2022.03.31 (목)

INSIDE

차세대 연료전지 카본·촉매 개발사, 바이머트리얼즈

박병일 대표, 오덱에서 넥쏘 전극촉매 개발한 주역
퇴사 후 차세대 카본 지지체 개발에 집중
‘백금 합금’ 적용한 메소포어 카본 기술이 핵심
차세대 연료전지 촉매 양산에 도전
코멤텍과 발전용 연료전지 시장 진출 추진

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[월간수소경제 성재경 기자] 창립 1주년? 아니다. 지난 3월 3일에 법인을 설립한 스타트업이다. 경기도 화성에 있는 현대기아차 남양기술연구소 인근에 공장이 있다. 청록색 박공지붕 밑에 ‘바이머트리얼즈(BIMaterials)’라는 간판이 맨 먼저 눈에 든다.


사명은 회사의 정체성을 담고 있다. ‘머트리얼즈’는 첨단소재 회사를 뜻하고, ‘BI’는 박병일 대표의 이름에서 따왔다. 사실상 이번 취재는 박병일이라는 사람에게서 출발했음을 앞서 밝혀둔다. 그는 수소연료전지 촉매 분야의 최고 기술자로 통한다. 그 명성은 오덱이라는 회사와 깊은 관련이 있다.


박 대표, 넥쏘 전극촉매 개발의 주역

오덱은 글로벌 소재 전문기업인 벨기에 유미코아(Umicore)의 한국 자회사다. 자동차 배기가스 정화용 촉매와 산업용 촉매, 수소연료전지에 들어가는 전극촉매를 생산해 납품하는 곳이다.


“작년 1월 8일에 오덱을 나왔어요. 지난해 10월에 ‘한국유미코아촉매’로 사명을 바꿨지만, 저한테는 오덱이란 이름이 익숙하죠. 넥쏘 연료전지시스템에 들어가는 MEA용 전극촉매를 양산하는 회사예요. 인천 송도에 공장이 있죠. 3년 전(2019년)에 송도공장을 짓느라 엄청 고생한 기억이 납니다. 365일 중에 딱 이틀을 쉬었으니까요.”


박 대표는 오덱 시절 우수사원에게 주는 금상을 두 번이나 받았다. 일욕심을 부리며 촉매 개발에 매달렸고, 그만한 성과를 내기도 했다. 특히 2009년이 기억에 남는다. 현대차가 수소연료전지의 핵심인 막전극접합체(MEA) 국산화 과제를 막 시작한 때였다. 그는 오덱의 촉매 개발 담당자로 이 프로젝트에 합류했다.


“현대차에 연료전지 부품이나 소재를 납품하는 회사들이 그때 다 들어갔죠. 코오롱, JNTG, 동진쎄미켐, LT메탈(희성금속) 같은 업체들이 연료전지 개발에 참여했어요. 2013년도에 MEA 과제가 끝이 났고, 바로 그 해에 투싼ix 양산형 모델이 처음으로 출시됐을 겁니다.”


당시만 해도 오덱은 카본 지지체에 백금(Pt) 촉매를 올리는 기술을 보유하고 있었다. 현대차는 후속 차량인 넥쏘 개발 프로젝트에 돌입했고, 일본의 다나까 촉매보다 뛰어난 성능의 촉매 개발에 나설 것을 독려했다. 오덱은 촉매 기술 국산화에 주도적으로 참여했고, 결국 이 프로젝트를 성공으로 이끌었다. 그 장본인이 바로 박병일 대표다.




“백금 촉매를 올리는 카본 담지체를 그때 새로 개발했어요. MEA 전극 촉매의 성능과 내구를 높이려면 카본을 잘 다뤄야 하죠. 경쟁에서 지면 끝이라는 절박한 심정으로 기술개발에 매달렸어요. 현대차는 시작차가 나오면 혹독한 환경에서 성능 테스트를 하는 ‘데스밸리 평가’란 걸 진행해요. 일본의 다나까, 영국의 존슨매티 같은 쟁쟁한 회사들과 붙어서 오덱이 1등을 차지했죠. 제 인생에서 가장 짜릿한 순간이라 할 수 있습니다.”


