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수소혁명, 과연 투자할 가치가 있을까 [에너지FM #1]

수소는 흔히 폭발의 위험성이나 수소폭탄을 떠올리며 막연한 불안감을 주기 쉽지만, 사실 우리가 에너지로 사용하는 수소 분자는 수소폭탄에 쓰이는 중수소나 삼중수소와는 근본적으로 다른 개념입니다. 수소는 원소 중 가장 가벼운 특성 덕분에 누출되더라도 공기 중으로 빠르게 확산되어 폭발 농도에 도달하기 매우 어렵습니다. 또한 최신 충전 시설은 미세한 누출에도 즉각 시스템을 차단하는 첨단 안전 설비를 갖추고 있어 일상에서 안심하고 사용할 수 있는 차세대 연료입니다. 수소 저장 기술은 그 물리적 상태에 따라 크게 세 가지 방식으로 나뉩니다. 가장 일반적인 방식은 200기압 이상의 고압 기체 저장 방식이며, 영하 253도의 극저온에서 냉각하여 액체로 변환하는 액화 수소 저장 방식도 존재합니다. 최근에는 특정 금속 내부에 수소를 화학적으로 결합해 고체 상태로 보관하는 수소 저장 합금 기술이 큰 주목을 받고 있습니다. 이 방식은 누출 시에도 수소가 즉각적으로 퍼지지 않아 안전성이 높으며, 좁은 공간에 많은 양을 저장할 수 있다는 장점이 있습니다. 수소의 진가는 단순한 자동차 연료를 넘어 산업 전반에 걸쳐 발휘됩니다. 철도와 선박 같은 대규모 모빌리티는 물론, 이산화탄소 배출이 많은 철강 산업에서 석탄 대신 수소를 사용하는 그린 철강 생산 공정도 활발히 개발되고 있습니다. 또한 우리 일상 속 주택의 난방을 담당하는 수소 보일러와 전기를 생산하는 연료전지 시스템까지, 수소는 도시 전체의 에너지를 책임지는 핵심 선수와 같은 역할을 수행하며 전 세계적인 탄소중립 실현을 위한 필수적인 에너지원으로 자리 잡고 있습니다. 재생에너지의 고질적인 문제인 전력 생산의 간헐성을 해결하는 데에도 수소는 결정적인 역할을 수행합니다. 태양광이나 풍력으로 생산된 잉여 전력을 활용해 물을 분해하여 수소로 저장해 두었다가, 에너지가 필요한 시점에 다시 꺼내 쓰는 거대한 에너지 저장 장치로서 가치가 높기 때문입니다. 특히 장거리 운송 시에는 수소를 암모니아 형태로 변환하여 옮기는 '수소 운반체' 기술이 활용되는데, 이는 해외의 청정 에너지를 국내로 도입하는 글로벌 에너지 교역망 구축에 필수적인 요소입니다. 수소 사회로 완전히 진입하기 위해 남은 과제는 경제성을 확보하는 것입니다. 현재는 생산 단가가 높고 충전 인프라가 부족한 단계지만, 수전해 기술의 고도화와 백금처럼 비싼 촉매의 사용량을 줄이는 연구가 꾸준히 진행되고 있습니다. 최근에는 인공지능을 도입해 최적의 촉매 구조를 설계하는 등 기술적 돌파구를 찾고 있으며, 이러한 노력이 결실을 맺는다면 수소는 석유를 완벽히 대체하는 보편적인 에너지가 될 것입니다. 깨끗한 지구를 위한 수소 기술의 발전은 이제 우리 곁으로 성큼 다가오고 있습니다.

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KISToday 25년 3월호 : 청정수소융합연구소 남석우 소장, 이소영 책임연구원

현대 수소 에너지 기술에서 고효율 시스템을 구축하는 것은 매우 중요한 과제입니다. 기존 고분자 전해질 연료전지는 대개 150도 이하의 낮은 온도에서만 작동이 가능하여, 다양한 에너지 공정과의 연계에 한계가 있었습니다. 이를 극복하기 위해 연구진은 250도 이상의 고온에서도 견딜 수 있는 특수 전해질막 소재 개발에 매진해 왔습니다. 이러한 고온 운전 기술은 대용량 수소 저장 매체와의 직접적인 결합을 가능하게 하여, 미래 수소 사회를 앞당기는 획기적인 기술적 토대를 마련한 것으로 평가받습니다. 청정수소융합연구소는 수소 생산부터 저장, 그리고 최종 활용에 이르는 가치 사슬을 하나로 묶는 통합 연구에 주력하고 있습니다. 각 공정을 개별적으로 운영할 때 발생하는 에너지 손실을 줄이기 위해, 생산 현장에서 즉시 저장하고 이를 다시 연료전지에 활용하는 최적화된 시스템을 지향합니다. 현재는 기술의 상용화를 위해 경제적인 비용 저감 방안을 모색하고 소재의 장기적인 내구성과 성능을 확보하는 데 연구 역량을 집중하고 있습니다. 이러한 융합적 접근은 에너지 시스템의 완성도를 높이는 데 기여할 것입니다. 나아가 수소 기술은 바이오산업 등 이종 분야와의 융합을 통해 새로운 부가가치를 창출하는 단계로 진화하고 있습니다. 연구 현장에서의 혁신은 기존의 고정관념을 탈피한 대담한 아이디어와 이를 실현하고자 하는 연구자들의 열정적인 도전에서 비롯됩니다. 선배 연구자의 통찰력 있는 제안과 후배 연구자의 성실한 수행이 맞물릴 때, 비로소 세상을 변화시키는 실질적인 기술이 탄생할 수 있습니다. 기후 위기 대응의 핵심인 청정수소 기술은 이러한 끊임없는 혁신을 통해 우리 삶의 질을 높이는 미래의 중심 에너지가 될 것입니다.

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이렇게 재밌다고?? 듣다가 집중해서 공부하게 되는 에너지 과학자들의 이야기[KIER 에너지 연대기 1부]

산업혁명은 석탄과 같은 화석 연료를 활용해 에너지를 대량 생산하며 인류 문명의 비약적인 발전을 이끈 결정적 사건이었습니다. 그 중심에는 제임스 와트의 증기 기관 개량이 있었습니다. 이전에도 토마스 뉴커먼에 의해 개발된 증기 기관이 존재했으나, 와트는 열손실과 석탄 소모량을 줄이는 혁신적인 개량을 통해 이를 상용화하는 데 성공했습니다. 사실 증기 기관의 기원은 고대 그리스의 헤론까지 거슬러 올라가지만, 당시에는 단순한 장난감 수준에 머물렀습니다. 와트의 노력 덕분에 탄생한 동력 기술은 오늘날 전력 단위인 '와트(W)'로 그 이름을 남기며 현대 문명의 기초를 닦았습니다. 인류가 우주에서 가장 흔한 물질인 수소를 과학적으로 인식하기 시작한 것은 18세기 헨리 캐번디시의 연구를 통해서였습니다. 그는 산과 금속의 반응에서 발생하는 기체를 분리해 냈고, 이 기체가 매우 가볍고 가연성이 높다는 고유의 성질을 실험적으로 규명했습니다. 발견 당시에는 독립된 물질로 정의되기까지 동료 과학자들의 공감대가 필요했으나, 이후 프랑스의 라부아지에에 의해 비로소 우리에게 익숙한 명칭을 얻게 되었습니다. 수소는 단독 분자보다는 화합물 상태로 도처에 존재하며, 현재는 기후 위기를 극복할 핵심적인 미래 에너지원이자 새로운 패러다임의 주역으로 주목받고 있습니다. 수소를 실제 에너지원으로 활용하는 기술은 19세기 윌리엄 그로브에 의해 처음 제시되었습니다. 그는 수소와 산소를 반응시켰을 때 전기 에너지가 발생하는 원리를 발견하고 이를 '연료 전지'라 명명했습니다. 기존의 화석 연료 발전이 연소 과정을 통해 여러 단계의 에너지 전환을 거치는 것과 달리, 연료 전지는 화학 반응을 통해 직접 전기를 생산하므로 효율이 높고 오염 물질 대신 물만 배출합니다. 이러한 기술적 우수성은 과거 NASA의 아폴로 달 탐사선에서도 증명되었으며, 당시 생성된 물은 우주인들의 귀중한 식수로도 활용되었습니다. 오늘날 이는 친환경 수소 경제를 지탱하는 핵심 기술로 자리 잡았습니다. 태양광 발전의 시초인 광기전력 효과는 1839년 불과 19세였던 에드몽 베크렐에 의해 발견되었습니다. 빛이 반도체 표면에 닿을 때 전자가 이동하며 전류가 흐르는 이 현상은 당시에는 큰 주목을 받지 못했으나, 현재는 가장 중요한 신재생 에너지 기술이 되었습니다. 초기 태양 전지의 효율은 1% 미만에 불과했지만, 현대의 연구진들은 실리콘 위에 페로브스카이트를 층층이 쌓는 탠덤 소자 기술 등을 통해 30% 이상의 높은 효율을 달성하고 있습니다. 이러한 기술적 진보는 태양광 기업 공동 활용 센터와 같은 민관 협력을 통해 대면적 상용화로 이어지며 에너지 자립의 꿈을 현실로 앞당기고 있습니다. 에너지 소비의 확대는 필연적으로 환경에 대한 책임을 동반합니다. 19세기 스반테 아레니우스는 이산화탄소 농도와 지구 표면 온도의 상관관계를 수학적으로 계산하며 온실 효과의 개념을 정립했습니다. 그는 화석 연료 사용으로 인한 대기 중 탄소 농도 증가가 지구 온난화를 초래할 것이라고 경고했는데, 이는 오늘날 기후 변화에 대한 예측과 놀라울 정도로 일치합니다. 현재의 기후 위기는 단순한 음모론이 아닌 실질적인 위협으로 다가와 있습니다. 이에 대응하여 탄소 배출 없는 깨끗한 공기를 지키고 지속 가능한 미래를 만드는 것은 우리 시대의 과학 기술이 해결해야 할 가장 숭고한 과제입니다.

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쓰레기가 전기로 재탄생된다고? 마법같은 기술의 정체는 무엇인가?!

매일 발생하는 막대한 양의 폐기물과 그 처리 과정에서 배출되는 온실가스는 현대 사회의 지속가능성을 위협하는 심각한 요인입니다. 기존의 소각이나 매립 방식은 유해물질 배출과 악취 문제로 인해 대표적인 기피시설로 분류되어 왔으며, 탄소중립 정책과도 배치되는 한계를 지니고 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 한국핵융합에너지연구원에서는 플라즈마 기술을 활용한 새로운 자원순환 시스템을 개발하고 있습니다. 열 플라즈마를 이용해 유기성 폐기물을 가스화함으로써 환경 오염을 최소화하고 유용한 에너지를 확보하는 것이 이 기술의 핵심적인 목표입니다. 열 플라즈마 가스화 기술은 폐기물을 태우지 않고 고온의 열로 분해하여 수소와 일산화탄소로 구성된 합성가스를 생산하는 방식입니다. 연구팀은 2020년부터 1.5톤급 시스템을 구축하여 실질적인 데이터 연구를 진행해 왔으며, 최근에는 처리 용량을 3톤급으로 확장하며 상용화에 박차를 가하고 있습니다. 특히 단순한 폐기물 처리를 넘어 생산된 합성가스 내의 수소를 정제하고, 이를 연료전지에 주입하여 전기를 생산하는 단계까지 기술력을 확보했습니다. 이는 폐기물이 단순히 버려지는 쓰레기가 아닌 새로운 에너지원으로 거듭날 수 있음을 보여주는 중요한 성과입니다. 실제 시스템은 폐기물 투입구부터 가스화로, 열교환기, 그리고 정제 장치인 스크러버까지 정교하게 설계되어 있습니다. 고온의 환경을 유지하기 위해 100kW급 DC 아크 플라즈마 토치를 활용하며, 가스화로 내부 온도를 1,000도 이상으로 끌어올려 폐기물을 효율적으로 분해합니다. 이후 열교환기를 통해 고온의 가스를 상온으로 냉각하고, 스크러버에서 탄소와 같은 불순물을 걸러냄으로써 깨끗한 수소를 추출하게 됩니다. 이렇게 정제된 수소는 연료전지를 통해 전력으로 변환되며, 최근에는 실제 전광판을 작동시키는 등의 가시적인 결과물을 통해 기술적 완성도를 입증하고 있습니다. 상용화를 위한 향후 과제로는 경제성 확보와 더불어 더욱 깨끗한 수소 생산 방식을 도입하는 것이 꼽힙니다. 현재는 산업용 전기를 사용하여 시스템을 운용하고 있지만, 궁극적으로는 태양광이나 풍력 같은 재생에너지를 사용하여 플라즈마 토치를 가동하는 진정한 의미의 그린 수소 생산을 목표로 하고 있습니다. 또한 단기 운전 위주의 실험에서 벗어나 60시간에서 100시간 이상의 장기 운전 안정성을 확보하는 것이 필수적입니다. 전 세계적으로도 유례가 적은 도전적인 연구 분야인 만큼, 에너지 전환과 환경 보호를 동시에 달성하기 위한 혁신적인 노력이 지속되고 있습니다. 대규모 플랜트 수준의 연구는 악취나 위험성 같은 열악한 환경 속에서도 끈기 있게 연구에 매진하는 동료들의 노력이 있었기에 가능했습니다. 연구실 규모의 실험을 넘어 실제 상용화가 가능한 수준으로 기술을 발전시키는 과정은 수많은 시행착오와 성실함을 요구하는 험난한 여정입니다. 민간 기업과의 협력을 통해 모델을 정립하고 시스템을 구축하며 얻은 데이터들은 향후 자원순환 사회를 구축하는 데 소중한 자산이 될 것입니다. 탄소 배출을 획기적으로 줄이면서도 폐기물을 가치 있는 에너지로 바꾸는 이 기술이 우리 미래를 더욱 푸르게 만들어가기를 기대합니다.

