에너지시스템학과

<청정 녹색 에너지를 향한 다양한 수소 저장 매체의 발전 과정>

우리 학교 안병민 교수가 참여한 국제 공동 연구팀이 고엔트로피 합금을 이용한 고체 수소저장 기술에 대한 리뷰 논문을 발표했다.

논문의 제목은 "미래 고체 수소저장 소재의 응용 및 현안 문제에 관한 전망 및 고찰(A comprehensive review of the prospects for future hydrogen storage in materials-Application and outstanding issues)"이다.

우리 학교 공학연구소 시탈 쿠마 디완간(Sheetal Kumar Dewangan) 박사후연구원이 제1저자로 참여했고, 안병민(첨단신소재공학과·대학원 에너지시스템학과) 교수와 아슈토쉬 샤르마(Ashutosh Sharma, 첨단신소재공학과) 교수는 공동 교신저자로 함께 참여했다. 인도 룽타 공학기술대학의 맨 모한(Man Mohan) 교수, 인도르 인도공과대학의 비노드 쿠마(Vinod Kumar) 교수는 공동 저자로 참여했다.

공동 연구팀의 논문은 <국제 에너지 연구 저널(International Journal of Energy Research, Impact Factor 5.164, JCR 상위 1.47%)> 7월18일자 온라인판에 실렸다. <국제 에너지 연구 저널>은 원자력 과학 및 기술 분야 IF 1순위 저널이다.

연구팀은 논문에서 고엔트로피 합금(High-entropy alloys)을 이용한 고효율 수소저장 메커니즘을 기존 금속 수소화물 저장 기술과 비교하고 최신 연구 동향을 소개했다.

수소는 탄소중립에 가장 적합한 에너지원으로, 이를 안전하고 효율적으로 저장하는 기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 현재 수소를 고압으로 압축한 기체저장 방식이 보편적으로 사용되고 있으나, 저장 효율이 낮고 폭발 위험성이 높아 보관 및 운송이 쉽지 않다. 극저온 상태에서 수소를 냉각한 액체저장 방식은 저장 효율은 높으나, 에너지 소모가 크며 장기간 보관에는 적합하지 않다는 한계가 있다. 반면 금속 합금에 수소를 결합하여 저장하는 고체저장 방식은 저장 효율이 우수하고 폭발의 위험성이 없어 수소를 장기간 안전하게 저장할 수 있다. 이러한 특성 때문에 고체 수소저장 기술이 주목받고 있는 것.

고체 수소저장 방식 중 특히 고엔트로피 합금(주된 원소 없이 여러 개의 금속 원소를 동등한 비율로 혼합하는 방식)을 이용한 저장 기술이 최근 많은 관심을 받고 있다. 고엔트로피 합금은 극저온재료, 내열재료, 원자력재료 등 다양한 산업 분야에서 고기능성 극한물성 소재로 주목받고 있는 새로운 패러디임의 금속 합금이다.
고엔트로피 합금은 5개 이상의 금속 원소가 동등한 비율로 구성되어 있어 각기 원자 반경이 다르기 때문에 다양한 격자 틈새가 발생한다는 특성이 있다. 이와 같은 고유의 결정학적 특성으로 인해 고엔트로피 합금은 기존의 수소저장합금보다 저장 효율이 높은 것으로 밝혀졌다. 수소는 금속 원자들 사이의 격자 틈새에 흡착됨으로써 고체상태로 저장되는데, 틈새가 다양해지면 더 많은 수소가 흡착될 수 있기 때문. 연구팀은 최근 개발된 수소저장용 고엔트로피 합금 조성을 비교 분석하고 향후 전망도 제시했다.

안병민 교수는 "고엔트로피 합금 관련 후속 연구를 통해 수소저장 효율을 높이는 것뿐만 아니라, 국제적으로 자원 무기화되고 있는 희토류 원소를 배제하는 고체 수소저장용 고엔트로피 합금 개발을 목표로 하고 있다"고 전했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구 및 기초연구실 지원사업의 지원을 받아 수행됐다.

<금속 결정과 수소의 화학 흡착/탈착을 통해 수소가 합금 내에 고체 상태로 저장/방출되는 원리>