넥쏘에 들어간 수소전기차 기술은 국가핵심기술로 지정돼 있다.


그래서 연료전지시스템을 해외로 수출할 땐 산업기술보호위원회의 승인을 받아야 한다. 관련 기술개발에 참여한 현대차 임직원을 비롯해 협력업체 직원 일부도 국가핵심기술자로 선정돼 있다. 박 대표도 여기에 든다.

회사를 나온 후 1년간 어떤 시간을 보냈는지 궁금했다.


박 대표가 ‘비밀유지와 겸업금지에 대한 서약서’의 일부를 보여준다. ‘퇴직 후에도 당사의 사업과 유사하거나 경쟁 관계에 있는 사업(수소전기차 연료전지시스템 촉매 제조 관련)에 종사하지 않아야 할 의무’가 있고, ‘퇴사 후 1년간 당사의 사업과 유사하거나 경쟁 관계에 있는 사업을 하지 않는다’는 내용이 서약서에 명기돼 있다.


물론 오덱과 맺은 서약서다. 연료전지 촉매 분야 최고의 전문가로 통하는 박 대표의 근황에 업계의 관심이 크다. 스카우트 제의도 많이 받았지만, 애초에 법인을 만들어 사업화에 나서는 쪽으로 방향을 잡았다고 한다.




“요즘 뭐하고 지내느냐고 물으면 카본을 한다고 대답했어요. 그게 사실이기도 하고요. 작년 6월경에 이곳 화성에 공장을 얻고 8월부터 시설공사에 들어갔어요. 맨 처음 한 일이 카본 제작설비를 들인 일이죠. 1층에서 본 ‘카본 지지체 활성화 장비’가 바로 그겁니다.”


‘백금 합금’을 적용한 메소포어 카본 기술

연료전지 촉매는 카본과 백금으로 이뤄진다. 카본은 순수한 탄소로 이루어진 광물인 흑연 가루라 할 수 있다. 카본을 담지체로 쓰는 이유는 촉매 반응이 뛰어나고 전기전도성이 좋기 때문이다. 카본을 잘 다루고, 귀금속인 백금을 적게 써서 촉매의 성능을 올리는 것이 기술의 핵심이다.


“자동차 배기촉매 분야에서 7년, 연료전지 촉매 기술 분야에서 13년을 일했어요. 제가 보기에 ‘최고’의 촉매란 건 없습니다. ‘최적’의 촉매가 있을 뿐이죠. 백금을 올리는 지지체인 카본이 정말 중요해요. 고객이 원하는 최적의 카본을 디자인하는 게 이 업(業)의 본질이라 할 수 있습니다.”



연료전지용 카본에는 땀구멍 같은 포어(pore)가 있다. 이 구멍 안에 백금이 쏙쏙 박혀 있다고 보면 된다. 그래야 안정적이고, 백금이 기체와 닿는 표면적을 넓혀 반응도 잘 일어난다.


“화학적인 방법을 쓰거나 스팀, 기체 등을 활용해서 카본에 포어를 내게 되죠. 포어의 개수, 뚫린 방향, 크기에 따라 촉매의 성능이 확 달라져요. 랩 실험에서 성능이 좋게 나온 촉매도 MEA로 가면 안 되고, 백금 촉매는 되는데 이걸 또 합금으로 가면 안 되고…. 카본을 모르면 이런 문제를 해결할 수가 없어요. 카본을 제어하는 기술 없이 연료전지 촉매를 한다고 하면 머리를 갸웃하게 되죠.”


바이머트리얼즈(BIM)는 스팀을 이용해 포어를 만든다. 원통형 회전가마인 로터리킬른 안에 카본을 넣고 작업을 진행한다. 단단한 고결정 카본에 구멍을 내는 건 정말 어렵다. BIM은 한 번에 구멍을 내는 기술을 보유하고 있다.