한국핵융합에너지연구원

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암모니아로 차도 굴린다고요?🚗 쉴 틈 없이 이어지는 과학 수다 2탄😆 | KIER 토크쇼 2부

암모니아는 수소 저장 및 운송 매체로서 전 세계적인 주목을 받고 있습니다. 질소 원자 하나에 수소 원자 세 개가 결합한 구조를 지닌 암모니아는 고온에서 촉매 반응을 거쳐 수소를 효율적으로 추출할 수 있는 특성을 지닙니다. 특히 비료나 냉매 등으로 이미 널리 사용되어 온 덕분에 합성부터 저장, 운송에 이르는 인프라가 이미 잘 갖춰져 있다는 점이 큰 강점입니다. 이러한 기존 인프라를 활용한다면 암모니아 기반 수소 사회로의 전환 과정에서 발생하는 실질적인 물류 문제를 해결하고 경제성을 확보하는 데 매우 유리한 고지를 점할 수 있습니다. 암모니아를 수소로 전환하지 않고 가스터빈에서 직접 연료로 사용하는 기술도 혁신적인 대안으로 꼽힙니다. 기존의 탄화수소 계열 연료는 연소 과정에서 이산화탄소를 배출하지만, 암모니아는 탄소를 포함하지 않아 친환경적입니다. 다만 연소 시 발생하는 질소산화물이 환경 오염의 원인이 될 수 있는데, 최근에는 연소기 노즐 개선과 오염 물질 저감 기술을 통해 이를 10ppm 이하의 극소량으로 조절하는 데 성공했습니다. 이는 암모니아가 단순히 수소 저장 및 운송 매체에 머물지 않고, 독자적인 탄소중립 연료로서 기능할 수 있음을 입증하는 중요한 성과입니다. 대형 운송 수단 분야에서도 암모니아의 활용 가능성은 무궁무진합니다. 특히 고체산화물 연료전지(SOFC)는 전극 자체가 니켈 등의 촉매 성분을 포함하고 있어, 암모니아를 직접 주입하더라도 내부에서 스스로 수소를 만들어 작동할 수 있습니다. 고온 작동 특성상 시동 시간이 필요하다는 점 때문에 소형차보다는 선박이나 대형 트럭 같은 장거리 운송 수단에 더 적합합니다. 탄소중립 목표를 달성해야 하는 국제해사기구(IMO)의 규제에 대응하기 위해, 암모니아 기반 연료전지 시스템은 해운 업계의 미래를 바꿀 핵심 기술로 실증 단계에 진입하고 있습니다. 에너지 효율을 극대화하기 위해 인공지능(AI) 기술도 적극적으로 접목되고 있습니다. 가상 공간에 실제 공장을 구현하는 디지털 트윈 기술은 공정의 효율성을 사전에 시뮬레이션하여 자원 낭비를 방지하고 사고 리스크를 예측하는 데 기여합니다. 또한 AI는 연료전지의 고장 징후를 미리 감지하여 장치의 수명을 연장하거나, 복잡한 화학 반응을 학습하여 최적의 촉매 배합 레시피를 찾아내는 등 에너지 관리의 정밀도를 높이고 있습니다. 이러한 지능형 시스템은 한정된 에너지를 가장 효과적인 지점에 배치함으로써 전체적인 에너지 소비 구조를 최적화하는 역할을 수행합니다. 에너지 기술이 비약적으로 발전하고 있음에도 불구하고, 우리 개개인의 에너지 절약은 여전히 필수적인 과제입니다. 기술 발전 속도보다 인류의 에너지 소비 속도가 더 빠를 뿐만 아니라, 열역학적 한계로 인해 기술만으로는 모든 에너지 손실을 막을 수 없기 때문입니다. 특히 에너지 대부분을 수입에 의존하는 지정학적 상황에서 에너지 자립도를 높이기 위해서는 기술 국산화와 소비 절감이 병행되어야 합니다. 결국 미래의 에너지는 혁신적인 생산 기술과 함께, 자원을 소중히 여기는 성숙한 절약 정신이 조화를 이룰 때 비로소 지속 가능한 가치를 창출할 수 있습니다.

한국에너지기술연구원

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미생물도 사회가 있다면...? 극N 박사님들과 함께하는 과학 지식 수다! | KIER 토크쇼 1부

최근 치솟는 전기 요금과 기후 위기 속에서 에너지를 직접 생산해 사용하려는 자급자족형 시스템에 대한 관심이 어느 때보다 뜨겁습니다. 그 중심에 있는 기술이 바로 연료전지입니다. 기존의 화력 발전은 화석 연료를 태워 열에너지를 만들고 이를 다시 기계 에너지로 바꾸는 복잡한 과정을 거치며 상당한 에너지 손실이 발생하지만, 연료전지는 화학 에너지를 곧바로 전기 에너지로 변환합니다. 이러한 직접적인 변환 방식 덕분에 높은 에너지 효율을 자랑하며, 전기를 생산함과 동시에 온수까지 얻을 수 있어 가정용 미래 에너지원으로 주목받고 있습니다. 이미 연료전지는 우리 곁에 현실로 다가와 있습니다. 일본의 경우 2009년부터 '에네팜'이라는 가정용 연료전지 보급 사업을 적극적으로 추진하여 이미 50만 대 이상의 보급 실적을 달성했습니다. 이는 수천만 그루의 나무를 심는 것과 맞먹는 이산화탄소 저감 효과를 가져옵니다. 한국 역시 과거부터 보급 사업을 진행해 왔으나, 아파트 위주의 대규모 주거 단지가 많은 국내 특성상 소규모보다는 더 큰 용량의 시스템이 필요합니다. 따라서 우리나라는 주거 환경에 최적화된 규모를 설정하고 자국 기술을 바탕으로 한 현명한 보급 전략을 세워야 할 시점입니다. 연료전지의 진정한 가치는 탄소 중립을 위한 청정 수소의 활용에 있습니다. 현재는 천연가스를 기반으로 수소를 얻는 과정에서 이산화탄소가 발생한다는 한계가 있지만, 궁극적으로는 이산화탄소 배출이 없는 청정 수소를 저렴하게 공급하는 것이 관건입니다. 수소는 도시가스보다 에너지 밀도가 약 세 배나 높기 때문에 생산 단가를 일정 수준 이하로 낮출 수 있다면 충분한 경제성을 확보할 수 있습니다. 2050년까지 수소 생산 단가를 kg당 3,000원 수준으로 낮추는 목표가 실현된다면 누구나 가정에서 저렴하고 깨끗한 에너지를 사용할 수 있게 될 것입니다. 전기화학 기술에 미생물의 대사 작용을 결합하면 폐기물 처리와 에너지 생산이라는 두 마리 토끼를 잡을 수 있습니다. 특정 유기물을 분해하며 전자를 방출하는 미생물의 특성을 발전 시스템에 적용한 것인데, 이는 단순히 환경 정화에 그치지 않고 지속 가능한 동력을 확보하는 수단이 됩니다. 미생물은 유기물뿐만 아니라 이산화탄소를 고부가가치 물질로 전환하는 촉매로도 활용될 수 있어 그 응용 분야가 매우 넓습니다. 다양한 미생물들이 상호작용하는 복잡한 사회를 구축하여 수소를 추출하는 방식은 탄소 중립 시대를 이끌 핵심적인 원천 기술로 평가받고 있습니다. 탄소 중립 달성을 위해서는 재생에너지의 간헐성을 극복할 수 있는 저장 기술이 필수적입니다. 수소는 잉여 전력을 화학 에너지 형태로 장기간 저장할 수 있어 배터리의 자연 방전 한계를 보완하는 훌륭한 저장 매체가 됩니다. 특히 에너지를 해외에서 수입해야 하는 우리나라의 현실에서 수소는 배터리보다 무게 대비 운송 효율과 경제적 이점이 뛰어납니다. 대용량 부하를 담당하는 수소 가스 터빈과 분산 발전에 적합한 연료전지가 상호 보완적으로 작동한다면, 지능형 에너지 관리 시스템을 통해 더욱 견고하고 효율적인 미래 에너지 네트워크를 구축할 수 있을 것입니다.

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나야, 수소 👀 수소? 너 누군데?ㅣ탄소중립에서 빠질 수 없는 키워드, 수소! 지속가능한 미래를 향한 열쇠 🔑ㅣ 2024 녹색기술 리포트

수소는 전 세계가 기후 위기에 대응하기 위해 주목하는 핵심 에너지원입니다. 한국을 포함한 42개국이 참여하는 기후 클럽은 산업 부문의 탈탄소화를 가속화하기 위해 수소의 역할을 매우 중요하게 평가하며 적극적인 활용을 권장하고 있습니다. 수소는 철강이나 시멘트와 같은 제조 산업뿐만 아니라 차량, 선박, 항공기 등 운송 부문에서도 탄소 배출을 획기적으로 줄일 수 있는 대안으로 꼽힙니다. 또한 수소 발전소를 통한 전력 생산 등 에너지 전반에 걸쳐 그 활용 범위를 넓혀가고 있으며, 지속 가능한 미래를 위한 필수적인 기술로 자리매김하고 있습니다. 미국과 일본 등 주요 선진국들은 수소 기술을 국가 에너지 전략의 핵심으로 채택하여 적극적인 투자를 이어가고 있습니다. 미국은 2023년 발표한 청정 수소 전략 로드맵을 통해 2030년까지 대규모 생산 체계를 구축하고 수소 가격을 1kg당 1달러 수준으로 낮추겠다는 구체적인 목표를 수립했습니다. 일본 역시 수소 사회 실현을 앞당기기 위해 수전해 장치 도입과 저탄소 수소 공급망 구축에 박차를 가하고 있습니다. 이러한 글로벌 움직임은 수소 경제가 단순한 환경 보호 차원을 넘어, 미래 국가 경쟁력을 결정짓는 핵심 지표가 되었음을 시사합니다. 우리나라도 2050년 탄소중립 달성을 위해 수소를 10대 핵심 기술 중 하나로 선정하고 관련 인프라와 산업 생태계 강화에 힘쓰고 있습니다. 비록 수소 제조 및 저장 분야에서는 선진국과 수년 정도의 기술 격차가 존재하는 것이 사실이지만, 연료전지 분야에서는 세계적인 수준의 기술력을 보유하며 꾸준한 성장세를 기록하고 있습니다. 국가녹색기술연구소의 분석처럼 수소 수입 의존도를 낮추고 국제적인 기술 협력을 강화한다면, 우리나라도 머지않아 수소 기술 주권을 확보하고 글로벌 수소 경제를 선도하는 주역으로 도약할 수 있을 것입니다.

국가녹색기술연구소2024 녹색기술 리포트🗒️

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어디 가서 아는 척하기 좋은 수소 상식 총정리📖 | 한방에 몰아보기

수소는 주기율표에서 당당히 1번을 차지하고 있는 원소이자, 미래 청정 에너지 시대를 이끌어갈 주역입니다. 전 세계 땅속에 갇혀 있는 약 5조 톤의 천연 수소 중 단 몇 퍼센트만 추출할 수 있어도 인류가 향후 수백 년간 사용할 에너지를 충분히 충당할 수 있다고 합니다. 양성자 하나와 전자 하나로 구성된 가장 단순하면서도 가벼운 이 원소는, 지구상에서 단독으로 존재하기보다 물이나 유기화합물의 상태로 존재하며 우리 삶의 모든 곳에 스며들어 미래를 밝힐 준비를 하고 있습니다. 인류가 수소의 존재를 명확히 인지하게 된 과정은 250여 년 전 두 학자의 열정에서 시작되었습니다. 1766년 헨리 캐번디시는 아연과 산의 반응으로 얻은 기체가 불에 잘 붙는다는 점을 발견해 '가연성 공기'라 명명했습니다. 이어 앙투안 라부아지에는 이 기체를 연소시켰을 때 물이 발생하는 현상을 과학적으로 증명해 냈습니다. 비로소 이 원소는 인류 역사에 이름을 올렸고, 오늘날 탄소 중립을 위한 가장 강력한 에너지원 중 하나로 진화하여 전 세계의 뜨거운 관심을 한 몸에 받고 있습니다. 수소차의 핵심인 수소 연료전지는 탄소 배출 없이 물과 전기, 열을 생산하는 놀라운 발전 장치입니다. 수소 연료전지 내부로 수소가 투입되면 전해질을 사이에 두고 수소 이온과 전자로 분리되며, 이때 전자가 도선을 따라 이동하는 과정에서 우리가 사용하는 전기가 만들어집니다. 반대편에서 들어온 산소는 수소 이온 및 전자와 다시 결합해 깨끗한 물로 변합니다. 이 과정에서 대기 오염 물질이 전혀 발생하지 않기에 수소는 기후 위기 시대에 화석 연료를 대체할 가장 완벽한 친환경 솔루션으로 꼽힙니다. 다만 수소의 생산 방식에 따라 친환경 등급이 나뉘는데, 궁극의 목표는 역시 그린 수소입니다. 화석 연료를 개질해 만드는 그레이 수소나 탄소 포집·활용·저장 기술(CCUS)을 더한 블루 수소와 달리, 그린 수소는 재생 에너지로 만든 전기로 물을 분해하는 수전해 기술을 통해 얻습니다. 이는 날씨에 따라 발전량이 변하는 태양광이나 풍력의 잉여 에너지를 수소로 저장했다가 필요할 때 다시 꺼내 쓸 수 있다는 점에서 더욱 중요합니다. 결국 수소는 불규칙한 자연의 에너지를 인류가 언제든 활용할 수 있게 돕는 저장소 역할을 합니다. 일각에서는 수소폭탄의 위험을 우려하기도 하지만, 우리가 사용하는 수소 연료는 폭발 기제와 종류가 완전히 달라 안심해도 좋습니다. 수소는 유출 즉시 대기 중으로 순식간에 확산될 만큼 가벼울 뿐만 아니라, 폭탄 제조에 필요한 초고온 상태는 일상적인 환경에서 결코 형성될 수 없기 때문입니다. 현재 한국에너지기술연구원을 포함한 수많은 연구진은 수소 생산의 밀도를 높이고 활용 범위를 넓히기 위해 끊임없이 정진하고 있습니다. 안전함과 효율성을 모두 갖춘 수소 에너지는 이미 우리 곁에서 새로운 시대의 서막을 열고 있습니다.

