탄소, 수소 산업 발전 핵심

▲ KC Tech Day 전경

탄소 기술의 뒷받침이 없이는 수소 산업의 완전한 국산화 및 완성이 불가능하다. 이에 탄소응용기술과 수소 산업의 접목을 통해 첨단기술개발 시너지를 창출하고, 탄소산업의 활성화를 모색하기 위한 자리가 마련됐다.

한국탄소융합기술원(원장 방윤혁)은 18일 서울 드래곤시티 그랜드볼룸 한라홀에서 ‘2019 탄소와 수소의 융합촉진을 위한 KC Tech Day’를 개최했다.

이번 행사는 전라북도와 전주시가 주최하고, 탄소융합기술원이 주관해 열렸다.

KC Tech Day는 전주시와 탄소융합기술원이 지난해부터 진행 중인 기술 컨퍼런스로, 기술원이 보유한 탄소소재 응용기술을 관련기업과 공유함으로써 기술실용화를 촉진시키고 탄소융복합산업의 활성화를 위해 열리고 있다.

특히 기술원은 올해 기술 컨퍼런스를 최근 각광받는 수소에너지 관련 산업과 탄소소재 응용기술을 접목함으로써 기술원과 대한민국 탄소기업의 상호 발전을 꾀했다.

이는 현재 수소전기차에서 전기를 발생시키는 연료전지의 부품소재로 탄소소재가 활용되고, 수소를 저장하기 위한 고압 압력용기를 제작할 때도 탄소섬유가 필수적으로 사용되는 등 수소에너지 산업 분야에서 탄소소재가 활발히 적용되고 있기 때문이다.

▲ 조병룡 현대자동차 상무가 ‘수소상용차의 기술현황 및 발전전망’을 주제로 기조강연을 하고 있다.

이날 컨퍼런스에서는 조병룡 현대자동차 상무가 ‘수소상용차의 기술현황 및 발전전망’을 주제로 기조강연에 나섰다.

조병룡 상무는 현대자동차의 상용 친환경 차량은 차량의 용도, 운행특성 및 시장요구를 반영해 전기/수소전지 2-트랙으로 개발되고 있으며, 저용량/단거리용은 전기차, 고중량/중장거리용은 수소전기차로 개발할 계획으로 배터리, 연료전지모듈 등 주요 전동화 부품은 차종간, 승/상용간 공용화를 전개한다고 밝혔다.

특히 시내버스 부분은 전기와 수소전기를 병행하는 전략을 펼치고 있다고 밝혔다.

현재 저상 전기버스인 일렉시티는 2019년 5월을 기준으로 서울 15대, 제주 20대를 포함해 누적 121대가 보급됐다고 전했다.

굴전 전기버스는 대도시 BRT 등 대규모 승객수송 용도로 개발이 완료됐으며, 소량 양산이 진행 중이다. 2019년 12월까지 세종시에 4대의 1차 공급이 확정됐으며, 2020년 이후 12대 추가가 예상되며, 인천공항 검토 중이다. 도로건설비용, 차량 가격 등으로 볼 때 트램대비 우수하다고 평가되고 있다.

대용량버스인 이층 전기버스는 광역/도심관광 용도로 한국형/친환경 이층버스 선행차량 개발 중으로 국토부 과제로 2019년 6월까지 진행됐다. 수냉식 리튬이온폴리머 배터리가 384kWh 용량으로 64kWh 배터리팩 6개가 들어간다.

수소전기 저상 시내버스는 2019년 시범사업 차량(35+2대) 공급을 위한 개발이 진행 중이다. 모터출력 240kW며, 연료전지는 190kW다. 수소탱크는 700bar, 34㎏H2이며, 항속거리는 440㎞다. 시내버스 1일 주행은 충분한 수준이다.

수소버스의 충전 시간은 울산지역의 충전소를 기준으로 약 25분이 소요되며, 900bar 충전압력으로 건설되는 전주 충전소의 기준으로는 약 15분이 소요될 것으로 전망되고 있다.

