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수소차 연료전지 핵심 소재 제조공정 개발 성공,

국산화 위한 기술이전 계약 체결

화학소재연구본부 박인준 박사팀

기초원료(TFE, 가스)

화학연은 ㈜켐트로스(대표 이동훈)와 3월 16일 오후 2시 화학연 중회의실에서 수소차 연료전지의 핵심 소재인 과불화술폰산 이오노머(PFSA)를 국산화하기 위한 기술이전 계약을 체결했다. 
이날 행사에는 화학연 이미혜 원장, 윤성철 화학소재 연부본부장, 손은호 계면재료화학공정연구센터장, 박인준 책임연구원(연구책임자), ㈜켐트로스 이동훈 대표이사, 곽주호 연구소장, 전상현 상무, 진유식 부장 등 관계자 10여 명이 참석했다.
과불화술폰산 이오노머(Perfluorosulfonic acid)는 전체가 불화탄소(C, F)로 된 구성된 고분자로, 수소이온 (H+) 전달 역할을 하는 소재이다. 수소차, 에너지 저장 장치(ESS), 분산전원(태양광이나 풍력과 같은 신·재생 에너지 자원을 이용한 소규모 발전 설비), 전해조(전기 분해를 하는 장치) 등에 사용된다. 이중 특히 수소차는 환경오염 물질을 배출하지 않아 탄소중립을 실현할 수 있는 차세대 운송 수단 중 하나로 꼽혀 정부에서도 수소차 산업을 육성할 예정이다. 2019년 산업통상자원부의 수소경제활성화 로드맵에 따르면 우리나라 수소 차 생산 규모를 연간 2022년 8.1만 대, 2040년 620만 대로 확대할 계획이다.
수소차는 연료전지에서 수소와 산소의 화학적 반응으로 물이 배출되고 전기가 생성되는 원리로 움직인다. 따라서 연료전지 내의 수소이온을 통과시켜 산소와 반응을 일으키게 하는 전해질 막이 중요하다. 전해질막인 과불화술폰산 이오노머(PFSA) 제조 공정은 불소화학의 모든 기술이 집약된 기술로, 수분, 온도, 폭발성 등 여러 민감한 변수가 있고 제조 공정이 매우 까다롭고 길어 듀폰, AGC, Solvay 등 일부 글로벌 기업만 제조할 수 있다. 현재 국내에서는 전량 수입에 의존하고 있는 실정으로 국산화를 위해서는 기초원료인 사불화에틸 렌(TFE), 산화육불화프로펠렌(HFPO), 중간물질인 불 화산(-COF) 화합물, 과불소술폰산 단량체, 불소계 개 시제, 최종 소재(불소고분자) 제조 기술과 신뢰성 검증 기술 등을 모두 확보해야 한다.  
화학연 불소화학소재공정 국가연구실(19F-N-LAB)은 과학기술정보통신부가 소재 부품 장비 기술력 향상을 위해 지정한 연구실로 30년 이상 축적한 불소 화합물 연구역량을 바탕으로 2018년 국내 최초로 과불화술 폰산 이오노머 합성기술을 개발했으며, 이후 상업화를 위한 생산 공정을 계속 연구해왔다.
연구실은 과불화술폰산 이오노머의 기초 원료 제조공정, 단량체로부터 과불화술폰산 이오노머 제조공정 등 상업화에 필요한 제조 공정 총 9단계를 최적화하여 ㈜ 켐트로스에 기술이전했다. 연구실은 현재 ㈜켐트로스 와 함께 2022년 상반기 생산 개시를 목표로 연간 100 톤 규모의 상업생산공장 설계 및 건설, 시제품의 장기 안정성 평가 등을 추진하고 있다. 연간 100톤 규모는 승용차 기준으로 연간 10만 대의 소요량에 해당된다 (1Kg/대 x 100,000대=100톤).
화학연 이미혜 원장은 “과불화술폰산 이오노머의 제조와 활용기술은 수소차, 에너지저장장치 등 다양한 곳에 쓰일 수 있어 국가전략산업인 그린뉴딜 및 수소 산업 발전, 탄소중립 실현에 기여할 수 있다. 또한 소재·부품·장비의 핵심소재로서 그동안 일본 등 해외에서 전량 수입해온 소재를 국산화하여 관련 산업을 육 성할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 
박인준 연구책임자는 “PFSA 제조 공정은 진입장벽이 높아 미국, 일본, 벨기에 등 단 몇 개 선진국가만 보유 하고 있다. 이를 국내 독자 기술로 개발해 의미가 있으며 향후 상용화가 잘 진행될 수 있도록 기업과 후속 연 구를 진행하겠다.”고 말했다. 
한편 본 연구는 화학연 주요사업 및 한국에너지기술 평가원 에너지기술개발사업의 지원으로 수행되었다. 

1. 기초원료(TFE, 가스) / 2. 과불화술폰산 이오노머 원료물질 (FSVE 단량체, 액체) / 3. 과불화술폰산 이오노머 중간물질 (-SO2F form 중합체, 고체)
/ 4. 과불화술폰산 이오노머 최종산출물 (-SO3H form 전해질, 고체)