한국에너지기술연구원KIER 연구 한눈에 보기

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우주 탐사미션🛸 화성(Space&Mars)의 저중력을 버텨라!!🌌ㅣ별별실험실x국립과천과학관

화성 탐사를 준비하는 과정에서 가장 먼저 직면하게 되는 과제는 지구와는 전혀 다른 중력 환경에 적응하는 것입니다. 화성의 중력은 우리 행성의 약 3분의 1 수준에 불과하여, 우리가 평소 걷거나 움직이는 방식과는 큰 차이가 발생합니다. 이러한 저중력 상태를 미리 경험하고 몸을 익히기 위해 저중력 체험 장치가 활용됩니다. 반대편에 추를 매달아 하중을 상쇄함으로써 화성 지표면을 걷는 듯한 가벼운 느낌을 재현하며, 탐사 대원들은 이를 통해 낯선 환경에서의 이동 방식을 체득하게 됩니다. 저중력 환경은 단순히 걷는 것뿐만 아니라 우주에서 수행해야 하는 다양한 작업 방식에도 큰 영향을 미칩니다. 신체에 가해지는 무게가 크게 줄어들기 때문에 높은 벽을 오르거나 무거운 장비를 다루는 일이 지구에서보다 훨씬 수월해집니다. 하지만 가벼워진 몸만큼 중심을 잡기가 어렵고 작은 움직임에도 몸이 크게 흔들릴 수 있어 세밀한 조작 능력이 요구됩니다. 탐사 대원들은 가상의 화성 기지에서 고장 난 시설을 수리하거나 복잡한 선을 연결하는 미션을 수행하며 실전 감각을 익히게 됩니다. 화성에서의 생존과 탐사를 지속하기 위해서는 안정적인 에너지원을 확보하는 것이 필수적입니다. 과학자들은 화성의 지하 깊은 곳에 액체 상태의 물이나 얼음 형태의 자원이 존재할 것으로 추정하고 있습니다. 이 물은 단순히 생존을 위한 음용수를 넘어, 전기 분해 과정을 거쳐 수소와 산소라는 귀중한 원료로 변환될 수 있습니다. 화성 현지에서 자급자족할 수 있는 에너지 시스템을 구축하는 것은 인류가 붉은 행성에 장기 체류하기 위해 반드시 해결해야 할 핵심적인 기술적 과제 중 하나입니다. 추출한 수소는 연료 전지를 통해 다시 전기를 생산하는 데 사용됩니다. 물에 전기에너지를 가하면 수소와 산소 기체로 분리되어 각각 포집되는데, 이 중 수소를 연료 전지에 공급하면 화학 반응이 일어납니다. 수소 원자가 이온화되는 과정에서 발생하는 전자의 흐름을 이용해 동력을 얻는 방식입니다. 이러한 수소 연료 전지는 소음이 적고 오염 물질을 배출하지 않으며 효율이 높아, 화성 탐사 차량이나 기지의 주요 동력원으로 활용될 가능성이 매우 높습니다. 수소 연료 전지로 움직이는 탐사 차량은 화성의 척박한 지형을 누비며 인류의 활동 영역을 넓혀줄 것입니다. 물에서 에너지를 얻고 그 에너지를 다시 탐사에 활용하는 순환 구조는 우주 탐사의 지속 가능성을 보여주는 좋은 사례입니다. 저중력 적응 훈련부터 현지 자원 활용 기술까지, 화성 시대를 열기 위한 인류의 노력은 지금 이 순간에도 계속되고 있습니다. 머지않은 미래에 화성에서 자유롭게 활동하며 에너지를 생산하고 생활하는 인류의 모습이 현실이 될 날을 기대해 봅니다.

국립과천과학관별별실험실🥽

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What does the future of railroads look like with hydrogen trains? 수소열차가 가져올 철도의 미래는 어떨까?

수소 열차는 차세대 친환경 교통수단으로 주목받고 있습니다. 흔히 수소 에너지가 전력을 많이 소비할 것이라는 오해를 받기도 하지만, 실제 수소 연료전지 시스템은 내부에서 에너지를 직접 생성하는 구조를 갖추고 있습니다. 수소를 주입하면 연료전지 내에서 화학 반응이 일어나 동력이 발생하며, 이 에너지를 배터리에 저장하거나 직접 전환하여 바퀴를 구동합니다. 이미 국내에서는 오송 시험선 등에서 실증 사업을 마쳤으며 핵심 기술 개발도 완료된 상태입니다. 이러한 방식 덕분에 수소 열차는 전력을 외부에서 지속적으로 공급받아야 하는 기존의 제약에서 벗어날 수 있습니다. 기존의 전기 열차는 화석 연료 기반의 전력을 사용하는 경우가 많아 완전한 의미의 친환경이라 보기 어려운 측면이 있었습니다. 그러나 수소 연료전지와 배터리를 결합한 수소 하이브리드 열차는 탄소 배출을 획기적으로 줄일 수 있는 진정한 대안이 됩니다. 독일에서는 이미 상용화가 이루어졌으며, 우리나라도 기존 디젤 기관차를 대체하기 위한 연구를 활발히 진행 중입니다. 특히 전력 인프라가 구축되지 않은 지역이나 국가에서도 효율적으로 운영될 수 있다는 점이 큰 장점입니다. 이는 미래 철도 산업이 나아가야 할 필수적인 방향으로 평가받고 있습니다. 수소 열차의 주요 활용 목적 중 하나는 전차선이 설치되지 않은 비전철 구간에서 화석 연료를 사용하는 디젤 기관차를 대체하는 것입니다. 전기를 공급하기 어려운 환경에서도 운행이 가능하므로 철도 운용의 유연성을 극대화할 수 있습니다. 또한, 전차선이 있는 구간에서는 팬터그래프를 통해 배터리를 충전하고, 전차선이 없는 구간에서는 수소 연료전지를 사용하는 유연한 운용 방식도 충분히 고려될 수 있습니다. 이처럼 기존의 전기 인프라와 수소 기술을 효율적으로 결합한다면 에너지 소비를 최소화하면서도 경제성과 환경 보호라는 두 마리 토끼를 모두 잡는 철도망을 완성할 수 있을 것입니다.

한국철도기술연구원

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탄소 중립 시대👏 수소의, 수소에 의한, 수소를 위한 💧수소 경제💧가 뜬다!(with 한국과학기술연구원 서진유 박사) | 요즘과학

1874년 프랑스의 소설가 쥘 베른은 자신의 저서 '신비의 섬'을 통해 물이 미래의 석탄이 될 것이라는 놀라운 예언을 남겼습니다. 물의 구성 성분인 수소와 산소가 무한한 열과 빛을 제공하는 에너지원이 될 것이라는 그의 상상은 150년이 지난 오늘날 '수소 경제'라는 이름으로 현실화되고 있습니다. 수소는 사용 후 다시 물로 돌아가는 무한하고 청정한 에너지로 주목받으며, 기후 위기 시대에 인류가 선택할 수 있는 가장 유력한 대안 중 하나로 떠오르고 있습니다. 현재 우리가 사용하는 수소의 대부분은 천연가스에서 탄소를 떼어내어 만드는 '그레이 수소'입니다. 이 과정에서는 이산화탄소가 배출되기 때문에 진정한 의미의 청정 에너지라고 보기는 어렵습니다. 반면 물을 전기 분해하여 얻는 '그린 수소'는 생산 과정에서 오염 물질을 배출하지 않지만, 많은 양의 전기 에너지가 필요하다는 과제가 있습니다. 여러 번의 에너지 변환 과정을 거치며 발생하는 효율 저하를 극복하고 경제성을 확보하는 것이 수소 에너지 대중화의 핵심적인 과제입니다. 전 지구적인 탄소 중립 목표를 달성하기 위해 태양광이나 풍력 같은 재생 에너지 발전이 확대되고 있습니다. 하지만 재생 에너지는 날씨와 계절에 따라 발전량이 불규칙하다는 치명적인 단점이 있습니다. 전력이 남을 때 이를 배터리에 저장하는 것은 비용과 공간 측면에서 한계가 명확합니다. 이때 남는 전기를 이용해 수소를 생산하고 저장하면, 에너지가 필요한 시점에 다시 꺼내 쓸 수 있는 훌륭한 에너지 저장 수단이 됩니다. 이는 버려지는 에너지를 가치 있게 활용하는 방법이기도 합니다. 수소 경제가 안착하기 위해서는 생산, 저장, 운송, 활용에 이르는 전 과정의 인프라가 유기적으로 연결되어야 합니다. 우리나라는 수소차와 연료전지 같은 활용 기술에서는 세계적인 수준을 자랑하지만, 수소를 효율적으로 저장하고 운송하는 기술은 아직 보완이 필요합니다. 특히 기체 상태의 수소를 금속과 반응시켜 고체 형태로 저장하는 '고체 수소 저장 기술' 등 혁신적인 방식이 연구되고 있으며, 민간 기업들이 협력하여 시장의 선순환 구조를 만들기 위한 노력을 지속하고 있습니다. 과거에는 화석 연료에 비해 수소의 생산 비용이 너무 비싸다는 점이 걸림돌이었습니다. 그러나 탄소세와 탄소국경세 도입 등 환경 오염에 대한 사회적 비용이 현실화되면서 화석 연료의 가격 경쟁력은 점차 낮아지고 있습니다. 반면 기술 발전과 대규모 투자가 이어지면서 수소 에너지의 경제성은 빠르게 개선될 전망입니다. 정부의 정책적 지원과 기업의 끈기 있는 투자가 결합한다면, 쥘 베른의 상상처럼 수소가 일상의 에너지가 되는 날이 머지않아 우리 곁에 다가올 것입니다.

국립과천과학관요즘과학👏

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※부러움주의※ 이거 결혼 장려 인터뷰인가요...?😂 기계연 사랑꾼💛 연구원│#연구원 #최지선 요즘MZ연구원

한국기계연구원은 인류의 더 나은 미래를 위해 혁신적인 기술을 연구하는 전문가들이 모인 공간입니다. 이곳의 모빌리티동력연구실에서 근무하는 최지선 연구원은 현재 저온형 암모니아 연료전지 연구에 매진하고 있습니다. 기존 수소전기차 방식의 장점을 계승하면서도 암모니아라는 새로운 연료 공급 방식을 결합한 이 기술은 미래 교통수단의 효율성을 극대화하는 데 중점을 둡니다. 연구진의 피땀 어린 노력이 담긴 이 연구실은 단순한 일터를 넘어 차세대 에너지 패러다임을 바꿀 중요한 거점으로 자리 잡고 있습니다. 최지선 연구원에게 연구소는 단순한 직장을 넘어 삶의 균형과 행복을 선사한 소중한 전환점이 되었습니다. 입사 후 가정을 꾸리는 등 개인적인 삶의 안정감을 찾는 과정에서 연구소는 든든한 버팀목이 되어주었습니다. 특히 연구원 개개인의 자율성을 존중하는 연구 환경 덕분에 자신이 평소 꿈꾸던 과제들을 주도적으로 수행하며 큰 직업적 보람을 느끼고 있습니다. 본인이 원하는 연구 분야에 온전히 집중할 수 있는 시스템은 그녀가 다시 취업 기회를 얻더라도 주저 없이 이곳을 선택하게 만드는 가장 강력한 동력원이 됩니다. 연구자로서의 뜨거운 열정만큼이나 일상의 소소한 행복을 중요하게 생각하는 그녀는 가족과 함께하는 여행과 문화생활을 인생의 버킷리스트로 간직하고 있습니다. 하지만 연구 현장으로 돌아왔을 때는 그 누구보다 진지한 태도로 설계 변경과 기술 제안에 힘쓰며 장기적인 성과를 목표로 달립니다. 지치지 않고 꾸준히 자신의 길을 걸어가고자 하는 그녀의 단단한 의지는 한국기계연구원이 보유한 원천 기술력을 한 단계 더 도약시키는 핵심적인 밑거름이 될 것입니다. 끊임없는 도전과 긍정적인 에너지는 미래 모빌리티 시장을 선점하는 원동력이 될 것으로 기대됩니다.

한국기계연구원[KIMM페셜]

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국립광주과학관 10월 과학스쿨 : 버려지는 전기를 저장하고 활용하는 방법

기후 위기 대응을 위해 우리나라는 재생 에너지 비중을 점진적으로 확대하고 있습니다. 2040년까지 재생 에너지 발전 비중을 40%로 높이는 것을 목표로 하고 있지만, 태양광이나 풍력 같은 에너지는 날씨에 따른 변동성이 매우 크다는 특징이 있습니다. 에너지가 과잉 생산될 경우 전력망 보호를 위해 발전을 강제로 멈추는 '출력 제한' 현상이 발생하게 되며, 이는 곧 우리가 애써 만든 전기가 버려짐을 의미합니다. 이러한 전력망의 불균형을 해결하기 위해 남는 전기를 효과적으로 저장하는 기술이 그 어느 때보다 중요해지고 있습니다. 인류는 그동안 석탄, 석유, 천연가스 등 다양한 화석 연료를 사용하며 문명을 발전시켜 왔습니다. 연료의 역사를 살펴보면 흥미로운 특징이 있는데, 시간이 흐를수록 연료 속 탄소의 비중은 줄어들고 수소의 비중이 늘어나는 방향으로 진화해 왔다는 점입니다. 이제는 탄소가 거의 포함되지 않은 궁극의 청정 연료인 수소에 주목해야 할 때입니다. 2050년 탄소 중립 달성을 위해서는 이산화탄소를 배출하지 않는 깨끗한 에너지원인 수소를 주력 에너지 캐리어로 활용하는 지혜가 필요합니다. 우리가 사용하는 대부분의 전기는 전자기 유도 원리를 이용한 발전기를 통해 만들어집니다. 화력이나 원자력 발전은 열로 물을 끓여 증기를 만들고, 그 힘으로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식을 취합니다. 반면 태양광 발전은 빛 에너지를 직접 전기로 변환하지만, 밤이나 흐린 날에는 전기를 만들 수 없다는 한계가 있습니다. 이러한 재생 에너지의 간헐성 문제를 해결하려면 단순히 발전량을 조절하는 수준을 넘어, 에너지를 다른 형태로 변환하여 장기간 보관할 수 있는 혁신적인 저장 시스템이 반드시 병행되어야 합니다. 현재 가장 널리 쓰이는 에너지 저장 장치는 리튬 이온 배터리를 이용한 ESS입니다. 하지만 배터리는 대용량으로 구축할 경우 화재 위험이 있고, 시간이 지날수록 자연 방전되어 에너지를 수개월 이상 보관하기 어렵다는 단점이 있습니다. 이에 대한 대안으로 주목받는 기술이 바로 'P2G(Power to Gas)'입니다. 이는 남는 전기를 이용해 물을 전기 분해하여 수소 기체로 만드는 방식으로, 가스 형태로 저장하기 때문에 배터리보다 훨씬 큰 용량을 계절이 바뀔 때까지 안전하게 보관할 수 있다는 강력한 장점을 지닙니다. 물을 수소와 산소로 분리하는 수전해 기술은 그린 수소 생산의 핵심입니다. 순수한 물은 전기가 흐르지 않기에 전해질을 넣고 백금이나 이리듐 같은 촉매를 활용해 화학 반응을 촉진하게 됩니다. 촉매는 마치 높은 산에 터널을 뚫어 길을 단축하는 것처럼 반응에 필요한 에너지를 낮춰주는 역할을 합니다. 이렇게 재생 에너지로 만든 전기를 이용해 수소를 생산하면, 생산 과정에서도 탄소가 전혀 발생하지 않는 진정한 의미의 '그린 수소'를 얻을 수 있으며 이는 기존 에너지 저장의 패러다임을 바꾸는 큰 변화가 됩니다. 이렇게 생산된 수소는 연료전지를 통해 다시 전기로 전환되어 우리 삶에 활용됩니다. 연료전지는 수전해의 역반응을 이용하는 장치로, 수소와 산소를 반응시켜 전기를 만들고 오직 깨끗한 물만을 배출합니다. 이미 우리 주변에서는 수소 전기차인 넥쏘뿐만 아니라 수소 버스, 수소 트럭 등이 도로를 달리고 있으며, 대규모 발전을 담당하는 수소 연료전지 발전소도 활발히 운영되고 있습니다. 특히 수소 전기차는 주행 중 미세먼지를 걸러내는 공기 정화 효과까지 있어 환경 보호 측면에서도 매우 긍정적인 역할을 수행합니다. 미래의 에너지 사회는 물에서 수소를 얻고, 그 수소를 사용해 에너지를 만든 뒤 다시 물로 돌아가는 완벽한 '청정 수소 사이클'을 지향합니다. 아직은 수소를 대량으로 저렴하게 생산하는 기술적 과제가 남아있지만, 태양광과 풍력 발전을 연계한 수전해 기술은 탄소 중립을 향한 가장 확실한 이정표가 될 것입니다. 인류가 화석 연료의 시대에서 수소의 시대로 나아가는 것은 단순한 선택이 아닌 지구와 공존하기 위한 필수적인 변화입니다. 우리 미래 세대가 수소 경제의 주인공이 되어 깨끗한 세상을 만들어가길 기대해 봅니다.

