흡수 및 방출하는 방식으로, 기존처럼 기체 상태로 부피를 크게 차지하지 않아 작은 공간에도 많은 수소 저장이 가능하다.

연구책임자인 김영민 책임연구원(UST-KIMS 스쿨 교수)은 “이번 기술은 별도의 특수 장비 없이도 수소를 안전하고 경제적으로 운송할 수 있는 첫 실증 사례”라며, “재생에너지나 원전에서 생산된 수소와 연계하여 발전소, 전기차, 에너지 저장 장치 등 다양한 분야로 확산시킬 계획이다”고 밝혔다.