“차세대 촉매에는 백금 합금기술이 들어가요. 도요타가 새롭게 출시한 미라이2에 이 기술이 적용돼 있죠. 고가의 백금을 적게 쓰면서 기존의 백금 촉매 못지않은 성능을 내는 기술이 필요합니다.”


백금을 니켈과 합성하면 입자가 커진다. 이걸 기존 카본 담지체 구멍에 넣기가 어렵다. 이 문제를 해결하려면 카본에 좀 더 큰 크기의 구멍을 뚫어줘야 한다. 이 구멍을 ‘메소포어’라 한다.


2나노미터 이하의 미세공을 마이크로포어(micropore), 20나노미터 이상의 미세공을 매크로포어(macropore)라 부른다. 메소포어(mesopore)는 그 중간 크기의 미세공을 뜻한다.


박 대표는 차세대 촉매 기술에 주목하고 양산화를 위한 기술개발에 힘쓰고 있다. 차세대 촉매 기술의 핵심은 두 가지로 요약할 수 있다. 바로 ‘백금 합금 기술’과 ‘메소포어 카본 기술’이다. BIM은 이 두 가지 기술을 적용한 ‘MT(Mass Transfer, 물질전달) 촉매’ 개발에 집중하고 있다.




“메소포어 담지체가 적용된 백금 합금 기술이 있어야 차세대 고성능 연료전지의 상용화가 가능해요. 다시 말해 물질전달저항을 낮출 수 있는 카본 담지체 촉매가 필요하다는 뜻이죠. 국내에는 이 촉매를 생산하거나 양산하는 업체가 없어요. 세계적으로 도요타가 기술의 우위에 있죠. 사실상 미라이2에 적용하면서 양산에 성공했다고 볼 수 있습니다.”


박병일 대표는 퇴사 후 차세대 메소포어 담지체 개발을 위한 카본 연구에 집중했고, 이 기술을 반영한 장비를 새롭게 설계해 공장에 설치했다. 올해 들어서는 백금 합금 기술 개발도 시작했다. ‘BIM 자가결합합금’ 기술을 적용, 코팅을 하듯 니켈 가장자리에 백금을 정연하게 배치해 촉매 활성도를 극대화하게 된다.


로스팅한 원두의 내부를 전자현미경으로 확대한 다공질 사진을 떠올리면 이해가 쉽다. 그라인더로 갈아낸 커피가루의 포어 안으로 뜨거운 물을 흘려 다양한 커피의 성분을 추출하게 된다. 구멍이 크면 저항이 적어 물이 더 잘 빠진다.


“촉매도 마찬가지입니다. 저항을 줄여야 성능을 올릴 수 있죠. 기존 담지체의 경우 마이크로포어에 가까운 메소포어를 써요. 우리는 진짜 메소포어를 뚫습니다. 카본 지지체의 구멍이 크고, 구멍 안쪽에 기존 포어 크기의 작은 구멍을 또 내게 되죠. 이렇게 해야 백금 합금을 넣을 수 있어요.”


자가결합합금 기술을 적용하면 백금 사용량을 절반으로 낮출 수 있다. 기술개발 여부에 따라서는 그 이하도 가능하다. 합금 기술을 적용하려면 기존 카본의 물질전달력을 개선한 메소포어 담지체 개발이 선행돼야 한다.


“차체가 큰 수소전기 버스나 트럭에는 고성능의 연료전지가 요구됩니다. 선박이나 카고드론 같은 수소모빌리티의 대중화를 위해 꼭 필요한 기술이죠. 차세대 촉매는 가격이나 성능 면에서 PEM 연료전지 시장 전반에 큰 영향을 미칠 수 있어요.”