국립광주과학관강연&포럼

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#가정로152 우주에서 가장 흔하지만, 지구에서 가장 귀한 것은?

수소 경제로의 전환이 가속화되면서 이를 현실화할 핵심 기술인 연료전지에 대한 관심이 어느 때보다 높습니다. 연료전지는 수소와 공기의 전기화학 반응을 통해 전기를 생산하는 장치로, 그 중심에는 막-전극 접합체(MEA)가 있습니다. 막-전극 접합체(MEA)는 전해질과 전극이 결합한 다층 구조의 필름으로, 전극 반응을 촉진하고 생성된 이온과 전자를 효율적으로 전달하는 심장부 역할을 수행합니다. 수소차를 비롯한 다양한 미래 에너지 산업의 성패를 결정짓는 가장 중요한 부품이라고 할 수 있습니다. 기존의 막-전극 접합체(MEA) 제작에는 촉매와 이오노머를 용매에 섞어 코팅하는 슬러리 공정이 널리 사용되어 왔습니다. 하지만 이 방식은 입자들이 서로 뭉치거나 불균일하게 분포되는 문제를 안고 있습니다. 특히 이오노머가 백금 촉매 위에 두껍고 불균일하게 안착하면 연료 공급에 병목 현상이 발생하고 전기적 저항이 증가하게 됩니다. 이러한 저항은 결국 값비싼 백금 촉매의 손상을 초래하고 전반적인 성능 저하로 이어져, 수소 연료전지의 경제성을 확보하는 데 큰 걸림돌이 되어 왔습니다. 최근 개발된 신규 전극 코팅 공정은 정전기적 척력을 활용하여 이러한 기술적 한계를 혁신적으로 극복했습니다. 이오노머에 인위적으로 전하를 부여하면, 같은 전하끼리 밀어내는 힘에 의해 입자들이 스스로 일정한 간격을 유지하며 균일하게 분산됩니다. 이 기술을 적용하면 백금 촉매 위에 나노 단위의 매우 얇고 고른 막을 직접 형성할 수 있습니다. 이는 기존의 간접 코팅 방식보다 공정 속도가 빠를 뿐만 아니라, 대량 생산 시에도 높은 품질과 확장성을 동시에 확보할 수 있는 강력한 장점을 지닙니다. 이번 기술 혁신의 가장 놀라운 점은 값비싼 백금 촉매의 사용량을 기존 대비 5분의 1 수준으로 줄이면서도 성능은 오히려 강화했다는 점입니다. 고분자 전해질인 과불화술폰산계(PFSA) 물질은 전기를 통하게 하는 필수 요소이지만, 동시에 촉매를 손상시키는 피독 현상을 일으키는 양면성을 가집니다. 정전기적 척력 기술은 이오노머의 분포를 최적화하여 촉매 손상을 최소화하고 연료 공급 효율을 극대화합니다. 결과적으로 적은 양의 촉매로도 높은 출력을 안정적으로 낼 수 있는 경제적인 전극 구조를 완성했습니다. 이와 같은 원천 기술의 확보는 연료전지 제조 단가를 30% 이상 획기적으로 낮추어 수소 에너지의 가격 경쟁력을 근본적으로 개선할 것입니다. 이는 단순히 수소차의 가격 인하에 그치지 않고, 건물용 전원이나 대규모 발전용 시스템 등 에너지 산업 전반에 걸친 대대적인 변화를 예고합니다. 탄소 중립 시대에 발맞춰 이산화탄소 배출을 획기적으로 줄이고 에너지 안보를 강화함으로써, 수소 경제가 우리 일상 속에 더 깊이 자리 잡고 깨끗한 미래를 앞당기는 기폭제가 될 것으로 기대됩니다.

한국에너지기술연구원

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요소수가 뭔데 대란까지 일어난거지?

요소수는 디젤 차량의 배기가스를 정화하는 필수적인 존재로, 흔히 제2의 연료라고도 불립니다. 대기오염 문제가 심각해짐에 따라 많은 국가가 배기가스를 엄격히 제한하고 있으며, 요소수가 없으면 시동조차 걸리지 않는 차량이 많을 정도로 그 중요성이 큽니다. 요소수의 핵심 성분인 요소는 일종의 촉매 역할을 수행하여 화학반응을 촉진하는 성질을 가집니다. 구체적으로는 배기가스 속의 유해한 질소산화물을 인체에 무해한 물과 질소로 분리해내는데, 이 과정을 통해 배기가스 내의 유해 성분을 최대 98%까지 제거함으로써 환경 보호에 기여합니다. 한국에너지기술연구원은 이러한 요소의 촉매 특성을 연료전지 제조 공정에 혁신적으로 도입했습니다. 고성능 연료전지를 만들기 위해서는 산소환원반응이 일어나는 공기극에 우수한 촉매를 입히는 과정이 필수적인데, 기존의 습식 침투 공정은 가열과 건조를 수차례 반복해야 하므로 시간과 비용이 많이 소요되었습니다. 연구팀은 촉매 용액에 요소를 첨가하고 이를 나노 단위로 분사하는 초음파 습식 침투 공정을 새롭게 개발했습니다. 이를 통해 복잡했던 하소 과정을 단 한 번으로 줄으면서도 생산 시스템의 전체적인 효율성을 극대화하는 놀라운 성과를 거두었습니다. 공정 시간이 대폭 단축되었음에도 불구하고, 새로운 공정으로 제작된 연료전지는 기존 공정과 동일한 수준의 성능과 안정성을 완벽하게 보장합니다. 이는 마치 치즈를 만들 때 레몬즙을 넣어 단백질 응고를 빠르게 돕는 것처럼, 요소가 촉매로서 화학반응을 활성화해 동일한 품질을 더 빠르게 구현해주기 때문입니다. 제조 효율의 혁신은 곧 단위 시간당 에너지 생산량의 증대로 이어지며, 이는 시민들에게 더 많은 청정에너지를 공급할 수 있는 기술적 토대가 됩니다. 탄소중립 시대를 앞당기기 위해 기술적 한계를 극복해나가는 연구진의 다음 행보가 더욱 기대되는 이유입니다.

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[생기원 R&D] 수소연료전지 성능 개선으로 '수소차' 더 멀리, 더 오래 간다!

수소차 시장이 확대됨에 따라 핵심 부품인 연료전지의 내구성이 중요한 과제로 떠오르고 있습니다. 수소 이온 전달을 위해 주로 사용되는 나피온은 뛰어난 성능을 자랑하지만, 습도 변화에 따라 부피가 크게 팽창하고 수축하는 단점이 있습니다. 이러한 변형은 전극 계면의 저항을 높이거나 전해질 막에 균열을 일으켜 수소 기체가 누출되는 수소 크로스오버를 유발합니다. 이를 해결하기 위해 최근에는 내구성이 뛰어난 지지체에 나피온을 함침시킨 강화 복합 전해질 막이 개발되었으나, 소재 간의 친화성 문제로 인해 여전히 개선이 필요한 상황입니다. 연구진은 기존 지지체의 한계를 극복하고자 전기 방사 기술을 활용한 PTFE 나노섬유 지지체를 새롭게 개발했습니다. 이 지지체는 기공의 크기가 마이크론 단위로 설계되어 나피온이 내부로 원활하게 침투할 수 있도록 돕습니다. 특히 열처리 과정을 최적화하여 2차 고분자를 제거하고 순수한 PTFE 섬유 네트워크를 유지하는 데 성공했습니다. 이러한 구조적 안정성은 시뮬레이션과 실험을 통해 검증되었으며, 강화 복합 전해질 막의 물리적 한계를 극복하는 핵심 기술이 되었습니다. 이번 연구의 성과는 단순한 기술 개발을 넘어 실제 수소차 구동 환경에서의 실증 평가를 통해 그 가치를 입증했습니다. 미국 에너지부의 엄격한 내구성 가이드라인에 따라 가혹한 가습 및 건조 조건을 21,000회 이상 반복한 결과, 수소 크로스오버가 전혀 발생하지 않는 우수한 내구성을 확인했습니다. 이는 현재의 수소차에 바로 탑재해도 문제가 없는 수준의 완성도를 의미합니다. 앞으로도 섬유 소재 기술을 바탕으로 에너지 분야 전문가 및 기업들과 협력하여, 우리나라가 수소 경제와 차세대 전지 시장에서 기술적 주도권을 확보할 수 있도록 연구를 지속할 계획입니다.

한국생산기술연구원

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공학·기술

[질문Q] 연료전지가 궁극적 친환경 전지가 될 수 있을까? | 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 4강

과학에서 가장 중요한 것은 질문을 멈추지 않는 태도입니다. 화학의 세계에는 여전히 우리가 알지 못하는 수많은 궁금증이 널려 있으며, 연구자는 주변에 산재한 미지의 영역을 탐구하는 독립적인 존재가 되어야 합니다. 때로는 무엇이 세상을 바꿀지 미리 알 수 없기에, 장님 문고리 잡듯 순수하게 마음이 끌리는 대로 연구하는 과정에서 진정한 창발성이 나타납니다. 수많은 연구자가 각자의 호기심을 따라가다 보면, 우리 주변의 분자 수만큼이나 다양한 새로운 발견이 튀어나올 확률은 무궁무진합니다. 오늘날 전기화학은 주로 공학적인 관점에서 다루어지며, 이차전지나 태양 전지, 센서 연구실이라는 이름으로 우리 곁에 존재합니다. 하지만 자연과학으로서의 전기화학은 단순히 배터리 용량을 늘리는 효율 개선을 넘어, 우리가 미처 알지 못했던 근본적인 원리를 탐구하는 데 목적이 있습니다. 미래의 전기화학은 뇌 안에서 일어나는 반응이나 예상치 못한 열역학적 관점 등 전혀 새로운 영역으로 전개될 것입니다. 이러한 기초적인 탐구는 결국 다시 공학에 파급되어 혁신적인 기술의 토대가 됩니다. 인간의 뇌는 전자의 움직임을 제어하는 기존 컴퓨터와는 전혀 다른 방식으로 정보를 처리합니다. 뇌는 복잡한 계산보다는 패턴 인식과 연상에 특화되어 있으며, 이온과 양성자의 움직임을 정교하게 제어하며 작동합니다. 만약 우리가 이러한 메커니즘을 이해하고 물속에서 작동하는 이온 기반의 장치를 구현할 수 있다면, 현재의 컴퓨팅과는 차원이 다른 지능형 장치를 만들 수 있을 것입니다. 이는 단순한 상상을 넘어 인간의 의식에 접근하는 새로운 기술적 도약이 될 수 있습니다. 전기화학의 핵심적인 역할 중 하나는 전자기의 세계와 생체의 세계를 잇는 계면을 다루는 것입니다. 로봇 팔을 제어하거나 질병을 치료하는 과정에서 발생하는 가장 큰 난관은 바로 이 계면을 넘지 못하는 데 있습니다. 우리가 의지대로 외부 장치를 움직이거나 생체 신호를 완벽하게 주고받기 위해서는 두 세계 사이의 간극을 메워줄 정교한 인터페이스가 필요합니다. 이 계면에서 일어나는 반응을 연구하는 전기화학은 노화나 장애를 극복하고 인간의 능력을 확장하는 미래 사회의 열쇠가 될 것입니다. 최근 전기화학에서 가장 빠르게 확장되는 분야는 자연계의 촉매를 활용하는 바이오 전기화학입니다. 자연계의 효소는 상온에서도 완벽하게 작동하는 정교한 기계적 구조를 갖추고 있어 인간이 만든 어떤 촉매보다 효율적입니다. 하지만 이러한 생체 촉매를 인공적인 전극 위에 올려놓으면 그 효율이 급격히 떨어지는 문제가 발생합니다. 생체 내 환경에 최적화된 단백질 구조가 오히려 전자 전달을 방해하기 때문입니다. 이를 해결하기 위해 생체의 원리를 모사하거나 새로운 타협점을 찾는 연구가 활발히 진행 중입니다. 생체 시스템과 달리 우리가 만드는 전기화학 장치는 스스로 부산물을 제거하거나 기능을 회복하는 능력이 부족한 죽어 있는 시스템입니다. 혈당 센서처럼 일회성으로 사용되는 경우에는 효소의 효율을 충분히 활용할 수 있지만, 지속적으로 에너지를 생산해야 하는 연료전지 분야에서는 수명과 효율의 한계가 뚜렷합니다. 생명체처럼 저렴하게 촉매를 교체하거나 유지할 수 없는 환경에서, 어떻게 하면 생체 촉매의 강력한 성능을 인공 시스템에 안정적으로 이식할 수 있을지가 현대 과학의 중요한 과제입니다. 친환경 에너지로 주목받는 수소 경제 역시 현재는 냉정한 현실에 직면해 있습니다. 현재 생산되는 수소의 대부분은 물을 전기분해하기보다 화석 연료를 분해하는 과정에서 얻어지며, 이 과정에서 상당량의 이산화탄소가 배출됩니다. 태양광이나 풍력 같은 재생 에너지를 이용한 수전해 방식이 정착되지 않는다면, 연료전지는 진정한 의미의 친환경 기술이라 불리기 어렵습니다. 따라서 전기화학적 효율을 극대화하여 경제성 있는 수전해 기술을 확보하는 것이 탄소 중립 사회로 나아가기 위한 필수적인 단계라 할 수 있습니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

