KIMS, 안전·효율성 높인 '고체 수소 저장 소재' 세계 첫 개발

저장 성능 기존의 3배 이상에 제조비는 10분의 1 수준

특수 장비 없이 일반 화물처럼 장거리 안전 운송 가능

[창원=뉴시스]안전성과 비용 효율성을 높인 '고체 수소 저장 소재(합금) 기술'을 개발한 한국재료연구원 연구팀. 왼쪽부터 서병찬 선임연구원, 김영민 책임연구원, 문영훈 기술기원.(사진=한국재료연구원 제공) 2025.05.22. [e-mail]

[창원=뉴시스]홍정명 기자 = 경남 창원에 본원을 둔 한국재료연구원(KIMS)은 경량재료연구본부 김영민·서병찬 박사 연구팀이 고압 용기나 극저온 설비 없이 수소를 안전하게 저장하고 운송할 수 있는 고체 수소 저장 소재(합금)를 세계 최초로 개발했다고 22일 밝혔다.

연구팀이 개발한 '마그네슘-니켈-주석(Mg-20Ni-Sn) 합금'은 수소를 금속 속에 안전하게 고정해 폭발 위험을 없애고, 제조 비용과 에너지 소모를 획기적으로 낮추었다는 점에서 주목받고 있다.

일반적인 수소 저장 방식은 고압(350~700bar) 기체 압축용기를 활용하거나, 영하 253도 극저온 액화 방식이었다.

그러나 이러한 방식은 폭발 위험이 높고, 과도한 에너지 소모, 자연 증발 등 문제가 있었다.

이를 해결하는 방법이 고체 수소 저장 기술이다. 이는 수소와 금속을 화학적으로 결합한 후 필요한 시점에 다시 분리해 사용하는 방식으로, 폭발 위험 없이 장기간 저장과 운송이 가능하다.

하지만 기존에 활용되는 고체 수소 저장 소재는 저장밀도가 낮고, 흡·방출 속도가 느리고, 제조 비용도 많이 들어 상용화에 한계가 있었다.

연구팀은 이같한 한계를 극복하기 위해 '마그네슘-니켈-주석 합금'을 개발했다.

[창원=뉴시스]앞줄 원형 유리에 들어 있는 고체 수소 저장 소재 시편 중 왼쪽서 첫 번째는 기존 방법으로 제조한 시편. 두 번째·세 번째는 한국재료연구원 연구팀이 새롭게 개발한 방법으로 제조한 시편으로,기존보다 더 미세한(머리카락 절반 두께) 분말 형태를 나타내고 있다.(사진=한국재료연구원 제공) 2025.05.22. [e-mail]

이 합금은 저장밀도가 높은 마그네슘(Mg) 상과 흡·방출 속도가 빠른 마그네슘-니켈(Mg2Ni) 상을 층상구조로 결합하고, 주석(Sn)을 소량 첨가해 결정립을 미세화함으로써 반응성을 높였다.

그 결과, 기존 소재 대비 수소 저장 성능이 약 3배 이상 높아졌다.

개발한 합금을 적용한 기술은 기존 고압가스 상태로 40피트(ft) 트레일러에 탑재하던 수소량을 5t(40피트의 절반 수준) 트럭 1대로도 충분히 운송할 수 있어 운송비 대폭 절감 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 일반화물처럼 안전하게 운송할 수 있다.

제조 공정도 한층 간단하다. 기존에는 고가의 분말공정이 필요했지만, 연구팀은 일반 주조공정으로 만든 덩어리 형태의 소재를 50㎛(머리카락 절반 두께) 수준의 얇은 금속 칩(chip) 형태로 깎아내는 공정을 개발했고, 그 결과 미세하게 얇은 금속 칩에 수소가 빠르게 침투해 고효율로 반응을 이끌었다.

또, 대량 생산을 할 수 있어 제조비용이 기존 대비 10분의 1 수준으로 대폭 줄었다.

[창원=뉴시스]한국재료연구원 경량재료연구본부 김영민·서병찬 박사 연구팀이 개발한 금속+수소↔수소화물 상변환 가역 반응을 활용한 고체 수소 저장 방식.(자료=한국재료연구원 제공) 2025.05.22. [e-mail]

아울러 기업 및 타 출연연구원과 협력해 '유도가열형 저장 용기'와 '실시간 모니터링 시스템'을 개발해 연구 성과를 확장했다.

유도가열은 금속용기 내부에 저장된 수소 저장 합금을 빠르게 가열해 수소를 흡수 및 방출하는 방식으로, 작은 공간에서도 많은 수소 저장이 가능하다.

이번 연구는 한국연구재단 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 세계적 학술지 '저널 오브 마그네슘 앤 알로이스(Journal of Magnesium and Alloys, IF:14.3)' 등 세계 최고 수준의 학술지 3곳에 게재됐다.

연구책임자인 김영민 책임연구원(UST-KIMS 스쿨 교수)은 "이번에 개발한 합금 기술은 별도의 특수 장비 없이도 수소를 안전하고 경제적으로 운송할 수 있는 첫 실증 사례"라면서 "재생에너지나 원전에서 생산된 수소와 연계하여 발전소, 전기차, 에너지저장 장치 등 다양한 분야로 확산할 계획"이라고 밝혔다.


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