▲ 김종원 과학기술부 수소에너지사업단장
지난 4월26~27일 양일간에 걸쳐 하와이에서 열린 제4차 한미 나노포럼 주제는 ‘지속가능한 나노기술-에너지’로 신재생에너지 특히 태양전지·이차전지·수소연료전지 등의 분야에 나노기술이 어떠한 역할을 하고 있는가, 앞으로 나노기술과 에너지 측면에서 어떤 분야의 일을 한미간 협력할 수 있는가 하는 점이 주요 논제였다. 수소연료전지 특히 수소분야중 수소저장분야의 미국측 연구과제 책임자인 수니타 박사가 발표한 내용이 본 사업단의 업무와 직접 관련이 있기에 이 분야에 대한 미국측 자료를 인용해 거론하고자 한다.

결론부터 언급하자면, 연료전지의 수송용 이용을 위해 차량탑재용 수소저장기술은 반드시 해결해야 할 분야이기에 수소저장 소재분야에 주안을 두고 신개념과 아이디어를 지속적으로 도출할 필요가 있다. 또한 저장분야의 기술적 난제 해결에 나노기술이 큰 역할을 할 것으로 기대하고 있다는 것으로 요약된다.

본 수소에너지사업단에서도 시행하고 있듯이, 수소저장에 대한 이론적 접근과 이론적 예측 결과를 뒷받침해줄 실험자료 확보 등 체계적인 접근 방법이 필요하다. 미국의 경우는 에너지성(DOE) 지원 하에 국가수소저장연구가 진행되고 있는데, 금속수소화물, 화학적 수소저장, 수소흡착(이전에는 탄소재 물질 중심이었음) 등의 중점 분야 이외에 독립적인 연구과제로 구성돼 있다.

미국의 수소연료선도 계획에 대한 올해 투자액은 2억7,000만달러를 넘어 섰다.

이중 수소저장분야에는 약 3,400만달러를 쓰고 있는데 우리 사업단이 투자하는 액수의 10배가 되는 금액이다. 내년에는 이보다 증액된 4,400만 달러 투자를 예상하고 있다.

현재로서는 기존 어느 시스템도 목표를 충족시키지는 못하고는 있지만 가능성이 있는 후보 물질들은 꾸준히 발굴되고 있다. 이를테면 순수한 LiB4는 분해되면 13.6%에 해당하는 수소를 발생시킨다. 수소를 9~10% 정도 저장했다가 방출할 수 있다는 가역적인 성질은 실험실적으로 증명이 된 상태이지만 문제는 온도가 375℃ 이상의 고온이 필요하다는 점과 수소 흡방출 속도가 늦다는 점에 있다. 이정도의 성과도 사실 나노기술이 적용된 결과인 것이다. 큰 입자안으로 수소가 들어가고 나올려면 긴 거리를 통과해야 하지만 나노 입자라면 수소가 이동해야 할 길이가 짧아져 흡방출하는 속도가 보다 빨라진다.

나노구조를 갖는 이른바 금속유기복합체(MOF)의 경우에 저온에서는 7%까지 수소저장이 가능하지만 상온에서는 1% 미만에 불과하다. 통상 흡착제로 많이 쓰이는 탄소 소재인 활성탄 자체만 가지고서는 100기압까지 올려도 수소저장량이 1%미만에 불과하다. 물론 미립화된 백금을 이용하면 이른바 수소의 스필오버 효과(고체 표면에서 수소원자가 확산되는 현상)로 상온에서도 1.8%까지 저장량이 늘어난다는 것이 미국에서 보고된 바 있다. 스필오버는 1960년대부터 잘 알려진 현상으로, 탄소와 수소원자와의 결합에너지가 수소원자의 분포와 밀도와도 관련이 있기 때문에 나노튜브의 경우 수소원자와의 결합에너지는 상당히 낮아질 수 있으며 이것 때문에 상온에서도 약 4%까지 수소저장이 가능한 것으로 보고 있다.

이미 우리나라도 국제에너지기구 수소이행협정의 수소저장에 관한 국제적인 공동연구모임(IEA-HIA Task22)에 가입해 올해초부터 활동하고 있다.

수소저장에 관한한 기초적인 연구가 큰 밑거름이 된다. 열역학적 측면과 반응기구 측면 등 검토돼야 할 내용이 많다. 현재의 연구 성과를 심도 깊게 분석해 보완방안을 연구에 반영하고 연구유연성을 확보해 수소저장에 관한 새로운 아이디어의 접목과 이를 원천기술화하려는 노력을 꾸준히 시도해야 한다. 각 부처에서 수행하고 있는 기초연구분야 관계자, 산업체와 관련 사업단과의 긴밀한 협조 및 국제적인 협력이 중요한 연구 전략이 될 수 밖에 없다.

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