[질문과 토론의 과학 #25] 🚗🚙수소전기차 vs 전기자동차

미래 자동차 시장의 핵심 화두는 화석 연료를 대체할 차세대 동력원입니다. 기존 내연기관은 연료가 연소하며 발생하는 열에너지를 기계적 에너지로 변환하는 과정에서 효율이 20~40% 수준에 머뭅니다. 최신 기술을 동원하더라도 물리적 한계로 인해 효율을 50% 이상 끌어올리기가 매우 어렵습니다. 반면 수소 연료전지는 열을 거치지 않고 화학 에너지를 직접 전기로 바꾸기 때문에 이론적으로 80~90%에 달하는 높은 효율을 자랑하며 차세대 교통체계의 주역으로 주목받고 있습니다. 수소 경제의 실현 가능성은 수소를 얼마나 친환경적이고 효율적으로 생산하느냐에 달려 있습니다. 풍력이나 태양광 같은 신재생 에너지를 활용해 수전해를 하면 약 75%의 효율로 수소를 얻을 수 있습니다. 이렇게 생산된 수소는 다시 수소 연료전지를 통해 고효율의 전기로 변환되므로 에너지 순환 체계 측면에서 매우 우수합니다. 이는 단순히 친환경적이라는 장점을 넘어, 기존의 화석 연료 기반 에너지 체계보다 훨씬 경제적이고 지속 가능한 에너지 활용이 가능함을 시사하는 중요한 지표가 됩니다. 실제 주행 성능 면에서도 수소차는 뛰어난 잠재력을 보여줍니다. 약 6kg의 수소만으로도 서울에서 부산까지의 거리인 330km 이상을 충분히 주행할 수 있으며, 최신 수소차 모델의 경우 같은 양으로 최대 600km까지 달릴 수 있습니다. 현재 수소 가격을 기준으로 환산하면 약 3만 원 정도의 비용으로 장거리 주행이 가능한 셈입니다. 이는 기존 유류비와 비교했을 때 충분한 경제적 경쟁력을 갖추고 있으며, 향후 기술 발전에 따라 충전 인프라가 확충된다면 그 활용 가치는 더욱 높아질 것으로 기대됩니다. 하지만 수소차의 대중화를 위해서는 해결해야 할 과제들이 남아 있습니다. 수소는 폭발 위험성이 있어 안전성 확보가 필수적이며, 기체 상태의 수소를 저장하고 운송하는 기술적 난도가 높다는 점이 발목을 잡고 있습니다. 이에 대한 대안으로 하이드라진이나 액체 연료를 수소 연료전지에 활용하는 방안도 연구되고 있습니다. 한편, 리튬 이온 배터리를 사용하는 전기차는 에너지 밀도가 높고 인프라 구축이 빠르다는 장점이 있지만, 전기를 생산하는 원천이 화석 연료일 경우 발생하는 친환경성 논란이 여전히 숙제로 남아 있습니다. 결국 10년 뒤 우리가 어떤 자동차를 타게 될지는 기술적 완성도와 경제적 효율성의 접점에서 결정될 것입니다. 수소차는 높은 효율과 친환경성을 무기로 삼고 있으며, 전기차는 높은 에너지 밀도와 사용자 편의성을 강조하고 있습니다. 두 기술 모두 각기 다른 장단점을 지니고 있기에, 특정 기술이 시장을 완전히 독점하기보다는 용도와 환경에 맞춰 공존할 가능성이 큽니다. 소비자에게는 결국 유지비가 저렴하고 안전하며 접근성이 좋은 자동차가 가장 매력적인 선택지가 될 것이며, 이는 시장의 흐름을 결정짓는 핵심 요소가 될 것입니다.

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[명강리뷰] 화학반응의 바늘과 실: 전자와 양성자 _ by정택동｜2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 4강

나치 독일 시절, 게르만 민족 우월주의를 내세운 히틀러는 유대인 과학자들의 노벨상 수상을 탐탁지 않게 여겼습니다. 결국 노벨상 메달을 몰수하라는 명령이 내려졌고, 물리학자 막스 폰 라우에와 제임스 프랑크의 메달을 보관하던 닐스 보어 연구소는 큰 위기에 처했습니다. 이때 헝가리 출신의 화학자 헤베시는 화학적 지식을 활용해 메달을 지키기로 결심합니다. 그는 금의 형태를 완전히 없애 독일군의 눈을 피하려는 기발한 아이디어를 냈고, 이는 과학 역사에 남을 흥미로운 일화가 되었습니다. 헤베시가 선택한 방법은 금을 액체 상태로 녹여 보관하는 것이었습니다. 금은 화학적으로 매우 안정된 귀금속이라 일반적인 용액에는 녹지 않지만, 염산과 질산을 섞은 '왕수'에는 녹습니다. 그는 세 개의 노벨상 메달을 왕수에 녹여 평범한 용액처럼 보이게 만든 뒤 선반에 두었습니다. 전쟁이 끝난 후, 그는 용액 속에 숨어있던 금을 다시 금속 형태로 되돌려 놓았습니다. 이는 원소 자체가 사라지거나 변하지 않는다는 화학적 확신이 있었기에 가능한 일이었습니다. 금이 왕수에 녹는 과정은 본질적으로 전자를 잃는 '산화' 반응입니다. 질산이 금에서 전자를 빼앗으면, 염산의 염화 이온이 이온화된 금을 둘러싸 안정화합니다. 반대로 전자를 다시 얻으면 원래의 금속으로 돌아오는 '환원'이 일어납니다. 화학에서 산화와 환원은 항상 동시에 발생하며, 이는 전자의 이동을 통해 물질의 성질이 변하는 핵심 원리입니다. 화학자들은 눈에 보이는 형태보다 그 이면에 숨겨진 전자의 흐름과 본질적인 변환에 주목하며 물질의 세계를 이해합니다. 전자의 이동만큼 중요한 것이 바로 양성자의 역할입니다. 우리 주변의 산과 염기는 양성자의 이동에 의해 결정됩니다. 물 분자 사이에서 양성자가 오가며 산성이나 염기성을 띠게 되는데, 양성자를 내놓기 쉬우면 산성, 받기 쉬우면 염기성이라 부릅니다. 흥미롭게도 양성자를 받기 쉬운 염기는 전자가 풍부한 특성을 가집니다. 이처럼 전자와 양성자는 마치 바늘과 실처럼 서로 협력하며 자연계의 수많은 놀라운 현상을 만들어내는 주인공 역할을 수행하고 있습니다. 자연에서 전자와 양성자의 협업이 가장 빛나는 순간은 광합성입니다. 식물은 태양빛을 흡수해 전자를 들뜨게 만들고, 이 에너지를 이용해 물에서 전자를 빼앗아 산소를 배출합니다. 이때 이동하는 전자는 양성자를 끌어당겨 막 안팎의 농도 차이를 만듭니다. 이 농도 차이가 마치 수력 발전처럼 에너지를 생성하여 생명 활동의 에너지 화폐인 ATP를 만들어냅니다. 식물은 이 과정을 통해 매년 엄청난 양의 이산화탄소를 고정하며 지구의 에너지 순환을 책임지는 거대한 화학 공장 역할을 합니다. 마이클 패러데이는 양초가 타는 과정을 통해 화학적 산화의 본질을 설명했습니다. 양초의 유기물이 산소와 결합하며 전자를 주고받는 과정은 우리 몸이 호흡을 통해 에너지를 얻는 원리와 본질적으로 같습니다. 다만 양초는 열을 내며 타오르고, 생명체는 정교한 구조를 통해 뜨겁지 않게 에너지를 추출한다는 차이가 있을 뿐입니다. 전기화학은 바로 이러한 전자의 흐름을 정교하게 제어하고 측정하여, 화학 에너지를 깨끗한 전기 에너지로 변환하려는 학문적 노력이라 할 수 있습니다. 현대 과학의 큰 숙제 중 하나는 수소 자동차와 같은 연료전지의 효율을 높이는 것입니다. 생명체는 효소를 통해 산소 환원 반응을 완벽하게 수행하지만, 인공적인 장치에서는 여전히 백금과 같은 고가의 촉매에 의존하고 있습니다. 100년이 넘는 연구에도 불구하고 백금을 대체할 최적의 물질을 찾는 것은 여전히 과학계의 '성배'를 찾는 것과 같습니다. 하지만 전자와 양성자의 상호작용을 더 깊이 이해한다면, 우리는 언젠가 가장 효율적이고 깨끗한 에너지를 얻는 길을 찾게 될 것입니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

과학덕후 필독 | 에너지신기술 | 쓰면 쓸수록 지구가 정화되는 에너지?!

수소 에너지를 활용하여 전기와 온열을 동시에 생산하는 연료전지는 미래를 이끌어갈 친환경 열병합 발전 기술의 핵심입니다. 이 시스템은 가정에 도입될 경우 가전제품 가동을 위한 전기 공급은 물론, 온열까지 한 번에 해결할 수 있는 혁신적인 솔루션을 제공합니다. 특히 연료전지는 에너지를 소비할수록 오히려 지구 환경 정화에 기여하는 특성을 지니고 있어, 지속 가능한 발전을 위한 필수적인 연구 분야로 손꼽히고 있습니다. 실생활의 편리함과 환경 보호를 동시에 달성할 수 있다는 점에서 연료전지는 현대 사회에 꼭 필요한 에너지원이라 할 수 있습니다. 현재 연구의 핵심은 기존 건물용 연료전지의 한계를 극복하는 차세대 기술 개발에 집중되어 있습니다. 기존 시스템은 여름철에 발생하는 온열을 적절히 활용하지 못해 가동률과 경제성이 떨어진다는 단점이 있었습니다. 이를 보완하기 위해 연료전지의 운전 온도를 기존보다 두 배가량 높은 160℃까지 끌어올리는 연구가 진행 중입니다. 이렇게 온도를 높이면 100℃ 이상의 고온 열을 회수할 수 있게 되어, 여름철에도 히트펌프 기술을 활용한 냉열 기능을 구현할 수 있습니다. 이는 계절에 관계없이 버려지는 에너지 없는 효율적인 시스템 운영을 가능하게 만듭니다. 연구의 최종적인 지향점은 단순히 실험실 내 성과에 머무는 것이 아니라, 실제 산업 현장에서의 대중화와 상용화를 실현하는 것입니다. 연간 1만 대 규모의 생산 체계를 구축하고 20년 이상의 장기 수명을 보장하는 안정적인 제품을 보급함으로써, 수소 경제의 기틀을 마련하고자 합니다. 이러한 기술이 실제 제품으로 연결되어 우리 생활 속에 깊숙이 자리 잡을 때, 비로소 에너지 패러다임의 진정한 변화가 시작될 것입니다. 연료전지 시스템의 보급은 미래 사회의 에너지 자립도를 높이고 탄소 중립 실현을 앞당기는 결정적인 역할을 수행할 것으로 기대됩니다.

한국에너지기술연구원

지구환경과학
융합
공학·기술

기후변화시대 미래의 에너지ㅣ미래에너지와 세라믹 그리고 연료전지ㅣ신태호(한국세라믹기술원)[토요과학강연#16-1부]

2023년 기준으로 지구 인구는 80억 명을 돌파하며 급격한 증가세를 보이고 있습니다. 인류의 폭발적인 성장은 우리에게 수많은 과제를 안겨주고 있으며, 특히 미래 사회의 지속가능성에 대해 깊이 고민하게 만듭니다. 인구 변화는 단순한 숫자의 증가를 넘어 산업과 기술, 문화 전반에 걸친 거대한 변화를 예고하며, 그 중심에는 항상 자원과 환경 문제가 자리 잡고 있습니다. 우리가 꿈꾸는 풍요로운 미래를 실현하기 위해서는 현재의 성장 속도에 발맞춘 과학적 접근이 필수적이며, 특히 인류가 사용할 에너지를 어떻게 관리하느냐가 생존의 핵심 열쇠가 될 것입니다. 물리학의 열역학 제2법칙인 엔트로피는 자연 현상이 항상 무질서도가 증가하는 방향으로 흐른다는 점을 시사합니다. 얼음이 녹아 물이 되는 과정처럼 자연은 본래 자유롭고 무질서한 상태를 지향하지만, 인간은 정돈된 환경을 유지하기 위해 끊임없이 노력합니다. 깨끗하게 정리된 방이 주는 쾌적함을 누리기 위해서는 물리적인 청소 에너지가 필요하듯, 우리가 원하는 질서 있는 삶을 영위하기 위해서는 필연적으로 에너지를 소모해야 합니다. 즉, 문명의 고도화는 무질서를 극복하고 질서를 세우는 과정이며, 이는 막대한 에너지의 투입 없이는 불가능한 일이라고 볼 수 있습니다. 현대 기술의 상징인 스마트폰과 인공지능은 삶을 편리하게 만들었지만 그 이면에는 막대한 에너지 소비가 숨어 있습니다. 스마트폰은 과거의 여러 도구들을 하나로 통합해 구조적 무질서도를 낮췄지만, 실제로는 개별 기기들을 합친 것보다 더 많은 전력을 사용합니다. 바둑 대결로 화제가 된 알파고 역시 인간 뇌보다 수천 배나 많은 에너지를 소모하며 기술 발전의 대가를 보여주었습니다. 이처럼 지능화되고 고도화된 기술 사회는 이전보다 더 많은 에너지를 갈구하며, 이는 우리가 기존과는 다른 차원의 새로운 에너지 전략을 진지하게 고민해야 하는 이유이기도 합니다. 기후 변화에 관한 정부 간 협의체인 IPCC의 보고서에 따르면, 현재의 탄소 배출 추세가 지속될 경우 지구의 온도는 금세기 말까지 치명적인 수준으로 상승할 전망입니다. 온도가 3도 이상 오르면 인류의 생존 자체가 위협받기 때문에, 세계 각국은 2040년까지 탄소 배출을 획기적으로 줄여 온도 상승폭을 2도 이하로 억제하려는 목표를 세우고 있습니다. 탄소중립은 단순히 환경 보호의 차원을 넘어 인류 문명을 유지하기 위한 절박한 선언입니다. 우리는 이제 화석 연료 중심의 발전 방식에서 완전히 벗어나 지구에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 새로운 에너지 패러다임을 찾아야 합니다. 탄소 배출 없는 미래를 실현할 강력한 대안으로 수소경제와 연료전지가 큰 주목을 받고 있습니다. 수소경제는 탄소 대신 수소를 주요 에너지원을 사용하여 생산, 저장, 활용의 전 과정이 친환경적으로 순환되는 사회를 의미합니다. 과거 증기기관과 내연기관이 산업 혁명을 이끌어 문명을 발전시켰다면, 이제는 부산물로 오직 물만을 배출하는 연료전지가 새로운 엔진 역할을 수행하게 될 것입니다. 특히 세라믹 연료전지와 같은 혁신 기술은 에너지 효율을 극대화하고 탄소중립을 실현하는 데 핵심적인 기여를 할 것으로 기대되며, 이는 인류가 직면한 에너지 위기를 극복할 최종 목적지가 될 것입니다.

