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EG, 세계 최초 차량용 ‘고체수소저장소재’ 양산 ‘눈앞’

차세대 에너지사업으로 ‘SOFC’ 및 ‘고체수소저장소재’ 개발 ‘박차’
SOFC 스택 신뢰성 확보 위해 국내·외 성능 평가 진행
고체수소저장소재 합성 효율화 및 대량 생산 설비투자 적극적
고체수소저장소재 시제품 생산 즉시 마케팅·판매 병행 계획


[월간수소경제 이종수 기자] 전자소재 전문 기업 (주)EG가 차세대 에너지사업 분야에서 고체산화물연료전지(SOFC)와 고체수소저장소재 개발에 박차를 가하고 있어 주목된다. 


EG는 SOFC 스택의 개발을 완료하고 독일 DLR에서 성능 평가를 진행 중이며, 지난 2015년부터 수행했던 정부출연과제에 대한 평가 결과를 기다리고 있다. 


또한 높은 밀도로 수소를 저장하고, 우수한 공간 활용성과 낮은 가격 및 높은 안정성을 확보할 수 있는 고체수소저장소재(차량용)의 연구개발과 대량생산 체계 완비를 가속화 하고 있다.


특히 효율적인 소재 합성과 대량 생산을 위한 제조·측정설비에 적극적으로 투자하고 있어 관심을 모으고 있다. 최근 금산 공장에 고에너지 밀링 머신을 구축한 것이 대표적이다. 이를 통해 고체수소저장소재 상용화 및 대량 생산을 크게 앞당길 것으로 기대된다.


EG가 세계 최초로 차량용 고체수소저장소재를 개발하고 양산체제를 갖춤으로써 이 분야 시장을 선점할 수 있게 되는 것이다.  지난달 충남 금산에 위치한 EG 본사를 찾았다.     


미래 먹거리 사업 ‘수소·연료전지’
EG는 지난 1987년 설립 이래 국내 최고의 산화철 및 페라이트 코아용 복합 재료 등 다양한 복합재료를 제조·가공하고 있다.


산화철(Fe2O3)은 채광으로 얻어지는 천연 산화철과 제철산업의 산회수 공정에서 발생하는 합성 산화철이 있는데, 이 회사의 산화철은 합성 산화철로 색상 및 불순물의 정도에 따라 자성소재(Soft Ferrite, Hard Ferrite) 또는 안료의 기초원료로 사용된다.



EG의 주요 제품으로는 페라이트용 산화철, 안료용 산화철, 복합재료가 있다.


페라이트용 산화철은 전 세계에서 EG만 생산할 수 있는 ‘Only One’ 제품으로 희토류 대체재 및 전기차 모터용으로 판매되고 있다.


안료용 산화철은 자전거 도로, 트랙 및 시멘트 보도블록의 발색 용도로 사용된다.


복합재료는 주성분인 산화철에 하나 이상의 금속이 결합된 자성이 있는 물질로, 소형 경량화 및 형상화가 용이해 전자부품의 필수 기능 소재로 다양한 분야에 적용·응용되고 있다.


EG는 고순도 산화철로 세계 일류상품 생산기업으로 선정된 바 있다. 


EG는 폐기물 소각 발전플랜트, 바이오매스 발전설비, 폐열 및 가스 발전설비, 연료저장 및 공급설비 등의 EPC를 수행하는 에너지환경사업과 희유금속(몰리브덴, 바나듐) 및 스크랩 중계무역, H형강(H-Beam) 수입 유통 등의 무역 사업도 전개하고 있다. 계열사로는 EG테크(광양), EG메탈(울산) 등이 있다.


EG는 미래 먹거리 사업으로 연료전지, 고체수소저장소재, 이차전지 등의 연구개발(R&D)에 집중하고 있다. 특히 수소·연료전지 분야 연구개발에 상당한 공을 들이고 있다.   

 
홍기철 EG 상무는 “친환경 에너지를 향한 세계시장의 관심이 날로 높아지고 있다. 특히 미국과 유럽, 일본 등 선진국들의 적극적인 행보가 눈에 띈다. 이들은 정부 차원의 지원은 물론 민간 개발 사업에 박차를 가하고 있다”라며 “국내시장 또한 예외는 아니다. 화석연료의 한계와 차세대 대체 에너지의 필요성이 대두되면서 국내 정부와 기업들은 친환경 에너지 개발에 집중하고 있다”고 말했다.


