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<연속기획>수소·연료전지 연구현장을 가다 - ⑭ JNTG 에너지연구소

연료전지 스택 핵심부품 ‘GDL’ 국산화 빛 발한다
11년간 200억 원 투자, 연구개발 집념으로 맺은 ‘결실’
Roll-to-Roll 방식 제조…생산성 높이고, 대량 생산 가능
수소전기차 10만 대 대응 가능한 양산체제 구축 ‘시동’
발전용 연료전지 및 수전해용 카본 페이퍼도 개발 중




[월간수소경제 이종수 기자] 수소전기차의 심장인 연료전지 스택에 들어가는 기체확산층(GDL; Gas Diffusion Layer)이 올해 드디어 국산화가 적용될 전망이다. GDL은 연료전지 전문기업 JNTG(제이앤티지)가 11년 동안 공들여 개발해온 스택의 핵심부품 소재다. 세계에서 4~5번째, 국내 최초로 개발해 드디어 결실을 맺게 됐다.


현대차 수소전기차에 이 회사의 GDL이 적용되면 수소전기차 부품 국산화율은 막(Membrane) 소재를 제외하고 100% 실현하게 된다. 현대차는 그동안 독일의 SGL, 일본 도레이 등의 GDL을 적용해 왔다.


JNTG(대표 김태년)는 공장 자동화설비, 데코레이션 필름 및 글라스, 강화유리 및 커넥터 등을 생산하는 JNT그룹(회장 장상욱)의 자회사로, 지난 2002년 연료전지개발센터를 설립해 직접메탄올연료전지(DMFC) 개발부터 시작했다.


JNTG는 성균관대학교와 DMFC 공동연구를 시작으로 SKC와는 DMFC용 막전극접합체(MEA) 공동개발에 나섰다. 이어 환경부의 DMFC 시스템 개발 과제와 LG화학이 주관하는 지식경제부(현 산업통상자원부)의 DMFC용 전극 개발 과제를 수행한 바 있다.


이처럼 JNTG는 2006년까지 DMFC용 전극 및 MEA, DMFC 시스템을 개발하며 연료전지에 대한 기술력을 쌓아나갔다. 하지만 당시 DMFC 시장이 없는 상태에서 관련 기술개발에만 매달릴 수는 없어 연료전지의 핵심부품 소재인 GDL 개발로 눈을 돌렸다.



기체확산층(GDL) 국산화 개발
지난 2008년부터 2013년까지 5년간 현대자동차가 주관하는 지식경제부의 수소연료전지 자동차용 GDL 국산화 개발 1~2단계 과제를 통해 JNTG는 GDL 국산화에 나섰다.


이 기간 중 국내 최초로 롤(Roll) 형태의 카본 페이퍼(Carbon Paper: 탄소종이) 개발을 완료(2011년)한 데 이어 이듬해인 2012년 롤 형태의 GDL 개발 역시 이뤄냈다.


카본 페이퍼는 습식 부직포(wet-laid) 공정에서 탄소섬유(Carbon Fiber)를 이용해 만들어진 검은색의 탄소종이를 의미한다. 롤 형태의 카본 페이퍼(너비 500~700mm)는 MPL(Micro Porous Layer; 미세다공성층) 코팅, 고분자 코팅, 열처리 등의 화학 공정을 거쳐 수소전기차 연료전지 스택에 들어가는 핵심부품 소재인 GDL로 재탄생한다.


이러한 모든 생산 과정은 Roll-to-Roll 방식으로 진행된다. 롤 방식은 생산성을 높이고 대량 생산이 가능하다는 장점이 있는 반면 설비투자가 많이 소요된다. Roll 제조 라인과 관련한 평가시스템도 함께 구축했다.



이은숙 JNTG 에너지연구소 전무는 “고분자형 연료전지에서 카본 페이퍼는 반드시 균일한 두께, 물질 이동이 원활해야 하고 낮은 전기 저항성을 나타내는 특징을 가지고 있어야 한다”라며 “카본 페이퍼의 조성을 조절해 우수한 특성의 GDL 구조를 개발했다”고 밝혔다.


