21세기는 수소사회라고 한다. 수소를 어떻게 효율적으로, 대량으로 뽑아내는가 하는 수소사회를 지탱하는 기반기술의 연구에서 파인세라믹스센터(JFCC)는 한 가지 해답을 제시했다. 나노테크놀로지를 이용하여 분자를 흔들어 나누어서 수소를 효율적으로 뽑아내는 고온 수소 분리막을 새롭게 개발, 500℃의 고온 하에서 수소의 선택투과성 기능의 향상에 성공했다. 수소분리기능은 세계 최고 수준이라고 한다. 수소제조기술이 크게 전진하리라 기대된다. 수소를 싼값에 대량제조하기 위해서는 메탄 등을 고온에서 개질하여 얻는 것이 일반적이다. 현재는 약 800℃의 고온 하에서 개질반응을 이용하여 수소의 생성공정과 분리공정을 각기 달리 행하고 있다. 분리공정에서 사용되는 수소 분리막으로서는 고분자계 재료를 이용한 유기막이나 다공질 세라믹스제 무기막이 있다. 이 가운데 다공질 세라믹스제 무기막은 지금까지 나노미터보다 1자릿수 작은 서브나노미터 단위의 미세공에 의해 고온의 혼합가스로부터 수소를 흔들어 나눌 수 있다. 단지 수소의 변별의 정도를 나타내는 막 투과율에 한계가 있었다. 직경 0.25나노미터 정도의 헬륨이라면 어느 정도의 투과성이 있지만, 동 0.3나노미터로 한 단계 큰 수소는 헬륨과 비교하면 투과율이 떨어진다는 문제가 있었다. 이러한 가운데 열효율의 향상과 제조 시스템의 간소화라는 문제해결을 위해, 500℃ 정도에서의 개질반응을 이용한 수소의 생성과 분리를 일체로 행하는 실용화 연구가 진행되고 있다. 그 일환으로 JFCC는 내열성 등의 성능면, 제조의 원가면을 고려하여, 다공질 무기막의 우의성에 주목하여 “수소에 대해 우수한 선택투과성을 가진 세라믹스제 다공질막의 신규 개발을 목표로 했다”(岩本雄二 재료기술연구소 수소분리막 프로젝트 실장)고 한다. 수소의 막투과율을 높이기 위해 JFCC가 개발한 고온 수소 분리막은 종래의 세라믹스제 다공질막이 가진 분자 변별기능과 함께 수소를 흡착, 흡수하기 쉬운 수소친화성이라는 성질을 부여했다. 수소친화성을 높이기 위해서 수소와 궁합이 잘 맞는 니켈을 이용했다. 니켈은 고온에서 수소를 흡착한다는 것이 알려져 있다. 개발한 분리막은 분자 변별기능을 가진 실리카 막에 약 10나노미터의 니켈의 미세입자를 분산시킨 복합재료(나노콤포짓)로 ‘니켈 나노입자 분리형 실리카 막’이라고 명명했다. 나노콤포짓은 나노미터 레벨에서 이종물질을 복합한 재료를 말한다. 종래의 마이크로 크기의 복합재료에 없는 기능을 얻을 수 있다고 하여 주목되고 있는 나노테크놀로지의 하나이다. JFCC의 경우, 실리카 막과 나노 사이즈의 니켈입자와의 합성으로 종래에 없던 수소의 선택투과성의 발현에 성공한 것이 된다. 수소 분리막의 개발을 목적으로 한 연구 성과인데, 이 막 합성의 성공으로 “나노콤포짓 연구의 일례로서 관심을 보이는 외부 연구자도 있다”(동)고 한다. 니켈 나노입자 분산형 실리카 막 합성의 성공으로 미세공 구조 제어기술을 이용하여 분리 활성층, 중간층, 다공질 지지기재 등 3층으로 된 치밀한 수소 분리막을 완성시켰다. 분리 활성층에서 지지기재까지의 세공의 크기를 0.3~150나노미터로 제어하여 수소의 선택투과성을 높였다. 500℃의 고온에서의 실험결과로 개발한 수소분리막은 헬륨 투과율의 약 5배, 질소에 대해서는 약 80배의 수소투과성을 보였다. 이것으로 실리카 막 속에서 고온에서도 수소를 끌어당겨 수소투과율이 향상되는 것을 확인했다. 또 수소분리막의 개발에 따라 수소분리기능의 향상을 꾀하려면 막의 재료선정과 재료의 특성을 알기위한 평가기술이 필요불가결하다. 따라서 이번 개발을 통해서 수소의 선택투과성능, 내열성, 기계적 특성 등의 평가해석기술의 개발로 이어나가려는 계획도 있다. 앞으로 가일층 성능향상을 지향하여 현재는 니켈 이외에도 수소 친화성이 높은 원소가 없는가에 대한 탐색을 계속하고 있다. (NK)