서울시립과학관[과학강연] 21년 토요과학강연

물리학
지구환경과학
융합

고체수소연료전지란?ㅣ미래에너지와 세라믹 그리고 연료전지ㅣ신태호(한국세라믹기술원)[토요과학강연#16-2부]

석탄과 석유 중심의 에너지 체계에서 탄소 배출이 없는 수소 순환 사회로의 전환이 가속화되고 있습니다. 이러한 변화의 중심에는 수소 연료전지가 있으며, 이는 데이터센터, 친환경 발전소, 미래 모빌리티의 핵심 엔진 역할을 합니다. 수소 연료전지는 수소와 산소의 화학 반응을 통해 열, 전기, 그리고 물을 생성하는 친환경 기술입니다. 특히 이온 반응을 이용해 전자를 외부 회로로 흐르게 함으로써 배터리처럼 전기를 생산하는 것이 기본 원리입니다. 많은 이들이 수소의 폭발 위험성에 대해 우려를 표하지만, 수소 연료전지에 사용되는 수소는 수소폭탄의 원리와는 근본적으로 다릅니다. 수소폭탄은 삼중수소나 중수소의 핵융합 에너지를 이용하지만, 수소 연료전지는 일반적인 경수소를 사용하여 이온 반응을 일으킵니다. 현재 개발된 수소차와 발전 시스템은 다중 안전장치를 갖추고 있어 일상생활에서 안심하고 사용할 수 있는 수준에 도달했습니다. 영화 속 허구의 폭발 장면과는 달리 실제 수소 에너지는 통제된 시스템 안에서 안전하게 관리됩니다. 수소 연료전지는 이온을 교환하는 막의 소재에 따라 여러 종류로 나뉩니다. 자동차나 드론처럼 이동성이 중요한 분야에서는 가볍고 제조가 용이한 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)가 주로 사용됩니다. 반면, 세라믹 소재를 사용하는 고체산화물 연료전지(SOFC)는 무겁지만 고온에서 작동하며 높은 발전 효율을 자랑합니다. 이러한 특성 차이로 인해 고체산화물 연료전지(SOFC)는 주로 대형 발전소나 가정용 에너지 공급 장치로 활용되며, 에너지 효율 극대화가 필요한 산업 현장에서 그 진가를 발휘하고 있습니다. 고체산화물 연료전지(SOFC)의 구동 원리는 산소 이온의 이동에 기반합니다. 첨단 세라믹 소재 내부의 산소 공공을 통해 이온이 이동하며, 양극과 음극 사이의 산소 분압 차이에 의해 전압이 형성됩니다. 이 과정에서 발생하는 화학 반응은 매우 빨라 귀금속 촉매 없이도 구동이 가능하며, 탄화수소 계열의 다양한 연료를 폭넓게 사용할 수 있는 유연성을 가집니다. 이는 에너지원을 다각화하고 기존 인프라를 효율적으로 활용할 수 있는 기술적 토대를 제공합니다. 수소 연료전지 기술은 이제 지구를 넘어 우주 탐사의 핵심 기술로 주목받고 있습니다. 영화 속 상상력처럼, 이산화탄소가 풍부한 행성 대기에서 산소를 추출하고 전기를 생산하는 데 고체산화물 연료전지(SOFC)가 실제로 활용되고 있습니다. NASA의 탐사 장비에도 탑재된 이 기술은 탄소 포집 및 분해를 통해 기후 위기 해결에도 기여할 수 있습니다. 단순한 에너지 생산을 넘어 자원 순환과 환경 보호를 동시에 달성하는 수소 연료전지는 인류의 지속 가능한 미래를 이끌어갈 중요한 열쇠가 될 것입니다.

서울시립과학관[과학강연] 21년 토요과학강연

화학
지구환경과학
융합

KIMS[닥터씨네] 영화 속 처럼 물을 에너지로 쓸 수 있나요?

현대 문명을 지탱하는 화석 연료는 고갈의 위험과 환경 오염이라는 치명적인 단점을 안고 있습니다. 이러한 상황에서 수소는 무색무취의 무한한 청정 에너지원으로 큰 기대를 모으고 있습니다. 원소 번호 1번인 수소는 지구상에서 세 번째로 흔하며, 우주 전체를 통틀어서는 가장 풍부한 원소입니다. 단순히 흔한 것뿐만 아니라 에너지 밀도 또한 매우 높아, 수소차 연료로 사용될 경우 휘발유와 비교할 수 없을 만큼 효율적인 동력을 제공하는 미래의 핵심 자원입니다. 영화 '체인 리액션'에서 묘사된 것처럼 수소는 물에서 추출할 수 있는 지속 가능한 에너지입니다. 현재는 생산과 저장, 운송을 위한 기반 시설이 구축되는 단계에 있어 일시적인 비용이 발생하지만, 향후 인프라가 충분히 확보된다면 누구나 저렴하게 이용할 수 있는 대중적인 자원이 될 것입니다. 이미 산업 현장 곳곳에서는 수송과 제철 등 다양한 공업적 용도로 수소 에너지가 폭넓게 활용되고 있으며, 그 쓰임새는 점차 확대되는 추세입니다. 수소를 얻는 방법은 크게 두 가지로 나뉩니다. 기존 화석 연료에서 수소를 추출하는 방식과 전기를 이용해 물을 분해하는 '수전해' 방식이 대표적입니다. 특히 수전해 방식은 지구상에 풍부한 바닷물을 원료로 삼을 수 있다는 점에서 영화 '오블리비언' 속 외계 문명이 바닷물을 에너지로 활용하는 상상력을 현실로 바꿀 수 있는 가능성을 보여줍니다. 물을 분해해 에너지를 만들고 사용 후에는 다시 순수한 물만 배출한다는 점은 수소 에너지만이 가진 가장 독보적인 친환경적 특성입니다. 수소 에너지의 실질적인 상용화를 가장 가깝게 체감할 수 있는 분야는 바로 수소차입니다. 수소차는 기존의 내연기관차와 달리 이산화탄소를 전혀 배출하지 않을 뿐만 아니라, 주행 과정에서 외부 공기를 흡입하고 정화하여 배출하는 '움직이는 공기 청정기' 역할까지 수행합니다. 이러한 독보적인 친환경적 특성 덕분에 수소차는 탄소 중립 시대를 선도할 미래 모빌리티의 핵심으로 각광받으며 우리의 일상을 변화시키고 있습니다. 대한민국은 현재 수소 에너지의 활용 분야, 특히 수소 연료전지 기술에서 세계 최고 수준의 경쟁력을 확보하고 있습니다. 수소의 생산부터 저장, 운송에 이르는 전 주기에 걸쳐 연구가 활발히 진행 중이며, 최근에는 무인 항공기의 장시간 연속 운행에 성공하는 등 괄목할 만한 성과를 거두고 있습니다. 인류의 생존을 위협하는 기후 위기를 극복하고 지속 가능한 성장을 이루기 위해 수소 에너지는 단순한 자원을 넘어 인류의 미래를 밝히는 새로운 '희망'으로 자리매김할 것입니다.

한국재료연구원

화학
지구환경과학
융합
공학·기술

[강연] 표면에서 일어나는 화학 반응의 세계 _ by이현주ㅣ2021 가을 카오스강연 '과학의 희열' 6강 | 6강

현대 화학 산업은 거대한 전환점을 맞이하고 있습니다. 과거에는 땅속의 석유를 채굴하여 연료와 플라스틱을 대량 생산하는 모델이 주를 이루었으나, 이제는 이산화탄소 배출로 인한 기후 변화 문제가 심각한 화두로 떠올랐습니다. 탄소세 부과와 전기차 시장의 급격한 팽창은 기존 정유 및 화학 업계에 큰 변화를 요구하고 있습니다. 이러한 흐름 속에서 인류는 더 이상 자원 고갈 때문이 아니라, 지구 환경을 보호하기 위해 석유를 대체할 새로운 자원을 찾아야 하는 과제에 직면해 있습니다. 석유의 대안으로 주목받는 자원에는 바이오매스, 태양광, 풍력 에너지 등이 있습니다. 특히 태양광이나 풍력으로 생산된 전기를 이용해 물을 분해하여 수소를 얻고, 이를 이산화탄소와 결합해 유용한 화합물을 만드는 기술이 활발히 연구되고 있습니다. 미래의 화학 산업은 특정 지역에서 대량 생산하여 전 세계로 보급하던 방식에서 벗어나, 지역별 자원 특성에 맞춰 필요한 제품을 즉석에서 생산하고 소비하는 분산형 모델로 진화할 것입니다. 이러한 변화의 중심에는 화학 반응을 조절하는 촉매 기술이 자리 잡고 있습니다. 촉매는 화학 반응이 일어나는 데 필요한 활성화 에너지를 낮추어 반응 속도를 조절하는 물질입니다. 일상적인 조건에서는 반응물이 생성물로 변하기 위해 매우 높은 활성화 에너지 장벽을 넘어야 하지만, 촉매는 이 과정을 안정화하여 더 적은 에너지로도 반응이 진행되도록 돕습니다. 촉매는 크게 균일계, 불균일계, 효소 등으로 나뉘는데, 그중에서도 고체 상태의 촉매를 사용하는 불균일계 촉매는 산업 현장에서 가장 널리 쓰입니다. 이는 공정 관리가 용이하고 대량 생산에 적합하여 현대 화학 공장의 핵심적인 역할을 수행합니다. 불균일계 촉매의 핵심은 표면 반응에 있습니다. 반응은 촉매의 표면에서만 일어나기 때문에, 비싼 귀금속인 백금 등을 사용할 때는 표면적을 극대화하는 것이 경제적으로 매우 중요합니다. 나노 기술을 활용해 금속을 수 나노미터 크기의 입자로 만들면 표면적을 수십만 배 이상 늘릴 수 있어 효율성이 비약적으로 상승합니다. 반응물이 촉매 표면에 흡착되어 결합이 끊어지거나 재결합한 뒤 생성물로 탈착되는 일련의 과정은 나노 입자의 크기와 모양, 표면 원자 배열에 따라 결정되며, 이를 정밀하게 제어하는 것이 연구의 핵심입니다. 최근 촉매 연구의 가장 뜨거운 분야 중 하나는 단일 원자 촉매입니다. 이는 금속 원자를 하나씩 담체 위에 분산시켜 모든 원자가 표면 반응에 참여하도록 만드는 기술입니다. 기존 나노 입자 촉매는 내부의 원자들이 반응에 참여하지 못해 낭비되는 부분이 많았으나, 단일 원자 촉매는 금속 활용도를 100%까지 끌어올릴 수 있습니다. 또한 반응 자리가 매우 균일하여 원치 않는 부산물을 줄이고 특정 생성물만 얻는 선택도가 높다는 장점이 있습니다. 이는 메탄을 고부가가치 화합물로 전환하는 등 난도가 높은 반응에서 혁신적인 가능성을 보여줍니다. 하지만 단일 원자 촉매가 모든 반응에서 만능은 아닙니다. 수소 연료 전지의 핵심인 산소 환원 반응처럼 두 개 이상의 원자가 협동하여 결합을 끊어야 하는 경우에는 단일 원자만으로는 한계가 있습니다. 이를 해결하기 위해 원자들이 서로 이웃하여 존재하는 앙상블 촉매 구조가 새롭게 주목받고 있습니다. 앙상블 촉매는 모든 원자가 표면에 노출되어 있으면서도 이웃한 원자들과의 상호작용을 통해 복잡한 화학 결합을 효과적으로 제어할 수 있습니다. 이는 불순물에 취약한 단일 원자 촉매의 단점을 보완하고 실제 산업 공정에서의 내구성을 높이는 대안이 됩니다. 촉매 기술의 발전은 수소 연료 전지차의 대중화와 탄소 중립 실현을 앞당기는 결정적인 열쇠입니다. 연료 전지에 들어가는 고가의 백금 사용량을 획기적으로 줄이거나, 자동차 배기가스의 오염 물질을 정화하는 삼원 촉매의 성능을 높이는 일은 모두 표면 반응 제어 기술에 달려 있습니다. 나아가 대기 중의 이산화탄소를 포집하여 다시 연료나 원료로 바꾸는 기술이 완성된다면, 인류는 지속 가능한 순환형 화학 산업 구조를 갖추게 될 것입니다. 보이지 않는 미세한 표면에서 일어나는 원자들의 움직임이 인류의 미래를 바꾸는 거대한 변화를 만들어내고 있습니다.

이현주

카오스재단카오스강연

화학

[명강리뷰] 다시 알게 된 지구 by 이상묵ㅣ 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 1강

10년 전 캘리포니아 산안드레아스 단층 지역에서 겪은 불의의 사고는 삶의 궤적을 완전히 바꾸어 놓았습니다. 죽음의 문턱까지 갔던 경험은 오히려 정신을 단단하게 만들었고, 긍정적인 사고의 틀을 형성하는 계기가 되었습니다. 과거에는 승진이나 논문 같은 세속적인 성취에만 몰두했다면, 이제는 존재의 근원과 우주적인 질문들에 더 깊은 관심을 가지게 되었습니다. 이러한 변화는 지구과학자로서 세상을 바라보는 시야를 한층 더 넓혀주었으며, 삶의 유한함을 깨닫고 본질적인 가치에 집중하게 했습니다. 우주의 역사는 137억 년 전 빅뱅으로부터 시작되었습니다. 초기 우주에는 수소와 헬륨 같은 가벼운 원소들뿐이었으나, 별의 내부에서 일어나는 핵융합과 초신성 폭발을 통해 철보다 무거운 다양한 원소들이 만들어졌습니다. 우리가 오늘날 누리는 모든 물질적 기반은 이러한 우주적 사건들의 우연한 결합으로 탄생한 결과물입니다. 원소 주기율표를 가득 채운 원소 하나하나에는 우주의 장구한 시간과 거대한 에너지가 깃들어 있으며, 이는 우리가 존재할 수 있는 물리적 토대가 되었습니다. 인류가 고등 문명을 이룩할 수 있었던 배경에는 행성과 생물권이 서로 영향을 주고받으며 발전해 온 놀라운 과정이 숨어 있습니다. 약 22억 년 전 출현한 시아노박테리아는 광합성을 통해 산소를 배출했고, 이 산소가 바닷속 철과 결합하여 거대한 철광상을 형성했습니다. 만약 지구가 특정 시기에 이러한 자원을 축적하지 못했다면, 인류는 여전히 석기 시대의 도구에 의존하고 있었을지도 모릅니다. 지구의 지질학적 변화와 생명 활동은 현대 문명을 가능케 한 필수적인 자원적 토대가 되었습니다. 지구는 마치 거대한 연료전지와 같아서, 수십억 년의 진화 과정을 통해 에너지를 축적해 왔습니다. 전자의 이동을 통해 생명체를 탄생시키고, 석유나 석탄과 같은 자원을 만들어낸 과정은 우주적인 충전 과정과도 같습니다. 하지만 인류는 지구가 오랜 세월 공들여 쌓아온 이 에너지를 산업혁명 이후 단 400년 만에 거의 소진해가고 있습니다. 자원 고갈의 문제는 단순히 경제적 위기를 넘어, 지구라는 시스템이 가진 에너지 흐름에 대한 깊은 성찰과 지속 가능한 미래에 대한 고민을 요구합니다. 우주적 관점에서 인류 문명의 위치를 가늠해 보면, 우리는 아직 행성의 모든 에너지를 활용하는 단계에도 도달하지 못한 초기 문명에 불과합니다. 드레이크 방정식이나 카르다쇼프 척도는 고등 문명이 지속되기 위해 넘어야 할 장벽이 얼마나 높은지를 시사합니다. 수많은 문명이 자원 다툼이나 환경 파괴로 사라졌을 가능성을 고려할 때, 인류의 생존과 번영은 단순한 국가적 과제를 넘어 우주적인 사명이라 할 수 있습니다. 우리는 합리적인 과학적 사고를 바탕으로 이 광활한 우주에서 인류의 자리를 지켜나가야 합니다.