특히 수소버스의 용도로는 시내버스 이외에 경찰병력 수송용도에 적합한 수소전기 고속버스도 개발 중이다. 2019년 9월 중 시범차가 제작될 것으로 보이며, 2019년 12월 이후 경찰청에서 시범운영을 할 것으로 보인다. 이차의 경우 시내버스보다 수소 저장 능력이 늘어난 700bar, 41㎏의 수소탱크가 탑재된다.

중형 청소트럭도 시범사업 및 공공부문 보급을 위해 정부과제로 개발 중이다. 차종은 압착진개차로 1회 충전에 200㎞ 이상 주행할 수 있으며, 최대 등판각도는 25% 이상이다. 수소탱크는 700bar, 25.6㎏의 용량이다. 수소경제활성화 로드맵 트럭부문에 따르면 2020년 개발, 실증, 2021년 공공부문 보급한다는 계획이다.

수소전기 대형트럭은 스위스 시장 진출을 위해 개발 중이다. 향후 타 유럽국가 등으로 판매확대가 예정돼 있다. 350bar의 34㎏의 수소탱크가 탑재된다.

수소 생태계 구축까지는 많은 시간이 걸릴 것으로 보고 있으나 수소 상용차 확대가 수소충전소의 경제성 확보에 도움을 줄 것으로 보인다. 양재 수소충전소를 기준으로 대형버스나 트럭 충전시 소요시간이 길고 연속충전에 제한이 있다. 그러나 상용차 충전 제약이 해결되고, 10대의 수소버스가 운영된다면 일 25㎏씩 10대가 30일간 충전한다면 월 7,500㎏의 수요가 발생하고, 주 1회 충전하는 승용환산시, 약 450대 이상의 효과가 있다.

상용차, 수소충전소 경제성 핵심
연료전지, 탄소기술 국산화 좌우

▲ 정한기 비나텍 부사장이 연료전지용 탄소담지체의 특성 및 요구사항에 대해 발표하고 있다.

국내 수소기술 연구성과 발표 1에서는 비나텍 정한기 부사장이 ‘연료전지용 탄소담지체의 특성 및 요구사항, 제이앤티지 이은숙 전무가 연료전지용 GDL 기술개발동향, 에스첨단소재 허석봉 대표가 수소저장용기용 라이너 기술현황을 발표했다.

정한기 비나텍 부사장은 비나텍이 2002년에 CNF(Carbon Nano Fiber)에 대한 원천 기술을 다각적인 연구로 확보했다며, 카본 활성화 기술, 형상 제어기술, 복합화 기술 및 금속 촉매 첨착 기술과 같은 다양한 카본 솔루션을 보유하고 있다고 밝혔다.

비나텍 카본 솔루션의 응용범위로는 CNF, 연료전지용 지지체, 촉매, 막 전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly), 전극 소재, 필터 소재가 있다.

특히, 비나텍은 연료전지용 지지체, 촉매, MEA를 세계에서 유일하게 종합적으로 생산하는 기업이다.

비나텍의 CNF는 섬유방향과 수직하게 그래핀 층이 배열되는 platelet 타입, 기울기를 가지고 적층되는 Herring bone 타입, 섬유 방향과 평행하게 형성되는 Tubular 타입으로 구분되며, 나노 사이즈의 섬경(5∼350nm)과 높은 결정성을 가지는 섬유 형태의 카본이다.

비나텍은 CNF 표면에 물리 화학적 처리와 고온 열처리를 함으로써, 결정성을 증가시키고, 에지를 정렬하며 표면 특정을 변화 시키는 형상 제어 기술과 단일 소재들을 결합해 전기전도성, 방열 특성, 분산성, 비표면적을 개선하는 복합화 기술을 보유하고 있다.

이에 비나텍의 CNF는 에지 정렬을 통한 내식성, 표면 특성 변화를 통한 분산성, 복합화를 통한 전기전도성과 방열 특성이 우수한다.

비나텍은 보유하고 있는 CNF 물질 특허를 바탕으로 연료전지용 지지체, 촉매, 막 전극 접합체를 생산하고 있다.