홍 상무는 이어 “친환경 에너지 중 연료전지는 향후 도래할 수소에너지 사회에서 기존의 화력 및 원자력발전을 대신할 수 있는 대체 에너지원으로 평가받고 있다. 이에 미국과 일본 등 각국은 정부 차원에서 기술개발과 제품 상용화에 지원을 아끼지 않고 있다”라며 “세계 최고의 품질을 가진 산화철을 생산하며 성장해 온 글로벌 소재 기업  EG 또한 친환경 에너지를 향후 먹거리 사업으로 육성하기 위해 수소·연료전지 연구개발에 전력을 다하고 있다”고 설명했다. 


SOFC 스택 개발
EG는 정부 과제를 바탕으로 SOFC 제조 및 평가 기술을 확보하는 한편 관련 숙련도를 축적하고 있다. 이와 함께 다가올 수소에너지 사회를 대비해 SOFC 산업화 포럼 회원사로서 관련 업체들과 협업을 구상하고 있다.


SOFC는 용도에 따라 가정용, 건물용, 발전용으로 나뉜다. EG는 가정·건물용 제품을 1차 타깃으로 설정하고, 관련 기술 연구·개발에 착수했다.


황효기 EG 연구개발그룹 선임연구원은 “그동안 SOFC의 각 구성요소의 내구성과 신뢰성을 확보하기 위한 정부 과제를 수행하고 해당 구성요소들을 스택으로 적층해 실제 가정 및 건물에 적용할 수 있는 부하·열 변동에 대한 내구성을 테스트한 결과 성공적인 결과를 얻었다”고 밝혔다. 




현재 개발된 SOFC 스택은 신뢰성 확보를 위해 독일 DLR(독일항공우주센터)에서 성능 평가를 진행 중이며, 지난 2015년부터 수행했던 정부출연과제의 정량적 기술 목표를 모두 달성하고, 해당 과제에 대한 평가 결과를 앞두고 있다.


이번에 개발한 SOFC 스택은 1kW급으로, 향후 2kW, 5kW, 10kW급 등으로 확대해나갈 계획이다.


EG는 SOFC 연료극 소재도 개발하고 있다. 해외 Nickel oxide(NiO) 빅 메이커와의 경쟁을 위해 저가형 고순도 NiO 분말 국산화 사업을 진행하고 있다. 


한편 이차전지와 관련해서는 비탄소계 음극재의 고용량화와 고출력화 기술개발에 중점을 두고 있다. 고용량화 개발은 탄소계 재료의 우수한 사이클 특성과 372mAh/g의 이론용량을 극복하기 위해 음극재의 하나인 실리콘(이론용량=4,200mAh/g)을 기반으로 하는 비탄소계 음극재료에 집중하고 있다.


지난 2016년 5월 핵심기술인 ‘탄소 복합 실리콘 음극 활물질의 제조 방법, 이에 의해 제조된 탄소 복합 실리콘 음극 활물질 및 이를 포함하는 리튬이온이차전지’ 특허출원을 완료했다.


황 연구원은 “리튬이온이차전지에 사용되고 있는 기존 음극재와 EG에서 개발한 음극재 비교 결과 기존 제품보다 뛰어난 발전용량을 나타내고 있다”고 밝혔다.


EG는 리튬이온이차전지 음극재 등에 적용되는 나노실리콘 사업도 하고 있다. 건식공정을 통해 제조시간을 단축하고 원가를 절감시킨 나노실리콘 제조 및 판매사업을 진행하고 있다.   
 


차세대 기술 ‘고체수소저장소재’
EG는 SOFC, 이차전지와 함께 고체수소저장소재를 개발하고 있다.


수소저장 방법에는 고압기체저장, 저온액화저장, 고체수소저장 등이 있다. 이 중 고체수소저장 기술은 수소를 소재 표면 또는 내부에 저장하는 기술로, 다른 저장기술에 비해 높은 밀도로 수소를 저장하고, 우수한 공간 활용성과 낮은 가격 및 높은 안정성을 확보할 수 있는 차세대 기술로 평가된다.


