[한스경제=이성노 기자] 유례없는 기후 변화를 경험하며, 인류는 그 어느때보다 탈탄소의 필요성을 여실히 느끼고 있다.

또한 이에 따른 변화의 흐름도 일고 있다. 수소에너지로의 전환은 그 대표적인 흐름 중 하나라고 할 수 있다. 우리가 일상적으로 수소에너지를 체감할 수 있는 것은 바로 ‘탈 것’, 즉, 모빌리티일 것이다.

글로벌 완성차 업체들이 올해 수소차의 새로운 모델 개발 및 출시 소식들을 전해오고 있다. 그동안 수소차는 내연기관에서 친환경차로의 패러다임 전환 과정에서 전기차에게 헤게모니를 빼앗긴 모습을 보여줬다.

이는 높은차량 가격, 충전 인프라 부족 등이 원인으로 제기돼 왔다. 그러나 실질적인 원인은 수소차의 핵심부품인 수소연료전지의 내구성과 같은 상품성이 내연기관과 전기차에 비해 열세에 있다는 것이다. 

수소연료전지의 내구성이 떨어지는 이유는 복합적이지만, 그 중에서도 전극을 이루고 있는 백금계 촉매에 원인이 있다고 볼 수 있다.

특히 백금계 촉매의 매트릭스 역할을 하는 탄소 소재가 수소연료전지의 구동 과정에서 산화가 되는 ‘탄소 부식’ 현상이 일어남으로써, 수소연료전지의 성능과 내구성이 직접적으로 저하가 되는 경우가 대표적이라고 할 수 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해, ㈜더카본스튜디오(대표이사 김기민)는 국내 수소연료전지 분야에 속한 주요밸류 체인기업들과 협업해 탄소 부식에 내성을 갖는 우수한 물성의 다공성 탄소 소재개발에 매진했다.

3년에 걸친 R&D와 실증 과정을 통해 첫 모델인 ‘고결정성다공성 탄소’개발에 성공했다. 이에 올해는 물성의 신규성과 진보성을 인정받아 물질 특허에 대한 국내 등록 승인받았다. 

더카본스튜디오가 개발한 탄소 소재및 생산 기술은 탄소의 흑연 구조를 고도화함과 동시에 촉매 역할을 수행하는 백금 나노입자들을 결합하기 위한 적절한 다공성을 확보함으로써 수소연료전지의 내구성을 향상할 수 있다. 또한 이를 통해 수소연료전지 및 수소차의 보급에 기여하는 것이 가장 큰 목표라고 할 수 있다.

수소연료전지 (이하 연료전지)는 수소를 연료 및 원료로 해 전기화학반응을 통해 전기를 얻을 수 있는 장치로써, 전기를 생산하는 과정에서 오염 물질을 배출하지 않고 기존의 내연기관보다 높은 효율을 가졌기에 청정 에너지원으로서 인식돼 활발한 연구 및 상업화가 이루어지고 있다. 

현재 수소연료전지 산업계의 핵심 화두 중 하나는 촉매의 낮은 내구성으로 인한 연료전지의 빠른 성능 저하이다. 수소연료전지의 전기화학 반응은 백금 기반의 촉매에 의해 일어나게 되는데, 이러한 백금은 담지체라고 일컫는 다공성 탄소 소재에 담지돼 수소연료전지의 산화·환원전극을 구성한다.

현재 담지체는 전기 전도도가 우수하고 취급이 용이하며 가격이 저렴한 탄소 소재가 널리 이용된다.

하지만 이러한 탄소 소재의 약한 내산화성이 연료전지 내구성을 저하시킨다는 결과가 나타나고 있으며, 추후 버스나 대형트럭, 택시와 같은 운전 강도가 높은 중대형 시장에서 수소전기차가 활용되기 위해서는 탄소 담지체 기반의 내구성 및 수명으로는 한계가 있다.

이 같은 문제를 해결하기 위해선 탄소에 백금이 고르게 담지되기 위한 높은 고다공성과, 수소연료전지의 내구성을 확보할 수 있는 고결정성을 동시에 만족해야 한다. 때문에 대부분의 탄소 관련 업체에서는 수증기 활성화 (steam activation)하는 공법을 통해 담지체의 다공성 만을 극대화하고 있다.

문제는 이 수증기 활성화(steam activation) 공법은 700℃ 이상의 고온에서 수증기를 분사함으로써 탄소 원료의 표면에 미세 기공을 형성하는 방식으로 미세 기공이 쉽게 형성된다는 장점이 있지만 수증기가 무작위적으로 탄소 원자들과 반응하기 때문에 불균일한 크기의 기공 형성 제품의 물성이 불균일해지고, 촉매 효율성이 저하되는가 하면, 정성이 높은 탄소면의 원자이탈이 발생해 탄소 담지체의 결정성을 저하를 초래하여 연료전지 촉매의 내구성 저하를 낳는다. 

이에 김기민 더카본스튜디오 대표는 연료전지의 장기 신뢰성 확보 및 이를 통한 연료전지 및 수소차 보급을 앞당기기 위해 고내구성의 탄소 담지체와 관련된 기술을 직접 개발하고 특허까지 발명하게 됐다. 더카본스튜디오의 특허는 다공성 탄소 담지체 제조방법 및 이를 이용한 연료전지용 촉매다. 