연료전지는 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 장치로서 연료를 공급하면 계속적으로 에너지를 생성하는 발전 시스템이며, 발전기와 전지의 특성을 가진다. 공급하는 연료는 수소와 산소이며, 화학반응에 의해 물만 배출하는 청정에너지원이다.

연료전지는 사용하는 전해질의 종류에 따라 양이온 교환막 연료전지(PEMFC, Proton Exchange Membrane FC), 직접 메탄올 연료전지(DMFC, Direct Methanol FC), 용융 탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate FC), 고체 산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide FC)가 있다.

이중 비나텍의 지지체와 촉매, MEA는 PEMFC와 DMFC에 적합하다.

연료전지의 촉매 성능을 높이기 위해서는 3nm 이하의 작은 촉매 입자가 필요하며, 촉매만으로는 필요한 작은 입자를 형성할 수 없고, 촉매를 지지체 위에 분산시킴으로써 작은 입자를 형성할 수 있다. 비나텍 연료전지 지지체는 CNF 또는 결정성 카본 블랙 제품으로 카본 부식에 의한 촉매 수명단축을 최소화한다.

카본은 1.2V이상의 조건에서 물과 산소와 반응해 쉽게 부식이 일어나게 되며, 지지체에 포함된 카본의 부식은 촉매의 성능 감소와 연료전지 수명 단축을 초래한다.

연료전지 촉매는 백금을 사용하며, 2.5∼3.0nm 입자로 형성돼, 반응 면적이 넓고 부식에 강하며, 연료전지 성능 향상과 수명 유지에 적합하다.

MEA는 100nm 이하의 전극 기공 제어기술을 적용해, 생성된 물의 배출이 원활한 제품으로서 연료전지의 성능 향상과 수명 유지에 적합하다.

특히 향후에는 연료전지 촉매에서 백금 사용량을 줄이는 것이 관건으로 정한기 부사장은 Electronic property에 대한 fine tuning을 통한 기본성능 향상과 동시에 outer surface에만 백금을 사용함으로써 백금 사용량을 5∼10배 저감이 가능하다고 밝혔다.

▲ 제이앤티지 이은숙 전무가 연료전지용 GDL 기술개발동향에 대해 발표하고 있다.

이어 제이앤티지 이은숙 전무가 연료전지용 GDL 기술개발동향에 대해 발표했다.

GDL(기체확산층)은 막전극접합체의 바깥부분인 양극 및 음극이 위치한 바깥부분에 위치하며, 반응 기체가 유로 채널에서 촉매층으로 가는 통로를 제공한다. 생성된 수분이 촉매층으로 흐름 채널로 가는 통로를 제공하고, 촉매층과 분리관을 전기적으로 연결해 전자가 흐는 통로를 제공한다. 전기화학 반응에 의해 발생한 열을 분리관으로 전도해 열을 제거하고, 막 전극접합체(MEA)를 기계적으로 지지한다.

기체확산층은 탄소지지체와 미세기공층의 2개의 층으로 구성된다.

제이앤티지의 비직조형태의 기재를 이용한 기체확산층(GDL)은 미세다공성층(MPL)내의 미세 기공 분포와 기체확산 지지체의 성질을 제어하는 방법을 써서 기체확산층내의 연료와 부산물의 물질이동이 잘 되도록 설계되어 있다.

또한 기체확산층은 촉매층과 집전체인 bipolar plate와의 계면저항을 감소시키도록 설계돼 있으며, 제이앤티지는 제품의 두께, 기공분포도, 기공율, 평활도 등의 성질이 균일한 특성을 갖도록 기술개발하고 있다.

기체확산 지지체는 얇고 균일한 탄소종이로써 이는 탄소섬유와 결합 수지를 이용해 제작되는데, 이때 결합 수지는 탄소화 과정을 통하여 탄소로 바뀌게 된다.

기체확산 지지체는 지지체에 불소계 고분자를 코팅하고 열처리하는 과정을 거쳐서 발수성 성질을 갖도록 하며, 제이앤티지는 지지체의 5∼40 무게비를 갖도록 PTFE 양을 조절할 수 있다. 연료전지의 기체확산층은 기체확산지지체와 카본블랙과 결합바인더로 이루어진 미세다공성 층(MPL)의 두 성분으로 구성돼 있다.