고체수소저장 기술은 미국과 유럽, 일본을 중심으로 한 에너지 선진국에서 금속수소화물, 화학적수소화물, 나노재료 기반의 신소재 개발 및 저장탱크, 열교환기 등의 시스템 개발 연구가 활발하게 진행 중이다. 이와 비교해 국내시장은 기술력과 투자가 부족한 실정이다.


홍기철 상무는 “이러한 선진국과의 기술 격차를 줄이는 한편 수소전기차의 경쟁력 확보를 목표로 고체수소저장소재 연구개발에 전력을 다하고 있다”고 말했다.


EG의 연구진에 따르면 현재 활발하게 연구되고 있는 고체수소저장소재는 수소저장합금, 금속착수소화물 및 나노구조 흡착재 중 금속착수소화물 고체수소저장소재 등이 있다.


수소저장합금은 최대 무게저장밀도가 2wt% 밖에 이르지 않아 시스템 기준으로 최소 무게저장밀도인 3.2wt%를 달성할 수 없다는 단점을 갖고 있다. 나노구조 흡착재는 대량 생산이 어렵다.


반면 금속착수소화물은 무게저장밀도가 5wt% 이상으로 시스템 구성 시에도 3.2wt%를 달성할 수 있는 유일한 소재이며, 소재 온도 및 수소 압력의 조절을 통해 수소의 흡·방출이 가능하다.


1990년대 후반 독일 Max Planck 연구소는 금속착수소화물 중에서 알라네이트(Alanate)계인 NaAlH4에 티타늄(Ti)을 함유한 촉매를 습식법으로 혼합해 150℃ 부근에서 무게저장밀도 4wt% 내외로 가역적인 수소 흡·방출이 가능하다는 연구 결과를 발표했다.


이후에는 300℃ 이상의 온도에서 수소를 방출하는 LiBH4, Mg(BH4)2 및 Ca(BH4)2와 같은 고용량 수소화붕소(Borohydride) 금속착수소화물에 대한 연구로 확대됐다.


2000년대 중반에 이르러 미국 GM사는 LiBH4에 MgH2를 혼합한 ‘Reactive Hydride Composite’ 기반의 수소저장소재를 개발했다. 이 복합재료는 수소 방출 시 두 물질 사이의 상호반응 발생을 통해 수소방출온도 감소와 수소 흡·방출 속도 향상이라는 결과를 얻었다. 이를 ‘Reactive Hydride Composite’라고 부른다.


2000년대 후반 싱가포르 대학 연구진은 LiNH2와 같은 아마이드(Amide)계 물질이 150℃ 이상에서 이미드(Imide)계 물질로 변화하면서 가역적으로 수소를 저장·방출하는 것을 최초로 증명하고 수소저장소재로서의 가능성을 확인했다.


송덕현 EG 연구개발그룹 연구소장은 “이처럼 소재 분야 연구는 금속착수소화물의 작동 온도를 저감하고 수소 흡·방출 속도를 증가시키고 사이클 특성을 향상시키는 데 집중하는 동시에 시스템 탑재를 염두에 두고 소재 대량 생산 연구도 병행할 예정으로 보인다”고 전망했다. 


다양한 금속착수소화물 중에서 상용화의 유력한 후보 소재가 100℃ 부근의 작동 온도와 무게 저장 밀도가 5wt% 이상인 NaAlH4와 Mg(NH2)2-LiH라는 게 송 소장의 설명이다.

 


고체수소저장소재 양산체계 완비 ‘가속화’
EG는 지난 2015년부터 세계 최초의 차량 탑재용 고체수소저장소재의 양산체계를 개발하기 위한 국책과제에 참여 중이다. 한국과학기술연구원, 한국에너지기술연구원, 현대자동차, 일진복합소재와 함께 연구개발을 진행 중이다.


부피 및 무게 저장밀도가 높고 안전성이 우수한 고체수소저장소재 및 시스템을 개발하는 것이 이번 과제의 목표다. 개발이 최종 완료되면 EG의 고체수소저장소재 펠렛을 열교환기에 장착한 다음 일진복합소재의 수소저장용기 안에 최종 장착해 수소전기차에 탑재하게 된다. 


