한국재료연구원 연구진, 암모니아 선박 부식 막는 코팅 기술 개발
한국재료연구원(KIMS)이 암모니아 연료 선박의 부식과 마모 문제를 해결할 고내식 탄소 코팅 기술을 국내 처음으로 개발했다고 6일 밝혔다. KIMS 극한재료연구소 장영준, 김종국 박사팀과 에너지·환경재료연구본부 문성모 박사팀은 공동 연구를 통해 친환경 암모니아 추진선 상용화의 핵심 기반 기술을 확보했다. 선박용 금속 재료인 스테인리스 440C 강재는 암모니아의 강한 알칼리성 탓에 장기 운용 시 표면 산화막 붕괴와 국부 부식, 마모가 반복 발생하는 것으로 알려져 있다. 엔진과 밸브, 펌프, 베어링 등 연료와 직접 접촉하는 부품에서 구조적 취약성이 실험과 실증 자료로 확인되면서 산업계는 암모니아 추진선 설계 및 선급 인증 단계에서 고내식 표면 기술 확보를 필수 요건으로 요구하고 있다. 연구팀이 개발한 친환경 연료 선박용 탄소 코팅 기술(ta-C:Hx)은 극저온과 중·저온 영역의 암모니아 연료 환경에서 금속 부식 및 마모를 근본적으로 억제하는 고내식 표면 보호 기술이다. 기존 선박용 소재가 암모니아 용액에서 48㎂/㎠ 수준의 높은 부식 전류를 나타냈으나, 이번에 개발한 코팅은 4㎂/㎠로 낮춰 약 92%의 부식 감소 효과를 달성했다. 기존에 널리 쓰이던 질화물 코팅과 습식도금은 해수와 대기, 일반 공정 환경에 최적화된 기술로 암모니아 같은 강알칼리성 연료 환경에서의 장기 신뢰성은 충분히 검증되지 않았다. 도금층과 질화층은 공정 특성상 기공과 두께 편차, 계면 결함 발생을 완전히 피하기 어려워 고부식 환경에서 이런 부위가 부식 개시점으로 작용할 수 있다는 한계가 있었다. 이번에 개발된 기술은 암모니아 환경을 전제로 공정을 근본적으로 재설계한 것이 핵심이다. 자장여과아크 공정에 펄스 바이어스 제어를 적용해 미세 기공과 계면 결함을 최소화했으며 수소 도입으로 코팅 내부 구조와 전기적 특성을 제어해 암모니아 수용액에서도 부식 반응이 억제되는 안정한 탄소 구조를 구현했다. 국제해사기구(IMO)는 '2023 IMO 온실가스 감축 전략'을 통해 2030년까지 국제 해운 연료의 일정 비율을 무탄소 연료로 전환하도록 요구하고 있으며, 해사안전위원회(MSC)도 암모니아 연료 선박 임시 지침을 승인해 연료계 금속재료의 내식성 검증을 공식 의무화했다. 우리나라는 '2050 녹색해운 국가 행동계획'과 'K-암모니아 친환경 선박 추진 전략'을 수립해 조선·해운 산업의 전략 분야로 지정했으나, 국내 조선사들이 기초 설계(AiP)를 확보했음에도 고부식 환경에서 신뢰성 있는 국산 표면 코팅 기술 부족이 상용화의 핵심 장애요인으로 지적돼 왔다. 연구 책임자인 장영준 책임 연구원은 "이번 기술이 상용화될 경우 친환경 조선·선박용 핵심 부품의 고효율화와 신뢰성 향상을 통해 장거리 운항이 가능한 실질적 솔루션을 제공할 수 있을 것"이라고 말했다. 김종국, 문성모 책임 연구원은 "외부 기술 도입이 아닌 KIMS의 내부 기술과 인프라 간 협력을 통해 기술 고도화에 집중한 점이 특징"이라며 "국내 산업 생태계 강화는 물론 앞으로 글로벌 시장 진출에도 크게 기여할 것으로 기대된다"고 말했다. 이번 연구 성과는 KIMS 자체연구사업과 과학기술정보통신부 재원으로 지원되는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며 세계적 학술지인 카본(Carbon, IF 11.6)에 지난해 12월 1일 온라인 게재됐다. 현재 연구팀은 암모니아 연료 환경용 코팅 기술의 공정 안정화와 반복 신뢰성 평가를 진행 중이며, 실제 선박 부품 적용을 위한 후속 실증 연구도 병행하고 있다.