이 전무는 “고분자전해질형 연료전지(PEMFC)에 있어 MEA의 성능은 GDL의 성질에 의존하게 되며 특히 미세다공성층의 구조와 조성에 의해 영향을 받는다”라며 “비직조 형태의 기재를 이용한 GDL은 미세다공성층 내의 미세 기공분포와 기체확산 지지체(카본 페이퍼)의 성질을 제어하는 방법을 써서 GDL 내 연료와 부산물의 물질 이동을 원활하게 하고 촉매층과 집전체인 분리판(bipolar plate)과의 계면 저항을 감소시키도록 설계했다”고 설명했다.


JNTG의 기술력은 상당한 수준에 도달했다는 평가를 받는다. GDL에 코팅되는 MPL까지 직접 제작하기 때문에 스택의 종류와 용도에 따라 GDL의 가습도를 맞출 수 있다. GDL을 180μm(마이크로미터)부터 130μm까지 초박형으로 제작하면서도 끊어지지 않게 만드는 기술도 JNTG의 자랑이다.


수소전기차 연료전지 스택에 들어가는 GDL은 막전극접합체(MEA)의 바깥 부분에 위치해 MEA를 기계적으로 지지하며, 반응 기체가 유로 채널(Flow field channel)에서 촉매층으로 가는 통로, 생성된 수분이 촉매층으로부터 흐름 채널로 가는 통로, 촉매층과 분리판을 전기적으로 연결해 전자가 흐르는 통로를 각각 제공하는 역할을 한다. 또 전기화학 반응에 의해 발생한 열을 분리판으로 전도해 열을 제거한다.


JNTG의 카본 페이퍼와 GDL은 이동형(수소전기차, 드론 등) 연료전지(PEMFC)뿐만 아니라  정치형(PEMFC, PAFC), 휴대용(DMFC) 등의 연료전지와 산화환원 전지, 전기분해반응 전극 등으로 사용이 가능하다.



GDL 양산체제 투자 본격화
2008년부터 11년간 오로지 GDL 연구개발에 약 200억 원을 투자한 JNTG는 이제 양산체제를 위한 제2의 투자를 본격화한다. 2013년부터 조금씩 양산체제를 준비해온 JNTG는 현재 1호(파일럿 설비), 2호 생산라인(양산용)을 통해 수소전기차 1만 대 규모의 GDL 공급이 가능하다.


JNTG는 국내외 수소전기차 수요 증가에 따라 수소전기차 10만 대 규모의 GDL 공급이 가능한 3~5호 생산라인을 단계적으로 구축할 계획이다. 특히 중국의 수요가 급증하면서 GDL 공급에 관한 문의를 많이 받고 있다. 우선 올해 하반기부터 3호 생산라인에 대한 투자를 시작할 예정이다.


특히 기대되는 것은 현대차의 수소전기차 ‘넥쏘’에 JNTG의 GDL이 본격적으로 적용된다는 점이다. 현재 1/4분기 내 공정 ODT, 품질검사 등이 진행될 예정이며 이러한 과정이 마무리되면 현대차와의 공급계약 체결이 이뤄질 것으로 예상된다.


JNTG의 GDL은 국내보다 해외에서 먼저 구매 요청을 받고 있다. 지난 2017년부터 중국에 본격적으로 GDL을 공급하기 시작했으며 매년 수출계약이 잇따를 것으로 기대하고 있다.

 
이은숙 전무는 “이미 수소전기차 넥쏘를 비롯해 수소전기차 몇 대에 우리의 GDL이 시험적으로 적용된 바 있다”라며 “국내 수소전기차에도 (JNTG의) GDL이 적용되기를 바라며 현재 진행되고 있는 공정 ODT 등의 평가과정에 최선을 다하고 있는 만큼 조만간 좋은 소식을 기대해도 좋을 것”이라고 자신감을 나타냈다.


