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국내 연구팀이 낮은 알칼리 조건에서도 안정적으로 작동하는 새로운 수전해용 막을 개발했다.개발된 막 소재는 저농도 알칼리 환경에서도 수소 생산 성능을 유지해 저알칼리 수전해 기술에 활용될 수 있는 기반을 마련했다는 평가를 받는다.

한국과학기술연구원(KIST)은 헨켄스마이어 디억 수소·연료전지연구단 책임연구원 연구팀이 기존보다 낮은 알칼리 조건에서도 안정적으로 작동하는 새로운 수전해용 막 소재를 개발했다고 31일 밝혔다.

그린수소가 차세대 청정에너지원으로 주목받으면서 이를 안정적이고 경제적으로 생산할 수 있는 기술 확보가 중요한 과제로 떠오르고 있다.그린수소는 신재생에너지로부터 얻은 전기를 이용해 물을 전기분해해 생산된다.

지금까지 그린수소 생산을 위해 널리 쓰인 '알칼라인 수전해 시스템'은 구멍이 있는 분리막인 '다이어프램'을 사용한다.이 방식은 압력을 높인 상태에서 수소를 만들기 어렵다는 한계가 있다.

반면 산성 환경에서 작동하는 '양이온교환막 수전해 시스템'은 고압에서도 수소를 생산할 수 있어 이미 상용화됐지만 백금·이리듐 같은 매우 비싼 촉매가 필요해 비용이 많이 든다는 문제가 있다.

이를 보완하기 위해 대안으로 등장한 것이 '알칼라인 이온교환막 수전해 시스템'이다.고압 운전이 가능하고 값싼 촉매를 쓸 수 있다는 장점이 있다.문제는 시스템에 쓰이는 이온교환막이 전기를 전달하는 역할을 하는 4급 암모늄이라는 화학 구조가 강한 알칼리 환경에서 쉽게 망가진다는 약점이 있다는 것이다.

연구팀은 이온교환막을 대체할 수 있는 이온 용해막(ISM)을 개발했다.이온 용해막은 막 자체가 알칼리 용액 같은 전해질을 머금고 있어 그 안에서 이온이 이동하도록 만든 분리막이다.이온교환막을 이용한 수전해시스템은 막 안의 고분자 구조 사이에 알칼리 전해질을 직접 흡수하는 방식이라 4급 암모늄 구조를 쓸 필요가 없다.고압에서도 안정적으로 작동할 수 있고 알칼리 전해질을 사용하기 때문에 저렴한 촉매를 활용할 수 있다는 장점이 있다.

특히 연구팀이 개발한 이온 용해막은 저알칼리 용액에서 세계 최고 수준의 전도도를 가지며 상용 음이온교환막의 전도도를 능가하는 새로운 이온 용해막이다.

연구팀은 막을 이루는 고분자 안에 물을 잘 끌어당기는 부분과 물을 밀어내는 부분을 함께 배치해 막 구조가 스스로 단단히 유지되도록 설계했다.덕분에 막을 단단하게 만들기 위해 보통 따로 넣어야 하는 가교제를 사용할 필요가 없어졌다.

연구팀은 동시에 막 안에 직물 형태의 보강층을 넣어 전해조 안에서 전극의 날카로운 모서리나 거친 표면에 의해 막이 찢어지거나 손상되는 것을 막도록 했다.화학적으로도 안정적이고 물리적으로도 튼튼한 막을 만들어 실제 수전해 장치에 적용할 수 있게 한 것이다.

연구팀이 개발한 이온 용해막은 장기간 사용 시에도 성능이 떨어지기 쉬운 구조를 피하면서 전해질을 안정적으로 흡수하도록 설계됐다.실제로 높은 온도 조건에서도 오랜 기간 성능 저하 없이 유지됐고 수소와 산소를 효과적으로 분리해 안전 기준을 충족했다.비교적 낮은 알칼리 조건에서도 이온 이동이 원활해 기존 상용 막보다 높은 수소 생산 성능을 보였다.장비 효율을 높이면서 운전 부담을 줄일 수 있음을 의미한다.

개발한 막은 저가 촉매 적용이 가능하고 낮은 알칼리 환경에서도 안정적인 이온 전달이 이뤄져 전해조를 더 낮은 전압에서 운전할 수 있다.수전해 공정에서 큰 비중을 차지하는 전력 소모를 줄일 수 있으며 막 교체 주기가 길어져 유지보수 부담도 완화된다.이러한 특성은 수전해 설비의 초기 투자비와 운영비를 동시에 낮춰 그린수소 생산의 경제성을 높이는 기반이 된다.

이번 성과는 현재 수전해 핵심 막 소재 시장을 미국·캐나다·유럽 기업들이 주도하고 있는 상황에서 국산 핵심 소재 확보와 수입 대체 효과를 가져올 수 있다.나아가 수전해 기술을 수소 생산 국가에 수출할 수 있는 기반을 마련함으로써 그린수소 산업에서 우리나라의 기술 경쟁력과 산업 위상을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.

디억 수소·연료전지연구단 책임연구원은 “그동안 수전해 기술은 성능과 안정성,박닌 무엉탄 카지노비용 사이에서 선택의 한계가 있었지만 연구를 통해 문제를 개선할 수 있는 방향을 제시했다”라며 “앞으로 그린수소 생산 비용을 낮추고 한국이 수전해 기술 경쟁력을 확보하는 데 도움이 되길 기대한다”라고 말했다.

<참고자료>
-https://doi.org/10.1038/s41560-025-01876-9

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