EG는 지난 2016년 한국과학기술연구원과 함께 차량용 고용량 고체수소저장소재(소듐알라네이트, NaAlH4) 합성에 성공한 바 있다. 또 분말 형태의 금속착수소화물계 고체수소저장소재를 펠렛 형태로 컴팩트화 하는 데 성공해 수소저장용기의 볼륨을 크게 줄임으로써 수소전기차 공간의 활용도를 높일 수 있게 됐다.


EG는 NaAlH4 소재 성능을 최적화하는 한편 고체수소저장소재 제품 대량생산 및 상용화 체계 완비에 가속 페달을 밟고 있다. 




특히 최근 충남 금산 본사 공장에 구축한 신규 고에너지 밀링 머신(수평형 어트리션밀, 모델명 Simoloyer CM100)은 EG의 고체수소저장소재 나노 분말 합성 및 제품 상용화를 크게 앞당길 것으로 기대된다. 현재 생산 및 해당 공정을 최적화하는 단계를 밟고 있다.


송덕현 연구소장은 “고체수소저장소재인 NaAlH4 합성을 최적화하기 위해서는 수소 분위기 제어가 가능한 고에너지 밀링 머신이 필요했다”라며 “CM100은 밀링 챔버의 수소 분위기 제어가 가능하고, 높은 밀링 강도(Intensity)를 갖추고 있어 NaAlH4 합성에 적합하다”고 설명했다.


송 소장은 “이번 고에너지 밀링 머신의 도입을 통해 우수한 수소 반응성을 갖춘 NaAlH4 소재를 생산하고, 수소 흡·방출 온도를 개선할 수 있게 됐다”며 “이를 바탕으로 NaAlH4 합성 기술을 최적화하고, 대량 생산을 진행할 것”이라고 밝혔다.


EG는 NaAlH4와 Mg(NH2)2-LiH 합성 기술과 고에너지 밀링 머신을 이용한 스케일-업을 완료했다. 또 생산되는 금속착수소화물계 고체수소저장소재의 평가 및 분석을 통해 물성 특성을 최적화했다.


EG는 ‘소듐 알라네이트계 수소저장재료의 제조 방법’과 ‘마그네슘 아마이드계 수소 저장재료의 제조 방법’ 특허출원을 준비하고 있다.  




EG는 추가적으로 출발 원료인 NaH(NaH 60%, 파라핀 40%)의 순도를 높이기 위해 원료 내 파라핀을 제거하는 기술을 개발하는 한편 신규 고에너지 밀링 장치(20kg/batch)를 구축해 공정변수 최적화 및 지속적인 금속착수소화물계 고체수소저장소재 생산을 진행할 계획이다.


이와 함께 고체수소저장소재의 시스템 평가를 위해 생산된 소재를 컴팩트화 하고, 최적의 물성 특성을 유지할 수 있도록 생산된 소재의 특성평가를 진행해 품질을 관리할 예정이다.


EG는 관련 시제품 생산 즉시 마케팅 및 판매를 병행할 계획이다. 가장 먼저 자체 사업화 검토를 통해 조기에 양산체제를 갖추기 위한 사업성 평가를 수행할 계획이다.


또한 안정적인 생산과 판매가 이뤄질 수 있도록 최적화된 양상 체제를 완비할 예정이다. 국내 인증기관 인증 획득, 판로 확대, 추가 양산을 위한 시설 증설 등도 함께 진행할 계획이다.




세계 수소 생산시장은 매년 5.2%의 성장세를 기록하고 있다.


글로벌 시장 전망 기구인 마켓앤마켓에 따르면 세계 수소 생산시장 규모는 2016년 1,180억 달러(133조 6,232억 원)에서 오는 2021년 1,521억 달러(172조 2,380억 원)로 성장할 것으로 전망된다. 이처럼 수소에너지는 2020년 이후 화석연료를 대체할 차세대 에너지로 기대를 모으고 있다.


고체수소저장소재는 수소전기차, 수소카트, 수소셔틀 등 다양한 모빌리티에 응용이 가능해 미래 수소경제의 핵심기술로 자리 잡을 것이라는 전망이다. 


홍기철 상무는 “향후 고체수소저장소재를 이용한 수소저장기술이 상용화된다면 기존의 기체 및 액체 저장방식보다 훨씬 향상된 안정성과 공간 활용성을 기대할 수 있을 것”이라며 “이와 함께 다른 저장기술보다 수소를 고밀도로 저장하고, 가격 절감과 안전성 향상 효과를 볼 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.




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