생산기술특허연구회

- 제목 : 슈퍼컴퓨터로 디자인한 수소저장 물질구조 설계 성공 - 출처 : 코리아 닷컴 - 일자 : 06.09.15 ▲ 수소가 나노물질에 달라붙어 있는 컴퓨터 그래픽 형상으로 이종결합 나노물질 상의 수소 분자（왼쪽）와 원소치환에 의해 활성화된 나노물질 상의 수소（오른쪽）를 형상화한 그림 이번 임지순 서울대 물리천문학부 교수팀의 대량 수소저장물질 발견은 지난 수십년간 학계과 산업계가 수소를 고체의 형태로 안전하게 저장할 수 있는 저장물질을 찾아 고심해온 과제를 풀어나갈 단초를 제공하는 것이다. 현재 수소자동차는 도요타, 지엠, 클라이슬러, BMW, 현대를 비롯한 전세계의 여러 회사에서 경쟁적으로 개발해 테스트 단계에 있다. 하지만 수소를 가스상태로 탱크에 고압축（350내지 700 기압）해 저장할 경우 부피도 크고 폭발 위험성을 안고 있어 상용화하는 데에 어려움이 있다. 이에 따라 이같은 수소에너지 대량저장기술에 대한 연구 성과는 수소에너지 시대 도래를 가능케 했다는 점에서 획기적인 의미를 갖고 있다. 또 연료인 수소가 타고남은 배출물이 이산화탄소나 다른 유해가스가 섞여있지 않는 청정 에너지원이며 수소는 자연 속에 물의 형태로 풍부하게 존재해 고갈이 없는 에너지원이라는 이유로 그 중요성을 인정받아온 수소에너지는 석유의 고갈 및 신고유가 때문에 전세계가 괴로운 이 때에 새로운 에너지 시대의 돌파구가 될 신재생에너지 분야의 ‘꽃’이기에 이번 연구의 의미는 더 크다. 임 교수는 ‘Combinatorial Search for Optimal Hydrogen-Storage Nanoma terials Based on Polymers’에서 슈퍼컴퓨터를 이용, 수백 가지 다양한 물질의 구조를 디자인해 보고 고온 고압이 아닌 보통 조건인 상온 상압 근처에서 수소자동차에 사용하기 충분한 양의 수소를 저장할 수 있는 이상적인 물질 구조를 찾아냈다고 명시했다. 기본 아이디어는 폴리머（폴리아세틸렌, 폴리아닐린 등 플라스틱을 이루는 물질）을 뭉치지 않게 분산시키고 거기에 금속（타티아니움）원자들을 달아 다량의 수소가 금속에 붙어 안전하게 저장되는 것이다. 이번에 제안된 구조를 합성할 경우 상온상압 근처에서 예측되는 수소의 저장량은 2010년까지 달성하기로 미국에너지성에서 정한 목표치보다도 25％이상 많은 질량 7.6wt％, 부피 63㎏/㎥의 수소를 저장할 수 있다는 것이다. 이에 관해 미국 에너지성은 수소 저장체의 요건으로 질량 6∼6.5wt％, 부피 45㎏/㎥의 저장용량과 -20∼50 ℃의 작동 온도를 제시했지만 이전의 연구에서는 이같은 조건을 만족하는 물질은 발견되지 않았으며, 이를 뒷받침할 이론적 이해와 메커니즘 규명도 초기 단계에 있었다. 또 지난 1999년 MIT에서 질량 3wt％의 수소를 저장할 수 있는 연구성과를 얻은 것을 감안할 때 이번 연구의 성과는 세계 최초로 미국 에너지성의 기준에 적합한 수소저장기술을 도출해 낼 수 있는 가능성을 보여줬다는 점에서 역사적인 의미가 있다. 임 교수팀은 이번 연구성과를 바탕으로 청정에너지이며 고갈가능성이 없어 대체에너지로 관심을 받고 있는 수소에너지의 개발·상용화, 특히 수소자동차 상용화 가능성을 크게 앞당길 것으로 기대하고 있다. 