수소에너지 연구실(2025년 7월호)

안녕하세요? 저희 HERO (Hydrogen Energy Research [Prof. Oh]) 연구실은 울산과학기술원 화학과에서 오현철 교수 님과 HERO 구성원들이 함께 나노다공성 소재 기반으로 한 수소 저장 및 동위원소 분리 연구를 중심으로 활발한 연구를 진 행하고 있습니다. 뿐만 아니라 이산화탄소(CO2), 암모니아 (NH3) 등 다양한 기체의 포집 및 선택적 분리 그리고 자기열량 효과(Magnetocaloric effect, MCE) 효과를 활용한 다공성 소재의 자성 제어 및 기능화 등으로 연구 분야를 확장하고 있 습니다.

수소, 가장 가벼운 무게로 가장 무거운 질문을 던지다

HERO 연구실의 핵심은 바로 “수소” 입니다. 가장 작고 가벼운 원소이지만, 수소는 우리가 마주한 에너지 전환, 탄소 중립, 핵융합 기술 등 복잡하고 깊이 있는 과학적 질문과 맞닿아 있습니다. HERO 연구실에서의 수소 연구는 크게 세 가지 방향으로 나뉩니다.

첫째, 수소 저장(Hydrogen Storage) 연구는 탄소 중립을 위한 핵심 기술로, 재생에너지의 불균형 조절과 장거리 운송을 위한 고밀도 에너지 저장 수단 확보에 필요합니다. 기존 고압 기체 저장 방식은 중량·비용·열관리 부담이 크고, 액체 저장 방식은 20K 유지로 인한 자연기화(boil-off)와 재액화 비용이 문제입니다. 저희는 이를 해결하고자 다양한 나노다공성 소재 기반의 극저온 저장 기술을 개발하고 있으며, 증발 손실을 줄이고 안전하고 경제적인 수소 운송 시스템 구축을 목표로 합니다.

둘째, 수소 동위원소 분리(Hydrogen Isotope Separation)입니다. 중수소(Deuterium)는 OLED 공정 등 다양한 산업에서 수요가 증가하고 있으나, 수소와 유사한 화학적·물리적 특성으로 인해 분리가 어렵습니다. 저희는 극저온 조건에서 발생하는 나노 다공성 소재의 운동 양자체 효과(Kinetic Quantum Sieving)를 활용하여, 영점 에너지 차이에 따른 선택적 확산을 유도하고, 이를 통해 고성능 동위원소 분리 소재를 개발하고 있습니다.

셋째, 자기열량효과(Magnetocaloric Effect, MCE)를 활용 한 수소 액화 대체 기술입니다. MCE는 자성 물질에 자기장을 가하거나 제거할 때 발생하는 가역적인 온도 변화로, 오존층에 유해한 냉매가스를 사용하는 기존 압축 냉각기술을 대체할 수 있는 차세대 냉각 기술로 주목받고 있습니다. HERO 연구실은 이 원리를 다공성 소재에 적용하여, 에너지 소비와 비용을 줄이고 친환경적인 나노다공성소재 기반 수소 액화 시스템 개발에 힘쓰고 있습니다.

HERO가 수소를 관찰하는 방법

그렇다면 HERO 연구실은 과연 어떻게 다공성 소재 내 수소를 분석할 수 있을까요? 수소의 물리 흡착은 대부분 20K에 서 77K 이하의 극저온 환경에서 이루어지기 때문에, 이를 정확히 측정할 수 있는 실험 장비가 필수입니다. HERO 연구실 은 이러한 극저온 조건을 구현할 수 있는 다양한 극저온 분석 장비를 갖추고 있어, 수소의 흡착 거동이나 분리 성능을 정밀 하게 확인할 수 있는 연구 환경이 잘 마련되어 있습니다. [그림 2]와 같이, 20K에서부터 상온까지 측정 가능한 BET 비표면적 분석 장비, 직접 설계 및 제작한 극저온 파과장비(breakthrough), 그리고 전 세계 몇 대 없는 극저온 열탈착 분석 장(Advanced- cryogenic thermal desorption spectroscopy, ACTDS), 마지막으로 물성분석장비(Physical property measurement system, PPMS) 등 쉽게 접해볼 수 없는 다양한 분석 장비를 활용해볼 수 있다는 것이 저희 연구실의 가장 큰 장점이라고 생각합니다. 저의 경우에는 극저온 열탈착 분석 장비를 설계부터 구축 및 장비 보정 과정에 직접 참여하여 장비의 구조나 작동 원리 그리고 수없이 발생했던 문제에서 얻어지는 교훈과 지식 등을 통해 장비에 대한 이해도를 높이고 측정 경험을 쌓을 수 있는 아주 소중한 자산이 되었습니다. 또한 구성원들이 각 각 맡은 장비와 데이터를 기반으로 서로의 실험을 연결하고 논의를 통해 다양한 관점에서 데이터를 해석하고 협업 역량을 키우는 경험도 함께 쌓을 수 있습니다.