제이앤티지는 탄소 섬유 원료 이후의 모든 공정이 내재화 돼 Carbon veil 공정부터 Carbon paper 생산 라인 및 공정을 확보했다.

또한 Paper의 발수성 코팅, MPL 코팅을 통한 GDL 생산라인 및 공정 확보, 해외 기술 도입 없이 자체 기술개발만으로 재료 개발, 공정개발, 품질 및 생산라인 확충까지 양산라인 구축을 통한 생산량 증대 및 향후 본격 시장 진입을 준비하고 있다.

수소차 보급 비례해 탄소섬유 수요 증가
대량생산·기술개발, 탄소섬유 보급 확대

▲ 에스첨단소재 허석봉 대표가 수소저장용기용 라이너 기술현황에 대해 발표하고 있다.

이어 에스첨단소재 허석봉 대표가 수소저장용기용 라이너 기술현황에 대해 발표했다.

수소차용 수소저장용기는 수소차의 핵심부품으로 수소를 저장하며, 700bar의 고압과 극한의 환경을 견디는 핵심 부품이다. 안전부품이기 때문에 품질 안정화 및 안전성 향상 기술이 필요하고, 대량 생산 기술 및 원가절감 기술이 필요하다.

라이너는 수소저장용기의 가장 내부에 위치하며, 플라스틱 소재인 폴리아미드(PA, polyamide)로 제작된다.

플라스틱 라이너의 요구 성능으로는 △수소가스의 기밀성 △수소가스 투과성 △경량성 △성형성 △생산성 △품질 안정성 △원가 경쟁력 등이 요구되며, 라이너 제작 공법으로는 △사출성형 △블로우 성형 △회전성형 등이 있다.

사출성형은 다품종 소량생산에 유리하며, 균일한 벽두께의 성형이 가능하나 긴 제작 시간과 융착부 결함 발생 가능성이 있다. 링컨 컴포짓, 토요타, 일진복합소재 등이 사용한다.

블로우성형은 다층구조 라이너 제작이 가능하고, 생산성이 우수해 대량 생산시 유리하다. 다만 균일한 벽두께 성형에 한계가 있고, 금속노즐과 라이너 실링에 어려움이 있다. Xperion, Raufoss 등이 사용한다.

회전성형은 대형용기 제작에 유리하고, 다층구조 라이너 제작, 경량 라이너 제작이 가능하다. 단점으로는 조직 치밀성이 부족하고, 금속노즐-라이너 실링이 어렵다. Quantum, 태광후지킨 등이 사용한다.

토요타의 경우 라이너 형상 변경 및 노즐 날개 길이 확장 등을 통해 CFRP 절감 등의 특징을 보이고 있다.

라이너는 온도가 낮게 유지돼야 하고 수소저장을 많이 해야 하는데, 라이너 공정 및 요소 기술로는 △경량 라이너 소재 기술 △가스 차단성 향상 기술 △라이너 융착기술 △라이너 성형 기술 △화염 보호기술 △금속 노즐 경량화 길 △충격 보호 기술 △고성능 강인화 에폭시 기술 △섬유 함침 균일화 기술 △복합재 패턴 최적 설계 기술 △금속 노즐 실링 기술 등이 필요하다.

▲ 방윤혁 한국탄소융합기술원 원장이 고압 압력용기용 탄소섬유에 대해 발표하고 있다.

국내 수소기술 연구성과 2에서는 방윤혁 한국탄소융합기술원 원장이 고압 압력용기용 탄소섬유에 대해 발표했다.

방윤혁 탄소융합기술원 원장은 각국 정부의 지속적이고 적극적인 수소차 보급 정책으로 수소차수요용 탄소섬유의 세계 시장이 확대되고 있다고 밝혔다.

수소차 분야에서 수소차 1대가 약 60㎏의 탄소섬유를 사용한다고 가정할 때 2030년 150만대 보급시 탄소섬유수요는 약 9만톤이 될 것으로 내다봤다.