카오스재단명강리뷰&질문Q

나는 연구자다 - 장종현 수소·연료전지연구단장 편

탄소중립 시대를 맞이하여 수소 에너지는 인류가 마주한 새로운 도전이자 기회로 주목받고 있습니다. KIST는 1987년부터 수소 에너지 연구를 시작하여 국가적 요구에 부응하는 원천 기술을 선도적으로 개발해 왔습니다. 특히 전기화학을 기반으로 이산화탄소 배출이 없는 그린 수소 생산을 위한 수전해 기술, 수소차의 핵심인 연료전지, 그리고 이산화탄소와 물로부터 합성가스를 만드는 장치 등이 주요 연구 대상입니다. 이러한 기술들은 기존 지식을 탄탄한 토대로 삼아 창의적인 아이디어를 유연하게 결합함으로써 완성되어 가고 있습니다. 수소 기술의 발전은 단순한 에너지 패러다임의 변화를 넘어 사회 전반에 긍정적인 가치를 전파하는 과정이기도 합니다. 연구 과정 자체를 중시하고 새로운 분야에 도전하며, 구성원 간 상호 존중하는 문화를 정립하는 것은 연구자들에게 매우 중요한 목표입니다. 현재 연구 현장에서는 수소의 생산과 저장, 활용에 이르는 전 주기에 걸친 다양한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 이러한 연구 성과들을 유기적으로 연계하여 소규모 실증 모델을 마련함으로써, 수소 경제를 꿈꾸는 많은 기업과 연구 현장을 잇는 실질적인 가교 역할을 충실히 수행하고자 합니다. 2050년 탄소중립 달성을 위해서는 미래의 불확실성을 인정하고 겸허한 자세로 연구에 임하는 것이 필요합니다. 바둑 격언 중 '한 판에 묘수 세 번 나오면 진다'는 말처럼, 화려한 기술적 묘수에 현혹되기보다는 과학기술의 정석을 흔들림 없이 지켜나가는 것이 중요합니다. 정상적인 흐름을 유지하며 기본에 충실할 때 비로소 국가에 기여할 수 있는 진정한 의미의 혁신이 자연스럽게 나타날 수 있습니다. 탄소중립이 가시권에 들어오는 미래의 어느 날, 과학자로서 우리 사회의 에너지 전환에 작게나마 기여했다는 자부심을 가질 수 있기를 진심으로 기대합니다.

한국과학기술연구원

화학
융합
공학·기술

[과학관의 뒤편] 자율주행 전기차 시승기

과거 과학관 개관 당시 연료전지 자동차를 처음 접했던 기억이 새록새록 떠오릅니다. 오랜 시간이 흘러 다시 마주한 미래형 자동차는 마치 시대를 앞서가는 감동을 선사합니다. 가속 페달을 밟는 순간 느껴지는 독특한 주행감은 기존의 내연기관차와는 차원이 다른 경험을 제공합니다. 롤러코스터를 타는 듯한 짜릿함과 함께, 단순한 이동 수단을 넘어선 새로운 기술의 집약체로서의 면모를 유감없이 보여줍니다. 이러한 변화는 우리가 알던 자동차의 정의를 새롭게 써 내려가고 있습니다. 기술적인 측면에서 가장 눈에 띄는 변화는 구동 방식의 진화입니다. 과거의 복잡한 기계 구조에서 벗어나 모터가 바퀴에 직접 연결되는 인휠 모터 시스템이나 사륜구동 방식의 발전은 차량의 외관뿐만 아니라 성능까지 획기적으로 바꾸어 놓았습니다. 주행 거리의 효율성을 극대화하고 인간의 운전 습관과는 또 다른 정밀함을 보여주는 이러한 시스템은 전기차 시대의 핵심 동력입니다. 이제 자동차는 단순한 기계 장치가 아니라 고도로 설계된 지능형 플랫폼으로 거듭나고 있습니다. 자율주행 기술이 보편화되면서 우리는 기술적 완성도만큼이나 중요한 윤리적 문제에 직면하게 되었습니다. MIT에서 제기한 자율주행 자동차 사고 시 책임 소재에 관한 논의는 매우 복잡한 사회적 과제를 던져줍니다. 사고가 발생했을 때 운전자가 책임을 져야 할지, 제조사가 져야 할지, 혹은 알고리즘을 설계한 이들에게 책임을 물어야 할지에 대한 법규 마련이 시급합니다. 이는 단순한 기술의 문제를 넘어 우리 사회가 합의해야 할 가치 판단의 영역이며, 안전을 최우선으로 하는 알고리즘 설계의 중요성을 일깨워줍니다. 새로운 시대의 자동차를 경험하다 보면 도로 위를 달리는 기존의 내연기관차들이 마치 과거의 유물처럼 느껴지기도 합니다. 소음과 진동이 가득한 엔진 소리 대신 정적 속에서 강력한 힘을 발휘하는 전기차의 모습은 현재와 미래의 경계를 허물어뜨립니다. 기술의 발전은 우리의 감각마저 변화시켜, 어제까지 당연하게 여겼던 것들을 원시적인 것으로 치부하게 만드는 힘이 있습니다. 이러한 인식의 전환은 모빌리티 혁명이 이미 우리 삶의 깊숙한 곳까지 파고들었음을 의미합니다. 우리는 이제 모빌리티의 완성형 시대를 목격하고 있습니다. 전기차와 자율주행 기술은 더 이상 먼 미래의 이야기가 아니며, 이미 우리 곁에서 구체적인 형태로 실현되고 있습니다. 앞으로 모터와 배터리 기술이 더욱 고도화됨에 따라 우리가 경험할 이동의 가치는 더욱 확장될 것입니다. 기술이 주는 편리함 뒤에 숨겨진 사회적 책임과 안전에 대한 고민을 멈추지 않는다면, 새로운 이동 수단은 인류의 삶을 더욱 풍요롭게 만드는 든든한 동반자가 될 것입니다.

국립과천과학관

융합

[강연] 미래신재생에너지 _ by김민수, 박남규 | 2020 봄 카오스강연 '첨단기술의 과학' 2강 | 2강

지구온난화는 더 이상 먼 미래의 이야기가 아닙니다. 전 세계적으로 배출되는 막대한 양의 이산화탄소는 지구의 온도를 높이고 기상이변을 일으키며 인류의 생존을 위협하고 있습니다. 기존의 화석연료 기반 에너지 시스템은 터빈을 돌리기 위해 탄소를 태워야만 했고, 이는 필연적으로 온실가스 배출로 이어졌습니다. 이러한 환경 위기를 극복하기 위해 인류는 탄소 배출이 없는 새로운 에너지원을 찾기 시작했습니다. 신재생에너지는 단순한 대안을 넘어 지속 가능한 미래를 위한 필수적인 선택이 되었으며, 그 중심에는 수소와 태양광이라는 혁신적인 기술이 자리 잡고 있습니다. 수소는 우주에서 가장 흔한 원소이자 청정한 에너지 매개체로 주목받고 있습니다. 수소를 이용해 전기를 만드는 연료전지 기술은 연소 과정 없이 화학 반응을 통해 직접 전기를 생산합니다. 수소 분자가 촉매를 만나 전자와 수소 이온으로 분리되고, 이 전자가 도선을 흐르며 전기에너지를 발생시키는 원리입니다. 이 과정에서 발생하는 부산물은 오직 깨끗한 물뿐이기에 환경오염 걱정이 없습니다. 또한 연료전지는 전기뿐만 아니라 열도 함께 발생시키므로, 가정이나 산업 현장에서 난방과 전력을 동시에 해결할 수 있는 효율적인 에너지원으로 활용될 수 있습니다. 수소 에너지의 활용 범위는 이동 수단을 넘어 산업 전반으로 확장되고 있습니다. 수소전기차는 긴 주행 거리와 빠른 충전 시간이라는 장점을 앞세워 대형 트럭이나 버스 같은 상용차 분야에서 두각을 나타내고 있습니다. 또한 드론, 잠수함, 가정용 발전기 등 다양한 분야에 적용되어 에너지 패러다임을 바꾸고 있습니다. 관건은 수소를 얼마나 저렴하고 깨끗하게 생산하느냐에 있습니다. 현재는 천연가스 개질 방식이 주를 이루지만, 태양광이나 풍력 같은 재생에너지로 물을 분해해 수소를 얻는 수전해 기술이 발전함에 따라 진정한 의미의 탄소 제로 에너지 사회가 가까워지고 있습니다. 태양광 에너지는 무한한 자원인 햇빛을 직접 전기로 바꾸는 가장 확실한 신재생에너지원 중 하나입니다. 최근 글로벌 기업들 사이에서는 기업 활동에 필요한 전력의 100%를 재생에너지로 충당하겠다는 'RE100' 캠페인이 확산되고 있습니다. 이는 단순한 환경 보호 차원을 넘어 국가와 기업의 경쟁력을 결정짓는 중요한 요소가 되었습니다. 하지만 기존 실리콘 태양전지는 제조 공정이 복잡하고 비용이 높다는 한계가 있었습니다. 이를 극복하기 위해 과학자들은 더 가볍고 저렴하면서도 효율이 높은 차세대 태양전지 소재를 연구해 왔으며, 그 결과 페로브스카이트라는 혁신적인 물질을 발견했습니다. 페로브스카이트 태양전지는 짧은 연구 기간에도 불구하고 실리콘 태양전지에 버금가는 높은 효율을 달성하며 전 세계의 주목을 받고 있습니다. 이 물질은 빛을 흡수하는 능력이 매우 뛰어나 아주 얇은 막으로도 충분한 전기를 생산할 수 있습니다. 또한 고온의 공정 없이 용액을 바르는 간단한 방식으로 제조가 가능해 생산 비용을 획기적으로 낮출 수 있다는 장점이 있습니다. 유기물과 무기물이 결합한 독특한 결정 구조 덕분에 유연하게 휘어지는 성질을 가질 수 있어, 건물 외벽이나 휴대용 기기 등 기존 태양전지가 설치되기 어려웠던 다양한 장소에 적용될 수 있는 무궁무진한 가능성을 품고 있습니다. 물론 새로운 기술이 상용화되기 위해서는 넘어야 할 기술적 장벽들이 존재합니다. 페로브스카이트 태양전지의 경우 수분이나 열에 취약한 안정성 문제를 해결하는 것이 가장 큰 숙제입니다. 과학자들은 소재의 조성을 변경하거나 보호막 기술을 도입하여 내구성을 높이는 연구를 지속하고 있습니다. 또한 대면적에서도 고효율을 유지할 수 있는 공정 기술을 개발하는 데 박차를 가하고 있습니다. 이러한 노력은 기존 실리콘 태양전지에 페로브스카이트를 쌓아 효율을 극대화하는 탠덤 태양전지 기술로도 이어지고 있으며, 이는 태양광 발전의 경제성을 한 단계 더 끌어올리는 계기가 될 것입니다. 대한민국은 수소전기차 양산과 페로브스카이트 효율 경신 분야에서 세계 최고의 기술력을 보유하고 있습니다. 수소와 태양광이라는 두 축이 결합한 미래는 우리가 꿈꾸는 청정 에너지 사회의 모습입니다. 태양광으로 만든 전기로 물을 분해해 수소를 생산하고, 그 수소를 다시 연료전지에 넣어 필요한 때에 전기와 열을 얻는 에너지 순환 시스템은 지구온난화를 멈출 강력한 열쇠가 될 것입니다. 기술의 진보는 단순히 편리함을 넘어 인류와 지구가 공존할 수 있는 길을 제시합니다. 지속적인 연구와 사회적 관심이 뒷받침된다면, 깨끗한 에너지가 일상이 되는 수소 경제 시대는 머지않아 현실로 다가올 것입니다.

김민수, 박남규

카오스재단카오스강연

화학
융합

[석학인터뷰] 김민수 ─ 우리나라에 테슬라보다 앞선 자동차 기술이 있다?! | 2020 봄 카오스강연 '첨단기술의 과학'

대한민국은 수소전기차 연료전지 분야에서 오랜 연구 역사를 자랑하며, 지속적인 투자를 통해 수소 경제의 기틀을 마련해 왔습니다. 현재 국내 도로 위에는 수천 대의 수소전기차가 실제로 운행되고 있으며, 이는 우리 기술의 실용성과 신뢰성을 증명하는 사례가 되고 있습니다. 비록 초기 단계의 높은 차량 가격과 충전 인프라 부족이라는 현실적인 제약이 존재하지만, 생산과 보급 측면에서 보여주는 성과는 매우 고무적입니다. 이러한 저변 확대는 한국이 미래 친환경 모빌리티 시장을 선점하는 중요한 발판이 될 것입니다. 자율주행 기술은 기존의 내연기관차에서도 구현이 가능하지만, 수소전기차와 같은 차세대 모빌리티에서 그 잠재력이 극대화됩니다. 시스템 전체가 고도화된 전자 제어 방식을 따르기 때문에 복잡한 인공지능 알고리즘을 차량의 움직임과 동기화하기에 매우 적합하기 때문입니다. 이러한 기술적 특성은 차량의 반응 속도를 획기적으로 높이고 정밀한 위치 제어를 가능하게 하여 안전성을 강화합니다. 결국 미래의 도로는 수소 에너지의 효율성과 자율주행의 편리함이 결합된 지능형 차량들이 주도하게 될 것입니다. 지구 온난화의 주범인 탄소 배출을 줄이기 위해 전 세계는 화석 연료를 대체할 새로운 에너지원에 주목하고 있습니다. 그 중심에 있는 수소는 연료전지라는 장치를 통해 전기와 열을 생산하며, 오랫동안 친환경 에너지 솔루션으로 연구되어 왔습니다. 수소 경제의 실현을 위해서는 단순히 이용하는 단계를 넘어, 수소를 친환경적으로 생산하고 안전하게 저장하며 효율적으로 수송하는 전 과정의 기술적 뒷받침이 필수적입니다. 이러한 에너지 패러다임의 전환은 기후 위기 대응뿐만 아니라 지속 가능한 미래를 구축하는 데 핵심적인 역할을 할 것입니다.