김 대표는 수증기 활성화 공정의 단점을 보완하기 위해 1차적으로 이종원소를 탄소 표면에 균일하게 도핑하고, 2차적으로 화학적 활성화 처리를 진행하는 두 가지 단계로 기공을 형성하도록 했다. 이는 활성화 공정 전 단계에서 이종원소를 도핑하는 것이 가장 큰 특징으로 기존 공정 대비 높은 결정성과 수율을 확보했으며 입체적으로 다공성을 조절할 수 있도록 했다. 

이종원소 도핑을 통해 탄소 분자 구조를 불안정하게 만들고, 특정 부위로 반응을 유도함으로써 활성화 공정 이후 고결정성의 탄소 부위만을 남길 수 있으며, 결과적으로 탄소 담지체의 결정성을 극대화했다.

또한 활성화 공정 상에서 다공성을 나노미터 스케일에서 제어할 수 있도록 해 이종원소가 도입되는 빈도 및 위치, 그리고 후속 활성화 공정의 강도를 통해 단순 비표면적 뿐만 아니라, 미세 기공 분포에 대해서도 나노미터 스케일 수준의 세밀한 조절이 가능하고록 한 것이다. 

이에 김 대표는 미국 경제 전문지인 포브스(Forbes)가 매년 미국·캐나다·아시아·유럽·아프리카 등, 지역별로 금융·벤처캐피탈·소비자 기술·기업 기술·예술 등의 분야에서 30세 이하 청년 리더를 선정하는 데 지난 2021년에 재생에너지 디바이스용 핵심 탄소소재 개발로 ‘아시아 30세 이하 리더’에 선정됐다.

더카본스튜디오는 기존 소부장 영역의 관점에서 보았을 때 업력은 짧은 편이지만, 신속한 의사결정과 창의성을 갖춘 R&D 역량, 그리고 고객사와의 유기적인 소통을 기반으로 수소연료전지 시장의 니즈를 빠르게 캐치해 연착륙한 했다. 실제로 소부장 기반의 기술 창업기업들이 가장 많이 직면하는 허들은 양산성과 경제성으로 대표되는 ‘스케일업’이라고 할 수 있다. 

이에 더카본스튜디오는 “고객이 채택할 수 있는 기술이 가장 우수한 기술이다”란 믿음으로 고객사 수요 중심의 소재 개발에 집중했으며, 그 결과 신속한 시제품 검증과 함께 양산 라인 구축에 착수할 수 있었으며 만 4년 내에 성공할 수 있었다.

그 과정에서 이 여정에 동참한 아주아이비투자㈜·㈜유니드·㈜에이티넘인베스트먼트·㈜에스제이투자파트너스·㈜퓨처플레이·에이치엘만도㈜·동우화인켐㈜에 의해 진행된 대규모 투자들도 사업화의 핵심 기여 요소라 할 수 있다.

올해 더카본스튜디오는 창업 이후 이룩한 R&D 및 사업화 성과를 기반으로 중소벤처기업부의 ‘소재‧부품‧장비스타트업100’에 선정돼 성장성을 인정받았다. 이 같은 성과를 바탕을 더카본스튜디오는 현재까지 회사를 지탱해온 R&D 역량을 더 발전시켜 기술 초격차라는 목표 달성을 위해 우수 인력 유치 및 연구장비 구축에 공격적인 투자를 감행하고 있다.

그동안 수소차는 낮은 상품성 등으로 인해 전기차의 급격한 성장과 대비되는 행보를 보여왔다. 그러나 기존 배터리에 비해 비교 우위를 가질 수 있는 고중량의 차량(heavy-duty vehicle)을 중심으로 수소연료전지는 차근차근 전진하고 있다. 

글로벌 완성차 업체들을 포함한 기존의 수소연료전지 밸류체인 기업들과 더카본스튜디오와 같은 새로운 솔루션을 제시할 수 있는 스타트업들이 사업화 속도를 끌어 올림에 따라 관련 업계의 전문가들 사이에서는 2025~2026년이 수소차의 ‘티핑 포인트(tipping point)’가 될 수 있을 것이라는 컨센서스가 나오고 있다.

더카본스튜디오는 소부장 기업의 가장 큰 허들인 스케일업을 넘어왔고, 현재 고객사의 품질 인증과 공급 계약이라는 또 하나의 커다란 허들을 눈앞에 두고 있다. 

이에 더카본스튜디오는 ‘고객에서 정답을 찾는다’라는 회사의 핵심 가치를 실현, 허들을 넘어설 계획이다. 또한 이를 통해 2025년부터는 더카본스튜디오가 탄생 시킨 탄소 소재가 탑재된 수소 모빌리티가 도로 위를 누빌 것으로 전망하고 있다. 더카본스튜디오는 지속적인 R&D와 사업화를 통해 내연기관 100% 탈피라는 원대한 인류의 목표에 일조할 수 있는 기업이 되는 것을 목표로 하고 있다.

이성노 기자 sungro51@sporbiz.co.kr