차세대 촉매 기술 양산화에 도전

BIM은 카본 샘플 판매로 이미 매출을 내고 있다. 또 연료전지용 백금 전구체도 만들어 판다. 공장의 1층 안쪽에 있는 연구실로 향한다. 한 직원이 교반기에 전원을 넣어 연료전지 촉매 생산을 위한 첫 번째 합성 과정을 진행한다.



“보통 염화백금을 많이 쓰지만, 이게 시간이 지나면 부식이 되면서 문제를 일으켜요. 그래서 연료전지에는 염기성 백금을 쓰죠. 옆에 있는 이 장비로 염기성 백금 용액을 만들어요. 백금 파우더를 산에 녹인 다음 시약을 넣으면 백금이 고체로 변하면서 밑으로 가라앉게 되죠.”




이렇게 만든 백금 케이크는 세척을 통해 불순물을 없애게 된다.


맞은편에 있는 ‘백금 전구체 필터링 설비’로 그 작업을 한다. 여기서 회수한 염기성 백금을 카본, 유기용매와 섞어 교반기로 돌리는 중이다.


백금이 담지된 카본 촉매는 이오노머와 알코올을 넣어 슬러리로 만든다. 이 슬러리 촉매를 스크린 프린터로 강화분리막에 인쇄해 MEA를 만든다.


BIM은 최근 MEA 시장, 건물용 연료전지 시장 진출을 선언한 코멤텍과 긴밀한 관계를 이어가고 있다. 코멤텍은 강화분리막 원천기술을 보유하고 있다. 연료전지 분리막 제조사와 촉매 제조사가 의기투합했다는 점은 시사하는 바가 크다.


“올해 초부터 이야기가 빠르게 진전이 됐어요. 코멤텍 김성철 대표나 저나 기술자로 업계에 입문해서 연료전지 사업을 오래 해왔다는 점에서 공통점이 있죠. 의견을 나누다 보니 생각이 하나로 모아지더군요. MEA 기술을 기반으로 한 건물용이나 발전용 연료전지를 생각하고 있어요. 제가 오래전에 삼성SDI와 개질기를 개발한 적이 있는데, 그때 경험이 큰 도움이 되고 있죠.”


박 대표는 비드(bead, 구슬) 촉매를 쓰는 국내 건물용 연료전지의 개질시스템이 너무 복잡하다고 말한다. 비드 촉매에 배압이 걸려 역류하는 걸 막으려고 고압펌프를 달았고, 이 펌프를 정교하게 제어하기 위해 부가설비를 늘리다 보니 시스템이 복잡해졌다는 것이다.


“비드 촉매가 아니라 반응기 내부 관벽에 촉매를 코팅하는 방식을 적용하면 고압펌프 쓰지 않고도 일정한 유량을 낼 수 있죠. 시스템이 훨씬 단순해서 설비를 제어하기가 쉬워요. 바로 이 개질시스템을 차세대 연료전지 기술과 통합해서 건물용 연료전지 시장에 도전하면 승산이 있다고 봅니다.”


BIM은 개질반응기 내부의 관벽에 나노촉매를 코팅한 ARC(Advance Reforming Catalyst) 개질기를 새롭게 설계했다. 이와 별개로 코멤텍과 MEA 개발을 한창 진행 중이다. 올해 안에 차세대 PEM 연료전지를 선보인다는 목표로 일을 추진 중이다.


“오덱과 맺은 겸업금지 서약은 법적으로 문제가 될 게 없습니다. 퇴사 후 1년이라는 시간이 이미 지난 데다, 수소전기차가 아닌 발전용 연료전지 쪽이라 이해관계가 충돌하지 않으니까요. 연료전지 성능을 극대화해서 합리적인 가격에 내놓는다면 시장이 반응하겠죠.”



바이머트리얼즈는 한두 해 계절을 난 스타트업이 아니라, 말 그대로 이제 막 출발선에 선 ‘작은’ 기업이다. 사업이 본궤도에 오를 때까지 지켜봐야 한다는 의견도 있겠지만, 촉매 분야에 박 대표만큼 검증된 전문가를 찾기란 어렵다.