GDL은 수소전기차 1대 가격에서 약 4~5%를 차지한다. 연료전지 스택만을 따져보면 총 스택가격의 약 16~20%를 차지할 정도로 부가가치가 높은 부품소재다.


JNTG는 올해 국내외 GDL 매출 목표를 135억 원으로 잡았다. 양산체제에 들어감에 따라  2017년 15명이던 직원이 지난해는 40여 명으로 크게 늘었다. 이 숫자도 곧 바뀐다. 내년에는 80여 명으로 2배 정도 늘린다는 계획이다.



끊임없는 연료전지 연구개발
JNTG의 연구개발은 여기서 끝이 아니다. 카본 페이퍼를 너비 1m까지 생산할 수 있는 기술개발을 진행 중이다. 지난달 취재를 위해 방문한 JNTG 화성 공장에서 1m짜리 카본 페이퍼 시제품을 직접 눈으로 확인할 수 있었다. 내년부터 본격 생산이 이뤄질 전망이다.


또한 GDL을 더 얇게 만드는 기술개발에도 적극 나서고 있다. 이는 수소전기차 ‘넥쏘’에 이어 출시될 차기 모델을 위해서다. 이와 함께 수소전기 상용차의 내구성 향상을 위한 GDL 성능 개선 기술개발도 추진 중이다.


이 전무는 “회사의 연구개발 초점은 제품의 두께와 기공분포도, 기공률, 평활도 등의 성질이 균일한 특성을 가지면서 MEA 성능을 개선할 수 있는 제품을 만드는 데 있다”고 밝혔다.


JNTG는 발전용 연료전지와 물 전기분해용 카본 페이퍼 개발도 진행 중이다. 이 전무는 “지금은 부생수소와 천연가스 개질(추출) 수소를 쓰고 있지만 향후에는 재생에너지 전력을 이용한 수전해를 통해 수소를 생산해야 한다”라며 “수전해 시 ‘MGP’(Molded Graphite Paper)라고 하는 딱딱하고 고온에서 구운 흑연화 된 카본 페이퍼가 필요한 데, 발전용 연료전지에 들어가는 것과도 동일하다”고 설명했다.


발전용 연료전지로는 초도 샘플 테스트를 완료하고, 연료전지 스택에서의 테스트를 준비 중이다. 올해 7~8월경 테스트가 진행될 것으로 예상하고 있다.


JNTG의 김태년 대표는 “매출도 없이 2008년부터 11년간 GDL 연구개발에만 전념했다”라며 “그룹사 차원에서 우리를 믿고 연구개발 지원을 아끼지 않았기 때문에 GDL 개발에 성공할 수 있었고, 올해는 본격적으로 매출 성과를 내는 해가 될 것”이라고 밝혔다.


<미니인터뷰 | 김태년 JNTG 대표이사>
“현대차 ‘넥쏘’ GDL 납품 기대하고 있다”
국내외 수요 증가 따라 선제적 양산 투자 확대 나서


연료전지 개발에 나서게 된 배경과 주요 과정을 말해달라. 


그룹의 DNA가 신산업 신기술 개발이다.


우리는 지난 2002년부터 17년째 연료전지 연구개발을 이어가고 있다. 2002년 JNTG가 개발비를 투입해 성대와 산학협력으로 DMFC 개발을 시작했다. 성대와의 공동연구에 이어 대기업과의 DMFC 공동 개발도 진행했다. 하지만 그 당시 연료전지산업이 시들해지는 시기였다. 이러한 여파로 함께 공동개발에 나서던 대기업이 중도에 빠져나가면서 공동 개발 장비를 우리 회사가 떠안았다. 이때부터 연료전지 개발을 독자적으로 시작했다.


2008년부터 본격적으로 GDL 개발을 시작했다. 2008년부터 2013년까지 국책과제(현대차 주관)인 GDL 국산화 개발에 참여했다. 원래 모 대기업이 참여키로 하고 과제 협약까지 체결했는데 연료전지산업 분위기가 좋지 않다 보니 참여를 포기하면서 우리에게 기회가 왔다. 당시 주관기관의 참여 요청에 이은숙 전무가 “우리가 해보자”고 했다. 중소기업인 JNTG가 겁도 없이 달려든 것이다.