수소차 기술로드맵에 따르면 수소차 가격 인하를 위한 수소저장장치 개발에도 나서게 되는데 이에는 고밀도 수소용기 원가절감 경량화 기술개발 및 수소저장용기용 탄소소재 국산화 기술 개발 등이 진행된다.

이에 탄소 섬유 보급을 늘리기 위해 대량 생산과 기술개발을 통한 충분한 원가가 절감돼야 한다고 밝혔다.

방윤혁 원장은 수소탱크 제조방법은 품질관리 및 와인딩 속도 업을 충족시키기 위해 탄소섬유 토우프리프레그 와인딩으로 제조할 경우 현 공급가 30달러/㎏에서 15달러/㎏로 가능하다고 밝혔다.

토우프리프레그의 제조원가 중 고정비를 최소화하기 위해서는 현재의 토우프리프레그 전문업체보다는 탄소섬유 메이커 또는 탱크 메이커가 연속으로 생산하는 게 고정비 절감을 위해서 유리하다고 봤다.

또한 토우프리프레그 제조 속도를 고려해 연속 생산한다면 탄소섬유 메이커가 탱크 메이커보다 유리할 것으로 추정했다.

토우프리프레그의 제조원가 중 고정비가 약 4달러/㎏으로 추정되는데 탄소섬유메이커가 생산하는 경우 고정비는 약 50% 정도는 낮출 수 있다고 봤다.

이어 탄소섬유 원가절감 방안으로 생산 속도를 증가시켜 ㎏당 3달러를 낮출 수 있다고 봤으며, 섬유 강력을 5% 높이면 ㎏당 1달러 낮출 수 있다고 주장했다.

또 다른 사례로 설비 감가상각을 통해 ㎏당 4달러를 낮출 수 있을 것으로 예상했다.

더불어 Heavy tow 분섬 기술을 통해 최소 ㎏당 11달러까지 낮출 수 있을 것으로 내다봤다.

탄소 섬유 원가 절감을 위한 주요 기술로 △생산속도 △탄소섬유 강도 유지 및 강도 전환율 개선 △수지와의 계면 결합력 등을 설명했다.

이어 이날 행사에서는 △태광후지킨 김성철 상무가 수소탱크 성형기술 △한국특허전략개발원 이병화 PM이 수소관련 특허 현황 △한국에너지기술연구원 서민호 박사가 고내구성 연료전지 개발을 위한 계산과학적 접근 등의 연구성과를 발표했다.

또한 탄소융합기술원 논문 기술 발표로는 △김원석 책임연구원이 전기차용 전자파 차폐소재 개발 △김성룡 수석연구원이 초고강도 탄소섬유 개발 △신헌충 책임연구원이 토우프리프레그를 이용한 건식 와인딩 기술개발 계획 △박나라 주임연구원이 MXene 소재의 합성 및 응용분야 등을 발표했다.

더불어 한국탄소융합기술원 연구소 기업 기술 소재로 △디엔씨테크 기술 소개 △솔라시도코리아 기술 소개가 진행됐다.

탄소는 수소차의 핵심 부품인 수소저장용기 및 연료전지 스택 등에 사용되며, 수소차 기술 개발 및 국산화를 위한 필수 소재로서 주목받고 있다.

특히 수소차 판매량의 증가에 따라 탄소 사용량도 지속적으로 늘 것으로 전망되고 있으며, 관련 연관 산업의 성장을 이끌 것으로 기대되고 있다.

이에 이번 한국탄소융합기술원이 개최한 ‘2019 탄소와 수소의 융합촉진을 위한 KC Tech Day’를 통해 수소에너지 관련 산업과 탄소소재 응용기술을 접목함으로써 탄소 기업들의 주목 받고 탄소 산업이 성장하는 계기가 될 것으로 주목되고 있다.

방윤혁 탄소융합기술원장은 “수소에너지 관련 산업에서도 탄소소재는 핵심부품소재로 사용되고 있다”며 “이번 행사를 통해 수소에너지 산업의 성장촉진은 물론이고 탄소산업과의 융합을 통해 전라북도와 전주시가 수소경제 시대의 선두주자로 자리매김 될 수 있도록 모든 노력을 아끼지 않겠다”고 말했다.