연료전지 자동차 촉매 13년 경력의 ‘국가핵심기술자’라는 타이틀은 그냥 주어지는 게 아니다. <월간수소경제>가 BIM이란 스타트업에 주목한 것도 박병일 대표가 세운 회사이기 때문이다.


지난해 현대차그룹 연료전지사업부 조직을 개편했다. 연구개발 조직과 사업 조직으로 분리한 확대 개편안이라는 해명에도 불구하고 ‘수소차 위기’라는 잡음이 말끔히 가신 것은 아니다. 또 3월 초에 열린 현대차그룹의 ‘CEO 인베스터 데이’에서도 수소차 관련 계획은 언급되지 않았다.


넥쏘 이후 이렇다 할 성과가 없는 것이 사실이고, 러시아-우크라이나 사태로 원자재 값이 급등하면서 연료전지 생산비용에도 큰 부담이 되고 있다.




박 대표는 현대차의 연료전지 기술에 대해서는 말을 아꼈다. 다만 그는 자신이 가장 잘 아는 촉매 기술을 두고 이렇게 말했다.


“기술의 요구사항은 동일합니다. 성능, 내구, 원가, 품질. 이 네 가지를 가장 중요하게 보죠. 촉매 기술만 한정해서 보면 성능과 내구가 가장 중요해요. 하지만 양산 기술로 가면 원가와 품질이 정말 중요해지죠. 다행인 점은 제가 이 두 가지를 다 경험했다는 겁니다.”


박병일 대표는 현대차에 MEA용 전극촉매를 납품하는 오덱(한국유미코아촉매)의 송도공장을 짓고 반자동 양산화 설비를 갖추는 데 핵심 역할을 했다. 카본은 날리기 때문에 자동투입이 어렵다. 그래서 꼭 사람 손을 거쳐야 하는 공정을 빼고 자동화를 적용했다.


현재 규모나 겉모습만 보고 한 회사의 잠재력을 평가해서는 안 된다는 생각을 다시 하게 된다. BIM은 차세대 연료전지의 핵심 촉매 기술을 어느 회사보다 빠르게 상용화할 수 있는 기술 기반을 갖추고 있다. 이 점은 누구도 부인하기 어렵다.


‘BI’라 쓰고 ‘BUY’라 읽는 데는 이유가 있다. 바이머트리얼즈는 시장에서 팔리는 촉매를 생산하는 소재 기업을 지향한다. 사명을 공개할 단계는 아니지만, BIM이 개발 중인 카본과 촉매가 글로벌 기업의 테스트에서도 좋은 평가를 받은 모양이다.




BIM은 기술회사로서 성장 잠재력이 크다. 성능을 최고치로 끌어올린 수전해 촉매 합성기술도 보유하고 있다. 이 기술은 이미 현대차 넥쏘에 적용돼 있다.


“수소차 연료전지의 애노드 쪽에 아주 가끔 역전압이 발생해요. 이때 물이 많이 생기는데, 수전해를 통해 물을 순간적으로 없애는 기술이 넥쏘에 들어가 있다는 걸 모르는 분들이 많죠. 내구보다 성능에 집중한 촉매라 할 수 있어요. 이 기술을 손보면 발전용 수전해 촉매 개발도 가능합니다.”


빵빵한 과자봉지를 뜯어보면 내용물이 부실할 때가 많다. 우리는 질소를 먹기 위해 과자를 사는 게 아니다. 다시 말하지만 바이머트리얼즈는 이제 막 출발선에 섰다. 시장의 고객을 상대로 제대로 된 결과물을 내놓아야 한다는 책임감을 안게 됐다.


그만한 실력을 갖췄다면 두려울 게 없다. 바이머트리얼즈가 시장의 기대를 충족하는 소재기업으로 성장하는 한 해가 되기를 바란다.





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