HERO 연구실의 글로벌 연구는 계속된다

HERO 연구실은 국내외 다양한 공동 연구 및 측정 기회를 통해 연구 역량을 확장할 수 있는 환경을 제공합니다. 특히 다공성 소재 내 수소의 확산 및 흡착 상태를 정밀하게 분석하기 위해 독일·프랑스·미국 등 해외 중성자 측정 관련 대형 연구 시설을 직접 방문하여 실험을 수행하고 있습니다. 이러한 대형 연구 시설은 전 세계적으로 수요가 큰 만큼 주어진 시간에 최대한 많은 데이터를 확보해야 하므로 밤낮없이 측정을 이어가야 하는 고된 일정이 이어지기도 합니다. 익숙하지 않은 장비 환경 속에서 원하는 데이터를 얻기까지 시행착오도 있었지만, 장비 담당자들과의 협업 및 끊임없는 분석 등을 통해 결국 원하는 결과를 얻어냈을 때의 성취감은 그 모든 과정을 보상하고도 남을 만큼 컸습니다.

중성자 측정 관련해서 HERO 연구실에서는 중성자 과학에 대한 기초부터 심화까지 학습할 수 있는 교육 기회도 적극적으 로 지원하고 있습니다. 국내외에서 열리는 중성자 스쿨 및 관련 프로그램에 학생들이 참여할 수 있도록 지도교수님의 추천과 신청을 도와주고 있으며, 이론과 실험을 함께 익힐 수 있는 학습 친화적 환경이 잘 갖춰져 있습니다. 또한 HERO 연구실은 학술 적 교류를 적극 장려하고 있으며, 연구 분야와 관련된 국내외 학회 참석 기회가 언제나 열려 있습니다. 매년 다양한 학회에 참여 하여 자신의 연구를 발표하고, 동시에 다양한 최신 연구를 접하며 견문을 넓힐 수 있는 소중한 경험을 쌓을 수 있습니다.

HERO 연구실 분위기

저희 연구실의 이미지를 떠올려본다면 밝고 긍정적인 에너지가 생각이 납니다. 이러한 에너지는 자연스럽게 만들어진 것 이 아니라, 서로를 배려하고, 기쁨은 함께 나누고, 힘든 날은 위로와 도움을 주고받는 구성원들 덕분에 형성된 것입니다. 이처럼 HERO 연구실은 언제나 화목하고 즐거운 분위기를 유지하고 있습니다. 매년 구성원들과 함께 생일을 챙기고, MT나 워크숍 및 외식을 하며 많지는 않지만 소소하고 행복한 추억을 쌓아갑니다. 또한, 연구가 밤늦게까지 이어지는 날에도 연구실 구성원들과 함께 있다 보면, 서로 장난을 주고받으며 분위기를 밝게 만들고, 서로의 열정을 보며 자연스레 더 열심히 하게 되는 것 같습니다. 이런 순간들이 쌓여, 연구실은 단순히 연구를 위한 공간을 넘어, 함께 성장하고 웃을 수 있는 공동체가 됩니다. 앞으로도 우리 연구실의 밝은 에너지와 연구에 대한 열정이 구성원들에게 의미 있는 성과로 이어지고, 선한 영향력으로 확산되기를 기대합니다.

그리고 무엇보다, 언제나 우리 곁에서 응원해주시고 올바른방향을 제시해주시는 오현철 교수님이 계시기에 지금의 HERO 연구실이 존재한다고 생각합니다. “회식보단 외식”을 외치시며, 종종 학생들의 흑역사로 장난치기를 좋아하시고, 구성원 절반 이상이 MBTI ‘P’ 성향이지만 “난 P는 싫어” 라고 농담하시며 가끔 연구실에 오셔서 썰렁한 개그로 분위기를 환기(?)시켜 주시는 교수님의 유쾌한 한마디는 연구실 분위기를 더욱 밝게 만듭니다. 또한, 연구가 좋은 성과로 이어질 때마다 건네주시는 ‘논문 기념 컵’은 교수님의 세심함과 따뜻한 응원이 담긴 특별한 이벤트로 큰 힘과 동기부여가 됩니다.

때로는 웃음으로, 때로는 진심 어린 조언으로 이끌어 주시는 사려 깊은 교수님이 계시기에, 저희는 늘 한 걸음 더 성장할 수 있었습니다. 앞으로도 교수님과 함께 서로를 북돋우며 성장해 나가는 HERO 연구실이 되기를 희망합니다.