<소재·부품·장비 양산성능평가지원사업 우수 사례> ⑥㈜더카본스튜디오

양산성능평가 및 제품 개선을 통해

고성능 탄소 기반 수소연료전지 촉매 양산 성공

▲ 더카본스튜디오 회사 전경

■연료전지 내구성 개선, 고결정성·다공성 탄소소재 개발

독보적인 첨단 기술을 기반으로 2019년에 설립된 더카본스튜디오는 수소 등 에너지 분야에서 초격차 기술을 실현할 소재 솔루션을 제공하고 있는 딥테크 기업이다. 더카본스튜디오는 여러 소재 중 우수한 특성을 바탕으로 다양한 분야에서 활용이 가능한 탄소 소재에 집중하고 있다. 설립 초기, 고성능의 다공성 탄소소재(활성탄)를 개발하는데 힘써 탄소 소재의 다공성 구조를 나노미터로 제어할 수 있는 기술들을 축적했다.

그 결과, 더카본스튜디오는 설립 이후 누적 100억 원 이상의 투자를 유치하는데 성공했고, ‘소재·부품·장비 스타트업 100’에 선정되는 등 그 기술력과 시장 잠재력을 인정받았다. 현재 카본스튜디오는 수소연료전지에 적용 가능한 탄소 소재 개발에 박차를 가하고 있다.

기후변화 대응과 탄소중립 달성을 위한 글로벌 노력이 시작되면서 수소차와 전기차는 친환경 교통수단으로 주목받았다. 초기에 수소차와 전기차 모두 대중의 기대를 모았지만 수소차는 초창기부터 현재까지 전기차보다 보급 속도가 느린 상황이다. 그 배경에는 몇 가지 이유가 존재하는데, 바로 높은 가격과 인프라 부족이다. 하지만 실질적인 이유는 수소차의 엔진, 수소연료전지의 성능 때문이다.

수소를 연료로 산소와 화학반응을 일으켜 전기에너지를 생산하는 에너지 변환 장치인 수소연료전지는 양극, 음극, 전해질이 접합된 셀로 구성되며, 이 셀을 다수 쌓은‘스택’형태로 완성해야 원하는 출력의 전기에너지를 얻을 수 있다.

자동차 중심으로 발전하던 수소연료전지 적용 분야가 선박, 열차, 건설기계, 도심 항공 모빌리티(UAM)로 확대되고 발전용 분야에서도 수요가 커지고 있다. 하지만 수소연료전지 스택의 기술적 한계가 상용화를 가로막는 주요 장애물로 부각되고 있다.

미국 에너지부(DOE) 분석에 따르면, 현 연료전지 스택의 기술 수준은 성능 및 에너지 효율 측면에서 상용화 기준을 만족하긴 하지만 낮은 내구성과 높은 가격으로 인해 시장 진입에 큰 어려움을 겪고 있다.

연료전지 스택의 제조 비용은 여전히 높은 수준인데, 그 이유 중 하나가 백금 촉매의 사용이다. 스택의 핵심 부품인 MEA(막전극접합체)에서 중요한 소재로 쓰이는 백금 촉매는 수소와 산소를 화학 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는데 필요한 반응을 촉진시키는 역할로, 촉매의 효율성과 내구성은 수소연료전지 성능에 큰 영향을 미친다.

그러나 백금의 비싼 가격은 수소연료전지 스택의 전체 비용을 크게 증가시키는 요인이다. 백금 촉매는 전체 원가의 40% 이상을 차지하고 있어 연료전지의 대규모 보급에 큰 걸림돌로 작용하고 있다. 이를 해결하기 위해 백금 촉매 가격을 절감하거나 대체 촉매 개발이 중요한 과제로 떠오르고 있다.

게다가 백금 촉매 사용 시, 촉매의 매트릭스 역할을 하는 탄소 소재가 수소연료전지의 구동 과정에서 산화 되는 탄소 부식 현상이 일어남으로써 수소연료전지의 성능과 내구성이 저하되는 문제가 있다.

▲ 더카본스튜디오의 촉매 생산 설비

이에 더카본스튜디오는 탄소 부식에 내성을 갖는 다공성 탄소 소재 연구에 매진, 고결정성·다공성 탄소 소재 개발에 성공하며 원천기술 특허를 보유하게 됐다. 더카본스튜디오가 개발한 탄소 소재 및 생산 기술은 탄소의 흑연 구조를 고도화하고 동시에 촉매 역할을 수행하는 백금 나노입자들을 결합하기 위한 적절한 다공성을 확보함으로써 수소연료전지의 내구성을 향상시킬 수 있다.

또한 더카본스튜디오는 연 2~5톤 규모로 고결정성 카본의 생산이 가능한 설비를 보유하고 있어 자체 개발 및 생산된 카본을 이용해 직접 담체부터 백금 촉매를 생산할 수 있기 때문에 저가격화가 가능하다.

하지만 연료전지용 촉매를 산업적으로 적용하기 위해서는 초기 출력 성능과 장기 내구성모두가 보장돼야 한다. 양산에 적용하기 위한 안정된 품질을 확보하는데 있어서 자체적으로 해결하기 어려웠던 더카본스튜디오는 양산성능평가지원사업을 통해 해결하고자 했다.