또 석유 등 화석연료 중심의 에너지 공급 체계에서 탈피하려는 전세계적 경쟁에서 중요한 위치를 확보하게 될 것으로 예측하고 있다. 아울러 이번 연구의 또 하나의 의미는 우리가 원하는 성질을 갖는 새로운 물질구조를 컴퓨터만으로 설계할 수 있음을 증명했다는 것이다. 이같은 새로운 수소저장 물질에 대해 국내외 특허를 이미 출원한 상태이다. 또 서울대 측은 한국과학기술정보연구원과 서울대의 슈퍼컴퓨터를 이용해 디자인한 물질구조를 실제로 합성하고 그 저장량을 측정하기 위한 실험도 지금 진행 중에 있다. 이번 연구에는 대학원 박사과정 이훈경 군이 그 핵심적인 아이디어를 내고 주도적인 역할을 담당했다고 전했다. 한편 지승훈 포항공대 교수는 이번 연구와 관련, “수소저장체 연구는 흡착메커니즘 이해 등 기초물성 조사와 재료 합성 등의 복합적 연구가 필요한 분야이며 다년간의 연구 및 그에 따른 지원이 요청된다”고 밝혔다. 지 교수에 따르면 현재 국내외 수소 저장체 연구는 크게 두 가지 방향으로 진행되고 있다. 첫째, 화학적 결합 （공유 결합）을 통한 수소 저장 방식으로 수소는 원자 형태로 저장되며, 수소화합물 （NaBOH 등）금속합금 등이 이 방식에 속한다. 둘째, 물리적 흡착방식을 이용한 저장 방식으로 활성탄과 나노튜브 등이 여기에 속하는 대표적인 물질이며, 수소는 분자 형태로 저장되게 된다. 이같은 수소저장체 개발 이외에도 고압 혹은 액체 수소가 실험용 자동차에 쓰이고 있으나, 초고압 또는 극저온 상태를 유지해야 하는 기술적 어려움과 안정성 문제로 인해 궁극적인 해결책은 될 수 없다. 이 두 가지 저장 방식의 가장 큰 차이점 중 하나는 수소와 저장물질의 결합에너지이다. 화학적 결합의 경우 수소와 저장물질의 결합에너지는 100 kJ/mol 이상인 반면, 물리적 흡착의 경우 에너지는 10 kJ/mol 혹은 그 이하의 값을 갖는다. 수소와 저장체의 결합에너지는 저장체의 작동 온도와 저장량을 결정하는 매우 중요한 변수이다. -20∼50℃ 사이의 상온에서 작동하는 수소저장체를 만들기 위해서는 수소의 흡착에너지가 20∼30 kJ/mol 정도가 돼야 함을 van’t Hoff 방정식으로부터 알 수 있다. 문제는 대부분의 물질들이 화학적 결합 혹은 물리적 흡착의 형태로만 수소와 결합해 수소 저장과 방출이 매우 높거나 낮은 온도에서만 이뤄진다는 점이다. 화학적 결합의 경우 높은 흡착 및 방출 열로 인한 저장체의 물리적 특성 변화, 저장용량의 제한, 재료의 단가 등 기술적 경제적 면에서 많은 제약이 있다. 물리적 흡착을 이용한 저장방식은 흡착에너지가 작아 실온에서의 저장용량이 낮아지는 단점이 있지만, 저장 원리의 단순성, 물성변화가 거의 없다는 점, 저장용량이 비표면적에 정비례한다는 사실 등의 장점으로 인해 많은 관심을 끌고 있다. 물리적 흡착 혹은 비공유 결합 특성을 이용한 수소저장체 개발방식이 향후 이 분야의 주된 흐름이 될 것으로 전망된다. 임지순 서울대 교수팀, 국내외 특허 출원 송현아 기자 hyun@koenergy.co.kr