안녕하세요!  포커스 15기 중화고등학교 송유하입니다. 이번 포커스에서는 수소 저장 및 운송 기술, 특히 LOHC 기술과 암모니아(NH3) 기반 시스템을 연구하고 계신 화학공학과 윤창원 교수님을 만나 인터뷰를 진행했습니다. 그럼, 인터뷰 내용을 살펴보시죠!

Q. 교수님께서 연구하고 계시는 주제에 대해 간략한 설명 부탁드립니다.

A. 현재 우리 연구실은 수소에 집중한 연구를 진행하고 있습니다. 주로 수소를 효율적으로 생산하기 위한 방법과 실용적으로 활용하기 위한 방법을 다룹니다. 이를 위해서는 대용량의 수소를 저장하고 운반하는 기술이 필요한데, 저희는 수소 저장과 운송 기술에 초점을 맞춰 연구를 진행하고 있습니다.

Q. 수소 저장 기술에는 물리적 방법과 화학적 방법이 있다고 들었습니다. 각각의 대표적인 예시를 소개해 주실 수 있나요?

A. 물리적 수소 저장은 수소 분자를 그대로 저장하는 방식으로, 고압을 가해 저장하는 압축 저장과 수소를 영하 235 °C 이하로 냉각하여 액체로 저장하는 극저온 저장이 대표적입니다. 화학적 저장은 수소 분자가 다른 물질과 화학 반응을 일으켜 결합한 형태로 저장하는 방법입니다. 수소(H2)를 암모니아(NH3) 형태로 저장하는 방식과 LOHC를 통해 수소를 저장하는 방식이 대표적입니다. 

Q. 두 방식의 장단점도 알려주시면 감사하겠습니다.

A. 물리적인 저장 기술은 이미 상용화 단계에 도달해 지금도 쉽게 사용할 수 있습니다. 특히 압축 저장은 이미 현대의 ‘넥쏘’와 같은 수소차에 700 기압(atm)으로 압축된 수소를 저장탱크에 넣어 사용하는 방식으로 활용되고 있기도 합니다. 하지만, 이러한 물리적인 방법들은 장거리 수송에 사용하기에는 한계가 있다는 단점이 있습니다. 반면 화학적 수소 저장 기술들은 아직 연구 단계에 있지만, 대용량 저장 및 장거리 운송에 유리하다는 큰 장점이 있습니다.

Q. 교수님께서는 수소 저장의 화학적 방법 중에서도 LOHC에 집중해 연구를 진행하신다고 들었습니다. LOHC가 무엇인지 설명해 주실 수 있나요?

A. LOHC는 ‘Liquid Organic Hydrogen Carrier’의 약자로, 우리말로는 ‘액상유기수소운반체’라고 합니다. 톨루엔(Toluene, C7H8)과 같은 방향족 고리 화합물은 수소와 반응할 수 있는 C=C 이중 결합을 가지고 있습니다. 이 결합에 수소가 더해지면 새로운 C–H 결합이 생기면서 수소가 저장됩니다. 이처럼 액상 유기화합물을 매개로 하여 촉매를 통해 수소를 화학적으로 저장하는 방법을 LOHC 기술이라고 합니다. 

Q. 교수님께서 톨루엔–메틸사이클로헥세인 사이클 기반 LOHC 시스템에 주목하시는 이유가 궁금합니다.

A. 제가 톨루엔과 메틸사이클로헥세인(Methylcyclohexane, C7H14)을 중점으로 두는 이유는 다음과 같습니다. 첫 번째로, 톨루엔은 굉장히 쉽게 구할 수 있는 물질입니다. 현재 화학 정유 산업에서 톨루엔을 대량으로 생산할 수 있으며, 가격이 저렴합니다. 두 번째로, 메틸사이클로헥세인은 액상 형태이기 때문에 대용량으로 선박에 실어 나르기에 용이하며, 관련 인프라도 매우 잘 구축되어 있습니다. 즉, 톨루엔과 메틸사이클로헥세인은 기존 화석연료의 인프라를 그대로 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 재생 에너지가 저렴한 지역에서 생산된 수소를 톨루엔에 저장해 메틸사이클로헥세인으로 바꾸면 우리나라로 쉽게 운반할 수 있기 때문에 주목하고 있습니다. 