흑연 구조 고도화·백금 나노입자 결합 다공성 확보, 내구성 향상·價↓

양산성능평가지원사업, 기술 검증·상용화 최적화 공정 마련·매출 증대

■수요기업과 함께한 성능평가, 양산 가능성 UP

다공성 탄소 담지체 제조 기술과 이를 이용한 연료전지용 촉매에 대해 특허를 확보한 더카본스튜디오의 양산성능평가지원을 위해 수요기업이자 글로벌 복합소재 기업으로서 수소연료전지 소재·부품 국산화에 힘쓰고 있는 국내 소재 대기업이 함께해 힘을 실어주었다. 여기에 국내 및 국제공인시험기관이 촉매 생산량 및 성능, 품질 평가 등을 지원했다.

▲ 더카본스튜디오가 연료전지용 촉매를 개발했다.

현재 백금 촉매의 담지체로 전기 전도도가 우수하고 취급이 용이하며 가격이 저렴한 탄소 소재가 널리 이용되고 있다. 하지만 탄소 소재의 약한 내산화성이 연료전지 내구성을 떨어뜨린다. 이를 해결하기 위해서는 탄소에 백금이 고르게 담지되기 위한 높은 고다공성과 수소연료전지의 내구성을 확보할 수 있는 고결정성을 동시에 만족해야 한다.

하지만 대부분의 탄소 소재 업체에서는 수증기 활성화(steam activation) 공법을 통해 담지체의 다공성만을 극대화하고 있다. 더카본스튜디오는 이를 보완하기 위해 이종원소를 탄소 표면에 균일하게 도핑하고 화학적 활성화 처리를 진행해 기공을 형성하도록 했다. 그 결과, 기존 공정 대비 높은 결정성과 수율을 확보했으며 입체적으로 다공성을 조절할 수 있게 됐다.

기술적 혁신에 기반한 딥테크 기업은 개발한 제품을 상용화로 전환하는데 필요한 산업적 경험이나 규모 확장에는 한계가 따를 수 밖에 없다. 소규모 테스트는 산업적 환경에서의 문제 해결을 보장하지 않으며, 양산화 과정에서 발생할 수 있는 예상치 못한 문제를 해결하기 위해서는 다각적인 접근이 필요하다.

특히, 반응 속도를 높이고 에너지 효율성을 개선하는 중요한 역할을 하는 촉매가 산업 현장에 적용되기 위해서는 실제 공정에서 높은 효율을 유지하며 안정적으로 작동할 수 있는지 그 성능이 철저히 검증돼야 한다. 또한 산업에서 요구하는 사항을 충족하기 위해서는 촉매의 내구성을 최적화는 과정이 필요하다.

이번 지원 사업을 통해 더카본스튜디오는 실증 스케일에서의 성능 평가를 진행할 수 있었다. 수요 기업과의 협력을 통해 실제 산업 환경에서 성능을 검증 받을 수 있었고, 양산화 가능성을 높일 수 있었다.

더카본스튜디오는 삼전극 시스템과 MEA 적용 단전지 제작 및 성능 평가 등을 통해 촉매 성능과 전극 특성을 평가하고, 수요기업과 함께 단전지 제작을 통해 실제 연료전지 시스템에서의 성능을 확인 할 수 있었다. 이를 바탕으로 지속적인 품질 개량으로 양산 안정성을 확보할 수 있었다.

또한 더카본스튜디오는 촉매 생산량 평가를 통해 목표 생산량 달성을 위한 효율화된 공정을 수립했으며, 이를 바탕으로 촉매 합성 자동화설비를 구축해 연 120kg의 촉매분산 처리능력을 확보 했다. 더불어 전체 제품에 대한 ISO 9001 인증까지 획득하며 품질 경영의 신뢰도 또한 한층 끌어올렸다.

더카본스튜디오는 양산성능평가지원으로 개발된 제품의 기술적 검증과 산업 적용을 위한 최적화 작업 마련할 수 있었다. 더불어 상용화를 위한 중요한 데이터를 확보하면서 한 단계 발전된 제품을 공급할 수 있게 돼 현재 더카본스튜디오는 대량양산을 위한 장비가 입고가 완료된 상태다.

▲ 더카본스튜디오 관계자가 생산설비를 점검하고 있다

고결정성 탄소 기반의 백금 촉매 양산으로 더카본스튜디오는 매출액 증가는 물론, 수입에 의존하던 소재의 국산화와 함께 현재 성숙기에 접어든 연료전지 시장에서 기술적 우위를 선점하며, 글로벌 연료전지 및 관련 산업에서 주도권 및 시장 확보를 할 수 있을 것으로 기대된다.

더카본스튜디오 관계자는 “양산성능평가지원사업을 통해 개발된 기술이 실제 산업 현장에서 어떻게 적용될 수 있는지 실증적으로 검증할 수 있었고, 이 과정은 기업의 기술 완성도를 높이고, 제품화에 대한 신뢰를 크게 향상시키는 계기가 됐다. 또 수요기업과의 협력은 실용적 성과로 이어지며, 상호 협력으로 사업의 실현 가능성을 더욱 높일 수 있었다”고 전했다.

한편, 더카본스튜디오는 앞으로도 수소연료전지의 내구성을 극대화할 수 있는 고내구성 촉매 개발을 통해 연료전지가 다양한 모빌리티 분야로 확장될 수 있도록 지속적으로 노력해 우리나라 수소 경제 활성화에 기여할 계획이다.