김민수

카오스재단카오스강연

화학
융합

[강연] 사랑의 배터리-전기 화학 by정택동｜2019 서울대 자연과학대학 공개강연 '과학 선율' | 1강

서울대학교 자연과학 공개 강연은 1994년부터 시작되어 과학의 즐거움을 대중과 나누는 대표적인 프로그램으로 자리 잡았습니다. 올해는 '과학자의 꿈과 도전: 과학 선율'이라는 주제 아래, 기초과학의 다양한 분야에서 발견되는 파동과 곡선의 미학을 탐구합니다. 과학은 단순히 정답을 찾는 과정이 아니라, 작은 물음표에서 시작해 더 큰 물음표를 가슴에 품게 되는 끝없는 탐구의 여정입니다. 이번 강연은 예비 과학자들이 인류의 미래를 위해 봉사할 꿈을 키우고, 일상 속에 숨겨진 과학의 아름다운 선율을 느끼는 소중한 기회가 됩니다. 전기화학은 물리학의 전자기학적 원리를 화학적 물질 변환에 접목하여 연구하는 학문입니다. 화학이 물질의 근본적인 변화를 다룬다면, 전기는 전하의 흐름을 통해 에너지를 전달하고 일을 수행합니다. 마이클 패러데이는 화학적 정량과 전하량 사이의 정량적 관계를 정립하며 이 두 세계를 연결하는 가교를 놓았습니다. 전자의 위치 에너지를 정밀하게 제어함으로써 분자로부터 전자를 끄집어내거나 다시 넣어주는 과정은 전기화학의 가장 핵심적인 방법론이며, 이를 통해 우리는 물질의 성질을 의도적으로 변화시키고 에너지를 조절할 수 있게 됩니다. 우리 주변의 모든 물질은 원자와 분자 내부에 전자를 가두고 있으며, 이 전자를 잃거나 얻는 산화·환원 반응은 생명 현상의 근간을 이룹니다. 자연계의 탄소 순환 역시 거대한 산화·환원의 반복으로 이해할 수 있습니다. 식물은 태양 에너지를 이용한 광합성을 통해 탄소를 고정하며 에너지를 축적하고, 동물은 호흡을 통해 유기물을 산화시켜 생명 유지에 필요한 에너지를 얻습니다. 지구 생태계는 이러한 전자의 이동과 에너지 기울기를 통해 정교한 균형을 유지하며, 생명체는 그 과정에서 발생하는 에너지를 신진대사의 원천으로 삼아 생존을 이어갑니다. 현대 기술의 집약체인 리튬 이온 배터리는 전기화학적 원리를 이용한 대표적인 에너지 저장 장치입니다. 충전 시에는 리튬 이온이 전자를 받아 금속 리튬 형태로 흑연 층 사이에 저장되며, 방전 시에는 다시 이온화되어 양극으로 이동하며 에너지를 방출합니다. 이때 양극의 전이 금속 산화물은 전하의 균형을 맞추기 위해 스스로 산화·환원을 반복합니다. 가벼우면서도 높은 전압을 낼 수 있는 리튬의 특성을 활용하여 좁은 공간에 최대한 많은 에너지를 안정적으로 가두는 것이 배터리 기술의 핵심이며, 이는 전기 자동차와 같은 미래 산업의 원동력이 됩니다. 배터리의 효율을 극대화하기 위해서는 전자가 이동하는 통로인 전극뿐만 아니라, 그 주변을 둘러싼 용매와 전해질의 역할이 매우 중요합니다. 리튬 이온이 고체 전극 내부로 침투하거나 빠져나올 때 발생하는 에너지 손실을 최소화해야만 빠른 충전과 긴 수명을 보장할 수 있습니다. 특히 급속 충전 과정에서 금속이 무작위로 자라나 단락을 일으키면 열 폭주와 같은 위험한 상황이 발생할 수 있으므로, 원자 수준에서의 정밀한 계면 제어가 필수적입니다. 과학자들은 가속기 등을 활용해 충·방전 시 일어나는 물질의 변화를 실시간으로 관찰하며 더 안전한 배터리를 연구하고 있습니다. 차세대 친환경 에너지원으로 주목받는 수소 연료전지는 수소를 산화시켜 전기를 얻고 부산물로 순수한 물만 남기는 이상적인 시스템입니다. 하지만 실제 구동 과정에서 산소가 환원되는 반응 속도가 매우 느려 전체적인 효율을 떨어뜨리는 숙제를 안고 있습니다. 현재는 백금이 가장 우수한 촉매로 사용되고 있으나, 높은 가격 문제를 해결하기 위해 백금의 양을 줄이거나 이를 대체할 새로운 촉매 물질을 설계하는 연구가 활발히 진행 중입니다. 태양 에너지를 이용해 물을 분해하고 수소를 생산하여 다시 전기로 바꾸는 순환 구조는 지속 가능한 지구를 만들기 위한 과학계의 거대한 도전입니다. 전기화학의 영역은 에너지 저장을 넘어 바이오 센서와 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 분야로 그 지평을 넓히고 있습니다. 전자기적 제어의 세계와 복잡한 생물 화학적 세계가 만나는 경계선에서 전기화학은 두 영역을 연결하는 핵심적인 역할을 수행합니다. 인간의 뇌신경 회로와 디지털 기기가 정보를 가역적으로 주고받는 미래 기술의 중심에는 전하의 흐름을 다루는 정교한 과학적 통찰이 자리 잡고 있습니다. 서로 다른 분야가 만나 공명을 일으키는 과학의 선율은 인류의 삶을 더욱 풍요롭게 변화시킬 것이며, 이러한 끊임없는 호기심과 도전이 미래 과학의 탄탄한 기본기가 됩니다.

정택동

카오스재단서울대자연과학공개강연

화학

[강연] 화학반응의 바늘과 실: 전자와 양성자 _ by정택동｜ 2018 가을 카오스 강연 '화학의 미스터리, CheMystery' 4강 | 4강 ①

화학은 물질의 변환을 다루는 학문입니다. 제2차 세계 대전 당시 나치의 눈을 피해 금으로 된 노벨상 메달을 왕수에 녹여 보관했다가 전쟁 후 다시 금으로 되돌린 일화는 화학의 본질을 잘 보여줍니다. 겉모습이 완전히 변해도 원소 자체는 사라지지 않으며, 적절한 반응을 통해 원래의 상태로 복원할 수 있다는 믿음은 화학적 원리에 기반합니다. 금속에서 전자를 빼내어 이온화하고, 다시 전자를 넣어 금속으로 환원시키는 과정은 물질의 근본적인 변화를 제어하는 화학의 핵심적인 과정이라 할 수 있습니다. 화학 반응의 중심에는 전자와 양성자가 있습니다. 전자를 잃는 산화와 전자를 얻는 환원은 항상 쌍을 이루어 일어나며, 이는 우리 주변에서 일어나는 수많은 물질 변화를 설명하는 기본 원리가 됩니다. 이 작은 입자들은 서로 긴밀하게 상호작용하며 물질의 전기적 중성을 유지하고 복잡한 구조적 변화를 이끌어냅니다. 인류가 전자의 존재를 명확히 이해하게 된 것은 비교적 최근의 일이지만, 이들의 움직임은 우주와 생명의 모든 화학적 변환을 주도하는 가장 강력한 동력이자 보이지 않는 세계의 질서를 구축하는 근간입니다. 양성자의 활동은 주로 산과 염기의 작용으로 나타납니다. 물 분자 사이에서 양성자가 이동하며 산성도를 결정하고, 이는 생명 현상뿐만 아니라 지구 전체의 환경 시스템에도 지대한 영향을 미칩니다. 특히 대기 중 이산화탄소가 물에 녹아 평형을 이루는 과정은 양성자의 농도에 따라 결정되는데, 최근 급격한 이산화탄소 증가는 바다의 산성화를 초래하여 생태계를 위협하고 있습니다. 이처럼 미세한 양성자의 움직임은 산호초의 생존부터 지구 전체의 기후 변화에 이르기까지 거대한 자연의 순환 체계를 지탱하는 중요한 축으로 작동합니다. 광합성은 태양의 빛 에너지를 화학 에너지로 변환하는 경이로운 과정입니다. 식물의 엽록소가 빛을 흡수하여 들뜬 전자를 전달하면, 물이 산화되어 산소가 발생하고 이 과정에서 생명 활동에 필요한 에너지가 축적됩니다. 전자가 전자 전달계를 따라 이동할 때 양성자가 함께 펌핑되며 생명체의 에너지 화폐인 ATP가 생성됩니다. 식물은 이 에너지를 이용해 공기 중의 이산화탄소를 고정하여 유기물을 합성합니다. 이는 지구상의 모든 생명체가 살아갈 수 있는 연료를 생산하는 거대한 천연 화학 공장과 같은 역할을 수행합니다. 생명체의 호흡은 광합성의 역과정으로, 섭취한 영양소를 산화시켜 생존에 필요한 에너지를 얻는 과정입니다. 우리가 들이마신 산소는 전자를 받아 환원되고, 그 결과 이산화탄소가 배출되며 생태계의 탄소 순환이 완성됩니다. 광합성이 에너지를 저장하는 환원의 여정이라면, 호흡은 그 에너지를 인출하여 사용하는 산화의 여정이라 할 수 있습니다. 전자와 양성자의 끊임없는 순환은 태양 에너지를 생명의 동력으로 바꾸어 전달하며, 지구상의 모든 생명 현상을 유지하고 대를 이어가게 하는 근본적인 메커니즘으로 작동하고 있습니다. 현대 전기화학은 전자의 흐름을 정교하게 제어함으로써 인류의 삶을 혁신적으로 변화시키고 있습니다. 리튬 이온 배터리는 전기 에너지를 화학 에너지로 저장하여 모바일 시대를 열었으며, 혈당 센서는 생체 내의 화학 반응을 전기 신호로 바꾸어 질병 관리를 돕습니다. 더 나아가 뇌의 신경 신호를 컴퓨터와 연결하는 뇌-컴퓨터 인터페이스 연구는 전기화학의 새로운 지평을 열고 있습니다. 전자기적인 세계와 생화학적인 세계의 경계에서 일어나는 입자들의 상호작용을 이해하는 것은 인류의 미래 기술을 설계하는 데 있어 가장 핵심적인 토대가 됩니다. 지속 가능한 미래를 위한 핵심 기술인 연료전지는 수소와 산소의 반응을 통해 깨끗한 전기 에너지를 생산합니다. 하지만 산소 환원 반응의 효율을 높이기 위해 여전히 고가의 백금 촉매에 의존해야 하는 한계가 존재합니다. 과학자들은 생체 효소의 정교한 구조에서 영감을 얻어 백금을 대체할 수 있는 새로운 촉매를 찾기 위해 끊임없이 도전하고 있습니다. 뜨겁지 않은 연소를 통해 에너지를 직접 얻으려는 인류의 열망은 전자와 양성자의 조화를 완벽히 이해하고 제어하려는 노력을 통해 수소 경제라는 새로운 시대를 향해 나아가고 있습니다.

정택동, 황성필

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화학

[강연] 왜 지구인가? (3) _ 이강근, 이상묵 교수 | 2016 가을 카오스 강연 '지구인도 모르는 지구' 1강 | 1강 ③

2006년 야외 지질 조사 중 발생한 불의의 사고는 한 과학자의 삶을 송두리째 바꿔놓았습니다. 전신마비라는 가혹한 현실 앞에서도 이상묵 교수는 절망 대신 과학적 질문을 던졌습니다. 지구가 형성되고 변화하는 과정을 연구하는 지구과학자로서의 배경은 그가 겪은 거대한 변화를 객관적으로 바라보게 하는 힘이 되었습니다. 사고 이전에는 단순히 직업으로서의 과학이었다면, 사고 이후에는 삶을 지탱하고 다시 바라보게 하는 실존적인 도구가 된 것입니다. 사고 직후 겪었던 3일간의 임사체험은 그를 더욱 단단하게 만드는 계기가 되었습니다. 죽음의 문턱에서 경험한 무의식의 세계는 역설적으로 삶에 대한 긍정적인 태도를 심어주었습니다. 죽음을 직접 대면해 본 경험은 세상의 사소한 걱정들로부터 그를 자유롭게 했으며, 논문이나 승진 같은 세속적인 목표보다 존재의 근원적인 의미에 집중하게 만들었습니다. 이러한 정신적 변화는 그가 장애를 극복하고 다시 강단에 서는 데 결정적인 역할을 했습니다. 과학자에게 믿음은 쉬운 선택일 수 있지만, 그는 단순히 믿기보다 알고자 하는 길을 택했습니다. 칼 세이건의 말처럼 '믿고 싶은 것이 아니라 알고 싶다'는 열망은 그를 물리, 화학, 생물학을 아우르는 통합적 탐구로 이끌었습니다. 지구과학적 지식 위에 기초 과학의 원리들을 더해가며 그는 인간이 우주에서 어떤 위치에 있는지, 그리고 우리가 어디까지 이해할 수 있는지를 끊임없이 자문했습니다. 이는 단순한 호기심을 넘어 고난을 이겨내는 지적 뿌리가 되었습니다. 우리의 존재는 138억 년 전 빅뱅으로부터 시작된 기적적인 우연의 연속입니다. 초기 우주에 존재하던 가벼운 원소들은 별의 내부에서 핵융합을 거쳐 철과 같은 무거운 원소로 변모했습니다. 거대한 별이 수명을 다해 초신성으로 폭발하며 자신을 희생한 덕분에, 오늘날 우리 몸을 구성하는 다양한 원소들이 우주에 뿌려질 수 있었습니다. 결국 우리는 모두 별의 먼지에서 태어난 존재들이며, 우주의 역사가 응축된 고귀한 결과물이라고 할 수 있습니다. 지구와 생명은 수십억 년 동안 서로 영향을 주고받으며 공진화해 왔습니다. 약 22억 년 전 출현한 사이아노박테리아의 광합성은 지구 대기에 산소를 공급했고, 이는 바닷속 철과 결합하여 거대한 철광산을 형성했습니다. 만약 이러한 지질학적 변화가 없었다면 인류는 철기 시대를 거쳐 현대 문명으로 나아가지 못했을 것입니다. 우리가 누리는 고등 문명은 지구라는 행성이 특정 시기에 겪은 급격한 변화와 생명 활동이 맞물려 만들어낸 합작품입니다. 지구는 거대한 연료전지와 같습니다. 수십억 년의 시간 동안 지구는 전자 이동을 통해 에너지를 축적해 왔으며, 그 과정에서 석유와 석탄 같은 자원이 만들어졌습니다. 우리가 현재 사용하는 화석 연료는 우주와 지구의 긴 역사 속에서 단 한 번의 복잡한 과정을 거쳐 생성된 소중한 자산입니다. 산업혁명 이후 인류가 이룩한 비약적인 발전은 지구가 오랜 세월 충전해 온 에너지를 짧은 시간 동안 집중적으로 소비함으로써 가능해진 일임을 기억해야 합니다. 드레이크 방정식과 카르다쇼프 척도는 우주에서 고등 문명이 존재할 확률과 그 수준을 가늠하게 합니다. 광활한 우주에서 인류와 같은 고등 문명이 드물다면, 우리의 생존과 번영은 단순한 생물학적 유지를 넘어선 우주적인 사명이 됩니다. 자원 고갈과 환경 파괴라는 위기를 극복하고 더 높은 단계의 문명으로 나아가기 위해서는 합리적인 과학적 사고가 필수적입니다. 인류는 이제 지구라는 요람을 넘어 우주적 관점에서 자신의 역할을 재정의해야 합니다.

이강근, 이상묵

카오스재단카오스강연

지구환경과학