Q.  수소 저장 기술에서 가장 중요하게 고려되어야 하는 요소는 무엇인가요?

A. 고리 화합물을 이용한 수소 저장 기술에서는 탈수소화 반응에 많은 에너지가 필요합니다. 앞서 말씀드렸듯이, 수소는 톨루엔과 반응하여 메틸사이클로헥세인으로 변환되어 저장되며, 이를 운송한 뒤 다시 탈수소화 반응을 통해 메틸사이클로헥세인에서 톨루엔으로 되돌리며 수소를 추출합니다. 이때, 역으로 수소를 추출하는 반응을 탈수소화 반응이라고 부르고, 이는 활성화에너지가 매우 높은 흡열반응입니다. 따라서 이 반응을 효율적으로 제어하는 것이 관건입니다. 즉, 300 °C 이상의 고온에서 수소를 추출할 수 있는 고성능 촉매를 개발하는 것이 핵심 과제 중 하나입니다.

Q. 앞으로 수소 에너지 저장 기술이 더 발전하게 된다면 사회나 산업 전반에 어떤 변화가 일어날 것으로 기대하시나요?

A. 우리나라는 제조업이 강한 국가인 만큼, 산업 현장에서 많은 이산화탄소를 배출하고 있습니다. 제가 진행하는 연구가 성공한다면, 제조업 분야에서 화석연료 대신 수소를 활용할 수 있게 될 것으로 예상합니다. 이는 에너지 사용 후 물 외의 부산물은 발생하지 않게 함으로써 우리나라의 산업 구조를 친환경적으로 전환하는 데 기여할 수 있을 것이라 생각합니다. 더 나아가 글로벌 탄소 중립 실현에도 크게 이바지할 것이라 기대하고 있습니다.

Q. LOHC 기술 외에도 교수님께서는 암모니아 기반 수소 저장 기술 개발도 활발히 진행하고 계신다고 들었습니다. 이에 관해 설명 부탁드립니다. 

A. 암모니아는 LOHC보다 무게나 부피당 더 많은 수소를 한 번에 저장할 수 있다는 장점이 있으며, 수소를 추출하는 과정에도 이산화탄소(CO2)가 발생하지 않아 친환경적입니다. 현재 우리 연구실에서는 암모니아로부터 효율적으로 수소를 추출하기 위한 촉매와 반응기를 연구하고 있습니다. 이 기술은 국가 차원에서도 많은 관심을 받고 있으며, 실제 산업 현장에 적용하고자 여러 기업과 공동연구 및 협업을 활발히 진행하고 있습니다.

Q. 마지막으로 화학공학과 교수님의 관점에서, 앞으로 수소에너지 분야로 진출하고자 하는 학생에게 학과 선택에 대한 조언의 말씀 부탁드립니다.

A. 수소에너지 연구는 특정 학과에 국한되지 않습니다. 따라서 이를 연구하기 위해 특정 학과에 진학할 필요는 없습니다. 오히려 다양한 전공에 관심을 두고, 자신이 어떤 방식으로 기여할 수 있을지 열린 시각으로 접근하는 것이 중요합니다. 예로, 화학공학자는 수소생산, 저장 공정 설계와 시스템 효율화에 집중합니다. 촉매 개발은 화학공학자 또는 신소재공학자가, 촉매 내 반응은 화학자가 연구합니다. 기계공학자는 시스템 통합을 통해 에너지 효율을 높입니다. 이처럼 수소에너지는 여러 학문 분야와 연결되어 있으며, 학제 간 융합 연구가 매우 중요한 영역입니다. 포스텍처럼 무은재학부를 운영하는 학교는 입학 후 다양한 실험실을 경험하며 각 분야의 연구를 체험할 수 있고, 이를 바탕으로 적합한 학과를 선택할 수 있습니다. 결국, 수소에너지 핵심 기술에 기여하려면 자신의 관심과 경험에 따라 학과를 결정하는 것이 가장 중요합니다.

지금까지 포스텍 화학공학과 윤창원 교수님과의 인터뷰 내용을 살펴보았습니다. 귀중한 시간을 내어 인터뷰에 응해주신 윤창원 교수님께 깊이 감사드립니다. 인터뷰가 원활히 이루어질 수 있도록 함께 애써주신 김채윤, 박지연 알리미님과 강수향 사정관님, 촬영해 주신 김승의, 윤은지 감독님께도 감사드립니다.