이후 연구비 35억 원을 지원받아 GDL 개발을 시작해 2012년 국내 최초로 롤 형태의 GDL 개발을 완료했다. 그 이후에도 꾸준히 연구개발 투자를 이어가며 기술 완성도를 높여나갔다.


GDL 국산화 개발에 성공한 이후 양산체제는 어떻게 준비하고 있나.


2013년부터 양산체제 장비를 갖추기 시작했다. 11년간 연구개발에만 약 200억 원을 투자했다. 앞으로도 양산체제를 확대하기 위해 추가적인 투자가 이뤄져야 한다.


1호 생산라인은 파일럿 개념이다. 2호 라인부터가 양산체제용이다. 이미 구축한 1~2호 라인은 수소전기차 1만 대에 GDL을 공급할 수 있는 규모다. 그러니까 2020년까지 보급될 수소전기차 물량을 충족할 수 있는 설비는 갖춘 셈이다.


이와는 별도로 3~5호 라인을 단계적으로 구축할 예정이다. 3~5호 라인은 수소전기차 10만 대를 충족할 수 있다. 3호 라인은 당초 오는 2021년 투자를 시작하려고 했으나 장상욱 회장이 수소전기차 수요가 크게 늘어날 것을 대비해 투자 시기를 2020년으로 1년 앞당겼다.


현대차 ‘넥쏘’에 자사의 GDL이 적용되나.
그동안 현대차에 GDL을 공급한 회사는 독일의 SGL과 일본 도레이다. 우리 GDL은 수소전기차 ‘넥쏘’를 포함해 수소전기차 몇 대에 시험용으로 사용된 바 있다. 중국에는 공급계약을 통한 수출이 이뤄지고 있다.


현재 넥쏘 양산차량에 GDL을 공급하기 위해 전력하고 있다. 현대차에서도 우리에게 ‘빨리 준비하라’는 시그널을 주고 있다. 아직 정식으로 공급계약을 체결하지 않았지만 공정 ODT와 품질검사 등을 완료하면 가능할 것으로 기대하고 있다. 1/4분기 내 검사가 진행된다.


끝으로 덧붙일 말이나 강조하고 싶은 점이 있다면.


정부의 수소연료전지 연구비 지원으로 기업들이 혜택을 보고 있는 게 사실이다. 하지만 아쉬운 점이 있다면 연구비만 지원하고 과제목표만 달성하면 끝난다는 것이다. 이후가 매우 중요하다.


연구비를 지원받아 국산화 개발에 성공했으면 성능이 좀 떨어져도 개발된 제품을 실증할 수 있는 여건을 적극 만들어줘야 한다. 그래야 제품의 완성도를 높이고 실제 상용화에 이를 수 있다.


또 하나는 정부 연구비를 받는 과제에 대해서는 국산 소재를 사용해야 한다. 그래야 어렵게 개발된 소재의 성능도 확인할 수 있고 해당 기업의 기술개발 속도가 빨라져 노하우를 갖출 수 있다. 물론 관련 소재산업 확산에도 도움이 될 것이다. 일본의 경우 국가연구과제 진행 시 자국 기업들로 네트워크를 구축하고 해당 기업의 제품과 소재를 적용하는 것이 일반적이다.


애써 개발한 국산 제품과 소재가 사장되지 않도록 정부의 세심한 관심과 지원이 요구된다.


* <월간수소경제>는 이번 2월호 ‘JNTG’를 끝으로 연속기획 <수소·연료전지 연구현장을 가다>를 종료합니다. 그동안 보내주신 많은 관심과 성원에 감사합니다. 2월호부터 새로 신설된 연속기획 <수소경제, 주목되는 기술·제품>으로 더 알찬 내용으로 찾아뵙겠습니다.




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