한국재료연구원(이하 재료연)이 고압 용기나 극저온 설비 없이 수소를 안전하게 저장하고 운송할 수 있는 고체 수소 저장 소재를 세계 최초로 개발했다고 발표했다.

경량재료연구본부 김영민, 서병찬 박사팀이 개발한 마그네슘-니켈-주석 합금은 수소를 금속 내부에 안전하게 고정시켜 폭발 위험을 제거하고, 제조 비용과 에너지 소모를 대폭 줄인 것이 핵심이다.

기존 수소 저장 방식은 고압 기체 압축 용기나 극저온 액화 방식을 사용했다. 하지만 이런 방법들은 높은 폭발 위험성과 과도한 에너지 소모, 자연 증발 등의 문제점을 안고 있었다.

고체 수소 저장 기술은 수소와 금속을 화학적으로 결합시킨 뒤 필요할 때 다시 분리해 사용하는 방식으로, 폭발 위험 없이 장기간 저장과 운송이 가능하다. 다만 기존 고체 수소 저장 소재는 저장밀도가 낮고 흡·방출 속도가 느려 상용화에 어려움이 있었다.

연구팀이 개발한 마그네슘-니켈-주석 합금은 저장밀도가 높은 마그네슘 상과 흡·방출 속도가 빠른 마그네슘-니켈 상을 층상 구조로 결합했다. 여기에 주석을 소량 첨가해 결정립을 미세화해 반응성을 높인 결과, 기존 소재 대비 수소 저장 성능이 약 3배 이상 향상됐다.

이 기술로 기존 고압 가스 상태로 40피트 트레일러에 실어 나르던 수소량을 5톤 트럭 1대로도 충분히 운송할 수 있어 운송비를 크게 절감할 수 있다.

특히 수소가 저장된 금속 수소화물 상태에서는 산화 저항성이 우수해 장시간 공기 노출에도 성능 저하가 없어 별도 고압 탱크 없이 대기압 상태에서 일반 화물처럼 안전하게 운송 가능하다.

제조 공정도 크게 개선됐다. 기존에는 고가의 분말 공정이 필요했지만, 연구팀은 일반 주조 공정으로 만든 덩어리 형태 소재를 50마이크로미터 수준의 얇은 금속 칩 형태로 깎아내는 공정을 개발했다.

미세한 금속 칩에 수소가 빠르게 침투해 고효율 반응을 이끌고, 대량 생산도 가능해 제조 비용이 기존 대비 10분의 1 수준으로 줄었다.

연구팀은 기업 및 다른 출연연과 협력해 유도 가열형 저장 용기와 실시간 모니터링 시스템도 개발했다. 유도 가열은 금속 용기 내부에 저장된 수소 저장 합금을 빠르게 가열해 수소를 흡수 및 방출하는 방식으로, 기체 상태보다 부피를 크게 줄여 작은 공간에도 많은 수소 저장이 가능하다.

김영민 책임연구원은 "이번 기술은 별도의 특수 장비 없이도 수소를 안전하고 경제적으로 운송할 수 있는 첫 실증 사례"라며 "재생 에너지나 원전에서 생산된 수소와 연계해 발전소, 전기차, 에너지 저장 장치 등 다양한 분야로 확산시킬 계획"이라고 밝혔다.

연구 성과는 한국연구재단 지원으로 수행됐으며 연구 결과는 세계적인 학술지 '저널 오브 마그네슘 앤 알로이스' 등 세계 최고 수준의 학술지 3곳에 잇따라 게재됐다.